细胞凋亡在激素诱导性股骨头坏死中的研究进展

王小龙，赵建民，刘瑞，王雪梅

(内蒙古医科大学附属医院骨科，内蒙古 呼和浩特 010059)

细胞凋亡在激素诱导性股骨头坏死中的研究进展

王小龙，赵建民*，刘瑞，王雪梅

(内蒙古医科大学附属医院骨科，内蒙古 呼和浩特 010059)

股骨头坏死主要分为创伤性和非创伤性两种形式，由于糖皮质激素被广泛用于治疗某些疾病如重症急性呼吸综合征(severe acute respiratory syndrome，SARS)、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎、白血病、器官移植后等，因而激素诱导性股骨头坏死(steroid-induced femoral head necrosis，SIFHN)已成为目前非创伤性股骨头坏死的最常见原因[1-3]。尽管激素性股骨头坏死发病机制的许多学说已经提出，但其生物学机制尚未完全明了。近年来，许多国内外研究表明骨细胞凋亡与激素性股骨头坏死密切相关，本文对激素性股骨头坏死中的细胞凋亡研究状况作一分析。

1 细胞凋亡的定义和检测方法

细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。与细胞坏死不同，细胞凋亡是一个主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等作用。细胞凋亡的检测方法众多，目前以TUNEL和透射电镜观察细胞凋亡在SIFHN最为常用。

2 SIFHN的细胞凋亡研究历史

1957年首例使用皮质类固醇治疗类风湿关节炎患者发展为股骨头坏死报告以来，过多使用激素发展为股骨头坏死(osteonecrosis of the femoral head，ONFH)的关系已经确立。程少华等[4]指出，激素对于股骨头坏死骨细胞是一种直接的凋亡诱导剂，在激素诱导的股骨头骨细胞的死亡中，凋亡是骨细胞的重要死亡方式。细胞凋亡概念的提出为研究股骨头缺血性坏死提供了一种全新的研究思路。Kerachian等[5]研究应用大剂量激素诱导早期鼠股骨头坏死中发现，激素可以诱导成骨细胞、破骨细胞和骨细胞的凋亡，而骨组织细胞凋亡累积所形成的不可逆修复的结局，最终导致股骨头坏死、塌陷的发生。最近的研究发现[6-7]，在激素性股骨头坏死的早期，确实存在有骨细胞、成骨细胞以及骨髓细胞的凋亡。

到目前为止，研究细胞凋亡和激素性股骨头缺血性坏死的关系只限于动物模型或少量的患者，尚待进一步进行大规模病例对照研究和阐明细胞凋亡引起激素性股骨头坏死的确切致病机制。

3 SIFHN发病机制中细胞凋亡相关基因的研究

众多研究表明，成骨细胞、骨细胞、骨髓基质细胞凋亡是SINFH的主要特点之一，细胞凋亡相关的基因调节SINFH的进展[8-10]。caspase半胱氨酸蛋白酶家族作为细胞凋亡过程中的中心环节和执行者，近年来受到了广泛的关注。胡峰等[11]在动物模型研究发现caspase-3介导的细胞凋亡参与了早期激素性股骨头坏死的发病过程，并且随病程的进展caspase-3活性逐渐升高。研究发现[12]caspase-3主要作用在细胞凋亡的执行阶段，活化后的caspase-3影响DNA复制、转录和损伤修复。梁博伟等[13]研究报道沉默膜联蛋白A1基因促进成骨细胞的凋亡，膜联蛋白A1基因表达下调通过激活caspase-3引起成骨细胞凋亡。其他研究结果表明[14-15]，激素可提高caspase-3的表达促进骨细胞凋亡，降低bcl-2的表达抑制抗凋亡作用，进而导致激素性股骨头坏死的发生和发展。

Fas及其配体FasL是近年来研究的最为深入的有关细胞凋亡的膜表面分子，Fas属肿瘤坏死因子受体家族成员，而FasL属肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)家族成员，FasL与其受体Fas结合启动凋亡信号的转导导致细胞凋亡。Kogianni等[16]发现地塞米松是诱导骨细胞凋亡和FAS/CD95死亡受体相关，FAS与CD95结合后依赖caspase-8引起一系列的级联反应启动凋亡信号的转导引起细胞凋亡。另外，Wang等[17]在其实验中发现肿瘤坏死因子TNF-α的1031CT/CC和863AC基因型可能是SARS患者并发股骨头坏死的危险因素。

