股骨頭壞死信號通路研究概述

馬文元 吳智恒 吳 潔 吳睿哲 榮 尚 孫紹裘

湖南中醫藥大學第二附屬醫院骨傷科，湖南長沙 410002

股骨頭壞死又稱股骨頭缺血性壞死，指股骨頭部的血流受阻，導致頭部缺乏供養而凋亡，進而人體代償性修復，產生了股骨頭軟骨丟失、骨骼塌陷等疾病[1]。其好發于中青年，且呈年輕化趨勢[2]，因其過程常潛在發生，最終往往會導致殘疾，給患者和家庭帶來極大困擾[3]。目前臨床將股骨頭壞死分為兩大類，第一類是外傷引起，主要由股骨頸骨折、髖關節脫位等疾病引發；第二類是非外傷性的，由遺傳和暴露于危險因素中引發，且其具有協同作用，危險因素包括使用類固醇藥物或者酗酒。但直接原因均是股骨頭部血液的供給中斷，無法正常代謝進而引起壞死。

股骨頭壞死的發病機制目前尚不完全清楚，越來越多的基礎研究正在開展，本文擬對股骨頭壞死的相關信號通路進行研究總結，旨在為股骨頭壞死疾病的診治及研究提供參考。

1 TGF-β/BMP/Smad信號通路

轉化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）大量存在于骨、軟骨、血液等組織中，具有產生新骨和修復骨組織的作用[4]。骨骼在受到損害時，受傷部位的TGF-β會顯著增高，一方面可以生成大量成骨細胞，使新骨及軟骨形成，另一方面，可以調控骨的吸收，控制破骨細胞的增殖，減少骨的破壞；在缺血性股骨頭壞死疾病中，TGF-β的減少將導致骨組織自身修復能力減弱，致使局部骨組織細胞的凋亡[5]。

骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）主要存在于骨干中，是TGF-β超家族中的下游因子，目前已經發現了十幾種，主要發揮作用的包括BMP-2和BMP-4。BMP-2可通過對基因和細胞的刺激，傳導至Smads信號，使未成熟的間充質細胞進行成骨轉錄，是骨誘導最為密切的調控通路。BMP-4在間充質細胞形成和轉化中發揮與BMP-2類似的影響及作用。徐丹等[6]通過分析77例疑似激素性股骨頭壞死患者的臨床資料，發現長期服用激素將導致TGF-β、BMP相對水平下降，引發激素型股骨頭壞死。

Smad通路主要的功能是傳遞TGF-β超家族中的信號，是BMP的下游信號轉導因子[7]，在從細胞表面受體傳遞到細胞核這一階段發揮作用。黃春元等[8]通過動物實驗證明激素型股骨頭壞死與BMP、Smad呈正相關。

2 AMPK信號通路

腺苷酸活化的蛋白激酶（amp-activated protein kinase，AMPK）是能量穩態的關鍵調節因子，由3個亞單位（α、β、γ）構成，可以催化腺苷三磷酸（ATP），使腺苷酸（AMP）磷酸化進而生成腺苷二磷酸（ADP），在成骨細胞分化中起著重要作用[9-10]。Kanazawa等[11]研究了AMPK缺失對成骨細胞特異性的影響，證實AMPK的表達可以調節成骨細胞的糖代謝能力，并增加骨小梁和骨組織的密度。有研究[12]通過建立骨折愈合和骨不連的動物模型進行研究，結果表明增強AMPK的自噬活性可以促進成骨細胞分化和礦化。也有研究[13-16]證實AMPK可以保護成骨細胞，是通過減少H2O2誘導細胞凋亡來發揮作用。Tong等[17]研究表明AMPK可以發揮降低破骨細胞生成的作用，使骨的吸收破壞作用降低。張翔等[18]應用LPS聯合醋酸潑尼松龍誘導激素性股骨頭壞死模型，證明APN-AMPK信號通路在股骨頭壞死的轉歸過程中承擔重要角色。AMPK不僅在保護骨組織發揮作用，同樣可以對軟骨的生成及延緩丟失發揮積極作用[19]，例如中藥提取物葛根素能夠通過上調骨關節炎大鼠AMPK信號通路減緩骨關節炎發展[20]。

3 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt信號通路主要包括兩大類，第一大類是經典Wnt/β-catenin信號通路；第二大類是非經典類，包括平面細胞極性通路（planar cell polarity pathway）、Wnt/Ca2+通路、固定紡錘傾向的通路和非對稱細胞分解的胞內通路等[21]。股骨頭壞死疾病主要與經典Wnt/β-catenin通路關系密切，該信號通路廣泛存在于多種生物的進化過程中，可以激活核內靶向基因的表達，在骨細胞的繁殖、炎性變化等方面具有調控作用[22]。在骨髓間充質干細胞的成骨分化過程中，主要是通過激活Wnt/β-catenin信號通路促進成骨細胞的增殖[23]。例如中藥黃連的提取物小檗堿（berberine，BBR），可以通過Wnt/β-catenin信號通路提升成骨細胞的生成以及減弱破骨細胞對關節疾病發揮的作用[24]。楊清毅[25]選取術后患者骨髓標本，通過RT-PCR和Western-blot檢測證明了激素性股骨頭壞死骨髓間充質干細胞的增殖、成骨分化功能的降低以及成脂分化功能增強與Wnt/β-catenin信號通路抑制有關。

