激素性股骨头坏死中骨代谢改变的研究进展

徐海涛(综述)，盛加根(审校)

(上海交通大学附属第六人民医院骨科，上海 200233)



激素性股骨头坏死中骨代谢改变的研究进展

徐海涛△(综述)，盛加根※(审校)

(上海交通大学附属第六人民医院骨科，上海 200233)

摘要：临床上激素的应用是引起非创伤性股骨头坏死(ONFH)的重要高危因素。长期外源性激素的使用干扰了骨髓基质细胞的增殖与分化以及成骨与破骨的平衡，从而影响正常的骨代谢，引起ONFH。激素抑制了骨重塑导致骨质疏松并增加股骨头塌陷的风险。临床上应用激素治疗时应注意预防激素性ONFH，恰当的药物治疗能起到预防ONFH发生的作用。对激素性ONFH中骨代谢改变的研究可为临床治疗提供依据。

关键词：股骨头坏死；糖皮质激素；代谢；骨质疏松

股骨头坏死(osteonecrosis of femoral head，ONFH)是一种因各种因素破坏股骨头的血供，致使局部骨细胞变性、坏死，最终导致股骨头微骨折及关节软骨塌陷的病理过程[1]。维持性大剂量糖皮质激素(glucocorticoid，GC)应用的患者会出现ONFH的相关症状[2]。骨代谢是一系列与骨基质合成与吸收有关的复杂生物学过程，骨代谢异常可导致骨量减少及骨小梁塌陷，最终导致骨坏死。Cushing[3]在1932年首次提出GC会干扰正常骨代谢过程的观点。研究表明，长期应用激素可导致成骨细胞与骨细胞的凋亡，GC影响了正常的骨代谢是激素性ONFH的重要发病机制之一[4-5]。现就激素在ONFH发生中对正常骨代谢的影响作一综述。

1GC影响骨髓基质细胞的增殖与分化

1.1GC抑制骨髓基质细胞(bone marrow stromal cell，BMSC)的增殖BMSC存在于成人骨髓内。Matsumoto等[6]成功分离并提取了BMSC，确认其为多能干细胞。GC受体(glucocorticoid receptors，GR)是GC转导信号的重要媒介。GR广泛存在于BMSC、成骨细胞、骨细胞及破骨细胞中，通过与GC结合造成细胞内构象改变，引起核移位与转录因子的抑制[7]。GC通过GR介导作用于BMSC，抑制了BMSC的增殖过程。Carcamo-Orive等[8]在成人BMSC中加入地塞米松，培养10 d后BMSC的细胞增殖活动明显受到抑制，且受抑制程度与激素的使用剂量呈正相关。BMSC能够增殖并分化为骨生成细胞系，在骨的合成与代谢中起非常重要的作用。GC对BMSC增殖的抑制将使其分化的成骨细胞系细胞下降，减少骨生成。这个过程是可逆的，当GR的活性受到抑制时，BMSC的增殖活动可恢复至原先的水平。

1.2GC干扰BMSC的分化平衡BMSC能分化成多种中胚层细胞系，如成骨细胞、心肌细胞、神经细胞、肌细胞、软骨细胞及脂肪细胞。BMSC广泛分布于人体松质骨中。正常的骨代谢条件下，BMSC向成骨细胞与脂肪细胞的分化是受精确调控的，而外源性GC的应用打破了这个平衡，引起脂肪生成基因(主要是过氧化物酶体增殖剂激活受体γ)表达的上调及骨生成基因(主要是Runx2/Cbfa1)表达的下调。Liu等[9]发现，向BMSC中加入10-7mol/L地塞米松，BMSCs中与脂肪生成相关的AP2基因的信使RNA表达增加，骨生成基因Ⅰ型胶原的信使RNA表达下降。Wei等[10]通过切除卵巢制作血浆内激素含量上升的去卵巢大鼠模型，在成骨培养基中，去卵巢大鼠BMSC的成骨标志物(包括碱性磷酸酶、骨钙素)含量与对照组相比明显降低，Cbfa-1的信使RNA表达下降；向其中加入GR拮抗剂RU486可维持成骨标志物的正常含量。在成脂分化诱导培养基中，去卵巢大鼠BMSC中的脂肪细胞数量以及成脂标志物(包括脂蛋白脂酶、过氧化物酶体增殖剂激活受体)的信使RNA表达增加，在其中加入RU486可使成脂标志物含量下降到正常水平。从中可以看出，GC能通过诱导BMSC分化为脂肪细胞，并抑制其向骨生成细胞系转化，引起骨代谢的紊乱，使ONFH发生的概率大大增加。

