激素性股骨頭壞死相關(guān)因子的研究進(jìn)展

張啟棟，岳聚安

（中日友好醫(yī)院 骨關(guān)節(jié)外科，北京 100029）

激素性股骨頭壞死相關(guān)因子的研究進(jìn)展

張啟棟，岳聚安

（中日友好醫(yī)院 骨關(guān)節(jié)外科，北京 100029）

股骨頭壞死（osteonecrosis of femoral head，ONFH），又稱股骨頭缺血性壞死。臨床將ONFH分為創(chuàng)傷性和非創(chuàng)傷性，我國非創(chuàng)傷性O(shè)NFH患者有800多萬，大劑量糖皮質(zhì)激素的應(yīng)用是非創(chuàng)傷性O(shè)NFH的主要原因[1]。近年來，ONFH領(lǐng)域研究較多的細(xì)胞因子主要有以下幾種：轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor-β，TGF-β）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、低氧誘導(dǎo)因子 1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）、11β-羥基類固 醇 脫 氫 酶 （11β-hydroxy steroid dehydrogenase，11β-HSD）、 肝細(xì)胞色素 P450酶 3A （hepatic cytochrome P4503A，CYP3A）等。本文旨在對上述相關(guān)因子做一綜述。

1 TGF-β

臨床上收集激素性O(shè)NFH標(biāo)本，采用免疫組織化學(xué)檢測股骨頭標(biāo)本骨組織中TGF-β1，發(fā)現(xiàn)激素性O(shè)NFH骨組織中TGF-β1表達(dá)水平過低，ONFH程度越重，TGF-β1的表達(dá)量越少。Zhu等[2]研究表明，TGF-β通路同時是ONFH成纖維細(xì)胞活化的靶標(biāo)。趙丁巖等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在股骨頭微血管內(nèi)皮細(xì)胞Smad3及其活性形式Smad3二聚體的表達(dá)水平隨著糖皮質(zhì)激素劑量的升高而下降，抑制性型蛋白Smad7則陽性表達(dá)。Samd2/3信號可通過上調(diào)血管內(nèi)皮細(xì)胞成熟相關(guān)基因的表達(dá)，抑制細(xì)胞的增殖和遷移，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)沉積，基膜形成，誘導(dǎo)新生血管的形成。

適度增加血液中患者病變局部TGF-β的濃度及數(shù)量可以促進(jìn)壞死股骨頭的修復(fù)。藍(lán)天等[4]取正常大白兔股骨骨髓進(jìn)行骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 （marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的原代及傳代培養(yǎng)，用 rLV-ZsGreen熒光慢病毒轉(zhuǎn)染標(biāo)記培養(yǎng)好的細(xì)胞，BMSCs復(fù)合 TGF-β2及geneX支架經(jīng)髓芯減壓移植治療激素性O(shè)NFH，結(jié)果顯示實(shí)驗組BMP2細(xì)胞陽性表達(dá)量及BMP2基因表達(dá)量均上調(diào)，BMP2蛋白表達(dá)量上升，促進(jìn)股骨頭修復(fù)。對中藥活骨一號作用機(jī)制的基礎(chǔ)研究表明，中藥活骨一號可以調(diào)控TGF-β及Smad因子表達(dá)而治療ONFH[5]。

2 BMP

BMP存在于骨基質(zhì)中，并有成骨誘導(dǎo)作用。BMP家族成員近50種，其中以BMP2成骨活性最強(qiáng)。BMP2可以誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞和骨細(xì)胞，并使其表達(dá)VEGF，在骨組織中創(chuàng)造一個有利于血管化的環(huán)境。BMP2并不直接作用于靶基因，而是通過BMP2受體、信號途徑和靶基因組成的一個較完整的信號系統(tǒng)發(fā)揮骨誘導(dǎo)作用，BMP2處于系統(tǒng)的核心和啟位點(diǎn)，缺乏BMP2表達(dá)的小鼠體內(nèi)的骨祖細(xì)胞大部分失去了增殖和分化成成骨細(xì)胞的能力。激素誘導(dǎo)的ONFH病例中BMP2表達(dá)受抑制，且抑制的程度與用藥成正比。周勇等[6]發(fā)現(xiàn)BMP2在壞死交界區(qū)表達(dá)強(qiáng)度高于壞死區(qū)和正常區(qū)。

