激素性股骨头坏死发病机制的研究进展△

张杰，曹建泽，刘永飞，赵海燕

（1.兰州大学第一临床医学院，甘肃兰州 730000；2.兰州大学第一医院骨科，甘肃兰州 730000）

由于临床中治疗风湿病、免疫相关疾病、脊髓休克等疾病时会大剂量、长期使用糖皮质激素（glucocorticoids, GCs），导致激素诱导性股骨头坏死（steroid-induced osteonecrosis of the femoral head, SONFH）发病率逐年上升，已成为股骨头坏死发生的主要原因。研究发现，SONFH 与GCs 的剂量和用药时间呈正相关，每日GCs 剂量40 mg 且用药时长超过3个月，有5%～40%患者发生骨坏死，且每日剂量增加10 mg，会使SONFH 发生率增加4%［1］。由于目前GCs 在临床治疗中的不可替代性，必须不断探究SONFH 的发病机制，为防治SONFH 提供理论依据，随着研究的不断深入，SONFH 的发病机制也逐渐清晰，本文对SONFH 的发病机制进行综述，为SONFH的防治提供依据。

1 内皮细胞受损/凝血异常及血栓形成倾向

SONFH 进展过程中血栓形成、凝血酶异常及内皮细胞功能障碍导致骨组织微循环障碍，进而引发骨缺氧及骨营养物质缺乏的连锁效应，致使股骨头抗压能力减弱甚至消失，最终出现不同程度股骨头塌陷。内皮细胞主要是指骨微血管内皮细胞（bone microvascular endothelial cells, BMECs）和内皮祖细胞（endothelial progenitor cells, EPCs） 可分化为 BMECs。BMECs 分布于骨微血管和骨窦的内表面，维持股骨头局部的血液供应。该细胞通过分泌血管活性物质调节血管的收缩及舒张，是骨微循环物质交换和血流稳定的基础，同时参与新生骨及血管的生成［2］。股骨头血液供应减少为股骨头坏死发生的关键环节，因此BMECs 受损可能为股骨坏死发生的关键因素。持续高剂量GCs 的摄入能够诱导内皮细胞功能障碍。Tao［3］的研究表明甲基强的松龙（methylprednisolone,MPS）可通过调节因子细胞色素C、促凋亡蛋白（Bad）/抗凋亡蛋白（Bcl-xL）和促凋亡复合物的形成及活性氧（reactive oxygen species,ROS）增加导致内皮细胞损伤，从而出现功能障碍，明显抑制血管生成导致股骨头的血供异常。同时，Zuo［4］提出GCs 可导致内皮细胞中连接调节蛋白过表达诱导内皮细胞中Bax 及VE-cad 的上调，从而诱导内皮细胞损伤的发生，导致内皮细胞的运动性能的降低。Peng［5］的实验发现，GCs 可通过激活ROS/JNK/c-Jun 信号通路，诱导成骨细胞损伤及功能障碍，促进SONFH 的发生和发展。此外，他们还为3-甲基腺嘌呤（3-methyladenine,3-MA）作为SONFH 治疗的潜在治疗价值提供了证据。有研究表明，淫羊藿苷可以有效调控SONFH 中BMECs 中miRNA-23b 的表达失衡，保护BMECs 功能，其结果可能为理解SONFH 的发病机制和开发治疗方法提供新的方向［6］。此外有研究指出，在MPS 刺激下，细胞活力、NO 生成和血管形成降低，凋亡率增加。同时，MPS 降低了p-PI3K、p-AKT 和p-NOS 的表达水平［7］。银杏叶提取物EGB 可提高这些蛋白的表达水平，抑制细胞凋亡，恢复细胞功能，有助于治疗SONFH［8］。Liu［9］的实验显示，SONFH 的模型大鼠血浆粘度增加、血脂升高、促炎细胞因子水平升高，血液处于高凝状态，血栓形成倾向明显增加，新生血管数量降低，骨完整性明显受损。长期大剂量的使用GCs 会导致血浆纤溶酶原激活物抑制剂增加，组织纤溶酶原激活物活性降低，纤溶途径抑制，进而导致血液高凝状态，血栓形成倾向增加。

2 氧化应激与活性氧机制

氧化应激主要是由于线粒体损伤并释放大量ROS，造成内源性氧化防御机制的失调，ROS 过量将导致细胞与血管功能障碍，从而导致股骨头血供减弱进而发生坏死。Chen［10］的研究指出，GCs 会导致骨代谢细胞中氧化应激的增加，而氧化应激中起主要作用的是ROS，Kubo［11］的研究指出，ROS 诱导的氧化应激通过改变骨代谢相关细胞的功能，如间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cell,BMSC）、成骨细胞、破骨细胞和骨细胞对骨稳态产生不利影响。Fan［12］的研究指出，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原形式氧化酶（NOX）的亚型NOX1、NOX2 和NOX4在SONFH 骨细胞氧化损伤中发挥了重要作用。在体内，结果显示，NOX2 的表达明显增加。大量研究显示，GCs 不仅会诱导单酰基甘油脂肪酶抑制抗氧化通路keap1/Nrf2 的激活，造成BMSC 的高氧化应激，促使细胞死亡，而且导致编码抗氧化酶基因（CAT、NQO1 和HMOX1）以及抗氧化酶（包括过氧化氢酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和超氧化物歧化酶1）等在坏死骨中的表达下调，引起股骨头坏死区的高氧化应激，而过表达的ROS，又可引起破骨细胞中RANKL 和组织蛋白酶K 等相关蛋白的明显增加，诱导破骨细胞的募集及激活，导致骨质大量流失，最终引起SONFH 的发生［13，14］。有学者指出，间充质干细胞拥有良好的增殖与分化能力，可作为SONFH 生物治疗的首选［15］。Liang［16］表明，PGK1 耗尽通过激活Keap1-Nrf2 信号级联来保护人类成骨细胞免受GCs的侵害。靶向PGK1-Nrf2 级联效应可能是一种提供成骨细胞保护，以对抗GCs 诱导的氧化损伤的新策略。

