非創(chuàng)傷性股骨頭壞死相關(guān)信號通路研究進(jìn)展

付志斌 李盛華 周明旺 葉丙霖 郭鐵峰 吳獻(xiàn)毅

1. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000 2. 甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050

近年來，隨著醫(yī)學(xué)科技的不斷進(jìn)步，對于信號通路的研究也越來越深入，發(fā)現(xiàn)信號通路與人體多種代謝性疾病的發(fā)病具有相關(guān)性，骨代謝性疾病與信號通路的研究也取得了一定的成果。非創(chuàng)傷性股骨頭壞死(nontraumatic osteonecrosis of femoral head，NONFH)是骨代謝性疾病中的的代表性疾病之一，也是目前醫(yī)學(xué)水平不能完全治愈的疾病之一，故通過信號通路的調(diào)控作用的研究，證實(shí)或揭示NONFH發(fā)病的病因病機(jī)和找到NONFH治療的新方法、新途徑，成了許多研究的焦點(diǎn)，大量的研究證實(shí)許多信號通路的調(diào)控作用在NONFH的發(fā)生、發(fā)展過程中具有一定的相關(guān)性，本文就圍繞NONFH相關(guān)的信號通路研究進(jìn)展予以綜述。

1 Wnt信號通路

Wnt信號通路是目前研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)體中的一條相對保守的信號通路，在細(xì)胞增殖和生長過程具有重要的調(diào)控作用，也對多種骨細(xì)胞增殖分化均具有一定的調(diào)控作用。其主要成員包括：細(xì)胞外因子(Wnt)、胞質(zhì)蛋白(β-catenin)、卷曲蛋白(Frizzled)、糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)、及核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子(T cell factor,TCF)等。

1.1 β-catenin

Wnt/β-catenin信號通路目前被認(rèn)為是Wnt信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)中的經(jīng)典通路，Neth等[1]研究發(fā)現(xiàn)Wnt信號通路是人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(human bone marrow mesenchymal stem cells,hMSCs)增殖、遷移和侵襲功能調(diào)控的關(guān)鍵因子。Weng等在NONFH的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)[2-3]髓基質(zhì)細(xì)胞(MSCs)具有向脂肪細(xì)胞分化的能力，并且可以使脂肪細(xì)胞增殖、肥大，造成脂肪細(xì)胞的堆積，導(dǎo)致股骨頭內(nèi)壓力升高，血液循環(huán)障礙，股骨頭內(nèi)骨的重建和塑型功能停滯或完全抑制，壞死的骨組織不能被及時(shí)修復(fù)，最終導(dǎo)致股骨頭壞死的發(fā)生(osteonecrosis of femoral head,ONFH)。由于經(jīng)典Wnt通路的在人體內(nèi)信號的傳導(dǎo)是，通過激活β-catenin而發(fā)揮作用，故經(jīng)典Wnt信號通路又稱為Wnt/β-catenin信號通路。許多研究證實(shí)Wnt/β-catenin信號通路在MSCs表達(dá)中具有關(guān)鍵性作用，所以在NONFH的相關(guān)信號通路的研究中Wnt/β-catenin通路是研究最多，Wnt/β-catenin信號分子的受體是Frizzled及LRP5/6。β-catenin在這條信號通路有著重要的作用，同時(shí)也是脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞成脂分化過程中重要的調(diào)控因子[4]；Wnt/β-catenin信號通路在骨細(xì)胞的增殖、分化中的調(diào)節(jié)作用具有多樣性，能夠促進(jìn)MSCs的更新，促進(jìn)成骨分化，抑制成脂，并受BMP-2的調(diào)節(jié)[5-7]。

