骨H 型血管生成机制及影响因素的研究现状△

唐生平，廖世杰，黄乾，丁晓飞

（广西医科大学第一附属医院创伤骨科手外科，广西南宁 530021）

在骨骼的生长与修复中，骨血管生成处在新骨形成之前，血管侵入是骨形成和矿化的前提，遍布骨内的血管网络为骨组织带去氧气与营养物质、转移走代谢产物，血管内皮细胞还能通过多种生物信号调节骨骼的发育和功能。血管生成与骨形成相互交织、密不可分，这种复杂而微妙的时空关系被称作“血管生成-成骨偶联”［1］。近年来，一种特殊的骨血管亚型——H 型血管被发现能与多种骨内细胞相互作用，高度偶联骨形成过程［2］。H 型血管参与了骨质疏松症、骨折延迟愈合、骨关节炎、激素性股骨头坏死以及肿瘤骨转移等疾病的发生发展。本文通过回顾文献，综述H 型血管生成机制及影响因素，以期为相关骨病的诊治提供新思考。

1 H 型血管的表征与特点

2014 年Kusumbe 等［3］在骨内鉴定出一种CD31与Emcn 同时高表达的微血管亚型，即H 型血管，而CD31 与Emcn 同时低表达的血管则被定义为L 型血管，两种血管形态和功能不同。H 型血管多生长于骨生长活动旺盛的长骨干骺端和骨内膜，呈柱形、拱形分布，并在骨干与排布无序的L 型血管相接。尽管H 型血管内皮细胞的数量只占骨中总内皮细胞的极少数（约1.8%），但许多早期骨祖细胞、成骨细胞定居于其周围，提示H 型血管与骨形成关系密切［3］。此外，H 型血管会随着年龄增长而减少，其在幼年个体生长旺盛，并在生长发育末期转化为L 型血管，这种年龄依赖性减少现象已在人体得到验证［4］。

2 调控H 型血管生成的分子机制

血管生成是从预先存在的血管中形成新血管的生理过程，该过程可由骨微环境内各种细胞因子或通路调控，如缺氧诱导因子1α（hypoxia inducible factor-1,HIF-1α）、血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor-A,VEGF-A）、血小板衍生生长因子BB（platelet derived growth factor-BB,PDGF-BB）、神经轴突导向因子3（slit guidance ligand 3,SLIT3）、表皮生长因子样结构域6（epidermal growth factor-like domain 6, EGFL6）、Notch 通路以及微小RNA（microRNA,miRNA）均参与调控H 型血管生成。

2.1 HIF-1α

常氧下HIF-1α 不断生成，但会被脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase,PHD）迅速羟基化，随后被E3 泛素连接酶捕获和蛋白酶体降解；缺氧时PHD 活性降低，HIF-1α 在细胞内积聚而激活HIF-1 通路，调控生理性和病理性新血管生成。Kusumbe 等［3］发现，HIF-1α 基因缺失小鼠干骺端的H 型血管显著减少，而E3 泛素连接酶基因缺失小鼠的H 型血管则明显增多，并且HIF-1α 的表达与H 型血管一样也具有年龄依赖性减少现象，提示低氧信号诱发的HIF-1α 是调控H 型血管生成的重要因素。

2.2 PDGF-BB

破骨细胞前体是PDGF-BB 的重要来源，Xie等［5］发现卵巢切除术（ovariectomize, OVX）诱导小鼠骨丢失后，外周血PDGF-BB 浓度显著降低，骨H型血管也相应减少，而在OVX 小鼠中增加破骨细胞前体数量将提高H 型血管丰度。糖皮质激素是非创伤性股骨头坏死的常见原因，对激素性股骨头坏死兔模型给予外源性PDGF-BB 治疗，可使H 型血管和成骨细胞增多，促进股骨头修复［6］。此外，骨关节炎（osteoarthritis,OA）患者软骨下破骨细胞前体分泌大量PDGF-BB，与H 型内皮细胞的PDGFR-β 结合，诱导病理性H 型血管生成，所以抑制内皮细胞PDGFR-β 的表达可能是治疗OA 的新方式［7］。

2.3 SLIT3

SLIT3 通过与Robo 受体家族结合介导内皮细胞运动和趋化性，加速内皮细胞血管网络的形成，Xu等［8］发现成骨细胞是骨中SLIT3 的主要来源，SLIT3/Robo1 通路的激活既能促进骨折愈合，又可增强H型内皮细胞的增殖与血管生成，而SLIT3 促进骨形成的能力不是SLIT3 对成骨细胞的直接作用，而是SLIT3 增加H 型内皮细胞的水平进而促进骨形成。此外，有研究显示，破骨细胞也能分泌SLIT3，成熟破骨细胞SLIT3 敲除小鼠的骨量明显较低，同时H 型内皮细胞也显著减少［9］。以上研究表明，SLIT3 将血管生成与骨形成偶联，是促进骨折愈合、治疗骨质疏松的新靶点。

