HIF-1α在激素性股骨頭壞死修復(fù)中作用的研究進(jìn)展

莫愁，吳程，羅嘉熠，范建楠

1 貴州醫(yī)科大學(xué)，貴陽(yáng)550004；2 貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院

股骨頭壞死是骨科領(lǐng)域常見(jiàn)的難治性疾病之一，多發(fā)生于20～50歲的中青年，并且其發(fā)病日趨年輕化[1]。股骨頭壞死的病因尚未完全闡明。目前認(rèn)為，大劑量使用糖皮質(zhì)激素是引起股骨頭壞死的主要原因[2]。股骨頭壞死早期如未得到有效治療，隨著病情進(jìn)展勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致股骨頭塌陷，治療效果較差。在現(xiàn)有的治療方案中，髖關(guān)節(jié)成形術(shù)雖然能夠促進(jìn)髖關(guān)節(jié)功能恢復(fù)，降低患者疼痛程度，但大量臨床研究發(fā)現(xiàn)其遠(yuǎn)期效果并不十分理想[3]。對(duì)于激素性股骨頭壞死來(lái)說(shuō)，促進(jìn)死骨吸收、新骨形成以及重建股骨頭周?chē)┲陵P(guān)重要。研究表明，在低氧或缺氧環(huán)境下，缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)信號(hào)通路被激活，活化的HIF-1α轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，通過(guò)自身結(jié)構(gòu)中的PAS結(jié)構(gòu)域和螺旋—環(huán)—螺旋(bHLH)區(qū)與芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ARNT)結(jié)合發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性，并通過(guò)直接或間接途徑參與調(diào)節(jié)血管生成、骨細(xì)胞增殖、能量代謝等過(guò)程，從而促進(jìn)死骨吸收、新骨形成和新生血管形成等[4]。因此，HIF-1α有可能成為激素性股骨頭壞死的潛在治療靶點(diǎn)。本文結(jié)合文獻(xiàn)就HIF-1α在激素性股骨頭壞死修復(fù)中作用的研究進(jìn)展作一綜述。

1 激素性股骨頭壞死概述

激素性股骨頭壞死是由于長(zhǎng)期或大劑量使用激素而導(dǎo)致的股骨頭缺血壞死。當(dāng)前，激素濫用或不規(guī)律使用導(dǎo)致激素性股骨頭壞死病例越來(lái)越多，已成為非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的主要原因[5]。激素性股骨頭壞死在各年齡階段均可發(fā)生，但好發(fā)于50歲以下人群，其病情嚴(yán)重，致殘風(fēng)險(xiǎn)較高，因而引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6]。長(zhǎng)期或大劑量使用激素患者逐漸出現(xiàn)股骨頭缺血、缺氧、骨細(xì)胞有效成分丟失，最終造成股骨頭變形和塌陷[7]。既往研究發(fā)現(xiàn)，激素性股骨頭壞死患者骨組織中存在許多壞死骨細(xì)胞，骨小梁中廣泛存在缺乏細(xì)胞核的凹空骨細(xì)胞或核固縮骨細(xì)胞，同時(shí)出現(xiàn)周?chē)撬鑹乃溃业蛲龅墓羌?xì)胞和成骨細(xì)胞數(shù)量明顯增加[4]。激素性股骨頭壞死早期髖關(guān)節(jié)平片和磁共振圖像可出現(xiàn)股骨頭局部壞死缺損區(qū)域低密度或低信號(hào)，股骨頭外形完整；中晚期由于股骨頭局部壞死區(qū)域大量骨細(xì)胞和骨髓成分丟失，壞死面積逐漸增加，可出現(xiàn)股骨頭塌陷變形，嚴(yán)重者合并繼發(fā)性髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，最終多數(shù)患者發(fā)生難以忍受的疼痛和髖關(guān)節(jié)強(qiáng)直性改變等，嚴(yán)重影響患者髖關(guān)節(jié)功能和生活質(zhì)量。

