細胞凋亡在激素性股骨頭壞死發(fā)病機制中的研究進展

芮 仞，婁 悅，張先姚，李錦航，周正新

（1.安徽中醫(yī)藥大學研究生院，安徽合肥230038； 2.安徽中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院，安徽 合肥230038）

激素性股骨頭壞死（SANFH）是由于使用大劑量激素導致股骨頭缺血性壞死的疾病。自1953年第一例激素引發(fā)股骨頭壞死報道，世界各地陸續(xù)出現(xiàn)類似病例報道。近年來，隨著我國在臨床上對于激素的大量使用，激素導致的股骨頭壞死逐年上升，已占股骨頭缺血壞死的一半。SANFH嚴重影響患者的生活質量，雙側患病者甚至可致殘。因此，探究SANFH的發(fā)病機制對于臨床上預防和治療本病具有重要的意義。目前SANFH的發(fā)病機制尚未完全明確，有血管內凝血、脂質代謝紊亂、骨內高壓等多種假說。近年來，隨著分子生物、分子化學、組織細胞學科的不斷發(fā)展，通過研究發(fā)現(xiàn)在激素作用下細胞會發(fā)生凋亡，故推斷激素導致的骨細胞凋亡與股骨頭壞死關系密切。筆者在閱讀分析近5年文獻的基礎上，對骨細胞凋亡的相關基因做一研究討論。

1 股骨頭壞死的病理改變

人體內發(fā)育成熟的骨細胞位于骨陷窩內，為扁橢圓形，呈多突起狀，突起伸入骨小管內，相鄰細胞的突起以縫隙連接、彼此相互接觸。骨小管使骨細胞和骨表面的細胞形成相互聯(lián)系［1］。大劑量的糖皮質激素可以促進成骨細胞和骨細胞提前進入凋亡，但不會促使破骨細胞凋亡［2］。成骨細胞提前凋亡，會導致整體骨量減少，出現(xiàn)松質骨骨小梁變細、數(shù)量減少、骨皮質多孔、變薄等骨微結構破壞的表現(xiàn)，輕微的應力作用會使股骨頭區(qū)骨小梁發(fā)生細微損傷。在這些細微損傷的長期積累下，會導致股骨頭塌陷，塌陷后的股骨頭會破壞該區(qū)的血液循環(huán)，最終引發(fā)股骨頭缺血壞死［3-4］。

2 細胞凋亡

細胞凋亡是指細胞為維持機體內環(huán)境穩(wěn)定，更好適應外界環(huán)境進行有序的主動性死亡過程。細胞凋亡的異常會破壞機體的穩(wěn)定，繼而引發(fā)疾病。細胞凋亡是在細胞內外特定的生理或病理性因素的誘導下發(fā)生的，目前認為細胞內的基因直接控制著細胞凋亡的發(fā)生和發(fā)展，細胞外部因素通過信號轉導而影響這些基因的表達，或其表達產物的活化，從而間接調控細胞凋亡。宋奕等［5］認為骨細胞凋亡參與糖皮質激素誘導的股骨頭早期缺血性壞死的病理改變，Bcl-2家族、p53基因、Caspase家族、Fas/Fas L系統(tǒng)等是參與骨細胞凋亡的關鍵因素。

