激素性股骨頭壞死發病機制及相關信號通路研究進展

胡兆林，常峰

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

股骨頭壞死發病機制復雜且較難治愈。隨著糖皮質激素的廣泛應用，激素性股骨頭壞死(steroid-induced avascular necrosis of femoral head，SANFH)患者逐漸增多。研究發現，在接受糖皮質激素治療的患者中，SANFH的發生率約為40%，較正常人群SANFH的發病率高約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的發生可能與血管內凝血、脂代謝紊亂、基因多態性、細胞凋亡、細胞自噬等相關，同時受AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)、缺氧誘導因子-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聯蛋白(β-catenin)、骨保護素(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)/信號轉導及轉錄激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)1、Notch等信號通路的調控以及多種細胞因子的影響。Chang等[2]認為，凝血障礙、細胞凋亡異常及脂質代謝障礙均可促進SANFH的發生，其中丙酮酸脫氫酶激酶同工酶1/Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白、蛋白激酶R樣內質網激酶以及 Parkin等炎癥通路的作用是一種機械性作用。Liu等[3]認為，SANFH的形成也是不同信號通路與細胞因子間相互作用和偶聯的結果。現就SANFH的發病機制和相關信號通路的研究進展予以綜述。

1 SANFH的發病機制

1.1血管內凝血 研究發現，血液高凝狀態可導致股骨頭微循環血栓形成和股骨頭供血障礙，從而增加SANFH的發生風險，而抗凝治療可以防治SANFH[4]。長期、大劑量應用糖皮質激素可抑制毛細血管的正常生長和再生，也可促進正常毛細血管退化，導致股骨頭血管閉塞和血管內皮細胞損傷，進而導致SANFH的發生[5]。血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)不僅可誘導股骨頭內血管形成，還參與骨代謝和骨形成。陳森和彭昊[6]研究發現，糖皮質激素可增加血小板聚集風險，導致SANFH發生。林海青等[7]發現，SANFH模型兔的前列環素、一氧化氮水平降低，而內皮素-1、血栓烷A2水平顯著升高，導致股骨頭血小板凝聚和血管收縮，從而誘發SANFH。綜上，血液高凝狀態是SANFH發生的重要機制之一。抗凝治療雖然可以降低SANFH發生的風險，但也增加了出血的風險，因此臨床是否選擇抗凝治療，仍需進一步研究和探討。

1.2脂代謝紊亂 脂代謝紊亂也是SANFH發生的機制之一，Helwig等[8]發現，動脈內注射脂肪組織可誘導兔股骨頭血管脂肪栓子阻塞，造成股骨頭壞死。有研究表明，應用糖皮質激素可導致患者脂代謝紊亂和高脂血癥，進而導致股骨頭血供障礙，從而誘發SANFH[9]。胡淼鋒等[10]發現，與正常脂肪細胞相比，股骨頭內的脂肪細胞體積和直徑均顯著增大，表明股骨頭內的脂肪細胞存在脂質異常堆積。通過透射電子顯微鏡檢查SANFH患者骨小梁發現成骨細胞胞質水腫、脂肪變性等病理現象，且線粒體結構不清，并出現細胞滴，這些微觀結構的病理改變導致細胞功能損害，誘發股骨頭內血管內皮損傷[11]。糖皮質激素可增加髓內壓以及髓內毛細血管和小靜脈的回流阻力，導致骨組織內的血供減少；還可導致成骨細胞脂代謝功能紊亂，降低成骨細胞修復能力，從而誘導SANFH發生[12]。此外，糖皮質激素還可誘導血液高黏滯綜合征，導致股骨頭血液灌注減少；同時，脂質沉積打破骨內微循環平衡，導致成骨細胞缺血缺氧，繼而引發股骨頭病變，導致SANFH發生[13]。因此，臨床應用糖皮質激素治療時，應注意監測患者的血脂水平，并根據血脂變化應用阿托伐他汀等調節血脂的藥物。此外，脂肪栓塞可導致血流中斷或嚴重缺血，進而導致骨組織區域發生缺血壞死，但脂肪栓子也可出現在正常骨組織中，因此脂肪栓子的形成并不一定導致骨組織缺血壞死，需加以鑒別。

