激素性股骨頭壞死中骨細胞凋亡的研究進展＊

周正麗綜述，張 潛審校

（1.遵義醫(yī)學院人體解剖學教研室，貴州遵義563003；2.瀘州醫(yī)學院人體解剖學教研室，四川瀘州646000）

激素性股骨頭壞死中骨細胞凋亡的研究進展＊

周正麗1，2綜述，張 潛1審校

（1.遵義醫(yī)學院人體解剖學教研室，貴州遵義563003；2.瀘州醫(yī)學院人體解剖學教研室，四川瀘州646000）

股骨頭壞死；激素類；細胞凋亡

股骨頭壞死是骨關(guān)節(jié)外科的常見疾病，疾病的最終發(fā)展可導致患者髖關(guān)節(jié)假體置換的無奈選擇。目前，中國股骨頭壞死患者有500～750萬，每年新增病例約7.5～15萬，激素是股骨頭壞死發(fā)病的首要原因［1］。但至今激素性股骨頭壞死（steroid－induced avascular necrosis of the femoral head，SANFH）的發(fā)病機制尚未明確，可能與脂肪代謝紊亂、血管內(nèi)凝血、骨內(nèi)高壓、骨質(zhì)疏松、免疫因素及細胞凋亡等因素有關(guān)［2］。盡管細胞凋亡的概念提出時間不長，但已有研究證實細胞凋亡機制紊亂會導致多種疾病的發(fā)生，因此人們嘗試研究SANFH中細胞凋亡的作用，以探求SANFH的發(fā)病機制及治療的最佳途徑［3］。本文就SANFH疾病中骨細胞凋亡的研究進展作一綜述。

1 SANFH細胞凋亡的形態(tài)學特征和檢測方法

根據(jù)傳統(tǒng)意義的理解，人們一直認為SANFH中骨組織的死亡是以骨壞死的形式進行的。其壞死的形態(tài)特征主要表現(xiàn)為骨細胞核固縮、骨細胞在陷窩內(nèi)消失、空骨陷窩的增多，空骨陷窩計數(shù)常常作為SANFH病程進行性發(fā)展的判定指標［4］，盡管在SANFH骨組織標本中存有明顯的如骨細胞消失及骨陷窩空虛等壞死現(xiàn)象，但始終缺乏與壞死直接相關(guān)的特征性證據(jù)，如細胞腫脹及炎性反應(yīng)等。1998年，Weinstein等［5］發(fā)現(xiàn)過量激素的應(yīng)用能夠影響骨髓中成骨細胞和破骨細胞形成機制，同時激素可誘導成熟的成骨細胞和骨細胞發(fā)生凋亡。因此，細胞凋亡與SANFH的關(guān)系逐漸進入人們的視線。細胞凋亡的形態(tài)學特征在SANFH中主要表現(xiàn)為骨細胞細胞核斷裂成片段、細胞質(zhì)濃縮、細胞表面微絨毛和細胞間連接逐步消失、凋亡小體的形成，通常以凋亡指數(shù)來描述細胞凋亡與SANFH疾病發(fā)展的遞進關(guān)系［6］。

細胞凋亡的檢測方法眾多，包括形態(tài)學檢測法、生化特征檢測法、流式細胞儀檢測法等。在眾多檢測方法中，原位末端標志法因其簡便、快捷、靈敏度和特異性較高，成為常備的SANFH細胞凋亡檢測方法之一。Calder等［7］應(yīng)用免疫組化方法、電泳法和脫氧核糖核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶介導的原位缺口末端標志法（TUNEL法）研究人股骨頭壞死的發(fā)病情況，證實SANFH骨組織標本中存有明顯的骨細胞凋亡。熊明月等［8］聯(lián)合應(yīng)用透射電鏡和TUNEL法在早期兔SANFH骨組織標本中觀察到著色明顯的凋亡骨細胞。

