青少年特发性脊柱侧弯前庭病因学研究进展

张凯 李扬政 余晓琦 张晴雁

【摘要】青少年特发性脊柱侧弯（Adolescent idiopathic scoliosis，AIS）作为青少年最常见的脊柱畸形，其病理机制尚未明确，极大影响着青少年身心健康。目前更多的证据表明，前庭系统异常可能是AIS形成的重要致畸因素，但两者之间的潜在联系与病理机制的研究仍处于进行时，近些年该方面的研究进展也尚未得到整理归纳。因此本文回顾了当下前庭系统在AIS中作用的证据与可能机制，并提出更具全局性的病理生理学概念，即前庭系统功能异常促成了早期人类脊柱侧弯的发生，并在随后的生长发育进程中，与逐渐完善的视觉和躯体本体感觉系统在中枢整合的作用下适应性代偿，输出为永久的特发性脊柱侧弯。

【关键词】特发性脊柱侧弯;前庭系統;病因;研究进展

基金项目：浙江省医药卫生科技计划面上项目（2021432001）

引言   青少年特发性脊柱侧弯是指儿童生长发育过程中发生的脊柱三维形态畸形，特征为脊柱侧移和轴向旋转，是青少年最常见的脊柱畸形。AIS全球患病率为0.47%至5.20%，作为中国最常见的脊柱侧弯类型，其发病率高达90%，其最大特点为不伴随可识别的解剖异常或其他疾病，这无疑增加了对该疾病病因探索的难度。对于AIS研究的几十年里，病因研究涵盖了几乎所有可能的起源——遗传学、生存环境、荷尔蒙、生物化学、脊柱生物力学、神经学和生长发育，这使我们相信AIS是一种多因素疾病。然而，这些因素究竟是AIS的病因还是AIS发生后继发的异常表现，尚未有明确定论。其中前庭功能作为AIS病因的探究格外令人兴奋，目前大量证据表明前庭系统异常与AIS的形成有着密切联系，然而具体病理机制仍在探索阶段。明确前庭系统在AIS发展中的意义，对建立更科学的AIS诊治框架意义重大，因此有必要对现有的研究结果进行综述。本综述则旨在归纳当前AIS前庭系统最新进展，梳理AIS患者前庭异常表现并试图解释前庭系统促成AIS的可能机制。这将拓宽脊骨医生和康复师对于AIS康复新的认识，对于开展AIS患者前庭功能的临床诊疗以及开发新的康复策略意义重大。具体综述如下：

1. 前庭系统异常与AIS的相关性证据

像肢体运动依靠本体感觉定位一样，头部运动的方向、速度以及人体相对于地心引力的空间定位和平衡都离不开前庭觉的感知。当头部旋转或线性加速时，我们的内耳感受器会将信息通过前庭-网状-脊髓通路下行到达各节段脊髓神经前角运动细胞，参与躯干肌肉的激活及连续性的姿势调整。因此学者们假设前庭系统会因受到各种原因导致前庭脊髓束控制的下行驱动力失衡，使脊柱在生命早期出现机械拉力不均，促成AIS发生。

1.1半规管功能异常与AIS

关于AIS半规管功能的研究不少，许多学者都发现了存在于AIS患者中异常的半规管功能，而这种前庭缺陷在先天性脊柱侧凸患者中并未观察到，前庭功能异常或许是AIS所特有的。随后，许多学者如Rousie DL、Shi、Hitier等团队研究发现，AIS患者的前庭系统异常普遍存在于左侧水平规管以及后规管，这可能与半规管骨化先后顺序有关，然而为何存在这样的差异目前未见报道。

1.2耳石功能异常与AIS

关于AIS耳石功能的研究相对半规管要少，评估目前分为两类，一类研究耳石系统刺激效果，如Pollak等采用前庭诱发肌源性电位（vestibular evoked myogenic potential，VEMP） 测试耳石前庭功能，发现AIS组第一个负向波 N23 潜伏期比对照组显著延长，而这种差异与Cobb 角大小无关。另一类研究则关注AIS患者的主观视觉垂直（Supervisor vision vertical，SVV）表现相对于正常人的异常表现。然而并不是所有的AIS患者都存在SVV异常，在关于AIS与SVV最新的系统评价中明确指出了SVV异常有可能仅存在于伴有疼痛的AIS 患者中。这项检查似乎对于临床上伴有疼痛的AIS 患者存在一定意义。

