一、發病原因
本症患者的紅細胞膜結構異常是由不同的膜支架異常所引起。部份患者有膜的收縮蛋白缺乏，對蛋白水解酶極為敏感，可將變性的膜收縮蛋白降解為小肽，從紅細胞膜上丟失，使膜表麵積減少而變為球形。膜收縮蛋白與蛋白區帶4.1結合能力減少30%左右，致使膜收縮蛋白與肌動蛋白結合能力明顯削弱。紅細胞蛋白質激酶缺乏，使收縮蛋白的磷酸化減弱，影響變形性能。
由於原發性膜缺陷，膜的被動性鈉鹽流入的通透性增加，水隨鈉鹽而進入細胞內，使凹盤形細胞表麵積減少，逐漸變小而厚，接近於球形。為了保持細胞內外鈉鹽濃度的正常比例，就需要產生更多的三磷酸腺苷(ATP)，以加速鈉的排出和鉀的攝入。所以球形細胞的糖酵解率往往較正常紅細胞增加20%～30%，以補償大量ATP的消耗。ATP的相對缺乏使膜上鈣-活性ATP酶受到抑製，鈣容易沉積在膜上。胞膜中肌動凝蛋白(actomyosin)由溶膠變為凝膠，因而紅細胞膜變僵硬，喪失柔韌性。球形細胞的直徑雖然小於6μ左右，但由於細胞膜變形性和柔韌性減退而被阻留在脾索內，不能通過內皮細胞間空隙(直徑僅為3μ左右)進入脾竇。大量紅細胞在脾索內滯留過程中，ATP及葡萄糖進一步消耗，代謝缺陷更形加劇，終至破壞而溶解。
二、發病機製
1.病理生理
(1)陽離子含量的改變與滲透性：
紅細胞內外物質交換需要通過細胞膜，紅細胞內外無機離子、糖等的濃度差別很大，它們的轉運都有各自的機製。正常紅細胞通過Na /K 泵維持細胞內Na /K 正常比例，Na /K 泵每作用1次即有3個Na 泵出細胞外，2個K 泵入細胞內，使紅細胞內呈高鉀低鈉狀態。而HS紅細胞，特別是從脾髒收集的紅細胞存在脫水異常和對單價離子的通透性異常，推測是骨架蛋白缺乏的結果。鉀和水選擇性丟失的途徑被激活引起細胞的脫水異常，如脾髒的相對低pH值和氧化作用的損傷以及紅細胞在脾髒與巨噬細胞接觸產生氧自由基可刺激K /Cl-聯合輸送器。此外，在HS紅細胞，調節細胞內鈉和鉀含量的Na /K 泵的活動是亢進的。因為每2個原子的鉀轉運進入細胞內，3個鈉原子從細胞內被擠出，泵的功能亢進將導致紅細胞脫水以免紅細胞腫脹、破壞。蛋白4.2缺乏的HS紅細胞有陰離子輸送增加，而血影蛋白、錨蛋白或帶3缺乏的HS紅細胞陰離子輸送正常或輸送減少。
(2)非變形性球形紅細胞在脾髒的滯留：
脾髒在HS發病中病理生理機製的重要性眾所周知。脾髒選擇性破壞HS紅細胞有兩個因素：一是HS紅細胞變形性不良，二是脾髒血管係統的獨特解剖構造充當“微循環過濾器”的作用。由於表麵物質缺失引起紅細胞表麵積與體積的比值減少，從而導致紅細胞變形性差是發病中的主要因素。正常的盤狀細胞具有豐富的表麵，允許紅細胞變形並通過狹窄的微循環信道，而HS紅細胞缺少這部分可變形的額外表麵。變形性不良可由於細胞的脫水更進一步加重。紅細胞在脾髒滯留的主要部位是脾髒竇孔的壁，來自脾髒紅髓脾索的血液進入靜脈循環。在大鼠的脾髒，孔的長與寬分別為2～3μm和0.2～0.5μm，約為紅細胞直徑的一半。脾標本的電子纖維照片顯示隻有非常少量的HS紅細胞穿過此部位。因此，在切除的脾髒可以觀察到解剖部位的非變形性球形紅細胞堆積於紅髓，使紅髓充血變粗。
(3)脾髒對紅細胞的調節與破壞：
