一、发病原因
本症患者的红细胞膜结构异常是由不同的膜支架异常所引起。部份患者有膜的收缩蛋白缺乏，对蛋白水解酶极为敏感，可将变性的膜收缩蛋白降解为小肽，从红细胞膜上丢失，使膜表面积减少而变为球形。膜收缩蛋白与蛋白区带4.1结合能力减少30%左右，致使膜收缩蛋白与肌动蛋白结合能力明显削弱。红细胞蛋白质激酶缺乏，使收缩蛋白的磷酸化减弱，影响变形性能。
由于原发性膜缺陷，膜的被动性钠盐流入的通透性增加，水随钠盐而进入细胞内，使凹盘形细胞表面积减少，逐渐变小而厚，接近于球形。为了保持细胞内外钠盐浓度的正常比例，就需要产生更多的三磷酸腺苷(ATP)，以加速钠的排出和钾的摄入。所以球形细胞的糖酵解率往往较正常红细胞增加20%～30%，以补偿大量ATP的消耗。ATP的相对缺乏使膜上钙-活性ATP酶受到抑制，钙容易沉积在膜上。胞膜中肌动凝蛋白(actomyosin)由溶胶变为凝胶，因而红细胞膜变僵硬，丧失柔韧性。球形细胞的直径虽然小于6μ左右，但由于细胞膜变形性和柔韧性减退而被阻留在脾索内，不能通过内皮细胞间空隙(直径仅为3μ左右)进入脾窦。大量红细胞在脾索内滞留过程中，ATP及葡萄糖进一步消耗，代谢缺陷更形加剧，终至破坏而溶解。
二、发病机制
1.病理生理
(1)阳离子含量的改变与渗透性：
红细胞内外物质交换需要通过细胞膜，红细胞内外无机离子、糖等的浓度差别很大，它们的转运都有各自的机制。正常红细胞通过Na /K 泵维持细胞内Na /K 正常比例，Na /K 泵每作用1次即有3个Na 泵出细胞外，2个K 泵入细胞内，使红细胞内呈高钾低钠状态。而HS红细胞，特别是从脾脏收集的红细胞存在脱水异常和对单价离子的通透性异常，推测是骨架蛋白缺乏的结果。钾和水选择性丢失的途径被激活引起细胞的脱水异常，如脾脏的相对低pH值和氧化作用的损伤以及红细胞在脾脏与巨噬细胞接触产生氧自由基可刺激K /Cl-联合输送器。此外，在HS红细胞，调节细胞内钠和钾含量的Na /K 泵的活动是亢进的。因为每2个原子的钾转运进入细胞内，3个钠原子从细胞内被挤出，泵的功能亢进将导致红细胞脱水以免红细胞肿胀、破坏。蛋白4.2缺乏的HS红细胞有阴离子输送增加，而血影蛋白、锚蛋白或带3缺乏的HS红细胞阴离子输送正常或输送减少。
(2)非变形性球形红细胞在脾脏的滞留：
脾脏在HS发病中病理生理机制的重要性众所周知。脾脏选择性破坏HS红细胞有两个因素：一是HS红细胞变形性不良，二是脾脏血管系统的独特解剖构造充当“微循环过滤器”的作用。由于表面物质缺失引起红细胞表面积与体积的比值减少，从而导致红细胞变形性差是发病中的主要因素。正常的盘状细胞具有丰富的表面，允许红细胞变形并通过狭窄的微循环信道，而HS红细胞缺少这部分可变形的额外表面。变形性不良可由于细胞的脱水更进一步加重。红细胞在脾脏滞留的主要部位是脾脏窦孔的壁，来自脾脏红髓脾索的血液进入静脉循环。在大鼠的脾脏，孔的长与宽分别为2～3μm和0.2～0.5μm，约为红细胞直径的一半。脾标本的电子纤维照片显示只有非常少量的HS红细胞穿过此部位。因此，在切除的脾脏可以观察到解剖部位的非变形性球形红细胞堆积于红髓，使红髓充血变粗。
(3)脾脏对红细胞的调节与破坏：
