股骨頭壞死信號通路研究概述

馬文元 吳智恒 吳 潔 吳睿哲 榮 尚 孫紹裘

湖南中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨傷科，湖南長沙 410002

股骨頭壞死又稱股骨頭缺血性壞死，指股骨頭部的血流受阻，導(dǎo)致頭部缺乏供養(yǎng)而凋亡，進(jìn)而人體代償性修復(fù)，產(chǎn)生了股骨頭軟骨丟失、骨骼塌陷等疾病[1]。其好發(fā)于中青年，且呈年輕化趨勢[2]，因其過程常潛在發(fā)生，最終往往會導(dǎo)致殘疾，給患者和家庭帶來極大困擾[3]。目前臨床將股骨頭壞死分為兩大類，第一類是外傷引起，主要由股骨頸骨折、髖關(guān)節(jié)脫位等疾病引發(fā)；第二類是非外傷性的，由遺傳和暴露于危險因素中引發(fā)，且其具有協(xié)同作用，危險因素包括使用類固醇藥物或者酗酒。但直接原因均是股骨頭部血液的供給中斷，無法正常代謝進(jìn)而引起壞死。

股骨頭壞死的發(fā)病機(jī)制目前尚不完全清楚，越來越多的基礎(chǔ)研究正在開展，本文擬對股骨頭壞死的相關(guān)信號通路進(jìn)行研究總結(jié)，旨在為股骨頭壞死疾病的診治及研究提供參考。

1 TGF-β/BMP/Smad信號通路

轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）大量存在于骨、軟骨、血液等組織中，具有產(chǎn)生新骨和修復(fù)骨組織的作用[4]。骨骼在受到損害時，受傷部位的TGF-β會顯著增高，一方面可以生成大量成骨細(xì)胞，使新骨及軟骨形成，另一方面，可以調(diào)控骨的吸收，控制破骨細(xì)胞的增殖，減少骨的破壞；在缺血性股骨頭壞死疾病中，TGF-β的減少將導(dǎo)致骨組織自身修復(fù)能力減弱，致使局部骨組織細(xì)胞的凋亡[5]。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）主要存在于骨干中，是TGF-β超家族中的下游因子，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了十幾種，主要發(fā)揮作用的包括BMP-2和BMP-4。BMP-2可通過對基因和細(xì)胞的刺激，傳導(dǎo)至Smads信號，使未成熟的間充質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行成骨轉(zhuǎn)錄，是骨誘導(dǎo)最為密切的調(diào)控通路。BMP-4在間充質(zhì)細(xì)胞形成和轉(zhuǎn)化中發(fā)揮與BMP-2類似的影響及作用。徐丹等[6]通過分析77例疑似激素性股骨頭壞死患者的臨床資料，發(fā)現(xiàn)長期服用激素將導(dǎo)致TGF-β、BMP相對水平下降，引發(fā)激素型股骨頭壞死。

Smad通路主要的功能是傳遞TGF-β超家族中的信號，是BMP的下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子[7]，在從細(xì)胞表面受體傳遞到細(xì)胞核這一階段發(fā)揮作用。黃春元等[8]通過動物實驗證明激素型股骨頭壞死與BMP、Smad呈正相關(guān)。