3 激素性股骨頭壞死的凋亡基因類型

3.1 Bcl-2 家族

Bcl-2家族可劃分為3個亞家族：Bcl-2亞家族、Bax亞家族、BH3亞家族。Bcl-2與凋亡密切相關，在細胞凋亡的過程中Bcl-2具有十分重要的作用。SANFH的發(fā)生可能與激素調節(jié)Bcl-2的表達，進而調節(jié)骨細胞凋亡有關。細胞凋亡信號傳遞系統(tǒng)能夠被Bcl-2蛋白所阻斷，進而發(fā)揮抑制細胞凋亡的作用。張銳東等［6］實驗研究發(fā)現(xiàn)在SANFH骨細胞中Bcl-2抗凋亡的作用遭受到十分明顯的抑制。因為Bcl-2表達減少，骨細胞凋亡的過程沒有受到抑制，導致骨細胞凋亡增加，最終會造成股骨頭壞死。Zhang H等［7］用地塞米松誘導兔股骨頭壞死建立模型，在造模前后分別檢測兔的細胞凋亡水平、MLO-Y4細胞、Bcl-2的表達及MC3T3-E1細胞Fas和Caspase 8的表達，結果顯示激素能夠調控Bcl-2的表達，以及活化Caspase 8，從而促進骨細胞凋亡，而骨細胞過度凋亡可能是導致股骨頭壞死的因素之一。王偉等［8］發(fā)現(xiàn)腹腔注射激素后兔股骨頭骨小梁變細，陷窩增多，骨細胞核固縮，認為大劑量的激素可能通過上調Bax和下調Bcl-2蛋白的表達從而引起骨質疏松，最終導致股骨頭發(fā)生壞死。賈巖波等［9］認為骨細胞凋亡在股骨頭壞死的病理過程中十分重要。Bcl-2蛋白可使凋亡蛋白減緩甚至無法表達，以此來調控整個細胞凋亡的過程。而使用大劑量激素后，雖然可以治愈某些疾病，但與此同時會抑制Bcl-2蛋白的表達，使其無法調控細胞凋亡的過程，甚至會促進骨細胞的凋亡，最終導致股骨頭壞死。Moriishi T等［10］研究發(fā)現(xiàn)骨母細胞中 Bcl-2的過度表達會抑制成骨細胞的分化，減緩骨細胞構筑骨小梁的過程，導致骨細胞凋亡。Bcl-2家族對細胞凋亡的調節(jié)作用，一方面表現(xiàn)在Bcl-2亞家族分子通過BH4結構域與Apaf-1結合，從而阻斷后者對Caspase-9的活化，而BH3亞家族Bcl-XL結合而抑制上述活性；另一方面，由于含有BH1、BH2結構域，Bcl-2和Bax亞家族可以在細胞器膜上形成不同的孔道，從而保護或破壞該細胞器。

3.2 p53 基因

p53基因是一種抑癌基因，在調控細胞凋亡的過程中作用不可忽視。余華［11］通過對比股骨頭壞死患者和正常成年人兩組之間p53基因的表達、骨細胞凋亡數(shù)量的差異后發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死患者p53基因表達上調，認為p53基因通過PI3K/Akt信號通路誘導骨細胞凋亡。SW Huang等［12］檢測p53的表達、磷酸化和亞細胞定位，發(fā)現(xiàn)p53沉默可顯著降低ImQ誘導的caspase級聯(lián)激活和凋亡，認為p53基因可能在骨細胞凋亡的過程中占有主導地位。駱旭東等［13］實驗發(fā)現(xiàn)實驗組（股骨頭壞死組）出現(xiàn)大量骨細胞凋亡，以軟骨下區(qū)最為明顯，骨細胞凋亡數(shù)明顯高于對照組（正常組），股骨頭壞死組p53基因表達明顯增高。說明p53基因上調可能會導致骨細胞凋亡。Trichilis A等［14］研究發(fā)現(xiàn)小鼠軟骨遠端的軟骨膜可以檢測到細胞凋亡，在退變過程中軟骨細胞逐漸變成p53陽性，且小鼠病變區(qū)的凋亡小體逐漸增加，表明p53基因陽性率與軟骨細胞凋亡成正相關。Guo K L等［15］造模成功后檢測p53和Bcl-2蛋白的表達，發(fā)現(xiàn)實驗組骨細胞Bcl-2蛋白表達量下降而P53蛋白表達卻增加，認為p53基因能夠參與骨細胞凋亡的過程，導致骨細胞凋亡。p53的胞漿含量、穩(wěn)定性及轉錄活性的顯著增加，有利于p53發(fā)揮其轉錄激活功能，細胞可以通過以p53為核心的復雜的信號轉導機制誘導細胞凋亡。