卓金偉[8]用醋酸潑尼松龍?jiān)炷５耐眉に匦怨晒穷^壞死模型發(fā)現(xiàn)發(fā)病組中β-catenin和LRP5在的相對表達(dá)量較未發(fā)病組與對照組減少，表明Wnt/β-catenin信號通路受到抑制可能是發(fā)病組表達(dá)減少的主要因素；且由該研究結(jié)果可推測過量的糖皮質(zhì)激素可能抑制Wnt/β-catenin信號通路的成骨作用，反而提高股骨頭中成脂能力，誘發(fā)股骨頭骨細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致股骨頭缺血壞死的發(fā)生。張晨等[9]大鼠激素性股骨頭缺血性壞死(steroid-induced avascular necrosis of femoral head,SANFH)模型研究發(fā)現(xiàn)，分泌型卷曲相關(guān)蛋白1(secreted frizzled-related protein 1,SFRP1)可抑制Wnt/β-catenin信號通路的作用，增加股骨頭壞死的發(fā)生幾率。

1.2 DKK-1

DKK-1(Dickkopf-1)是DKKs(Dickkopfs)家族中的一員，在脊椎動(dòng)物中包括Dkk-1、Dkk-2、Dkk-3、Dkk-4；其成員都是分泌型糖蛋白，Wnt信號在細(xì)胞內(nèi)的傳遞作用可被DKK-1與其相應(yīng)的受體結(jié)合后抑制，影響細(xì)胞的增殖、分化及遷徙等許多方面。DKK-1對Wnt信號通路正常傳導(dǎo)起負(fù)調(diào)節(jié)作用，是Wnt信號傳導(dǎo)調(diào)控抑制劑，可抑制Wnt糖蛋白與受體卷曲蛋白(Frizzel)和低密度脂蛋白相關(guān)受體蛋白(low density lipoprotein receptor-reatein protein，LRP)協(xié)同受體結(jié)合形成復(fù)合物，破壞Wnt信號正常傳導(dǎo)、抑制其生物調(diào)節(jié)功能[10-13]。

大量的學(xué)者對SANFH研究證實(shí)，在SANFH發(fā)生發(fā)展過程中，激素可上調(diào)DKK-1的表達(dá)，進(jìn)而阻斷MSCs向成骨細(xì)胞(osteoblast,OB)分化，并誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡，激活破骨細(xì)胞(osteoclast,OC)，導(dǎo)致成骨能力及骨修復(fù)能力下降及骨量丟失，最終發(fā)生股骨頭壞死[14-18]。臺灣學(xué)者[19]通過檢測39名股骨頭壞死患者與10名正常人血清中DDK-1含量，發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死患者血清中DDK-1含量明顯高于正常人，對于不同的壞死分期股骨頭壞死患者，DDK-1含量與股骨頭壞死分期呈正相關(guān)，中晚期患者血清中DDK-1含量明顯高于患者早期患者。

2 OPG/RANKL/RANK

OPG/RANKL/RANK信號通路系統(tǒng)是1997年發(fā)現(xiàn)的一組調(diào)控破骨細(xì)胞分化激活的細(xì)胞因子，其三者均屬腫瘤壞死因子受體超家族(tumomecrosisfactor receptor superfamily,TNFRSF)，骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)屬于腫瘤壞死因子受體(TNFR)超家族，主要的作用機(jī)理是由成骨細(xì)胞前體和間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生一種分泌型糖蛋白，誘導(dǎo)受體與核因子KB受體活化因子配體(receptoractivator of nuclear factoi-kappa B ligand,RANKL)發(fā)生競爭性結(jié)合，抑制RANKL與核因子KB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-kappaB，RANK)的相互作用，使破骨細(xì)胞前體被成骨細(xì)胞誘導(dǎo)分化和融合的作用受到抑制，達(dá)到調(diào)控破骨細(xì)胞分化、增殖和凋亡的目的，并影響破骨細(xì)胞生理功能。