迄今为止，已发现参与激素性股骨头坏死的凋亡抑制分子包括：P53和bcl-2家族的抗凋亡基因，如bcl-2。众多研究表明激素与bcl-2基因有关，bcl-2蛋白通过阻断细胞凋亡信号传递系统的最后共同通道而抑制细胞凋亡。Moriishi等[18]在特定的成骨细胞bcl-2转基因小鼠研究意外发现，bcl-2在成骨细胞的过度表达抑制了成骨细胞的分化，最终导致骨细胞凋亡。

P53在G1期负责检查染色体DNA是否有损伤，具有阻断细胞增殖和引起细胞凋亡的作用。Li等[19]研究结果表明，地塞米松可以上调P53激活糖皮质激素受体，然后提高其转录活性，进而诱导MC3T3-E1成骨样细胞发生凋亡，他们还指出P53有望被用于激素诱导的骨质疏松症和骨坏死的治疗的新靶点。Tian Lei等[7]在马血清联合激素构建的兔股骨头坏死模型中指出，甲泼尼龙抑制了bcl-2的表达，促进了P53的表达，P53基因上调与bcl-2基因下调共同造成骨细胞的凋亡。

4 SIFHN发病机制中细胞凋亡存在的争议

目前虽然大量的报道表明细胞凋亡与激素性股骨头坏死密切相关，但仍有一些研究未发现细胞凋亡。Weinstein等[20]在成骨细胞和骨细胞过度表达11β-HSD2的转基因老鼠实验中，研究发现激素并不促进破骨细胞凋亡，反而能延长破骨细胞寿命。此外，Davies等[21]报道地塞米松有抗骨细胞凋亡的作用，他们认为可能是由于采用不同的凋亡检测方法所致。Cooper等[22]在研究激素对骨细胞作用时发现激素可引起成骨细胞和骨细胞凋亡，但并不引起破骨细胞凋亡。然而在一项早期大鼠骨组织标本进行的实验研究观察到细胞凋亡是早期激素性股骨头坏死的首要变化，骨坏死却没有明显的发生[23]。

因此，笔者认为下面几个可能是导致争议的主要原因：就细胞凋亡在激素性股骨头坏死中的作用机制，其结论大多来自动物实验，目前还没有合适的动物模型。另外，虽然造模方法很多，但都无法完全演变从股骨头坏死早期到最终股骨头塌陷的整个过程；同时，动物实验模型的一致性也不能取代股骨头坏死患者个体间对激素的敏感性的差异，由此而得出的实验结论就不太客观、全面。

5 抗凋亡治疗药物在SIFHN的研究

暴淑英等[15]在其研究中表明大剂量激素可能通过抑制bcl-2表达和促进caspase-3表达引起股骨头坏死，阿仑磷酸钠可能通过与激素相反的途径来防止骨细胞凋亡，从而降低早期激素性兔股骨头坏死的发生率。同样，Tian Lei等[7]通过免疫组化及TUNEL验证，阿魏酸钠(sodium ferulate，SF)通过降低caspase-3的表达和上调bcl-2表达可以有效地干预细胞凋亡和降低股骨头坏死的凋亡率。SF可能干扰细胞凋亡，预防或延缓类固醇诱导骨坏死的发生，其可能的机制是：a)SF可以减少过度的糖皮质激素引起的氧自由基和细胞毒性，激素可诱导过氧化和DNA损伤[24]；b)SF可以减少的caspase-3的蛋白水平，增加bcl-2的表达，保护DNA被损害，并抑制凋亡途径[25]。

李挺松等[26]表明普拉固除了降脂、抗高凝、纠正锌代谢紊乱外，还可以通过调控相关凋亡基因等方面改善激素诱导的股骨头坏死，其分子机制可能与抗凋亡基因bcl-2有关。其他研究报道普伐他汀可通过抑制PPARγ的表达和激活Wnt信号通路预防激素性股骨头坏死[27]。

谢小伟等[28]通过大鼠SIFHN模型，证明了阿仑膦酸钠和洛伐他汀联合应用效果好于单一用药对早期SIFHN的预防作用，但他们未从组织学、生化学和基因学等角度阐述两种药物联合防治SIFHN的可能机制。其他研究发现粒细胞集落刺激因子/干细胞因子可以增加血清骨钙素的分泌，提高骨小梁矿化率和骨形成率，实验结果表明粒细胞集落刺激因子/干细胞因子治疗组股骨头坏死的发病率显著下降，其通过抑制caspase-3依赖的骨细胞凋亡在预防SIFHN兔模型发挥有益作用[10]。此外，国外的一项研究发现[29]，地塞米松通过上调促凋亡基因的表达，如bcl-X(L)，诱导骨细胞凋亡；钒酸盐可以防止激素导致的鼠体外成骨细胞和体内骨细胞凋亡，降低TUNEL阳性的骨细胞凋亡率，进而发挥治疗作用。

