脊柱裂的病因和发病机制研究进展

Abstract

目的

综述脊柱裂的病因及发病机制等研究进展。

方法

通过查阅国内外脊柱裂相关研究文献，从分型、流行趋势、发病机制、病因及预防治疗等方面进行分析、归纳和总结。

结果

脊柱裂是神经管缺陷的常见表型，基于与神经外胚层受累相关的畸形程度和方式进行分型，是胚胎发育 28 d 前尾部神经管闭合障碍所致。脊柱裂患病率在不同种族、地区之间有较大差异，其病因复杂，目前部分脊柱裂可通过增补叶酸进行预防，且随着治疗技术进步，脊柱裂患儿的短期和长期存活率均有所改善。

结论

脊柱裂发病机制研究将基于精细化的个体暴露信息、遗传信息及复杂表型信息，朝着多学科协同方向发展，为改善防治策略提供理论依据。

神经管缺陷（neural tube defects，NTDs）是胚胎发育早期因神经管闭合失败导致的严重先天性缺陷，包括无脑、脊柱裂和脑膨出。脊柱裂是 NTDs 的最常见表型，为局限于神经管尾部的先天畸形，具体表现为背侧两个椎弓根未能正常融合而引起的脊柱畸形。尽管妇女围受孕期增补叶酸可以大大降低胎儿 NTDs 发生风险，但 NTDs 在人群中仍存在一定患病率，且叶酸预防 NTDs 的机制仍不清楚。因此，如何进一步改善防治策略依然是一个重要的公共卫生问题。本文将针对脊柱裂的分型、流行趋势、发病机制、病因、预防治疗等方面的研究进展进行综述，以期为寻求有效的脊柱裂预防控制策略提供一定理论基础。

1. 分型

脊柱裂的分型通常基于与神经外胚层受累相关的畸形程度和方式^[1]。根据是否伴有神经组织（神经基板）暴露在外或病变部位是否有完整皮肤覆盖，分为开放性脊柱裂和闭合性脊柱裂^[2]。开放性脊柱裂病变部位皮肤不完整，椎管内成分部分或全部经脊柱缺损处向后疝出，常伴有背部包块，脑脊液通过缺损处漏出，包括脊膜膨出、脊髓脊膜膨出等^[3]，其中脊髓脊膜膨出是临床上最常见的开放性脊柱裂。开放性脊柱裂如不及时治疗可能因为感染而危及生命。闭合性脊柱裂病变部位皮肤完整，椎管内成分部分或全部经过脊柱缺损处向后膨出或不膨出，可伴或不伴背部包块，无脑脊液漏出^[3]。上述开放性和闭合性脊柱裂统称为显性脊柱裂。此外，还有隐性脊柱裂，即脊椎有缺损，但无脊膜、脑脊液或脊髓膨出，身体外表无异常表现，只能通过影像学检查才能发现。如果无特别说明，通常所说的脊柱裂是指显性脊柱裂。显性脊柱裂常导致受损部分机能丧失，如下肢瘫痪、脊柱变形、大小便不能自主控制。此外，部分脊柱裂患儿会伴发脑积水。因此，脊柱裂是影响出生人口素质的一类严重先天缺陷。

2. 流行趋势

NTDs 在人群中的患病率差异很大（0.05%～1% 或以上^[4]），存在明显的地域差别。美国和许多欧洲国家患病率为 0.05%～0.08%^[5]；我国以医院为基础的出生缺陷监测系统显示，围产期（孕 28 周至产后 7 d）NTDs 发生率 2015 年为 2.18/万，2018 年降至 1.45/万。脊柱裂患病率在不同种族之间也有较大差异。例如，在美国，与非西班牙裔白人相比，西班牙裔白人脊柱裂患病率更高^[6]，而非洲裔美国人患病率较低^[7]。北京地区研究（监测时限为孕 13 周至产后 7 d）发现，2006 年—2012 年北京市房山区脊柱裂患病率为 4.8/万^[8]，顺义区为 4.9/万^[9]。但是自 20 世纪 80 年代初以来，由于产前诊断的普及，出生前缺陷诊断往往使绝大多数父母选择终止妊娠，因此大部分研究对脊柱裂患病率的估计可能存在低估现象。而欧洲先天性畸形流行病学监测人口登记网除了收集活产和死胎的数据，同时也收集了终止妊娠的数据，在 2003 年—2007 年期间，其估计脊柱裂患病率为 0.051%^[10]。我国以医院为基础的出生缺陷监测系统也仅监测围产期的出生缺陷发生率，未收集孕 28 周前数据，但绝大多数 NTDs 胎儿会在产前得到诊断进而在孕 28 周前引产，因此我国对脊柱裂患病率也存在低估现象。2014 年，一项在出生缺陷高发地区山西省 5 个县进行以人群为基础的包括孕 28 周后和孕 28 周前的出生缺陷监测也发现，脊柱裂患病率仍高达 15.0/万^[11]。