2 HIF-1α結(jié)構(gòu)和功能

2.1 HIF-1α結(jié)構(gòu) 缺氧誘導(dǎo)因子(HIFs)是調(diào)節(jié)人和其他哺乳動(dòng)物體內(nèi)應(yīng)對(duì)缺氧的關(guān)鍵調(diào)控因子。缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)屬于HIFs家族成員，是由對(duì)氧濃度敏感的α亞基和組成型表達(dá)的β亞基組成的異源二聚體[8]。其中，HIF α亞基包括3個(gè)亞型：HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α。HIF-1α是HIFs家族中的主要氧調(diào)控因子，由氨基末端的PAS結(jié)構(gòu)域(一種蛋白結(jié)構(gòu)域，由節(jié)律調(diào)節(jié)蛋白、核轉(zhuǎn)位蛋白和專(zhuān)一蛋白組成)、bHLH區(qū)、羧基末端的激活區(qū)以及氧依賴(lài)性降解區(qū)Pro402、Pro564等結(jié)構(gòu)域組成[9]。在低氧或缺氧條件下，HIF-1α各構(gòu)成元件結(jié)構(gòu)或功能發(fā)生變化，從而直接或間接使機(jī)體產(chǎn)生防御性、適應(yīng)性反應(yīng)，繼而增強(qiáng)機(jī)體抵抗疾病的能力。

2.2 HIF-1α功能 HIF-1α對(duì)氧濃度極其敏感。在低氧條件下，HIF-1α能夠在維持穩(wěn)定的同時(shí)增強(qiáng)其自身活性；而在常氧環(huán)境中，HIF-1α氧依賴(lài)性降解區(qū)Pro402、Pro564的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生羥基化，從而快速降解，使其活性降低[10]。

2.2.1 氧相關(guān)HIF-1α調(diào)控 在常氧環(huán)境中，由輔酶抗壞血酸鹽、Fe2+和底物O2、α-酮戊二酸構(gòu)成的脯氨酸羥化酶(PHD)被活化，使得HIF-1α中氧依賴(lài)性降解區(qū)特異的脯氨酸殘基羥基化，如Pro402、Pro564，能夠促進(jìn)HIF-1α直接與腫瘤抑制蛋白VHL(pVHL)結(jié)合而被識(shí)別，并由pVHL和延伸蛋白ElonginB、ElonginC等組成的E3泛素連接酶復(fù)合物催化，再通過(guò)26S蛋白酶體將其降解[11]。在上述過(guò)程中，哺乳動(dòng)物體內(nèi)HIF-1α的降解主要受PHD2調(diào)節(jié)[12]。在低氧環(huán)境下，羥化酶本身缺氧以及細(xì)胞內(nèi)呼吸鏈中多種化學(xué)物質(zhì)堆積均可抑制PHD的羥化活性，阻斷其降解過(guò)程，使HIF-1α得以穩(wěn)定[13]。同時(shí)，低氧環(huán)境下HIF-1α在其氨基端或羧基端入核信號(hào)的介導(dǎo)下從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)入細(xì)胞核中，并通過(guò)PAS結(jié)構(gòu)域、bHLH與ARNT結(jié)合而發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄活性，從而參與調(diào)控其下游基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。研究表明，HIF-1α能夠參與調(diào)節(jié)血管生成、骨細(xì)胞增殖、能量代謝等過(guò)程，以此完成血管生成、成骨和造血等，使機(jī)體進(jìn)一步適應(yīng)缺氧狀態(tài)[9]。

