激素性股骨头坏死相关因子的研究进展

张启栋，岳聚安

（中日友好医院 骨关节外科，北京 100029）

激素性股骨头坏死相关因子的研究进展

张启栋，岳聚安

（中日友好医院 骨关节外科，北京 100029）

股骨头坏死（osteonecrosis of femoral head，ONFH），又称股骨头缺血性坏死。临床将ONFH分为创伤性和非创伤性，我国非创伤性ONFH患者有800多万，大剂量糖皮质激素的应用是非创伤性ONFH的主要原因[1]。近年来，ONFH领域研究较多的细胞因子主要有以下几种：转化生长因子（transforming growth factor-β，TGF-β）、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、低氧诱导因子 1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）、11β-羟基类固 醇 脱 氢 酶 （11β-hydroxy steroid dehydrogenase，11β-HSD）、 肝细胞色素 P450酶 3A （hepatic cytochrome P4503A，CYP3A）等。本文旨在对上述相关因子做一综述。

1 TGF-β

临床上收集激素性ONFH标本，采用免疫组织化学检测股骨头标本骨组织中TGF-β1，发现激素性ONFH骨组织中TGF-β1表达水平过低，ONFH程度越重，TGF-β1的表达量越少。Zhu等[2]研究表明，TGF-β通路同时是ONFH成纤维细胞活化的靶标。赵丁岩等[3]研究发现，在股骨头微血管内皮细胞Smad3及其活性形式Smad3二聚体的表达水平随着糖皮质激素剂量的升高而下降，抑制性型蛋白Smad7则阳性表达。Samd2/3信号可通过上调血管内皮细胞成熟相关基因的表达，抑制细胞的增殖和迁移，促进细胞外基质沉积，基膜形成，诱导新生血管的形成。

适度增加血液中患者病变局部TGF-β的浓度及数量可以促进坏死股骨头的修复。蓝天等[4]取正常大白兔股骨骨髓进行骨髓间充质干细胞 （marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的原代及传代培养，用 rLV-ZsGreen荧光慢病毒转染标记培养好的细胞，BMSCs复合 TGF-β2及geneX支架经髓芯减压移植治疗激素性ONFH，结果显示实验组BMP2细胞阳性表达量及BMP2基因表达量均上调，BMP2蛋白表达量上升，促进股骨头修复。对中药活骨一号作用机制的基础研究表明，中药活骨一号可以调控TGF-β及Smad因子表达而治疗ONFH[5]。

2 BMP

BMP存在于骨基质中，并有成骨诱导作用。BMP家族成员近50种，其中以BMP2成骨活性最强。BMP2可以诱导间充质细胞分化为软骨细胞和骨细胞，并使其表达VEGF，在骨组织中创造一个有利于血管化的环境。BMP2并不直接作用于靶基因，而是通过BMP2受体、信号途径和靶基因组成的一个较完整的信号系统发挥骨诱导作用，BMP2处于系统的核心和启位点，缺乏BMP2表达的小鼠体内的骨祖细胞大部分失去了增殖和分化成成骨细胞的能力。激素诱导的ONFH病例中BMP2表达受抑制，且抑制的程度与用药成正比。周勇等[6]发现BMP2在坏死交界区表达强度高于坏死区和正常区。

BMP2是最主要的调节骨形成的信号蛋白，无论是动物模型研究还是临床实践，均证明应用BMP2具有强大的成骨作用，可以治疗ONFH。Katiella等[7]应用BMP2转染BMSCs复合镁合金棒修复兔ONFH，结果术后12周HE染色显示BMP2基因复合BMSCs有延缓和修复股骨头缺血性坏死的作用。张波等[8]通过富血小板血浆联合骨髓间充质干细胞提高股骨头中BMP2蛋白水平，可促进股骨头骨细胞增殖，减少骨陷窝空缺率。在临床治疗中，Sun等[9]通过临床对照研究，在开窗植骨的ONFH患者植入BMP获得优良效果，推荐手术时加入rhBMP2，以提高手术疗效和骨修复质量。

