藁本内酯防治股骨头坏死的分子学机制探讨

刘建军 陈欣 李元贞 安文博 王凯 谢兴文

【关键词】 股骨头坏死;藁本内酯;当归;分子机制;信号通路

股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是由于股骨头血运障碍、骨组织微环境遭到破坏，导致股骨头塌陷、形态改变，以髋关节疼痛、功能活动受限为继发性表现的疾病[1]。数据显示，我国非创伤性ONFH患者人数已达812万，男性患病率为1.02%，高于女性[2]。ONFH属于骨科临床常见的难治性疾病，其高致残率严重影响患者生活质量，高额的经济投入给患者家庭和社会带来了沉重的负担。ONFH临床治疗方案根据具体的分期、分型有手术和非手术之分，但目前尚无可彻底逆转病情发展的干预手段[3]，如何有效地预防、治疗ONFH是骨科领域面临的重大难题。中医药治疗ONFH辨证论治、多法并举，在减轻临床症状、改善关节功能、延缓病情进展方面疗效确切[4]。中药内服以化瘀通络、固本强骨为主，根据《神农本草经》记载，伞形科植物当归味甘微温，具有活血补血、生肌健骨之效[5]，是治疗ONFH的常用中药。藁本内酯是以当归根为原材料提取的活性成分，现代研究表明，其具有改善微循环、抗炎、镇痛、抗氧化的作用，在调节血管舒张功能方面的药理学活性尤为明显[6]。本文就藁本内酯在ONFH防治领域取得的最新进展进行探讨，以期为新药研发提供新思路，拓展临床用药思路。

1 ONFH的相关信号通路

创伤、激素和酒精引起股骨头内部血运障碍、骨组织坏死，是ONFH发生的主要病理因素。旋股内动脉分出的骺外侧动脉保证了股骨头的大部分血供，创伤后血供中断，从而导致ONFH的发生[7]。骨骼的健康主要依赖于骨形成与骨吸收之间动态失衡，骨小梁稀疏、骨髓组织坏死、股骨头内部应力分布异常诱发ONFH。无论是激素性ONFH，还是酒精性ONFH，都存在不同程度的成骨细胞与破骨细胞功能紊乱、骨质破坏[8]。研究证实，骨保护素（OPG）/核转录因子-κB受体活化因子（RANK）/核转录因子-κB受体活化因子配体（RANKL）、Toll样受体4（TLR4）/核转录因子-κB（NF-κB）及脂联素（APN）-单磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）等信号转导系统对ONFH的发生、发展有着重要的调控作用。

1.1 OPG/RANK/RANKL信号通路 RANKL位于成骨细胞上，与破骨细胞表面的RANK相互作用促进破骨细胞的生成，进而增强骨吸收过程[9]。骨髓间充质干细胞分泌的OPG与RANKL竞争性结合抑制破骨细胞的增殖、分化。OPG/RANK/RANKL信号通路失调与ONFH的发生密切相关，TINGART等[10]发现，ONFH患者体内OPG基因的表达水平对破骨细胞的分化率有着重要影响;使用糖皮质激素后OPG/RANKL的比例失调[11]，破骨细胞增殖、分化能力加强，加速ONFH的发生。另外，OPG/RANK/RANKL信号通路也是诱导酒精性ONFH发生的重要途径，与OPG表达水平降低、对骨溶解过程的抑制作用减弱有关[12]。血管内皮生长因子（VEGF）与血管内皮细胞表达的VEGF受体结合后能促进血管的新生，血管内皮细胞和平滑肌细胞表达的OPG与VEGF具有一定的关联性，能通过对股骨头内部血管的重塑与修复作用延缓ONFH的病变进展[13]。总之，OPG/RANK/RANKL信号通路在骨代谢、免疫调节、血管修复等多个层面影响ONFH的病理过程。