HS红细胞由于表面区域缺失和细胞密度的增加，一旦经脾脏扣留将经受附加的损伤，在脾切除时有红细胞移出脾脏就是证据。这些经脾脏处理过的红细胞重返血液循环，可以通过渗透脆性检测出这部分细胞群。脾切除后，这些红细胞群消失。早期通过模拟脾脏条件(包括低pH值、隔离的红细胞可以与网状内皮系统接触等)进行HS红细胞的体外培养研究显示，糖缺失和接踵而来的细胞内ATP的缺乏并非HS红细胞在脾脏破坏的原因。脾脏条件的影响显示出的是累积的损伤。HS红细胞在脾索停留的时间平均为10～100min，只有1%～10%流经脾脏的血液是暂时滞留于脾脏并充满脾索，其余的90%血液迅速流入静脉循环。虽然HS红细胞主要在脾脏扣留和破坏，但HS细胞也在其他外周的器官被破坏。HS红细胞表面改变触发网状内皮系统吞噬作用的机制尚不清楚。一个途径可能是脂质双分子层结构内磷脂的破坏，导致磷脂酰丝氨酸外侧暴露，促进红细胞附着于网状内皮系统，使其在脾脏以外的其他器官被吞噬破坏。虽然磷脂在两个脂质双层内的分布在绝大多数HS患者是正常的，但在一些严重的HS患者有磷脂分布的异常改变。还有一种猜测，经脾脏处理过的末期HS红细胞具有磷脂不均匀的发生。
2.分子机制
正常红细胞的膜是有非酯化胆固醇和糖脂插入的不对称性磷脂双层结构。膜的外层为胆碱磷脂(磷脂酰胆碱也称卵磷脂和鞘磷脂)，内层为氨基酸磷脂(磷脂酰氨基乙醇和磷脂酰丝氨酸)。红细胞膜也含有不对称的蛋白成分。所有的糖蛋白暴露于膜的外侧表面，具有红细胞抗原和受体或转运蛋白。这个整体的膜蛋白穿透或跨越脂质双层，与疏水脂质的核心部位相互作用并且紧紧地束缚红细胞膜。一个独立的蛋白网络与整体膜蛋白和脂质双层形成垂直和水平相互作用的膜骨架。膜骨架包括血影蛋白(或称收缩蛋白，又分为α和β spectrin)、锚蛋白(ankyrin)、蛋白4.1、蛋白4.2和肌动蛋白。HS被分为以下5种亚型：单一血影蛋白部分缺乏、血影蛋白与锚蛋白连接部分缺乏、带3部分缺乏、蛋白4.2缺乏和其他少见的共同缺乏。
红细胞膜或细胞骨架的组成蛋白的突变引起红细胞膜的丢失，进而出现细胞膜表面积减少，使红细胞的外形由双凹形盘状变为小球形红细胞。与双凹形盘状的红细胞相比，球形红细胞变形能力很差，不能穿越通过脾脏内的细小弯曲结构，致球形红细胞滞留于脾脏内并被脾脏从循环内清除，红细胞寿命明显缩短。产生溶血性贫血的各种表现。HS膜完整性的破坏(膜丢失)与细胞骨架和细胞膜的几种蛋白缺陷有关(表1)。脂质双分子层中的带3蛋白和RhAG，有锚接作用的锚蛋白和4.2蛋白，以及膜收缩蛋白的缺陷均可引起细胞膜不能与细胞骨架锚接固定，导致细胞膜内聚力减低，产生细胞膜面积减少的结果。锚蛋白缺陷在北欧及美国是HS最常见的原因，约占所有HS的一半以上，而在日本则只占5%一10%;4.2蛋白在欧美<5%，而在日本占到45%～50%。目前发现的HS膜缺陷有关的蛋白基因突变越来越多，表1中列出的是其中的少部分。
(1)单一的血影蛋白部分缺乏：
单一血影蛋白部分缺乏包括α-血影蛋白和β-血影蛋白。大量文献证实在血影蛋白缺乏的显性遗传HS患者有β-血影蛋白基因(SPTB)突变存在。但有一种例外，β-血影蛋白Houston在一些家族被证明是一种移码突变，这些突变是局限的，是独特的个体家族，并且可能与β-血影蛋白mRNA减少的积累有关。β-血影蛋白Kissimmee是一种局限在与蛋白4.1交互作用的β-血影蛋白的高度保守区域的点突变，是一种限制蛋白4.1与血影蛋白到肌动蛋白连接键的功能障碍。因此，通过还原剂处理循环中的红细胞来增强其限制功能。这些红细胞富含还原型谷胱甘肽，血影蛋白/蛋白4.1限制性减低是非功能性的表现。单一血影蛋白缺乏的非显性遗传HS患者，属α-血影蛋白的缺乏。