BMP2是最主要的調(diào)節(jié)骨形成的信號蛋白，無論是動物模型研究還是臨床實(shí)踐，均證明應(yīng)用BMP2具有強(qiáng)大的成骨作用，可以治療ONFH。Katiella等[7]應(yīng)用BMP2轉(zhuǎn)染BMSCs復(fù)合鎂合金棒修復(fù)兔ONFH，結(jié)果術(shù)后12周HE染色顯示BMP2基因復(fù)合BMSCs有延緩和修復(fù)股骨頭缺血性壞死的作用。張波等[8]通過富血小板血漿聯(lián)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞提高股骨頭中BMP2蛋白水平，可促進(jìn)股骨頭骨細(xì)胞增殖，減少骨陷窩空缺率。在臨床治療中，Sun等[9]通過臨床對照研究，在開窗植骨的ONFH患者植入BMP獲得優(yōu)良效果，推薦手術(shù)時加入rhBMP2，以提高手術(shù)療效和骨修復(fù)質(zhì)量。

3 VEGF

VEGF是由血小板、巨核細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和成骨細(xì)胞等分泌的一種糖蛋白，它在體內(nèi)外均可特異性地促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長并誘導(dǎo)血管生成，具有強(qiáng)大的促內(nèi)皮細(xì)胞增殖、促血管生成作用，對軟骨內(nèi)成骨及骨修復(fù)過程中的血管入侵有重要作用。VEGF的激酶結(jié)構(gòu)域受體（kinase domain receptor，KDR）只結(jié)合VEGF，不結(jié)合其他內(nèi)皮生長因子，因而VEGF可特異作用于內(nèi)皮細(xì)胞，發(fā)揮其增殖和生成血管的作用。與KDR受體結(jié)合后則可以增加毛細(xì)血管后靜脈和小靜脈的通透性，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)和炎性物質(zhì)的滲出。由于VEGF與受體結(jié)合后能促進(jìn)微血管周圍內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移并改變其基因表達(dá)，促進(jìn)新生血管形成；又因它具有導(dǎo)致血管通透的能力，促使血漿蛋白的滲出，形成富含纖維素并有利于新血管形成的細(xì)胞外基質(zhì)，所以VEGF被認(rèn)為是最有力的血管生成因子。Hong等[10]對3篇文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)評價發(fā)現(xiàn)，VEGF基因-634G/C多態(tài)性與ONFH發(fā)生相關(guān)，尤其是在男性組更為明顯。

Zhu等[11]發(fā)現(xiàn)激素型ONFH的VEGF與BMP2表達(dá)均受到明顯抑制。大劑量應(yīng)用糖皮質(zhì)激素可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)環(huán)氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）以及后續(xù)的前列環(huán)素E2（prostacyclin E2，PGE2）表達(dá)減少，PGE2 的減少導(dǎo)致促血管生成物質(zhì)VEGF合成不足。在ONFH早期修復(fù)的過程中，新生骨的形成、與之偶聯(lián)的成血管過程均可見VEGF大量表達(dá)，隨著病程進(jìn)展，VEGF表達(dá)迅速下降。隨著糖皮質(zhì)激素抑制VEGF的合成，阻礙股骨頭內(nèi)毛細(xì)血管生長和再生，減少毛細(xì)血管床面積，當(dāng)缺血缺氧發(fā)展到一定程度時，各種組織和細(xì)胞得不到充分的血供和營養(yǎng)，股骨頭內(nèi)的細(xì)胞及組織即發(fā)生壞死性改變。臨床觀察VEGF和BMP2在非創(chuàng)傷性O(shè)NFH不同區(qū)域的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)VEGF和BMP2在非創(chuàng)傷性O(shè)NFH交界區(qū)表達(dá)強(qiáng)度高于壞死區(qū)和正常區(qū)。

