引用本文： 朱海艷, 王琳琳, 任愛國. 脊柱裂的病因和發病機制研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2021, 35(11): 1368-1373. doi: 10.7507/1002-1892.202106052 復制
神經管缺陷（neural tube defects，NTDs）是胚胎發育早期因神經管閉合失敗導致的嚴重先天性缺陷，包括無腦、脊柱裂和腦膨出。脊柱裂是 NTDs 的最常見表型，為局限于神經管尾部的先天畸形，具體表現為背側兩個椎弓根未能正常融合而引起的脊柱畸形。盡管婦女圍受孕期增補葉酸可以大大降低胎兒 NTDs 發生風險，但 NTDs 在人群中仍存在一定患病率，且葉酸預防 NTDs 的機制仍不清楚。因此，如何進一步改善防治策略依然是一個重要的公共衛生問題。本文將針對脊柱裂的分型、流行趨勢、發病機制、病因、預防治療等方面的研究進展進行綜述，以期為尋求有效的脊柱裂預防控制策略提供一定理論基礎。
1 分型
脊柱裂的分型通常基于與神經外胚層受累相關的畸形程度和方式[1]。根據是否伴有神經組織（神經基板）暴露在外或病變部位是否有完整皮膚覆蓋，分為開放性脊柱裂和閉合性脊柱裂[2]。開放性脊柱裂病變部位皮膚不完整，椎管內成分部分或全部經脊柱缺損處向后疝出，常伴有背部包塊，腦脊液通過缺損處漏出，包括脊膜膨出、脊髓脊膜膨出等[3]，其中脊髓脊膜膨出是臨床上最常見的開放性脊柱裂。開放性脊柱裂如不及時治療可能因為感染而危及生命。閉合性脊柱裂病變部位皮膚完整，椎管內成分部分或全部經過脊柱缺損處向后膨出或不膨出，可伴或不伴背部包塊，無腦脊液漏出[3]。上述開放性和閉合性脊柱裂統稱為顯性脊柱裂。此外，還有隱性脊柱裂，即脊椎有缺損，但無脊膜、腦脊液或脊髓膨出，身體外表無異常表現，只能通過影像學檢查才能發現。如果無特別說明，通常所說的脊柱裂是指顯性脊柱裂。顯性脊柱裂常導致受損部分機能喪失，如下肢癱瘓、脊柱變形、大小便不能自主控制。此外，部分脊柱裂患兒會伴發腦積水。因此，脊柱裂是影響出生人口素質的一類嚴重先天缺陷。
2 流行趨勢
NTDs 在人群中的患病率差異很大（0.05%～1% 或以上[4]），存在明顯的地域差別。美國和許多歐洲國家患病率為 0.05%～0.08%[5]；我國以醫院為基礎的出生缺陷監測系統顯示，圍產期（孕 28 周至產后 7 d）NTDs 發生率 2015 年為 2.18/萬，2018 年降至 1.45/萬。脊柱裂患病率在不同種族之間也有較大差異。例如，在美國，與非西班牙裔白人相比，西班牙裔白人脊柱裂患病率更高[6]，而非洲裔美國人患病率較低[7]。北京地區研究（監測時限為孕 13 周至產后 7 d）發現，2006 年—2012 年北京市房山區脊柱裂患病率為 4.8/萬[8]，順義區為 4.9/萬[9]。但是自 20 世紀 80 年代初以來，由于產前診斷的普及，出生前缺陷診斷往往使絕大多數父母選擇終止妊娠，因此大部分研究對脊柱裂患病率的估計可能存在低估現象。而歐洲先天性畸形流行病學監測人口登記網除了收集活產和死胎的數據，同時也收集了終止妊娠的數據，在 2003 年—2007 年期間，其估計脊柱裂患病率為 0.051%[10]。我國以醫院為基礎的出生缺陷監測系統也僅監測圍產期的出生缺陷發生率，未收集孕 28 周前數據，但絕大多數 NTDs 胎兒會在產前得到診斷進而在孕 28 周前引產，因此我國對脊柱裂患病率也存在低估現象。2014 年，一項在出生缺陷高發地區山西省 5 個縣進行以人群為基礎的包括孕 28 周后和孕 28 周前的出生缺陷監測也發現，脊柱裂患病率仍高達 15.0/萬[11]。
3 發病機制
3.1 神經管形成
