股骨頭壞死的發病機制及干細胞治療進展

呂玉明 程立明 裴國獻

股骨頭壞死(osteonecrosis of the femoral head， ONFH)亦稱缺血性或無菌性股骨頭壞死，好發于青壯年，病程進展迅速，如不積極治療致殘率高。股骨頭壞死的發病機制有早期的脂肪栓塞學說、微血管內凝血學說和骨內高壓學說等［1］。股骨頭壞死的主要誘因有激素、酗酒、創傷、凝血障礙和血管解剖畸形［2］。股骨頭壞死的主要類型激素性和酒精性股骨頭壞死的細胞免疫因素是近年來的研究熱點。本文對相關研究進展進行綜述。

一、股骨頭壞死的發病機制

1.激素性股骨頭壞死:大劑量使用激素可引起股骨頭壞死。10年前美國就有超過3000萬人使用激素作為他們臨床治療的一部分，因為使用激素的劑量和療程的不同，其中有50%患者會發展到骨質疏松引起骨折，40%可引起不同程度的骨壞死［3］。骨壞死的發生與激素使用的劑量密切相關［4］。1987年Felson和Anderson進行研究(meta分析)提示，前6個月平均每日口服潑尼松增加10mg，發生骨壞死的風險增加4.6倍［5］。長時間大劑量使用激素引起骨壞死已成為學者的共識，而小劑量使用激素引起骨壞死可能與個體的凝血機制障礙、基因易感性等相關［6～9］。目前認為激素性股骨頭壞死的機制有以下幾個方面［4，7，10］:①影響內源性因子的合成，如影響炎性介質血管細胞黏附因子－1(VCAM－1)，血管收縮因子(NO)、氧自由基、內皮素－1(ET－1)、促凝血因子血管性血友病因子(vWF)、纖溶酶原激活物抑制因子1 (PAI－1)，抑制抗凝血因子凝血酶調節素(TM)和膠原合成等，使血管內皮功能發生障礙，血栓形成，股骨頭血流下降導致缺血壞死;②激素引起脂肪代謝障礙，脂肪栓子和載脂纖維蛋白一血小板栓子使骨內壓增高，造成血管阻塞，組織缺血;③外源性激素抑制血管新生，影響骨組織修復從而促進缺血性壞死;④激素誘導的成骨細胞和骨細胞的凋亡，延長破骨細胞的壽命，破壞骨細胞機械感覺通訊網絡，影響骨組織修復從而導致缺血性壞死;⑤激素誘導的內皮細胞的凋亡，使血管內皮功能發生障礙，血栓形成，股骨頭血流下降導致缺血壞死;內皮細胞凋亡影響骨組織修復從而導致缺血性壞死。

Weinstein等［12］研究發現，激素性股骨頭壞死以骨細胞和成骨細胞凋亡為特征，這與股骨頸骨折、酗酒及鐮狀細胞貧血所引起的骨壞死不同。骨細胞凋亡可破壞股骨頭機械感應網絡，最終促進股骨頭塌陷。在正常骨組織中，成骨細胞和埋在骨陷窩中的骨細胞通過細胞突起及其間的縫隙連接形成一個廣泛的細胞通訊網絡，可感應骨組織的微小損傷和機械應力，進行修復反應，包括代償性的骨增加或減少。糖皮質激素誘導的骨細胞凋亡可破壞細胞的機械感應作用或造成感應機制缺陷。當微損傷無法被骨細胞探知時，即造成無法修復的損傷［4，10，11］。

