HIF-1α在激素性股骨頭壞死修復中作用的研究進展

莫愁，吳程，羅嘉熠，范建楠

1 貴州醫(yī)科大學，貴陽550004；2 貴州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院

股骨頭壞死是骨科領域常見的難治性疾病之一，多發(fā)生于20～50歲的中青年，并且其發(fā)病日趨年輕化[1]。股骨頭壞死的病因尚未完全闡明。目前認為，大劑量使用糖皮質(zhì)激素是引起股骨頭壞死的主要原因[2]。股骨頭壞死早期如未得到有效治療，隨著病情進展勢必會導致股骨頭塌陷，治療效果較差。在現(xiàn)有的治療方案中，髖關節(jié)成形術雖然能夠促進髖關節(jié)功能恢復，降低患者疼痛程度，但大量臨床研究發(fā)現(xiàn)其遠期效果并不十分理想[3]。對于激素性股骨頭壞死來說，促進死骨吸收、新骨形成以及重建股骨頭周圍血供至關重要。研究表明，在低氧或缺氧環(huán)境下，缺氧誘導因子1α(HIF-1α)信號通路被激活，活化的HIF-1α轉(zhuǎn)移至細胞核內(nèi)，通過自身結構中的PAS結構域和螺旋—環(huán)—螺旋(bHLH)區(qū)與芳香烴受體核轉(zhuǎn)運蛋白(ARNT)結合發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性，并通過直接或間接途徑參與調(diào)節(jié)血管生成、骨細胞增殖、能量代謝等過程，從而促進死骨吸收、新骨形成和新生血管形成等[4]。因此，HIF-1α有可能成為激素性股骨頭壞死的潛在治療靶點。本文結合文獻就HIF-1α在激素性股骨頭壞死修復中作用的研究進展作一綜述。

1 激素性股骨頭壞死概述

激素性股骨頭壞死是由于長期或大劑量使用激素而導致的股骨頭缺血壞死。當前，激素濫用或不規(guī)律使用導致激素性股骨頭壞死病例越來越多，已成為非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的主要原因[5]。激素性股骨頭壞死在各年齡階段均可發(fā)生，但好發(fā)于50歲以下人群，其病情嚴重，致殘風險較高，因而引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注[6]。長期或大劑量使用激素患者逐漸出現(xiàn)股骨頭缺血、缺氧、骨細胞有效成分丟失，最終造成股骨頭變形和塌陷[7]。既往研究發(fā)現(xiàn)，激素性股骨頭壞死患者骨組織中存在許多壞死骨細胞，骨小梁中廣泛存在缺乏細胞核的凹空骨細胞或核固縮骨細胞，同時出現(xiàn)周圍骨髓壞死，而且凋亡的骨細胞和成骨細胞數(shù)量明顯增加[4]。激素性股骨頭壞死早期髖關節(jié)平片和磁共振圖像可出現(xiàn)股骨頭局部壞死缺損區(qū)域低密度或低信號，股骨頭外形完整；中晚期由于股骨頭局部壞死區(qū)域大量骨細胞和骨髓成分丟失，壞死面積逐漸增加，可出現(xiàn)股骨頭塌陷變形，嚴重者合并繼發(fā)性髖關節(jié)骨性關節(jié)炎，最終多數(shù)患者發(fā)生難以忍受的疼痛和髖關節(jié)強直性改變等，嚴重影響患者髖關節(jié)功能和生活質(zhì)量。

2 HIF-1α結構和功能

2.1 HIF-1α結構 缺氧誘導因子(HIFs)是調(diào)節(jié)人和其他哺乳動物體內(nèi)應對缺氧的關鍵調(diào)控因子。缺氧誘導因子1(HIF-1)屬于HIFs家族成員，是由對氧濃度敏感的α亞基和組成型表達的β亞基組成的異源二聚體[8]。其中，HIF α亞基包括3個亞型：HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α。HIF-1α是HIFs家族中的主要氧調(diào)控因子，由氨基末端的PAS結構域(一種蛋白結構域，由節(jié)律調(diào)節(jié)蛋白、核轉(zhuǎn)位蛋白和專一蛋白組成)、bHLH區(qū)、羧基末端的激活區(qū)以及氧依賴性降解區(qū)Pro402、Pro564等結構域組成[9]。在低氧或缺氧條件下，HIF-1α各構成元件結構或功能發(fā)生變化，從而直接或間接使機體產(chǎn)生防御性、適應性反應，繼而增強機體抵抗疾病的能力。