與激素抑制VEGF表達(dá)相對應(yīng)，大多數(shù)骨誘導(dǎo)因子促進(jìn)骨修復(fù)是通過刺激VEGF產(chǎn)生來實(shí)現(xiàn)的，利用藥物促進(jìn)股骨頭內(nèi)源性VEGF的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)壞死區(qū)域血管再生及新骨形成是治療股骨頭缺血壞死的可行途徑。通過基因轉(zhuǎn)染等方法促進(jìn)激素影響的股骨頭局部VEGF及其相關(guān)細(xì)胞因子含量，從而增強(qiáng)股骨頭血供，提高骨組織修復(fù)能力。迮仁浩等[12]應(yīng)用pcDNA3.1-VEGF165重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)染兔BMSCs，復(fù)合聚乳酸/羥基磷灰石 （PLA/HA）支架植入ONFH兔體內(nèi)，采用逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）檢測pcDNA3.1-VEGF165重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)染兔BMSCs后VEGF表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)pcDNA3.1-VEGF165重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)染兔BMSCs后VEGF表達(dá)水平明顯升高，X線及micro-CT可見壞死骨小梁周圍部分新骨及小血管形成。

4 HIF-1α

HIF-1α是在細(xì)胞核內(nèi)廣泛表達(dá)的調(diào)節(jié)缺血/缺氧適應(yīng)性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。低氧時HIF-1α蛋白保持穩(wěn)定促進(jìn)血管生成以及VEGF的表達(dá)。

低氧是ONFH的病因基礎(chǔ)，缺血壞死的股骨頭組織內(nèi)存在HIF-1α的表達(dá)明顯升高。趙振群等[13]應(yīng)用激素聯(lián)合內(nèi)毒素制備的激素性股骨頭缺血壞死模型，發(fā)現(xiàn)在激素性股骨頭缺血壞死早期，HIF-1α的低表達(dá)與骨細(xì)胞凋亡存在相關(guān)性，二者參與了激素性股骨頭缺血壞死的病理變化過程。Li等人[14]利用兔ONFH模型研究證實(shí)在低氧條件下HIF-1α和VEGF均低表達(dá)，并且HIF-1α介導(dǎo)VEGF影響血管生成，導(dǎo)致缺血壞死。Yamaguchi等[15]利用動物模型研究發(fā)現(xiàn)在HIF-1α還可以激活軟骨細(xì)胞IL-6表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致滑膜炎癥反應(yīng)。

以HIF-1α為靶點(diǎn)為骨壞死治療提供了新思路。Ding等[16]利用HIF-1a轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)HIF-1α轉(zhuǎn)染能夠誘導(dǎo)BMCs表達(dá)成骨相關(guān)基因和VEGF，且成骨分化能力明顯加強(qiáng)，這表明HIF-1α轉(zhuǎn)染的BMCs能加強(qiáng)其在體外成骨和成血管的能力。此外，他們將HIF-1α轉(zhuǎn)染的細(xì)胞移植到兔ONFH區(qū)域，發(fā)現(xiàn)新生血管、骨形成均明顯增加。這表明HIF-1α轉(zhuǎn)染的細(xì)胞對激素誘導(dǎo)ONFH的修復(fù)效果理想。Zhu等[17]研究發(fā)現(xiàn)抑制劑Dimethyloxaloylglycine可以通過增強(qiáng)HIF-1α表達(dá)而增強(qiáng)激素誘導(dǎo)干細(xì)胞修復(fù)能力而治療ONFH。