2 AMPK信號通路

腺苷酸活化的蛋白激酶（amp-activated protein kinase，AMPK）是能量穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，由3個亞單位（α、β、γ）構(gòu)成，可以催化腺苷三磷酸（ATP），使腺苷酸（AMP）磷酸化進(jìn)而生成腺苷二磷酸（ADP），在成骨細(xì)胞分化中起著重要作用[9-10]。Kanazawa等[11]研究了AMPK缺失對成骨細(xì)胞特異性的影響，證實AMPK的表達(dá)可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的糖代謝能力，并增加骨小梁和骨組織的密度。有研究[12]通過建立骨折愈合和骨不連的動物模型進(jìn)行研究，結(jié)果表明增強(qiáng)AMPK的自噬活性可以促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和礦化。也有研究[13-16]證實AMPK可以保護(hù)成骨細(xì)胞，是通過減少H2O2誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來發(fā)揮作用。Tong等[17]研究表明AMPK可以發(fā)揮降低破骨細(xì)胞生成的作用，使骨的吸收破壞作用降低。張翔等[18]應(yīng)用LPS聯(lián)合醋酸潑尼松龍誘導(dǎo)激素性股骨頭壞死模型，證明APN-AMPK信號通路在股骨頭壞死的轉(zhuǎn)歸過程中承擔(dān)重要角色。AMPK不僅在保護(hù)骨組織發(fā)揮作用，同樣可以對軟骨的生成及延緩丟失發(fā)揮積極作用[19]，例如中藥提取物葛根素能夠通過上調(diào)骨關(guān)節(jié)炎大鼠AMPK信號通路減緩骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展[20]。

3 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt信號通路主要包括兩大類，第一大類是經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路；第二大類是非經(jīng)典類，包括平面細(xì)胞極性通路（planar cell polarity pathway）、Wnt/Ca2+通路、固定紡錘傾向的通路和非對稱細(xì)胞分解的胞內(nèi)通路等[21]。股骨頭壞死疾病主要與經(jīng)典Wnt/β-catenin通路關(guān)系密切，該信號通路廣泛存在于多種生物的進(jìn)化過程中，可以激活核內(nèi)靶向基因的表達(dá)，在骨細(xì)胞的繁殖、炎性變化等方面具有調(diào)控作用[22]。在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化過程中，主要是通過激活Wnt/β-catenin信號通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖[23]。例如中藥黃連的提取物小檗堿（berberine，BBR），可以通過Wnt/β-catenin信號通路提升成骨細(xì)胞的生成以及減弱破骨細(xì)胞對關(guān)節(jié)疾病發(fā)揮的作用[24]。楊清毅[25]選取術(shù)后患者骨髓標(biāo)本，通過RT-PCR和Western-blot檢測證明了激素性股骨頭壞死骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖、成骨分化功能的降低以及成脂分化功能增強(qiáng)與Wnt/β-catenin信號通路抑制有關(guān)。

4 OPG/RANKL/RANK信號通路

骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）/核因子-κB受 體 活 化 因 子 配 體（receptor activator of NF-κB ligand，RANKL）/核 因 子-κB受 體 活 化 因 子（receptor activator of NF-κB，RANK）均為腫瘤壞死因子受體超家族的成員。OPG是一種可溶性糖蛋白，與軟骨的生長和破壞關(guān)系密切[26]；RANK是一種Ⅰ型跨膜蛋白，分為可溶性RANK蛋白和跨膜蛋白型RANK蛋白兩種，分別能夠阻斷和結(jié)合RANKL，促進(jìn)破骨細(xì)胞分化及骨吸收；RANKL是一種Ⅱ型跨膜蛋白，可以分為RANKL1、RANKL2和RANKL3三個亞型，以RANKL1的表達(dá)最多，其對破骨細(xì)胞分化、成熟及吸收具有重要意義[27]。有研究[28]用qPCR檢測42例股骨頭壞死患者OPG、RANK和RANKL的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壞死部位的OPG、RANKL和RANK的mRNA在壞死點表達(dá)水平更高，尤其是RANKL mRNA的表達(dá)。

研究表明，具有健脾化痰、活血化瘀、活血通絡(luò)功效的中藥方劑是通過OPG/RANKL/RANK信號通路發(fā)揮作用[29-30]，例如生血補(bǔ)髓方[31]、健脾活血方[32]、溫陽補(bǔ)腎方[33]等，可以上調(diào)OPG，抑制RANKL，使股骨頭部的血液營養(yǎng)供應(yīng)得到有效改善，以修復(fù)壞死的骨與軟骨組織[31]。譚旭儀[34]利用兔子探討補(bǔ)腎的中醫(yī)治法在激素性股骨頭壞死中的作用機(jī)制，結(jié)果表明右歸飲可增加OPG含量，降低血清RANKL含量，增加成骨細(xì)胞，減少破骨細(xì)胞，從而修復(fù)股骨頭的壞死組織。

