氧化应激诱导的椎间盘重塑与刚度增加驱动特发性脊柱侧弯的发病机制

为解决青少年特发性脊柱侧弯（AIS）病因不明的难题，研究人员通过斑马鱼模型发现氧化还原失衡诱导椎间盘（IVD）胶原重塑和脊柱刚度增加是致病关键。抗氧化治疗可抑制表型，提示氧化应激和脊柱刚度可作为新型预后生物标志物与治疗靶点。

　　

青少年特发性脊柱侧弯（Adolescent Idiopathic Scoliosis, AIS）是最常见的儿童脊柱畸形，全球约3-4%的儿童受累，但其病因至今未明。尽管基因组学研究已发现部分患者存在肌肉骨骼胶原变异和软骨细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）缺陷，但超过95%的遗传变异仍属未知。由于多数研究在患者已形成脊柱弯曲后进行，病因与效应的机制难以厘清，治疗手段仅限于支具矫形和侵入性手术，效果有限。

近年来，斑马鱼成为研究AIS的重要模型。研究发现，脑脊液（Cerebrospinal Fluid, CSF）稳态失衡引发的神经炎症和氧化应激足以诱发斑马鱼出现AIS样脊柱弯曲。抗氧化剂如N-乙酰半胱氨酸乙酯（NACET）可抑制侧弯发生与发展，但其具体机制及与人类AIS的相关性仍是临床转化的障碍。

在此背景下，研究团队利用多种斑马鱼AIS模型，深入探索氧化应激下游的致病机制。他们发现，氧化还原（Reduction-Oxidation, Redox）失衡会在发育中的脊柱椎间区段诱发细胞应激和胶原重塑，导致突变脊柱刚度增加，并出现椎间结构变形。值得注意的是，脊柱刚度升高和ECM表型在侧弯发生前即已出现，表明其存在因果关系，且可被抗氧化治疗抑制。这项临床前研究证实氧化应激诱导的椎间变形在AIS发病中起关键作用，并将脊柱刚度升高和氧化还原失衡确立为潜在的首创预后生物标志物与治疗靶点。

研究人员主要采用了几种关键技术方法：利用转基因斑马鱼模型（包括sspodmh4/+、katnb1和vangl2突变体）模拟AIS；应用同步辐射X射线显微断层扫描（Synchrotron μCT）和透射电镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）分析椎间盘形态与超微结构；使用胶原杂交肽（Collagen-Hybridizing Peptide, CHP）染色检测ECM损伤；通过剪切波弹性成像（Shear Wave Elastography, SWE）定量评估脊柱刚度；并采用抗氧化处理（NACET）进行干预研究。样本来源于斑马鱼自然交配产生的胚胎和幼鱼。

结果

sspodmh4/+突变体在发育脊柱附近呈现氧化状态升高

使用细胞可渗透荧光探针DCFH-DA检测10 dpf（days post fertilization）斑马鱼幼体的氧化还原状态，发现sspodmh4/+突变体在背端脑、颅血管、脊髓、躯干血管及背主动脉区域氧化信号增强，尤其在脊索周围的椎间区段最为明显。这些区段与发育中的软骨性椎间域对应，且氧化水平在后续发生侧弯的突变体中进一步升高。在katnb1和vangl2两种其他AIS模型中也观察到类似现象，表明氧化还原失衡是斑马鱼A模型的共同特征。

氧化还原失衡诱导椎间区内质网（ER）应激

由于氧化应激可引发内质网应激和未折叠蛋白反应（Unfolded Protein Response, UPR），研究团队利用Tg(col2a1a::xbp1δ-eGFP)转基因报告系统检测ER应激。发现在10 dpf时，sspodmh4/+突变体的椎间区报告活性显著增强，表明ER应激响应在侧弯发生前即被激活。用NACET处理可完全抑制这种应激响应，证实氧化还原失衡是ER应激的上游诱因。

sspodmh4/+突变体表现出椎间盘（IVD）变形和胶原ECM缺陷

通过同步辐射μCT对21 dpf幼体进行高分辨率成像，发现突变体的椎间韧带（Intervertebral Ligament, IVL）出现严重结构缺陷和变形，野生型IVL向外环抱肌肉纤维的规则结构被破坏，甚至出现内折叠。组织学分析显示，使用甲酸（强脱钙剂）处理时所有样本均出现IVL变形，而EDTA脱钙时突变体IVL变形率高达92%，远高于野生型的18%。在katnb1和vangl2突变体中也观察到IVL变形率增加。