在胚胎發育過程中，中樞神經系統通常首先發育為一片扁平的細胞，隨后這些細胞卷起并融合，形成中空的中樞神經系統。神經管是中樞神經系統的原基，其正常發育對胚胎的生長和形成至關重要[12]。高等脊椎動物的神經管形成分為初級神經管形成（閉合）和次級神經管形成（導管形成）[13]。
而目前對神經管閉合原理的了解主要來自對實驗模型的分析，特別是哺乳動物、兩棲動物和鳥類。研究表明[14-15]神經管閉合是不連續的，神經管沿頭-尾軸以“拉鏈”式分段閉合，該過程相繼起始于不同起始位點，而不同起始點位于特定的軸向水平。對小鼠模型的研究發現，神經管閉合從位于胚胎后腦/頸部邊界的位點 1、位于胚胎尾側前腦或前腦/中腦邊界的位點 2 雙向展開，而位于前腦喙區的位點 3 僅向尾側延伸。小鼠胚胎第 8.5 天，位點 1 完成閉合，該閉合失敗會導致顱脊柱裂；在胚胎第 9 天，位點 2 開始閉合，隨著該閉合的進行，前神經孔（在位點 2 和 3 之間）完全閉合，幾小時后后神經孔（在位點 1 和 2 之間）也完全閉合。位點 2 的閉合失敗會導致無腦畸形發生，而后神經孔閉合進程受阻則會使后部神經孔持續開放，導致脊柱裂發生，其病變程度與閉合停止的軸位水平有關。
研究表明[16]，人類胚胎神經管閉合也是不連續的，其閉合位點類似于小鼠胚胎。胚胎神經板彎曲大約始于受精后 18 d，因此大約在受精 21 d 時位點 1 開始閉合，受精 26～28 d 完成后神經孔的閉合；人類胚胎前腦和中腦的閉合可以通過閉合位點 1 和神經板頭端來實現，而沒有類似于位點 2 的中間起始位點。
上述神經形成過程稱為初級神經形成。在人類，初級神經向尾部閉合延伸至第 1～5 個骶椎區域（確切位置尚未確定）[5]。在初級神經形成完成后，通過次級神經形成骶骨下部和尾骨區域的神經管，次級神經形成是小鼠和人類發育的共同特征。次級神經管形成始于胚胎末端尾芽中一種多潛能干細胞群體，該細胞群沿初級神經管增殖并分化為神經上皮細胞，最終形成中空的次級神經管[17]。
3.2 開放性脊柱裂發病機制
開放性脊柱裂是由于妊娠早期胚胎脊髓區域神經管閉合失敗，使得神經管長時間暴露于羊水環境發生繼發性神經損傷所導致的[5]。雖然脊髓區域神經管閉合失敗，但神經上皮細胞一開始即進行了相對正常的神經元分化，在病變水平以下仍伴有脊髓運動和感覺功能的發展，但隨著妊娠過程進展，暴露的脊髓神經細胞會因為羊水毒性發生出血、變性、死亡，神經軸突連接中斷，神經元功能會出現退化喪失[5]。因此，脊柱裂的神經功能障礙通常被認為是“兩次打擊”過程：神經管閉合失敗，子宮內神經變性[5]。脊柱裂患兒可表現為程度不等的下肢遲緩性癱瘓和膀胱、肛門括約肌功能障礙，出生后存活的開放性脊柱裂患兒其并發癥包括腦積水、Chiari 畸形Ⅱ型、脊椎畸形、泌尿生殖系統疾病和胃腸道疾病[14]。
3.3 閉合性脊柱裂發病機制
閉合性脊柱裂的胚胎起源可能涉及次級神經形成異常[18]。閉合性脊柱裂大多數缺損發生在骶尾部（次級神經形成水平），缺損不對外開放，通常有皮膚覆蓋，發育過程中無腦脊液丟失[18]。少數情況下有 1 條纖維索通過椎板裂隙附著于硬脊膜、神經根甚至發生脊髓栓系，可伴脊髓內膠質增生和/或中央管擴張[19]。閉合性脊柱裂損傷不及開放性脊柱裂嚴重，可能無癥狀，但腰骶段脊髓拴系可能與下肢運動和感覺障礙以及神經源性膀胱有關。此外，有神經損害癥狀者常有局部皮膚改變伴椎管內皮樣囊腫，可伴腰痛、輕度小便失禁和遺尿等[19]。
4 病因和危險因素
大部分病因研究將脊柱裂與無腦畸形等亞型合并為總 NTDs 一起分析，其中也包括對脊柱裂亞組的分析。NTDs 是由環境因素和遺傳因素交互作用所致的復雜多基因疾病，這些因素在神經管形成的關鍵時間點出現異常從而導致 NTDs 發生[20]，但多數病因目前尚未確定。