5 PI3K/Akt/mTOR信號通路

PI3K/Akt是一條促進(jìn)血管生長的重要通路，而mTOR是Akt的一個底物。當(dāng)細(xì)胞缺血后，組織處于缺氧狀態(tài)，細(xì)胞中低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）將大量增加，上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表達(dá)水平，從而促進(jìn)血管的修復(fù)和再生，而PI3K/Akt信號通路直接決定了HIF-1α因子的表達(dá)，可以通過干預(yù)PI3K/Akt信號通路來調(diào)控血管的修復(fù)與再生[35]。除了低氧誘導(dǎo)因子調(diào)控與血管內(nèi)皮生長有關(guān)，血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬也與血管功能密切相關(guān)。PI3K/Akt/mTOR信號通路與血管內(nèi)皮細(xì)胞的自噬能力呈正相關(guān)，因此，阻斷或降低PI3K/Akt/mTOR信號通路的表達(dá)可以增強(qiáng)自噬，達(dá)到修復(fù)血管內(nèi)皮的目的，是股骨頭壞死治療的一種新思路[36]。

6 TLR4/NF-κB通路

Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）是Toll樣受體成員中的關(guān)鍵一份子，可以通過髓樣分化 因 子（myeloid differentiation factor 88，MyD88）來激活下游的NF-κB因子，故這條通路也可稱為TLR4/MyD88/NF-κB通路。而NF-κB不僅可以增進(jìn)破骨前體細(xì)胞成熟，還能夠誘導(dǎo)單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞增殖以促進(jìn)破骨細(xì)胞生化[37]。例如糖皮質(zhì)激素可引起TLR4/MyD88/NF-κB信號通路異常活化，導(dǎo)致骨代謝平衡被打破，引起破骨細(xì)胞增殖活化，造成股骨頭內(nèi)骨量減少并最終引發(fā)股骨頭缺血壞死，同時經(jīng)TLR4途徑活化的單核/巨噬細(xì)胞還可引起一系列炎癥反應(yīng)，造成股骨頭內(nèi)纖維血管組織增生及骨結(jié)構(gòu)破壞，也是引發(fā)股骨頭缺血壞死的機(jī)制之一[38]。Pei等[39]分別研究激活和選擇性阻斷NF-κB的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)過度激活TLR4/NF-κB通路會誘導(dǎo)激素性股骨頭壞的發(fā)生，而抑制該信號表達(dá)可治療激素性股骨頭壞死。例如，補(bǔ)腎生髓強(qiáng)骨方通過抑制TLR4/NF-κB通路對酒精性股骨頭壞死具有減輕炎性反應(yīng)的作用[40]。

7 展望

上述信號通路無論是參與股骨頭壞死發(fā)生和發(fā)展的全過程，還是只參與了部分過程，都在調(diào)控成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞以及調(diào)控血管生成素等方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。股骨頭缺血性壞死的發(fā)生發(fā)展機(jī)制是一個復(fù)雜作用網(wǎng)絡(luò)，除了上述的信號通路，還有許多相關(guān)通路未在文中闡明，有待更深一步地歸納總結(jié)。如果在臨床治療方面想要取得階段性進(jìn)展，骨股骨頭壞死的病理變化機(jī)制仍需要更加深入地探尋和思考。

信號通路在股骨頭壞死的發(fā)生發(fā)展過程中是最為基礎(chǔ)的機(jī)制，從信號通路著手研究股骨頭壞死可以為臨床治療提供思路，隨著現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信能夠開展更多的股骨頭壞死基礎(chǔ)研究。