激素性股骨頭壞死相關信號通路及發病機制研究概述*

李紀書 郭成龍 任行全 柴威濤 趙建棟 畢煦昆

(1.甘肅中醫藥大學,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅中醫藥大學附屬醫院,甘肅 蘭州 730000)

研究發現,在臨床治療中應用糖皮質激素(GC)是導致一側或雙側股骨頭壞死的主要原因,GC引起成骨細胞凋亡,破骨細胞多于成骨細胞,股骨頭局部血運被破壞,引起骨小梁塌陷,最終導致股骨頭塌陷,股骨頭壞死發生[1]。據流行病學顯示,在臨床中激素性股骨頭壞死(steroid induced Avascular Necrosis of Femoral Head,SANFH)發病率,比普通人高20倍[2]。研究發現SANFH的發病機制與凝血功能障礙、脂代謝紊亂、骨內壓增高、細胞程序性壞死等有關[3-4]。通過查閱相關文獻發現與SANFH發生的相關信號通路有Wnt/β-catenin、PI3K/AKT、AMPK及OPG/RANKL/RANK等信號通路。早期SANFH臨床表現及體征并不明顯，給臨床準確診治帶來很大困難，因此闡明 SANFH 的具體發病機制顯得尤為重要。在明確 SANFH 發病機制的同時，及早進行治療干預，能夠最大程度地減緩 SANFH 的發展，進而改善患者的生活質量?，F就其相關通路、發病機制及治療進行綜述，以期為SANFH的治療提供新思路。

1 中醫對SANFH病因病機的認識

股骨頭壞死在在中醫屬于“骨蝕”“骨痿”“骨痹”等范疇,本病主要由于血瘀氣滯、肝腎虧虛所致[5]。GC在中醫的致病因素中歸為“藥邪”,隨著長時間地持續給藥,人體正氣虧虛,氣血運行無力,局部血液循環會產生障礙,筋骨濡養失司,造成激素性股骨頭壞死。中醫認為血栓是高凝血狀態導致的,通過防治血液高凝狀態引起的血栓,抑制低纖溶性能夠促進新生股骨頭組織和血管的發育從而達到治療激素性股骨頭壞死的作用。如補陽還五湯通過抑制激素導致的低纖溶,改善血液的高凝狀態,促進血循環達到延緩激素性股骨頭壞死的作用[6]。而中醫還通過生髓的作用,促進血液的生成和運行。髓者,骨之充也。髓作為骨中重要的填充組織,生成血液、濡養骨組織。隨著骨內壓力增高血液回流受阻,髓失去血的濡養,髓生血的功能降低。髓病則血少,血少則骨失養最終造成股骨頭壞死[7]。另外,在中醫學的認識中,脂肪代謝紊亂與人體內的“膏脂”密不可分,中醫學認為其病機是以腎虛、脾虛為本,以氣滯、痰凝為標,治療多以補益腎脾,理氣消痰為主,化濁去濕方可以通過補腎健脾、理氣滌痰以治療脂代謝異常[8]。我們可以通過中醫補益脾腎、理氣消痰,調控脂代謝紊亂逐漸恢復正常,從而預防和延緩疾病的發生與發展。

2 SANFH的發病機制

2.1凝血功能的障礙 據研究證明,股骨頭壞死患者多存在低纖溶和血栓[9],這表明股骨頭壞死最主要的致病原因是DIC(血管內彌漫性凝血)[10]?；罨膬绕ひ蜃雍湍钢苯幼饔糜谘“鍖е翫IC,修復和改善股骨頭血循環可以達到治療股骨頭壞死的作用。有研究發現SANFH內的新生股骨頭組織和血管的生長發育與血管內皮生長因子存在相當多的聯系[11]。VAROGA等研究顯示[12]與來自外周的成骨細胞相比,股骨頭壞死反應的成骨細胞中血管內皮生長因子(VEGF) 的含量會顯著增高,受骨壞死刺激小動脈修復性向內生長進入股骨頭。綜上所述,VEGF受骨細胞和成骨細胞表達的影響,一般激素性股骨頭壞死都存在血管內血栓的成型,其為DIC理論提供了有力的證據支撐[13]。

2.2脂代謝平衡紊亂 脂代謝異常是非創傷性股骨頭壞死中一個重要的致病因素。大劑量地使用糖皮質激素會使得髓腔內的脂質聚集,造成髓內高壓影響股骨頭的血液循環,最終導致激素性股骨頭壞死[14]。激素還會使骨代謝系統紊亂,致使成骨細胞功能下降,最終引起骨細胞凋亡,并且脂代謝紊亂引發的血管內凝血,會引起血液供應不足并最終造成激素性骨股頭壞死。糖皮質激素前期會引起患者皮下脂肪明顯增加,伴隨給藥時間的增加血管內的血脂持續升高,最終導致高脂血癥[15],高血脂會破壞機體內的血液穩定狀態,導致血管內供血不足,進一步造成骨髓間的造血細胞和脂肪細胞凋亡、壞死,骨髓腔擴大,從而引起激素性股骨頭壞死[16]。