1.3基因多態性 基因多態性在SANFH的發生發展中也發揮重要作用。對氧磷酶1可影響骨的形成與重構，對氧磷酶1 rs662基因型與SANFH的發生顯著相關[14]。TNF-α可促進破骨細胞增殖，增加骨組織對糖皮質激素的敏感性，TNF-α rs1800630、rs1800629基因型與SANFH發生顯著相關，特別是TNF-α rs1800629可導致SANFH的發生風險增加2.41倍[15]。基質金屬蛋白酶rs2012390基因型可降低SANFH的發生風險，而rs11225394基因型對股骨頭微循環具有負面影響，可增加SANFH的發生風險[16]。此外，ATP結合盒亞家族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糖蛋白可調控機體對糖皮質激素的敏感性[17]。其中，ABCB1 C3435T基因型可增加P糖蛋白泵活性，減少糖皮質激素在細胞內積累，降低SANFH的發生風險[18]。關于基因多態性的研究，從基因水平闡釋了SANFH的發生風險，為SANFH的防治提供了新思路。

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

細胞自噬參與人體發育、生長、細胞增殖、凋亡等過程。一方面，細胞可以通過自噬維持正常的新陳代謝；另一方面，自噬也可以誘導或抑制細胞凋亡。研究證實，糖皮質激素誘導的成骨細胞自噬與SANFH發病密切相關，糖皮質激素通過誘導成骨細胞自噬相關蛋白和內質網應激相關蛋白的表達，激活自噬和內質網應激，促進細胞凋亡[22]。而自噬抑制劑可保護細胞免于糖皮質激素誘導的細胞凋亡，從而降低SANFH的發生風險。綜上，細胞凋亡、細胞自噬及相關蛋白均參與了SANFH的發生，未來可在分子生物學領域進一步探究其具體機制。

2 SANFH相關信號通路

2.1AMPK信號通路 AMPK是一種結構穩定的三聚體復合物，由3個亞單位(α、β、γ)構成。細胞應激可導致AMP/ATP比值升高，進而激活AMPK信號通路，從而抑制ATP合成的代謝途徑，表明AMPK參與調控生物體能量代謝過程，在維持成骨細胞增殖、凋亡以及維持骨小梁、骨體積中發揮重要作用[23]。研究發現，糖皮質激素可以通過激活AMPK信號通路，引起機體脂質代謝紊亂，并通過調控成骨細胞的凋亡，參與SANFH的發生發展[24]。此外，中藥提取物葛根素可激活大鼠骨關節中的AMPK信號通路，從而減輕骨關節炎，保護軟骨[25]。由此可見，深入研究AMPK信號通路對髖關節的保護具有重要意義。總之，AMPK信號通路可調控成骨細胞凋亡和增殖，還可保護軟骨和關節功能，因此其有可能成為治療SANFH的潛在靶點。

2.2HIF-1信號通路 糖皮質激素通過減少股骨頭血液供應使骨組織的供氧減少，VEGF則可調節骨組織中的血管生長，而HIF-1α是低氧應激反應調控通路的關鍵組分，可通過上調VEGF的表達促進股骨頭血管生成和血供重建，阻止SANFH的發生[26]。Johannson等[27]研究發現，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，但在骨壞死區修復反應域內VEGF與HIF-1α蛋白表達顯著增加，表明SANFH的自身修復作用與HIF-1α信號通路相關。因此，未來進一步深入研究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再生、成骨細胞增殖和凋亡均具有調控作用。Chrysis等[28]發現，糖皮質激素可抑制PI3K/Akt信號通路，誘導軟骨細胞凋亡。Lu等[22]研究顯示，α-硫辛酸可通過活化PI3K/Akt信號通路，減少成骨細胞凋亡，防治骨質疏松。Deng等[29]研究發現，經糖皮質激素處理后，新生大鼠顱骨成骨細胞分化減弱、細胞增殖受到抑制，而抑制成骨細胞中的PI3K/Akt通路可導致Bcl-2表達降低，同時裂解的胱天蛋白酶3、胱天蛋白酶9以及Bcl-2相關X蛋白表達升高，從而促進成骨細胞凋亡。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胞凋亡，從而降低SANFH的發生率。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蛋白和卷曲蛋白共受體結合，通過破壞β-catenin降解復合體、抑制細胞核內相應的靶蛋白降解、調控下游靶基因(包括細胞周期蛋白和原癌基因等)的表達，促進成骨細胞增殖并抑制其凋亡[31]。張晨等[32]研究表明，糖皮質激素可通過調控原癌基因的表達導致Wnt/β-catenin信號通路中關鍵蛋白β-catenin、c-Myc的表達水平降低；利用分泌型卷曲相關蛋白1阻斷Wnt/β-catenin信號通路，β-catenin、c-Myc的表達水平進一步降低，同時細胞凋亡、骨壞死增加。Zhang等[33]研究發現，糖皮質激素通過調控Wnt信號通路下游相關基因的表達，顯著增加成骨細胞凋亡的速度，從而誘導大鼠SANFH的發生。由此可見，糖皮質激素下調Wnt/β-catenin信號通路及其下游相關基因的表達，導致SANFH的發生，而上調Wnt/β-catenin信號通路的表達或可預防SANFH的發生。