5 糖皮質(zhì)激素的代謝酶

11β-羥基類固醇脫氫酶（11β-HSD）是糖皮質(zhì)激素的關(guān)鍵代謝酶，可以催化糖皮質(zhì)激素C11位的酮基與羥基之間的氧化還原反應(yīng)，使有生物活性的皮質(zhì)醇與無活性11β-HSD的相互轉(zhuǎn)化，所以被譽(yù)為是糖皮質(zhì)激素在組織水平上的前受體調(diào)節(jié)劑。Wang等[18]發(fā)現(xiàn)激素性股骨頭缺血性壞死的新西蘭大白兔的11β-HSD1表達(dá)明顯升高，而11β-HSD2表達(dá)水平下降。11β-HSD1將無活性的皮質(zhì)醇轉(zhuǎn)化成活性狀態(tài)，11β-HSD2的功能則正好相反。糖皮質(zhì)激素對于血管的調(diào)節(jié)主要是通過作用于內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞而實(shí)現(xiàn)的，在這2種細(xì)胞中，均已發(fā)現(xiàn)這2種亞型，故認(rèn)為糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)ONFH的病理過程可能和HSD的異常存在有一定關(guān)系。Chapman等[19]揭示11β-HSD擴(kuò)大了內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素抑制血管形成的功能，他發(fā)現(xiàn)11β-HSD表達(dá)增加，骨組織局部糖皮質(zhì)激素半衰期延長，骨組織血管新生能力下降。吳國瓊等[20]發(fā)現(xiàn)11β-HSD1抑制劑BVT2733可改善高脂血癥大鼠的血脂及脂蛋白水平紊亂，降低肝臟脂肪含量并穩(wěn)定骨骼肌脂代謝基因表達(dá)，抑制11β-HSD1活性對高脂血癥相關(guān)的脂肪組織和骨骼肌異常脂質(zhì)代謝有一定改善作用。因此，積極調(diào)控11β-HSD的表達(dá)，是ONFH研究的一個方向。

CYP3A是另一個糖皮質(zhì)激素的關(guān)鍵代謝酶，屬于重要的CYP450酶系，它在肝臟和腸道中含量最豐富。CYP3A基因家族中的CYP450酶約占成年人肝臟CYP450酶總量的25%，臨床中約有60%的藥物經(jīng)CYP3A催化代謝。Tokuhara等[21]研究表明，ONFH的CYP3A低活性導(dǎo)致糖皮質(zhì)激素代謝減緩，是ONFH的主要原因。然而，CYP3A存在明顯多態(tài)性及個體差異[22]?？紤]到個體對激素敏感性的不同，Ikemura等[23]研究發(fā)現(xiàn)，個體CYP3A酶活性在激素誘導(dǎo)兔ONFH的明顯降低是導(dǎo)致ONFH的重要因素，并且存在性別差異。Kubo等[24]研究認(rèn)為CYP3A是激素性O(shè)NFH的重要影響因子。由于肝臟CYP3A活性低，導(dǎo)致糖皮質(zhì)激素代謝時間延長，毒素效應(yīng)如氧化應(yīng)激增加，因此即使低劑量的糖皮質(zhì)激素，也可以誘發(fā)股骨頭缺血壞死。通過誘導(dǎo)調(diào)節(jié)CYP3A靶向活性，可以對激素性O(shè)NFH起到治療作用。段瑞奇等[25]探討中藥骨康通過對CYP3A活性調(diào)控預(yù)防ONFH的作用，發(fā)現(xiàn)給藥后CYP3A活性顯著升高，ONFH發(fā)生率明顯低于對照組，CYP3A活性與兔ONFH發(fā)生率及空骨陷凹率均呈負(fù)相關(guān)，中藥骨康能顯著誘導(dǎo)CYP3A高表達(dá)，對激素性O(shè)NFH有預(yù)防作用。

綜上所述， TGF-β、BMP、VEGF、HIF-1α 是激素 性O(shè)NFH發(fā)生過程中與血管內(nèi)皮細(xì)胞功能密切相關(guān)的因子，通過調(diào)控可以在骨組織修復(fù)過程中起關(guān)鍵作用。但是11β-HSD、CYP3A等糖皮質(zhì)激素的代謝酶在激素性O(shè)NFH發(fā)生中的作用也是值得關(guān)注的另一方向。

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R681

A

1001-0025（2017）04-0242-03

10.3969/j.issn.1001-0025.2017.04.013

張啟棟（1982-），男，主治醫(yī)師，醫(yī)學(xué)博士。

2017-03-13

2017-04-30