股骨头坏死的发病机制及干细胞治疗进展

吕玉明 程立明 裴国献

股骨头坏死(osteonecrosis of the femoral head， ONFH)亦称缺血性或无菌性股骨头坏死，好发于青壮年，病程进展迅速，如不积极治疗致残率高。股骨头坏死的发病机制有早期的脂肪栓塞学说、微血管内凝血学说和骨内高压学说等［1］。股骨头坏死的主要诱因有激素、酗酒、创伤、凝血障碍和血管解剖畸形［2］。股骨头坏死的主要类型激素性和酒精性股骨头坏死的细胞免疫因素是近年来的研究热点。本文对相关研究进展进行综述。

一、股骨头坏死的发病机制

1.激素性股骨头坏死:大剂量使用激素可引起股骨头坏死。10年前美国就有超过3000万人使用激素作为他们临床治疗的一部分，因为使用激素的剂量和疗程的不同，其中有50%患者会发展到骨质疏松引起骨折，40%可引起不同程度的骨坏死［3］。骨坏死的发生与激素使用的剂量密切相关［4］。1987年Felson和Anderson进行研究(meta分析)提示，前6个月平均每日口服泼尼松增加10mg，发生骨坏死的风险增加4.6倍［5］。长时间大剂量使用激素引起骨坏死已成为学者的共识，而小剂量使用激素引起骨坏死可能与个体的凝血机制障碍、基因易感性等相关［6～9］。目前认为激素性股骨头坏死的机制有以下几个方面［4，7，10］:①影响内源性因子的合成，如影响炎性介质血管细胞黏附因子－1(VCAM－1)，血管收缩因子(NO)、氧自由基、内皮素－1(ET－1)、促凝血因子血管性血友病因子(vWF)、纤溶酶原激活物抑制因子1 (PAI－1)，抑制抗凝血因子凝血酶调节素(TM)和胶原合成等，使血管内皮功能发生障碍，血栓形成，股骨头血流下降导致缺血坏死;②激素引起脂肪代谢障碍，脂肪栓子和载脂纤维蛋白一血小板栓子使骨内压增高，造成血管阻塞，组织缺血;③外源性激素抑制血管新生，影响骨组织修复从而促进缺血性坏死;④激素诱导的成骨细胞和骨细胞的凋亡，延长破骨细胞的寿命，破坏骨细胞机械感觉通讯网络，影响骨组织修复从而导致缺血性坏死;⑤激素诱导的内皮细胞的凋亡，使血管内皮功能发生障碍，血栓形成，股骨头血流下降导致缺血坏死;内皮细胞凋亡影响骨组织修复从而导致缺血性坏死。

Weinstein等［12］研究发现，激素性股骨头坏死以骨细胞和成骨细胞凋亡为特征，这与股骨颈骨折、酗酒及镰状细胞贫血所引起的骨坏死不同。骨细胞凋亡可破坏股骨头机械感应网络，最终促进股骨头塌陷。在正常骨组织中，成骨细胞和埋在骨陷窝中的骨细胞通过细胞突起及其间的缝隙连接形成一个广泛的细胞通讯网络，可感应骨组织的微小损伤和机械应力，进行修复反应，包括代偿性的骨增加或减少。糖皮质激素诱导的骨细胞凋亡可破坏细胞的机械感应作用或造成感应机制缺陷。当微损伤无法被骨细胞探知时，即造成无法修复的损伤［4，10，11］。

2.酒精性股骨头坏死:酗酒可引起股骨头坏死，甚至多发性骨坏死［13］。研究发现酒精可诱导动物和人的骨髓基质干细胞成脂肪分化［14～16］。酒精诱导的骨坏死骨髓内脂肪增多的原因可能是酒精诱导MSCs大量分化为脂肪细胞，股骨头内脂肪细胞增殖肥大，骨细胞内脂质沉积，当股骨头内脂肪细胞大量增多时，造成骨髓内脂肪组织堆积，引起骨内压增高，血流瘀滞，局部缺血，导致股骨头内微循环障碍，大量骨细胞缺血、缺氧而死亡，同时引起其成骨能力的下降，无足够的成骨细胞用于修复坏死骨，最终发生股骨头坏死［15］。这可能是酒精诱发的股骨头坏死的发病机制。Suh等在为了比较酒精性股骨头坏死患者和非股骨头坏死患者的骨髓干细胞的分化和增殖能力，共取两者股骨近端骨髓标本共33例，分别进行骨髓干细胞的分离、培养、扩增骨，比较细胞的倍增时间和分化为成骨细胞和脂肪细胞的能力，发现酒精性股骨头坏死病人的骨髓干细胞分化为成骨细胞系的能力明显下降，两者比较有显著性差异，并认为这种骨髓干细胞的增殖分化能力的下降可能是引起股骨头坏死的原因［14］。Wezeman等研究了酒精对正常股骨近端骨髓来源的骨髓干细胞的分化能力，实验分4组:①对照组(单纯培养基);②酒精组(培养基+50mm酒精);③成骨培养组(培养基+成骨诱导剂);④酒精+成骨培养组(培养基+50mm酒精+成骨诱导剂)，结果显示酒精作用10天，脂肪细胞数量增加，21天时脂肪数量增加至13.6%，并发现酒精上调PPAR-gamma2基因表达、增加aP2的合成。我国学者王义生发现葛根素具有减轻酒精性股骨头坏死的作用，葛根素治疗组能显著下调PPARgamma2mRNA表达，降低细胞甘油三酯含量，增加细胞碱性磷酸酶活性以及骨钙素mRNA表达。还有研究者通过PPARgamma2－siRNA转染于含酒精和成骨诱导剂培养的hBMSCs，发现siRNA能增加培养细胞的基质矿化，下调成脂肪细胞的基因(PPARgamma2 and aP2)表达，上调成骨细胞基因(Osf2/Cbfa1)表达，增加骨基质蛋白合成。而Feng等通过比较股骨头坏死病人和正常人的外周血ECPs数量和功能差异，发现激素性、酒精性和特发性ANFH病人外周血EPC和CFUs无显著性差异，但股骨头缺血坏死病人EPCs迁移能力下降，细胞衰老加速，体外细胞成血管能力下降。故内皮细胞功能缺陷亦可能是股骨头坏死的发病机制之一。