2.2.2 非氧相關(guān)HIF-1α調(diào)控 HIF-1α還受非氧依賴(lài)的調(diào)控。一些非氧依賴(lài)機(jī)制可使HIF-1α降解，如在伴侶蛋白介導(dǎo)的自噬過(guò)程中，相關(guān)伴侶復(fù)合體可與HIF-1α上特異五肽序列結(jié)合，并在伴侶蛋白受體—溶酶體相關(guān)膜蛋白2A處識(shí)別HIF-1α，隨后將其轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體內(nèi)，最終在溶酶體腔酸性蛋白酶的作用下降解HIF-1α；活化的蛋白激酶C1受體RACK1、鈣調(diào)磷酸酶、精脒/精胺N1-乙酰基轉(zhuǎn)移酶1等亦可以非氧依賴(lài)的方式調(diào)節(jié)HIF-1α的蛋白酶體降解[14]。還有一些非氧依賴(lài)機(jī)制被證實(shí)可上調(diào)或穩(wěn)定HIF-1α水平。既往研究顯示，對(duì)機(jī)體施加一定機(jī)械牽拉可在一定程度上誘導(dǎo)HIF-1α產(chǎn)生。有學(xué)者在乳腺癌MCF-7細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種E3泛素連接酶Siah1/2，這種酶可通過(guò)下調(diào)自身的穩(wěn)定性而維持HIF-1α在一定水平，進(jìn)而在某種程度上促進(jìn)MCF-7細(xì)胞向周?chē)?rùn)和遷移[15]。

3 HIF-1α在激素性股骨頭壞死修復(fù)中的作用

目前，糖皮質(zhì)激素濫用是導(dǎo)致非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的主要原因。但激素原因?qū)е鹿晒穷^壞死的發(fā)病機(jī)制尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，多數(shù)學(xué)者較為贊同的機(jī)制主要包括血管壁損傷、血管栓塞、血管內(nèi)凝血、骨內(nèi)高壓形成等。這些致病機(jī)制的共同結(jié)局是導(dǎo)致股骨頭缺血、缺氧，隨后發(fā)生骨細(xì)胞和骨髓壞死[4]。既往一項(xiàng)關(guān)于45例股骨頭壞死患者的研究發(fā)現(xiàn)，在缺血壞死的股骨頭內(nèi)檢測(cè)到HIF-1α高表達(dá)[16]。ZHANG等[17]建立了幼豬股骨頭缺血壞死模型，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在缺血缺氧條件下HIF-1α大量增加，并可通過(guò)激活Sox9表達(dá)來(lái)調(diào)控幼豬壞死側(cè)股骨頭的軟骨代謝。這表明HIF-1α在軟骨細(xì)胞正常生長(zhǎng)過(guò)程中至關(guān)重要，究其原因可能是HIF-1α的相關(guān)靶基因被活化，使軟骨細(xì)胞代謝方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖醮x，以此應(yīng)對(duì)缺氧環(huán)境。這些結(jié)果證實(shí)，HIF-1α信號(hào)通路與激素性股骨頭壞死密切相關(guān)。HIF-1α可能通過(guò)直接或間接途徑參與骨重建，從而促進(jìn)激素性股骨頭壞死修復(fù)與重建。