2.酒精性股骨頭壞死:酗酒可引起股骨頭壞死，甚至多發性骨壞死［13］。研究發現酒精可誘導動物和人的骨髓基質干細胞成脂肪分化［14～16］。酒精誘導的骨壞死骨髓內脂肪增多的原因可能是酒精誘導MSCs大量分化為脂肪細胞，股骨頭內脂肪細胞增殖肥大，骨細胞內脂質沉積，當股骨頭內脂肪細胞大量增多時，造成骨髓內脂肪組織堆積，引起骨內壓增高，血流瘀滯，局部缺血，導致股骨頭內微循環障礙，大量骨細胞缺血、缺氧而死亡，同時引起其成骨能力的下降，無足夠的成骨細胞用于修復壞死骨，最終發生股骨頭壞死［15］。這可能是酒精誘發的股骨頭壞死的發病機制。Suh等在為了比較酒精性股骨頭壞死患者和非股骨頭壞死患者的骨髓干細胞的分化和增殖能力，共取兩者股骨近端骨髓標本共33例，分別進行骨髓干細胞的分離、培養、擴增骨，比較細胞的倍增時間和分化為成骨細胞和脂肪細胞的能力，發現酒精性股骨頭壞死病人的骨髓干細胞分化為成骨細胞系的能力明顯下降，兩者比較有顯著性差異，并認為這種骨髓干細胞的增殖分化能力的下降可能是引起股骨頭壞死的原因［14］。Wezeman等研究了酒精對正常股骨近端骨髓來源的骨髓干細胞的分化能力，實驗分4組:①對照組(單純培養基);②酒精組(培養基+50mm酒精);③成骨培養組(培養基+成骨誘導劑);④酒精+成骨培養組(培養基+50mm酒精+成骨誘導劑)，結果顯示酒精作用10天，脂肪細胞數量增加，21天時脂肪數量增加至13.6%，并發現酒精上調PPAR-gamma2基因表達、增加aP2的合成。我國學者王義生發現葛根素具有減輕酒精性股骨頭壞死的作用，葛根素治療組能顯著下調PPARgamma2mRNA表達，降低細胞甘油三酯含量，增加細胞堿性磷酸酶活性以及骨鈣素mRNA表達。還有研究者通過PPARgamma2－siRNA轉染于含酒精和成骨誘導劑培養的hBMSCs，發現siRNA能增加培養細胞的基質礦化，下調成脂肪細胞的基因(PPARgamma2 and aP2)表達，上調成骨細胞基因(Osf2/Cbfa1)表達，增加骨基質蛋白合成。而Feng等通過比較股骨頭壞死病人和正常人的外周血ECPs數量和功能差異，發現激素性、酒精性和特發性ANFH病人外周血EPC和CFUs無顯著性差異，但股骨頭缺血壞死病人EPCs遷移能力下降，細胞衰老加速，體外細胞成血管能力下降。故內皮細胞功能缺陷亦可能是股骨頭壞死的發病機制之一。

二、股骨頭壞死的干細胞治療

由于前述的脂肪栓塞學說、微血管內凝血學說和骨內高壓學說等均未能完全闡明骨壞死的病因本質，借助分子生物學的研究方法，有學者對股骨頭壞死的病因研究深入一步，并提出了股骨頭壞死病因的新見解—股骨頭壞死的細胞學基礎。在該研究領域，Hernigou等被認為是開拓者。

1994、1997年Hernigou等報道了1例13歲鐮狀細胞病伴肱骨頭骨骺壞死病例行骨髓移植治療的病例，骨髓來源于HLA相同的雜合子雙胞胎。術后用環磷酰胺化療和放療抑制免疫反應。術后3個月X線檢查塌陷的肱骨頭修復，MRI提示肱骨頭髓腔趨向正常;另外，局部疼痛和關節活動明顯改善，4年后隨訪塌陷的肱骨頭已修復。Hernigou等認為股骨頭壞死可能是骨細胞或骨髓基質干細胞疾病。他們研究了激素性股骨頭壞死、鐮狀細胞病股骨頭壞死和對照組(沒有股骨頭壞死)患者的股骨近端的骨髓，發現激素性股骨頭壞死患者的骨髓成纖維克隆形成單位(fibroblast colony－forming units，FCFUs)數量明顯減少，骨髓基質干細胞活性和成骨細胞增殖能力明顯降低。股骨近端骨髓基質干細胞數量的減少、成骨細胞增殖能力降低使股骨頭壞死早期骨重塑障礙是股骨頭壞死的細胞學基礎。這一研究發現奠定了利用自體骨髓基質干細胞移植治療股骨頭壞死的理論基礎。

