激素性股骨頭壞死發(fā)病機(jī)制及相關(guān)信號通路研究進(jìn)展

胡兆林，常峰

(1.山西醫(yī)科大學(xué)，太原 030001； 2.山西醫(yī)科大學(xué)附屬人民醫(yī)院骨科，太原 030012)

股骨頭壞死發(fā)病機(jī)制復(fù)雜且較難治愈。隨著糖皮質(zhì)激素的廣泛應(yīng)用，激素性股骨頭壞死(steroid-induced avascular necrosis of femoral head，SANFH)患者逐漸增多。研究發(fā)現(xiàn)，在接受糖皮質(zhì)激素治療的患者中，SANFH的發(fā)生率約為40%，較正常人群SANFH的發(fā)病率高約20倍[1]。由于SANFH的早期癥狀及體征均不明顯，因此易漏診或誤診。SANFH的發(fā)生可能與血管內(nèi)凝血、脂代謝紊亂、基因多態(tài)性、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬等相關(guān)，同時(shí)受AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)、缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)、Wnt/β聯(lián)蛋白(β-catenin)、骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)/核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)/核因子κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)、轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)1、Notch等信號通路的調(diào)控以及多種細(xì)胞因子的影響。Chang等[2]認(rèn)為，凝血障礙、細(xì)胞凋亡異常及脂質(zhì)代謝障礙均可促進(jìn)SANFH的發(fā)生，其中丙酮酸脫氫酶激酶同工酶1/Akt/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白、蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶以及 Parkin等炎癥通路的作用是一種機(jī)械性作用。Liu等[3]認(rèn)為，SANFH的形成也是不同信號通路與細(xì)胞因子間相互作用和偶聯(lián)的結(jié)果?，F(xiàn)就SANFH的發(fā)病機(jī)制和相關(guān)信號通路的研究進(jìn)展予以綜述。

1 SANFH的發(fā)病機(jī)制

1.1血管內(nèi)凝血 研究發(fā)現(xiàn)，血液高凝狀態(tài)可導(dǎo)致股骨頭微循環(huán)血栓形成和股骨頭供血障礙，從而增加SANFH的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，而抗凝治療可以防治SANFH[4]。長期、大劑量應(yīng)用糖皮質(zhì)激素可抑制毛細(xì)血管的正常生長和再生，也可促進(jìn)正常毛細(xì)血管退化，導(dǎo)致股骨頭血管閉塞和血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，進(jìn)而導(dǎo)致SANFH的發(fā)生[5]。血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)不僅可誘導(dǎo)股骨頭內(nèi)血管形成，還參與骨代謝和骨形成。陳森和彭昊[6]研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素可增加血小板聚集風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致SANFH發(fā)生。林海青等[7]發(fā)現(xiàn)，SANFH模型兔的前列環(huán)素、一氧化氮水平降低，而內(nèi)皮素-1、血栓烷A2水平顯著升高，導(dǎo)致股骨頭血小板凝聚和血管收縮，從而誘發(fā)SANFH。綜上，血液高凝狀態(tài)是SANFH發(fā)生的重要機(jī)制之一?？鼓委熾m然可以降低SANFH發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，但也增加了出血的風(fēng)險(xiǎn)，因此臨床是否選擇抗凝治療，仍需進(jìn)一步研究和探討。