經(jīng)典Wnt信號通路通過OPG/RANKL在成骨細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)而抑制破骨細(xì)胞分化[20-22]，OPG通過與RANK競爭其配基RANKL，RANKL/RANK的結(jié)合被阻斷而破骨信號通路，有效降低破骨細(xì)胞的活性，抑制破骨細(xì)胞的作用而減少骨質(zhì)的丟失。王巖[23]用脂多糖聯(lián)合甲基強(qiáng)的松龍建立動(dòng)物模型，對動(dòng)物標(biāo)本形態(tài)學(xué)發(fā)現(xiàn)，模型組股骨頭局部OPG/RANKL染色率低，骨密度值低于空白組。Schaffler研究證實(shí)[24]：糖皮質(zhì)激素給藥干預(yù)可使股骨頭局部OPG表達(dá)明顯降低，其表達(dá)降低程度與給藥時(shí)間的長短呈正相關(guān)，且發(fā)現(xiàn)股骨頭局部破骨細(xì)胞增多，骨吸收能力增強(qiáng)，骨小梁結(jié)構(gòu)變的纖細(xì)、紊亂，而外源性O(shè)PG介入對這一病理進(jìn)程有保護(hù)作用。

3 TLR4信號通路

TLR4信號通路根據(jù)對MyD88依賴型可分為依賴型和非依賴型兩種。MyD88在依賴型的TLR4信號通路中可介導(dǎo)下游NF-κB的激活，同時(shí)NF-κB也可通過募集MyD88等相關(guān)因子進(jìn)行相應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[25]，并且聯(lián)合其他相關(guān)因子共同參與破骨細(xì)胞的活化過程。在破骨前體細(xì)胞分化成熟和破骨細(xì)胞增殖過程中，NF-κB參與的的相關(guān)信號通路發(fā)揮最主要作用。此外，NF-κB還可激活MCP-1，誘導(dǎo)單核/巨噬細(xì)胞系分化，產(chǎn)生大量的破骨細(xì)胞。田雷等[26]發(fā)現(xiàn)，激素類藥物可以誘導(dǎo)TLR4信號通路的過度激活，引起一種免疫級聯(lián)效應(yīng)，使大量破骨細(xì)胞活化增殖，引起骨質(zhì)疏松，股骨頭抗壓能力減弱，脆性增加，最終造成股骨頭壞死。

4 HIF-1α信號通路

低氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)是生物體內(nèi)最具特征性的低氧反應(yīng)信號通路。在機(jī)體缺血/缺氧環(huán)境下，骨形成和血管生成的偶聯(lián)過程中HIF-1α信號通路有著重要的調(diào)控作用。低氧的條件可以誘導(dǎo)HIF-1α入核與HIF-1β形成二聚體并募集共激活劑CBP/P300，反式作用于含有核苷酸序列為5'-G/ACGTG-3'的低氧反應(yīng)元件(hypoxia response element;HRE)，進(jìn)一步激活下游靶基因，改變一系列細(xì)胞的功能，包括能量代謝，紅細(xì)胞造血，血管發(fā)生，鐵代謝，自由基清除等，對缺氧的條件產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng)。

Li等[27]在股骨頭缺血性壞死的組織標(biāo)本內(nèi)可找到HIF-1α的表達(dá)。Zhang 等[28]對股骨頭壞缺血性死動(dòng)物模型的研究證實(shí)HIF-1α上調(diào)Sox9活性可對缺血性股骨頭壞死的軟骨代謝產(chǎn)生影響。HIF-1α的主要作用是能夠使軟骨細(xì)胞適應(yīng)缺氧環(huán)境，是軟骨形成的主要介質(zhì)之一，該蛋白缺失可導(dǎo)致生長板內(nèi)部缺氧區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞大量死亡[29]，說明在軟骨細(xì)胞正常生長的過程中HIF-1α起著重要作用。其作用機(jī)制可能是HIF-1α激活其部分下游基因，使軟骨細(xì)胞的代謝轉(zhuǎn)向節(jié)氧途徑并激活軟骨無氧酵解，以適應(yīng)缺氧環(huán)境[30]。以上研究證據(jù)說明HIF-1α信號通路在股骨頭缺血性壞死的發(fā)生過程有一定的關(guān)系。