3 VEGF

VEGF是由血小板、巨核细胞、内皮细胞和成骨细胞等分泌的一种糖蛋白，它在体内外均可特异性地促进血管内皮细胞的生长并诱导血管生成，具有强大的促内皮细胞增殖、促血管生成作用，对软骨内成骨及骨修复过程中的血管入侵有重要作用。VEGF的激酶结构域受体（kinase domain receptor，KDR）只结合VEGF，不结合其他内皮生长因子，因而VEGF可特异作用于内皮细胞，发挥其增殖和生成血管的作用。与KDR受体结合后则可以增加毛细血管后静脉和小静脉的通透性，促进营养物质和炎性物质的渗出。由于VEGF与受体结合后能促进微血管周围内皮细胞的增殖、迁移并改变其基因表达，促进新生血管形成；又因它具有导致血管通透的能力，促使血浆蛋白的渗出，形成富含纤维素并有利于新血管形成的细胞外基质，所以VEGF被认为是最有力的血管生成因子。Hong等[10]对3篇文献进行系统评价发现，VEGF基因-634G/C多态性与ONFH发生相关，尤其是在男性组更为明显。

Zhu等[11]发现激素型ONFH的VEGF与BMP2表达均受到明显抑制。大剂量应用糖皮质激素可导致细胞内环氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）以及后续的前列环素E2（prostacyclin E2，PGE2）表达减少，PGE2 的减少导致促血管生成物质VEGF合成不足。在ONFH早期修复的过程中，新生骨的形成、与之偶联的成血管过程均可见VEGF大量表达，随着病程进展，VEGF表达迅速下降。随着糖皮质激素抑制VEGF的合成，阻碍股骨头内毛细血管生长和再生，减少毛细血管床面积，当缺血缺氧发展到一定程度时，各种组织和细胞得不到充分的血供和营养，股骨头内的细胞及组织即发生坏死性改变。临床观察VEGF和BMP2在非创伤性ONFH不同区域的表达情况，发现VEGF和BMP2在非创伤性ONFH交界区表达强度高于坏死区和正常区。

与激素抑制VEGF表达相对应，大多数骨诱导因子促进骨修复是通过刺激VEGF产生来实现的，利用药物促进股骨头内源性VEGF的表达，进而促进坏死区域血管再生及新骨形成是治疗股骨头缺血坏死的可行途径。通过基因转染等方法促进激素影响的股骨头局部VEGF及其相关细胞因子含量，从而增强股骨头血供，提高骨组织修复能力。迮仁浩等[12]应用pcDNA3.1-VEGF165重组质粒转染兔BMSCs，复合聚乳酸/羟基磷灰石 （PLA/HA）支架植入ONFH兔体内，采用逆转录-聚合酶链反应（RT-PCR）检测pcDNA3.1-VEGF165重组质粒转染兔BMSCs后VEGF表达，结果发现pcDNA3.1-VEGF165重组质粒转染兔BMSCs后VEGF表达水平明显升高，X线及micro-CT可见坏死骨小梁周围部分新骨及小血管形成。

4 HIF-1α

HIF-1α是在细胞核内广泛表达的调节缺血/缺氧适应性的关键转录因子。低氧时HIF-1α蛋白保持稳定促进血管生成以及VEGF的表达。

低氧是ONFH的病因基础，缺血坏死的股骨头组织内存在HIF-1α的表达明显升高。赵振群等[13]应用激素联合内毒素制备的激素性股骨头缺血坏死模型，发现在激素性股骨头缺血坏死早期，HIF-1α的低表达与骨细胞凋亡存在相关性，二者参与了激素性股骨头缺血坏死的病理变化过程。Li等人[14]利用兔ONFH模型研究证实在低氧条件下HIF-1α和VEGF均低表达，并且HIF-1α介导VEGF影响血管生成，导致缺血坏死。Yamaguchi等[15]利用动物模型研究发现在HIF-1α还可以激活软骨细胞IL-6表达，进而导致滑膜炎症反应。