2.4 Notch 通路

Notch 通路在血管生成中的作用重要且复杂，在视网膜、肿瘤等组织中，Notch 可负向调节血管生成，在骨内可促进血管生成［10］。RBPJ 是Notch 通路的转录因子，Ramasamy 等［11］将小鼠内皮细胞的RBPJ 诱导失活，发现胫骨干骺端H 型血管明显减少，还导致骨量减少、长骨缩短等，而外源性Noggin 干预，可恢复RBPJ 缺失小鼠干骺端的血管系统。此外，研究显示，G 蛋白偶联受体激酶相互作用蛋白1通过影响骨折早期NF-κB/Notch 通路的激活，促进VEGF 表达，从而调控H 型血管生成和骨折愈合过程［12］。这些研究揭示了Notch 通路是连接H 型血管生成和骨形成的关键成分。

2.5 EGFL6

骨内EGFL6 由成骨细胞特异性分泌，可促进血管内皮细胞增殖、迁移，参与骨血管生成过程。在骨修复中，成骨细胞以胞内分泌EGFL6 的方式经由BMP/Smad 通路促进成骨；以旁分泌EGFL6 的方式作用于邻近血管内皮细胞，以促进H 型血管生成［13］。EGFL6 还能通过Wnt/β-catenin 通路促进H型血管生成并呈现出剂量依赖性［14］。值得一提的是，外源性EGFL6 可能不直接作用于成骨细胞，而是通过促进H 型血管生成进而反哺骨形成活动，这一点与SLIT3 的作用方式相似。

2.6 VEGF-A

成骨细胞和软骨细胞分泌的VEGF-A 可诱导骨中H 型血管生成，是一种促进骨修复的积极因素。但是在OA 中， 雷帕霉素复合物1 刺激关节软骨细胞中VEGF-A 的产生和软骨下骨中H 型血管生成，H 型血管作为致病因素参与了OA 的发生，使用贝伐单抗阻断VEGF-A 后，不仅能显著减少软骨下H 型血管，还可防止软骨退化［15］。VEGF-A 的表达还受HIF-1α、PDGF-BB、EGFL6 等因子调控，表明H 型血管生成是一个多因子、多通路共同作用的结果。

2.7 miRNA

miRNA 通过结合靶mRNA 的3'UTR 而抑制其翻译，参与H 型血管生成的调控。研究发现，miR-136-3p 可抑制PTEN 基因表达，挽救因长期大量饮酒导致的H 型血管生成受阻与骨密度下降［16］。产前咖啡因暴露将上调miR-375 而抑制生长板中结缔组织生长因子表达，导致小鼠胎儿长骨H 型血管丰度下降、骨发育不良［17］。miR-188-3p 在老年小鼠内皮细胞中表达增加，在衰老过程中通过抑制内皮细胞的整合素β3 而负调控H 型血管［18］。经唑来膦酸干预后，骨髓来源巨噬细胞分泌的胞外囊泡富含miR-149-5p，后者通过Rap1a/Rap1b/VEGFR2 轴抑制H型血管生成［19］。

3 影响H 型血管生成的因素

随着对H 型血管研究的深入，已发现多种因素如药物因素、物理因素和肿瘤因素可通过影响H 型血管的生成，从而达到治疗骨病的目的或者诱导骨病的发生发展。

3.1 药物因素对H 型血管的影响

3.1.1 促进H 型血管生成的药物

天然生物活性化合物作为药物在骨病中被广泛应用。骨碎补总黄酮［20］、桃叶珊瑚苷［21］等可通过PDGF-BB 相关通路促进H 型血管形成，在骨质疏松、骨折修复中发挥积极作用。人参皂苷Rg1 能激活VEGF/Notch/Noggin 通路，促进血管生成和骨形成相关因子的分泌并增加H 型血管数量，在糖尿病性骨质疏松中发挥积极作用［22］。刺槐素通过Akt/GSK3β 和NF-κB 通路抑制破骨细胞分化和促进H 型血管形成，防止OVX 小鼠骨丢失［23］。长期卧床会导致骨密度的降低，西洋参皂苷能促进内皮细胞分泌VEGF 和Noggin，在后肢免负荷小鼠模型中促进H 型血管生成和骨形成［24］。

