激素性股骨頭壞死中骨代謝改變的研究進展

徐海濤(綜述)，盛加根(審校)

(上海交通大學附屬第六人民醫院骨科，上海 200233)

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激素性股骨頭壞死中骨代謝改變的研究進展

徐海濤△(綜述)，盛加根※(審校)

(上海交通大學附屬第六人民醫院骨科，上海 200233)

摘要：臨床上激素的應用是引起非創傷性股骨頭壞死(ONFH)的重要高危因素。長期外源性激素的使用干擾了骨髓基質細胞的增殖與分化以及成骨與破骨的平衡，從而影響正常的骨代謝，引起ONFH。激素抑制了骨重塑導致骨質疏松并增加股骨頭塌陷的風險。臨床上應用激素治療時應注意預防激素性ONFH，恰當的藥物治療能起到預防ONFH發生的作用。對激素性ONFH中骨代謝改變的研究可為臨床治療提供依據。

關鍵詞：股骨頭壞死；糖皮質激素；代謝；骨質疏松

股骨頭壞死(osteonecrosis of femoral head，ONFH)是一種因各種因素破壞股骨頭的血供，致使局部骨細胞變性、壞死，最終導致股骨頭微骨折及關節軟骨塌陷的病理過程[1]。維持性大劑量糖皮質激素(glucocorticoid，GC)應用的患者會出現ONFH的相關癥狀[2]。骨代謝是一系列與骨基質合成與吸收有關的復雜生物學過程，骨代謝異常可導致骨量減少及骨小梁塌陷，最終導致骨壞死。Cushing[3]在1932年首次提出GC會干擾正常骨代謝過程的觀點。研究表明，長期應用激素可導致成骨細胞與骨細胞的凋亡，GC影響了正常的骨代謝是激素性ONFH的重要發病機制之一[4-5]?，F就激素在ONFH發生中對正常骨代謝的影響作一綜述。

1GC影響骨髓基質細胞的增殖與分化

1.1GC抑制骨髓基質細胞(bone marrow stromal cell，BMSC)的增殖BMSC存在于成人骨髓內。Matsumoto等[6]成功分離并提取了BMSC，確認其為多能干細胞。GC受體(glucocorticoid receptors，GR)是GC轉導信號的重要媒介。GR廣泛存在于BMSC、成骨細胞、骨細胞及破骨細胞中，通過與GC結合造成細胞內構象改變，引起核移位與轉錄因子的抑制[7]。GC通過GR介導作用于BMSC，抑制了BMSC的增殖過程。Carcamo-Orive等[8]在成人BMSC中加入地塞米松，培養10 d后BMSC的細胞增殖活動明顯受到抑制，且受抑制程度與激素的使用劑量呈正相關。BMSC能夠增殖并分化為骨生成細胞系，在骨的合成與代謝中起非常重要的作用。GC對BMSC增殖的抑制將使其分化的成骨細胞系細胞下降，減少骨生成。這個過程是可逆的，當GR的活性受到抑制時，BMSC的增殖活動可恢復至原先的水平。

1.2GC干擾BMSC的分化平衡BMSC能分化成多種中胚層細胞系，如成骨細胞、心肌細胞、神經細胞、肌細胞、軟骨細胞及脂肪細胞。BMSC廣泛分布于人體松質骨中。正常的骨代謝條件下，BMSC向成骨細胞與脂肪細胞的分化是受精確調控的，而外源性GC的應用打破了這個平衡，引起脂肪生成基因(主要是過氧化物酶體增殖劑激活受體γ)表達的上調及骨生成基因(主要是Runx2/Cbfa1)表達的下調。Liu等[9]發現，向BMSC中加入10-7mol/L地塞米松，BMSCs中與脂肪生成相關的AP2基因的信使RNA表達增加，骨生成基因Ⅰ型膠原的信使RNA表達下降。Wei等[10]通過切除卵巢制作血漿內激素含量上升的去卵巢大鼠模型，在成骨培養基中，去卵巢大鼠BMSC的成骨標志物(包括堿性磷酸酶、骨鈣素)含量與對照組相比明顯降低，Cbfa-1的信使RNA表達下降；向其中加入GR拮抗劑RU486可維持成骨標志物的正常含量。在成脂分化誘導培養基中，去卵巢大鼠BMSC中的脂肪細胞數量以及成脂標志物(包括脂蛋白脂酶、過氧化物酶體增殖劑激活受體)的信使RNA表達增加，在其中加入RU486可使成脂標志物含量下降到正常水平。從中可以看出，GC能通過誘導BMSC分化為脂肪細胞，并抑制其向骨生成細胞系轉化，引起骨代謝的紊亂，使ONFH發生的概率大大增加。