1.2 TLR4/NF-κB信号通路 TLR4属于白细胞介素1的受体超家族，是激活髓样分化因子（MyD88）依赖信号通路和MyD88非依赖转导系统的启动因子[14]。NF-κB是位于信号通路下游的重要核转录因子，TLR4与配体结合后激活NF-κB调节机体的炎症反应[15]。TLR4/NF-κB信号通路失调，炎性因子异常表达，直接或间接影响ONFH的发生。吴兴净等[16]发现，在酒精性ONFH的股骨头内TLR4的表达水平明显升高，且坏死程度越重，TLR4 mRNA的表达越明显。ADAPALA等[17]研究表明，巨噬细胞参与ONFH的炎症反应，而在ONFH的动物模型中TLR4的水平明显升高，坏死骨组织通过激活TLR4/NF-κB通路介导巨噬细胞的促炎反应。田雷等[18]通过大鼠实验证实，使用激素后TLR4通路激动活化，正常的免疫功能被扰乱，骨吸收病理性亢进，骨组织损伤加重，最终发展为ONFH。TLR4激活TLR4/NF-κB转导系统的同时，还会抑制Wnt/β-catenin信号通路[19]，通过串联效应影响骨组织的重塑与修复。另外，血管内皮细胞表面的TLR4/NF-κB信号通路激活，炎性介质损伤内皮细胞，导致血流动力学异常，也是诱发ONFH的重要方面。

1.3 APN-AMPK信号通路 APN是脂肪细胞分泌的特殊蛋白，能够调节骨代谢的正向平衡[20]。AMPK是维持糖脂代谢和能量平衡的重要丝氨酸/苏氨酸激酶[21]。APN属于AMPK的激动剂，两者构成的APN-AMPK系统，在保護血管内皮细胞、维持机体内环境稳定、降低炎性反应方面发挥着重要作用。张翔等[22]研究发现，APN含量对ONFH发病有着直接影响，使用糖皮质激素会降低APN的表达水平，APN-AMPK信号通路的抑制导致脂质代谢紊乱、坏死区域骨压升高，进一步加剧了股骨头内部结构的破坏。YUE等[23]发现，ONFH患者的血清APN浓度低于正常人，且病情越重，APN下降趋势越明显。说明APN水平降低是导致ONFH发生的重要因素，从一定程度上也能反映ONFH病变的程度，这与APN-AMPK信号通路调控功能的紊乱密切相关。

2 藁本內酯防治ONFH的分子学机制

藁本内酯是从当归根茎中提取的活性成分，作为药效标志物，是当归挥发油中含量较高邻苯二甲酸酯衍生物[24]，具有促进血液循环、抗脂质过氧化、抑制炎症反应、改善疼痛等广泛的药理作用，其口服生物利用度高，在心脑血管疾病、骨关节炎、代谢性骨病的防治领域具有良好的药用价值。藁本内酯针对ONFH的发病机制，不仅通过下调RANK的表达水平抑制破骨细胞活性、阻断异常的骨吸收[25]，还能通过改善股骨头局部血供、抑制炎症反应、减轻脂质积累及过氧化等发挥抗ONFH的作用。

2.1 改善血供 各种原因导致血管内皮细胞损伤，新生血管减少，股骨头缺血是ONFH发生的主要机制，静脉淤积、微循环障碍贯穿本病的始终。藁本内酯可以纠正氧糖剥夺条件下血管内皮细胞的缺血状态，从而维持血管微环境的相对稳定，还能通过提升VEGF的表达水平促进血管的新生[26]，这与藁本内酯激活PI3K-Akt信号通路有关。血管平滑肌细胞（VSMCs）是机体动脉主要的构成细胞，血管受损后VSMCs出现病理性的增殖、迁移[27]，引起血管狭窄导致血液供应不良。藁本内酯可通过调节原癌基因c-Myc/基质金属蛋白酶2（c-Myc/MMP-2）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、黏着斑激酶（FAK）等信号通路抑制VSMCs的迁移[28]，从而促进血管重塑，保证正常的血供。藁本内酯还可通过激活ERK信号通路，从一定程度上抑制血管内皮细胞的过度自噬，通过对抗凋亡形成血管内皮细胞的双重保护机制，以纠正血管功能的紊乱状态。LIANG等[29]发现，藁本内酯能抑制去甲肾上腺素和氯化钙引起的血管收缩，具有舒张大鼠离体动脉血管的作用。另外，藁本内酯能抗血小板凝集缓解血液的淤滞状态，减轻血管阻力，这与抑制血小板中花生四烯酸的代谢相关[30]。总之，藁本内酯在促进血管新生、改善血液循环方面发挥着重要作用，通过对血管内皮细胞的保护，增加股骨头的血流量，以减轻缺血骨组织的损伤与坏死。