1.2脂代謝紊亂 脂代謝紊亂也是SANFH發(fā)生的機(jī)制之一，Helwig等[8]發(fā)現(xiàn)，動(dòng)脈內(nèi)注射脂肪組織可誘導(dǎo)兔股骨頭血管脂肪栓子阻塞，造成股骨頭壞死。有研究表明，應(yīng)用糖皮質(zhì)激素可導(dǎo)致患者脂代謝紊亂和高脂血癥，進(jìn)而導(dǎo)致股骨頭血供障礙，從而誘發(fā)SANFH[9]。胡淼鋒等[10]發(fā)現(xiàn)，與正常脂肪細(xì)胞相比，股骨頭內(nèi)的脂肪細(xì)胞體積和直徑均顯著增大，表明股骨頭內(nèi)的脂肪細(xì)胞存在脂質(zhì)異常堆積。通過透射電子顯微鏡檢查SANFH患者骨小梁發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞胞質(zhì)水腫、脂肪變性等病理現(xiàn)象，且線粒體結(jié)構(gòu)不清，并出現(xiàn)細(xì)胞滴，這些微觀結(jié)構(gòu)的病理改變導(dǎo)致細(xì)胞功能損害，誘發(fā)股骨頭內(nèi)血管內(nèi)皮損傷[11]。糖皮質(zhì)激素可增加髓內(nèi)壓以及髓內(nèi)毛細(xì)血管和小靜脈的回流阻力，導(dǎo)致骨組織內(nèi)的血供減少；還可導(dǎo)致成骨細(xì)胞脂代謝功能紊亂，降低成骨細(xì)胞修復(fù)能力，從而誘導(dǎo)SANFH發(fā)生[12]。此外，糖皮質(zhì)激素還可誘導(dǎo)血液高黏滯綜合征，導(dǎo)致股骨頭血液灌注減少；同時(shí)，脂質(zhì)沉積打破骨內(nèi)微循環(huán)平衡，導(dǎo)致成骨細(xì)胞缺血缺氧，繼而引發(fā)股骨頭病變，導(dǎo)致SANFH發(fā)生[13]。因此，臨床應(yīng)用糖皮質(zhì)激素治療時(shí)，應(yīng)注意監(jiān)測患者的血脂水平，并根據(jù)血脂變化應(yīng)用阿托伐他汀等調(diào)節(jié)血脂的藥物。此外，脂肪栓塞可導(dǎo)致血流中斷或嚴(yán)重缺血，進(jìn)而導(dǎo)致骨組織區(qū)域發(fā)生缺血壞死，但脂肪栓子也可出現(xiàn)在正常骨組織中，因此脂肪栓子的形成并不一定導(dǎo)致骨組織缺血壞死，需加以鑒別。

1.3基因多態(tài)性 基因多態(tài)性在SANFH的發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮重要作用。對氧磷酶1可影響骨的形成與重構(gòu)，對氧磷酶1 rs662基因型與SANFH的發(fā)生顯著相關(guān)[14]。TNF-α可促進(jìn)破骨細(xì)胞增殖，增加骨組織對糖皮質(zhì)激素的敏感性，TNF-α rs1800630、rs1800629基因型與SANFH發(fā)生顯著相關(guān)，特別是TNF-α rs1800629可導(dǎo)致SANFH的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加2.41倍[15]?；|(zhì)金屬蛋白酶rs2012390基因型可降低SANFH的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，而rs11225394基因型對股骨頭微循環(huán)具有負(fù)面影響，可增加SANFH的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[16]。此外，ATP結(jié)合盒亞家族B成員1(ATP-binding cassette subfamily B member 1，ABCB1)C3435T和G2677T/A 基因型編碼P糖蛋白，而P糖蛋白可調(diào)控機(jī)體對糖皮質(zhì)激素的敏感性[17]。其中，ABCB1 C3435T基因型可增加P糖蛋白泵活性，減少糖皮質(zhì)激素在細(xì)胞內(nèi)積累，降低SANFH的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[18]。關(guān)于基因多態(tài)性的研究，從基因水平闡釋了SANFH的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，為SANFH的防治提供了新思路。

1.4細(xì)胞凋亡與自噬 細(xì)胞凋亡是細(xì)胞受到糖皮質(zhì)激素刺激后發(fā)生的程序性死亡，是SANFH的生物學(xué)基礎(chǔ)。正常相鄰的成骨細(xì)胞通過細(xì)胞突觸相連，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間信號感知、信息傳遞和骨修復(fù)重建功能。糖皮質(zhì)激素可使細(xì)胞突觸喪失正常功能，導(dǎo)致成骨細(xì)胞不能進(jìn)行自我修復(fù)和重建以及力學(xué)信號不能及時(shí)傳遞，進(jìn)而導(dǎo)致骨小梁微骨折和股骨頭塌陷，最終形成SANFH[19]。Youm等[20]研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素可通過降低成骨細(xì)胞活性、誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡、減少骨量等影響骨重建和修復(fù)，進(jìn)而引起負(fù)重區(qū)骨小梁斷裂，導(dǎo)致股骨頭壞死[21]。由此可見，細(xì)胞凋亡在SANFH發(fā)病過程中占有重要地位。

細(xì)胞自噬參與人體發(fā)育、生長、細(xì)胞增殖、凋亡等過程。一方面，細(xì)胞可以通過自噬維持正常的新陳代謝；另一方面，自噬也可以誘導(dǎo)或抑制細(xì)胞凋亡。研究證實(shí)，糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞自噬與SANFH發(fā)病密切相關(guān)，糖皮質(zhì)激素通過誘導(dǎo)成骨細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白的表達(dá)，激活自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[22]。而自噬抑制劑可保護(hù)細(xì)胞免于糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，從而降低SANFH的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。綜上，細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬及相關(guān)蛋白均參與了SANFH的發(fā)生，未來可在分子生物學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步探究其具體機(jī)制。