1.3 前庭中枢异常与AIS

前庭系统与AIS的关联不仅被发现在前庭器官中，也存在于脑干、小脑和脑皮质为代表的中枢神经系统中。比如皮质厚度的变化（尤其是丘脑腹后外侧核、岛叶和顶叶皮质厚度变薄）、皮质功能改变（如颞枕叶皮质中枢作用增强，而边缘皮质中枢作用减弱）以及小脑与脑干功能异常（如桥脑小脑束、小脑下脚传入纤维以及下行网状脊髓束发育不良，以及脑干中前庭核、内侧纵束、脑桥网状结构的功能异常）。

2. AIS前庭功能的病因学模型

2.1 动物侧弯模型与前庭病因学研究

为了进一步理清楚AIS与前庭系统异常之间的先后关系，多年来学者们试图用各种动物模型来模拟AIS的发生。虽然尚未得到能完整复制AIS多重特征的理想模型，但部分动物实验也先后成功模拟出了脊柱畸形，这为进一步探究AIS形成的复杂病理积累了些许一般性结论。其中Lambert等人开发的非洲爪蟾模型特别值得关注，他们对幼虫阶段的非洲爪蟾蜍行单侧迷路切除术后，幼蛙蜕变表现出额状和矢状面上的脊柱弯曲。他们的结论倾向于认为前庭病变是AIS的可能原因，即在生长发育的关键时期，任何下行通路的持续不对称（例如前庭通路），都有可能改变生长骨架，诱发脊柱侧弯。而且这种前庭因素带来的脊柱畸形只有发生在蟾蜍早期（变态之前）才能诱导骨变形，这与许多研究者观察到的AIS患者早期骨迷路的异常一致。Hitier也尝试在豚鼠身上复制该模型，观察到豚鼠短暂的凝视障碍和异常姿势体态，并发现这些短暂的改变从未导致永久性脊柱畸形，这种现象似乎也提示前庭系统对于脊柱畸形的影响似乎主要在早期，而后期发展为AIS并不是这样一个因素完全支配的。然而上述研究并没有直接在人体试验中进行，所以并不一定在人体上得到同样的结果。

2.2人类侧弯模型与前庭病因学研究

在动物实验的基础上，学者们关注到陆生脊椎动物单侧迷路术后所带来的姿势不良，会随时间的推移而改善，但在水生环境时则不会。学者们认为这可能与水生浮力条件下缺乏肢体抗重力的本体感觉输入对于前庭觉信号的代偿有关，导致中枢神经系统无法针对失衡的感觉系统做出及时充分的校准，从而导致明显的脊柱侧弯。水环境中肢体本体感觉信号的缺乏是将非洲爪蟾模型与人类脊柱侧凸联系起来的重要因素，因为在子宫内怀孕期间有类似情况。从作用上看，发育中的人类胚胎和新生儿在第一年对肢体本体感觉和视觉的依赖相当有限，因此前庭系统作为该阶段人体姿势重要的感觉系统，对脊柱的姿势影响举足轻重;且此时孩子尚未骨化的骨骼结构十分柔软，很容易因周围肌肉的持续不对称拉力而变形。从发生时间上看，迷路的形状和方向通常会因出生前骨化而提前固定，其中侧方半规（semi-circularcanal，SCC）由于形成时间最晚而骨化畸形可能性最大。因此研究者在AIS青少年迷路中观察到的异常，很可能在出生时甚至在宫内第35周前就已出现，这在时间上说明迷路不对称更可能在脊柱侧弯发生前。之后随着神经系统的进一步完善，感觉系统（以视觉与本体感觉系统为主）以及中枢神经系统（以额叶和小脑为主）更多地参与到姿势的校准与代偿，而前庭觉异常对脊柱畸形的影响也由此逐渐被“隐藏”。这个时候的脊柱或许依赖感觉代偿能力在姿势和平衡等功能上实现了短暂提升，但前庭失衡可能是永久的。根据Catanzariti等的研究结果，若前庭系统的失衡一直未被纠正，我们可以想象到在一生中，视觉、本体感觉及小脑等神经系统由于过度代偿前庭觉过早功能退化，机体用于维持脊柱形态与功能的能力可能大幅下降，此时前庭系统失衡对于脊柱畸形的影响更甚。