4.1 遺傳因素
迄今為止，已發現 400 多個小鼠基因的異常表達與 NTDs 發生有關，然而這些遺傳變異所致 NTDs 的基因型-表型關系比較復雜，其所導致的功能變化及其確切機制目前尚未確定[21]。
研究發現 NTDs 的發生涉及多個生物學通路，如葉酸代謝通路、平面細胞極化（planar cell polarity，PCP）信號通路、糖與能量代謝通路、DNA 修復通路、氧化應激通路和毒物代謝通路等[13]。在葉酸代謝通路中，亞甲基四氫葉酸還原酶（MTHFR）、蛋氨酸合成酶（MTR）、蛋氨酸合成酶還原酶（MTRR）等基因上的突變位點與脊柱裂的發生風險顯著相關[18]。
PCP 也被證明與各種表型的 NTDs 發生相關[5]，其通路核心基因，如 Vang-like gene、dishevelled、scribble 等的變異都表現出致 NTDs 作用。例如，與果蠅中的 Strabismus/Van Gogh 基因同源的 Vang12 基因，其變異使小鼠出現圈尾現象，若雜合突變僅表現為尾巴卷曲成圈，則發生脊柱裂表型，若純合突變則表現出嚴重的 NTDs 表型（顱脊柱裂）[22]。上述 PCP 通路基因不僅在動物模型上具有 NTDs 相關證據，在人類 NTDs 患者中也得以驗證[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過自發誘變和化學誘變得到 NTDs 表型，但尚未在人類 NTDs 患者中驗證。另外，研究表明 PCP 通路基因（如 FZD6 和 VANGL1）的體細胞突變可能與 NTDs 相關[26-27]。
神經管發育過程中神經板會在外胚層細胞連接處形成兩個溝形鉸合區，稱為背外側鉸鏈點（dorsolateral hinge points，DLHPs）[18]，在神經管關閉過程中起重要作用。研究發現，缺乏 DLHPs 的 Zic2 突變胚胎會發展成嚴重脊柱裂[28]。此外，動物模型研究發現 T-locus（brachyury）和 Pax3 變異是脊柱裂的危險因素[29]。
表觀遺傳改變也參與 NTDs 的發病機制[30]。有研究顯示，關鍵信號通路基因的 DNA 甲基化異常可能導致胚胎發育異常和 NTDs 風險增加[30]，如 PI3K-AKT 信號通路基因 CHRM1 的高甲基化與脊柱裂發生有關[31]。
4.2 非遺傳因素
非遺傳因素研究絕大部分是關注總 NTDs，對于脊柱裂的研究多在亞型分析中體現。非遺傳致病因素是可預防的因素，但其致病機制的研究尚存在不足[32]。
目前研究表明，妊娠期葉酸補充能減少 50% NTDs 的發生[33]，但實際上約 30% 以上的妊娠期葉酸補充并未達到預期效果[34]，提示葉酸可能不是唯一一種缺乏時會增加 NTDs 發生風險的營養素，許多研究已經表明母體維生素 B12 缺乏可能也是 NTDs 的危險因素[35]。此外，另有研究表明肌醇是一種新的 NTDs 預防方法，尤其是對補充葉酸有抗性的女性[36]，動物實驗也表明肌醇能夠顯著減少葉酸抗性卷尾小鼠脊柱裂的發生[37]，且肌醇對 NTDs 的預防效果不局限于卷尾鼠，其他嚙齒類動物模型中也發現肌醇可以預防糖尿病誘導 NTDs[38]。此外有研究還發現，在受孕前 1 年限制碳水化合物的攝入與無腦畸形和脊柱裂的發病風險增加有關[39]。