在正常的红细胞，α-血影蛋白合成量大大超过β-血影蛋白，α-血影蛋白基因(SPTA1)突变导致α-血影蛋白合成减少。由于α-血影蛋白超过β-血影蛋白的合成，因而，在膜内有一个正常数量的血影蛋白异二聚体组合，因此，一个正常的α-血影蛋白和一个有缺陷的α-血影蛋白等位基因结合的个体可无症状。纯合子或复合杂合子的α-血影蛋白缺乏HS个体，将是严重型的HS患者。Wichterle等报道1例复合杂合子的α-血影蛋白缺乏严重的HS病例，具有两个不同的α-血影蛋白基因缺乏，在一个等位基因上，有一个与上游间插序列突变(αLEPRA)有关的剪切缺失;在另一个等位基因上有另外一个基因突变，即aPRAGUE。αLEPRA 等位基因产生比正常的等位基因少6倍的纠正剪切的α血影蛋白转录物。更进一步的研究显示，许多非显性遗传的血影蛋白缺乏HS，αLEPRA与αBug Hill(在αⅡ结构域部位有一个氨基酸取代了结构域)的连接是失平衡的。因此αLEPRA等位基因与其他α-收缩蛋白缺乏的杂合个体出现，导致明显的血影蛋白缺乏的球形红细胞增多性溶血性贫血。利用脉冲标记的BFU-E研究显示，在一些致死性或接近致死性的与血影蛋白严重缺乏(约占正常成分的26%)的HS，其α-血影蛋白的合成显著减低。尽管这些缺陷的分子基础尚不清楚，但有母亲是轻度显性遗传的HS和有渗透脆性轻度增加而血液学表现正常的父亲的家族史，提示有至少两个基因缺陷的简单杂合子的可能。
(2)血影蛋白与锚蛋白的结合部分缺乏：
血影蛋白与锚蛋白结合部分缺乏的生物化学表现最先在1988年由Coetzer等提出。锚蛋白代表血影蛋白在膜上的主要连接部位，因此，尽管血影蛋白的合成正常，锚蛋白缺乏常伴有相应比例的血影蛋白减少是不奇怪的。例如，β-血影蛋白突变的HS，大多数的锚蛋白缺陷属于与mRNA累积减少相关的点突变。除外锚蛋白Florisnopolis外，移码突变与严重的HS有关，这一点由来自3个不同遗传背景家族的HS患者而证实。现有的报道中15%～20%的锚蛋白基因(ANKl)突变属新生突变(de novo mutation)。在两个家庭中发现有双亲镶嵌体锚蛋白突变，因此，在相同HS家族中有临床症状不同的病例发生。包括锚蛋白基因部位的缺失或移位的染色体组型异常的非典型HS病例也有报道。1例患者，8号染色体上全部锚蛋白基因缺失导致一个大的缝隙缺失。锚蛋白缺失可能是典型症状的球形红细胞增多、智力低下、典型面容和性腺功能减低的邻近基因综合征的一部分。
(3)带3蛋白部分缺乏：
15%～40%的HS有区带3蛋白缺乏，它仅见于显性遗传，特点是区带3蛋白轻度缺乏(为正常的50%～90%)，仅引起轻度的溶血，区带3蛋白缺乏所致HS最显著的特征是血片中可见到许多蘑菇或钳状红细胞，基因突变常为移码或无义突变。
(4)蛋白4.2缺乏：
4.2蛋白缺乏所致HS相对较少见，日本比欧洲多，4.2蛋白缺乏既可能是原发，也可能继发于区带3蛋白缺乏，继发性缺乏是由于区带3蛋白膜外区的结合功能异常而致4.2蛋白丢失，原发性缺陷仅见于隐性遗传，主要由于DNA发生点突变或移码突变，临床特征为具有中，重度溶血，血片中可见到巨形红细胞(光镜下)，红细胞渗透脆性中度增高。
3.表面区域缺乏的分子基础
