Die adoleszente idiopathische Skoliose (AIS) ist eine komplexe dreidimensionale Wirbelsäulendeformität, die typischerweise in der frühen Adoleszenz zwischen dem 11. und 18. Lebensjahr auftritt. Sie stellt die häufigste Form der idiopathischen Skoliose bei Kindern dar, mit einer globalen Prävalenz von 0,47 % bis 5,20 %. In China liegt die Inzidenz der Skoliose zwischen 0,6 % und 2,0 %, wobei AIS 90 % dieser Fälle ausmacht. Die Prävalenz von AIS ist bei Mädchen höher, mit einer berichteten Rate von 2,4 % in China.
Die Ätiologie und Pathogenese der AIS bleiben trotz intensiver Forschung unklar. Diese Übersichtsarbeit kategorisiert die bestehenden Theorien und Hypothesen in neun Aspekte: Studien zu Knochenmark-Mesenchymstammzellen, genetische Studien, Gewebeanalysen, biomechanische Messungen der Wirbelsäule, neurologische Analysen, Hormonstudien, biochemische Analysen, Untersuchungen zu Umweltfaktoren und Lebensstilfaktoren. Diese Kategorien bieten einen umfassenden Rahmen zum Verständnis der multifaktoriellen Natur der AIS und leiten zukünftige Forschungs- und Behandlungsstrategien an.
Knochenmark-Mesenchymstammzellen (BM-MSCs) spielen eine entscheidende Rolle in der Pathogenese der AIS. BM-MSCs haben das Potenzial, sich in Osteoblasten, Chondrozyten oder Adipozyten zu differenzieren. Studien zeigen, dass AIS-Patienten eine verminderte osteogene Fähigkeit und eine Tendenz zur adipogenen Differenzierung von MSCs aufweisen, was zu einer niedrigen Knochenmineraldichte (BMD) führt. Proteomanalysen von MSCs bei AIS-Patienten offenbarten Veränderungen in knochenwachstumsrelevanten Proteinen, darunter Pyruvatkinase M2 (PKM2), Annexin A2, Hitzeschockprotein 27 k (HSP27), G-Aktin und B-Aktin. Diese Veränderungen sind mit verminderter Ossifikation und niedriger Knochenmasse assoziiert. Zudem identifizierten Microarray- und Pathway-Analysen differentiell exprimierte Gene, die die osteogene Differenzierung hemmen und die Knochenbildung beeinflussen. Melatonin- und Leptinrezeptoren in AIS-MSCs sind herunterreguliert, was ihre Reaktion auf Melatonin und Leptin reduziert – beides essentielle Faktoren für die Knochenbildung. Epigenetische Studien haben auch lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs) und microRNAs (miRNAs) identifiziert, die die Genexpression und osteogene Differenzierung bei AIS-Patienten regulieren.
Genetische Studien haben bedeutende Einblicke in die Pathogenese der AIS geliefert. Zwillingsstudien zeigen eine höhere Konkordanzrate bei monozygoten im Vergleich zu dizygoten Paaren, was auf eine genetische Komponente hinweist. Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) haben Single-Nukleotid-Polymorphismen (SNPs) und Kopienzahlvarianten (CNVs) identifiziert, die mit AIS assoziiert sind. Gene wie MAPK7, LBX1, GPR126 und TGFB1 wurden mit der AIS-Entwicklung in Verbindung gebracht. Epigenetische Veränderungen, einschließlich DNA-Methylierung und nicht-kodierender RNAs, spielen ebenfalls eine Rolle bei der Regulation der Genexpression und tragen zur AIS bei.
Gewebeanalysen haben Abnormalitäten in Knochen- und Muskelgewebe von AIS-Patienten aufgezeigt. Histologische Studien zeigen subnormale Knochenvolumina und hohe Knochenumsatzraten im Dornfortsatz von AIS-Patienten. Die paravertebrale Muskulatur bei AIS-Patienten weist Veränderungen in der Faserzusammensetzung und Kontraktilität auf, die zur Wirbelsäulendeformität beitragen können. Genetische Varianten in FBN1 und FBN2 wurden mit einer Krümmungsprogression und einer Hochregulation des TGF-β-Signalwegs in der paravertebralen Muskulatur in Verbindung gebracht.
Biomechanische Studien der Wirbelsäule haben sich auf das relative anteriore Wirbelsäulenüberwachstum (RASO) und die Rolle der Bandscheiben in der AIS-Entwicklung konzentriert. RASO, charakterisiert durch ein beschleunigtes Wachstum der anterioren Säule relativ zur posterioren Säule, wurde mit der Wirbelsäulendeformität in Verbindung gebracht. Finite-Elemente-Modelle haben gezeigt, dass RASO zu einer skoliotischen Progression führen kann. Bandscheiben tragen ebenfalls zur Wirbelsäulenasymmetrie bei, wobei die Keilbildung der Bandscheiben ein signifikanter Faktor in den frühen Stadien der AIS ist. Biomechanische Interaktionen zwischen der Wirbelsäule und anderen Teilen des Rumpfes, wie Asymmetrien der Rippenlänge und Händigkeit, wurden ebenfalls untersucht.