3.3 Caspase 家族

半胱氨酸蛋白酶（caspase）家族引發(fā)的級聯(lián)反應參與細胞凋亡的進程，在細胞凋亡機制網絡中居中心地位［16］。王宇鋒等［17］發(fā)現(xiàn)細胞凋亡主要通過 Caspase3、PARP1、MCC1、A2F 和 Bcl-2 這幾種凋亡蛋白的表達來調控細胞的凋亡，其中Caspase家族在多種凋亡通路中都占有重要地位。Jang J Y等［18］研究發(fā)現(xiàn)激活后的 Caspase3可以直接促進骨細胞凋亡通路的發(fā)生，進而導致凋亡信號轉導，促使骨細胞死亡，而且這種激活誘導反應一旦發(fā)生幾乎是不可能逆轉的。Jia Y B等［19］注射激素建立兔股骨頭壞死模型后檢測Caspase-3和Bcl-2表達水平及骨髓造血細胞DNA氧化損傷，發(fā)現(xiàn)通過降低Caspase-3的表達，上調Bcl-2的表達，可以減輕SANFH早期骨髓造血細胞的DNA氧化損傷，干預細胞凋亡。Ye T等［20］研究了兩種不同劑量的利塞膦酸鹽（RIS）對去卵巢大鼠骨細胞凋亡、破骨細胞活性和骨丟失的影響，發(fā)現(xiàn)低、高劑量RIS對OVX大鼠成骨細胞凋亡和破骨細胞活性均有明顯的抑制作用，而這種作用是通過降低OVX大鼠Caspase-3陽性骨細胞、空腔細胞和TRAP陽性破骨細胞來完成的。Davis H M等［21］研究了由衰老和Cx 43缺乏引起的骨細胞凋亡和破骨細胞募集的分子信號事件，發(fā)現(xiàn)Cx 43-沉默的MLO-Y4骨細胞（Cx43def）在培養(yǎng)過程中通過caspase-3激活而自發(fā)死亡，Caspase-3抑制作用可抑制Cx 43防御細胞釋放RANKL/HMGB 1，誘導破骨細胞凋亡。Kennedy O D等［22］造模成功后檢測 HIF-1α、血管內皮生長因子（VEGF）、Caspase-3和bcl-2。結果表明通過抑制了Caspase-3的表達，并誘導了股骨頭組織中Bcl-2的表達，能明顯抑制骨細胞、軟骨細胞和骨髓細胞的凋亡。

3.4 Fas/Fas L 系統(tǒng)

Fas及其配體FasL是有關細胞凋亡的膜表面分子。Kogianni G等［23］實驗研究成骨細胞凋亡的分子途徑，發(fā)現(xiàn)地塞米松能誘導Fas/CD 95死亡受體相關的凋亡，并呈Caspase 8依賴性，Dex激活的ERK和Fas通路在骨細胞凋亡過程中發(fā)揮協(xié)同作用。Kogianni G認為糖皮質激素的長期使用與骨形成減少、吸收增加和骨壞死有關，其機制是直接和間接地影響骨效應細胞、成骨細胞、破骨細胞和骨細胞的活性和活力。劉偉［24］在用骨保護素誘導細胞凋亡的實驗中發(fā)現(xiàn)破骨細胞（OCs）在使用骨保護素后促凋亡基因Bax的轉錄水平升高，抑凋亡基因Bcl-2基因的表達相對降低，OPG能通過促進促凋亡基因表達和抑制抑凋亡基因表達來誘導破骨細胞凋亡，并表示骨細胞凋亡可能還與Fas/FasL死亡受體有關。Fas受體與FasL膜蛋白結合使細胞發(fā)生水解級聯(lián)，最終導致細胞凋亡。Wang L等［25］研究發(fā)現(xiàn)成骨細胞通過Fas配體（FASL）/Fas信號通路誘導破骨細胞凋亡。在成骨細胞中有條件地敲除Fasl會導致破骨細胞數(shù)量和活性的增加，同時骨量減少，造成骨質疏松，最終導致股骨頭缺血性壞死。通常FasL分子以同三聚體形式和三個Fas分子交聯(lián)，導致Fas的死亡結構域（DD）成簇，后者以其DD為中介，結合Fas相關的死亡結構域（FADD）形成死亡誘導信號復合體。隨后FADD通過其死亡效應結構域（DED）和Caspase-8的DED區(qū)相互作用，導致Caspase-8形成寡聚體，并驅使其自身活化?；罨腃aspase-8把進一步活化效應Caspase，使細胞發(fā)生凋亡。

3.5 一氧化氮（NO）

Almeida Maria［26］認為一氧化氮（NO）通過打開凋亡通路或關閉凋亡通路來影響細胞的生死決定。NO可以通過氧化應激反應使成骨細胞和破骨細胞數(shù)量減少，骨形成率降低；成骨細胞和骨細胞凋亡增加，活性氧含量增加。氧化應激反應可能是導致骨強度丟失的重要機制之一。Wang J等［27］研究誘導型一氧化氮合酶（INOS）表達與非創(chuàng)傷性骨壞死骨細胞凋亡的相關性。用20例特發(fā)性非創(chuàng)傷性股骨頭壞死患者的股骨頭標本，取骨關節(jié)炎患者非硬化區(qū)軟骨下骨標本30例作為對照。與對照組相比，壞死區(qū)附近的骨細胞形態(tài)發(fā)生變化，凋亡細胞增多，骨壞死組織中iNOS和細胞色素C的表達增加。表明INOS表達增加可導致特發(fā)性、非創(chuàng)傷性骨壞死患者骨細胞凋亡。Basso N［28］研究探討后肢卸載及后肢再負荷對后肢近端脛骨小梁、皮質骨、關節(jié)軟骨及生長板軟骨細胞凋亡、NOS表達及組織形態(tài)計量學參數(shù)的影響。發(fā)現(xiàn)INOS和ENOS陽性骨細胞的百分率明顯高于對照組，這與破骨細胞數(shù)量減少有關。表明NO可促進凋亡基因啟動，在凋亡過程中占有重要地位。

