纖毛系統缺陷對特發性脊柱側凸的影響研究進展

范子豪，趙智，解京明，王迎松，朱庭標

(昆明醫科大學第二附屬醫院骨科，云南 昆明 650101)

脊柱側凸是最常見的結構性脊柱畸形。嚴重的脊柱側凸需通過手術干預治療，雖然該病的手術治療技術通過近幾十年來的發展已經可以取得較好的療效，但仍無法避免手術風險高、操作難度大的弊端。目前，該病的發病機制尚不清楚，其發病機理涉及到多種因素。自從以斑馬魚作為脊柱側凸研究的重要模型以來，通過影響基因表現來誘發脊柱側凸的產生已成為對該病研究的重要渠道。在研究基因改變與脊柱側凸形成的關系時，發現纖毛相關基因與脊柱側凸的形成有一定相關性。本文就近年來對纖毛缺陷與脊柱側凸發生的相關研究進行綜述，包括運動纖毛缺陷影響腦脊液流動而誘發脊柱側凸的研究，以及纖毛組成的脊髓中央管系統缺陷影響腦脊液中信號傳遞所誘發脊柱側凸的分子機制。

1 特發性脊柱側凸(idiopathic scoliosis，IS)的特征

脊柱側凸以復雜的脊柱三維改變為特征，發病原因有先天性、神經肌肉疾病、綜合征和不明原因等[1]。其中，發病原因不明的脊柱側凸稱為IS，占臨床患者比率多達80%[2-3]，是最常見的結構性脊柱側凸畸形。IS好發于10～16歲的女性，輕度的脊柱側凸通常無癥狀，可導致肌肉骨骼或背部疼痛，Cobb角<20°時，若對患者生活無明顯影響，只需定期隨訪、保守觀察即可。當側凸發展至Cobb角在20°～40°之間時，通過支具等非手術治療的手段可進行治療或延緩側凸進展。嚴重的脊柱側凸(Cobb角>40°)患者可能會出現身體疼痛、畸形，對患者社會心理產生影響，少數患者可出現心肺功能影響[4]，此時需要進行手術干預。雖然該病的手術治療技術通過近幾十年來的發展已經可以取得較好的療效，但仍無法避免手術風險高、操作難度大的弊端[5]。目前，該病的發病機制尚不清楚，其發病機理涉及到多種因素如：遺傳學、中樞神經系統、脊柱生長和骨代謝、代謝途徑、生物力學等[6]。研究該病的發病機制有助于在臨床治療方面打開新的思路，若能在發病初期進行干預，將能極大減少患者的負擔。

2 纖毛的種類與作用

在20世紀90年代，纖毛缺陷和IS之間的聯系就已經被發現，但還沒有被廣泛認識。例如，慢性呼吸系統疾病原發性睫狀體運動障礙患者的脊柱側凸患病率較高，其特征是氣道纖毛運動功能缺陷，這意味著這種運動功能缺陷也可能延伸到室管膜細胞的纖毛[7]。

纖毛實質上為微管與相關蛋白組建成的軸絲，是細胞表面絲狀的突起，圍繞著微管骨架構建，由基體作為模板[8]。軸突被與細胞的質膜鄰接的膜圍繞。纖毛富含信號分子和離子通道，并充當細胞外信號的產生者和接收者[9]。

纖毛大致分為兩類：活動纖毛與感覺纖毛，又稱運動纖毛與非運動纖毛。運動纖毛包含有動力蛋白，以更好的發揮纖毛的運動功能，其主要功能為推動周圍液體流動[10]，在大腦中纖毛的室管膜細胞在腦室內產生長距離的腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)流。在胚胎的早期發育中，纖毛驅動的液體流動具有重要的意義，對胚胎發育有改變左右對稱的功能[11]。非運動纖毛缺少動力蛋白，無內在動力，其質膜上分布著許多跨膜受體，能夠被不同的外界信號所激活，在嗅覺、聽覺、視覺等感覺傳導的過程里都有非運動纖毛參與到了其中。