3. 发病机制

3.1. 神经管形成

在胚胎发育过程中，中枢神经系统通常首先发育为一片扁平的细胞，随后这些细胞卷起并融合，形成中空的中枢神经系统。神经管是中枢神经系统的原基，其正常发育对胚胎的生长和形成至关重要^[12]。高等脊椎动物的神经管形成分为初级神经管形成（闭合）和次级神经管形成（导管形成）^[13]。

而目前对神经管闭合原理的了解主要来自对实验模型的分析，特别是哺乳动物、两栖动物和鸟类。研究表明^[14-15]神经管闭合是不连续的，神经管沿头-尾轴以“拉链”式分段闭合，该过程相继起始于不同起始位点，而不同起始点位于特定的轴向水平。对小鼠模型的研究发现，神经管闭合从位于胚胎后脑/颈部边界的位点 1、位于胚胎尾侧前脑或前脑/中脑边界的位点 2 双向展开，而位于前脑喙区的位点 3 仅向尾侧延伸。小鼠胚胎第 8.5 天，位点 1 完成闭合，该闭合失败会导致颅脊柱裂；在胚胎第 9 天，位点 2 开始闭合，随着该闭合的进行，前神经孔（在位点 2 和 3 之间）完全闭合，几小时后后神经孔（在位点 1 和 2 之间）也完全闭合。位点 2 的闭合失败会导致无脑畸形发生，而后神经孔闭合进程受阻则会使后部神经孔持续开放，导致脊柱裂发生，其病变程度与闭合停止的轴位水平有关。

研究表明^[16]，人类胚胎神经管闭合也是不连续的，其闭合位点类似于小鼠胚胎。胚胎神经板弯曲大约始于受精后 18 d，因此大约在受精 21 d 时位点 1 开始闭合，受精 26～28 d 完成后神经孔的闭合；人类胚胎前脑和中脑的闭合可以通过闭合位点 1 和神经板头端来实现，而没有类似于位点 2 的中间起始位点。

上述神经形成过程称为初级神经形成。在人类，初级神经向尾部闭合延伸至第 1～5 个骶椎区域（确切位置尚未确定）^[5]。在初级神经形成完成后，通过次级神经形成骶骨下部和尾骨区域的神经管，次级神经形成是小鼠和人类发育的共同特征。次级神经管形成始于胚胎末端尾芽中一种多潜能干细胞群体，该细胞群沿初级神经管增殖并分化为神经上皮细胞，最终形成中空的次级神经管^[17]。

3.2. 开放性脊柱裂发病机制

开放性脊柱裂是由于妊娠早期胚胎脊髓区域神经管闭合失败，使得神经管长时间暴露于羊水环境发生继发性神经损伤所导致的^[5]。虽然脊髓区域神经管闭合失败，但神经上皮细胞一开始即进行了相对正常的神经元分化，在病变水平以下仍伴有脊髓运动和感觉功能的发展，但随着妊娠过程进展，暴露的脊髓神经细胞会因为羊水毒性发生出血、变性、死亡，神经轴突连接中断，神经元功能会出现退化丧失^[5]。因此，脊柱裂的神经功能障碍通常被认为是“两次打击”过程：神经管闭合失败，子宫内神经变性^[5]。脊柱裂患儿可表现为程度不等的下肢迟缓性瘫痪和膀胱、肛门括约肌功能障碍，出生后存活的开放性脊柱裂患儿其并发症包括脑积水、Chiari 畸形Ⅱ型、脊椎畸形、泌尿生殖系统疾病和胃肠道疾病^[14]。

3.3. 闭合性脊柱裂发病机制

闭合性脊柱裂的胚胎起源可能涉及次级神经形成异常^[18]。闭合性脊柱裂大多数缺损发生在骶尾部（次级神经形成水平），缺损不对外开放，通常有皮肤覆盖，发育过程中无脑脊液丢失^[18]。少数情况下有 1 条纤维索通过椎板裂隙附着于硬脊膜、神经根甚至发生脊髓栓系，可伴脊髓内胶质增生和/或中央管扩张^[19]。闭合性脊柱裂损伤不及开放性脊柱裂严重，可能无症状，但腰骶段脊髓拴系可能与下肢运动和感觉障碍以及神经源性膀胱有关。此外，有神经损害症状者常有局部皮肤改变伴椎管内皮样囊肿，可伴腰痛、轻度小便失禁和遗尿等^[19]。