1.3骨髓內脂肪細胞的增多與骨壞死激素治療可引起骨髓內脂肪細胞增多、脂肪變性與壞死，這都是骨壞死的早期征象[11]。在Celebi等[12]研究的體內實驗中，實驗組取31只大鼠一次性注射20 mg/kg的甲潑尼龍，對照組取25只大鼠注射0.9%氯化鈉注射液。通過測量注射前及注射2周后近端股骨的骨內壓及血流量，發現骨壞死的動物存在更多增大的骨髓脂肪細胞，其骨髓造血細胞數量減少，且被增大的骨髓脂肪細胞代替。研究者推測骨髓脂肪細胞的增大以及骨內壓的升高是激素性ONFH的重要病理生理學特征。Lin等[13]也報道，在激素作用下骨髓脂肪細胞的平均直徑增加>10 mm，且在大鼠股骨及肱骨區血管內可見大量脂肪栓子。其他學者[14-15]也發現，GC可使骨髓內生成的脂肪細胞增大、增多。Naves等[16]的體外實驗報道，在BALB/c小鼠(一種近交系小鼠，存在免疫缺陷)克隆的多能骨髓細胞株(D1)中，地塞米松誘導的脂肪生成伴隨著細胞中脂質囊泡的聚集，同時伴有脂肪生成基因(AP2與過氧化物酶體增殖劑激活受體γ)表達的上調，以及Ⅰ型膠原、骨鈣素、Runx2/Cbfa1和其他骨生成基因表達的下調。脂肪細胞體積的增長有很重要的意義，因為在股骨頭的閉合空間內，這會增加組織壓，減少血流灌注。另外Wang等[17]發現，激素可誘導骨髓內脂肪細胞分泌硬脂酸和棕櫚酸，這兩種具有脂毒性作用的飽和脂肪酸能促進成骨細胞內活性氧的聚集，減弱其成骨能力。

2GC影響骨細胞的代謝與凋亡

2.1對成骨細胞的影響成骨細胞通過分化為骨細胞促進骨生長。另外，成骨細胞還有維持成骨與溶骨平衡的功能。成骨細胞能夠分泌核因子κB受體活化因子(receptor activator for nuclear factor-κB，RANK)配體激活破骨細胞，同時還可以通過分泌骨保護素抑制RANK配體的活性。GC對成骨細胞的影響體現在抑制其向骨細胞的分化，以及降低細胞的合成代謝引起細胞凋亡，進而減少新骨的生成。受GC的影響，成骨細胞分泌的腫瘤壞死因子α、RANK配體與骨保護素增多[18]，胰島素樣生長因子的分泌量減少，使骨的合成代謝及增殖活動減弱[19]。體外研究表明，GC可通過激活胱天蛋白酶3促進成骨細胞與骨細胞的凋亡[20]。Plotkin等[21]將潑尼松龍用于5個月大的小鼠，27 d后檢測發現小鼠的骨密度及血鈣下降，松質骨區域及骨小梁狹窄，同時還伴有成骨細胞和骨細胞生成的減少。另外，因GC誘導的成骨細胞凋亡導致的骨質疏松也是引起股骨頭骨折塌陷的原因之一。

成骨細胞內的Wnt信號通路是介導骨生成過程的重要調節因子，體內實驗中移除大鼠的Dickkopf-1(DKK-1，Wnt信號的拮抗劑)等位基因可使其骨量增加。GC能夠增加DKK-1的表達，同時促進卷曲相關蛋白1的分泌，兩者共同作用并抑制人成骨細胞內的Wnt/β聯蛋白信號，引起軟骨細胞凋亡以及骨密度的降低[22]。這提示激素性ONFH可能與GC干擾了成骨細胞內Wnt/β聯蛋白信號有關。其具體機制有待于進一步的研究。

2.2對破骨細胞的影響破骨細胞是巨噬細胞家族的重要成員，并最終分化為多核巨細胞。破骨細胞可以黏附于骨表面，通過制造一個酸性的環境來融解骨基質，造成骨質吸收與缺失。破骨細胞的存活、分化受基質細胞和成骨細胞分泌的因子調控。通常情況下，破骨細胞與成骨細胞共存并共同維持骨代謝的穩態。研究指出，GC可直接作用于破骨細胞，引起破骨細胞生命周期的延長[23]。GC還可增加破骨細胞激動劑DKK-1的表達，提高破骨細胞的活躍度。

RANK配體屬于腫瘤壞死因子家族，RANK配體與巨噬細胞集落刺激因子在缺少BMSC時對破骨細胞的分化起非常重要的作用。同時，RANK配體也延長了分化的破骨細胞的存活時間。RANK受體激活劑是其重要的調控因子。在激素誘導下，成骨細胞分泌的RANK配體增多，同時也繼發RANK受體的激活[24]。Soe和Delaisse[25]發現，在GC的影響下，破骨細胞對骨內礦物質的作用模式從間斷性吸收轉變為連續性吸收，這加快了骨質缺失的速度。據此推測這可能是接受GC治療的患者早期出現骨質脆弱的主要原因。

