股骨頭壞死的發(fā)病機(jī)制及干細(xì)胞治療進(jìn)展

呂玉明 程立明 裴國獻(xiàn)

股骨頭壞死(osteonecrosis of the femoral head， ONFH)亦稱缺血性或無菌性股骨頭壞死，好發(fā)于青壯年，病程進(jìn)展迅速，如不積極治療致殘率高。股骨頭壞死的發(fā)病機(jī)制有早期的脂肪栓塞學(xué)說、微血管內(nèi)凝血學(xué)說和骨內(nèi)高壓學(xué)說等［1］。股骨頭壞死的主要誘因有激素、酗酒、創(chuàng)傷、凝血障礙和血管解剖畸形［2］。股骨頭壞死的主要類型激素性和酒精性股骨頭壞死的細(xì)胞免疫因素是近年來的研究熱點(diǎn)。本文對相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、股骨頭壞死的發(fā)病機(jī)制

1.激素性股骨頭壞死:大劑量使用激素可引起股骨頭壞死。10年前美國就有超過3000萬人使用激素作為他們臨床治療的一部分，因?yàn)槭褂眉に氐膭┝亢童煶痰牟煌?，其中?0%患者會(huì)發(fā)展到骨質(zhì)疏松引起骨折，40%可引起不同程度的骨壞死［3］。骨壞死的發(fā)生與激素使用的劑量密切相關(guān)［4］。1987年Felson和Anderson進(jìn)行研究(meta分析)提示，前6個(gè)月平均每日口服潑尼松增加10mg，發(fā)生骨壞死的風(fēng)險(xiǎn)增加4.6倍［5］。長時(shí)間大劑量使用激素引起骨壞死已成為學(xué)者的共識(shí)，而小劑量使用激素引起骨壞死可能與個(gè)體的凝血機(jī)制障礙、基因易感性等相關(guān)［6～9］。目前認(rèn)為激素性股骨頭壞死的機(jī)制有以下幾個(gè)方面［4，7，10］:①影響內(nèi)源性因子的合成，如影響炎性介質(zhì)血管細(xì)胞黏附因子－1(VCAM－1)，血管收縮因子(NO)、氧自由基、內(nèi)皮素－1(ET－1)、促凝血因子血管性血友病因子(vWF)、纖溶酶原激活物抑制因子1 (PAI－1)，抑制抗凝血因子凝血酶調(diào)節(jié)素(TM)和膠原合成等，使血管內(nèi)皮功能發(fā)生障礙，血栓形成，股骨頭血流下降導(dǎo)致缺血壞死;②激素引起脂肪代謝障礙，脂肪栓子和載脂纖維蛋白一血小板栓子使骨內(nèi)壓增高，造成血管阻塞，組織缺血;③外源性激素抑制血管新生，影響骨組織修復(fù)從而促進(jìn)缺血性壞死;④激素誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的凋亡，延長破骨細(xì)胞的壽命，破壞骨細(xì)胞機(jī)械感覺通訊網(wǎng)絡(luò)，影響骨組織修復(fù)從而導(dǎo)致缺血性壞死;⑤激素誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡，使血管內(nèi)皮功能發(fā)生障礙，血栓形成，股骨頭血流下降導(dǎo)致缺血壞死;內(nèi)皮細(xì)胞凋亡影響骨組織修復(fù)從而導(dǎo)致缺血性壞死。

Weinstein等［12］研究發(fā)現(xiàn)，激素性股骨頭壞死以骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞凋亡為特征，這與股骨頸骨折、酗酒及鐮狀細(xì)胞貧血所引起的骨壞死不同。骨細(xì)胞凋亡可破壞股骨頭機(jī)械感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，最終促進(jìn)股骨頭塌陷。在正常骨組織中，成骨細(xì)胞和埋在骨陷窩中的骨細(xì)胞通過細(xì)胞突起及其間的縫隙連接形成一個(gè)廣泛的細(xì)胞通訊網(wǎng)絡(luò)，可感應(yīng)骨組織的微小損傷和機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)行修復(fù)反應(yīng)，包括代償性的骨增加或減少。糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨細(xì)胞凋亡可破壞細(xì)胞的機(jī)械感應(yīng)作用或造成感應(yīng)機(jī)制缺陷。當(dāng)微損傷無法被骨細(xì)胞探知時(shí)，即造成無法修復(fù)的損傷［4，10，11］。