以HIF-1α为靶点为骨坏死治疗提供了新思路。Ding等[16]利用HIF-1a转染骨髓间充质干细胞，发现HIF-1α转染能够诱导BMCs表达成骨相关基因和VEGF，且成骨分化能力明显加强，这表明HIF-1α转染的BMCs能加强其在体外成骨和成血管的能力。此外，他们将HIF-1α转染的细胞移植到兔ONFH区域，发现新生血管、骨形成均明显增加。这表明HIF-1α转染的细胞对激素诱导ONFH的修复效果理想。Zhu等[17]研究发现抑制剂Dimethyloxaloylglycine可以通过增强HIF-1α表达而增强激素诱导干细胞修复能力而治疗ONFH。

5 糖皮质激素的代谢酶

11β-羟基类固醇脱氢酶（11β-HSD）是糖皮质激素的关键代谢酶，可以催化糖皮质激素C11位的酮基与羟基之间的氧化还原反应，使有生物活性的皮质醇与无活性11β-HSD的相互转化，所以被誉为是糖皮质激素在组织水平上的前受体调节剂。Wang等[18]发现激素性股骨头缺血性坏死的新西兰大白兔的11β-HSD1表达明显升高，而11β-HSD2表达水平下降。11β-HSD1将无活性的皮质醇转化成活性状态，11β-HSD2的功能则正好相反。糖皮质激素对于血管的调节主要是通过作用于内皮细胞和血管平滑肌细胞而实现的，在这2种细胞中，均已发现这2种亚型，故认为糖皮质激素诱导ONFH的病理过程可能和HSD的异常存在有一定关系。Chapman等[19]揭示11β-HSD扩大了内源性糖皮质激素抑制血管形成的功能，他发现11β-HSD表达增加，骨组织局部糖皮质激素半衰期延长，骨组织血管新生能力下降。吴国琼等[20]发现11β-HSD1抑制剂BVT2733可改善高脂血症大鼠的血脂及脂蛋白水平紊乱，降低肝脏脂肪含量并稳定骨骼肌脂代谢基因表达，抑制11β-HSD1活性对高脂血症相关的脂肪组织和骨骼肌异常脂质代谢有一定改善作用。因此，积极调控11β-HSD的表达，是ONFH研究的一个方向。

CYP3A是另一个糖皮质激素的关键代谢酶，属于重要的CYP450酶系，它在肝脏和肠道中含量最丰富。CYP3A基因家族中的CYP450酶约占成年人肝脏CYP450酶总量的25%，临床中约有60%的药物经CYP3A催化代谢。Tokuhara等[21]研究表明，ONFH的CYP3A低活性导致糖皮质激素代谢减缓，是ONFH的主要原因。然而，CYP3A存在明显多态性及个体差异[22]。考虑到个体对激素敏感性的不同，Ikemura等[23]研究发现，个体CYP3A酶活性在激素诱导兔ONFH的明显降低是导致ONFH的重要因素，并且存在性别差异。Kubo等[24]研究认为CYP3A是激素性ONFH的重要影响因子。由于肝脏CYP3A活性低，导致糖皮质激素代谢时间延长，毒素效应如氧化应激增加，因此即使低剂量的糖皮质激素，也可以诱发股骨头缺血坏死。通过诱导调节CYP3A靶向活性，可以对激素性ONFH起到治疗作用。段瑞奇等[25]探讨中药骨康通过对CYP3A活性调控预防ONFH的作用，发现给药后CYP3A活性显著升高，ONFH发生率明显低于对照组，CYP3A活性与兔ONFH发生率及空骨陷凹率均呈负相关，中药骨康能显著诱导CYP3A高表达，对激素性ONFH有预防作用。

综上所述， TGF-β、BMP、VEGF、HIF-1α 是激素 性ONFH发生过程中与血管内皮细胞功能密切相关的因子，通过调控可以在骨组织修复过程中起关键作用。但是11β-HSD、CYP3A等糖皮质激素的代谢酶在激素性ONFH发生中的作用也是值得关注的另一方向。

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R681

A

1001-0025（2017）04-0242-03

10.3969/j.issn.1001-0025.2017.04.013

张启栋（1982-），男，主治医师，医学博士。

2017-03-13

2017-04-30