细胞凋亡在激素性股骨头坏死发病机制中的研究进展

芮 仞，娄 悦，张先姚，李锦航，周正新

（1.安徽中医药大学研究生院，安徽合肥230038； 2.安徽中医药大学第一附属医院，安徽 合肥230038）

激素性股骨头坏死（SANFH）是由于使用大剂量激素导致股骨头缺血性坏死的疾病。自1953年第一例激素引发股骨头坏死报道，世界各地陆续出现类似病例报道。近年来，随着我国在临床上对于激素的大量使用，激素导致的股骨头坏死逐年上升，已占股骨头缺血坏死的一半。SANFH严重影响患者的生活质量，双侧患病者甚至可致残。因此，探究SANFH的发病机制对于临床上预防和治疗本病具有重要的意义。目前SANFH的发病机制尚未完全明确，有血管内凝血、脂质代谢紊乱、骨内高压等多种假说。近年来，随着分子生物、分子化学、组织细胞学科的不断发展，通过研究发现在激素作用下细胞会发生凋亡，故推断激素导致的骨细胞凋亡与股骨头坏死关系密切。笔者在阅读分析近5年文献的基础上，对骨细胞凋亡的相关基因做一研究讨论。

1 股骨头坏死的病理改变

人体内发育成熟的骨细胞位于骨陷窝内，为扁椭圆形，呈多突起状，突起伸入骨小管内，相邻细胞的突起以缝隙连接、彼此相互接触。骨小管使骨细胞和骨表面的细胞形成相互联系［1］。大剂量的糖皮质激素可以促进成骨细胞和骨细胞提前进入凋亡，但不会促使破骨细胞凋亡［2］。成骨细胞提前凋亡，会导致整体骨量减少，出现松质骨骨小梁变细、数量减少、骨皮质多孔、变薄等骨微结构破坏的表现，轻微的应力作用会使股骨头区骨小梁发生细微损伤。在这些细微损伤的长期积累下，会导致股骨头塌陷，塌陷后的股骨头会破坏该区的血液循环，最终引发股骨头缺血坏死［3-4］。

2 细胞凋亡

细胞凋亡是指细胞为维持机体内环境稳定，更好适应外界环境进行有序的主动性死亡过程。细胞凋亡的异常会破坏机体的稳定，继而引发疾病。细胞凋亡是在细胞内外特定的生理或病理性因素的诱导下发生的，目前认为细胞内的基因直接控制着细胞凋亡的发生和发展，细胞外部因素通过信号转导而影响这些基因的表达，或其表达产物的活化，从而间接调控细胞凋亡。宋奕等［5］认为骨细胞凋亡参与糖皮质激素诱导的股骨头早期缺血性坏死的病理改变，Bcl-2家族、p53基因、Caspase家族、Fas/Fas L系统等是参与骨细胞凋亡的关键因素。

