青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是一种发生于10~18岁青少年的脊柱畸形，在女性青少年中尤为常见^[1]。它不仅有冠状面畸形，还伴有矢状面和轴状面畸形^[2]。AIS患病率在不同地理位置的人群中有所差异，从0.47%到5.2%不等^[3]。AIS如果未得到及时治疗，不仅会影响患者的体型、外观和心理，而且可能会出现背痛、肋骨畸形等症状，甚至会发展为严重的脊柱畸形而导致肢体瘫痪、心肺功能受损，增加患者死亡风险。因此，为AIS患者制定有效的预防和治疗策略至关重要。尽管多年来进行了广泛的研究，但AIS的发病机制仍未明确^[1]。关于AIS病因学的假说日益增多，并形成了数个各有优势的理论体系，但目前还没有发现单一的关键因素。这些AIS病因学理论可以分类为遗传学说、激素学说、间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）学说、脊柱生物力学学说、神经学说及环境学说。

MSC在人体骨形成过程中起着重要作用，分化异常的MSC成骨能力降低而成脂能力增高，这可能导致骨量降低和骨质疏松症^[4]。MSC的异常分化与AIS患者全身低骨量和软骨内膜骨生长不均衡的特征密切相关^[5]。多项研究观察到AIS患者具有血清骨转换标志物水平较高^[6]、骨骼生长异常^[7]和持续性骨质减少^[4]的现象，可见AIS与骨质减少之间存在显著关联^[8]。因此，MSC分化异常可能是AIS发生和发展的重要原因，探讨MSC在AIS发病机制中的作用对进一步深入开展相关研究及改善AIS的临床治疗方案具有重要意义。本文总结了MSC在AIS发病机制中的作用，并对未来MSC的临床应用提出展望。

MSC是一类具有多向分化潜能的细胞，适当条件下可分化为骨、软骨和脂肪组织的祖细胞。MSC在骨骼形成和重塑的过程中起重要作用，其增殖、分裂和分化过程中的任何变化都可能引发异常生理过程或导致成骨相关疾病的发生^[9]。MSC增殖减少及分化为成骨细胞功能的缺陷，可能会导致骨形成和骨吸收之间的失衡^[10]。AIS的特征即为中轴骨和外周骨普遍性骨质减少、全身低骨量及软骨内膜骨生长不均衡^[11]。多组学分析表明，AIS患者的MSC存在多种基因、蛋白质和miRNA的异常表达，可能通过调控成骨分化及骨形成参与AIS的发病机制^[12]。

Zhuang等 ^[13]从AIS患者的MSC中鉴定出1 027个差异表达基因，包括551个上调基因、476个下调基因。基因功能分析和信号通路分析显示，这些基因主要通过MAPK、PI3K-Akt、过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR）和Notch等信号通路影响MSC的成骨和成脂分化。基因信号转导网络分析表明，丝裂原活化蛋白激酶激酶1（mitogen-activated protein kinase kinase 1，MAP2K1）、SMAD家族成员（SMAD family member，SMAD）3、同源盒C6（homeobox C6，HOXC6）、热休克蛋白家族A（Hsp70）成员6[heat shock protein family A（Hsp70）member 6，HSPA6]、通用转录因子Ⅱi（general transcription factorⅡi，GTF2I）、cAMP反应元件结合蛋白（cAMP-response element-binding protein，CREBBP）、磷酸肌醇-3-激酶调控亚基2（phosphoinositide-3-kinase regulatory subunit 2，PIK3R2）、双特异性磷酸酶2（dual specificity phosphatase 2，DUSP2）等24个基因可能在AIS的发病机制和伴有的骨质减少中起重要作用。还有研究发现，MAPK7在AIS患者的MSC中表达下调，这可能导致MSC成骨分化紊乱 ^[14]。AIS患者骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）6基因的表达降低，将MSC中的BMP6敲除后MSC的成骨分化程度发生了显著改变 ^[15]。

