激素性股骨頭壞死相關因子的研究進展

張啟棟，岳聚安

（中日友好醫院 骨關節外科，北京 100029）

激素性股骨頭壞死相關因子的研究進展

張啟棟，岳聚安

（中日友好醫院 骨關節外科，北京 100029）

股骨頭壞死（osteonecrosis of femoral head，ONFH），又稱股骨頭缺血性壞死。臨床將ONFH分為創傷性和非創傷性，我國非創傷性ONFH患者有800多萬，大劑量糖皮質激素的應用是非創傷性ONFH的主要原因[1]。近年來，ONFH領域研究較多的細胞因子主要有以下幾種：轉化生長因子（transforming growth factor-β，TGF-β）、骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、低氧誘導因子 1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）、11β-羥基類固 醇 脫 氫 酶 （11β-hydroxy steroid dehydrogenase，11β-HSD）、 肝細胞色素 P450酶 3A （hepatic cytochrome P4503A，CYP3A）等。本文旨在對上述相關因子做一綜述。

1 TGF-β

臨床上收集激素性ONFH標本，采用免疫組織化學檢測股骨頭標本骨組織中TGF-β1，發現激素性ONFH骨組織中TGF-β1表達水平過低，ONFH程度越重，TGF-β1的表達量越少。Zhu等[2]研究表明，TGF-β通路同時是ONFH成纖維細胞活化的靶標。趙丁巖等[3]研究發現，在股骨頭微血管內皮細胞Smad3及其活性形式Smad3二聚體的表達水平隨著糖皮質激素劑量的升高而下降，抑制性型蛋白Smad7則陽性表達。Samd2/3信號可通過上調血管內皮細胞成熟相關基因的表達，抑制細胞的增殖和遷移，促進細胞外基質沉積，基膜形成，誘導新生血管的形成。

適度增加血液中患者病變局部TGF-β的濃度及數量可以促進壞死股骨頭的修復。藍天等[4]取正常大白兔股骨骨髓進行骨髓間充質干細胞 （marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的原代及傳代培養，用 rLV-ZsGreen熒光慢病毒轉染標記培養好的細胞，BMSCs復合 TGF-β2及geneX支架經髓芯減壓移植治療激素性ONFH，結果顯示實驗組BMP2細胞陽性表達量及BMP2基因表達量均上調，BMP2蛋白表達量上升，促進股骨頭修復。對中藥活骨一號作用機制的基礎研究表明，中藥活骨一號可以調控TGF-β及Smad因子表達而治療ONFH[5]。

2 BMP

BMP存在于骨基質中，并有成骨誘導作用。BMP家族成員近50種，其中以BMP2成骨活性最強。BMP2可以誘導間充質細胞分化為軟骨細胞和骨細胞，并使其表達VEGF，在骨組織中創造一個有利于血管化的環境。BMP2并不直接作用于靶基因，而是通過BMP2受體、信號途徑和靶基因組成的一個較完整的信號系統發揮骨誘導作用，BMP2處于系統的核心和啟位點，缺乏BMP2表達的小鼠體內的骨祖細胞大部分失去了增殖和分化成成骨細胞的能力。激素誘導的ONFH病例中BMP2表達受抑制，且抑制的程度與用藥成正比。周勇等[6]發現BMP2在壞死交界區表達強度高于壞死區和正常區。

BMP2是最主要的調節骨形成的信號蛋白，無論是動物模型研究還是臨床實踐，均證明應用BMP2具有強大的成骨作用，可以治療ONFH。Katiella等[7]應用BMP2轉染BMSCs復合鎂合金棒修復兔ONFH，結果術后12周HE染色顯示BMP2基因復合BMSCs有延緩和修復股骨頭缺血性壞死的作用。張波等[8]通過富血小板血漿聯合骨髓間充質干細胞提高股骨頭中BMP2蛋白水平，可促進股骨頭骨細胞增殖，減少骨陷窩空缺率。在臨床治療中，Sun等[9]通過臨床對照研究，在開窗植骨的ONFH患者植入BMP獲得優良效果，推薦手術時加入rhBMP2，以提高手術療效和骨修復質量。

