非创伤性股骨头坏死相关信号通路研究进展

付志斌 李盛华 周明旺 叶丙霖 郭铁峰 吴献毅

1. 甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 2. 甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050

近年来，随着医学科技的不断进步，对于信号通路的研究也越来越深入，发现信号通路与人体多种代谢性疾病的发病具有相关性，骨代谢性疾病与信号通路的研究也取得了一定的成果。非创伤性股骨头坏死(nontraumatic osteonecrosis of femoral head，NONFH)是骨代谢性疾病中的的代表性疾病之一，也是目前医学水平不能完全治愈的疾病之一，故通过信号通路的调控作用的研究，证实或揭示NONFH发病的病因病机和找到NONFH治疗的新方法、新途径，成了许多研究的焦点，大量的研究证实许多信号通路的调控作用在NONFH的发生、发展过程中具有一定的相关性，本文就围绕NONFH相关的信号通路研究进展予以综述。

1 Wnt信号通路

Wnt信号通路是目前研究发现，机体中的一条相对保守的信号通路，在细胞增殖和生长过程具有重要的调控作用，也对多种骨细胞增殖分化均具有一定的调控作用。其主要成员包括：细胞外因子(Wnt)、胞质蛋白(β-catenin)、卷曲蛋白(Frizzled)、糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)、及核内转录因子(T cell factor,TCF)等。

1.1 β-catenin

Wnt/β-catenin信号通路目前被认为是Wnt信号通路转导中的经典通路，Neth等[1]研究发现Wnt信号通路是人骨髓间充质干细胞(human bone marrow mesenchymal stem cells,hMSCs)增殖、迁移和侵袭功能调控的关键因子。Weng等在NONFH的实验研究中发现[2-3]髓基质细胞(MSCs)具有向脂肪细胞分化的能力，并且可以使脂肪细胞增殖、肥大，造成脂肪细胞的堆积，导致股骨头内压力升高，血液循环障碍，股骨头内骨的重建和塑型功能停滞或完全抑制，坏死的骨组织不能被及时修复，最终导致股骨头坏死的发生(osteonecrosis of femoral head,ONFH)。由于经典Wnt通路的在人体内信号的传导是，通过激活β-catenin而发挥作用，故经典Wnt信号通路又称为Wnt/β-catenin信号通路。许多研究证实Wnt/β-catenin信号通路在MSCs表达中具有关键性作用，所以在NONFH的相关信号通路的研究中Wnt/β-catenin通路是研究最多，Wnt/β-catenin信号分子的受体是Frizzled及LRP5/6。β-catenin在这条信号通路有着重要的作用，同时也是脂肪间充质干细胞成脂分化过程中重要的调控因子[4]；Wnt/β-catenin信号通路在骨细胞的增殖、分化中的调节作用具有多样性，能够促进MSCs的更新，促进成骨分化，抑制成脂，并受BMP-2的调节[5-7]。

卓金伟[8]用醋酸泼尼松龙造模的兔激素性股骨头坏死模型发现发病组中β-catenin和LRP5在的相对表达量较未发病组与对照组减少，表明Wnt/β-catenin信号通路受到抑制可能是发病组表达减少的主要因素；且由该研究结果可推测过量的糖皮质激素可能抑制Wnt/β-catenin信号通路的成骨作用，反而提高股骨头中成脂能力，诱发股骨头骨细胞凋亡，最终导致股骨头缺血坏死的发生。张晨等[9]大鼠激素性股骨头缺血性坏死(steroid-induced avascular necrosis of femoral head,SANFH)模型研究发现，分泌型卷曲相关蛋白1(secreted frizzled-related protein 1,SFRP1)可抑制Wnt/β-catenin信号通路的作用，增加股骨头坏死的发生几率。