5 RhoA/ROCK信號通路

近年來也有大量報(bào)道RhoA/ROCK信號通路在間充質(zhì)干細(xì)胞成骨成脂分化過程中有著重要的調(diào)節(jié)作用。RhoA/ROCK信號通路可影響軟骨細(xì)胞的形態(tài)及功能，通過改變軟骨細(xì)胞骨架。Vogel等[31]的研宄也表明在PHD基因敲除的Hela細(xì)胞或使用PHI(prolyl hydroxylase inhibitors,PHI)對PHD活性抑制的Hela細(xì)胞能夠以不依賴于HIF蛋白的作用而激活RhoA/ROCK信號通路。

許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[32-35]，人工合成成骨生長肽(osteogenic growth peptide ,OGP)、機(jī)械應(yīng)力、結(jié)締組織生長因子、細(xì)胞外基質(zhì)的可塑性等因素能夠影響間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化和類肌腱細(xì)胞分化，其共同的作用機(jī)制是通過激活RhoA/ROCK信號通路促進(jìn)成骨分化效應(yīng)進(jìn)而改變細(xì)胞的骨架結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)。Wang等[36]研宄也發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)是通過激活RhoA/ROCK信號通路通路，細(xì)胞骨架的改變而使細(xì)胞更能伸展的生長，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[37]二甲基乙二?；恃跛?dimethyloxalylglycine,DMOG)能明顯上調(diào)RUNX2及Osterix等與成骨分化相關(guān)的基因表達(dá)，促進(jìn)BMSCs成骨分化。實(shí)驗(yàn)還表明DMOG能明顯上調(diào)BMSCs成骨分化中RhoA/ROCK信號通路中關(guān)鍵分子total-RhoA、active-RhoA、ROCK1及p-cofilin的表達(dá)，最終抑制細(xì)胞肌動(dòng)蛋白解聚，從而也降低了細(xì)胞的遷移能力。表明DMOG激活RhoA/ROCK信號通路可能是DMOG促進(jìn)BMSCs成骨分化的重要分子機(jī)制。還證實(shí)經(jīng)髓芯減壓植入DMOG/BMSCs/生物蛋白膠三者復(fù)合物，對激素性股骨頭壞死兔股骨頭局部有修復(fù)作用。股骨頭局部成骨與成血管相關(guān)蛋白RUNX2與VEGF表達(dá)明顯上調(diào)，表明DMOG在激素性股骨頭壞死的修復(fù)中發(fā)揮了重要重用。

6 MAPK信號通路

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen- activatedprotein kinase,MAPK)是廣泛存在于哺乳動(dòng)物內(nèi)的一類絲/蘇氨酸蛋白激酶，其可被一系列如物理應(yīng)激、生長因子、炎性細(xì)胞因子、細(xì)菌復(fù)合物等的細(xì)胞外信號或刺激所激活。MAPKs信號通路調(diào)節(jié)特定的基因表達(dá)是通過保守的三級酶促級聯(lián)反應(yīng)(MAPKKK-MAPKK-MAPK)，激活細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，參與細(xì)胞分化、增殖、轉(zhuǎn)化和凋亡等生理過程，是胞外信號引起細(xì)胞核反應(yīng)的共同通路。MAPK通路是生物體內(nèi)參與介導(dǎo)細(xì)胞分裂、分化、生長和發(fā)育等多種生理及病理過程的重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)之一。MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是以三級激酶級聯(lián)的方式進(jìn)行的，首先絲分裂原刺激磷酸化激活MAPKKK，MAPKKK轉(zhuǎn)而磷酸化激活MAPKK，最后由MAPKK磷酸化MAPK，使MAPK活化而轉(zhuǎn)入核內(nèi)。