妊娠期糖尿病已被證明是導致 NTDs 發生的危險因素之一，盡管其發病機制尚不清楚，但研究表明高血糖是 NTDs 發生的直接原因。妊娠期糖尿病女性后代的先天性畸形風險與妊娠早期血糖濃度有關[40]，孕前患有糖尿病的女性生下患有脊柱裂和其他類型出生缺陷胎兒的風險是普通人群的 2～10 倍[41]。此外，小鼠模型研究發現葡萄糖具有直接致畸作用，并且高糖可能會改變胚胎發育相關基因的表達[41]。另有動物研究表明，母體高血糖會導致胚胎神經上皮細胞中游離 Ca2+ 濃度顯著升高，而 T 型 Ca2+ 通道的阻斷能減輕細胞內應激，抑制細胞凋亡，顯著降低糖尿病小鼠胚胎中的 NTDs 發生率[42]。但是，由于糖尿病發病機制復雜，無法準確估計特定畸形（如脊柱裂）的風險[18]。除了糖尿病，母體發燒也與脊柱裂發生有關。研究表明母親在懷孕早期發燒或發燒引起體溫過高，可能會使其后代患脊柱裂或無腦畸形的風險增加 2 倍[43]，但其致病機制目前尚未明確。
研究表明，艾滋病婦女的抗逆轉錄病毒治療可能會導致其后代發生 NTDs。Dolutegravir 是一種較新的抗逆轉錄病毒藥物，有研究表明 HIV 陽性且服用 Dolutegravir 的孕婦其后代 NTDs 患病率增加，且該藥物導致的 NTDs 患病率高于其他類型抗逆轉錄病毒藥物暴露所致的 NTDs 患病率[44-45]。此外，抗驚厥藥物是已知的致畸劑，妊娠早期服用丙戊酸或卡馬西平等抗驚厥藥物，會大大增加胎兒脊柱裂發生風險。還有研究報道，持久性有機污染物暴露也與脊柱裂的發生有關，胎盤組織中較高水平的多環芳烴、二氯二苯三氯乙烷、α-六氯環己烷、γ-六氯環己烷和 α-硫丹會導致脊柱裂發生風險分別增加 3.71、3.40、2.55、4.11、2.57 倍，且胎盤組織中多環芳烴、二氯二苯三氯乙烷和 α-六氯環己烷水平與脊柱裂發生風險之間存在劑量反應關系[46]。金屬暴露也被證明與人類胎兒 NTDs 之間有一定關聯，胎盤鋇水平升高可使 NTDs 發生風險增加 1.6 倍[47]，汞濃度升高會導致脊柱裂發生風險增加 10.67 倍[48]。此外，研究表明神經酰胺是一種新型 NTDs 誘導劑，脊椎動物胚胎暴露于神經酰胺會導致早期胚胎中 NTDs 的發生率增加，其機制可能與組織的氧化還原失調有關[49]。
5 預防與治療
葉酸預防 NTDs 是現代公共衛生的一項成功策略。在美國，強化葉酸政策使 NTDs 的患病率降低了約 25%[5]，智利、哥斯達黎加、加拿大、南非和沙特阿拉伯等其他實施強制性葉酸預防的國家，其 NTD 患病率（特別是脊柱裂）也有較大幅度下降。我國原衛生部自 2009 年以來啟動了在中國農村地區實施增補葉酸預防 NTDs 項目，中央財政每年投入 1.6 億，為農村孕前和孕早期婦女免費增補葉酸，已取得顯著效果。此外，研究發現小分子肌醇能降低葉酸預防無效的小鼠 NTDs 發生率，對脊柱裂高危人群的肌醇補充可預防脊柱裂發生[5]，但仍需大樣本量人群研究證據支持。
隨著治療技術的進步，脊柱裂患兒的短期和長期存活率都有所改善。基于人群研究的數據表明，脊柱裂患兒 1 年存活率約為 87%，所有脊柱裂患兒中約 78% 存活至 17 歲[5]，但幸存者在成年前和整個成年期間仍有較高死亡率。脊柱裂通常在孕 20 周前被發現，發生脊柱裂的胎兒在懷孕期間可能會出現神經退化以及功能喪失，因此研究表明脊柱裂可能是一種適合宮內治療的疾病[5]，較多研究也已證實子宮內修復脊髓脊膜膨出可以改善后腦功能，減少腦積水和 ChiariⅡ型畸形的發生，但尚不能改善下肢運動[50]。
6 小結
脊柱裂的病因和致病機制目前尚未完全明確。人類基因測序技術及暴露組學檢測技術的發展，為了解脊柱裂機制及病因提供了新的方向與方法；需要進一步利用嚴謹有效的研究設計，來闡述脊柱裂發生過程中遺傳、環境、遺傳-環境相互作用以及表觀遺傳學作用。未來，該領域將朝著精細化、個性化以及多學科協同的方向發展，個體暴露信息、遺傳信息及疾病的復雜亞型將變得更清晰，能夠更好地進行有針對性的預防治療。