4. 病因和危险因素

大部分病因研究将脊柱裂与无脑畸形等亚型合并为总 NTDs 一起分析，其中也包括对脊柱裂亚组的分析。NTDs 是由环境因素和遗传因素交互作用所致的复杂多基因疾病，这些因素在神经管形成的关键时间点出现异常从而导致 NTDs 发生^[20]，但多数病因目前尚未确定。

4.1. 遗传因素

迄今为止，已发现 400 多个小鼠基因的异常表达与 NTDs 发生有关，然而这些遗传变异所致 NTDs 的基因型-表型关系比较复杂，其所导致的功能变化及其确切机制目前尚未确定^[21]。

研究发现 NTDs 的发生涉及多个生物学通路，如叶酸代谢通路、平面细胞极化（planar cell polarity，PCP）信号通路、糖与能量代谢通路、DNA 修复通路、氧化应激通路和毒物代谢通路等^[13]。在叶酸代谢通路中，亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）、蛋氨酸合成酶（MTR）、蛋氨酸合成酶还原酶（MTRR）等基因上的突变位点与脊柱裂的发生风险显著相关^[18]。

PCP 也被证明与各种表型的 NTDs 发生相关^[5]，其通路核心基因，如 Vang-like gene、dishevelled、scribble 等的变异都表现出致 NTDs 作用。例如，与果蝇中的 Strabismus/Van Gogh 基因同源的 Vang12 基因，其变异使小鼠出现圈尾现象，若杂合突变仅表现为尾巴卷曲成圈，则发生脊柱裂表型，若纯合突变则表现出严重的 NTDs 表型（颅脊柱裂）^[22]。上述 PCP 通路基因不仅在动物模型上具有 NTDs 相关证据，在人类 NTDs 患者中也得以验证^[23-25]。PCP 通路的另外一些基因，如 frizzled、protein tyrosine kinase7 等，在小鼠模型中可以通过自发诱变和化学诱变得到 NTDs 表型，但尚未在人类 NTDs 患者中验证。另外，研究表明 PCP 通路基因（如 FZD6 和 VANGL1）的体细胞突变可能与 NTDs 相关^[26-27]。

神经管发育过程中神经板会在外胚层细胞连接处形成两个沟形铰合区，称为背外侧铰链点（dorsolateral hinge points，DLHPs）^[18]，在神经管关闭过程中起重要作用。研究发现，缺乏 DLHPs 的 Zic2 突变胚胎会发展成严重脊柱裂^[28]。此外，动物模型研究发现 T-locus（brachyury）和 Pax3 变异是脊柱裂的危险因素^[29]。

表观遗传改变也参与 NTDs 的发病机制^[30]。有研究显示，关键信号通路基因的 DNA 甲基化异常可能导致胚胎发育异常和 NTDs 风险增加^[30]，如 PI3K-AKT 信号通路基因 CHRM1 的高甲基化与脊柱裂发生有关^[31]。

4.2. 非遗传因素

非遗传因素研究绝大部分是关注总 NTDs，对于脊柱裂的研究多在亚型分析中体现。非遗传致病因素是可预防的因素，但其致病机制的研究尚存在不足^[32]。

目前研究表明，妊娠期叶酸补充能减少 50% NTDs 的发生^[33]，但实际上约 30% 以上的妊娠期叶酸补充并未达到预期效果^[34]，提示叶酸可能不是唯一一种缺乏时会增加 NTDs 发生风险的营养素，许多研究已经表明母体维生素 B12 缺乏可能也是 NTDs 的危险因素^[35]。此外，另有研究表明肌醇是一种新的 NTDs 预防方法，尤其是对补充叶酸有抗性的女性^[36]，动物实验也表明肌醇能够显著减少叶酸抗性卷尾小鼠脊柱裂的发生^[37]，且肌醇对 NTDs 的预防效果不局限于卷尾鼠，其他啮齿类动物模型中也发现肌醇可以预防糖尿病诱导 NTDs^[38]。此外有研究还发现，在受孕前 1 年限制碳水化合物的摄入与无脑畸形和脊柱裂的发病风险增加有关^[39]。