2 SANFH相關(guān)信號通路

2.1AMPK信號通路 AMPK是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三聚體復(fù)合物，由3個(gè)亞單位(α、β、γ)構(gòu)成。細(xì)胞應(yīng)激可導(dǎo)致AMP/ATP比值升高，進(jìn)而激活A(yù)MPK信號通路，從而抑制ATP合成的代謝途徑，表明AMPK參與調(diào)控生物體能量代謝過程，在維持成骨細(xì)胞增殖、凋亡以及維持骨小梁、骨體積中發(fā)揮重要作用[23]。研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素可以通過激活A(yù)MPK信號通路，引起機(jī)體脂質(zhì)代謝紊亂，并通過調(diào)控成骨細(xì)胞的凋亡，參與SANFH的發(fā)生發(fā)展[24]。此外，中藥提取物葛根素可激活大鼠骨關(guān)節(jié)中的AMPK信號通路，從而減輕骨關(guān)節(jié)炎，保護(hù)軟骨[25]。由此可見，深入研究AMPK信號通路對髖關(guān)節(jié)的保護(hù)具有重要意義。總之，AMPK信號通路可調(diào)控成骨細(xì)胞凋亡和增殖，還可保護(hù)軟骨和關(guān)節(jié)功能，因此其有可能成為治療SANFH的潛在靶點(diǎn)。

2.2HIF-1信號通路 糖皮質(zhì)激素通過減少股骨頭血液供應(yīng)使骨組織的供氧減少，VEGF則可調(diào)節(jié)骨組織中的血管生長，而HIF-1α是低氧應(yīng)激反應(yīng)調(diào)控通路的關(guān)鍵組分，可通過上調(diào)VEGF的表達(dá)促進(jìn)股骨頭血管生成和血供重建，阻止SANFH的發(fā)生[26]。Johannson等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在股骨頭壞死患者的壞死骨組織中并未檢測到VEGF與HIF-1α蛋白的表達(dá)，但在骨壞死區(qū)修復(fù)反應(yīng)域內(nèi)VEGF與HIF-1α蛋白表達(dá)顯著增加，表明SANFH的自身修復(fù)作用與HIF-1α信號通路相關(guān)。因此，未來進(jìn)一步深入研究HIF-1α信號通路可以為SANFH的防治提供新思路。

2.3PI3K/Akt信號通路 PI3K/Akt信號通路對股骨頭血管修復(fù)再生、成骨細(xì)胞增殖和凋亡均具有調(diào)控作用。Chrysis等[28]發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素可抑制PI3K/Akt信號通路，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡。Lu等[22]研究顯示，α-硫辛酸可通過活化PI3K/Akt信號通路，減少成骨細(xì)胞凋亡，防治骨質(zhì)疏松。Deng等[29]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)糖皮質(zhì)激素處理后，新生大鼠顱骨成骨細(xì)胞分化減弱、細(xì)胞增殖受到抑制，而抑制成骨細(xì)胞中的PI3K/Akt通路可導(dǎo)致Bcl-2表達(dá)降低，同時(shí)裂解的胱天蛋白酶3、胱天蛋白酶9以及Bcl-2相關(guān)X蛋白表達(dá)升高，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡。Zhan等[30]研究顯示，大蒜素可通過激活PI3K/Akt信號通路抑制成骨細(xì)胞凋亡，從而降低SANFH的發(fā)生率。由此可見，PI3K/Akt信號通路在SANFH防治中具有重要作用，深入研究PI3K/Akt信號通路，可以為SANFH治療藥物的研發(fā)和治療策略的制訂提供幫助。

2.4Wnt/β-catenin信號通路 Wnt/β-catenin信號通路參與成骨細(xì)胞的增殖和凋亡，是影響骨代謝的重要通路。在正常情況下，Wnt蛋白可與低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白和卷曲蛋白共受體結(jié)合，通過破壞β-catenin降解復(fù)合體、抑制細(xì)胞核內(nèi)相應(yīng)的靶蛋白降解、調(diào)控下游靶基因(包括細(xì)胞周期蛋白和原癌基因等)的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖并抑制其凋亡[31]。張晨等[32]研究表明，糖皮質(zhì)激素可通過調(diào)控原癌基因的表達(dá)導(dǎo)致Wnt/β-catenin信號通路中關(guān)鍵蛋白β-catenin、c-Myc的表達(dá)水平降低；利用分泌型卷曲相關(guān)蛋白1阻斷Wnt/β-catenin信號通路，β-catenin、c-Myc的表達(dá)水平進(jìn)一步降低，同時(shí)細(xì)胞凋亡、骨壞死增加。Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素通過調(diào)控Wnt信號通路下游相關(guān)基因的表達(dá)，顯著增加成骨細(xì)胞凋亡的速度，從而誘導(dǎo)大鼠SANFH的發(fā)生。由此可見，糖皮質(zhì)激素下調(diào)Wnt/β-catenin信號通路及其下游相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致SANFH的發(fā)生，而上調(diào)Wnt/β-catenin信號通路的表達(dá)或可預(yù)防SANFH的發(fā)生。