3 VEGF

VEGF是由血小板、巨核細胞、內皮細胞和成骨細胞等分泌的一種糖蛋白，它在體內外均可特異性地促進血管內皮細胞的生長并誘導血管生成，具有強大的促內皮細胞增殖、促血管生成作用，對軟骨內成骨及骨修復過程中的血管入侵有重要作用。VEGF的激酶結構域受體（kinase domain receptor，KDR）只結合VEGF，不結合其他內皮生長因子，因而VEGF可特異作用于內皮細胞，發揮其增殖和生成血管的作用。與KDR受體結合后則可以增加毛細血管后靜脈和小靜脈的通透性，促進營養物質和炎性物質的滲出。由于VEGF與受體結合后能促進微血管周圍內皮細胞的增殖、遷移并改變其基因表達，促進新生血管形成；又因它具有導致血管通透的能力，促使血漿蛋白的滲出，形成富含纖維素并有利于新血管形成的細胞外基質，所以VEGF被認為是最有力的血管生成因子。Hong等[10]對3篇文獻進行系統評價發現，VEGF基因-634G/C多態性與ONFH發生相關，尤其是在男性組更為明顯。

Zhu等[11]發現激素型ONFH的VEGF與BMP2表達均受到明顯抑制。大劑量應用糖皮質激素可導致細胞內環氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）以及后續的前列環素E2（prostacyclin E2，PGE2）表達減少，PGE2 的減少導致促血管生成物質VEGF合成不足。在ONFH早期修復的過程中，新生骨的形成、與之偶聯的成血管過程均可見VEGF大量表達，隨著病程進展，VEGF表達迅速下降。隨著糖皮質激素抑制VEGF的合成，阻礙股骨頭內毛細血管生長和再生，減少毛細血管床面積，當缺血缺氧發展到一定程度時，各種組織和細胞得不到充分的血供和營養，股骨頭內的細胞及組織即發生壞死性改變。臨床觀察VEGF和BMP2在非創傷性ONFH不同區域的表達情況，發現VEGF和BMP2在非創傷性ONFH交界區表達強度高于壞死區和正常區。

與激素抑制VEGF表達相對應，大多數骨誘導因子促進骨修復是通過刺激VEGF產生來實現的，利用藥物促進股骨頭內源性VEGF的表達，進而促進壞死區域血管再生及新骨形成是治療股骨頭缺血壞死的可行途徑。通過基因轉染等方法促進激素影響的股骨頭局部VEGF及其相關細胞因子含量，從而增強股骨頭血供，提高骨組織修復能力。迮仁浩等[12]應用pcDNA3.1-VEGF165重組質粒轉染兔BMSCs，復合聚乳酸/羥基磷灰石 （PLA/HA）支架植入ONFH兔體內，采用逆轉錄-聚合酶鏈反應（RT-PCR）檢測pcDNA3.1-VEGF165重組質粒轉染兔BMSCs后VEGF表達，結果發現pcDNA3.1-VEGF165重組質粒轉染兔BMSCs后VEGF表達水平明顯升高，X線及micro-CT可見壞死骨小梁周圍部分新骨及小血管形成。

4 HIF-1α

HIF-1α是在細胞核內廣泛表達的調節缺血/缺氧適應性的關鍵轉錄因子。低氧時HIF-1α蛋白保持穩定促進血管生成以及VEGF的表達。

低氧是ONFH的病因基礎，缺血壞死的股骨頭組織內存在HIF-1α的表達明顯升高。趙振群等[13]應用激素聯合內毒素制備的激素性股骨頭缺血壞死模型，發現在激素性股骨頭缺血壞死早期，HIF-1α的低表達與骨細胞凋亡存在相關性，二者參與了激素性股骨頭缺血壞死的病理變化過程。Li等人[14]利用兔ONFH模型研究證實在低氧條件下HIF-1α和VEGF均低表達，并且HIF-1α介導VEGF影響血管生成，導致缺血壞死。Yamaguchi等[15]利用動物模型研究發現在HIF-1α還可以激活軟骨細胞IL-6表達，進而導致滑膜炎癥反應。