Neurologische Analysen haben den Zusammenhang zwischen Hirnanomalien und AIS untersucht. Magnetresonanztomographie (MRT)-Studien zeigen eine Abschwächung der weißen Substanz und Unterschiede in der kortikalen Dicke bei AIS-Patienten, insbesondere in Regionen, die für motorische und vestibuläre Funktionen verantwortlich sind. Kleinhirnanomalien, einschließlich Tonsillenektopie und regionaler Volumenvergrößerung, wurden bei AIS-Patienten beobachtet und könnten zu funktionellen Beeinträchtigungen beitragen. Defizite des vestibulären Systems wurden ebenfalls mit AIS in Verbindung gebracht, wobei Studien eine Asymmetrie des lateralen Bogengangs und Störungen der Vertikalwahrnehmung bei AIS-Patienten zeigen.
Hormonstudien haben die Rolle von Melatonin, Calmodulin, Leptin, Östrogen und Wachstumshormon in der AIS-Pathogenese untersucht. Melatoninmangel und gestörter Biorhythmus wurden mit AIS in Verbindung gebracht, wobei die Expression von Melatoninrezeptoren in Osteoblasten und Wachstumsplattenchondrozyten reduziert ist. Calmodulin, ein sekundärer Botenstoff, der an der Muskelfunktion und Knochenbildung beteiligt ist, wurde bei AIS-Patienten als unausgeglichen festgestellt. Leptin, das die Knochenbildung reguliert, ist bei AIS-Patienten herunterreguliert, was zu einer niedrigen BMD beiträgt. Östrogen und Wachstumshormon spielen ebenfalls eine Rolle bei der Knochenreifung und dem Skelettwachstum, wobei Veränderungen in ihrer Expression und Funktion mit der AIS-Entwicklung verbunden sind.
Biochemische Analysen haben Störungen im Knochenmineralstoffwechsel, Vitamin D und Lipidstoffwechsel bei AIS-Patienten identifiziert. Ein Ungleichgewicht im RANKL/OPG-System, das die Knochenresorption reguliert, wurde mit einer niedrigen BMD bei AIS in Verbindung gebracht. Polymorphismen des Vitamin-D-Rezeptor-Gens und veränderte Lipidstoffwechselprofile wurden ebenfalls mit AIS in Verbindung gebracht. Biochemische Veränderungen in skoliotischen Bandscheiben, wie Verschiebungen in der Glykosaminoglykan-Verteilung und erhöhte Kollagenexpression, könnten zur Bandscheibendegeneration und Krümmungsprogression beitragen.
Umwelt- und Lebensstilfaktoren wurden als potenzielle Einflussfaktoren für AIS untersucht. Hohe Umweltkonzentrationen von Selen wurden mit neuroossärem Wachstum und Wirbelsäulenverankerung in Verbindung gebracht, was zu Wirbelsäulenkrümmungen führt. Chlorbelastung durch Hallenbäder wurde als neurotoxischer Auslöser für AIS hypothetisiert. Veränderungen im Darmmikrobiom wurden mit Plasmaproteomveränderungen bei AIS-Patienten in Verbindung gebracht, wobei bestimmte mikrobielle Häufigkeiten mit dem Krümmungsschweregrad korrelieren. Körperliche Aktivitäten wie Balletttraining und reduzierte Sportbeteiligung wurden mit dem AIS-Risiko assoziiert.
Eine integrierte Theorie, die “Double Neuro-Osseous Theory“, postuliert, dass AIS aus einer Entwicklungsdisharmonie zwischen dem autonomen und somatischen Nervensystem resultiert, die durch hormonelle und genetische Faktoren verstärkt wird. Diese Theorie legt nahe, dass Interaktionen zwischen dem Leptin-Hypothalamus-Sympathikus-Nervensystem und einer Dysfunktion des somatischen Nervensystems zur Wirbelsäulendeformität und zum Skelettüberwachstum bei AIS beitragen.
Zusammenfassend ist AIS eine multifaktorielle Erkrankung, bei der intrinsische und extrinsische Veränderungen zur Pathogenese beitragen. Knochenbildungsstörungen scheinen ein zentraler Aspekt der AIS-Ätiologie zu sein, wobei genetische, hormonelle, biochemische und Umweltfaktoren alle eine Rolle spielen. Weitere Forschung ist erforderlich, um die kontroversen Aspekte der AIS-Pathogenese zu klären und bestehende Theorien zu integrieren, um wirksame Präventions- und Behandlungsstrategien zu entwickeln.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000000652