2.5OPG/RANKL/RANK信號通路 OPG由成骨細(xì)胞分泌，可抑制破骨細(xì)胞活性和成熟，進(jìn)而抑制骨吸收，從而減少骨質(zhì)丟失并促進(jìn)骨形成。研究表明，白細(xì)胞介素-1β、白細(xì)胞介素-6、白細(xì)胞介素-17和TNF-α表達(dá)上調(diào)可誘導(dǎo)破骨細(xì)胞增殖并抑制其凋亡[34]。糖皮質(zhì)激素可通過下調(diào)OPG的表達(dá)、上調(diào)RANKL的表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化、增加股骨頭骨質(zhì)的吸收、誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致SANFH發(fā)生[35]。Jiang等[36]研究發(fā)現(xiàn)，牛膝提取物可治療大鼠SANFH，其通過調(diào)節(jié)OPG/RANKL/RANK信號通路預(yù)防SANFH的發(fā)生。可見，OPG/RANKL/RANK信號通路在SANFH發(fā)生中具有重要作用，為SANFH的防治提供了一個(gè)新的治療策略。

2.6TGF-β/Smad信號通路 TGF-β家族參與細(xì)胞生長、分化、增殖和凋亡等過程，不僅可促進(jìn)成骨細(xì)胞成熟，還可增加骨沉積速率、減少骨膠原丟失，在調(diào)節(jié)骨形成和骨發(fā)育中具有重要作用。Smad作為TGF-β信號通路的底物，是調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞增殖和分化的關(guān)鍵因子。Zhang等[37]研究發(fā)現(xiàn)，維生素E可以上調(diào)TGF-β表達(dá)，進(jìn)而增加股骨頭血管生成，降低SANFH的發(fā)生率。Yang等[38]研究顯示，淫羊藿可通過激活TGF-β/Smad信號通路抑制成骨細(xì)胞凋亡、減少骨量丟失，預(yù)防SANFH發(fā)生。由此可見，TGF-β/Smad信號通路與SANFH密切相關(guān)，但TGF-β/Smad信號通路參與SANFH的具體機(jī)制目前尚不明確，還需進(jìn)一步深入研究。

2.7其他信號通路 除上述信號通路外，TNF-α/STAT1信號通路也參與細(xì)胞凋亡。糖皮質(zhì)激素通過激活TNF-α/STAT1信號通路誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致SANFH發(fā)生，而抑制TNF-α/STAT1信號通路則可降低SANFH的發(fā)生率[33]。此外，激活胞外信號調(diào)節(jié)激酶通路可改善骨壞死區(qū)軟骨合成代謝，對SANFH具有治療作用[39]。Notch信號通路由4種Notch受體、5種Notch配體和下游靶基因組成，在調(diào)控成骨細(xì)胞分化和骨代謝過程中發(fā)揮重要作用[40]。研究表明，活化Notch1信號通路，可增加胞內(nèi)Notch1的表達(dá)，降低破骨細(xì)胞的分化和活性，促進(jìn)股骨頭壞死區(qū)域的成骨分化，調(diào)控細(xì)胞增殖和凋亡，從而改善SANFH[41]。目前，國內(nèi)外關(guān)于Notch信號通路的研究較少，未來仍需進(jìn)一步研究闡明Notch信號通路與SANFH的確切關(guān)系。

3 小 結(jié)

SANFH是一個(gè)多機(jī)制、多因素、多信號通路共同介導(dǎo)的復(fù)雜過程，因此明確SANFH發(fā)生的具體機(jī)制尤為重要。在明確SANFH發(fā)生發(fā)展機(jī)制的同時(shí)，還應(yīng)采取有效的措施進(jìn)行干預(yù)，以期最大限度地提高SANFH的療效，改善患者的生活質(zhì)量和疾病的預(yù)后。未來仍需繼續(xù)深入研究SANFH的發(fā)病機(jī)制，特別需要通過分子生物學(xué)技術(shù)及相關(guān)信號通路的研究進(jìn)行精準(zhǔn)論證。相信隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及越來越多臨床醫(yī)師的不斷努力，未來一定會明確SANFH的發(fā)生機(jī)制，并制訂出有效防治SANFH的新策略。