2.2 HIF-1α功能 HIF-1α對氧濃度極其敏感。在低氧條件下，HIF-1α能夠在維持穩(wěn)定的同時增強其自身活性；而在常氧環(huán)境中，HIF-1α氧依賴性降解區(qū)Pro402、Pro564的化學結構發(fā)生羥基化，從而快速降解，使其活性降低[10]。

2.2.1 氧相關HIF-1α調(diào)控 在常氧環(huán)境中，由輔酶抗壞血酸鹽、Fe2+和底物O2、α-酮戊二酸構成的脯氨酸羥化酶(PHD)被活化，使得HIF-1α中氧依賴性降解區(qū)特異的脯氨酸殘基羥基化，如Pro402、Pro564，能夠促進HIF-1α直接與腫瘤抑制蛋白VHL(pVHL)結合而被識別，并由pVHL和延伸蛋白ElonginB、ElonginC等組成的E3泛素連接酶復合物催化，再通過26S蛋白酶體將其降解[11]。在上述過程中，哺乳動物體內(nèi)HIF-1α的降解主要受PHD2調(diào)節(jié)[12]。在低氧環(huán)境下，羥化酶本身缺氧以及細胞內(nèi)呼吸鏈中多種化學物質(zhì)堆積均可抑制PHD的羥化活性，阻斷其降解過程，使HIF-1α得以穩(wěn)定[13]。同時，低氧環(huán)境下HIF-1α在其氨基端或羧基端入核信號的介導下從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)入細胞核中，并通過PAS結構域、bHLH與ARNT結合而發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄活性，從而參與調(diào)控其下游基因的轉(zhuǎn)錄和表達。研究表明，HIF-1α能夠參與調(diào)節(jié)血管生成、骨細胞增殖、能量代謝等過程，以此完成血管生成、成骨和造血等，使機體進一步適應缺氧狀態(tài)[9]。

2.2.2 非氧相關HIF-1α調(diào)控 HIF-1α還受非氧依賴的調(diào)控。一些非氧依賴機制可使HIF-1α降解，如在伴侶蛋白介導的自噬過程中，相關伴侶復合體可與HIF-1α上特異五肽序列結合，并在伴侶蛋白受體—溶酶體相關膜蛋白2A處識別HIF-1α，隨后將其轉(zhuǎn)運至溶酶體內(nèi)，最終在溶酶體腔酸性蛋白酶的作用下降解HIF-1α；活化的蛋白激酶C1受體RACK1、鈣調(diào)磷酸酶、精脒/精胺N1-乙?；D(zhuǎn)移酶1等亦可以非氧依賴的方式調(diào)節(jié)HIF-1α的蛋白酶體降解[14]。還有一些非氧依賴機制被證實可上調(diào)或穩(wěn)定HIF-1α水平。既往研究顯示，對機體施加一定機械牽拉可在一定程度上誘導HIF-1α產(chǎn)生。有學者在乳腺癌MCF-7細胞中發(fā)現(xiàn)了一種E3泛素連接酶Siah1/2，這種酶可通過下調(diào)自身的穩(wěn)定性而維持HIF-1α在一定水平，進而在某種程度上促進MCF-7細胞向周圍浸潤和遷移[15]。