4 OPG/RANKL/RANK信號通路

骨保護素（osteoprotegerin，OPG）/核因子-κB受 體 活 化 因 子 配 體（receptor activator of NF-κB ligand，RANKL）/核 因 子-κB受 體 活 化 因 子（receptor activator of NF-κB，RANK）均為腫瘤壞死因子受體超家族的成員。OPG是一種可溶性糖蛋白，與軟骨的生長和破壞關系密切[26]；RANK是一種Ⅰ型跨膜蛋白，分為可溶性RANK蛋白和跨膜蛋白型RANK蛋白兩種，分別能夠阻斷和結合RANKL，促進破骨細胞分化及骨吸收；RANKL是一種Ⅱ型跨膜蛋白，可以分為RANKL1、RANKL2和RANKL3三個亞型，以RANKL1的表達最多，其對破骨細胞分化、成熟及吸收具有重要意義[27]。有研究[28]用qPCR檢測42例股骨頭壞死患者OPG、RANK和RANKL的表達，結果發現壞死部位的OPG、RANKL和RANK的mRNA在壞死點表達水平更高，尤其是RANKL mRNA的表達。

研究表明，具有健脾化痰、活血化瘀、活血通絡功效的中藥方劑是通過OPG/RANKL/RANK信號通路發揮作用[29-30]，例如生血補髓方[31]、健脾活血方[32]、溫陽補腎方[33]等，可以上調OPG，抑制RANKL，使股骨頭部的血液營養供應得到有效改善，以修復壞死的骨與軟骨組織[31]。譚旭儀[34]利用兔子探討補腎的中醫治法在激素性股骨頭壞死中的作用機制，結果表明右歸飲可增加OPG含量，降低血清RANKL含量，增加成骨細胞，減少破骨細胞，從而修復股骨頭的壞死組織。

5 PI3K/Akt/mTOR信號通路

PI3K/Akt是一條促進血管生長的重要通路，而mTOR是Akt的一個底物。當細胞缺血后，組織處于缺氧狀態，細胞中低氧誘導因子（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）將大量增加，上調血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表達水平，從而促進血管的修復和再生，而PI3K/Akt信號通路直接決定了HIF-1α因子的表達，可以通過干預PI3K/Akt信號通路來調控血管的修復與再生[35]。除了低氧誘導因子調控與血管內皮生長有關，血管內皮細胞自噬也與血管功能密切相關。PI3K/Akt/mTOR信號通路與血管內皮細胞的自噬能力呈正相關，因此，阻斷或降低PI3K/Akt/mTOR信號通路的表達可以增強自噬，達到修復血管內皮的目的，是股骨頭壞死治療的一種新思路[36]。

6 TLR4/NF-κB通路

Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）是Toll樣受體成員中的關鍵一份子，可以通過髓樣分化 因 子（myeloid differentiation factor 88，MyD88）來激活下游的NF-κB因子，故這條通路也可稱為TLR4/MyD88/NF-κB通路。而NF-κB不僅可以增進破骨前體細胞成熟，還能夠誘導單核細胞/巨噬細胞增殖以促進破骨細胞生化[37]。例如糖皮質激素可引起TLR4/MyD88/NF-κB信號通路異常活化，導致骨代謝平衡被打破，引起破骨細胞增殖活化，造成股骨頭內骨量減少并最終引發股骨頭缺血壞死，同時經TLR4途徑活化的單核/巨噬細胞還可引起一系列炎癥反應，造成股骨頭內纖維血管組織增生及骨結構破壞，也是引發股骨頭缺血壞死的機制之一[38]。Pei等[39]分別研究激活和選擇性阻斷NF-κB的表達，發現過度激活TLR4/NF-κB通路會誘導激素性股骨頭壞的發生，而抑制該信號表達可治療激素性股骨頭壞死。例如，補腎生髓強骨方通過抑制TLR4/NF-κB通路對酒精性股骨頭壞死具有減輕炎性反應的作用[40]。

7 展望

上述信號通路無論是參與股骨頭壞死發生和發展的全過程，還是只參與了部分過程，都在調控成骨細胞、破骨細胞以及調控血管生成素等方面發揮了關鍵性作用。股骨頭缺血性壞死的發生發展機制是一個復雜作用網絡，除了上述的信號通路，還有許多相關通路未在文中闡明，有待更深一步地歸納總結。如果在臨床治療方面想要取得階段性進展，骨股骨頭壞死的病理變化機制仍需要更加深入地探尋和思考。

信號通路在股骨頭壞死的發生發展過程中是最為基礎的機制，從信號通路著手研究股骨頭壞死可以為臨床治療提供思路，隨著現代生物學技術的不斷進步，相信能夠開展更多的股骨頭壞死基礎研究。