妊娠期糖尿病已被证明是导致 NTDs 发生的危险因素之一，尽管其发病机制尚不清楚，但研究表明高血糖是 NTDs 发生的直接原因。妊娠期糖尿病女性后代的先天性畸形风险与妊娠早期血糖浓度有关^[40]，孕前患有糖尿病的女性生下患有脊柱裂和其他类型出生缺陷胎儿的风险是普通人群的 2～10 倍^[41]。此外，小鼠模型研究发现葡萄糖具有直接致畸作用，并且高糖可能会改变胚胎发育相关基因的表达^[41]。另有动物研究表明，母体高血糖会导致胚胎神经上皮细胞中游离 Ca²⁺ 浓度显著升高，而 T 型 Ca²⁺ 通道的阻断能减轻细胞内应激，抑制细胞凋亡，显著降低糖尿病小鼠胚胎中的 NTDs 发生率^[42]。但是，由于糖尿病发病机制复杂，无法准确估计特定畸形（如脊柱裂）的风险^[18]。除了糖尿病，母体发烧也与脊柱裂发生有关。研究表明母亲在怀孕早期发烧或发烧引起体温过高，可能会使其后代患脊柱裂或无脑畸形的风险增加 2 倍^[43]，但其致病机制目前尚未明确。

研究表明，艾滋病妇女的抗逆转录病毒治疗可能会导致其后代发生 NTDs。Dolutegravir 是一种较新的抗逆转录病毒药物，有研究表明 HIV 阳性且服用 Dolutegravir 的孕妇其后代 NTDs 患病率增加，且该药物导致的 NTDs 患病率高于其他类型抗逆转录病毒药物暴露所致的 NTDs 患病率^[44-45]。此外，抗惊厥药物是已知的致畸剂，妊娠早期服用丙戊酸或卡马西平等抗惊厥药物，会大大增加胎儿脊柱裂发生风险。还有研究报道，持久性有机污染物暴露也与脊柱裂的发生有关，胎盘组织中较高水平的多环芳烃、二氯二苯三氯乙烷、α-六氯环己烷、γ-六氯环己烷和 α-硫丹会导致脊柱裂发生风险分别增加 3.71、3.40、2.55、4.11、2.57 倍，且胎盘组织中多环芳烃、二氯二苯三氯乙烷和 α-六氯环己烷水平与脊柱裂发生风险之间存在剂量反应关系^[46]。金属暴露也被证明与人类胎儿 NTDs 之间有一定关联，胎盘钡水平升高可使 NTDs 发生风险增加 1.6 倍^[47]，汞浓度升高会导致脊柱裂发生风险增加 10.67 倍^[48]。此外，研究表明神经酰胺是一种新型 NTDs 诱导剂，脊椎动物胚胎暴露于神经酰胺会导致早期胚胎中 NTDs 的发生率增加，其机制可能与组织的氧化还原失调有关^[49]。

5. 预防与治疗

叶酸预防 NTDs 是现代公共卫生的一项成功策略。在美国，强化叶酸政策使 NTDs 的患病率降低了约 25%^[5]，智利、哥斯达黎加、加拿大、南非和沙特阿拉伯等其他实施强制性叶酸预防的国家，其 NTD 患病率（特别是脊柱裂）也有较大幅度下降。我国原卫生部自 2009 年以来启动了在中国农村地区实施增补叶酸预防 NTDs 项目，中央财政每年投入 1.6 亿，为农村孕前和孕早期妇女免费增补叶酸，已取得显著效果。此外，研究发现小分子肌醇能降低叶酸预防无效的小鼠 NTDs 发生率，对脊柱裂高危人群的肌醇补充可预防脊柱裂发生^[5]，但仍需大样本量人群研究证据支持。

随着治疗技术的进步，脊柱裂患儿的短期和长期存活率都有所改善。基于人群研究的数据表明，脊柱裂患儿 1 年存活率约为 87%，所有脊柱裂患儿中约 78% 存活至 17 岁^[5]，但幸存者在成年前和整个成年期间仍有较高死亡率。脊柱裂通常在孕 20 周前被发现，发生脊柱裂的胎儿在怀孕期间可能会出现神经退化以及功能丧失，因此研究表明脊柱裂可能是一种适合宫内治疗的疾病^[5]，较多研究也已证实子宫内修复脊髓脊膜膨出可以改善后脑功能，减少脑积水和 ChiariⅡ型畸形的发生，但尚不能改善下肢运动^[50]。

6. 小结

脊柱裂的病因和致病机制目前尚未完全明确。人类基因测序技术及暴露组学检测技术的发展，为了解脊柱裂机制及病因提供了新的方向与方法；需要进一步利用严谨有效的研究设计，来阐述脊柱裂发生过程中遗传、环境、遗传-环境相互作用以及表观遗传学作用。未来，该领域将朝着精细化、个性化以及多学科协同的方向发展，个体暴露信息、遗传信息及疾病的复杂亚型将变得更清晰，能够更好地进行有针对性的预防治疗。

作者贡献：朱海艳负责文献检索、资料收集、文章撰写及修改；王琳琳、任爱国负责文章校对及提出修改意见。

利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。课题经费支持没有影响文章观点。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（81773441）

National Natural Science Foundation of China (81773441)