2 SANFH中細胞凋亡的作用

大多數(shù)學者已認可細胞凋亡與SANFH的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切。但是，SANFH骨死亡的本質(zhì)是否為骨細胞凋亡，骨壞死與骨細胞凋亡是同時存在亦或先后發(fā)生，學術(shù)界呈現(xiàn)出不同的見解。程少華等［6］應(yīng)用大劑量激素制備早期兔股骨頭壞死動物模型，經(jīng)HE染色法和TUNEL法在光鏡和電鏡下觀察到細胞凋亡和骨壞死的同時發(fā)生。Calder等［7］對SANFH的患者進行研究，認為激素及其代謝產(chǎn)物的細胞毒性作用導致細胞凋亡的發(fā)生，SANFH并非單純的骨壞死。而Kerachian等［9］對早期大鼠SANFH骨組織標本進行實驗研究，認為細胞凋亡是早期SANFH的首要變化，骨壞死的發(fā)生未明顯顯現(xiàn)。楊俊興等［10］對激素、乙醇、外傷所致股骨頭壞死標本進行TUNEL法檢測發(fā)現(xiàn)，僅激素引起股骨頭壞死標本中出現(xiàn)大量骨細胞凋亡，故認為SANFH的實質(zhì)是細胞凋亡。Youm等［11］的研究結(jié)果也支持楊俊興等［10］的觀點，即“骨死亡”是以細胞凋亡的形式發(fā)生。眾多文獻表明，激素似乎成為細胞凋亡的誘導劑，刺激著細胞凋亡的發(fā)生，并且伴隨SANFH病情的進展，細胞凋亡率也持續(xù)性上升。李挺松等［12］運用單純激素誘導兔股骨頭壞死動物模型，制模第6周發(fā)現(xiàn)有眾多凋亡小體形成，隨時間的推移觀察到凋亡指數(shù)明顯上升。石磊等［13］調(diào)查研究SANFH患者的骨組織標本，也發(fā)現(xiàn)隨股骨頭壞死臨床分期的推進細胞凋亡率進行性上升，他們認為骨壞死的出現(xiàn)是細胞凋亡持續(xù)性發(fā)展的結(jié)果。

眾所周知，骨組織中包含有成骨細胞、骨細胞、破骨細胞和骨髓細胞。大多數(shù)SANFH文獻報道，發(fā)生凋亡的主要是骨細胞和成骨細胞，破骨細胞極少見細胞凋亡的發(fā)生。O′Brien等［14］在鼠的基因中插入能使激素失活的基因來研究激素對骨細胞凋亡的潛在作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激素能夠直接作用于成骨細胞和骨細胞，并刺激其凋亡，但是破骨細胞未受影響。Calder等［7］在SANFH患者中也發(fā)現(xiàn)有廣泛的骨細胞、成骨細胞和骨髓細胞凋亡的發(fā)生，但未提及破骨細胞的凋亡情況。Eberhardt等［15］在大劑量激素誘導兔股骨頭壞死的標本中運用TUNEL法同樣檢測到骨細胞和成骨細胞凋亡的病變特點。Kerachian等［2］指出激素可以抑制骨細胞和破骨細胞前體的產(chǎn)生，增加骨細胞和成骨細胞的凋亡，延長破骨細胞的生命，從而導致骨組織生成量減少，造成骨量丟失。

3 SANFH中細胞凋亡的信號轉(zhuǎn)導通路研究進展

目前，與SANFH細胞凋亡相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導通路調(diào)控主要有兩條，即死亡受體通路和線粒體通路。各種凋亡信號通過信號轉(zhuǎn)導通路傳達到細胞內(nèi)，激活靶分子產(chǎn)生細胞效應(yīng)，從而引發(fā)凋亡的產(chǎn)生。從分子生物學角度闡明細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導通路調(diào)控的機制，將有助于揭開SANFH細胞凋亡的原因。