作者貢獻：朱海艷負責文獻檢索、資料收集、文章撰寫及修改；王琳琳、任愛國負責文章校對及提出修改意見。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。課題經費支持沒有影響文章觀點。
神經管缺陷（neural tube defects，NTDs）是胚胎發育早期因神經管閉合失敗導致的嚴重先天性缺陷，包括無腦、脊柱裂和腦膨出。脊柱裂是 NTDs 的最常見表型，為局限于神經管尾部的先天畸形，具體表現為背側兩個椎弓根未能正常融合而引起的脊柱畸形。盡管婦女圍受孕期增補葉酸可以大大降低胎兒 NTDs 發生風險，但 NTDs 在人群中仍存在一定患病率，且葉酸預防 NTDs 的機制仍不清楚。因此，如何進一步改善防治策略依然是一個重要的公共衛生問題。本文將針對脊柱裂的分型、流行趨勢、發病機制、病因、預防治療等方面的研究進展進行綜述，以期為尋求有效的脊柱裂預防控制策略提供一定理論基礎。
1 分型
脊柱裂的分型通常基于與神經外胚層受累相關的畸形程度和方式[1]。根據是否伴有神經組織（神經基板）暴露在外或病變部位是否有完整皮膚覆蓋，分為開放性脊柱裂和閉合性脊柱裂[2]。開放性脊柱裂病變部位皮膚不完整，椎管內成分部分或全部經脊柱缺損處向后疝出，常伴有背部包塊，腦脊液通過缺損處漏出，包括脊膜膨出、脊髓脊膜膨出等[3]，其中脊髓脊膜膨出是臨床上最常見的開放性脊柱裂。開放性脊柱裂如不及時治療可能因為感染而危及生命。閉合性脊柱裂病變部位皮膚完整，椎管內成分部分或全部經過脊柱缺損處向后膨出或不膨出，可伴或不伴背部包塊，無腦脊液漏出[3]。上述開放性和閉合性脊柱裂統稱為顯性脊柱裂。此外，還有隱性脊柱裂，即脊椎有缺損，但無脊膜、腦脊液或脊髓膨出，身體外表無異常表現，只能通過影像學檢查才能發現。如果無特別說明，通常所說的脊柱裂是指顯性脊柱裂。顯性脊柱裂常導致受損部分機能喪失，如下肢癱瘓、脊柱變形、大小便不能自主控制。此外，部分脊柱裂患兒會伴發腦積水。因此，脊柱裂是影響出生人口素質的一類嚴重先天缺陷。
2 流行趨勢
NTDs 在人群中的患病率差異很大（0.05%～1% 或以上[4]），存在明顯的地域差別。美國和許多歐洲國家患病率為 0.05%～0.08%[5]；我國以醫院為基礎的出生缺陷監測系統顯示，圍產期（孕 28 周至產后 7 d）NTDs 發生率 2015 年為 2.18/萬，2018 年降至 1.45/萬。脊柱裂患病率在不同種族之間也有較大差異。例如，在美國，與非西班牙裔白人相比，西班牙裔白人脊柱裂患病率更高[6]，而非洲裔美國人患病率較低[7]。北京地區研究（監測時限為孕 13 周至產后 7 d）發現，2006 年—2012 年北京市房山區脊柱裂患病率為 4.8/萬[8]，順義區為 4.9/萬[9]。但是自 20 世紀 80 年代初以來，由于產前診斷的普及，出生前缺陷診斷往往使絕大多數父母選擇終止妊娠，因此大部分研究對脊柱裂患病率的估計可能存在低估現象。而歐洲先天性畸形流行病學監測人口登記網除了收集活產和死胎的數據，同時也收集了終止妊娠的數據，在 2003 年—2007 年期間，其估計脊柱裂患病率為 0.051%[10]。我國以醫院為基礎的出生缺陷監測系統也僅監測圍產期的出生缺陷發生率，未收集孕 28 周前數據，但絕大多數 NTDs 胎兒會在產前得到診斷進而在孕 28 周前引產，因此我國對脊柱裂患病率也存在低估現象。2014 年，一項在出生缺陷高發地區山西省 5 個縣進行以人群為基礎的包括孕 28 周后和孕 28 周前的出生缺陷監測也發現，脊柱裂患病率仍高達 15.0/萬[11]。
3 發病機制
3.1 神經管形成
在胚胎發育過程中，中樞神經系統通常首先發育為一片扁平的細胞，隨后這些細胞卷起并融合，形成中空的中樞神經系統。神經管是中樞神經系統的原基，其正常發育對胚胎的生長和形成至關重要[12]。高等脊椎動物的神經管形成分為初級神經管形成（閉合）和次級神經管形成（導管形成）[13]。