2.5OPG/RANKL/RANK信號通路 OPG由成骨細胞分泌，可抑制破骨細胞活性和成熟，進而抑制骨吸收，從而減少骨質丟失并促進骨形成。研究表明，白細胞介素-1β、白細胞介素-6、白細胞介素-17和TNF-α表達上調可誘導破骨細胞增殖并抑制其凋亡[34]。糖皮質激素可通過下調OPG的表達、上調RANKL的表達，促進破骨細胞的分化、增加股骨頭骨質的吸收、誘導成骨細胞凋亡，最終導致SANFH發生[35]。Jiang等[36]研究發現，牛膝提取物可治療大鼠SANFH，其通過調節OPG/RANKL/RANK信號通路預防SANFH的發生。可見，OPG/RANKL/RANK信號通路在SANFH發生中具有重要作用，為SANFH的防治提供了一個新的治療策略。

2.6TGF-β/Smad信號通路 TGF-β家族參與細胞生長、分化、增殖和凋亡等過程，不僅可促進成骨細胞成熟，還可增加骨沉積速率、減少骨膠原丟失，在調節骨形成和骨發育中具有重要作用。Smad作為TGF-β信號通路的底物，是調節成骨細胞增殖和分化的關鍵因子。Zhang等[37]研究發現，維生素E可以上調TGF-β表達，進而增加股骨頭血管生成，降低SANFH的發生率。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胞凋亡、減少骨量丟失，預防SANFH發生。由此可見，TGF-β/Smad信號通路與SANFH密切相關，但TGF-β/Smad信號通路參與SANFH的具體機制目前尚不明確，還需進一步深入研究。

2.7其他信號通路 除上述信號通路外，TNF-α/STAT1信號通路也參與細胞凋亡。糖皮質激素通過激活TNF-α/STAT1信號通路誘導成骨細胞凋亡，導致SANFH發生，而抑制TNF-α/STAT1信號通路則可降低SANFH的發生率[33]。此外，激活胞外信號調節激酶通路可改善骨壞死區軟骨合成代謝，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，在調控成骨細胞分化和骨代謝過程中發揮重要作用[40]。研究表明，活化Notch1信號通路，可增加胞內Notch1的表達，降低破骨細胞的分化和活性，促進股骨頭壞死區域的成骨分化，調控細胞增殖和凋亡，從而改善SANFH[41]。目前，國內外關于Notch信號通路的研究較少，未來仍需進一步研究闡明Notch信號通路與SANFH的確切關系。

3 小 結

SANFH是一個多機制、多因素、多信號通路共同介導的復雜過程，因此明確SANFH發生的具體機制尤為重要。在明確SANFH發生發展機制的同時，還應采取有效的措施進行干預，以期最大限度地提高SANFH的療效，改善患者的生活質量和疾病的預后。未來仍需繼續深入研究SANFH的發病機制，特別需要通過分子生物學技術及相關信號通路的研究進行精準論證。相信隨著現代醫療技術和分子生物學技術的發展以及越來越多臨床醫師的不斷努力，未來一定會明確SANFH的發生機制，并制訂出有效防治SANFH的新策略。