HS紅細胞由於表麵區域缺失和細胞密度的增加，一旦經脾髒扣留將經受附加的損傷，在脾切除時有紅細胞移出脾髒就是證據。這些經脾髒處理過的紅細胞重返血液循環，可以通過滲透脆性檢測出這部分細胞群。脾切除後，這些紅細胞群消失。早期通過模擬脾髒條件(包括低pH值、隔離的紅細胞可以與網狀內皮係統接觸等)進行HS紅細胞的體外培養研究顯示，糖缺失和接踵而來的細胞內ATP的缺乏並非HS紅細胞在脾髒破壞的原因。脾髒條件的影響顯示出的是累積的損傷。HS紅細胞在脾索停留的時間平均為10～100min，隻有1%～10%流經脾髒的血液是暫時滯留於脾髒並充滿脾索，其餘的90%血液迅速流入靜脈循環。雖然HS紅細胞主要在脾髒扣留和破壞，但HS細胞也在其他外周的器官被破壞。HS紅細胞表麵改變觸發網狀內皮係統吞噬作用的機製尚不清楚。一個途徑可能是脂質雙分子層結構內磷脂的破壞，導致磷脂酰絲氨酸外側暴露，促進紅細胞附著於網狀內皮係統，使其在脾髒以外的其他器官被吞噬破壞。雖然磷脂在兩個脂質雙層內的分布在絕大多數HS患者是正常的，但在一些嚴重的HS患者有磷脂分布的異常改變。還有一種猜測，經脾髒處理過的末期HS紅細胞具有磷脂不均勻的發生。
2.分子機製
正常紅細胞的膜是有非酯化膽固醇和糖脂插入的不對稱性磷脂雙層結構。膜的外層為膽堿磷脂(磷脂酰膽堿也稱卵磷脂和鞘磷脂)，內層為氨基酸磷脂(磷脂酰氨基乙醇和磷脂酰絲氨酸)。紅細胞膜也含有不對稱的蛋白成分。所有的糖蛋白暴露於膜的外側表麵，具有紅細胞抗原和受體或轉運蛋白。這個整體的膜蛋白穿透或跨越脂質雙層，與疏水脂質的核心部位相互作用並且緊緊地束縛紅細胞膜。一個獨立的蛋白網絡與整體膜蛋白和脂質雙層形成垂直和水平相互作用的膜骨架。膜骨架包括血影蛋白(或稱收縮蛋白，又分為α和β spectrin)、錨蛋白(ankyrin)、蛋白4.1、蛋白4.2和肌動蛋白。HS被分為以下5種亞型：單一血影蛋白部分缺乏、血影蛋白與錨蛋白連接部分缺乏、帶3部分缺乏、蛋白4.2缺乏和其他少見的共同缺乏。
紅細胞膜或細胞骨架的組成蛋白的突變引起紅細胞膜的丟失，進而出現細胞膜表麵積減少，使紅細胞的外形由雙凹形盤狀變為小球形紅細胞。與雙凹形盤狀的紅細胞相比，球形紅細胞變形能力很差，不能穿越通過脾髒內的細小彎曲結構，致球形紅細胞滯留於脾髒內並被脾髒從循環內清除，紅細胞壽命明顯縮短。產生溶血性貧血的各種表現。HS膜完整性的破壞(膜丟失)與細胞骨架和細胞膜的幾種蛋白缺陷有關(表1)。脂質雙分子層中的帶3蛋白和RhAG，有錨接作用的錨蛋白和4.2蛋白，以及膜收縮蛋白的缺陷均可引起細胞膜不能與細胞骨架錨接固定，導致細胞膜內聚力減低，產生細胞膜麵積減少的結果。錨蛋白缺陷在北歐及美國是HS最常見的原因，約占所有HS的一半以上，而在日本則隻占5%一10%;4.2蛋白在歐美<5%，而在日本占到45%～50%。目前發現的HS膜缺陷有關的蛋白基因突變越來越多，表1中列出的是其中的少部分。
(1)單一的血影蛋白部分缺乏：
單一血影蛋白部分缺乏包括α-血影蛋白和β-血影蛋白。大量文獻證實在血影蛋白缺乏的顯性遺傳HS患者有β-血影蛋白基因(SPTB)突變存在。但有一種例外，β-血影蛋白Houston在一些家族被證明是一種移碼突變，這些突變是局限的，是獨特的個體家族，並且可能與β-血影蛋白mRNA減少的積累有關。β-血影蛋白Kissimmee是一種局限在與蛋白4.1交互作用的β-血影蛋白的高度保守區域的點突變，是一種限製蛋白4.1與血影蛋白到肌動蛋白連接鍵的功能障礙。因此，通過還原劑處理循環中的紅細胞來增強其限製功能。這些紅細胞富含還原型穀胱甘肽，血影蛋白/蛋白4.1限製性減低是非功能性的表現。單一血影蛋白缺乏的非顯性遺傳HS患者，屬α-血影蛋白的缺乏。