二、股骨头坏死的干细胞治疗

由于前述的脂肪栓塞学说、微血管内凝血学说和骨内高压学说等均未能完全阐明骨坏死的病因本质，借助分子生物学的研究方法，有学者对股骨头坏死的病因研究深入一步，并提出了股骨头坏死病因的新见解—股骨头坏死的细胞学基础。在该研究领域，Hernigou等被认为是开拓者。

1994、1997年Hernigou等报道了1例13岁镰状细胞病伴肱骨头骨骺坏死病例行骨髓移植治疗的病例，骨髓来源于HLA相同的杂合子双胞胎。术后用环磷酰胺化疗和放疗抑制免疫反应。术后3个月X线检查塌陷的肱骨头修复，MRI提示肱骨头髓腔趋向正常;另外，局部疼痛和关节活动明显改善，4年后随访塌陷的肱骨头已修复。Hernigou等认为股骨头坏死可能是骨细胞或骨髓基质干细胞疾病。他们研究了激素性股骨头坏死、镰状细胞病股骨头坏死和对照组(没有股骨头坏死)患者的股骨近端的骨髓，发现激素性股骨头坏死患者的骨髓成纤维克隆形成单位(fibroblast colony－forming units，FCFUs)数量明显减少，骨髓基质干细胞活性和成骨细胞增殖能力明显降低。股骨近端骨髓基质干细胞数量的减少、成骨细胞增殖能力降低使股骨头坏死早期骨重塑障碍是股骨头坏死的细胞学基础。这一研究发现奠定了利用自体骨髓基质干细胞移植治疗股骨头坏死的理论基础。

Hernigou和Gangji等对骨髓移植治疗股骨头坏死的方法、移植的专用设备等均进行了研究和优化。Hernigou等进行一项前瞻性研究，应用髓芯减压加自体骨髓移植治疗股骨头坏死116例(189髋)，全麻下抽取髂骨骨髓400ml，将抽取的骨髓经专用骨髓收集仪离心，分离所得的单核细胞约50ml。X线透视下用一3mm直径环钻经粗隆部、股骨颈和股骨头钻孔至股骨头坏死区行髓芯减压，然后将环钻头置入股骨头软骨下2～3mm处，将50ml离心后骨髓经孔道注入股骨头中。经过5～10年的随访，采用Harris评分、X线片进展和是否需髋关节置换评定结果。根据结果作者认为移植的前体细胞数量多的效果最好。Gangji等对13例(18髋)ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨头坏死行随机双盲对照研究，试验组采用髓芯减压加自体骨髓单核细胞移植，对照组单纯髓芯减压，术后经过24个月的随访，对照组8髋中有5髋进展为Ⅲ期病变，而试验组10髋只有1髋发展为Ⅲ期，骨坏死范围减少35%;临床症状减轻，关节功能明显改善。2002年Hernigou和Beaujean又对多年来积累的骨髓移植治疗股骨头坏死病例(116例共189髋)进行了回顾性分析研究。该组病例随访5～11年，平均随访7年。股骨头坏死的病因分类:激素性16%，酒精性30%，镰状细胞病34%，器官移植11%，特发性5%，其他4%。ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨头坏死145髋，在随访的终点共有9例进行髋关节置换，ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨头坏死44髋，在随访的终点共有24例进行了髋关节置换。研究还发现激素性、酒精性和器官移植后股骨头坏死病人移植的骨髓基质干细胞数较镰状细胞病病人少。2008年Asada等进行了注射骨髓干细胞预防激素性股骨头坏死的动物(兔)实验。实验组为去甲氢化可的松+自体BMC(G1期);对照组为氢化可的松(20mg/kg)，氢化可的松(20mg/kg)+钻孔，氢化可的松(20mg/kg)+生理盐水。实验结果显示自体BMC注射组无股骨头坏死发生，而对照组股骨头坏死发生率为70%。所以自体BMC注射能够预防短期大剂量使用激素发生股骨头坏死。Wang和Li等通过自体骨髓移植治疗ARCOⅠ～ⅢA期股骨头坏死45例(59髋)，取自体髂骨骨髓100～180m l，离心后浓缩骨髓为30～50ml，骨髓细胞浓度由离心前(12.2±3.2)×106/ml增加到(35.2±12.0)× 106/ml。坏死股骨头CD后经通道注入自体浓缩骨髓30～50ml。随访 12～40个月，临床总有效率79.7%，Harris评分由术前71分增加到术后83分，14髋股骨头塌陷或关节间隙变窄，其中7例行关节置换术。虽然众多学者进行了骨髓移植治疗早期股骨头缺血性坏死的研究并取得一定效果，但仍有许多问题仍未能明了。如注射的骨髓究竟含多少单核细胞成骨最好?如何保证注射后的数十毫升骨髓保留在股骨头内?骨髓单核细胞和成骨前体细胞哪种细胞更有效?外源性的细胞因子有无促进坏死股骨头的修复作用?血管内皮系细胞有无促进成骨系细胞的作用及其效应如何等均值得进一步探讨。

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