1.2 DKK-1

DKK-1(Dickkopf-1)是DKKs(Dickkopfs)家族中的一员，在脊椎动物中包括Dkk-1、Dkk-2、Dkk-3、Dkk-4；其成员都是分泌型糖蛋白，Wnt信号在细胞内的传递作用可被DKK-1与其相应的受体结合后抑制，影响细胞的增殖、分化及迁徙等许多方面。DKK-1对Wnt信号通路正常传导起负调节作用，是Wnt信号传导调控抑制剂，可抑制Wnt糖蛋白与受体卷曲蛋白(Frizzel)和低密度脂蛋白相关受体蛋白(low density lipoprotein receptor-reatein protein，LRP)协同受体结合形成复合物，破坏Wnt信号正常传导、抑制其生物调节功能[10-13]。

大量的学者对SANFH研究证实，在SANFH发生发展过程中，激素可上调DKK-1的表达，进而阻断MSCs向成骨细胞(osteoblast,OB)分化，并诱导成骨细胞凋亡，激活破骨细胞(osteoclast,OC)，导致成骨能力及骨修复能力下降及骨量丢失，最终发生股骨头坏死[14-18]。台湾学者[19]通过检测39名股骨头坏死患者与10名正常人血清中DDK-1含量，发现股骨头坏死患者血清中DDK-1含量明显高于正常人，对于不同的坏死分期股骨头坏死患者，DDK-1含量与股骨头坏死分期呈正相关，中晚期患者血清中DDK-1含量明显高于患者早期患者。

2 OPG/RANKL/RANK

OPG/RANKL/RANK信号通路系统是1997年发现的一组调控破骨细胞分化激活的细胞因子，其三者均属肿瘤坏死因子受体超家族(tumomecrosisfactor receptor superfamily,TNFRSF)，骨保护素(osteoprotegerin,OPG)属于肿瘤坏死因子受体(TNFR)超家族，主要的作用机理是由成骨细胞前体和间质细胞产生一种分泌型糖蛋白，诱导受体与核因子KB受体活化因子配体(receptoractivator of nuclear factoi-kappa B ligand,RANKL)发生竞争性结合，抑制RANKL与核因子KB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-kappaB，RANK)的相互作用，使破骨细胞前体被成骨细胞诱导分化和融合的作用受到抑制，达到调控破骨细胞分化、增殖和凋亡的目的，并影响破骨细胞生理功能。

经典Wnt信号通路通过OPG/RANKL在成骨细胞内的表达而抑制破骨细胞分化[20-22]，OPG通过与RANK竞争其配基RANKL，RANKL/RANK的结合被阻断而破骨信号通路，有效降低破骨细胞的活性，抑制破骨细胞的作用而减少骨质的丢失。王岩[23]用脂多糖联合甲基强的松龙建立动物模型，对动物标本形态学发现，模型组股骨头局部OPG/RANKL染色率低，骨密度值低于空白组。Schaffler研究证实[24]：糖皮质激素给药干预可使股骨头局部OPG表达明显降低，其表达降低程度与给药时间的长短呈正相关，且发现股骨头局部破骨细胞增多，骨吸收能力增强，骨小梁结构变的纤细、紊乱，而外源性OPG介入对这一病理进程有保护作用。

3 TLR4信号通路

TLR4信号通路根据对MyD88依赖型可分为依赖型和非依赖型两种。MyD88在依赖型的TLR4信号通路中可介导下游NF-κB的激活，同时NF-κB也可通过募集MyD88等相关因子进行相应信号转导[25]，并且联合其他相关因子共同参与破骨细胞的活化过程。在破骨前体细胞分化成熟和破骨细胞增殖过程中，NF-κB参与的的相关信号通路发挥最主要作用。此外，NF-κB还可激活MCP-1，诱导单核/巨噬细胞系分化，产生大量的破骨细胞。田雷等[26]发现，激素类药物可以诱导TLR4信号通路的过度激活，引起一种免疫级联效应，使大量破骨细胞活化增殖，引起骨质疏松，股骨头抗压能力减弱，脆性增加，最终造成股骨头坏死。