而目前對神經管閉合原理的了解主要來自對實驗模型的分析，特別是哺乳動物、兩棲動物和鳥類。研究表明[14-15]神經管閉合是不連續的，神經管沿頭-尾軸以“拉鏈”式分段閉合，該過程相繼起始于不同起始位點，而不同起始點位于特定的軸向水平。對小鼠模型的研究發現，神經管閉合從位于胚胎后腦/頸部邊界的位點 1、位于胚胎尾側前腦或前腦/中腦邊界的位點 2 雙向展開，而位于前腦喙區的位點 3 僅向尾側延伸。小鼠胚胎第 8.5 天，位點 1 完成閉合，該閉合失敗會導致顱脊柱裂；在胚胎第 9 天，位點 2 開始閉合，隨著該閉合的進行，前神經孔（在位點 2 和 3 之間）完全閉合，幾小時后后神經孔（在位點 1 和 2 之間）也完全閉合。位點 2 的閉合失敗會導致無腦畸形發生，而后神經孔閉合進程受阻則會使后部神經孔持續開放，導致脊柱裂發生，其病變程度與閉合停止的軸位水平有關。
研究表明[16]，人類胚胎神經管閉合也是不連續的，其閉合位點類似于小鼠胚胎。胚胎神經板彎曲大約始于受精后 18 d，因此大約在受精 21 d 時位點 1 開始閉合，受精 26～28 d 完成后神經孔的閉合；人類胚胎前腦和中腦的閉合可以通過閉合位點 1 和神經板頭端來實現，而沒有類似于位點 2 的中間起始位點。
上述神經形成過程稱為初級神經形成。在人類，初級神經向尾部閉合延伸至第 1～5 個骶椎區域（確切位置尚未確定）[5]。在初級神經形成完成后，通過次級神經形成骶骨下部和尾骨區域的神經管，次級神經形成是小鼠和人類發育的共同特征。次級神經管形成始于胚胎末端尾芽中一種多潛能干細胞群體，該細胞群沿初級神經管增殖并分化為神經上皮細胞，最終形成中空的次級神經管[17]。
3.2 開放性脊柱裂發病機制
開放性脊柱裂是由于妊娠早期胚胎脊髓區域神經管閉合失敗，使得神經管長時間暴露于羊水環境發生繼發性神經損傷所導致的[5]。雖然脊髓區域神經管閉合失敗，但神經上皮細胞一開始即進行了相對正常的神經元分化，在病變水平以下仍伴有脊髓運動和感覺功能的發展，但隨著妊娠過程進展，暴露的脊髓神經細胞會因為羊水毒性發生出血、變性、死亡，神經軸突連接中斷，神經元功能會出現退化喪失[5]。因此，脊柱裂的神經功能障礙通常被認為是“兩次打擊”過程：神經管閉合失敗，子宮內神經變性[5]。脊柱裂患兒可表現為程度不等的下肢遲緩性癱瘓和膀胱、肛門括約肌功能障礙，出生后存活的開放性脊柱裂患兒其并發癥包括腦積水、Chiari 畸形Ⅱ型、脊椎畸形、泌尿生殖系統疾病和胃腸道疾病[14]。
3.3 閉合性脊柱裂發病機制
閉合性脊柱裂的胚胎起源可能涉及次級神經形成異常[18]。閉合性脊柱裂大多數缺損發生在骶尾部（次級神經形成水平），缺損不對外開放，通常有皮膚覆蓋，發育過程中無腦脊液丟失[18]。少數情況下有 1 條纖維索通過椎板裂隙附著于硬脊膜、神經根甚至發生脊髓栓系，可伴脊髓內膠質增生和/或中央管擴張[19]。閉合性脊柱裂損傷不及開放性脊柱裂嚴重，可能無癥狀，但腰骶段脊髓拴系可能與下肢運動和感覺障礙以及神經源性膀胱有關。此外，有神經損害癥狀者常有局部皮膚改變伴椎管內皮樣囊腫，可伴腰痛、輕度小便失禁和遺尿等[19]。
4 病因和危險因素
大部分病因研究將脊柱裂與無腦畸形等亞型合并為總 NTDs 一起分析，其中也包括對脊柱裂亞組的分析。NTDs 是由環境因素和遺傳因素交互作用所致的復雜多基因疾病，這些因素在神經管形成的關鍵時間點出現異常從而導致 NTDs 發生[20]，但多數病因目前尚未確定。
4.1 遺傳因素
迄今為止，已發現 400 多個小鼠基因的異常表達與 NTDs 發生有關，然而這些遺傳變異所致 NTDs 的基因型-表型關系比較復雜，其所導致的功能變化及其確切機制目前尚未確定[21]。