神经内分泌的改变在急性脑血管病（acute cerebrovascular disease，ACVD）导致多器官功能障碍（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的病程进展中起重要作用。ACVD发生时下丘脑等高级神经中枢可通过延髓内脏带-迷走神经通路对周围脏器功能进行调控，其中的胆碱能抗炎通路即由迷走神经及其主要递质乙酰胆碱（acetylcholine， Ach）形成，而且该抗炎通路可能在MODS时对周围脏器具有保护作用但具体机制尚未完全明了。本研究筛选ACVD致MODS患者、腔隙性脑梗死患者各30例，通过连续测定各时相的外周血内毒素、Ach的含量、心率变异性（HRV）及急性生理及慢性健康状况评分（APACHEⅡ），研究上述指标在ACVD致MODS发生时的相关性，探索胆碱能抗炎通路在ACVD致MODS患者病程中的可能调控机制。

1、临床资料

1.1. 分组：本研究受试者共60例，分为2组：MODS组、腔梗组各30例。

MODS组：筛选2015年7月-2018年2月山东中医药大学第二附属医院神经内科、神经外科收治的ACVD致MODS患者30例，其中男性18例，女性12例，平均年龄56.58±11.59岁;脑出血3例，脑梗死27例。

腔梗组：筛选2015年7月-2018年2月山东中医药大学第二附属医院神经内科收治的腔隙性脑梗死患者30例，其中男性17例，女性13例，平均年龄54.81±10.13岁。

以上2组患者的年龄、性别无显著性差异（P均>0.05）。

1.2诊断标准：符合急性脑血管病诊断标准与中华医学会全国脑血管病会议在1995年制定的脑梗死、脑出血、蛛网膜下腔出血的诊断标准;SIRS诊断标准与美国胸科医师学院和心脏重症医学会协作会议在1991年提案的SIRS的临床标准一致;MODS诊断及分期与庐山全国危重病急救医学学术会议在1995年设定的《多脏器功能障碍综合征（MODS）病情分期诊断及严重程度评分标准》相一致。

1.3入组标准：符合ACVD致MODS的诊断标准;发病在24h以内;入组者自愿参与本研究同时签署知情同意书（无行为能力者由监护人同意并签署）。

1.4排除标准：本次发病前即患有重大疾病如严重心、脑、肺、肝、肾、胃肠功能障碍、严重血液病、重症感染等;3个月内参与过其他临床试验。

1.5剔除标准：出现严重不良事件而不能将本研究方案继续者;受试者不配合本研究方案不能确信完成本研究者。

2、观察指标及方法

MODS组和腔梗组受试者分别于发病24h、72h、7d、14d 4个时相点采集清晨空腹肘静脉血15ml。10ml置于抗凝试管中2000r/min离心10min，分别吸取上层血清，置-80℃冰箱冷冻保存。采用改良基质显色法鲎试验测定内毒素含量，酶标记免疫吸附法（ELISA）检测Ach的含量。60例受试者分别于发病/入组24h、72h、7d、14d4个时相点测定心率变异性（HRV），指标包括：低频段功率（LF）、高频段功率（HF）、低/高频段功率比（LF/HF）、急性生理和慢性健康评分Ⅱ（The Acute Physiology and Chronic Health EvaluationⅡ，APACHEⅡ）。

3、統计学方法

试验数据用均数±标准差 （X±S） 表示，应用SPSS17.0统计软件包进行处理，组间差异显著性检验采用方差分析及多重相关分析，组内比较采用配对t检验，以P<0.05为差异有显著意义。

4、结果

4.1 MODS组与腔梗组相比：MODS组内毒素含量、APACHEⅡ评分显著高于腔梗组（P<0.01）;Ach表达72h显著高于、24h和14d显著低于腔梗组（P均<0.01）;HRV的LF和HF显著低于、LF/HF 显著高于腔梗组（P均<0.01）。（见表1-4）

4.2以各组APACHEⅡ评分为因变量（Y），以内毒素（X1）、LF/HF（X2）、Ach（X3）为自变量做偏相关分析显示：Ach与APACHEⅡ评分测定值呈负相关，偏相关系数为-0.102;内毒素与APACHEⅡ评分测定值呈正相关;HRV评分与APACHEⅡ评分测定值偏相关系数为0.054，相关性低。各指标与APACHEⅡ评分相关及偏相关系数见表5.