4 HIF-1α信号通路

低氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)是生物体内最具特征性的低氧反应信号通路。在机体缺血/缺氧环境下，骨形成和血管生成的偶联过程中HIF-1α信号通路有着重要的调控作用。低氧的条件可以诱导HIF-1α入核与HIF-1β形成二聚体并募集共激活剂CBP/P300，反式作用于含有核苷酸序列为5'-G/ACGTG-3'的低氧反应元件(hypoxia response element;HRE)，进一步激活下游靶基因，改变一系列细胞的功能，包括能量代谢，红细胞造血，血管发生，铁代谢，自由基清除等，对缺氧的条件产生适应性反应。

Li等[27]在股骨头缺血性坏死的组织标本内可找到HIF-1α的表达。Zhang 等[28]对股骨头坏缺血性死动物模型的研究证实HIF-1α上调Sox9活性可对缺血性股骨头坏死的软骨代谢产生影响。HIF-1α的主要作用是能够使软骨细胞适应缺氧环境，是软骨形成的主要介质之一，该蛋白缺失可导致生长板内部缺氧区域内的细胞大量死亡[29]，说明在软骨细胞正常生长的过程中HIF-1α起着重要作用。其作用机制可能是HIF-1α激活其部分下游基因，使软骨细胞的代谢转向节氧途径并激活软骨无氧酵解，以适应缺氧环境[30]。以上研究证据说明HIF-1α信号通路在股骨头缺血性坏死的发生过程有一定的关系。

5 RhoA/ROCK信号通路

近年来也有大量报道RhoA/ROCK信号通路在间充质干细胞成骨成脂分化过程中有着重要的调节作用。RhoA/ROCK信号通路可影响软骨细胞的形态及功能，通过改变软骨细胞骨架。Vogel等[31]的研宄也表明在PHD基因敲除的Hela细胞或使用PHI(prolyl hydroxylase inhibitors,PHI)对PHD活性抑制的Hela细胞能够以不依赖于HIF蛋白的作用而激活RhoA/ROCK信号通路。

许多学者研究发现[32-35]，人工合成成骨生长肽(osteogenic growth peptide ,OGP)、机械应力、结缔组织生长因子、细胞外基质的可塑性等因素能够影响间充质干细胞的成骨分化和类肌腱细胞分化，其共同的作用机制是通过激活RhoA/ROCK信号通路促进成骨分化效应进而改变细胞的骨架结构而实现。Wang等[36]研宄也发现骨形态发生蛋白(BMP)是通过激活RhoA/ROCK信号通路通路，细胞骨架的改变而使细胞更能伸展的生长，进而促进细胞的成骨分化。

实验发现[37]二甲基乙二酰基甘氧酸(dimethyloxalylglycine,DMOG)能明显上调RUNX2及Osterix等与成骨分化相关的基因表达，促进BMSCs成骨分化。实验还表明DMOG能明显上调BMSCs成骨分化中RhoA/ROCK信号通路中关键分子total-RhoA、active-RhoA、ROCK1及p-cofilin的表达，最终抑制细胞肌动蛋白解聚，从而也降低了细胞的迁移能力。表明DMOG激活RhoA/ROCK信号通路可能是DMOG促进BMSCs成骨分化的重要分子机制。还证实经髓芯减压植入DMOG/BMSCs/生物蛋白胶三者复合物，对激素性股骨头坏死兔股骨头局部有修复作用。股骨头局部成骨与成血管相关蛋白RUNX2与VEGF表达明显上调，表明DMOG在激素性股骨头坏死的修复中发挥了重要重用。

6 MAPK信号通路

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen- activatedprotein kinase,MAPK)是广泛存在于哺乳动物内的一类丝/苏氨酸蛋白激酶，其可被一系列如物理应激、生长因子、炎性细胞因子、细菌复合物等的细胞外信号或刺激所激活。MAPKs信号通路调节特定的基因表达是通过保守的三级酶促级联反应(MAPKKK-MAPKK-MAPK)，激活细胞内相应的转录因子，参与细胞分化、增殖、转化和凋亡等生理过程，是胞外信号引起细胞核反应的共同通路。MAPK通路是生物体内参与介导细胞分裂、分化、生长和发育等多种生理及病理过程的重要信号转导系统之一。MAPK信号转导是以三级激酶级联的方式进行的，首先丝分裂原刺激磷酸化激活MAPKKK，MAPKKK转而磷酸化激活MAPKK，最后由MAPKK磷酸化MAPK，使MAPK活化而转入核内。