遗传性球形红细胞固有的特性是不稳定，如在三磷腺苷(ATP)缺乏或细胞应急切变暴露于体外变化条件下释放脂质。膜物质的丢失通过0.2～0.5μm的含有血影蛋白的膜内在蛋白质的小囊泡释放。通过体外培养实验中渗透脆性增加可以证实，膜物质的丢失是膜表面区域缺乏至一定程度所致的结果。在单一血影蛋白缺乏或血影蛋白与锚蛋白联合缺陷的病例，表面区域缺乏包含来自骨架蛋白下的脂质双层膜不匹配。正常红细胞的骨架蛋白形成一个接近单分子的亚膜层，占据一半以上的膜表面。因此，血影蛋白缺乏导致这个网络密度减低，结果，从细胞内以微囊泡形式释放的骨架蛋白不直接支持脂质双层膜的区域。在带3蛋白缺乏的HS病例，两个假设的途径可能导致表面区域的丢失(如图2)。一个机制包括带3蛋白从细胞丢失。由于带3蛋白跨越脂质双层膜许多倍，可能“边界”脂质的实质总量与带3蛋白一同释放，因此，导致表面区域缺乏。另外一种可能的机制是在膜内存在无带3的区域形成，进而形成膜大泡，以微囊泡的形式从细胞内释放。这个假设基于发现了残影细胞膜内颗粒的集簇性(带3蛋白的主要组成)导致膜脂质大泡而非微囊泡的颗粒去除区域形成。近年的证据来自带3敲除鼠的模型。缺乏带3的红细胞本能地脱出囊泡，导致严重的球形红细胞增多和溶血。
4.HS与非红系临床表现
在大多数HS病例，临床表现被限定为单一的红细胞系统，可能由于红细胞膜蛋白(如血影蛋白和骨架蛋白)的非红系副本被独立基因编码或是由某些蛋白(如蛋白4.1、β-血影蛋白和骨架蛋白)从属于组织特有的选择性剪切。但也有例外，报道个别HS家族有脊髓变性性改变的联合神经分离或肌肉异常、心肌病或记忆力减退。红细胞骨架蛋白和β-血影蛋白在肌肉脑组织及脊髓也同样存在，提高了这些病例缺乏其中某种蛋白的可能性。这个假说将进一步通过nb突变鼠的HS模型来证实。纯合子nb/nb鼠具有与血影蛋白和基本分子缺陷骨架蛋白缺乏有关的严重HS，病情进展可成为与小脑Purkinje细胞变性性改变相吻合的神经综合征。Purkinje细胞通常表达红细胞骨架蛋白，而在nb/nb鼠的表达是减低的。带3缺乏在常染色体显性遗传的远端肾小管性酸中毒的患者中也得到证实。杂合子带3基因突变的病例具有正常的肾酸化作用和异常的红细胞，两个带3突变，即R589H和S613F，与肾脏的酸化作用减低和正常的红细胞有关。有报道证实由于带3mRNA加工突变导致两个Hs家族出现并发肾脏酸化作用减弱的病例，带3Pribram和带3Okinawqa。在这些病例中，肾小管性酸中毒的确切发病机制尚不清楚。
5.遗传性
基于HS的非单一性分子基础，推测HS的基因可分为几种染色体的改变。目前发现的染色体异常有1、8、14、15及17的异常。与α-血影蛋白相关的为1号染色体，与锚蛋白相关的为8号染色体，与β-血影蛋白相关的为14号染色体，与蛋白3相关的为17号染色体，与蛋白4.2相关的为15号染色体。在绝大多数的HS患者(约75%)，属常染色体显性遗传。少部分患者为非显性遗传，这部分病例可归属于基因突变，突变的位置在CpG二核苷酸，造成该部位小的缺失或插入。这也可能形成常染色体隐性遗传。有报道证明，部分隐性遗传的HS患者伴发严重的溶血性贫血。这部分患者主要倾向于红细胞血影蛋白的缺乏，推测主要为α-血影蛋白的缺乏。另外一部分隐性遗传的患者为蛋白4.2缺乏，表现为轻度溶血，红细胞形态为口形和卵圆形。极少病例为纯合子，表现为严重的溶血性贫血，有的患者溶血发生后可能是致死性的，他们的双亲症状很轻或无症状。 HS可以以家族的形式发病，但临床上这样的情况并不多见。下述几点可以解释这些现象：
①缺乏可变的外显率;
②在家族中发生新生突变或隐性遗传;
③影响膜蛋白表达的修饰等位基因导致在家庭中临床表现的变异性;
④缺乏组织特异的镶嵌型。