3 脂质代谢紊乱与脂肪栓塞机制

GCs 会导致脂肪细胞的肿胀和坏死、骨细胞内脂质沉积增加、高脂血症、脂肪栓塞、骨髓基质细胞的脂肪生成和骨髓脂肪浸润，继发于脂肪浸润的骨间静脉淤积，导致骨间微循环中断，引起股骨头结构改变，血流减少，进一步发展为SONFH 并发生塌陷。且有研究发现，高脂肪饮食会加重股骨头坏死，而股骨头坏死的发生与巨噬细胞中白细胞介素-6 分泌的增加有关［17］。Baek［18］指出了较高的甘油三脂（triglyceride,TG）和较低的高密度脂蛋白（high density lipoprotein-c, HDL-C）水平均与SONFH 相关。此外，SONFH 与较高的载脂蛋白B（apolipoprotein-B,Apo-B）水平及ApoB/A1 比率相关。Wang［19］的实验表明，经过GCs 处理1 个月后的小鼠，其血清中胆固醇（cholesterol,CHOL）含量明显上升，且股骨头内的松质骨中的脂质积累更严重。研究指出，Runx2基因是成骨分化的关键调控因子，GCs 会导致成骨调控因子Runx2 的表达减弱且能增加脂肪分化因子即过氧化物酶体增殖物激活受体-γ 基因和蛋白的表达，使得脂肪细胞分化增加，脂质代谢发生异常，成骨分化遭到抑制［20］。有研究指出，抑制骨组织中11β-羟基类固醇脱氢酶1 的活性，可抑制成脂分化，为防治SONFH 提供了新思路［21］。

4 细胞凋亡机制

人体骨骼系统中成骨细胞与破骨细胞作用相反，二者之间存在双向信号通路，其相互平衡是骨健康得以维持的基础。Schepper［22］的研究表明，GCs 可直接诱导成骨细胞及骨细胞的凋亡，且能增加破骨细胞活性，抑制成骨细胞活性，从而导致SONFH 的发生。Gao［23］的研究为内皮细胞凋亡、血管损伤和SONFH 之间的固有关系提供了新的见解，即GCs 在内皮细胞中引起内质网应激并诱导细胞凋亡，从而导致微血管损伤并最终引起SONFH。核受体亚家族3C组成员1 是GCs 的主要受体，其下游信号通路参与调节与骨细胞相关的生理过程；Jiang［24］的研究利用CRISPR/Cas9 技术成功生成斑马鱼Nr3c1 突变体，其研究证实Nr3c1 的突变改变了软骨的发育，显著降低了骨矿化面积。此外，在Nr3c1 突变体中，细胞外基质、成骨细胞和破骨细胞相关基因的表达发生改变。GCs 通过Nr3c1 依赖通路和Nr3c1 独立通路调控细胞外基质、成骨细胞和破骨细胞相关基因的表达，导致成骨细胞凋亡，进而导致股骨头承重力下降，SONFH 的发生概率增加。研究表明地塞米松（dexamethasone,Dex）显著抑制成骨细胞和小鼠胚胎成骨细胞前体细胞的增殖并诱导细胞凋亡［7］。Tao［3］的研究表明，富血小板血浆（platelet rich plasma, PRP）通过AKT/Bad/Bcl-2 信号通路促进Bcl-2 表达，具有防止GCs 诱导细胞凋亡的能力。Yao［25］的实验指出，用诱导激酶抑制剂抑制诱导激酶通过激活转录因子信号通路和抑制线粒体凋亡途径来减弱细胞凋亡并促进EPC 的体外血管生成。VO-OHpic 还可以增加股骨头的血管生成。二者的研究都为SONFH 的治疗提供了新的可能性。Zhan［26］的研究指出，大蒜素通过激活PI3K/AKT 途径来抑制成骨细胞凋亡和SONFH 的进展。肠道微生物群（GM）中的动物乳杆菌的细胞外囊泡含有丰富的功能蛋白，可以进入股骨头发挥促血管生成，促成骨和抗凋亡作用，使用GCs 后，其促成骨、抗凋亡作用明显减弱［27］。细胞凋亡在SONFH的进展过程中起着关键作用，抗凋亡可能会成为其重要的治疗手段。