研究發現 NTDs 的發生涉及多個生物學通路，如葉酸代謝通路、平面細胞極化（planar cell polarity，PCP）信號通路、糖與能量代謝通路、DNA 修復通路、氧化應激通路和毒物代謝通路等[13]。在葉酸代謝通路中，亞甲基四氫葉酸還原酶（MTHFR）、蛋氨酸合成酶（MTR）、蛋氨酸合成酶還原酶（MTRR）等基因上的突變位點與脊柱裂的發生風險顯著相關[18]。
PCP 也被證明與各種表型的 NTDs 發生相關[5]，其通路核心基因，如 Vang-like gene、dishevelled、scribble 等的變異都表現出致 NTDs 作用。例如，與果蠅中的 Strabismus/Van Gogh 基因同源的 Vang12 基因，其變異使小鼠出現圈尾現象，若雜合突變僅表現為尾巴卷曲成圈，則發生脊柱裂表型，若純合突變則表現出嚴重的 NTDs 表型（顱脊柱裂）[22]。上述 PCP 通路基因不僅在動物模型上具有 NTDs 相關證據，在人類 NTDs 患者中也得以驗證[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過自發誘變和化學誘變得到 NTDs 表型，但尚未在人類 NTDs 患者中驗證。另外，研究表明 PCP 通路基因（如 FZD6 和 VANGL1）的體細胞突變可能與 NTDs 相關[26-27]。
神經管發育過程中神經板會在外胚層細胞連接處形成兩個溝形鉸合區，稱為背外側鉸鏈點（dorsolateral hinge points，DLHPs）[18]，在神經管關閉過程中起重要作用。研究發現，缺乏 DLHPs 的 Zic2 突變胚胎會發展成嚴重脊柱裂[28]。此外，動物模型研究發現 T-locus（brachyury）和 Pax3 變異是脊柱裂的危險因素[29]。
表觀遺傳改變也參與 NTDs 的發病機制[30]。有研究顯示，關鍵信號通路基因的 DNA 甲基化異常可能導致胚胎發育異常和 NTDs 風險增加[30]，如 PI3K-AKT 信號通路基因 CHRM1 的高甲基化與脊柱裂發生有關[31]。
4.2 非遺傳因素
非遺傳因素研究絕大部分是關注總 NTDs，對于脊柱裂的研究多在亞型分析中體現。非遺傳致病因素是可預防的因素，但其致病機制的研究尚存在不足[32]。
目前研究表明，妊娠期葉酸補充能減少 50% NTDs 的發生[33]，但實際上約 30% 以上的妊娠期葉酸補充并未達到預期效果[34]，提示葉酸可能不是唯一一種缺乏時會增加 NTDs 發生風險的營養素，許多研究已經表明母體維生素 B12 缺乏可能也是 NTDs 的危險因素[35]。此外，另有研究表明肌醇是一種新的 NTDs 預防方法，尤其是對補充葉酸有抗性的女性[36]，動物實驗也表明肌醇能夠顯著減少葉酸抗性卷尾小鼠脊柱裂的發生[37]，且肌醇對 NTDs 的預防效果不局限于卷尾鼠，其他嚙齒類動物模型中也發現肌醇可以預防糖尿病誘導 NTDs[38]。此外有研究還發現，在受孕前 1 年限制碳水化合物的攝入與無腦畸形和脊柱裂的發病風險增加有關[39]。
妊娠期糖尿病已被證明是導致 NTDs 發生的危險因素之一，盡管其發病機制尚不清楚，但研究表明高血糖是 NTDs 發生的直接原因。妊娠期糖尿病女性后代的先天性畸形風險與妊娠早期血糖濃度有關[40]，孕前患有糖尿病的女性生下患有脊柱裂和其他類型出生缺陷胎兒的風險是普通人群的 2～10 倍[41]。此外，小鼠模型研究發現葡萄糖具有直接致畸作用，并且高糖可能會改變胚胎發育相關基因的表達[41]。另有動物研究表明，母體高血糖會導致胚胎神經上皮細胞中游離 Ca2+ 濃度顯著升高，而 T 型 Ca2+ 通道的阻斷能減輕細胞內應激，抑制細胞凋亡，顯著降低糖尿病小鼠胚胎中的 NTDs 發生率[42]。但是，由于糖尿病發病機制復雜，無法準確估計特定畸形（如脊柱裂）的風險[18]。除了糖尿病，母體發燒也與脊柱裂發生有關。研究表明母親在懷孕早期發燒或發燒引起體溫過高，可能會使其后代患脊柱裂或無腦畸形的風險增加 2 倍[43]，但其致病機制目前尚未明確。
