纤毛系统缺陷对特发性脊柱侧凸的影响研究进展

范子豪，赵智，解京明，王迎松，朱庭标

(昆明医科大学第二附属医院骨科，云南 昆明 650101)

脊柱侧凸是最常见的结构性脊柱畸形。严重的脊柱侧凸需通过手术干预治疗，虽然该病的手术治疗技术通过近几十年来的发展已经可以取得较好的疗效，但仍无法避免手术风险高、操作难度大的弊端。目前，该病的发病机制尚不清楚，其发病机理涉及到多种因素。自从以斑马鱼作为脊柱侧凸研究的重要模型以来，通过影响基因表现来诱发脊柱侧凸的产生已成为对该病研究的重要渠道。在研究基因改变与脊柱侧凸形成的关系时，发现纤毛相关基因与脊柱侧凸的形成有一定相关性。本文就近年来对纤毛缺陷与脊柱侧凸发生的相关研究进行综述，包括运动纤毛缺陷影响脑脊液流动而诱发脊柱侧凸的研究，以及纤毛组成的脊髓中央管系统缺陷影响脑脊液中信号传递所诱发脊柱侧凸的分子机制。

1 特发性脊柱侧凸(idiopathic scoliosis，IS)的特征

脊柱侧凸以复杂的脊柱三维改变为特征，发病原因有先天性、神经肌肉疾病、综合征和不明原因等[1]。其中，发病原因不明的脊柱侧凸称为IS，占临床患者比率多达80%[2-3]，是最常见的结构性脊柱侧凸畸形。IS好发于10～16岁的女性，轻度的脊柱侧凸通常无症状，可导致肌肉骨骼或背部疼痛，Cobb角<20°时，若对患者生活无明显影响，只需定期随访、保守观察即可。当侧凸发展至Cobb角在20°～40°之间时，通过支具等非手术治疗的手段可进行治疗或延缓侧凸进展。严重的脊柱侧凸(Cobb角>40°)患者可能会出现身体疼痛、畸形，对患者社会心理产生影响，少数患者可出现心肺功能影响[4]，此时需要进行手术干预。虽然该病的手术治疗技术通过近几十年来的发展已经可以取得较好的疗效，但仍无法避免手术风险高、操作难度大的弊端[5]。目前，该病的发病机制尚不清楚，其发病机理涉及到多种因素如：遗传学、中枢神经系统、脊柱生长和骨代谢、代谢途径、生物力学等[6]。研究该病的发病机制有助于在临床治疗方面打开新的思路，若能在发病初期进行干预，将能极大减少患者的负担。

2 纤毛的种类与作用

在20世纪90年代，纤毛缺陷和IS之间的联系就已经被发现，但还没有被广泛认识。例如，慢性呼吸系统疾病原发性睫状体运动障碍患者的脊柱侧凸患病率较高，其特征是气道纤毛运动功能缺陷，这意味着这种运动功能缺陷也可能延伸到室管膜细胞的纤毛[7]。

纤毛实质上为微管与相关蛋白组建成的轴丝，是细胞表面丝状的突起，围绕着微管骨架构建，由基体作为模板[8]。轴突被与细胞的质膜邻接的膜围绕。纤毛富含信号分子和离子通道，并充当细胞外信号的产生者和接收者[9]。

纤毛大致分为两类：活动纤毛与感觉纤毛，又称运动纤毛与非运动纤毛。运动纤毛包含有动力蛋白，以更好的发挥纤毛的运动功能，其主要功能为推动周围液体流动[10]，在大脑中纤毛的室管膜细胞在脑室内产生长距离的脑脊液(cerebrospinal fluid，CSF)流。在胚胎的早期发育中，纤毛驱动的液体流动具有重要的意义，对胚胎发育有改变左右对称的功能[11]。非运动纤毛缺少动力蛋白，无内在动力，其质膜上分布着许多跨膜受体，能够被不同的外界信号所激活，在嗅觉、听觉、视觉等感觉传导的过程里都有非运动纤毛参与到了其中。