在死亡受體通路中Fas是最典型的死亡受體之一［16］。Kogianni等［17］經(jīng)地塞米松誘導 MLO－Y4骨細胞凋亡途徑發(fā)現(xiàn)，骨細胞凋亡與Fas有關(guān)，并且依賴于Caspase－8蛋白，但Fas的上調(diào)并不伴隨Fasl增量調(diào)節(jié)，即二者并不發(fā)生結(jié)合，故分析其凋亡途徑可能類似于腫瘤細胞研究中抗癌劑的使用，F(xiàn)as不依賴Fasl的存在而直接加速Fas受體三聚化，激活與Fas相關(guān)死亡域結(jié)合蛋白和Caspase－8通道途徑，從而誘導凋亡的發(fā)生。Bcl－2家族成員因其主要效應(yīng)部位在線粒體，在線粒體通路中重要的細胞凋亡調(diào)控作用也越來越受到人們的重視［18］。李洪濤等［19］在兔SANFH 中檢測到模型組 Bcl－2的低表達，并發(fā)現(xiàn)隨病程的推進Bcl－2表達持續(xù)性降低，但具體的調(diào)控途徑并未描述。暴淑英等［20］研究發(fā)現(xiàn)，Bcl－2表達較正常組明顯減少，而Caspase－3的表達較正常組明顯增多，至于Bcl－2減少與Caspase－3的增多之間的相關(guān)性，文章并未過多闡明。有研究證實，Bcl－2家族蛋白具有成孔性質(zhì)，推測它們可直接調(diào)節(jié)線粒體膜對關(guān)鍵性分子細胞色素C的通透性觸發(fā)Caspases級聯(lián)反應(yīng)，從而誘發(fā)細胞凋亡［21］。以上兩條細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導通路的上游事件雖然不同，但最終都伴有Caspase的激活。Chua等［22］研究發(fā)現(xiàn)，激素可以活化成骨細胞 Caspase－1、－3、－6、－8、－9、－11、－12活性，并且檢測到有 PARP（poly ADP－ribose polymerase）、Lamin A和Bcl－xL的提高，同時細胞色素C也可以檢測到，但具體的機制并未闡明。Caspase－3是迄今為止研究比較透徹的一個，是主要的效應(yīng)分子，一旦被激活，即發(fā)生下游的級聯(lián)反應(yīng)，使凋亡產(chǎn)生［23］。胡峰等［24］研究發(fā)現(xiàn)，在SANFH疾病發(fā)展過程中，Caspase－3活性顯著升高，并隨病程的進展呈上升趨勢，初步證明了Caspase－3介導的細胞凋亡參與了SANFH發(fā)病過程。

SANFH中細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導通路是多因素、多水平的復(fù)雜調(diào)控過程，盡管具體的機制尚未完全明確，學者們卻發(fā)現(xiàn)氧含量變化與SANFH中細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導通路的調(diào)控密切相關(guān)。Tsuji等［25］研究發(fā)現(xiàn)，在低氧狀態(tài)下p53上調(diào)，細胞凋亡更容易發(fā)生，還證明在低氧并伴有高劑量激素狀態(tài)下誘導細胞凋亡的p53基因和Bcl－2基因表達均下調(diào)，故認為在低氧狀態(tài)下高劑量激素更易引起細胞凋亡。Zhu等［26］研究發(fā)現(xiàn)，死亡受體通路和線粒體通路都與其細胞凋亡機制有關(guān)，但死亡受體通路僅有較小的變化，因為Fas／Fasl僅表現(xiàn)為輕微的增高，而Bcl－2蛋白水平明顯下調(diào)，Bax蛋白水平明顯增高，這說明線粒體通路在低氧和激素雙重條件下對細胞凋亡的發(fā)揮著主要作用，推測其機制可能與細胞色素C的釋放及形成 Apaf－1／Caspase－9復(fù)合體，從而啟動Caspase級聯(lián)反應(yīng)有關(guān)。

4 小 結(jié)

綜上所述，細胞凋亡對SANFH疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。雖然細胞凋亡的分子生物學機制尚未完全闡明，但已有學者針對目前發(fā)現(xiàn)的分子信號轉(zhuǎn)導通路進行藥物治療取得一定療效，這為SANFH疾病的藥物治療提供了一個新思路。

［1］陳演.股骨頭壞死病因?qū)W研究的某些進展［J］.華西醫(yī)學，2009，24（7）:1899－1901.

［2］Kerachian MA，Séguin C，Harvey EJ.Glucocorticoids in osteonecrosis of the femoral head:a new understanding of the mechanisms of action［J］.J Steroid Biochem Mol Biol，2009，114（3／5）:121－128.

［3］Zaidi M，Sun L，Robinson LJ，et al.ACTH protects a－gainst glucocorticoid－induced osteonecrosis of bone［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2010，107（19）:8782－8787.

［4］楊述華.股骨頭壞死診斷及治療進展［M］.大連:中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志社，2009:33－40.

［5］Weinstein RS，Jilka RL，Parfitt AM，et al.Inhibition of osteoblastogenesis and promotion of apoptosis of osteoblasts and osteocytes by glucocorticoids［J］.J Clin Invest，1998，102（2）:274－282.

［6］程少華，崔超，常巍，等.激素性股骨頭缺血性壞死細胞凋亡的實驗研究［J］.中華實用診斷與治療雜志，2010，24（4）:368－370.

