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【关键词】 特发性 脊柱侧凸 褪黑素信号传导通路
青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis，AlS)是一个复杂的三维脊柱畸形，常累及青春期10～16岁的女孩。AlS的病因尚不清楚，近来褪黑素信号传导通路的深入研究使得褪黑素(melatonin)与侧凸之间的相关性再次成为AlS病因学研究的一个热点。本文将从褪黑素简介、AlS患者褪黑素信号传导通路研究现状以及它和AlS的发病及各种临床表型之间的相关性三个方面进行综述。
1 褪黑素简介
褪黑素(melatonin)是松果体分泌的一种神经内分泌激素。松果体外的组织如视网膜、肠、副泪腺也能合成，但在生理状况下，人和其它哺乳动物、鸟类血中褪黑素主要来源于松果体。松果体褪黑素的分泌呈现24 h规律性波动。褪黑素的生理节律变化的特征为白天分泌减少而夜间分泌增加。
褪黑素的作用相当广泛，它的作用并非象它的名字那样只是减少皮肤色素的含量那么简单。动物实验表明松果体褪黑素作为光周期信号在调节昼夜节律(如睡眠、运动)和季节性节奏(如生殖、毛皮改变、脂肪代谢等)方面起着重要作用。除以上作用外，褪黑索还有抗肿瘤、抗氧化、增强免疫力以及抗骨质疏松等方面的作用［1～2］。
褪黑素通过以下4种途径发挥作用：第1种是直接和细胞内的相关蛋白结合；第2种是抗氧化作用；第3种是与细胞内核受体结合；第4种是与细胞表面膜受体结合［3］，此为研究最多最为深入的一种作用途径。在这一生理过程中，褪黑素首先与细胞表面的褪黑素受体结合，然后发挥其效用。褪黑素受体是与Gi蛋白结合的一类受体，它与Gi蛋白结合后，可以抑制腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP的降低。在正常的细胞中，用福斯可林刺激Gi蛋白后，可以引起细胞内cAMP的升高，然后用褪黑素刺激则会导致细胞内cAMP降低60%～70%［4］。
在哺乳动物中褪黑素膜受体有两种，MTI以及MT2［3］。根据已有的资料，褪黑素受体分布相当广泛，在神经组织和外周组织上皆有它的分布。在胎儿脑组织的研究中，以下丘脑含褪黑素受体最高，其次为中脑、桥脑髓质和大脑皮质，小脑没有找到褪黑素受体。与胎儿不同，婴儿和成人的小脑也有褪黑素受体。这种出生前后小脑皮质褪黑素受体表达的差异，提示神经组织褪黑素受体随发育不同阶段而变化的过程。同样，从培养19 d的鸡胚到出生后1 d、1～2个星期、1～4个月的鸡的脊髓均测得与褪黑素特异结合的位点。除了分布于中枢神经系统之外，褪黑素受体还广泛分布于外周组织。如在多种动物和人生殖系统的附睾、睾丸和卵泡的颗粒细胞、心血管系统、空肠、结肠等消化道和免疫系统的T淋巴细胞CD4+亚群、骨骼系统、肾组织、胎儿的脾脏、胸腺上发现了褪黑素结合位点［3］。
2 AlS患者褪黑素及其信号传导通路的研究进展
褪黑素与脊柱侧凸之间的关系最早源于1959年Thillard的一个意外发现，他发现松果体切除可以导致新生小鸡脊柱畸形的发生［5］。1983年，Dubousset再次证实了这一现象［6］。由于褪黑素是松果体分泌的主要激素，因此，血清褪黑素水平低下与脊柱侧凸发生之间是否有着必然联系引起了研究者的广泛兴趣。此后，日本学者Machida［7］及其他一些学者同样也证实了松果体切除小鸡可以导致脊柱侧凸的发生，并且Machida还发现肌肉内移植松果体［8］或者腹腔内注射褪黑素［9］都可以阻止松果体切除小鸡脊柱侧凸的发生。除了小鸡之外，脊柱侧凸模型还在大马哈鱼［10］，双足大鼠［11］，以及双足的C57BL／6J小鼠［12］中成功复制，其中C57BL／6J小鼠是一种遗传缺陷小鼠，血清及松果体褪黑素水平在日间及夜间都很低。