3 CSF流动变化与IS形成的关系

脉络丛分泌的CSF在脑室系统和脊髓中央管中循环[12]。CSF中含有能够调节神经系统发育和功能的营养素和蛋白质[12-14]。CSF借助围绕中央管上皮排列的活动纤毛产生的流动将这些分子分布在整个脑室和脊髓中央管中[15-16]。这些信号因子为中枢神经系统的功能发挥了重要的体内平衡作用，且与胚胎发育有一定关联[17]。关于脊髓空洞症中ChiariⅠ畸形形成病因的许多理论中都普遍存在CSF混乱或阻塞的情况[18]，另一些研究在IS患者中观察到了异常的L-R不对称和有缺陷的CSF流[19]，表明了正常的CSF循环和运转中断会导致许多疾病的发展。

Zhao等[20]使用Kaolin诱导剂在日本白兔的第7脊髓阶段进行注射，经过12周的观察，实验组73%检测到脊柱侧凸的形成，且在观察期间实验组CSF流速产生了差异。统计结果表明，CSF流量的持续动力变化与脊柱侧凸的形成有关。病理观察发现，脊髓出现了早期炎症反应，蛛网膜下腔和中央管的黏连和阻塞，血管间隙的扩大等对CSF流动产生影响的因素。这与脊髓空洞症的病理结构改变相似，且脊髓空洞症有高概率伴发脊柱侧凸的现象。该报道[20]并未具体说明CSF流量改变所引发IS的机制，也未排除CSF流速降低和脊柱侧凸的产生可能是脊髓损伤和/或蛛网膜炎的共有症状，需要更多的研究与证据来解释这其中的原因，但为CSF作为孤立性的发病因素提供了可能性。

在另外一些实验中[10，21-22]，采用对斑马鱼ptk7突变影响运动型纤毛功能障碍，使CSF的流动发生变化产生了斑马鱼的脊柱侧凸。Ptk7与纤毛功能相关，是脊椎动物胚胎发育成形所必须的基因。通过控制Ptk7基因上纤毛形成相关片段表达，发现这些片段在突变后模型中均产生了脊柱侧凸的表现。此外，与IS中Wnt信号传导失调的作用一致的是，Ptk7是经典Wnt-β-catenin和非经典Wnt/PCP信号通路的重要调节剂，突变的Ptk7破坏了经典的Wnt/b-catenin和非经典的Wnt/PCP信号传导活性。在突变的Ptk7模型中观察到了严重的CSF流动缺陷也与Kaolin诱导所产生脊柱侧凸的结果相符，这为纤毛功能影响CSF流动所产生脊柱侧凸的推测提供了证据。

在CSF的流动变化引起脊柱弯曲的基础上，Zhang等[23]对其运行的分子机制做出研究，报道中斑马鱼胚胎纤毛驱动的CSF流沿肾细胞输送肾上腺素能信号，该信号激活了CSF-cNs中编码尾加压素Ⅱ相关肽(urotensin Ⅱ-related peptides，Urp)基因的表达，从而激活背部的慢肌纤维受体，这些纤维的收缩可能导致身体轴伸直。与此相同的是，尾加压素Ⅱ受体的突变导致成年斑马鱼严重脊柱侧凸，与人类疾病极为相似。CSF流量受损引起的尾加压素Ⅱ素信号转导可能是IS病理的潜在病因。

一些人类基因研究也提供了有力的证据，证明斑马鱼的研究结果与青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)有更直接的相关性[24-25]。在所有这些研究中，全部外显子测序(whole-exome sequencing，WES)被用来鉴定国内AIS患者中的基因变异。这些研究发现，轴丝动力蛋白臂的组装所需基因中的杂合单核苷酸变异(single-nucleotide variants，SNV)以及编码动力蛋白本身的基因与AIS显著相关。轴丝动力蛋白臂为运动纤毛的运动提供动力，而轴丝动力蛋白臂的组装所需的基因以及编码动力蛋白本身的基因中的杂合单核苷酸变异与AIS显著相关。

这些研究结果表明，在动物模型的研究中，CSF的流动变化可能是脊柱侧凸形成的因素，并且由于纤毛系统是CSF流动产生的动力原，纤毛功能的缺陷可能也是形成脊柱侧凸的重要环节，这为探究该病发病机制的研究提供了新的方向。