1.3骨髓内脂肪细胞的增多与骨坏死激素治疗可引起骨髓内脂肪细胞增多、脂肪变性与坏死，这都是骨坏死的早期征象[11]。在Celebi等[12]研究的体内实验中，实验组取31只大鼠一次性注射20 mg/kg的甲泼尼龙，对照组取25只大鼠注射0.9%氯化钠注射液。通过测量注射前及注射2周后近端股骨的骨内压及血流量，发现骨坏死的动物存在更多增大的骨髓脂肪细胞，其骨髓造血细胞数量减少，且被增大的骨髓脂肪细胞代替。研究者推测骨髓脂肪细胞的增大以及骨内压的升高是激素性ONFH的重要病理生理学特征。Lin等[13]也报道，在激素作用下骨髓脂肪细胞的平均直径增加>10 mm，且在大鼠股骨及肱骨区血管内可见大量脂肪栓子。其他学者[14-15]也发现，GC可使骨髓内生成的脂肪细胞增大、增多。Naves等[16]的体外实验报道，在BALB/c小鼠(一种近交系小鼠，存在免疫缺陷)克隆的多能骨髓细胞株(D1)中，地塞米松诱导的脂肪生成伴随着细胞中脂质囊泡的聚集，同时伴有脂肪生成基因(AP2与过氧化物酶体增殖剂激活受体γ)表达的上调，以及Ⅰ型胶原、骨钙素、Runx2/Cbfa1和其他骨生成基因表达的下调。脂肪细胞体积的增长有很重要的意义，因为在股骨头的闭合空间内，这会增加组织压，减少血流灌注。另外Wang等[17]发现，激素可诱导骨髓内脂肪细胞分泌硬脂酸和棕榈酸，这两种具有脂毒性作用的饱和脂肪酸能促进成骨细胞内活性氧的聚集，减弱其成骨能力。

2GC影响骨细胞的代谢与凋亡

2.1对成骨细胞的影响成骨细胞通过分化为骨细胞促进骨生长。另外，成骨细胞还有维持成骨与溶骨平衡的功能。成骨细胞能够分泌核因子κB受体活化因子(receptor activator for nuclear factor-κB，RANK)配体激活破骨细胞，同时还可以通过分泌骨保护素抑制RANK配体的活性。GC对成骨细胞的影响体现在抑制其向骨细胞的分化，以及降低细胞的合成代谢引起细胞凋亡，进而减少新骨的生成。受GC的影响，成骨细胞分泌的肿瘤坏死因子α、RANK配体与骨保护素增多[18]，胰岛素样生长因子的分泌量减少，使骨的合成代谢及增殖活动减弱[19]。体外研究表明，GC可通过激活胱天蛋白酶3促进成骨细胞与骨细胞的凋亡[20]。Plotkin等[21]将泼尼松龙用于5个月大的小鼠，27 d后检测发现小鼠的骨密度及血钙下降，松质骨区域及骨小梁狭窄，同时还伴有成骨细胞和骨细胞生成的减少。另外，因GC诱导的成骨细胞凋亡导致的骨质疏松也是引起股骨头骨折塌陷的原因之一。

成骨细胞内的Wnt信号通路是介导骨生成过程的重要调节因子，体内实验中移除大鼠的Dickkopf-1(DKK-1，Wnt信号的拮抗剂)等位基因可使其骨量增加。GC能够增加DKK-1的表达，同时促进卷曲相关蛋白1的分泌，两者共同作用并抑制人成骨细胞内的Wnt/β联蛋白信号，引起软骨细胞凋亡以及骨密度的降低[22]。这提示激素性ONFH可能与GC干扰了成骨细胞内Wnt/β联蛋白信号有关。其具体机制有待于进一步的研究。

2.2对破骨细胞的影响破骨细胞是巨噬细胞家族的重要成员，并最终分化为多核巨细胞。破骨细胞可以黏附于骨表面，通过制造一个酸性的环境来融解骨基质，造成骨质吸收与缺失。破骨细胞的存活、分化受基质细胞和成骨细胞分泌的因子调控。通常情况下，破骨细胞与成骨细胞共存并共同维持骨代谢的稳态。研究指出，GC可直接作用于破骨细胞，引起破骨细胞生命周期的延长[23]。GC还可增加破骨细胞激动剂DKK-1的表达，提高破骨细胞的活跃度。

RANK配体属于肿瘤坏死因子家族，RANK配体与巨噬细胞集落刺激因子在缺少BMSC时对破骨细胞的分化起非常重要的作用。同时，RANK配体也延长了分化的破骨细胞的存活时间。RANK受体激活剂是其重要的调控因子。在激素诱导下，成骨细胞分泌的RANK配体增多，同时也继发RANK受体的激活[24]。Soe和Delaisse[25]发现，在GC的影响下，破骨细胞对骨内矿物质的作用模式从间断性吸收转变为连续性吸收，这加快了骨质缺失的速度。据此推测这可能是接受GC治疗的患者早期出现骨质脆弱的主要原因。