实验动物模型的研究让人们开始考虑在人类AlS患者的血清褪黑素水平是否也比正常人低。有少数几个报道确实发现AIS患者特别是进展型脊柱侧凸患者的血清褪黑素水平确实比正常人低［13］。在另外一方面，褪黑素与脊柱侧凸之间的关系也存在很多的争议。首先，许多学者发现，松果体切除后，并不是所有的小鸡都会出现脊柱侧凸［14］。其次，多数学者发现肌肉内移植松果体［15］或者腹腔内注射褪黑素［16］并不能阻止脊柱侧凸的发生与发展。另外，更令人困惑的是大多数的研究表明AlS的患者，其血清褪黑素水平并不比正常人低［17］。褪黑素在脊柱侧凸发病中的研究陷入了一个困境。
最近，Moreau研究小组的一系列实验似乎已回答了上述一系列问题。他们对松果体切除术后小鸡血清褪黑素水平进行了连续的观察，分别在术后14，21，28 d采血检测血清褪黑素水平，发现松果体切除术后，在发生脊柱侧凸的小鸡中血清褪黑素水平变化有两种形式。一种是在14 d到21 d之间严重下降，之后又快速恢复，在28 d时几乎达到正常水平；第2种是在14～28 d之间呈线性下降。而在术后没有发生脊柱侧凸的小鸡中，血清褪黑素水平没有什么改变，与假手术组血清褪黑素水平相当［18］。此项研究表明在松果体切除术后的2～3周内，血清褪黑素水平的短暂降低足以诱发脊柱侧凸的发生，即使是4周时血清褪黑素水平已经恢复到了正常水平，还是不能够阻止脊柱侧凸的发生。换句话说，血清褪黑素水平如果在出生后的某个特定时期下降，就可诱发脊柱侧凸的发生。这也可解释为何肌肉内移植松果体或者腹腔内注射褪黑素不能够完全阻止脊柱侧凸的发生与发展。
同时Moreau和作者的课题组［19］还研究了AlS患者的褪黑素信号传导通路。其研究结果表明AIS患者成骨细胞的褪黑素信号传导通路存在异常。正如前述，在正常的细胞中，用福斯可林刺激Gi蛋白后，可以引起细胞内cAMP的升高，然后用褪黑素刺激则会使导致细胞内cAMP降低60%～70%［4］。但是研究发现AlS患者的成骨细胞在用褪黑素刺激后，并没有像正常细胞一样引起cAMP的下降，有些细胞反而引起了cAMP的升高。这种异常可能与Gi蛋白(inhibitory guanine nucleotide-binding protein)过度磷酸化有关［20］。
血清褪黑素水平低下及褪黑素传导通路上Gi蛋白过度磷酸化的共同效应可能会引起褪黑素传导通路信号大小的改变，从而导致脊柱侧凸的产生(图1)。最近，作者的研究［21］表明MT2受体启动子区域的多态性与AIS的发生存在着相关性，这种相关性可能是由于启动子区域的基因多态性通过调节MT2受体的表达，进而影响到褪黑素信号的传导，从而与AlS的发病相关。这也进一步证实了褪黑素信号传导通路与AIS发病之间的相关性。
3 AlS患者褪黑素信号传导系统异常对骨骼系统的潜在作用
AlS患者褪黑素信号传导通路的异常在骨骼系统会有什么样的表现呢?事实上，有大量的研究表明AIS患儿存在着低骨量。Burner［22］在1982年首次报告AlS患儿有骨密度下降。Cook［23］测定AIS患儿腰椎及股骨近端骨质密度，并与年龄性别相同的正常儿童比较，发现女性AIS患儿骨密度明显下降。近几年来，Cheng［24～26］采用DEXA(dual-energy X-ray absorptiometry)对81例AIS女孩及220例同龄同性别正常儿童测定股骨近端骨密度及腰椎骨密度，发现AIS患儿比正常儿童的骨密度低，其中68%的患儿降低明显。对14例AIS患者经过3年随访，发现这种骨密度低下是持续性的。吴洁［27］等的研究也表明AIS所测腰椎及股骨近端的骨密度均明显低于正常对照组(P<0.05)，腰椎骨密度的降低比股骨明显，股骨近端的3个部位，以Ward’s三角的骨密度降低尤为显著。按诊断标准Z值为患者骨密度与正常同年龄对照组平均骨密度的差距，低于1.0 SD为骨量正常，1.0 SD～2.0 SD之间诊断为骨量减少，在2.0 SD以上诊断为骨质疏松。AIS组所测的腰椎骨密度显示有26.7%的患者发生骨量减少，48.5%符合骨质疏松的诊断标准；股骨颈有26.7%的患者发生骨量减少，25.7%达到骨质疏松的诊断标准；大转子有20.8%的患者发生骨量减少，26.7%达到骨质疏松的诊断标准，Ward’s三角有31.7%的患者发生骨量减少，33.7%符合骨质疏松的诊断标准。