3 激素性股骨头坏死的凋亡基因类型

3.1 Bcl-2 家族

Bcl-2家族可划分为3个亚家族：Bcl-2亚家族、Bax亚家族、BH3亚家族。Bcl-2与凋亡密切相关，在细胞凋亡的过程中Bcl-2具有十分重要的作用。SANFH的发生可能与激素调节Bcl-2的表达，进而调节骨细胞凋亡有关。细胞凋亡信号传递系统能够被Bcl-2蛋白所阻断，进而发挥抑制细胞凋亡的作用。张锐东等［6］实验研究发现在SANFH骨细胞中Bcl-2抗凋亡的作用遭受到十分明显的抑制。因为Bcl-2表达减少，骨细胞凋亡的过程没有受到抑制，导致骨细胞凋亡增加，最终会造成股骨头坏死。Zhang H等［7］用地塞米松诱导兔股骨头坏死建立模型，在造模前后分别检测兔的细胞凋亡水平、MLO-Y4细胞、Bcl-2的表达及MC3T3-E1细胞Fas和Caspase 8的表达，结果显示激素能够调控Bcl-2的表达，以及活化Caspase 8，从而促进骨细胞凋亡，而骨细胞过度凋亡可能是导致股骨头坏死的因素之一。王伟等［8］发现腹腔注射激素后兔股骨头骨小梁变细，陷窝增多，骨细胞核固缩，认为大剂量的激素可能通过上调Bax和下调Bcl-2蛋白的表达从而引起骨质疏松，最终导致股骨头发生坏死。贾岩波等［9］认为骨细胞凋亡在股骨头坏死的病理过程中十分重要。Bcl-2蛋白可使凋亡蛋白减缓甚至无法表达，以此来调控整个细胞凋亡的过程。而使用大剂量激素后，虽然可以治愈某些疾病，但与此同时会抑制Bcl-2蛋白的表达，使其无法调控细胞凋亡的过程，甚至会促进骨细胞的凋亡，最终导致股骨头坏死。Moriishi T等［10］研究发现骨母细胞中 Bcl-2的过度表达会抑制成骨细胞的分化，减缓骨细胞构筑骨小梁的过程，导致骨细胞凋亡。Bcl-2家族对细胞凋亡的调节作用，一方面表现在Bcl-2亚家族分子通过BH4结构域与Apaf-1结合，从而阻断后者对Caspase-9的活化，而BH3亚家族Bcl-XL结合而抑制上述活性；另一方面，由于含有BH1、BH2结构域，Bcl-2和Bax亚家族可以在细胞器膜上形成不同的孔道，从而保护或破坏该细胞器。

3.2 p53 基因

p53基因是一种抑癌基因，在调控细胞凋亡的过程中作用不可忽视。余华［11］通过对比股骨头坏死患者和正常成年人两组之间p53基因的表达、骨细胞凋亡数量的差异后发现股骨头坏死患者p53基因表达上调，认为p53基因通过PI3K/Akt信号通路诱导骨细胞凋亡。SW Huang等［12］检测p53的表达、磷酸化和亚细胞定位，发现p53沉默可显著降低ImQ诱导的caspase级联激活和凋亡，认为p53基因可能在骨细胞凋亡的过程中占有主导地位。骆旭东等［13］实验发现实验组（股骨头坏死组）出现大量骨细胞凋亡，以软骨下区最为明显，骨细胞凋亡数明显高于对照组（正常组），股骨头坏死组p53基因表达明显增高。说明p53基因上调可能会导致骨细胞凋亡。Trichilis A等［14］研究发现小鼠软骨远端的软骨膜可以检测到细胞凋亡，在退变过程中软骨细胞逐渐变成p53阳性，且小鼠病变区的凋亡小体逐渐增加，表明p53基因阳性率与软骨细胞凋亡成正相关。Guo K L等［15］造模成功后检测p53和Bcl-2蛋白的表达，发现实验组骨细胞Bcl-2蛋白表达量下降而P53蛋白表达却增加，认为p53基因能够参与骨细胞凋亡的过程，导致骨细胞凋亡。p53的胞浆含量、稳定性及转录活性的显著增加，有利于p53发挥其转录激活功能，细胞可以通过以p53为核心的复杂的信号转导机制诱导细胞凋亡。