3.6 核受體超家族

核受體超家族是一組配體激活的轉錄因子家族，包括糖皮質激素受體、雄激素、雌激素維生素D等多種激素的受體。Joshua J［29］研究發(fā)現(xiàn)骨細胞抗衡凋亡通過NO/cGMP信號通路，Ⅱ型PKG介導雌二醇誘導的前存活激酶ERK和Akt的激活，而Ⅰ型PKG通過直接磷酸化和滅活細胞死亡蛋白來促進存活信號的傳遞。表明雌激素能夠降低Fast基因的表達，這可能是骨細胞凋亡的因素之一。王志美等［30］研究雌激素對成骨細胞的影響。將雌激素放置于成骨細胞誘導培養(yǎng)基，并設置對照組，發(fā)現(xiàn)雌激素可抑制成骨細胞凋亡。表明雌激素降低可以引起骨質疏松，而骨質疏松發(fā)展到最后可導致股骨頭壞死。Tomkinson A等［31］使用大鼠去卵巢（OVX）模型以確定雌激素的退出是否影響其他物種，并闡明雌激素在維持骨細胞存活中的作用。發(fā)現(xiàn)OVX在大鼠體內直接或間接導致E2丟失，導致骨細胞凋亡增加，在OVX動物中添加雌激素可以防止這種增加的骨細胞凋亡。表明雌激素在控制骨細胞凋亡和維持成骨細胞活力方面具有重要作用。Rolvien T等［32］對60例維生素D水平不同的患者進行髂嵴活檢，采用高分辨率成像技術對患者的骨細胞數(shù)、骨細胞連接性和骨細胞活力進行了分析。發(fā)現(xiàn)維生素D缺乏患者的皮質骨和松質骨的存活骨細胞數(shù)量明顯減少，骨細胞凋亡增加，骨細胞連通性受損。表明維生素D在調節(jié)骨細胞數(shù)量和骨周重構中起著重要作用。

3.7 其他基因和蛋白

此外Atm蛋白、糖原合成酶激酶-3（GSK-3β）等在細胞凋亡的過程中占有重要地位。Atsushi Hirao 等［33］發(fā)現(xiàn)在電離輻射（IR）作用下，抑癌基因p53穩(wěn)定，促進細胞周期停滯或凋亡，IR激活的Chk 2可能通過直接磷酸化來促進這種穩(wěn)定。共濟失調血管擴張突變基因（Atm）是IR誘導Chk 2激活的必需基因，因此推測Atm和chk 2是一個線性途徑，引發(fā)p53的激活。Wang Z等［34］認為骨母細胞在機械負荷作用下分泌的BMP-7對地塞米松誘導的骨細胞凋亡具有抗凋亡作用。而BMP-7的抗凋亡作用主要通過BMPR 2受體介導，并與PI3K/AKT/GSK 3β通路的激活有關。此外還有學者認為低氧情況下成骨細胞也會加速凋亡。

4 討論

通過查閱SANFH的發(fā)病機制的各種假說及理論研究，可以發(fā)現(xiàn)SANFH機制比較復雜，可能通過調控Bcl-2家族、p53基因、Caspase家族、Fas受體、一氧化氮等誘導骨細胞凋亡。骨細胞凋亡會引發(fā)骨小梁變細、稀疏，在輕微外力作用下，股骨頭發(fā)生微骨折，引起股骨頭塌陷，最終造導致股骨頭缺血進而壞死。因此，骨細胞凋亡在一定程度上促進了股骨頭壞死的發(fā)生，而通過調控細胞凋亡甚至抑制凋亡會在臨床上給醫(yī)務工作者帶來治療股骨頭壞死新的方法。目前對于SANFH的機制尚未完全明確，尚需要進一步研究探討，對SANFH的各種誘因作更加全面而細致的分析，從而提前采取相應手段進行預防干預，也可以最大限度地提升對本病的治療效果。