研究表明，艾滋病婦女的抗逆轉錄病毒治療可能會導致其后代發生 NTDs。Dolutegravir 是一種較新的抗逆轉錄病毒藥物，有研究表明 HIV 陽性且服用 Dolutegravir 的孕婦其后代 NTDs 患病率增加，且該藥物導致的 NTDs 患病率高于其他類型抗逆轉錄病毒藥物暴露所致的 NTDs 患病率[44-45]。此外，抗驚厥藥物是已知的致畸劑，妊娠早期服用丙戊酸或卡馬西平等抗驚厥藥物，會大大增加胎兒脊柱裂發生風險。還有研究報道，持久性有機污染物暴露也與脊柱裂的發生有關，胎盤組織中較高水平的多環芳烴、二氯二苯三氯乙烷、α-六氯環己烷、γ-六氯環己烷和 α-硫丹會導致脊柱裂發生風險分別增加 3.71、3.40、2.55、4.11、2.57 倍，且胎盤組織中多環芳烴、二氯二苯三氯乙烷和 α-六氯環己烷水平與脊柱裂發生風險之間存在劑量反應關系[46]。金屬暴露也被證明與人類胎兒 NTDs 之間有一定關聯，胎盤鋇水平升高可使 NTDs 發生風險增加 1.6 倍[47]，汞濃度升高會導致脊柱裂發生風險增加 10.67 倍[48]。此外，研究表明神經酰胺是一種新型 NTDs 誘導劑，脊椎動物胚胎暴露于神經酰胺會導致早期胚胎中 NTDs 的發生率增加，其機制可能與組織的氧化還原失調有關[49]。
5 預防與治療
葉酸預防 NTDs 是現代公共衛生的一項成功策略。在美國，強化葉酸政策使 NTDs 的患病率降低了約 25%[5]，智利、哥斯達黎加、加拿大、南非和沙特阿拉伯等其他實施強制性葉酸預防的國家，其 NTD 患病率（特別是脊柱裂）也有較大幅度下降。我國原衛生部自 2009 年以來啟動了在中國農村地區實施增補葉酸預防 NTDs 項目，中央財政每年投入 1.6 億，為農村孕前和孕早期婦女免費增補葉酸，已取得顯著效果。此外，研究發現小分子肌醇能降低葉酸預防無效的小鼠 NTDs 發生率，對脊柱裂高危人群的肌醇補充可預防脊柱裂發生[5]，但仍需大樣本量人群研究證據支持。
隨著治療技術的進步，脊柱裂患兒的短期和長期存活率都有所改善。基于人群研究的數據表明，脊柱裂患兒 1 年存活率約為 87%，所有脊柱裂患兒中約 78% 存活至 17 歲[5]，但幸存者在成年前和整個成年期間仍有較高死亡率。脊柱裂通常在孕 20 周前被發現，發生脊柱裂的胎兒在懷孕期間可能會出現神經退化以及功能喪失，因此研究表明脊柱裂可能是一種適合宮內治療的疾病[5]，較多研究也已證實子宮內修復脊髓脊膜膨出可以改善后腦功能，減少腦積水和 ChiariⅡ型畸形的發生，但尚不能改善下肢運動[50]。
6 小結
脊柱裂的病因和致病機制目前尚未完全明確。人類基因測序技術及暴露組學檢測技術的發展，為了解脊柱裂機制及病因提供了新的方向與方法；需要進一步利用嚴謹有效的研究設計，來闡述脊柱裂發生過程中遺傳、環境、遺傳-環境相互作用以及表觀遺傳學作用。未來，該領域將朝著精細化、個性化以及多學科協同的方向發展，個體暴露信息、遺傳信息及疾病的復雜亞型將變得更清晰，能夠更好地進行有針對性的預防治療。
作者貢獻：朱海艷負責文獻檢索、資料收集、文章撰寫及修改；王琳琳、任愛國負責文章校對及提出修改意見。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。課題經費支持沒有影響文章觀點。