Hernigou和Gangji等對骨髓移植治療股骨頭壞死的方法、移植的專用設備等均進行了研究和優化。Hernigou等進行一項前瞻性研究，應用髓芯減壓加自體骨髓移植治療股骨頭壞死116例(189髖)，全麻下抽取髂骨骨髓400ml，將抽取的骨髓經專用骨髓收集儀離心，分離所得的單核細胞約50ml。X線透視下用一3mm直徑環鉆經粗隆部、股骨頸和股骨頭鉆孔至股骨頭壞死區行髓芯減壓，然后將環鉆頭置入股骨頭軟骨下2～3mm處，將50ml離心后骨髓經孔道注入股骨頭中。經過5～10年的隨訪，采用Harris評分、X線片進展和是否需髖關節置換評定結果。根據結果作者認為移植的前體細胞數量多的效果最好。Gangji等對13例(18髖)ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨頭壞死行隨機雙盲對照研究，試驗組采用髓芯減壓加自體骨髓單核細胞移植，對照組單純髓芯減壓，術后經過24個月的隨訪，對照組8髖中有5髖進展為Ⅲ期病變，而試驗組10髖只有1髖發展為Ⅲ期，骨壞死范圍減少35%;臨床癥狀減輕，關節功能明顯改善。2002年Hernigou和Beaujean又對多年來積累的骨髓移植治療股骨頭壞死病例(116例共189髖)進行了回顧性分析研究。該組病例隨訪5～11年，平均隨訪7年。股骨頭壞死的病因分類:激素性16%，酒精性30%，鐮狀細胞病34%，器官移植11%，特發性5%，其他4%。ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨頭壞死145髖，在隨訪的終點共有9例進行髖關節置換，ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨頭壞死44髖，在隨訪的終點共有24例進行了髖關節置換。研究還發現激素性、酒精性和器官移植后股骨頭壞死病人移植的骨髓基質干細胞數較鐮狀細胞病病人少。2008年Asada等進行了注射骨髓干細胞預防激素性股骨頭壞死的動物(兔)實驗。實驗組為去甲氫化可的松+自體BMC(G1期);對照組為氫化可的松(20mg/kg)，氫化可的松(20mg/kg)+鉆孔，氫化可的松(20mg/kg)+生理鹽水。實驗結果顯示自體BMC注射組無股骨頭壞死發生，而對照組股骨頭壞死發生率為70%。所以自體BMC注射能夠預防短期大劑量使用激素發生股骨頭壞死。Wang和Li等通過自體骨髓移植治療ARCOⅠ～ⅢA期股骨頭壞死45例(59髖)，取自體髂骨骨髓100～180m l，離心后濃縮骨髓為30～50ml，骨髓細胞濃度由離心前(12.2±3.2)×106/ml增加到(35.2±12.0)× 106/ml。壞死股骨頭CD后經通道注入自體濃縮骨髓30～50ml。隨訪 12～40個月，臨床總有效率79.7%，Harris評分由術前71分增加到術后83分，14髖股骨頭塌陷或關節間隙變窄，其中7例行關節置換術。雖然眾多學者進行了骨髓移植治療早期股骨頭缺血性壞死的研究并取得一定效果，但仍有許多問題仍未能明了。如注射的骨髓究竟含多少單核細胞成骨最好?如何保證注射后的數十毫升骨髓保留在股骨頭內?骨髓單核細胞和成骨前體細胞哪種細胞更有效?外源性的細胞因子有無促進壞死股骨頭的修復作用?血管內皮系細胞有無促進成骨系細胞的作用及其效應如何等均值得進一步探討。

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