研究表明[38-42]，在MAPK信号通路中细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal-regulated protein kinase,ERK)、P38和c-jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)参与成骨细胞增殖、分化和凋亡的信号转导，并在骨质代谢和炎症反应中具有重要作用，在BMSCs的成骨分化过程中也起着关键作用。齐振熙[43]在兔股骨头髓内及离体兔BMSCs增殖实验研究中发现，羟基红花黄色素A(HSYA)可通过激活MAPK信号转导通路，上调通路中与增殖关联的p-ERK蛋白的表达，促进BMSCs增殖，下调凋亡相关联的p-JNK、p-P38蛋白的表达，抑制其凋亡，减轻激素诱导对BMSCs凋亡的影响。

7 其它

有研究发现[44]RhoA参与关节软骨内力学信号的传导，RhoA/ROCK信号通路在关节软骨的退变中具有重要的作用。更有学者发现[45-46]，VEGF信号通路在血管新生的过程中具有重要的调节作用，通过抑制VEGF信号通路，可抑制新生血管的发生，而缺血这一是股骨头坏死的主要病理过程。

谭振等[47]通过雷奈酸锶干预激素性Wistar大鼠模型研究发现，雷奈酸锶可通过抑制模型大鼠股骨头内DKK-1 过表达，激活Wnt信号通路，促进成骨分化及成骨活性，对股骨头坏死起到早期的预防具有一定作用。李建新[48]研究发现，补肾活血汤调控BMSCs成骨-成脂分化的机制主要是通过增强化Wnt/β-catenin信号通路中成骨因子化的基因和蛋白表达，同时抑制成脂因子DDK1、SFRP4的表达来实现，促进BMSCs向成骨细胞分化。张波等[49]通过髓芯减压后股骨头内注射富血小板血浆(PRP)，研究结果显示，PRP与BMSCs能改善股骨头坏死的恢复情况，其作用是通过上调BMP-2的蛋白水平，激活Smads信号通路，继而诱导间充质干细胞向成骨方向分化，达到骨组织修复和愈合的目的。且MAPK[50]、Notch[51]、Wnt[52]等信号通路都参与成骨细胞分化和骨形成的调节。张遥等[53]通过7～9个以上软件对7种miRNAs所预测靶基因相关的KEGG信号通路中，发现共有的信号通路为Focal adhesion信号通路、MAPK信号通路、Notch信号通路。所以，多种信号通路在NONFH的发生和发展过程中有一定的作用，但是其相互之间又有协同或拮抗作用，具体的作用机制还有待进一步的深入研究。

8 展望

NONFH是一个受多种因素共同参与的复杂的髋关节疾病，目前该病的具体发病机制还不明确。随着对其研究的不断深入，与股骨头坏死相关的潜在生化标记物的研究己取得可喜的成果，但由于研究对象种族的不同、检测方法及指标的差异及研究角度的不同，研究结论还存在不一致，且缺乏特异性和敏感性生化标记物，目前仍有许多问题有待于更进一步深入研究。大量的研究证据表明信号通路在NONFH的发生和发展过程中具有重要的调控作用，且是受多信号通路调控的结果，且相关信号通路的调控具有交叉作用，近年来随着对NONFH的研究深入，如血管内皮生长因子(VEGF)、脂肪酸转运蛋白1(Fatty acid transport protein-1,FATP-1) 等信号通路在NONFH中也具有一定的调控作用，但是具体的机理仍需进一步阐明，希望能在今后的研究中进一步对其作用机制有深入的发现，为NONFH的防治找到靶点，指导临床的用药治疗，让NONFH可防可治。