5、讨论

目前关于MODS的发病机制存在多种假说，其中肠道细菌易位、内毒素和炎症失控假说已经被广泛认可， 诸多证据显示内毒素（endotoxin）即脂多糖（lipopolysaccharide， LPS） 是最重要的触发因子。各种创伤应激时人体肠粘膜屏障破坏导致肠道细菌易位和内毒素血症的发生，肠道内细菌、内毒素进入体循环后，通过表达上调的内毒素受体 CD14 系统激活多种炎症细胞及活化体液径路（如补体、凝血系统），刺激组织产生多种免疫反应，进而出现瀑布效应诱发全身炎症反应综合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS）;另一方面因肠黏膜通透性增加及细菌易位，使肠腔微生物及其产物经门静脉入肝，刺激肝窦内皮细胞、Kuffer 细胞与肝细胞释放多种炎症介质，使炎症反应不断加重，诱发SIRS，导致 MODS 的发生。内毒素异常表达在该过程中处于核心地位，而且其可能对炎性因子具有增敏作用。脂多糖结合蛋白（lipolysaccharide binding protein ，LBP）的 N 末端与 LPS 的脂质 A 发生特异性的结合后， LPS 向 CD14转递炎性信号，而CD14通过体液免疫及激活炎性细胞启动级联反应，促使MODS进一步发展。有研究显示，LPS 具有对内皮细胞等非髓样细胞损伤的作用，并且其依赖于可溶性CD14（soluble CD14， sCD14）的参与，sCD14是内毒素的特异性受体蛋白，如果使用抗 CD14 抗体预处理，则可抑制血清依赖性的LPS对内皮细胞的激活作用，因此CD14 在介导 LPS 发挥生物学功能中发挥十分重要的作用。脑源性多器官功能障碍综合征（CMODS）发生机制和临床特点除MODS的特点外，还具有其特殊性。CMODS特别是重症患者易触发机体神经-内分泌-免疫网络调控紊乱，导致过度炎症反应，故ACVD致MODS具有发生快、病情进展迅速、病死率和致残率高的特征。本团队前期的系列实验研究最先证实缺血性脑血管病导致的CMODS存在肠道内毒素易位和血清内毒素异常升高的现象;其后发现脑出血致MODS大鼠模型存在内毒素血症和炎症因子TNF-α、IL-1在各脏器的异常表达， 提示内毒素血症刺激炎症因子TNF-α、IL-1的异常释放，诱发SIRS，导致MODS的发生;而且脑出血致MODS模型鼠除血清内毒素含量明显升高外，内毒素受体CD14 mRNA和IL-1β在肠组织表达明显增加，提示ACVD的严重打击导致肠道粘膜屏障功能破坏，内毒素易位导致内毒素血症，进而诱发炎症因子释放，导致失控的SIRS进而诱发MODS。本研究中MODS组患者各时相点内毒素含量和APACHEⅡ评分显著高于腔梗组（P<0.01），进一步证实ACVD患者发生SIRS和各脏器损害过程中持续存在严重的内毒素血症，LPS可能参与了ACVD致MODS的发生发展过程。