尽管这些药物在预防和治疗动物早期激素性股骨头坏死具有一定作用，但是在人体股骨头坏死是否具有相同疗效尚需进行多中心临床研究。

可喜的是，Li等[30]检测细胞凋亡发现，六味地黄丸可改善脂质代谢，抑制骨细胞凋亡，降低凋亡指数，进而预防激素性股骨头坏死。这些研究结果可以给我们提供一个启示，治疗早期激素性股骨头坏死可以聚焦于阻断触发细胞凋亡这一切入点，从而防止疾病的进展与继发性骨关节炎的发展。

在临床上肾炎、器官移植及系统性红斑狼疮等疾病的治疗过程中必须使用皮质激素，通过MRI等影像学以及细胞凋亡检测方法[31]，定期筛查这些高危易感人群。一旦发生了坏死，在早期尚未出现不可逆转的塌陷之前，采用抗凋亡等中西医结合方式有效的干预，从而阻断甚至逆转病程，早期治愈骨坏死。

综上所述，尽管存在争论，细胞凋亡在激素性股骨头坏死的发生、发展中发挥着重要的作用。随着细胞凋亡在激素性股骨头坏死发病机制研究的深入，我们能够从更微观的水平探寻激素性股骨头坏死的本质，有望为股骨头坏死的早期发现、诊断以及早期靶向治疗、预防带来新的突破。

[1]Wang C，Peng J，Lu S.Summary of the various treatments for osteonecrosis of the femoral head by mechanism：A review[J].Exp Ther Med，2014，8(3)：700-706.

[2]Weinstein RS.Glucocorticoid-induced osteonecrosis[J].Endocrine，2012，41(2)：183-190.

[3]Chan KL，Mok CC.Glucocorticoid-Induced Avascular Bone Necrosis.Diagnosis and Management[J].The Open Orthopaedics Journal，2012(6)：449-457.

[4]程少华，催超，常巍，等.激素性股骨头缺血性坏死细胞凋亡的实验研究[J].中华实用与治疗杂志，2010，24(4)：368.

[5]Kerachian MA，Harvey EJ，Cournoyer D，etal.A rat model of early stage osteonecrosis induced by glucocorticoids[J].J Orthop Surg Res，2011，6(1)：62-68.

[6]Yawon H，Jinuk P，Seok HC.Traumatic and Non-traumatic Osteonecrosis in the Femoral Head of a Rabbit Model[J].Lab Anim Res，2011，27(2)：127-131.

[7]Tian Lei，Dang Xiaoqian，Wang Kunzheng，etal.Effects of sodium ferulate on preventing steroid-induced femoral head osteonecrosis in rabbits[J].J Zhejiang Univ Sci B，2013，14(5)：426-437.

[8]Tong P，Wu C，Jin H，etal.Gene Expression Profile of Steroid-induced Necrosisof Femoral Head of Rats[J].Calcif Tissue Int，2011，89(4)：271- 284.

[9]Wu CL，Mao Q，Jin HT，etal.Study on the effect of Youguiyin on regulating gene expression profile of the rats with femoral head necrosis induced by steroid[J].Chin J Integr Med，2012，18(4)：269-275.

[10]Wu X，Yang S，Wang H，etal.G-CSF/SCF exert beneficial effects via anti-apoptosis in rabbits with steroid-associated osteonecrosis[J].Exp Mol Pathol，2013：94(1)：247-254.

[11]胡峰，赵劲民，李晓峰，等.早期激素性股骨头缺血性坏死模型的建立及半胱天冬酶3活性测定[J].中国组织工程研究与临床康复，2012，14(20)：3701-3704.

[12]Végran F，Boidot R，Solary E，etal.A short caspase-3 isoform inhibits chemotherapy-induced apoptosis by blocking apoptosome assembly[J].PLoS One，2011，6(12)：e29058.

[13]梁博伟，潘新元，赵劲民，等.沉默膜联蛋白A1基因影响兔骨髓间充质干细胞的增殖及成骨分化能力[J].中国组织工程研究与临床康复，2012，16(19)：3421-3426.