另外一方面，脊柱前后柱生长不平衡学说［28］指出：由于脊柱前后柱生长的不平衡，导致脊柱的矢状面形态发生改变，胸椎后凸减少甚至出现胸椎前凸，当达到一定程度，脊柱的前柱发生扭转，导致椎体向凸侧旋转而产生脊柱侧凸。这一学说得到了临床上Crankshaft现象的支持。朱锋［29、30］等的研究直接从组织学的水平证实AlS患者脊柱前柱(终板软骨)细胞增殖活跃，增生骨巢密集且厚度较大；后柱软骨增生程度一般，增殖层内骨巢散在分布呈团状，骨巢厚度较前柱低。前后柱骨骺软骨静止区、增殖区以及肥大区均有PCNA(细胞增殖核抗原指数，反应细胞增殖情况) 和TUNEL (原位末端标记法指数，反应细胞凋亡情况)阳性细胞，PCNA指数前柱大于后柱(P<0.05)，PCNA／TUNEL指数前柱大于后柱(P<0.101）。此研究表明特发性脊柱侧凸患者青春期脊柱前后柱软骨细胞生长活性存在明显差异。AlS患者褪黑素信号传导系统的异常是否会导致脊柱前后柱生长的不平衡值得我们深入研究。
图1脊柱侧凸可能发病机理
4 AlS患者褪黑素信号传导系统异常对其他系统的潜在作用
4.1 血小板及骨骼肌系统
钙调蛋白(CaM)作用于肌动蛋白和肌球蛋白，调节肌浆网上Ca2+的流动，从而实现对肌肉和血小板收缩蛋白系统的调节作用。褪黑素的生理功能有一部分是通过与CaM相互作用而发挥出来的，它可通过两种途径调节Ca2+／CaM信号传导通路，一种是通过G蛋白偶联膜受体来调节细胞内Ca2+浓度，另一种是直接作用于CaM来调节细胞内Ca2+浓度。很多研究表明褪黑素与CaM之间具有相互拮抗性［31］。褪黑素信号传导系统的异常可能会导致其拮抗CaM的作用减弱，从而使AlS患者血浆中CaM水平的升高。CaM水平的升高可以导致Ca2+内稳态失衡，从而使脊柱侧凸患者血小板的收缩蛋白出现异常，表现为肌球蛋白ATP酶的活性降低。另外，CaM水平的升高也导致了脊柱侧凸患者的椎旁肌和远离脊柱的肌肉如臀大肌中均出现肌丝排列紊乱和肌细胞内Ca2+的显著增高［32～34］。
4.2 中枢神经系统
褪黑素在中脑、桥脑髓质、大脑皮质、小脑以及脊髓中都有着广泛的分布。因此，褪黑素信号传导系统的异常必然会导致中枢神经系统出现相应的症状。事实上，许多研究表明AIS患者存在姿势异常以及躯干平衡障碍。人体的姿势、躯干平衡有赖于眼、前庭及本体感觉等传入神经的有机协调。Wiener-Vacher［3、5］等研究证实AlS患者存在前庭功能障碍，同时许多AIS患者有不对称性侧向水平凝视麻痹。最近，Cheng等的研究则表明AIS患者的体感诱发电位(SEPs)潜伏期较对照组明显延迟［36］。
4.3 生殖系统
50%以上患有性早熟的病孩夜间血中褪黑素浓度低于正常儿童的水平，与此相呼应的是性发育迟缓的病人血中褪黑素浓度增加。松果体受肿瘤破坏后，会导致幼、少年性早熟。褪黑素可重现松果体的各种抑制性腺、性器官的功能。褪黑素能与肾上腺受体结合，直接调节性激素的分泌释放，进而控制生殖器官和性的发育成熟；也可通过下后脑-垂体-性腺轴，在下后脑水平调节垂体促性腺激素的分泌，调节生殖的功能［1］。褪黑素信号传导系统的异常同样可能导致性成熟调控出现异常，从而出现月经来潮提前的现象。事实上，确实有研究显示AlS患儿的月经来潮时间普遍早于同年龄健康女孩［37］。
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作者单位：南京大学医学院附属鼓楼医院骨科，南京市