HRV是逐次窦性心搏之间心动周期的微小时间与频率的变异，可以反映植物神经对心血管系统的影响。HRV 的频域分析法以频域范围下面积作为定量观察指标， 定量评价交感和迷走神经活性。低频（LF）反映交感和副交感神经的双重活性;高频（HF）反映迷走神经活性，是心脏副交感神经支配的定量标志;LF/HF，反映交感神经活性。1996 年Godin 等提出了一种新的、互补的，有关MODS发病机制的假说，即相互关联器官之间的“解偶联假说”，其认为人体各相互作用器官之间的“解偶联”促进了MODS 的发展，而这种解偶联实际上是自主神经功能障碍的一种表现，并且可以通过HRV进行检测。他们给健康志愿者静脉注射内毒素，检测到可逆的HRV的减低，说明在脓毒血症时存在自主神经功能障碍，并且HRV减低是其重要特征表现。Seely 等应用非线性的分析方法来分析HRV，得出结论支持“解偶联假说”，并强调HRV的改变是MODS的病理生理特点。王蕾等使用实验性脑梗死模型，通过检测HRV评价大鼠自主神经功能，结果发现脑梗死组HRV的相邻RR间期差值的均方根、总功率谱和LF、HF较对照组降低，提示脑梗死引起心脏自主神经总活性降低、自主神经功能受损。心脏的交感和迷走神经传出信号起始于大脑，分别走行于交感干和迷走神经，然后通过去甲肾上腺素、Ach与心脏各自受体结合。心脏起搏细胞上的受体偶联触发信号通道最终可引起起搏电流并通过“特种电流”（funny current，If）传导。If 是由超极化环核苷酸门控通道（HCN）离子内流形成的电流。利用完整细胞插入钳的方法对分离的人右心房肌细胞进行实验，发现内毒素明显地损害了If。此外，在内毒素作用的心肌细胞上，β肾上腺素对If的影响更加显著。也就是说，内毒素在抑制窦房结功能的同时，β肾上腺素對窦房结的影响更加显著。这说明了为何HRV在MODS中降低，因为降低的HRV是患者自主神经功能障碍的一个重要特征，并且是预后不良、病死率增加的标志。本研究中MODS组患者各时相点LF、HF均显著低于腔梗组（P均<0.01），LF/HF均显著高于腔梗组（P均<0.01），提示ACVD致MODS患者，交感和副交感神经活动均减弱， 但交感神经活动仍占优势，即迷走神经活性处于相对较低的状态，存在交感-迷走神经张力失衡。

迷走神经分泌的Ach不仅是神经传导的主要递质， 在神经信号传导的过程中起了关键的作用，而且在神经内分泌免疫调节网络也发挥重要的作用，它和β肾上腺素共同调控交感神经和副交感神经的兴奋性，决定人体自主神经的功能状态。Ach通过迷走神经下调炎性因子TNF-α等的表达，继而SIRS得到控制乃至各种原因所导致的MODS的结局也得以改写。本团队前期实验研究也证实迷走神经可将炎症信息在中枢和外周相互传递，SIRS的降低也可通过增强迷走神经传出来实现，提示迷走神经胆碱能抗炎通路的兴奋对周围脏器具有保护作用，其机制与抑制SIRS有关。本研究中MODS组患者Ach表达72h较腔梗组高 （P<0.01）、24h和14d则显著低于腔梗组（P<0.01），说明在ACVD致MODS过程中副交感神经作用仍以抑制状态为主。本研究还显示以APACHEⅡ评分为因变量的相关分析结果中，内毒素、LF/HF与APACHEⅡ评分均呈高度正相关，Ach与APACHEⅡ评分相关性低。偏相关分析显示：内毒素对APACHEⅡ评分影响强度高，LF/HF对APACHEⅡ评分影响强度低，Ach与APACHEⅡ评分为负相关，但影响强度低，说明神经功能受损及内毒素血症对患者疾病严重程度影响最为直接，符合内毒素作为MODS过程中的始动因子的作用机制。而Ach受体可能受到内毒素抑制，β肾上腺素对心脏肾上腺素能受体的作用则更加显著，呈现副交感神经被抑制的表现，故而在MODS过程中的Ach发挥的影响较内毒素低，而HRV也因受交感神经及副交感神经功能失调的影响，在MODS过程中对疾病严重程度的影响也较低。

综上所述，本研究证实ACVD致MODS患者均出现严重的内毒素血症、交感-迷走神经张力失衡。内毒素血症是导致疾病严重程度加重的主要因素，而迷走神经及其递质Ach则表现出潜在的保护作用，进一步探寻安全有效地增强迷走神经兴奋性以增加Ach递质释放的方法可能成为ACVD致MODS临床治疗的新靶点。

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通訊作者：贺燕