在AIS患者MSC中的1 027个差异表达基因中，发芽RTK信号拮抗因子（sprouty RTK signaling antagonist，SPRY）4的表达显著降低^[13]。SPRY4是MAPK信号转导途径中表达下调最显著的基因。SPRY基因对成骨分化和褪黑素反应至关重要，可调控细胞增殖与分化、细胞迁移、肺形态发生和骨发育等多个过程^[16]。敲除健康对照MSC中的SPRY4基因后，MSC的成骨分化明显受损^[17]，而使用褪黑素处理后MSC中的SPRY4表达增加，并且其上调促进了MSC向成骨细胞的分化^[18]。总体而言，MSC中的SPRY4表达受损可能通过降低细胞对褪黑素的反应性进而导致AIS患者骨代谢和骨形成异常。

褪黑素是由松果体分泌的负责调节昼夜节律的重要人体激素，其在骨代谢中也发挥重要作用，通常通过与褪黑素受体（melatonin receptor，MT）1、MT2结合引发一系列信号转导并产生生物学效应。研究发现AIS的病理机制可能与MT1B基因多态性和褪黑素缺乏等褪黑素途径的功能失调有关^[19]，该基因位点的突变可能影响MSC的分化方向。褪黑素不会改变AIS患者MSC的分化能力，但是增强了对照受试者MSC的软骨分化能力，即通过增加碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性和氨基多糖合成，以及上调ALP、骨桥蛋白、骨钙素和Ⅱ型胶原等基因的表达来促进成骨和软骨分化^[20]。目前发现MT1、MT2基因的低水平表达及MSC对褪黑素反应性的降低均可能导致全身低骨量和软骨内膜骨生长异常，间接促进了AIS的发展^[21]。也有研究提出褪黑素拮抗剂钙调蛋白可以作为评估AIS进展的衡量指标，但在动物模型实验中这一指标并未取得理想的效果^[22]。虽然尚不能确定褪黑素与AIS之间是否存在因果关系，但部分研究显示褪黑素在治疗骨量降低方面取得了一定效果^{[20, 23]}，未来能否将褪黑素应用于全身低骨量的AIS患者还有待进一步研究。

除此之外，AIS发病机制可能与异常脂肪的生成有关。MSC的成骨分化与成脂分化是相对的分化过程，即成骨分化的减少代表成脂分化的增多。有研究对来自AIS患者和正常对照的MSC分别进行体外成脂分化及微阵列分析，检测到300个差异表达基因，其中111个上调、189个下调。在AIS患者中，包括脂肪酸去饱和酶1（fatty acid desaturase 1，FADS1）在内的7个基因的mRNA表达水平改变了2倍以上，表明FADS1可能在患者MSC AIS异常脂肪分化中起重要作用^[24]。Zhang等^[25]发现褪黑素可通过调节脂质分化通路关键因子PPARγ和Runt相关转录因子2（Runt-related transcription factor 2，RUNX2）的表达来抑制MSC的成脂分化，由此可以推断褪黑素水平降低会促进MSC的成脂分化，从而导致AIS的发展。目前的研究结果表明AIS患者的MSC中存在显著的基因和蛋白质表达变化，未来的研究需要探索AIS患者MSC脂肪分化过程中基因表达差异的原因，并进一步讨论脂肪分化在AIS中的确切作用，这将有助于从基因层面揭示基因与AIS之间的关联及可能的治疗途径。

Zhuang等 ^[26]分析了AIS患者MSC的差异蛋白质组，通过与正常对照组对比，共检测到41个显著改变的蛋白质点，分别代表 25种不同的基因产物。这其中存在5种与骨生长和发育有关的蛋白质：丙酮酸激酶M2型表达上调表明其与MSC增殖增强有关，可能抑制MSC的成骨分化，而下调的膜联蛋白A2、热休克蛋白27（heat shock protein 27，HSP27）、β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白可能与AIS患者的MSC成骨分化能力降低和低骨量状态有关。