2.酒精性股骨頭壞死:酗酒可引起股骨頭壞死，甚至多發(fā)性骨壞死［13］。研究發(fā)現(xiàn)酒精可誘導(dǎo)動(dòng)物和人的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞成脂肪分化［14～16］。酒精誘導(dǎo)的骨壞死骨髓內(nèi)脂肪增多的原因可能是酒精誘導(dǎo)MSCs大量分化為脂肪細(xì)胞，股骨頭內(nèi)脂肪細(xì)胞增殖肥大，骨細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)沉積，當(dāng)股骨頭內(nèi)脂肪細(xì)胞大量增多時(shí)，造成骨髓內(nèi)脂肪組織堆積，引起骨內(nèi)壓增高，血流瘀滯，局部缺血，導(dǎo)致股骨頭內(nèi)微循環(huán)障礙，大量骨細(xì)胞缺血、缺氧而死亡，同時(shí)引起其成骨能力的下降，無足夠的成骨細(xì)胞用于修復(fù)壞死骨，最終發(fā)生股骨頭壞死［15］。這可能是酒精誘發(fā)的股骨頭壞死的發(fā)病機(jī)制。Suh等在為了比較酒精性股骨頭壞死患者和非股骨頭壞死患者的骨髓干細(xì)胞的分化和增殖能力，共取兩者股骨近端骨髓標(biāo)本共33例，分別進(jìn)行骨髓干細(xì)胞的分離、培養(yǎng)、擴(kuò)增骨，比較細(xì)胞的倍增時(shí)間和分化為成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞的能力，發(fā)現(xiàn)酒精性股骨頭壞死病人的骨髓干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞系的能力明顯下降，兩者比較有顯著性差異，并認(rèn)為這種骨髓干細(xì)胞的增殖分化能力的下降可能是引起股骨頭壞死的原因［14］。Wezeman等研究了酒精對正常股骨近端骨髓來源的骨髓干細(xì)胞的分化能力，實(shí)驗(yàn)分4組:①對照組(單純培養(yǎng)基);②酒精組(培養(yǎng)基+50mm酒精);③成骨培養(yǎng)組(培養(yǎng)基+成骨誘導(dǎo)劑);④酒精+成骨培養(yǎng)組(培養(yǎng)基+50mm酒精+成骨誘導(dǎo)劑)，結(jié)果顯示酒精作用10天，脂肪細(xì)胞數(shù)量增加，21天時(shí)脂肪數(shù)量增加至13.6%，并發(fā)現(xiàn)酒精上調(diào)PPAR-gamma2基因表達(dá)、增加aP2的合成。我國學(xué)者王義生發(fā)現(xiàn)葛根素具有減輕酒精性股骨頭壞死的作用，葛根素治療組能顯著下調(diào)PPARgamma2mRNA表達(dá)，降低細(xì)胞甘油三酯含量，增加細(xì)胞堿性磷酸酶活性以及骨鈣素mRNA表達(dá)。還有研究者通過PPARgamma2－siRNA轉(zhuǎn)染于含酒精和成骨誘導(dǎo)劑培養(yǎng)的hBMSCs，發(fā)現(xiàn)siRNA能增加培養(yǎng)細(xì)胞的基質(zhì)礦化，下調(diào)成脂肪細(xì)胞的基因(PPARgamma2 and aP2)表達(dá)，上調(diào)成骨細(xì)胞基因(Osf2/Cbfa1)表達(dá)，增加骨基質(zhì)蛋白合成。而Feng等通過比較股骨頭壞死病人和正常人的外周血ECPs數(shù)量和功能差異，發(fā)現(xiàn)激素性、酒精性和特發(fā)性ANFH病人外周血EPC和CFUs無顯著性差異，但股骨頭缺血壞死病人EPCs遷移能力下降，細(xì)胞衰老加速，體外細(xì)胞成血管能力下降。故內(nèi)皮細(xì)胞功能缺陷亦可能是股骨頭壞死的發(fā)病機(jī)制之一。

二、股骨頭壞死的干細(xì)胞治療

由于前述的脂肪栓塞學(xué)說、微血管內(nèi)凝血學(xué)說和骨內(nèi)高壓學(xué)說等均未能完全闡明骨壞死的病因本質(zhì)，借助分子生物學(xué)的研究方法，有學(xué)者對股骨頭壞死的病因研究深入一步，并提出了股骨頭壞死病因的新見解—股骨頭壞死的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。在該研究領(lǐng)域，Hernigou等被認(rèn)為是開拓者。

1994、1997年Hernigou等報(bào)道了1例13歲鐮狀細(xì)胞病伴肱骨頭骨骺壞死病例行骨髓移植治療的病例，骨髓來源于HLA相同的雜合子雙胞胎。術(shù)后用環(huán)磷酰胺化療和放療抑制免疫反應(yīng)。術(shù)后3個(gè)月X線檢查塌陷的肱骨頭修復(fù)，MRI提示肱骨頭髓腔趨向正常;另外，局部疼痛和關(guān)節(jié)活動(dòng)明顯改善，4年后隨訪塌陷的肱骨頭已修復(fù)。Hernigou等認(rèn)為股骨頭壞死可能是骨細(xì)胞或骨髓基質(zhì)干細(xì)胞疾病。他們研究了激素性股骨頭壞死、鐮狀細(xì)胞病股骨頭壞死和對照組(沒有股骨頭壞死)患者的股骨近端的骨髓，發(fā)現(xiàn)激素性股骨頭壞死患者的骨髓成纖維克隆形成單位(fibroblast colony－forming units，F(xiàn)CFUs)數(shù)量明顯減少，骨髓基質(zhì)干細(xì)胞活性和成骨細(xì)胞增殖能力明顯降低。股骨近端骨髓基質(zhì)干細(xì)胞數(shù)量的減少、成骨細(xì)胞增殖能力降低使股骨頭壞死早期骨重塑障礙是股骨頭壞死的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。這一研究發(fā)現(xiàn)奠定了利用自體骨髓基質(zhì)干細(xì)胞移植治療股骨頭壞死的理論基礎(chǔ)。