3 HIF-1α在激素性股骨頭壞死修復中的作用

目前，糖皮質(zhì)激素濫用是導致非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的主要原因。但激素原因?qū)е鹿晒穷^壞死的發(fā)病機制尚無統(tǒng)一認識，多數(shù)學者較為贊同的機制主要包括血管壁損傷、血管栓塞、血管內(nèi)凝血、骨內(nèi)高壓形成等。這些致病機制的共同結局是導致股骨頭缺血、缺氧，隨后發(fā)生骨細胞和骨髓壞死[4]。既往一項關于45例股骨頭壞死患者的研究發(fā)現(xiàn)，在缺血壞死的股骨頭內(nèi)檢測到HIF-1α高表達[16]。ZHANG等[17]建立了幼豬股骨頭缺血壞死模型，通過研究發(fā)現(xiàn)，在缺血缺氧條件下HIF-1α大量增加，并可通過激活Sox9表達來調(diào)控幼豬壞死側股骨頭的軟骨代謝。這表明HIF-1α在軟骨細胞正常生長過程中至關重要，究其原因可能是HIF-1α的相關靶基因被活化，使軟骨細胞代謝方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖醮x，以此應對缺氧環(huán)境。這些結果證實，HIF-1α信號通路與激素性股骨頭壞死密切相關。HIF-1α可能通過直接或間接途徑參與骨重建，從而促進激素性股骨頭壞死修復與重建。

3.1 HIF-1α在骨形成和骨吸收中的作用

3.1.1 HIF-1α在骨形成中的作用 激素性股骨頭壞死的病理表現(xiàn)主要是激素通過負性調(diào)節(jié)血管數(shù)量并引起血管閉塞、阻斷等，使骨組織周圍血供明顯下降甚至缺失，從而破壞骨組織，被破壞的骨細胞壞死、固縮，在原骨細胞區(qū)域出現(xiàn)凹空骨陷窩，與此同時機體通過自身修復機制包繞骨壞死區(qū)域。在激素性股骨頭壞死早期即可出現(xiàn)股骨頭的自身修復反應，其修復反應的機制尚未完全闡明，主要包括骨吸收和骨形成過程。既往研究表明，HIF-1α在修復細胞內(nèi)氧環(huán)境中具有核心地位，具有促進干細胞增殖、誘導血管生成等作用。在骨骼生長發(fā)育過程中，骨生成和血管生成是兩個非常重要的環(huán)節(jié)，而HIF-1α是參與和調(diào)節(jié)這兩個環(huán)節(jié)的關鍵因子。WEINSTEIN等[18]對C57BL/6雄性小鼠予以強的松龍治療14、28、42 d后測量股骨頭分子、生物力學、細胞及血管變化，結果發(fā)現(xiàn)這些小鼠經(jīng)強的松龍?zhí)幚砗驢IF-1α和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)表達降低，成骨細胞數(shù)量減少，骨形成速率和骨強度降低，破骨細胞數(shù)量增加。結果提示，激素性股骨頭壞死后的修復與HIF-1α信號通路有關。大劑量激素使用后股骨頭壞死區(qū)域無法自身修復可能與HIF-1α低表達或不表達，使該區(qū)域骨細胞和骨髓組織不能適應低氧、缺氧或缺血環(huán)境有關。WANG等[19]通過選擇性敲除VHL基因，使小鼠成骨細胞中HIF-1α過表達，結果發(fā)現(xiàn)小鼠成骨能力明顯增強，在缺失HIF-1α的小鼠中則呈現(xiàn)相反結果。結果提示，在骨發(fā)育形成過程中，HIF-1α信號通路激活能夠促進骨形成。有研究還發(fā)現(xiàn)，通過慢病毒轉(zhuǎn)染使HIF-1α在間充質(zhì)干細胞(MSCs)中過表達，HIF-1α過表達可誘導MSCs表達成骨相關基因和VEGF[20]。結果表明，HIF-1α具有促進MSCs成骨分化和成血管的能力。因此，通過慢病毒轉(zhuǎn)染使MSCs過表達HIF-1α，有助于加速骨損傷愈合。總之，HIF-1α不僅可通過自身的表達直接調(diào)控成骨細胞、骨細胞等功能而促進骨形成，還可通過慢病毒轉(zhuǎn)染的方式間接誘導MSCs成骨分化。

