激素性股骨头坏死发病机制及相关信号通路研究进展

胡兆林，常峰

(1.山西医科大学，太原 030001； 2.山西医科大学附属人民医院骨科，太原 030012)

股骨头坏死发病机制复杂且较难治愈。随着糖皮质激素的广泛应用，激素性股骨头坏死(steroid-induced avascular necrosis of femoral head，SANFH)患者逐渐增多。研究发现，在接受糖皮质激素治疗的患者中，SANFH的发生率约为40%，较正常人群SANFH的发病率高约20倍[1]。由于SANFH的早期症状及体征均不明显，因此易漏诊或误诊。SANFH的发生可能与血管内凝血、脂代谢紊乱、基因多态性、细胞凋亡、细胞自噬等相关，同时受AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)、缺氧诱导因子-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联蛋白(β-catenin)、骨保护素(osteoprotegerin，OPG)/核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)/核因子κB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)、转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)/信号转导及转录激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)1、Notch等信号通路的调控以及多种细胞因子的影响。Chang等[2]认为，凝血障碍、细胞凋亡异常及脂质代谢障碍均可促进SANFH的发生，其中丙酮酸脱氢酶激酶同工酶1/Akt/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白、蛋白激酶R样内质网激酶以及 Parkin等炎症通路的作用是一种机械性作用。Liu等[3]认为，SANFH的形成也是不同信号通路与细胞因子间相互作用和偶联的结果。现就SANFH的发病机制和相关信号通路的研究进展予以综述。

1 SANFH的发病机制

1.1血管内凝血 研究发现，血液高凝状态可导致股骨头微循环血栓形成和股骨头供血障碍，从而增加SANFH的发生风险，而抗凝治疗可以防治SANFH[4]。长期、大剂量应用糖皮质激素可抑制毛细血管的正常生长和再生，也可促进正常毛细血管退化，导致股骨头血管闭塞和血管内皮细胞损伤，进而导致SANFH的发生[5]。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)不仅可诱导股骨头内血管形成，还参与骨代谢和骨形成。陈森和彭昊[6]研究发现，糖皮质激素可增加血小板聚集风险，导致SANFH发生。林海青等[7]发现，SANFH模型兔的前列环素、一氧化氮水平降低，而内皮素-1、血栓烷A2水平显著升高，导致股骨头血小板凝聚和血管收缩，从而诱发SANFH。综上，血液高凝状态是SANFH发生的重要机制之一。抗凝治疗虽然可以降低SANFH发生的风险，但也增加了出血的风险，因此临床是否选择抗凝治疗，仍需进一步研究和探讨。

1.2脂代谢紊乱 脂代谢紊乱也是SANFH发生的机制之一，Helwig等[8]发现，动脉内注射脂肪组织可诱导兔股骨头血管脂肪栓子阻塞，造成股骨头坏死。有研究表明，应用糖皮质激素可导致患者脂代谢紊乱和高脂血症，进而导致股骨头血供障碍，从而诱发SANFH[9]。胡淼锋等[10]发现，与正常脂肪细胞相比，股骨头内的脂肪细胞体积和直径均显著增大，表明股骨头内的脂肪细胞存在脂质异常堆积。通过透射电子显微镜检查SANFH患者骨小梁发现成骨细胞胞质水肿、脂肪变性等病理现象，且线粒体结构不清，并出现细胞滴，这些微观结构的病理改变导致细胞功能损害，诱发股骨头内血管内皮损伤[11]。糖皮质激素可增加髓内压以及髓内毛细血管和小静脉的回流阻力，导致骨组织内的血供减少；还可导致成骨细胞脂代谢功能紊乱，降低成骨细胞修复能力，从而诱导SANFH发生[12]。此外，糖皮质激素还可诱导血液高黏滞综合征，导致股骨头血液灌注减少；同时，脂质沉积打破骨内微循环平衡，导致成骨细胞缺血缺氧，继而引发股骨头病变，导致SANFH发生[13]。因此，临床应用糖皮质激素治疗时，应注意监测患者的血脂水平，并根据血脂变化应用阿托伐他汀等调节血脂的药物。此外，脂肪栓塞可导致血流中断或严重缺血，进而导致骨组织区域发生缺血坏死，但脂肪栓子也可出现在正常骨组织中，因此脂肪栓子的形成并不一定导致骨组织缺血坏死，需加以鉴别。