CHP染色进一步显示，突变体IVL区域胶原ECM损伤加重，信号增强且结构不规则，异位信号还出现在核髓质（Nucleus Pulposus, NP）层，表明胶原基质存在广泛损伤和重塑异常。

斑马鱼AIS模型表现出更僵硬的脊柱

利用SWE技术定量评估脊柱刚度，发现在16 dpf和21 dpf，sspodmh4/+突变体的剪切波速度显著快于野生型，表明脊柱刚度增加。这种刚度变化并非由骨密度改变引起，因为μCT分析显示成年突变体与野生型的组织矿物密度无显著差异。在katnb1和vangl2突变体中也观察到类似刚度增加，证明脊柱僵硬是不同AIS模型的共同表型。

氧化应激诱导的脊柱刚度是侧弯的预后生物标志物

脊柱刚度与侧弯严重程度呈正相关（R=0.835）。在10 dpf（侧弯发生前），sspodmh4/+突变体已表现出更高的脊柱刚度，且NACET处理可将其降至野生型水平，表明氧化应激直接导致刚度变化。这表明脊柱刚度可作为AIS发生的早期预测指标。

IVD基质缺陷早于侧弯发生并与氧化应激直接相关

对10 dpf幼体进行TEM分析，发现突变体椎间区胶原ECM厚度不规则、局部最大/最小厚度比显著增高，且胶原纤维束方向紊乱，出现与矢状面平行的异常取向。NACET处理可恢复胶原纤维取向和ECM厚度，证明氧化应激特异性导致IVD区胶原ECM缺陷，进而可能驱动椎间韧带变形和特发性脊柱弯曲。

结论与讨论

本研究通过多模型、多技术平台证实，氧化应激诱导的椎间盘ECM重塑和脊柱刚度增加是AIS的核心致病机制。这些病理变化在侧弯发生前即已出现，并可被抗氧化干预抑制，表明靶向氧化还原平衡可能具有治疗潜力。

研究结果与临床观察高度吻合：既往报道显示AIS患者的纤维环（Annulus Fibrosus, AF）更僵硬，椎间盘楔形变与弯曲进展相关，胶原/弹性蛋白属性异常。本研究首次在动物模型中明确这些表型的出现时间、因果关系及分子机制，为AIS的早期诊断与治疗提供了新思路。

SWE作为一种无创成像技术，具备临床转化潜力，可用于识别高危患者并进行早期干预。氧化应激的来源多样，包括感染、饮食、生活方式及微生物组等环境因素，这可能解释AIS的遗传异质性和环境影响因素。此外，某些同时呈现中枢神经氧化炎症和脊柱侧弯的遗传性疾病（如DiGeorge综合征、Rett综合征等）也可能共享类似机制。

总之，这项研究不仅深化了对AIS发病机制的理解，还提出了脊柱刚度和氧化应激作为新型生物标志物与治疗靶点的临床应用前景，为未来开发非手术干预策略奠定了坚实基础。

---

改写说明：

• ?
  重组内容结构与顺序，系统呈现研究全貌：将原文信息按“背景-方法-结果-结论”逻辑梳理，突出研究问题、设计、发现和意义，增强条理性和专业性。
• ?
  关键术语与细节严格依原文，保留英文缩写及格式：对专业名词、技术名称、模型及指标均按原文标注英文及上下标，保证表述准确且与文献一致。
• ?
  技术方法与结果部分精炼归纳，强化数据与机制关联：对实验方法、模型、分析手段及结果进行概括，突出主要发现和因果，省略冗余细节及操作步骤。

如您有其他风格或侧重方面的需求，我可以进一步为您调整内容表达。