以HIF-1α為靶點為骨壞死治療提供了新思路。Ding等[16]利用HIF-1a轉染骨髓間充質干細胞，發現HIF-1α轉染能夠誘導BMCs表達成骨相關基因和VEGF，且成骨分化能力明顯加強，這表明HIF-1α轉染的BMCs能加強其在體外成骨和成血管的能力。此外，他們將HIF-1α轉染的細胞移植到兔ONFH區域，發現新生血管、骨形成均明顯增加。這表明HIF-1α轉染的細胞對激素誘導ONFH的修復效果理想。Zhu等[17]研究發現抑制劑Dimethyloxaloylglycine可以通過增強HIF-1α表達而增強激素誘導干細胞修復能力而治療ONFH。

5 糖皮質激素的代謝酶

11β-羥基類固醇脫氫酶（11β-HSD）是糖皮質激素的關鍵代謝酶，可以催化糖皮質激素C11位的酮基與羥基之間的氧化還原反應，使有生物活性的皮質醇與無活性11β-HSD的相互轉化，所以被譽為是糖皮質激素在組織水平上的前受體調節劑。Wang等[18]發現激素性股骨頭缺血性壞死的新西蘭大白兔的11β-HSD1表達明顯升高，而11β-HSD2表達水平下降。11β-HSD1將無活性的皮質醇轉化成活性狀態，11β-HSD2的功能則正好相反。糖皮質激素對于血管的調節主要是通過作用于內皮細胞和血管平滑肌細胞而實現的，在這2種細胞中，均已發現這2種亞型，故認為糖皮質激素誘導ONFH的病理過程可能和HSD的異常存在有一定關系。Chapman等[19]揭示11β-HSD擴大了內源性糖皮質激素抑制血管形成的功能，他發現11β-HSD表達增加，骨組織局部糖皮質激素半衰期延長，骨組織血管新生能力下降。吳國瓊等[20]發現11β-HSD1抑制劑BVT2733可改善高脂血癥大鼠的血脂及脂蛋白水平紊亂，降低肝臟脂肪含量并穩定骨骼肌脂代謝基因表達，抑制11β-HSD1活性對高脂血癥相關的脂肪組織和骨骼肌異常脂質代謝有一定改善作用。因此，積極調控11β-HSD的表達，是ONFH研究的一個方向。

CYP3A是另一個糖皮質激素的關鍵代謝酶，屬于重要的CYP450酶系，它在肝臟和腸道中含量最豐富。CYP3A基因家族中的CYP450酶約占成年人肝臟CYP450酶總量的25%，臨床中約有60%的藥物經CYP3A催化代謝。Tokuhara等[21]研究表明，ONFH的CYP3A低活性導致糖皮質激素代謝減緩，是ONFH的主要原因。然而，CYP3A存在明顯多態性及個體差異[22]。考慮到個體對激素敏感性的不同，Ikemura等[23]研究發現，個體CYP3A酶活性在激素誘導兔ONFH的明顯降低是導致ONFH的重要因素，并且存在性別差異。Kubo等[24]研究認為CYP3A是激素性ONFH的重要影響因子。由于肝臟CYP3A活性低，導致糖皮質激素代謝時間延長，毒素效應如氧化應激增加，因此即使低劑量的糖皮質激素，也可以誘發股骨頭缺血壞死。通過誘導調節CYP3A靶向活性，可以對激素性ONFH起到治療作用。段瑞奇等[25]探討中藥骨康通過對CYP3A活性調控預防ONFH的作用，發現給藥后CYP3A活性顯著升高，ONFH發生率明顯低于對照組，CYP3A活性與兔ONFH發生率及空骨陷凹率均呈負相關，中藥骨康能顯著誘導CYP3A高表達，對激素性ONFH有預防作用。

綜上所述， TGF-β、BMP、VEGF、HIF-1α 是激素 性ONFH發生過程中與血管內皮細胞功能密切相關的因子，通過調控可以在骨組織修復過程中起關鍵作用。但是11β-HSD、CYP3A等糖皮質激素的代謝酶在激素性ONFH發生中的作用也是值得關注的另一方向。

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R681

A

1001-0025（2017）04-0242-03

10.3969/j.issn.1001-0025.2017.04.013

張啟棟（1982-），男，主治醫師，醫學博士。

2017-03-13

2017-04-30