2.3骨內壓增高 骨髓內主要是由脂肪細胞構成,大劑量或長期使用糖皮質激素會使得脂肪細胞增加。隨著脂肪細胞的不斷堆積和體積增大,骨內局部血管會堵塞,導致骨內血壓升高、血管內凝血[17]。髓芯減壓是一種被普遍認可的治療方案,其可以通過降低骨內壓力促進血循環,刺激股骨大轉子內的血管進入股骨長骨頭內,從而修復和重建股骨頭的缺血性壞死[18],另外其還能使骨細胞向壞死的各個方向移動,最后骨髓干細胞通過該通道,使壞死的股骨頭重新修復[19]。

2.4程序性細胞壞死 程序性細胞死亡(PCD)主要包括凋亡與自噬,二者相互制約相互調控[20]。正常相鄰的成骨細胞通過突觸相連接,患者在大量使用糖皮質激素后,突觸細胞的功能喪失,造成骨質的成骨細胞大量凋亡和死亡,p53基因、Caspase家族、Fas/Fas L、Bcl-2家族系統等是參與成骨細胞凋亡的關鍵性因子[21]。研究表明蒙藥額爾墩-烏日勒能夠促進細胞自噬,抑制骨細胞凋亡,影響SANFH進展[22]。

2.5基因調控 miRNA是基因表達的關鍵調節因子,其表達紊亂影響多種疾病發生與發展,因此了解其生物學途徑非常有必要[23]。研究顯示miRNA表達被信使RNA抑制表達,它能夠通過調節細胞增殖、分化、免疫等病理生理過程,影響SANFH的發病。研究證實miRNA促進干細胞的表達,使骨細胞成骨能力加強,在成骨分化環狀RNA表達中發揮非常重要的作用[24]。

2.6骨髓間充質干細胞分化 骨髓間充質干細胞(BMSCs)是多譜系祖細胞,能夠分化成多種骨基質細胞的多功能干細胞,在一定因素的作用下可以轉化為成骨細胞、破骨細胞,以及分泌細胞因子、生長因子等[25],且具有自我更新的能力。根據實驗研究證明,長時間、高濃度的使用糖皮質激素會抑制骨髓間充質干細胞的表達功能,將導致成脂成骨分化平衡被嚴重破壞,顯著降低骨形成[26]。而在黃芩苷的作用下,Ebf3能夠通過刺激BMSCs促進成骨細胞的分化與增殖,影響骨組織結構重建和修復[27]。骨碎補對骨折愈合有顯著影響,這與骨碎補總黃酮具有改善骨代謝、加速骨痂愈合的作用,以及促進BMSCs成骨分化對骨折愈合起到正向調控的作用有關[28]。而補腎活血湯則是通過調控體內鈣磷的代謝,影響骨質疏松的狀態,提高骨股頭的骨密度,提高BMSCs成骨轉化的能力[29],達到防治SANFH的作用。

3 SANFH的信號通路

3.1Wnt/β-catenin信號通路 Wnt16是經典信號通路Wnt/β-catenin 中一個較弱的激動劑,作用于Wnt/β-catenin通路的上游。Wnt16的基因多態性表明,作為Wnt信號通路的小分子細胞抑制劑可降低骨關節炎的風險[30]。然而目前的研究大多還停留在實驗室研究階段,到臨床應用還有一定的距離。Wnt/β-catenin 信號連環蛋白通路參與激素性股骨頭壞死不同病理生理過程,包括成骨細胞與破骨細胞代謝活性,過度地刺激和抑制其表達功能可以雙向調控激素性股骨頭壞死[31]。實驗發現Wnt/β-catenin 被激活可以促進成骨細胞的生成,使得骨代謝達到一個相對穩定的狀態,推遲和延緩激素性股骨頭壞死的發病過程[32]。據研究證明,淫羊藿苷具有壯陽補腎、除濕祛風的功效,主治腰腿酸軟,筋骨無力的病癥。淫羊藿苷激活Wnt/β-catenin信號通路,通過該通路促進骨髓間充質細胞向成骨細胞的轉化,破骨細胞的活性也可被抑制,從而達到促進骨形成的作用[33]。通過中醫藥治療激素性股骨頭壞死為臨床患者,提高生活質量、提供更好的治療方案。