在正常的紅細胞，α-血影蛋白合成量大大超過β-血影蛋白，α-血影蛋白基因(SPTA1)突變導致α-血影蛋白合成減少。由於α-血影蛋白超過β-血影蛋白的合成，因而，在膜內有一個正常數量的血影蛋白異二聚體組合，因此，一個正常的α-血影蛋白和一個有缺陷的α-血影蛋白等位基因結合的個體可無症狀。純合子或複合雜合子的α-血影蛋白缺乏HS個體，將是嚴重型的HS患者。Wichterle等報道1例複合雜合子的α-血影蛋白缺乏嚴重的HS病例，具有兩個不同的α-血影蛋白基因缺乏，在一個等位基因上，有一個與上遊間插序列突變(αLEPRA)有關的剪切缺失;在另一個等位基因上有另外一個基因突變，即aPRAGUE。αLEPRA 等位基因產生比正常的等位基因少6倍的糾正剪切的α血影蛋白轉錄物。更進一步的研究顯示，許多非顯性遺傳的血影蛋白缺乏HS，αLEPRA與αBug Hill(在αⅡ結構域部位有一個氨基酸取代了結構域)的連接是失平衡的。因此αLEPRA等位基因與其他α-收縮蛋白缺乏的雜合個體出現，導致明顯的血影蛋白缺乏的球形紅細胞增多性溶血性貧血。利用脈衝標記的BFU-E研究顯示，在一些致死性或接近致死性的與血影蛋白嚴重缺乏(約占正常成分的26%)的HS，其α-血影蛋白的合成顯著減低。盡管這些缺陷的分子基礎尚不清楚，但有母親是輕度顯性遺傳的HS和有滲透脆性輕度增加而血液學表現正常的父親的家族史，提示有至少兩個基因缺陷的簡單雜合子的可能。
(2)血影蛋白與錨蛋白的結合部分缺乏：
血影蛋白與錨蛋白結合部分缺乏的生物化學表現最先在1988年由Coetzer等提出。錨蛋白代表血影蛋白在膜上的主要連接部位，因此，盡管血影蛋白的合成正常，錨蛋白缺乏常伴有相應比例的血影蛋白減少是不奇怪的。例如，β-血影蛋白突變的HS，大多數的錨蛋白缺陷屬於與mRNA累積減少相關的點突變。除外錨蛋白Florisnopolis外，移碼突變與嚴重的HS有關，這一點由來自3個不同遺傳背景家族的HS患者而證實。現有的報道中15%～20%的錨蛋白基因(ANKl)突變屬新生突變(de novo mutation)。在兩個家庭中發現有雙親鑲嵌體錨蛋白突變，因此，在相同HS家族中有臨床症狀不同的病例發生。包括錨蛋白基因部位的缺失或移位的染色體組型異常的非典型HS病例也有報道。1例患者，8號染色體上全部錨蛋白基因缺失導致一個大的縫隙缺失。錨蛋白缺失可能是典型症狀的球形紅細胞增多、智力低下、典型麵容和性腺功能減低的鄰近基因綜合征的一部分。
(3)帶3蛋白部分缺乏：
15%～40%的HS有區帶3蛋白缺乏，它僅見於顯性遺傳，特點是區帶3蛋白輕度缺乏(為正常的50%～90%)，僅引起輕度的溶血，區帶3蛋白缺乏所致HS最顯著的特征是血片中可見到許多蘑菇或鉗狀紅細胞，基因突變常為移碼或無義突變。
(4)蛋白4.2缺乏：
4.2蛋白缺乏所致HS相對較少見，日本比歐洲多，4.2蛋白缺乏既可能是原發，也可能繼發於區帶3蛋白缺乏，繼發性缺乏是由於區帶3蛋白膜外區的結合功能異常而致4.2蛋白丟失，原發性缺陷僅見於隱性遺傳，主要由於DNA發生點突變或移碼突變，臨床特征為具有中，重度溶血，血片中可見到巨形紅細胞(光鏡下)，紅細胞滲透脆性中度增高。
3.表麵區域缺乏的分子基礎