3 CSF流動變化與IS形成的關系

脈絡叢分泌的CSF在腦室系統和脊髓中央管中循環[12]。CSF中含有能夠調節神經系統發育和功能的營養素和蛋白質[12-14]。CSF借助圍繞中央管上皮排列的活動纖毛產生的流動將這些分子分布在整個腦室和脊髓中央管中[15-16]。這些信號因子為中樞神經系統的功能發揮了重要的體內平衡作用，且與胚胎發育有一定關聯[17]。關于脊髓空洞癥中ChiariⅠ畸形形成病因的許多理論中都普遍存在CSF混亂或阻塞的情況[18]，另一些研究在IS患者中觀察到了異常的L-R不對稱和有缺陷的CSF流[19]，表明了正常的CSF循環和運轉中斷會導致許多疾病的發展。

Zhao等[20]使用Kaolin誘導劑在日本白兔的第7脊髓階段進行注射，經過12周的觀察，實驗組73%檢測到脊柱側凸的形成，且在觀察期間實驗組CSF流速產生了差異。統計結果表明，CSF流量的持續動力變化與脊柱側凸的形成有關。病理觀察發現，脊髓出現了早期炎癥反應，蛛網膜下腔和中央管的黏連和阻塞，血管間隙的擴大等對CSF流動產生影響的因素。這與脊髓空洞癥的病理結構改變相似，且脊髓空洞癥有高概率伴發脊柱側凸的現象。該報道[20]并未具體說明CSF流量改變所引發IS的機制，也未排除CSF流速降低和脊柱側凸的產生可能是脊髓損傷和/或蛛網膜炎的共有癥狀，需要更多的研究與證據來解釋這其中的原因，但為CSF作為孤立性的發病因素提供了可能性。

在另外一些實驗中[10，21-22]，采用對斑馬魚ptk7突變影響運動型纖毛功能障礙，使CSF的流動發生變化產生了斑馬魚的脊柱側凸。Ptk7與纖毛功能相關，是脊椎動物胚胎發育成形所必須的基因。通過控制Ptk7基因上纖毛形成相關片段表達，發現這些片段在突變后模型中均產生了脊柱側凸的表現。此外，與IS中Wnt信號傳導失調的作用一致的是，Ptk7是經典Wnt-β-catenin和非經典Wnt/PCP信號通路的重要調節劑，突變的Ptk7破壞了經典的Wnt/b-catenin和非經典的Wnt/PCP信號傳導活性。在突變的Ptk7模型中觀察到了嚴重的CSF流動缺陷也與Kaolin誘導所產生脊柱側凸的結果相符，這為纖毛功能影響CSF流動所產生脊柱側凸的推測提供了證據。

在CSF的流動變化引起脊柱彎曲的基礎上，Zhang等[23]對其運行的分子機制做出研究，報道中斑馬魚胚胎纖毛驅動的CSF流沿腎細胞輸送腎上腺素能信號，該信號激活了CSF-cNs中編碼尾加壓素Ⅱ相關肽(urotensin Ⅱ-related peptides，Urp)基因的表達，從而激活背部的慢肌纖維受體，這些纖維的收縮可能導致身體軸伸直。與此相同的是，尾加壓素Ⅱ受體的突變導致成年斑馬魚嚴重脊柱側凸，與人類疾病極為相似。CSF流量受損引起的尾加壓素Ⅱ素信號轉導可能是IS病理的潛在病因。

一些人類基因研究也提供了有力的證據，證明斑馬魚的研究結果與青少年特發性脊柱側凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)有更直接的相關性[24-25]。在所有這些研究中，全部外顯子測序(whole-exome sequencing，WES)被用來鑒定國內AIS患者中的基因變異。這些研究發現，軸絲動力蛋白臂的組裝所需基因中的雜合單核苷酸變異(single-nucleotide variants，SNV)以及編碼動力蛋白本身的基因與AIS顯著相關。軸絲動力蛋白臂為運動纖毛的運動提供動力，而軸絲動力蛋白臂的組裝所需的基因以及編碼動力蛋白本身的基因中的雜合單核苷酸變異與AIS顯著相關。

這些研究結果表明，在動物模型的研究中，CSF的流動變化可能是脊柱側凸形成的因素，并且由于纖毛系統是CSF流動產生的動力原，纖毛功能的缺陷可能也是形成脊柱側凸的重要環節，這為探究該病發病機制的研究提供了新的方向。