3.1 HIF-1α在骨形成和骨吸收中的作用

3.1.1 HIF-1α在骨形成中的作用 激素性股骨頭壞死的病理表現(xiàn)主要是激素通過(guò)負(fù)性調(diào)節(jié)血管數(shù)量并引起血管閉塞、阻斷等，使骨組織周?chē)┟黠@下降甚至缺失，從而破壞骨組織，被破壞的骨細(xì)胞壞死、固縮，在原骨細(xì)胞區(qū)域出現(xiàn)凹空骨陷窩，與此同時(shí)機(jī)體通過(guò)自身修復(fù)機(jī)制包繞骨壞死區(qū)域。在激素性股骨頭壞死早期即可出現(xiàn)股骨頭的自身修復(fù)反應(yīng)，其修復(fù)反應(yīng)的機(jī)制尚未完全闡明，主要包括骨吸收和骨形成過(guò)程。既往研究表明，HIF-1α在修復(fù)細(xì)胞內(nèi)氧環(huán)境中具有核心地位，具有促進(jìn)干細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)血管生成等作用。在骨骼生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，骨生成和血管生成是兩個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，而HIF-1α是參與和調(diào)節(jié)這兩個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵因子。WEINSTEIN等[18]對(duì)C57BL/6雄性小鼠予以強(qiáng)的松龍治療14、28、42 d后測(cè)量股骨頭分子、生物力學(xué)、細(xì)胞及血管變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些小鼠經(jīng)強(qiáng)的松龍?zhí)幚砗驢IF-1α和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)表達(dá)降低，成骨細(xì)胞數(shù)量減少，骨形成速率和骨強(qiáng)度降低，破骨細(xì)胞數(shù)量增加。結(jié)果提示，激素性股骨頭壞死后的修復(fù)與HIF-1α信號(hào)通路有關(guān)。大劑量激素使用后股骨頭壞死區(qū)域無(wú)法自身修復(fù)可能與HIF-1α低表達(dá)或不表達(dá)，使該區(qū)域骨細(xì)胞和骨髓組織不能適應(yīng)低氧、缺氧或缺血環(huán)境有關(guān)。WANG等[19]通過(guò)選擇性敲除VHL基因，使小鼠成骨細(xì)胞中HIF-1α過(guò)表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠成骨能力明顯增強(qiáng)，在缺失HIF-1α的小鼠中則呈現(xiàn)相反結(jié)果。結(jié)果提示，在骨發(fā)育形成過(guò)程中，HIF-1α信號(hào)通路激活能夠促進(jìn)骨形成。有研究還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染使HIF-1α在間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)中過(guò)表達(dá)，HIF-1α過(guò)表達(dá)可誘導(dǎo)MSCs表達(dá)成骨相關(guān)基因和VEGF[20]。結(jié)果表明，HIF-1α具有促進(jìn)MSCs成骨分化和成血管的能力。因此，通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染使MSCs過(guò)表達(dá)HIF-1α，有助于加速骨損傷愈合?？傊?，HIF-1α不僅可通過(guò)自身的表達(dá)直接調(diào)控成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞等功能而促進(jìn)骨形成，還可通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染的方式間接誘導(dǎo)MSCs成骨分化。

3.1.2 HIF-1α在骨吸收中的作用 在激素性股骨頭壞死中，激素可作用于股骨頭有效骨細(xì)胞區(qū)域，增加破骨細(xì)胞活性，加速骨的破壞和吸收，最終導(dǎo)致股骨頭塌陷。研究表明，大量使用糖皮質(zhì)激素能夠延遲破骨細(xì)胞凋亡，使其存活周期延長(zhǎng)，破壞了骨穩(wěn)態(tài)，引起骨密度降低和骨組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞。有研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α可直接或間接促使骨壞死區(qū)域破骨細(xì)胞產(chǎn)生[21]。朱杰等[22]在一項(xiàng)基于小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，在誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化過(guò)程中，低氧環(huán)境可刺激HIF-1α產(chǎn)生，繼而促進(jìn)破骨細(xì)胞分化和維持其骨吸收能力。ZHU等[23]通過(guò)模擬缺氧環(huán)境，探究了HIF-1α在缺氧條件下對(duì)骨細(xì)胞的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，缺氧刺激的MLO-Y4細(xì)胞能夠穩(wěn)定表達(dá)HIF-1α，HIF-1α可通過(guò)激活JAK2/STAT3信號(hào)通路上調(diào)RANK1表達(dá)，促進(jìn)RAW264.7細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化。結(jié)果證實(shí)，HIF-1α能夠誘導(dǎo)破骨細(xì)胞產(chǎn)生。雖然該研究是在體外模擬缺氧環(huán)境，并不能真實(shí)反映體內(nèi)生理或病理?xiàng)l件下不斷變化的缺氧環(huán)境，但其對(duì)理解骨細(xì)胞和HIF-1α在骨吸收和骨重建中的作用非常有幫助。而在激素性股骨頭壞死中，HIF-1α可通過(guò)介導(dǎo)血管生成來(lái)調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞生成。KNOWLES等[24]研究發(fā)現(xiàn)，體外低氧環(huán)境培養(yǎng)的破骨細(xì)胞和體內(nèi)低氧環(huán)境下的破骨細(xì)胞都存在HIF-1α表達(dá)現(xiàn)象，通過(guò)誘導(dǎo)HIF-1α產(chǎn)生激活其下游相關(guān)基因表達(dá)，刺激破骨細(xì)胞生成，而這些下游相關(guān)基因與介導(dǎo)血管生成密切相關(guān)，如VEGF、血管生成素樣蛋白4。其中，VEGF可啟動(dòng)破骨細(xì)胞募集的正反饋循環(huán)，并以自分泌和旁分泌方式增強(qiáng)破骨細(xì)胞前表型。KNOWLES等[24]認(rèn)為，在局部缺氧時(shí)可通過(guò)HIF-1α調(diào)控VEGF等以自分泌和旁分泌方式間接影響破骨細(xì)胞生成。因此，大劑量激素可使股骨頭有效骨細(xì)胞成分中破骨細(xì)胞增加，從而加速骨細(xì)胞壞死，在已壞死骨細(xì)胞中則通過(guò)降低成骨相關(guān)因子NF-κB受體活化因子數(shù)量，以及控制該區(qū)域破骨細(xì)胞延遲分化或不分化，阻止壞死骨吸收，而HIF-1α可促進(jìn)骨壞死區(qū)域破骨細(xì)胞分化活性來(lái)促進(jìn)其吸收[25]。