3.2PI3K/AKT信號通路 有相關研究發現,激素使用后可以誘導骨細胞壞死,同時也能引起細胞自噬形成,而PI3K、ULK1、Beclin1、Atg14L、mTOR等相關表達基因對自噬有正向或負向影響[34]。PI3K/AKT信號調節途徑廣泛如細胞生長、遷移、周期以及血管的生成等[35-36]。研究表明,扁桃苷(AG)與羥基紅花黃色素A(HSA)聯合用藥可以降低大鼠血液的黏稠度,機理和PI3K/Akt信號通路有著密切聯系[37]。而總黃酮類化合物是通過PI3K/Akt誘導成骨細胞表達抑制細胞凋亡[38]。PI3K/Akt通路主要是通過調控成骨細胞與破骨細胞的增殖表達能力,激活傳導相關的因子對細胞的代謝進行平衡調節,調控細胞的程序性壞死和修復血管能力[39]。而大蒜素防治SANFH疾病即可能是通過激活PI3K/AKT信號通路進而抑制成骨細胞凋亡,最終降低SANFH的發生率[40]。

3.3AMPK信號通路 AMPK信號通路調控糖脂代謝是通過調控細胞能量代謝,使得能量代謝逐漸趨于穩定平衡的狀態[42],從而維持體內相對恒定狀態[41]。有關研究發現,羥基紅花黃色素A可以通過提高SANFH兔模型中AMPK家族中ERK1、ERK2表達功能,減緩骨細胞的凋亡[43]。經研究表明糖皮質激活AMPK信號通路,導致機體脂質代謝平衡被破壞,并且控制成骨細胞的凋亡,參與SANFH的疾病的發展[44]。AMPK信號通路的正向傳導能夠降低血脂,保護血管內皮細胞,促進骨組織結構修復,通過此路徑結合臨床有望發現一種未來治療激素性股骨頭壞死的新方法。

3.4OPG/RANKL/RANK信號通路 OPG/RANKL/RANK信號通路也稱骨調節軸,與骨髓干細胞和成骨細胞密切相關,包括分化、生長、免疫反應。在骨代謝方面參與構成調節骨重建。RANK/RANKL/OPG三聯體被稱為腫瘤壞死因子受體家族的成員,經研究表明,RANKL可以與RANK(存在于破骨細胞膜)結合,RANK/RANKL促進破骨細胞的成熟與分化[45]。OPG也同樣可以和RANK相結合,但是這種對抗關系將會中斷RANKL/RANK信號通路,進而抑制破骨細胞的產生。而內熱針療法通過下調RANKL的表達,抑制破骨細胞的活性,使骨組織修復和重建[46]。另外,補骨脂異黃酮還通過NF-κB介導RANKL通路激活,進而抑制破骨細胞分化并調控成骨細胞增殖,防治股骨頭壞死[47]。因此,OPG/RANK/RANKL信號通路在臨床防治SANFH的過程也發揮重要作用。

3.5HIF-1α信號通路 研究證明血管內皮生長因子與缺氧誘導因子表達能力提高可以促進血管生成[47-48]與加速骨再生。Weinstein等[50]研究表明,VEGF、HIF-1表達降低與糖皮質激素誘導的激素性股骨頭壞死密切相關,HIF-1α的提高可以促進激素性股骨頭壞死的修復重建。黃芪多糖可以提高HIF-1α降低miR-206,達到控制抑制骨細胞凋亡的作用[51]。VEGF作為HIF-1α的下游靶向基因,不僅能調節血管生成和血管的發育還可以促進H型血管的產生[52],在骨骼發育過程中發揮了不可替代的作用。然而此信號通路調控尚不完全明確,因此需要通過臨床實驗和基礎研究,來指導臨床應用。

4 小結

目前SANFH是非創傷性股骨頭壞死最常見類型之一,西醫治療往往面臨藥物治療帶來巨大毒副作用的問題以及手術治療帶來的巨大經濟負擔,而中醫藥治療具有整體觀念、辨證論治、多環節、多層次、多靶點的特點,能為患者減輕痛苦及經濟負擔。中醫學認為SANFH由血瘀氣滯、肝腎虧虛所致,正氣虧虛,氣血運行無力,局部血液循環會產生障礙,筋骨濡養失司,同時腎虛、脾虛致氣滯、痰凝,導致脂代謝異常,最終造成SANFH。而現代研究認為其機制是通過多條信號通路,影響血管內皮細胞以促進骨組織結構修復、成骨細胞與破骨細胞代謝、增殖和凋亡。然而大多數信號通路的調控過程尚不完全明確,并且不同信號通路之間存在復雜的交互作用,均需要進行更深入的研究,而目前的研究大多還停留在實驗室研究階段,到臨床應用還有一定的距離。未來仍需繼續深挖中藥單體、活性成分、復方制劑在治療激素性股骨頭壞死特有優勢并深入闡述其具體機制。