4 CSF-cNs系统功能异常的影响

脊髓中央管中的纤毛通过对CSF产生机械信号与化学信号的接收与传递，发挥了对脊柱形态调控的功能。在脊椎动物的脊髓中，独特的γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能神经元群体将纤毛延伸到CSF中，这些神经元称为脑脊液神经元系统(cerebrospinal fluid-central nervous system，CSF-cNs)[26]。其通过与Reissner纤维(Reissne fiber，RF)的功能联合来检测脊柱弯曲。CSF-cNs中的kd2l1驱动的自发活动反映体内的CSF流动，是感应机械信号的关键[27]。此外，CSF-cNs分泌的Urp蛋白可能通过其受体Uts2r3在背部慢肌纤维上发挥作用，这些肌纤维的收缩活性会影响正常躯体形态的建立[23]。在Böhm等[28]的研究中，通过钙成像对斑马鱼模型脊髓中的钙信号进行检测，在实施逃逸测试、脊柱弯曲测试、瘫痪状态下脊柱弯曲测试后，CSF-cNs均可产生程度不同的激活，并且能检测脊柱弯曲的方向，表示了该结构对躯体形态变化与调节有一定关联。若CSF-cNs的功能发生异常，则可能会对躯体轴的建立产生一定影响。

RF是一种存在于CSF中的丝状结构。RF由联合下器(subcommissural organ，SCO)-spondin聚集形成，在形成中需要运动纤毛和/或CSF流动。在Cantaut-Belarif等[29]的研究中，观察纤毛功能发生缺陷的Kurly突变体模型的结果发现RF的形成出现问题。在该模型中，Kurly突变体不影响纤毛的发生而只影响纤毛的运动性与极性，这表明纤毛的运动性对RF的正确形成至关重要。在体外研究中，将蛋白质置于特定的流动场中会促进它们的聚集[30]，这表明蛋白质聚集可能对流体动力变化很敏感。纤毛驱动的CSF流动使纤维状的SCO-spondin能够正确聚集到成熟的RF中。

RF与腹侧和背侧CSF-cNs的纤毛和微绒毛紧密相邻，两者在功能上相互作用，以检测脊椎动物脊髓中的脊柱弯曲[31]。现有研究证明，RF可以结合儿茶酚胺，如肾上腺素和去甲肾上腺素[32]，它可有效的将激素递送给CSF-cNs，以激活Urp基因的表达。在纤毛突变体中，SCO-spondin聚集失败且RF组装受损，并且还引起了斑马鱼腹侧身体的弯曲。与此相同的是，SCO-spondin突变体的模型发生了类似情况，这可能是由于SCO-spondin的功能缺陷导致无法结合肾上腺素并且呈递给CSF-cNS激活Urp基因表达的原因[33]。

鉴于上述研究的结果，可以推测CSF-cNs与RF可作为一种信号接收系统来接受外来的机械信号与化学信号，从而参与脊柱生长的调节，但这种信号的变化影响脊柱外神经和/或肌肉与骨代谢、骨发育的机制还并不清楚，需要多学科的研究结合来进一步证明。

5 展 望

纤毛和CSF介导的机制有助于早期脊柱的轴向形态发生和长期保持脊柱伸直。研究清楚地表明，可以利用类似的机制(包括运动纤毛、CSF-cNs、RF和降压肽神经肽信号)对脊柱进行早期纠正和长期形态保持。在运动和生长过程中，由运动纤毛、RF和CSF-cNs组成的“感觉器官”不断感觉到身体/脊柱的形状。在变形期间连续纠正的异常生长机制可能涉及了CSF-cNs的差异激活或局部降压素信号所引起的肌肉收缩。总之，可以利用早期斑马鱼幼苗的可塑性，以高通量的方式发现体型的遗传和小分子修饰因子，然后将其应用于IS的迟发性弯曲。这可能是研究IS治疗干预措施的有效方法。此外，由于Urp信号缺失是人类IS存在的分子缺陷，Urp信号的药理研究可能会为更好地治疗这种疾病提供重要途径。