3.2 HIF-1α在血管生成中的作用 激素性股骨頭壞死的主要原因是激素引起股骨頭缺血缺氧，導(dǎo)致骨細(xì)胞局部壞死而出現(xiàn)股骨頭器質(zhì)性和功能性改變。在股骨頭缺血壞死時(shí)，血管再生對(duì)其骨組織修復(fù)是必需的。許多血管生成相關(guān)的因子均參與血管生成過(guò)程，其中較為關(guān)鍵的因子是VEGF。目前認(rèn)為，VEGF是促進(jìn)血管生成能力最強(qiáng)的因子[26]。有研究表明，VEGF是HIF-1α的重要靶基因，HIF-1α可通過(guò)激活VEGF表達(dá)來(lái)參與血管生成的多個(gè)環(huán)節(jié)，這與組織細(xì)胞在低氧狀態(tài)下的存活密切相關(guān)[27]。ZHANG等[28]在一項(xiàng)幼豬股骨頭壞死模型中發(fā)現(xiàn)，低氧狀態(tài)可激活軟骨細(xì)胞中HIF-1α和VEGF表達(dá)，而HIF-1α激活劑Deferoxamine能夠促進(jìn)軟骨細(xì)胞中VEGF表達(dá)。提示在缺氧狀態(tài)下軟骨細(xì)胞中HIF-1α可誘導(dǎo)VEGF表達(dá)。以上研究表明，HIF-1α可通過(guò)上調(diào)VEGF表達(dá)而促進(jìn)血管重建，這為通過(guò)促進(jìn)血管生成來(lái)治療股骨頭壞死提供了理論依據(jù)。

綜上所述，在激素性股骨頭壞死中，低氧或缺氧環(huán)境可使HIF-1α在細(xì)胞核中通過(guò)自身的PAS結(jié)構(gòu)域和bHLH與ARNT結(jié)合來(lái)穩(wěn)定或上調(diào)其自身活性，從而參與調(diào)控下游基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，一方面活化的HIF-1α可通過(guò)調(diào)控骨細(xì)胞的聚集、增殖、分化等激活破骨細(xì)胞或成骨細(xì)胞，并促進(jìn)死骨吸收和新骨形成；另一方面通過(guò)促進(jìn)血管生成相關(guān)細(xì)胞因子表達(dá)，促進(jìn)骨周?chē)难┲亟?。未?lái)，HIF-1α有望成為激素性股骨頭壞死修復(fù)的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。