3激素性骨质疏松促进ONFH的发展

骨质疏松是激素治疗的常见并发症[26]。Goldstein等[27]报道，对哮喘患者使用激素治疗，高剂量组中80%的患者出现骨密度下降，而低剂量组只有33%的患者出现骨密度下降，其主要原因在于GC促进了骨细胞的凋亡，并最终降低了骨细胞的生长率。该研究还指出，吸入激素治疗相对于口服激素治疗，激素性骨质疏松的发生率更低。Weinstein[28]认为GC诱导的骨细胞凋亡干扰了骨细胞网络结构的功能，由于骨细胞网络结构控制着骨内的修复过程，故将不可避免地导致骨质疏松的发生。同时，过多骨细胞的凋亡最终将导致骨坏死的发生，而股骨头软骨下区是GC引起的骨坏死最常见的部位。

对于接受长期激素治疗的患者，一旦发生激素性骨质疏松，则其发生ONFH的风险也将随之增加[29]。激素破坏了骨小梁结构并抑制骨重塑，从而降低骨量，导致激素性骨质疏松，并进展为ONFH[30]。对已发生ONFH的患者，激素性骨质疏松会引起股骨头微骨折及关节软骨的塌陷，使ONFH进一步发展。

4激素性ONFH骨代谢紊乱的相关治疗

对于长期接受GC治疗的患者，恰当的治疗方式有利于预防或减少骨缺失与ONFH的发生。二磷酸盐类药已被证明能有效增加骨密度并降低骨质疏松性骨折的风险[31-32]。Chen等[31]在随机对照研究中，将ONFH患者(SteinbergⅡ期或Ⅲ期，且X线片显示股骨头至少有30%的坏死区)分成两组，接受阿仑膦酸钠治疗24个月后，试验组29例坏死的股骨头只有2例发生塌陷，而对照组25例坏死的股骨头有19例发生塌陷。另外，在接受阿仑膦酸钠治疗几个月后，患者的髋部疼痛得到明显缓解。Agarwala等[32]对Ficat分期Ⅰ期和Ⅱ期的ONFH患者使用阿仑膦酸钠治疗并做长达10年的随访，研究发现接受阿仑膦酸钠治疗的患者对镇痛药的依赖减少，髋关节功能和行走能力明显增加，且治疗后能有效推迟ONFH患者行全髋关节置换术的时间。

特立帕肽是一种重组的人甲状旁腺激素，能促进前成骨细胞向成骨细胞转化，进而刺激新骨生成，增加骨量[33]。另外，特立帕肽还有减少成骨细胞凋亡的作用。临床常用的其他药物还有钙剂、维生素D、降钙素和激素替代物等。研究表明，患者在服用阿仑膦酸钠治疗前和治疗中同时服用钙剂和维生素D，可有效降低ONFH发生的可能性[34]。降钙素在治疗激素性骨缺失中也有不错的效果。

5结语

ONFH的病因是多因素的，GC是导致非创伤性ONFH最常见的原因，具体的发病机制仍不清楚。考虑到个体对激素敏感程度的差异以及未知的其他机制，很难预测维持一定激素治疗量的患者是否会发展为ONFH，故早期的诊断和治疗显得尤为重要。预防ONFH进展的一个方案是减少其潜在的危险因素，如尽量避免长期接受激素治疗，或在激素治疗过程中予以间断给药。GC对骨代谢影响的理论是激素性ONFH机制研究的重要方面，对其机制的深入研究可以指导临床上激素性ONFH的药物治疗。有实验表明，在ONFH的动物模型中应用降脂药可见一定的效果[35]。在临床上联合应用降脂药与抗凋亡药物也对ONFH患者的治疗有不错的疗效。GC影响骨代谢过程的作用通路仍在继续探索中，对GC的新作用通路的深入研究有助于未来ONFH的药物及外科治疗的进一步发展。

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Progress in Alteration of Bone Metabolism in Corticosteroid-Induced Osteonecrosis of Femoral HeadXUHai-tao,SHENGJia-gen.(DepartmentofOrthopedics,ShanghaiJiaotongUniversityAffiliatedSixthPeople′sHospital,Shanghai200233,China)

Abstract：The clinical treatment of glucocorticoid is a significant risk factor of non-trauma osteonecrosis of femoral head(ONFH).Long-term exogenous glucocorticoids(GC) exposure can affect the proliferation and differentiation of bone marrow stromal cells and the balance between osteoblasts and osteoclasts,which impacts the bone metabolisms and leads to ONFH.GC can inhibit the remodeling of bone and cause osteoporosis,which increases the risk of collapse of femoral head.It is important to prevent ONFH when treating patients with GC. ONFH may be prevented by appropriate drug therapy. The study of the alteration of bone metabolism in GC-induced ONFH may provide reference for the clinical treatment.

Key words：Osteonecrosis of femoral head; Glucocorticoid; Metabolism; Osteoporosis

收稿日期：2014-02-28修回日期：2014-07-06编辑：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.02.014

中图分类号：R681.8

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)02-0230-03