膜联蛋白A2在成骨细胞和软骨细胞中高度表达，可能在AIS患者MSC的成骨分化中发挥重要作用，并对AIS的膜内和软骨内骨化产生影响。HSP27是一种高度保守的分子伴侣，可促进新生血管的形成和稳定，减轻炎症，保护细胞免受氧化应激损伤，这些功能在骨代谢中有重要作用。He等^[27]研究发现，AIS患者的成骨细胞和MSC中磷酸化HSP27水平显著降低，且骨形成标志物如ALP、分泌型磷蛋白1（secreted phosphoprotein 1，SPP1）的mRNA表达水平均较低，最终导致成骨能力低下。通过热休克治疗提高磷酸化HSP27的水平可以促进AIS患者MSC的骨形成，这可能与其激活PI3K-Akt信号通路、参与调节细胞增殖、促进HSP的表达来帮助成骨分化有关^[28]。但AIS患者HSP27磷酸化水平下降的确切原因尚不能确定，除了磷酸化功能异常外，蛋白质修饰也可能在AIS骨质减少中发挥作用，磷酸化HSP27在AIS中的作用的机制值得进一步研究。β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白作为细胞骨架可能在决定MSC成骨分化过程中的力学性质方面发挥关键作用，其组织成分的改变还可能增加成脂分化而减少骨形成，数据表明肌动蛋白细胞骨架的改变可能参与了AIS持续全身性骨质减少的病理机制^[26]。此外，泛素特异性蛋白酶53（ubiquitin-specific protease 53，USP53）也被报道可以调节MSC的成骨分化，MSC中USP53过表达显著促进了颅骨缺损小鼠的骨再生^[29]。这些差异表达蛋白质可能不仅在AIS患者骨质减少中起作用，还可能对AIS的发生和发展有其他重要影响，需要进一步实验来验证。

ncRNA是一种功能性RNA分子，由DNA转录而成，但不翻译成蛋白质，在调节基因表达中发挥作用。AIS表观遗传学的最新研究进展揭示了ncRNA（包括lncRNA和miRNA）是AIS早期筛查和预后预测的潜在生物标志物 ^[30]。

lncRNA是长度超过200个核苷酸的转录产物，不包含任何功能性开放阅读框，可以通过干扰染色质修饰、转录或转录后修饰来调节基因表达。有研究通过STRING数据库获得蛋白质- 蛋白质相互作用（protein-protein interaction，PPI）网络后鉴定出1个上调和8个下调的中枢基因，并以此构建了一个mRNA-miRNA-lncRNA的竞争性内源RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）三重调控网络，且该网络中所有RNA均对AIS中MSC相关发病机制具有显著的预测价值 ^[31]。有综述讨论了MSC的lncRNA与骨质疏松、骨肉瘤和强直性脊柱炎等多种骨相关疾病之间的关系，推测lncRNA参与了MSC的成骨分化 ^[32]。例如，lncRNA泛素特异性肽酶2（ubiquitin-specific peptidase 2，USP2）-反义RNA 1（antisense RNA 1，AS1）可通过靶向赖氨酸去甲基化酶（lysine demethylase，KDM）3A/ETS原癌基因1（ETS proto-oncogene 1，ETS1）/USP2轴激活Wnt/β联蛋白信号通路，促进MSC的成骨分化 ^[33]。Zhuang等 ^[34]通过对来自健康对照组和AIS患者的MSC进行微阵列分析，鉴定出1 483个差异表达的lncRNA，并定义了一种在AIS患者的MSC中显著下调的基因lncAIS（基因标识符为ENST00000453347）。在健康对照组MSC中，该基因表达产物lncAIS与核因子90（nuclear factor 90，NF90）相互作用以增强同源盒D8（homeobox D8，HOXD8）mRNA的稳定性，并上调MSC中RUNX2的转录表达，促进成骨分化；而AIS患者MSC中的lncAIS表达下调，削弱了NF90的募集，使HOXD8 mRNA和MSC不稳定，导致成骨分化水平降低。RUNX2作为一种转录因子影响MSC的成骨分化能力，其下调参与AIS患者骨密度降低的过程，造成骨质异常、骨量降低 ^[35]。