研究表明[38-42]，在MAPK信號通路中細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular signal-regulated protein kinase,ERK)、P38和c-jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)參與成骨細(xì)胞增殖、分化和凋亡的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，并在骨質(zhì)代謝和炎癥反應(yīng)中具有重要作用，在BMSCs的成骨分化過程中也起著關(guān)鍵作用。齊振熙[43]在兔股骨頭髓內(nèi)及離體兔BMSCs增殖實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，羥基紅花黃色素A(HSYA)可通過激活MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，上調(diào)通路中與增殖關(guān)聯(lián)的p-ERK蛋白的表達(dá)，促進(jìn)BMSCs增殖，下調(diào)凋亡相關(guān)聯(lián)的p-JNK、p-P38蛋白的表達(dá)，抑制其凋亡，減輕激素誘導(dǎo)對BMSCs凋亡的影響。

7 其它

有研究發(fā)現(xiàn)[44]RhoA參與關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)力學(xué)信號的傳導(dǎo)，RhoA/ROCK信號通路在關(guān)節(jié)軟骨的退變中具有重要的作用。更有學(xué)者發(fā)現(xiàn)[45-46]，VEGF信號通路在血管新生的過程中具有重要的調(diào)節(jié)作用，通過抑制VEGF信號通路，可抑制新生血管的發(fā)生，而缺血這一是股骨頭壞死的主要病理過程。

譚振等[47]通過雷奈酸鍶干預(yù)激素性Wistar大鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，雷奈酸鍶可通過抑制模型大鼠股骨頭內(nèi)DKK-1 過表達(dá)，激活Wnt信號通路，促進(jìn)成骨分化及成骨活性，對股骨頭壞死起到早期的預(yù)防具有一定作用。李建新[48]研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)腎活血湯調(diào)控BMSCs成骨-成脂分化的機(jī)制主要是通過增強(qiáng)化Wnt/β-catenin信號通路中成骨因子化的基因和蛋白表達(dá)，同時(shí)抑制成脂因子DDK1、SFRP4的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)BMSCs向成骨細(xì)胞分化。張波等[49]通過髓芯減壓后股骨頭內(nèi)注射富血小板血漿(PRP)，研究結(jié)果顯示，PRP與BMSCs能改善股骨頭壞死的恢復(fù)情況，其作用是通過上調(diào)BMP-2的蛋白水平，激活Smads信號通路，繼而誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化，達(dá)到骨組織修復(fù)和愈合的目的。且MAPK[50]、Notch[51]、Wnt[52]等信號通路都參與成骨細(xì)胞分化和骨形成的調(diào)節(jié)。張遙等[53]通過7～9個(gè)以上軟件對7種miRNAs所預(yù)測靶基因相關(guān)的KEGG信號通路中，發(fā)現(xiàn)共有的信號通路為Focal adhesion信號通路、MAPK信號通路、Notch信號通路。所以，多種信號通路在NONFH的發(fā)生和發(fā)展過程中有一定的作用，但是其相互之間又有協(xié)同或拮抗作用，具體的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步的深入研究。

8 展望

NONFH是一個(gè)受多種因素共同參與的復(fù)雜的髖關(guān)節(jié)疾病，目前該病的具體發(fā)病機(jī)制還不明確。隨著對其研究的不斷深入，與股骨頭壞死相關(guān)的潛在生化標(biāo)記物的研究己取得可喜的成果，但由于研究對象種族的不同、檢測方法及指標(biāo)的差異及研究角度的不同，研究結(jié)論還存在不一致，且缺乏特異性和敏感性生化標(biāo)記物，目前仍有許多問題有待于更進(jìn)一步深入研究。大量的研究證據(jù)表明信號通路在NONFH的發(fā)生和發(fā)展過程中具有重要的調(diào)控作用，且是受多信號通路調(diào)控的結(jié)果，且相關(guān)信號通路的調(diào)控具有交叉作用，近年來隨著對NONFH的研究深入，如血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(Fatty acid transport protein-1,FATP-1) 等信號通路在NONFH中也具有一定的調(diào)控作用，但是具體的機(jī)理仍需進(jìn)一步闡明，希望能在今后的研究中進(jìn)一步對其作用機(jī)制有深入的發(fā)現(xiàn)，為NONFH的防治找到靶點(diǎn)，指導(dǎo)臨床的用藥治療，讓NONFH可防可治。