1.3基因多态性 基因多态性在SANFH的发生发展中也发挥重要作用。对氧磷酶1可影响骨的形成与重构，对氧磷酶1 rs662基因型与SANFH的发生显著相关[14]。TNF-α可促进破骨细胞增殖，增加骨组织对糖皮质激素的敏感性，TNF-α rs1800630、rs1800629基因型与SANFH发生显著相关，特别是TNF-α rs1800629可导致SANFH的发生风险增加2.41倍[15]。基质金属蛋白酶rs2012390基因型可降低SANFH的发生风险，而rs11225394基因型对股骨头微循环具有负面影响，可增加SANFH的发生风险[16]。此外，ATP结合盒亚家族B成员1(ATP-binding cassette subfamily B member 1，ABCB1)C3435T和G2677T/A 基因型编码P糖蛋白，而P糖蛋白可调控机体对糖皮质激素的敏感性[17]。其中，ABCB1 C3435T基因型可增加P糖蛋白泵活性，减少糖皮质激素在细胞内积累，降低SANFH的发生风险[18]。关于基因多态性的研究，从基因水平阐释了SANFH的发生风险，为SANFH的防治提供了新思路。

1.4细胞凋亡与自噬 细胞凋亡是细胞受到糖皮质激素刺激后发生的程序性死亡，是SANFH的生物学基础。正常相邻的成骨细胞通过细胞突触相连，以实现细胞间信号感知、信息传递和骨修复重建功能。糖皮质激素可使细胞突触丧失正常功能，导致成骨细胞不能进行自我修复和重建以及力学信号不能及时传递，进而导致骨小梁微骨折和股骨头塌陷，最终形成SANFH[19]。Youm等[20]研究发现，糖皮质激素可通过降低成骨细胞活性、诱导成骨细胞凋亡、减少骨量等影响骨重建和修复，进而引起负重区骨小梁断裂，导致股骨头坏死[21]。由此可见，细胞凋亡在SANFH发病过程中占有重要地位。

细胞自噬参与人体发育、生长、细胞增殖、凋亡等过程。一方面，细胞可以通过自噬维持正常的新陈代谢；另一方面，自噬也可以诱导或抑制细胞凋亡。研究证实，糖皮质激素诱导的成骨细胞自噬与SANFH发病密切相关，糖皮质激素通过诱导成骨细胞自噬相关蛋白和内质网应激相关蛋白的表达，激活自噬和内质网应激，促进细胞凋亡[22]。而自噬抑制剂可保护细胞免于糖皮质激素诱导的细胞凋亡，从而降低SANFH的发生风险。综上，细胞凋亡、细胞自噬及相关蛋白均参与了SANFH的发生，未来可在分子生物学领域进一步探究其具体机制。

2 SANFH相关信号通路

2.1AMPK信号通路 AMPK是一种结构稳定的三聚体复合物，由3个亚单位(α、β、γ)构成。细胞应激可导致AMP/ATP比值升高，进而激活AMPK信号通路，从而抑制ATP合成的代谢途径，表明AMPK参与调控生物体能量代谢过程，在维持成骨细胞增殖、凋亡以及维持骨小梁、骨体积中发挥重要作用[23]。研究发现，糖皮质激素可以通过激活AMPK信号通路，引起机体脂质代谢紊乱，并通过调控成骨细胞的凋亡，参与SANFH的发生发展[24]。此外，中药提取物葛根素可激活大鼠骨关节中的AMPK信号通路，从而减轻骨关节炎，保护软骨[25]。由此可见，深入研究AMPK信号通路对髋关节的保护具有重要意义。总之，AMPK信号通路可调控成骨细胞凋亡和增殖，还可保护软骨和关节功能，因此其有可能成为治疗SANFH的潜在靶点。

2.2HIF-1信号通路 糖皮质激素通过减少股骨头血液供应使骨组织的供氧减少，VEGF则可调节骨组织中的血管生长，而HIF-1α是低氧应激反应调控通路的关键组分，可通过上调VEGF的表达促进股骨头血管生成和血供重建，阻止SANFH的发生[26]。Johannson等[27]研究发现，在股骨头坏死患者的坏死骨组织中并未检测到VEGF与HIF-1α蛋白的表达，但在骨坏死区修复反应域内VEGF与HIF-1α蛋白表达显著增加，表明SANFH的自身修复作用与HIF-1α信号通路相关。因此，未来进一步深入研究HIF-1α信号通路可以为SANFH的防治提供新思路。

2.3PI3K/Akt信号通路 PI3K/Akt信号通路对股骨头血管修复再生、成骨细胞增殖和凋亡均具有调控作用。Chrysis等[28]发现，糖皮质激素可抑制PI3K/Akt信号通路，诱导软骨细胞凋亡。Lu等[22]研究显示，α-硫辛酸可通过活化PI3K/Akt信号通路，减少成骨细胞凋亡，防治骨质疏松。Deng等[29]研究发现，经糖皮质激素处理后，新生大鼠颅骨成骨细胞分化减弱、细胞增殖受到抑制，而抑制成骨细胞中的PI3K/Akt通路可导致Bcl-2表达降低，同时裂解的胱天蛋白酶3、胱天蛋白酶9以及Bcl-2相关X蛋白表达升高，从而促进成骨细胞凋亡。Zhan等[30]研究显示，大蒜素可通过激活PI3K/Akt信号通路抑制成骨细胞凋亡，从而降低SANFH的发生率。由此可见，PI3K/Akt信号通路在SANFH防治中具有重要作用，深入研究PI3K/Akt信号通路，可以为SANFH治疗药物的研发和治疗策略的制订提供帮助。