遺傳性球形紅細胞固有的特性是不穩定，如在三磷腺苷(ATP)缺乏或細胞應急切變暴露於體外變化條件下釋放脂質。膜物質的丟失通過0.2～0.5μm的含有血影蛋白的膜內在蛋白質的小囊泡釋放。通過體外培養實驗中滲透脆性增加可以證實，膜物質的丟失是膜表麵區域缺乏至一定程度所致的結果。在單一血影蛋白缺乏或血影蛋白與錨蛋白聯合缺陷的病例，表麵區域缺乏包含來自骨架蛋白下的脂質雙層膜不匹配。正常紅細胞的骨架蛋白形成一個接近單分子的亞膜層，占據一半以上的膜表麵。因此，血影蛋白缺乏導致這個網絡密度減低，結果，從細胞內以微囊泡形式釋放的骨架蛋白不直接支持脂質雙層膜的區域。在帶3蛋白缺乏的HS病例，兩個假設的途徑可能導致表麵區域的丟失(如圖2)。一個機製包括帶3蛋白從細胞丟失。由於帶3蛋白跨越脂質雙層膜許多倍，可能“邊界”脂質的實質總量與帶3蛋白一同釋放，因此，導致表麵區域缺乏。另外一種可能的機製是在膜內存在無帶3的區域形成，進而形成膜大泡，以微囊泡的形式從細胞內釋放。這個假設基於發現了殘影細胞膜內顆粒的集簇性(帶3蛋白的主要組成)導致膜脂質大泡而非微囊泡的顆粒去除區域形成。近年的證據來自帶3敲除鼠的模型。缺乏帶3的紅細胞本能地脫出囊泡，導致嚴重的球形紅細胞增多和溶血。
4.HS與非紅係臨床表現
在大多數HS病例，臨床表現被限定為單一的紅細胞係統，可能由於紅細胞膜蛋白(如血影蛋白和骨架蛋白)的非紅係副本被獨立基因編碼或是由某些蛋白(如蛋白4.1、β-血影蛋白和骨架蛋白)從屬於組織特有的選擇性剪切。但也有例外，報道個別HS家族有脊髓變性性改變的聯合神經分離或肌肉異常、心肌病或記憶力減退。紅細胞骨架蛋白和β-血影蛋白在肌肉腦組織及脊髓也同樣存在，提高了這些病例缺乏其中某種蛋白的可能性。這個假說將進一步通過nb突變鼠的HS模型來證實。純合子nb/nb鼠具有與血影蛋白和基本分子缺陷骨架蛋白缺乏有關的嚴重HS，病情進展可成為與小腦Purkinje細胞變性性改變相吻合的神經綜合征。Purkinje細胞通常表達紅細胞骨架蛋白，而在nb/nb鼠的表達是減低的。帶3缺乏在常染色體顯性遺傳的遠端腎小管性酸中毒的患者中也得到證實。雜合子帶3基因突變的病例具有正常的腎酸化作用和異常的紅細胞，兩個帶3突變，即R589H和S613F，與腎髒的酸化作用減低和正常的紅細胞有關。有報道證實由於帶3mRNA加工突變導致兩個Hs家族出現並發腎髒酸化作用減弱的病例，帶3Pribram和帶3Okinawqa。在這些病例中，腎小管性酸中毒的確切發病機製尚不清楚。
5.遺傳性
基於HS的非單一性分子基礎，推測HS的基因可分為幾種染色體的改變。目前發現的染色體異常有1、8、14、15及17的異常。與α-血影蛋白相關的為1號染色體，與錨蛋白相關的為8號染色體，與β-血影蛋白相關的為14號染色體，與蛋白3相關的為17號染色體，與蛋白4.2相關的為15號染色體。在絕大多數的HS患者(約75%)，屬常染色體顯性遺傳。少部分患者為非顯性遺傳，這部分病例可歸屬於基因突變，突變的位置在CpG二核苷酸，造成該部位小的缺失或插入。這也可能形成常染色體隱性遺傳。有報道證明，部分隱性遺傳的HS患者伴發嚴重的溶血性貧血。這部分患者主要傾向於紅細胞血影蛋白的缺乏，推測主要為α-血影蛋白的缺乏。另外一部分隱性遺傳的患者為蛋白4.2缺乏，表現為輕度溶血，紅細胞形態為口形和卵圓形。極少病例為純合子，表現為嚴重的溶血性貧血，有的患者溶血發生後可能是致死性的，他們的雙親症狀很輕或無症狀。 HS可以以家族的形式發病，但臨床上這樣的情況並不多見。下述幾點可以解釋這些現象：
①缺乏可變的外顯率;
②在家族中發生新生突變或隱性遺傳;
③影響膜蛋白表達的修飾等位基因導致在家庭中臨床表現的變異性;
④缺乏組織特異的鑲嵌型。