3.1.2 抑制H 血管生成的药物

产前皮质类固醇治疗能促进胎儿肺成熟、改善早产儿预后，但可能会损害骨骼系统发育。研究发现地塞米松会导致孕鼠后代骨骼中H 型血管生长不良和骨矿化减少，这与破骨细胞前体及PDGF-BB 减少或者骨血管组织中PDGFR-β 表达降低有关［25，26］。软骨内H 型血管病理性生成是OA 发生的病理过程之一，地法替尼（Defactinib）能通过抑制粘附斑激酶信号，破坏软骨下骨中H 型血管和间充质干细胞之间的正反馈回路来缓解OA［27］。长期过量饮酒会降低骨量，乙醇通过Bmi-1/p16 信号抑制内皮细胞增殖并促进衰老，损害H 型血管生成，进而抑制骨髓间充质干细胞向成骨细胞的分化［28］。

3.2 物理因素对H 型血管的影响

3.2.1 机械负荷

骨骼结构能发生变化以适应机械负荷，增加负荷刺激如进行体育锻炼将增强骨骼强度；减少负荷刺激如微重力状态将导致骨量减少［29］。给予膝关节机械负荷，可下调骨髓间充质干细胞来源外泌体中miR-214-3p 的水平，或刺激PI3K/Akt 通路磷酸化和VEGF 分泌增多，促进OVX 小鼠H 型血管生成而抑制骨丢失［30，31］。同时，增加机械负荷也可改善哮喘治疗药物特布他林引起的骨量降低与H 型血管减少［32］。此外，机械负荷还能以机械敏感性蛋白S1Pr1依赖的方式促进骨缺损小鼠模型的H 型血管生成与骨形成［33］。适度机械负荷刺激H 型血管生长，但过强负荷则可能产生相反效果，当负荷刺激达到一定强度时，将上调机械力受体蛋白PIEZO1，刺激下游磷酸化牙本质基质蛋白1 大量分泌，使干骺端H 型血管转化为L 型血管以限制骨生长，这可能是青春期末期骨骼停止发育的机制之一［34］。

3.2.2 电、磁、超声、激光

电刺激疗法可促进支配股骨的神经末梢释放降钙素基因相关肽，增加H 型血管数量而显著促进骨折愈合［35］。脉冲电磁场可显著促进OVX 小鼠长骨H 型血管生成，并与内皮细胞HIF-1α 的表达增高有关［36］。低强度脉冲超声是一种促进骨折愈合的治疗手段，其疗效已获得了大多数临床医师的肯定［37］。研究显示，低强度脉冲超声可使大鼠创伤性椎体骨折处H 型血管增多，促进骨折修复［38］。此外，低能激光治疗能诱导活性氧生成从而增强HIF-1α 稳定性，促进H 型血管生成与骨缺损修复［39］。

3.3 肿瘤因素对H 型血管的影响

骨骼是最常见的肿瘤转移部位，研究发现，H 型血管构成了支持乳腺癌细胞植入骨髓的“转移前生态位”，播散性肿瘤细胞（disseminated tumor cells,DTCs）经脉管系统选择性定居于H 型血管周围，肿瘤分泌的粒细胞集落刺激因子能重塑骨内局部脉管系统，建造适合其自身生长的环境［40］。而H 型血管也可对肿瘤发展产生影响，经放、化疗后，仍有部分DTCs 在骨中以静止状态存活很长时间，随着患者衰老，这些DTCs 逐渐失去静止性，原因可能是随着H型血管的年龄依赖性减少，其参与调控的骨形态发生蛋白4 等“静止诱导因子”生成减少，DTCs 恢复活跃并开始增殖，导致肿瘤复发［41，42］。探索H 型血管在骨肿瘤中的作用，是研究骨肿瘤发生及治疗的新方向，未来的肿瘤治疗可以尝试针对骨髓微环境与H型血管而不是DTCs，以破坏肿瘤改造转移部位的能力。

4 小结与展望

H 型血管是一种特殊的骨血管亚型，好生长于骨干骺端和骨内膜，具有年龄依赖性减少的特征，其生长受到多种细胞因子与通路的调控，并且药物因素、物理因素和肿瘤因素均能对其生长产生影响。通过对近年H 型血管相关文献的回顾，综合分析近年H 型血管相关文献发现，促进H 型血管生成有利于加速骨折的愈合、激素性股骨头坏死的修复以及骨质疏松症的防治，而抑制H 型血管生成对于缓解骨关节炎和减少肿瘤骨转移可能是有益的。目前针对H 型血管的研究大多处在细胞和动物实验水平，进一步研究其在人体中的作用，将为建立新的骨修复和骨丢失治疗策略提供理论基础。总之， H 型血管的相关研究为“血管生成-成骨偶联”的机制提供了新见解，利用H 型血管的特性来治疗相关骨病可能是未来的新选择。