［7］Calder JD，Buttery L，Revell PA，et al.Apoptosis－a significant cause of bone cell death in osteonecrosis of the femoral head［J］.J Bone Joint Surg Br，2004，86（8）:1209－1213.

［8］熊明月，王坤正，黨曉謙.早期激素性股骨頭壞死骨細胞凋亡的實驗研究［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2007，21（3）:262－265.

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

［10］楊俊興，徐傳毅，李廠杰，等.非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的骨細胞凋亡研究［J］.實用醫(yī)學雜志，2006，22（18）:2127－2129.

［11］Youm YS，Lee SY，Lee SH，et al.Apoptosis in the osteonecrosis of the femoral head［J］.Clin Orthop Surg，2010，2（4）:250－255.

［12］李挺松，肖增明，詹新立，等.激素性兔股骨頭壞死骨形態(tài)學及細胞凋亡變化［J］.臨床與實驗病理學雜志，2010，26（5）:594－597.

［13］石磊，張兵，夏春.股骨頭壞死組織中半胱氨酰天冬氨酸蛋白酶（Caspase－3）與細胞凋亡的關(guān)系［J］.中國微創(chuàng)外科雜志，2009，9（8）:737－746.

［14］O′Brien CA，Jia D，Plotkin LI，et al.Glucocorticoids act directly on osteoblasts and osteocytes to induce their apoptosis and reduce bone formation and strength［J］.Endocrinology，2004，145（4）:1835－1841.

［15］Eberhardt AW，Yeager－Jones A，Blair HC.Regional trabecular bone matrix degeneration and osteocyte death in femora of glucocorticoid－treated rabbits［J］.Endocrinology，2001，142（3）:1333－1340.

［16］Pellegrini M，Bath S，Marsden VS，et al.FADD and caspase－8 are required for cytokine－induced proliferation of hemopoietic progenitor cells［J］.Blood，2005，106（5）:1581－1589.

［17］Kogianni G，Mann V，Ebetino F，et al.Fas／CD95is associated with glucocorticoid－induced osteocyte apoptosis［J］.Life Sci，2004，75（24）:2879－2895.

［18］Leu JI，Dumont P，Hafey M，et al.Mitochondrial p53activates Bak and causes disruption of a Bak－Mcl1complex［J］.Nat Cell Biol，2004，6（5）:443－450.

［19］李洪濤，于雪峰，程永志，等.bcl－2mRNA在中藥防治早期激素性股骨頭壞死中的表達變化［J］.中醫(yī)藥信息，2011，27（5）:94－97.

［20］暴淑英，趙慶國，畢黎琦.激素性股骨頭壞死早期細胞凋亡相關(guān)基因表達及阿侖磷酸鈉的干預(yù)［J］.中國組織工程與臨床康復(fù)，2008，12（46）:9095－9099.

［21］Cheng EH，Wei MC，Weiler S，et al.BCL－2，BCL－X（L）sequester BH3domain－only molecules preventing BAX－and BAK－mediated mitochondrial apoptosis［J］.Mol Cell，2001，8（3）:705－711.

［22］Chua CC，Chua BH，Chen Z，et al.Dexamethasone induces caspase activation in murine osteoblastic MC3T3－E1cells［J］.Biochim Biophys Acta，2003，1642（1／2）:79－85.

［23］趙瑞杰，李引乾，王會，等.Caspase家族與細胞凋亡的關(guān)系［J］.中國畜牧雜志，2010，46（17）:73－78.

［24］胡峰，趙勁民，李曉峰，等.早期激素性股骨頭缺血性壞死模型的建立及半胱天冬酶3活性測定［J］.中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，14（20）:3701－3704.

［25］Tsuji M，Ikeda H，Ishizu A，et al.Altered expression of apoptosis－related genes in osteocytes exposed to highdose steroid hormones and hypoxic stress［J］.Pathobiology，2006，73（6）:304－309.

［26］Zhu ZH，Gao YS，Zeng BF，et al.The effect of dexamethasone and hypoxic stress on MC3T3－E1cells［J］.Front Biosci，2011，16:2747－2755.

10.3969／j.issn.1671－8348.2012.34.038

A

1671－8348（2012）34－3659－03

遵義醫(yī)學院研究生教育創(chuàng)新課題（99－024）。

2012－06－13

2012－09－12）