[14]张锐东，张澜，毛洪刚，等.激素性股骨头坏死模型中凋亡相关因子的表达[J].中国组织工程研究与临床康复，2013，17(7)：1189-1195.

[15]暴淑英，赵庆国，毕黎琦.激素性股骨头坏死早期细胞凋亡相关基因表达及阿仑磷酸钠的干预[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(46)：9095-9099.

[16]Kogianni G，Mann V，Ebetino F，etal.Fas/CD95 is associated with glucocorticoid-induced ostecyte apoptosis[J].Life Sci，2004，75(24)：2879-2895.

[17]Wang S，Wei M，Han Y，etal.Roles of TNF-alpha gene polymorphisms in the occurrence and progress of SARS-Cov infection：a case-control study[J].BMC Infect Dis，2008，29(2)：8-27.

[18]Moriishi T，Maruyama Z，Fukuyama R，etal.Overexpression of bcl-2 in osteoblasts inhibits osteoblast differentiation and induces osteocyte apoptosis[J].PLoS One，2011，6(11)：e27487.

[19]Li H，Qian W，Weng X，etal.Glucocorticoid receptor and sequential P53 activation by dexamethasone mediates apoptosis and cell cycle arrest of osteoblastic MC3T3-E1 cells[J].PLoS One，2012，7(6)：e37030.

[20]Weinstein RS，Wan C，Liu Q，etal.Endogenous glucocorticoids decrease angiogenesis，vascularity，hydration，and strength in aged mice[J].Aging Cell，2010，9(2)：147-161.

[21]Davies JH，Evans BA，Jenney ME，etal.In vitro effects of combination chemotherapy on osteoblasts：Implications for osteopenia in childhood malignancy[J].Bone，2002，31(2)：319-326.

[22]Cooper MS.Sensitivity of bone to glucocorticoids[J].Clin Sci，2004，107(2)，111-123.

[23]Kerachian MA，Cournoyer D，Harvey EJ，etal.New insights into the pathogenesis of glucocorticoid-induced avascular necrosis：microarray analysis of gene expression in a mode[J].Arthritis Res Ther，2010，12(3)：2-12.

[24]Rukkumani R，Aruna K，Varma PS，etal.Influence of ferulic acid on circulatory prooxidant-antioxidant status during alcohol and PUFA induced toxicity[J].J Physiol Pharmacol，2004，55(3)：551-561.

[25]Sudheer AR，Muthukumaran S，Kalpana C，etal.Protective effect of ferulic acid on nicotine-induced DNA damage and cellular changes in cultured rat peripheral blood lymphocytes：a comparison with N-acetylcysteine[J].Toxicol in Vitro，2007，21(4)：576-585.

[26]李挺松，肖增明，黄秋嫔，等.降脂抗凝联合作用对兔激素性股骨头坏死骨细胞凋亡的影响[J].中国医科大学学报，2014，43(5)：441-445.

[27]Jiang Y，Zhang H，Zhu B，etal.Pravastatin prevents steroid-induced osteonecrosis in rats by suppressing PPARγ expression and activating Wnt signaling pathway[J].Exp Biol Med(Maywood)，2014，239(3)：347- 355.

[28]谢小伟，康鹏德，裴福兴，等.阿仑膦酸钠联合洛发他汀预防大鼠激素性股骨头坏死骨小梁Micro-CT改变研究[J].中国矫形外科杂志，2013，21(1)：209.

[29]Conraie MM，de Wet H，Kotze DD，etal.Vanadatepre-vents glucocorticoid-induced apoptosis of osteoblasts in vitro and osteocytes in vivo[J].J Endocrinol，2007，195(2)：229-240.

[30]Li W，Wang X，Liu B，etal.Preventing steroid-induced osteonecrosis of the femoral head with Liuwei dihuang pills and molecular mechanism[J].Zhongguo Xiufu Chongjian Waike Zazhi，2010，24(4)：446-451.

[31]Karantanas AH，Drakonaki EE.The role of MR imaging in avascular necrosis of the femoral head[J].Semin Musculoskelet Radiol，2011，15(3)：281-300.

国家自然基金项目(81360224)；*本文通讯作者：赵建民

1008-5572(2015)01-0056-04

R681.8

A

2014-10-10

王小龙(1988- )，男，医师，内蒙古自治区呼和浩特市内蒙古医科大学附属医院骨科，010059。