2.4Wnt/β-catenin信号通路 Wnt/β-catenin信号通路参与成骨细胞的增殖和凋亡，是影响骨代谢的重要通路。在正常情况下，Wnt蛋白可与低密度脂蛋白受体相关蛋白和卷曲蛋白共受体结合，通过破坏β-catenin降解复合体、抑制细胞核内相应的靶蛋白降解、调控下游靶基因(包括细胞周期蛋白和原癌基因等)的表达，促进成骨细胞增殖并抑制其凋亡[31]。张晨等[32]研究表明，糖皮质激素可通过调控原癌基因的表达导致Wnt/β-catenin信号通路中关键蛋白β-catenin、c-Myc的表达水平降低；利用分泌型卷曲相关蛋白1阻断Wnt/β-catenin信号通路，β-catenin、c-Myc的表达水平进一步降低，同时细胞凋亡、骨坏死增加。Zhang等[33]研究发现，糖皮质激素通过调控Wnt信号通路下游相关基因的表达，显著增加成骨细胞凋亡的速度，从而诱导大鼠SANFH的发生。由此可见，糖皮质激素下调Wnt/β-catenin信号通路及其下游相关基因的表达，导致SANFH的发生，而上调Wnt/β-catenin信号通路的表达或可预防SANFH的发生。

2.5OPG/RANKL/RANK信号通路 OPG由成骨细胞分泌，可抑制破骨细胞活性和成熟，进而抑制骨吸收，从而减少骨质丢失并促进骨形成。研究表明，白细胞介素-1β、白细胞介素-6、白细胞介素-17和TNF-α表达上调可诱导破骨细胞增殖并抑制其凋亡[34]。糖皮质激素可通过下调OPG的表达、上调RANKL的表达，促进破骨细胞的分化、增加股骨头骨质的吸收、诱导成骨细胞凋亡，最终导致SANFH发生[35]。Jiang等[36]研究发现，牛膝提取物可治疗大鼠SANFH，其通过调节OPG/RANKL/RANK信号通路预防SANFH的发生。可见，OPG/RANKL/RANK信号通路在SANFH发生中具有重要作用，为SANFH的防治提供了一个新的治疗策略。

2.6TGF-β/Smad信号通路 TGF-β家族参与细胞生长、分化、增殖和凋亡等过程，不仅可促进成骨细胞成熟，还可增加骨沉积速率、减少骨胶原丢失，在调节骨形成和骨发育中具有重要作用。Smad作为TGF-β信号通路的底物，是调节成骨细胞增殖和分化的关键因子。Zhang等[37]研究发现，维生素E可以上调TGF-β表达，进而增加股骨头血管生成，降低SANFH的发生率。Yang等[38]研究显示，淫羊藿可通过激活TGF-β/Smad信号通路抑制成骨细胞凋亡、减少骨量丢失，预防SANFH发生。由此可见，TGF-β/Smad信号通路与SANFH密切相关，但TGF-β/Smad信号通路参与SANFH的具体机制目前尚不明确，还需进一步深入研究。

2.7其他信号通路 除上述信号通路外，TNF-α/STAT1信号通路也参与细胞凋亡。糖皮质激素通过激活TNF-α/STAT1信号通路诱导成骨细胞凋亡，导致SANFH发生，而抑制TNF-α/STAT1信号通路则可降低SANFH的发生率[33]。此外，激活胞外信号调节激酶通路可改善骨坏死区软骨合成代谢，对SANFH具有治疗作用[39]。Notch信号通路由4种Notch受体、5种Notch配体和下游靶基因组成，在调控成骨细胞分化和骨代谢过程中发挥重要作用[40]。研究表明，活化Notch1信号通路，可增加胞内Notch1的表达，降低破骨细胞的分化和活性，促进股骨头坏死区域的成骨分化，调控细胞增殖和凋亡，从而改善SANFH[41]。目前，国内外关于Notch信号通路的研究较少，未来仍需进一步研究阐明Notch信号通路与SANFH的确切关系。

3 小 结

SANFH是一个多机制、多因素、多信号通路共同介导的复杂过程，因此明确SANFH发生的具体机制尤为重要。在明确SANFH发生发展机制的同时，还应采取有效的措施进行干预，以期最大限度地提高SANFH的疗效，改善患者的生活质量和疾病的预后。未来仍需继续深入研究SANFH的发病机制，特别需要通过分子生物学技术及相关信号通路的研究进行精准论证。相信随着现代医疗技术和分子生物学技术的发展以及越来越多临床医师的不断努力，未来一定会明确SANFH的发生机制，并制订出有效防治SANFH的新策略。