2.2 抑制炎症反应 炎症反应是导致ONFH发病的核心环节，激素、酒精等不良因素导致股骨头缺血损伤，TLR4/NF-κB炎症通路被激活，异常的免疫应答使白细胞介素（IL）-1、IL-3、IL-6、IL-12以及肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等炎症因子呈高表达水平[31]。IL-6通过激活缺氧诱导因子-1α通路介导关节软骨和滑膜的炎症，加重髋关节的继发性病变，加速坏死股骨头的塌陷[32]。大量的炎性物质浸润至血管内皮后，促炎因子大量产生，诱发血管炎性反应的发生，造成血管的损伤，进一步加重股骨头的缺血坏死。另一方面，IL-1、IL-6、IL-12及TNF-α等炎性介质造成OPG/RANK/RANKL信号轴功能紊乱[33]，RANKL的表达量增加，OPG/RANKL比例失调，破骨细胞活性增强，抑制骨的形成与修复，加剧了骨破坏进程。藁本内酯具有NF-κB的抑制活性，通过阻止NF-κB的激活[34]，抑制TLR4/NF-κB通路介导的炎性反应，减少细胞黏附因子的表达，进而减轻血管内皮细胞的损伤。高颖等[35]研究发现，藁本内酯可以降低IL-6和TNF-α的表达水平，从而发挥抗炎的生物效应，其作用机制与TLR4-My D88-NF-κB信号通路的抑制有关。还有研究表明，藁本内酯可以减轻炎症反应导致的水肿、渗出[36]，在一定程度上能够缓解ONFH区域骨髓的水肿、充血，减轻骨细胞的缺血坏死，改善髋部的疼痛症状。

2.3 减轻脂质过氧化 越来越多的证据表明，脂质代谢紊乱也是导致ONFH的重要因素。脂肪代谢功能的低下，导致血液黏稠度增高，加重了静脉的淤滞状态，血液中大量的脂类物质极易形成脂肪栓塞和血栓，堵塞股骨头内微血管，引起骨细胞的变性、坏死[37];脂肪滴大量堆积在髓腔，导致骨内压升高，局部血液运行障碍，破骨细胞增殖活性大于成骨细胞，骨代谢紊乱，最终诱发ONFH[38]。甾醇调节元素结合蛋白2（SREBP2）能够调节胆固醇和脂肪酸的代谢，从而维持机体脂质的稳态。研究发现，ONFH患者血清中的甘油三酯偏高，低密度脂蛋白/高密度脂蛋白比例上调[39]，SREBP2基因的多形态与ONFH的临床表型相关，影响脂质的代谢水平。临床研究表明，酒精性ONFH与脂类的代谢密切相关，脂质代谢紊乱是其发生、发展的关键病理机制[40]。脂质代谢障碍造成机体血清脂类升高，脂质过氧化引起一系列的连锁反应，过氧化物能直接损伤血管内皮细胞，影响小动脉的功能[41];还能改变细胞膜的通透性，大量的脂肪物质穿透骨细胞膜聚积在胞质，引起骨细胞的变性坏死，加重对股骨头的损害。LEE等[42]研究发现，当归及活性成分藁本内酯通过降低脂肪生成相关蛋白、基因的表达水平，抑制小鼠脂肪酸的摄取和酯化，从而减少脂质蓄积。龙锐等[43]发现，藁本内酯能够抑制亚油酸、线粒体和组织匀浆的脂质过氧化，其抑制作用在一定范围内呈剂量依赖关系，从而保护细胞结构的完整性，减轻脂质过氧化物对机体的复杂损伤。

3 小 结

ONFH的发病机制极为复杂，涉及到诸多信号通路的功能失调，以及相关蛋白分子、细胞因子的异常表达，血管微循环障碍、脂质代谢异常、骨微结构破坏是影响ONFH发生、发展与转归的核心环节。藁本内酯能够针对上述病理过程发挥改善股骨头血供、减轻坏死区域炎症反应、对抗脂质过氧化的重要作用，在ONFH的防治领域具有良好的应用前景。但是，目前国内外就藁本内酯干预ONFH具体机制方面的研究较少，明确作用机理、研发新药制剂是今后的工作重心，旨在为ONFH的临床治疗提供新策略。

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收稿日期：2021-10-12;修回日期：2021-11-15