3.1.2 HIF-1α在骨吸收中的作用 在激素性股骨頭壞死中，激素可作用于股骨頭有效骨細胞區(qū)域，增加破骨細胞活性，加速骨的破壞和吸收，最終導致股骨頭塌陷。研究表明，大量使用糖皮質(zhì)激素能夠延遲破骨細胞凋亡，使其存活周期延長，破壞了骨穩(wěn)態(tài)，引起骨密度降低和骨組織細胞結構破壞。有研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α可直接或間接促使骨壞死區(qū)域破骨細胞產(chǎn)生[21]。朱杰等[22]在一項基于小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，在誘導破骨細胞分化過程中，低氧環(huán)境可刺激HIF-1α產(chǎn)生，繼而促進破骨細胞分化和維持其骨吸收能力。ZHU等[23]通過模擬缺氧環(huán)境，探究了HIF-1α在缺氧條件下對骨細胞的作用，結果發(fā)現(xiàn)，缺氧刺激的MLO-Y4細胞能夠穩(wěn)定表達HIF-1α，HIF-1α可通過激活JAK2/STAT3信號通路上調(diào)RANK1表達，促進RAW264.7細胞向破骨細胞分化。結果證實，HIF-1α能夠誘導破骨細胞產(chǎn)生。雖然該研究是在體外模擬缺氧環(huán)境，并不能真實反映體內(nèi)生理或病理條件下不斷變化的缺氧環(huán)境，但其對理解骨細胞和HIF-1α在骨吸收和骨重建中的作用非常有幫助。而在激素性股骨頭壞死中，HIF-1α可通過介導血管生成來調(diào)節(jié)破骨細胞生成。KNOWLES等[24]研究發(fā)現(xiàn)，體外低氧環(huán)境培養(yǎng)的破骨細胞和體內(nèi)低氧環(huán)境下的破骨細胞都存在HIF-1α表達現(xiàn)象，通過誘導HIF-1α產(chǎn)生激活其下游相關基因表達，刺激破骨細胞生成，而這些下游相關基因與介導血管生成密切相關，如VEGF、血管生成素樣蛋白4。其中，VEGF可啟動破骨細胞募集的正反饋循環(huán)，并以自分泌和旁分泌方式增強破骨細胞前表型。KNOWLES等[24]認為，在局部缺氧時可通過HIF-1α調(diào)控VEGF等以自分泌和旁分泌方式間接影響破骨細胞生成。因此，大劑量激素可使股骨頭有效骨細胞成分中破骨細胞增加，從而加速骨細胞壞死，在已壞死骨細胞中則通過降低成骨相關因子NF-κB受體活化因子數(shù)量，以及控制該區(qū)域破骨細胞延遲分化或不分化，阻止壞死骨吸收，而HIF-1α可促進骨壞死區(qū)域破骨細胞分化活性來促進其吸收[25]。

3.2 HIF-1α在血管生成中的作用 激素性股骨頭壞死的主要原因是激素引起股骨頭缺血缺氧，導致骨細胞局部壞死而出現(xiàn)股骨頭器質(zhì)性和功能性改變。在股骨頭缺血壞死時，血管再生對其骨組織修復是必需的。許多血管生成相關的因子均參與血管生成過程，其中較為關鍵的因子是VEGF。目前認為，VEGF是促進血管生成能力最強的因子[26]。有研究表明，VEGF是HIF-1α的重要靶基因，HIF-1α可通過激活VEGF表達來參與血管生成的多個環(huán)節(jié)，這與組織細胞在低氧狀態(tài)下的存活密切相關[27]。ZHANG等[28]在一項幼豬股骨頭壞死模型中發(fā)現(xiàn)，低氧狀態(tài)可激活軟骨細胞中HIF-1α和VEGF表達，而HIF-1α激活劑Deferoxamine能夠促進軟骨細胞中VEGF表達。提示在缺氧狀態(tài)下軟骨細胞中HIF-1α可誘導VEGF表達。以上研究表明，HIF-1α可通過上調(diào)VEGF表達而促進血管重建，這為通過促進血管生成來治療股骨頭壞死提供了理論依據(jù)。

綜上所述，在激素性股骨頭壞死中，低氧或缺氧環(huán)境可使HIF-1α在細胞核中通過自身的PAS結構域和bHLH與ARNT結合來穩(wěn)定或上調(diào)其自身活性，從而參與調(diào)控下游基因的轉(zhuǎn)錄和表達，一方面活化的HIF-1α可通過調(diào)控骨細胞的聚集、增殖、分化等激活破骨細胞或成骨細胞，并促進死骨吸收和新骨形成；另一方面通過促進血管生成相關細胞因子表達，促進骨周圍的血供重建。未來，HIF-1α有望成為激素性股骨頭壞死修復的一個潛在靶點。