4 CSF-cNs系統功能異常的影響

脊髓中央管中的纖毛通過對CSF產生機械信號與化學信號的接收與傳遞，發揮了對脊柱形態調控的功能。在脊椎動物的脊髓中，獨特的γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能神經元群體將纖毛延伸到CSF中，這些神經元稱為腦脊液神經元系統(cerebrospinal fluid-central nervous system，CSF-cNs)[26]。其通過與Reissner纖維(Reissne fiber，RF)的功能聯合來檢測脊柱彎曲。CSF-cNs中的kd2l1驅動的自發活動反映體內的CSF流動，是感應機械信號的關鍵[27]。此外，CSF-cNs分泌的Urp蛋白可能通過其受體Uts2r3在背部慢肌纖維上發揮作用，這些肌纖維的收縮活性會影響正常軀體形態的建立[23]。在B?hm等[28]的研究中，通過鈣成像對斑馬魚模型脊髓中的鈣信號進行檢測，在實施逃逸測試、脊柱彎曲測試、癱瘓狀態下脊柱彎曲測試后，CSF-cNs均可產生程度不同的激活，并且能檢測脊柱彎曲的方向，表示了該結構對軀體形態變化與調節有一定關聯。若CSF-cNs的功能發生異常，則可能會對軀體軸的建立產生一定影響。

RF是一種存在于CSF中的絲狀結構。RF由聯合下器(subcommissural organ，SCO)-spondin聚集形成，在形成中需要運動纖毛和/或CSF流動。在Cantaut-Belarif等[29]的研究中，觀察纖毛功能發生缺陷的Kurly突變體模型的結果發現RF的形成出現問題。在該模型中，Kurly突變體不影響纖毛的發生而只影響纖毛的運動性與極性，這表明纖毛的運動性對RF的正確形成至關重要。在體外研究中，將蛋白質置于特定的流動場中會促進它們的聚集[30]，這表明蛋白質聚集可能對流體動力變化很敏感。纖毛驅動的CSF流動使纖維狀的SCO-spondin能夠正確聚集到成熟的RF中。

RF與腹側和背側CSF-cNs的纖毛和微絨毛緊密相鄰，兩者在功能上相互作用，以檢測脊椎動物脊髓中的脊柱彎曲[31]。現有研究證明，RF可以結合兒茶酚胺，如腎上腺素和去甲腎上腺素[32]，它可有效的將激素遞送給CSF-cNs，以激活Urp基因的表達。在纖毛突變體中，SCO-spondin聚集失敗且RF組裝受損，并且還引起了斑馬魚腹側身體的彎曲。與此相同的是，SCO-spondin突變體的模型發生了類似情況，這可能是由于SCO-spondin的功能缺陷導致無法結合腎上腺素并且呈遞給CSF-cNS激活Urp基因表達的原因[33]。

鑒于上述研究的結果，可以推測CSF-cNs與RF可作為一種信號接收系統來接受外來的機械信號與化學信號，從而參與脊柱生長的調節，但這種信號的變化影響脊柱外神經和/或肌肉與骨代謝、骨發育的機制還并不清楚，需要多學科的研究結合來進一步證明。

5 展 望

纖毛和CSF介導的機制有助于早期脊柱的軸向形態發生和長期保持脊柱伸直。研究清楚地表明，可以利用類似的機制(包括運動纖毛、CSF-cNs、RF和降壓肽神經肽信號)對脊柱進行早期糾正和長期形態保持。在運動和生長過程中，由運動纖毛、RF和CSF-cNs組成的“感覺器官”不斷感覺到身體/脊柱的形狀。在變形期間連續糾正的異常生長機制可能涉及了CSF-cNs的差異激活或局部降壓素信號所引起的肌肉收縮。總之，可以利用早期斑馬魚幼苗的可塑性，以高通量的方式發現體型的遺傳和小分子修飾因子，然后將其應用于IS的遲發性彎曲。這可能是研究IS治療干預措施的有效方法。此外，由于Urp信號缺失是人類IS存在的分子缺陷，Urp信號的藥理研究可能會為更好地治療這種疾病提供重要途徑。