miRNA是由18 ~ 22个核苷酸组成的单链ncRNA，通过在转录后水平调控基因表达，在多种生物的许多基本生理和病理过程中发挥重要的调节功能。miRNA在MSC成骨分化和骨形成过程的多个信号通路中发挥着重要作用，例如miRNA-23a、miRNA-30c、miRNA-34c、miRNA-133a和miRNA-338通过靶向调控RUNX2降低关键成骨细胞标志物的表达，抑制成骨分化 ^[36]。miRNA-151a-3p可能通过抑制DAN家族蛋白gremlin 1基因的表达来破坏骨稳态，从而促进脊柱侧凸的进展 ^[37]。miRNA-375-3p通过靶向低密度脂蛋白受体相关蛋白5（low-density lipoprotein receptor-related protein 5，LRP5）和β联蛋白负调控Wnt信号通路，抑制成骨作用 ^[38]。miRNA-5p-72106_14通过抑制STAT1促进MSC的成骨分化并抑制其成脂分化 ^[39]。Hui等 ^[12]通过微阵列分析在AIS患者的MSC中鉴定出54种新的差异表达miRNA。通过基因本体富集分析和京都基因和基因组百科全书数据库通路分析发现，与非AIS对照组相比，AIS组有7种miRNA上调最显著，其中miRNA-17-5p、miRNA-106a-5p、miRNA-106b-5p、miRNA-16-5p、miRNA-93-5p和miRNA-181b-5p可以抑制成骨分化和骨形成，而miRNA-15a-5p可以调节细胞凋亡。上调的miRNA与跨膜转运、小分子代谢过程和免疫反应有关，其中miRNA-17-5p和miRNA-106b-5p通过靶向SMAD5调控BMP信号通路，在骨形成和成骨分化中具有重要的生理功能 ^[40]。此外，Ai等 ^[41]研究发现在小鼠体内表达的mmu-miRNA-138-5p可以通过调节KDM6B蛋白促进成骨分化。根据上述研究和描述，可以推断miRNA介导的信号转导在AIS患者成骨分化过程中的重要性，部分miRNA的过表达与AIS进展相关，大部分差异表达的miRNA与前文中差异表达的基因相符。

已有研究探讨了MSC在多种疾病发病机制中的作用，临床中也已开始尝试使用MSC治疗如脊髓损伤^[42]、骨关节炎^[43]、类风湿关节炎^[44]等疾病。研究表明，MSC可通过旁分泌途径分泌外泌体来调节免疫反应性、抑制细胞凋亡、调节周围细胞因子环境，从而治疗疾病^[45]。Brzoska等^[46]评估了肌肉成分在AIS发病中的作用，并探讨了利用MSC治疗AIS的可能性。未来或许可以通过将MSC注射到生长板或肌肉中调节脊柱在x、y和z轴的生长速率，或者通过ncRNA调节MSC的功能，从而实现预防AIS的目的。各种MSC中新的相关靶点的发现，如通过生物信息学数据整合分析发现Wnt/β联蛋白信号通路这一在AIS病因中的热点通路，为未来基于药物的AIS治疗方法的开发提供了可能^[47]。针对基因表达改变和表观遗传学特征，在青少年时期使用局部基因调控或蛋白质补偿，如DNA转染、RNA沉默、椎间盘内生物制剂注射等技术，或许可以消除缺陷基因带来的影响，预防AIS进展和纠正脊柱畸形。Hu等^[48]通过MSC来源的外泌体成功转运miRNA-23a-3p促进了软骨再生；Raimondi等^[49]用AIS患者的含miRNA的外泌体处理MSC后观察到成骨分化受到抑制、成骨分化标志物表达减少，表明其可能影响着AIS至关重要的细胞机制，这也为深入研究如何调节AIS成骨机制开辟了前景。已有研究证明MSC来源的线粒体对多种疾病有效，线粒体转移诱导表现出的代谢和促炎的特征效应为理解AIS病因和控制退行性改变提供了新思路^[50]。

随着各种外科治疗技术的发展，AIS的治疗效果和满意度越来越好，但其明确的发病机制仍在研究中。AIS患者骨骼生长异常和持续性骨质减少的特征提示其与MSC的成骨分化减少及对褪黑素的异常反应密切相关。现有研究表明AIS患者的MSC确实存在基因表达的差异，虽然其相互作用关系尚未明确，但可作为进一步研究的基础。基因表达的调控复杂多样，仅仅依靠单一的组学策略不足以获得全面理解，通过整合有关基因、转录因子、蛋白质、代谢等信息构建基因调控网络，有助于加深对AIS发病过程中可能存在的分子机制、遗传基础和各种分子相互作用的理解。发掘MSC的深层潜力、优化MSC外泌体的提取和转运方法及开发联合其他生物材料应用的策略在推进AIS的临床治疗上具有广阔的前景。可以预见，在更准确地了解AIS的病理机制后，使用MSC预防及治疗AIS的方法将得到广泛的开发和应用。