5 非编码RNA 机制

近年来，microRNAs 成为国际医学研究热点，大量证据表明microRNAs 的基因表达参与SONFH 的形成，microRNA 在BMSC 中呈差异表达，这种差异表达的microRNA 在SONFH 进展期间起关键的调节作用。Chen［28］的研究揭示了microRNACDR1as 通过miR-7-5p/WNT5B 途径削弱BMSC 的成骨作用，增强其脂肪分化的能力，从而导致SONFH 的发生。Liao［29］的研究指出，SPRY2 是miR-122-5p 的靶基因，抑制SPRY2 可促进成骨细胞分化，miR-122 可能通过调节SPRY2 基因来影响SONFH。Cao［30］的研究证明了miR-224-5p 在GCs 处理的BMSC 中上调，表明miR-224-5p 可抑制BMSC 的成骨性，促进BMSC 的脂肪生成分化。Yin［31］证实了上调microRNA-410 或下调WNT-11 增加成骨细胞并减少破骨细胞以缓解SONFH。Kong［32］的实验表明，miR-137-3p 的沉默促进了体外和体内成骨和血管生成，miR-137-3p 沉默可以分别上调Runx2 和CXCL12 来促进成骨分化并显著增加EPC 的数量，这些基因可能在SONFH 修复中发挥关键作用。Nan［33］的研究证实了白藜芦醇通过上调miR-146a 和WNT/FOXO 及Sirt1/NFkB 途径，稳定成骨/成骨细胞生成稳态，来预防SONFH。miR-378-ASCs-Exos 通过靶向融合和活化的声波信号通路来增强成骨和血管生成，从而减弱SONFH 发展［34］。脂肪细胞衍生的MVs-miR-148a 通过靶向WNT5a/Ror2 途径促进脂肪分化并抑制成骨分化［35］。MiR-26a-CD34-Exos 通过加强血管生成和成骨作用来保护股骨头免受GCs 引起的损伤，miR-26a-CD34-外显子的生物效应可用来预防SONFH［36］。从非编码RNA 出发，可以深入了解SONFH的发病机制，也可从中挖掘治疗SONFH 的新靶点，从基因层面防治SONFH。

6 遗传易感性、表观遗传学机制

由于个体的生活方式、饮食习惯、所处周围环境及遗传基因的不同，导致每个人体内微环境具有差异性，因此SONFH 的出现与个体对于激素的耐受剂量有明显相关性。这种差异性可能会在SONFH 的发病过程中起关键作用。Zhao［37］的研究发现了在中国汉族男性CR2 基因中有1 个与SONFH 风险显着相关的单核苷酸变异（SNPrs311306），通过等位基因分析，证实了该SNPrs-311306 的C 等位基因显著提高了SONFH 的风险，为SONFH 病因学机制的性质提供了线索。Ye［38］发现了MMP10 中rs470154 的次要TG等位基因与SONFH 的风险增加有关，MMP2 基因rs2241146 和MMP10 基因rs470154 与SONFH 风险增加具有统计学意义的相关性，这使得患者发生SONFH 的概率显著增加。因此遗传易感性在SONFH 的进展中处于不可忽略的位置。

表观遗传学研究探索基因表达的可遗传变化，而不改变核苷酸序列。它在生长、发育和疾病演变中起重要作用。随着表观遗传学与SONFH 关联的深入研究，相关研究发现，在SNAFH 的小鼠模型中转录因子C/EBPα 和PPAR-γ 同时在股骨头中过表达，C/EBPα 通过靶向PPAR-γ 信号通路促进BMSC 的脂肪分化，而C/EBPα 的过表达显著损害了成骨分化。PPAR-γ 的组蛋白H3K27 乙酰化在SONFH 的表观遗传机制中起重要作用，抑制PPAR-γ 的组蛋白乙酰化水平可以有效阻止脂肪分化，从而减缓SONFH 的进展［39］。有学者指出，活化诱导胞嘧啶核苷酸脱氨酶（activation-induced cytidine deaminase, AID）的过表达可降低多药耐药性蛋白基因（ATP-binding cassette subfamily B member 1,ABCB1）的甲基化，进而保护BMSC 的功能，为SNAFH 的防治提供了新的方向［40］。也有研究指出，在SNAFH 患者的OPG、RANK 和RANKL 基因的CpG 孤岛中，发现了具有高甲基化率和高甲基化水平的CpG 位点。高甲基化的CpG 位点增加了SONFH 的发生风险，并为早期预测SNAFH 发生提供了新的靶点［41］。

7 小结与展望

SONFH 是一个多机制、多因素、多信号通路共同作用的复杂过程，目前学术界认为“多重打击”学说更加符合SONFH 的发病机制，单一机制难以解释其发病的复杂性及治疗的困难性。在明确SONFH 发生发展机制的同时，还应采取有效的措施进行干预，以期最大限度地提高SONFH 的疗效，改善患者生存质量。通过现代诊断技术的精进及分子医学的飞速发展，相信在不久的将来，可以通过SONFH 的发病机制进行基因水平精准、靶向治疗，从而实现SONFH的早期精准治疗，解除患者痛苦。