Hernigou和Gangji等對骨髓移植治療股骨頭壞死的方法、移植的專用設(shè)備等均進(jìn)行了研究和優(yōu)化。Hernigou等進(jìn)行一項(xiàng)前瞻性研究，應(yīng)用髓芯減壓加自體骨髓移植治療股骨頭壞死116例(189髖)，全麻下抽取髂骨骨髓400ml，將抽取的骨髓經(jīng)專用骨髓收集儀離心，分離所得的單核細(xì)胞約50ml。X線透視下用一3mm直徑環(huán)鉆經(jīng)粗隆部、股骨頸和股骨頭鉆孔至股骨頭壞死區(qū)行髓芯減壓，然后將環(huán)鉆頭置入股骨頭軟骨下2～3mm處，將50ml離心后骨髓經(jīng)孔道注入股骨頭中。經(jīng)過5～10年的隨訪，采用Harris評分、X線片進(jìn)展和是否需髖關(guān)節(jié)置換評定結(jié)果。根據(jù)結(jié)果作者認(rèn)為移植的前體細(xì)胞數(shù)量多的效果最好。Gangji等對13例(18髖)ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨頭壞死行隨機(jī)雙盲對照研究，試驗(yàn)組采用髓芯減壓加自體骨髓單核細(xì)胞移植，對照組單純髓芯減壓，術(shù)后經(jīng)過24個(gè)月的隨訪，對照組8髖中有5髖進(jìn)展為Ⅲ期病變，而試驗(yàn)組10髖只有1髖發(fā)展為Ⅲ期，骨壞死范圍減少35%;臨床癥狀減輕，關(guān)節(jié)功能明顯改善。2002年Hernigou和Beaujean又對多年來積累的骨髓移植治療股骨頭壞死病例(116例共189髖)進(jìn)行了回顧性分析研究。該組病例隨訪5～11年，平均隨訪7年。股骨頭壞死的病因分類:激素性16%，酒精性30%，鐮狀細(xì)胞病34%，器官移植11%，特發(fā)性5%，其他4%。ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨頭壞死145髖，在隨訪的終點(diǎn)共有9例進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換，ARCOⅠ、Ⅱ期的股骨頭壞死44髖，在隨訪的終點(diǎn)共有24例進(jìn)行了髖關(guān)節(jié)置換。研究還發(fā)現(xiàn)激素性、酒精性和器官移植后股骨頭壞死病人移植的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞數(shù)較鐮狀細(xì)胞病病人少。2008年Asada等進(jìn)行了注射骨髓干細(xì)胞預(yù)防激素性股骨頭壞死的動(dòng)物(兔)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)組為去甲氫化可的松+自體BMC(G1期);對照組為氫化可的松(20mg/kg)，氫化可的松(20mg/kg)+鉆孔，氫化可的松(20mg/kg)+生理鹽水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示自體BMC注射組無股骨頭壞死發(fā)生，而對照組股骨頭壞死發(fā)生率為70%。所以自體BMC注射能夠預(yù)防短期大劑量使用激素發(fā)生股骨頭壞死。Wang和Li等通過自體骨髓移植治療ARCOⅠ～ⅢA期股骨頭壞死45例(59髖)，取自體髂骨骨髓100～180m l，離心后濃縮骨髓為30～50ml，骨髓細(xì)胞濃度由離心前(12.2±3.2)×106/ml增加到(35.2±12.0)× 106/ml。壞死股骨頭CD后經(jīng)通道注入自體濃縮骨髓30～50ml。隨訪 12～40個(gè)月，臨床總有效率79.7%，Harris評分由術(shù)前71分增加到術(shù)后83分，14髖股骨頭塌陷或關(guān)節(jié)間隙變窄，其中7例行關(guān)節(jié)置換術(shù)。雖然眾多學(xué)者進(jìn)行了骨髓移植治療早期股骨頭缺血性壞死的研究并取得一定效果，但仍有許多問題仍未能明了。如注射的骨髓究竟含多少單核細(xì)胞成骨最好?如何保證注射后的數(shù)十毫升骨髓保留在股骨頭內(nèi)?骨髓單核細(xì)胞和成骨前體細(xì)胞哪種細(xì)胞更有效?外源性的細(xì)胞因子有無促進(jìn)壞死股骨頭的修復(fù)作用?血管內(nèi)皮系細(xì)胞有無促進(jìn)成骨系細(xì)胞的作用及其效應(yīng)如何等均值得進(jìn)一步探討。

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