3激素性骨質疏松促進ONFH的發展

骨質疏松是激素治療的常見并發癥[26]。Goldstein等[27]報道，對哮喘患者使用激素治療，高劑量組中80%的患者出現骨密度下降，而低劑量組只有33%的患者出現骨密度下降，其主要原因在于GC促進了骨細胞的凋亡，并最終降低了骨細胞的生長率。該研究還指出，吸入激素治療相對于口服激素治療，激素性骨質疏松的發生率更低。Weinstein[28]認為GC誘導的骨細胞凋亡干擾了骨細胞網絡結構的功能，由于骨細胞網絡結構控制著骨內的修復過程，故將不可避免地導致骨質疏松的發生。同時，過多骨細胞的凋亡最終將導致骨壞死的發生，而股骨頭軟骨下區是GC引起的骨壞死最常見的部位。

對于接受長期激素治療的患者，一旦發生激素性骨質疏松，則其發生ONFH的風險也將隨之增加[29]。激素破壞了骨小梁結構并抑制骨重塑，從而降低骨量，導致激素性骨質疏松，并進展為ONFH[30]。對已發生ONFH的患者，激素性骨質疏松會引起股骨頭微骨折及關節軟骨的塌陷，使ONFH進一步發展。

4激素性ONFH骨代謝紊亂的相關治療

對于長期接受GC治療的患者，恰當的治療方式有利于預防或減少骨缺失與ONFH的發生。二磷酸鹽類藥已被證明能有效增加骨密度并降低骨質疏松性骨折的風險[31-32]。Chen等[31]在隨機對照研究中，將ONFH患者(SteinbergⅡ期或Ⅲ期，且X線片顯示股骨頭至少有30%的壞死區)分成兩組，接受阿侖膦酸鈉治療24個月后，試驗組29例壞死的股骨頭只有2例發生塌陷，而對照組25例壞死的股骨頭有19例發生塌陷。另外，在接受阿侖膦酸鈉治療幾個月后，患者的髖部疼痛得到明顯緩解。Agarwala等[32]對Ficat分期Ⅰ期和Ⅱ期的ONFH患者使用阿侖膦酸鈉治療并做長達10年的隨訪，研究發現接受阿侖膦酸鈉治療的患者對鎮痛藥的依賴減少，髖關節功能和行走能力明顯增加，且治療后能有效推遲ONFH患者行全髖關節置換術的時間。

特立帕肽是一種重組的人甲狀旁腺激素，能促進前成骨細胞向成骨細胞轉化，進而刺激新骨生成，增加骨量[33]。另外，特立帕肽還有減少成骨細胞凋亡的作用。臨床常用的其他藥物還有鈣劑、維生素D、降鈣素和激素替代物等。研究表明，患者在服用阿侖膦酸鈉治療前和治療中同時服用鈣劑和維生素D，可有效降低ONFH發生的可能性[34]。降鈣素在治療激素性骨缺失中也有不錯的效果。

5結語

ONFH的病因是多因素的，GC是導致非創傷性ONFH最常見的原因，具體的發病機制仍不清楚。考慮到個體對激素敏感程度的差異以及未知的其他機制，很難預測維持一定激素治療量的患者是否會發展為ONFH，故早期的診斷和治療顯得尤為重要。預防ONFH進展的一個方案是減少其潛在的危險因素，如盡量避免長期接受激素治療，或在激素治療過程中予以間斷給藥。GC對骨代謝影響的理論是激素性ONFH機制研究的重要方面，對其機制的深入研究可以指導臨床上激素性ONFH的藥物治療。有實驗表明，在ONFH的動物模型中應用降脂藥可見一定的效果[35]。在臨床上聯合應用降脂藥與抗凋亡藥物也對ONFH患者的治療有不錯的療效。GC影響骨代謝過程的作用通路仍在繼續探索中，對GC的新作用通路的深入研究有助于未來ONFH的藥物及外科治療的進一步發展。

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Progress in Alteration of Bone Metabolism in Corticosteroid-Induced Osteonecrosis of Femoral HeadXUHai-tao,SHENGJia-gen.(DepartmentofOrthopedics,ShanghaiJiaotongUniversityAffiliatedSixthPeople′sHospital,Shanghai200233,China)

Abstract：The clinical treatment of glucocorticoid is a significant risk factor of non-trauma osteonecrosis of femoral head(ONFH).Long-term exogenous glucocorticoids(GC) exposure can affect the proliferation and differentiation of bone marrow stromal cells and the balance between osteoblasts and osteoclasts,which impacts the bone metabolisms and leads to ONFH.GC can inhibit the remodeling of bone and cause osteoporosis,which increases the risk of collapse of femoral head.It is important to prevent ONFH when treating patients with GC. ONFH may be prevented by appropriate drug therapy. The study of the alteration of bone metabolism in GC-induced ONFH may provide reference for the clinical treatment.

Key words：Osteonecrosis of femoral head; Glucocorticoid; Metabolism; Osteoporosis

收稿日期：2014-02-28修回日期：2014-07-06編輯：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.02.014

中圖分類號：R681.8

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)02-0230-03