3.3 Caspase 家族

半胱氨酸蛋白酶（caspase）家族引发的级联反应参与细胞凋亡的进程，在细胞凋亡机制网络中居中心地位［16］。王宇锋等［17］发现细胞凋亡主要通过 Caspase3、PARP1、MCC1、A2F 和 Bcl-2 这几种凋亡蛋白的表达来调控细胞的凋亡，其中Caspase家族在多种凋亡通路中都占有重要地位。Jang J Y等［18］研究发现激活后的 Caspase3可以直接促进骨细胞凋亡通路的发生，进而导致凋亡信号转导，促使骨细胞死亡，而且这种激活诱导反应一旦发生几乎是不可能逆转的。Jia Y B等［19］注射激素建立兔股骨头坏死模型后检测Caspase-3和Bcl-2表达水平及骨髓造血细胞DNA氧化损伤，发现通过降低Caspase-3的表达，上调Bcl-2的表达，可以减轻SANFH早期骨髓造血细胞的DNA氧化损伤，干预细胞凋亡。Ye T等［20］研究了两种不同剂量的利塞膦酸盐（RIS）对去卵巢大鼠骨细胞凋亡、破骨细胞活性和骨丢失的影响，发现低、高剂量RIS对OVX大鼠成骨细胞凋亡和破骨细胞活性均有明显的抑制作用，而这种作用是通过降低OVX大鼠Caspase-3阳性骨细胞、空腔细胞和TRAP阳性破骨细胞来完成的。Davis H M等［21］研究了由衰老和Cx 43缺乏引起的骨细胞凋亡和破骨细胞募集的分子信号事件，发现Cx 43-沉默的MLO-Y4骨细胞（Cx43def）在培养过程中通过caspase-3激活而自发死亡，Caspase-3抑制作用可抑制Cx 43防御细胞释放RANKL/HMGB 1，诱导破骨细胞凋亡。Kennedy O D等［22］造模成功后检测 HIF-1α、血管内皮生长因子（VEGF）、Caspase-3和bcl-2。结果表明通过抑制了Caspase-3的表达，并诱导了股骨头组织中Bcl-2的表达，能明显抑制骨细胞、软骨细胞和骨髓细胞的凋亡。

3.4 Fas/Fas L 系统

Fas及其配体FasL是有关细胞凋亡的膜表面分子。Kogianni G等［23］实验研究成骨细胞凋亡的分子途径，发现地塞米松能诱导Fas/CD 95死亡受体相关的凋亡，并呈Caspase 8依赖性，Dex激活的ERK和Fas通路在骨细胞凋亡过程中发挥协同作用。Kogianni G认为糖皮质激素的长期使用与骨形成减少、吸收增加和骨坏死有关，其机制是直接和间接地影响骨效应细胞、成骨细胞、破骨细胞和骨细胞的活性和活力。刘伟［24］在用骨保护素诱导细胞凋亡的实验中发现破骨细胞（OCs）在使用骨保护素后促凋亡基因Bax的转录水平升高，抑凋亡基因Bcl-2基因的表达相对降低，OPG能通过促进促凋亡基因表达和抑制抑凋亡基因表达来诱导破骨细胞凋亡，并表示骨细胞凋亡可能还与Fas/FasL死亡受体有关。Fas受体与FasL膜蛋白结合使细胞发生水解级联，最终导致细胞凋亡。Wang L等［25］研究发现成骨细胞通过Fas配体（FASL）/Fas信号通路诱导破骨细胞凋亡。在成骨细胞中有条件地敲除Fasl会导致破骨细胞数量和活性的增加，同时骨量减少，造成骨质疏松，最终导致股骨头缺血性坏死。通常FasL分子以同三聚体形式和三个Fas分子交联，导致Fas的死亡结构域（DD）成簇，后者以其DD为中介，结合Fas相关的死亡结构域（FADD）形成死亡诱导信号复合体。随后FADD通过其死亡效应结构域（DED）和Caspase-8的DED区相互作用，导致Caspase-8形成寡聚体，并驱使其自身活化。活化的Caspase-8把进一步活化效应Caspase，使细胞发生凋亡。

3.5 一氧化氮（NO）

Almeida Maria［26］认为一氧化氮（NO）通过打开凋亡通路或关闭凋亡通路来影响细胞的生死决定。NO可以通过氧化应激反应使成骨细胞和破骨细胞数量减少，骨形成率降低；成骨细胞和骨细胞凋亡增加，活性氧含量增加。氧化应激反应可能是导致骨强度丢失的重要机制之一。Wang J等［27］研究诱导型一氧化氮合酶（INOS）表达与非创伤性骨坏死骨细胞凋亡的相关性。用20例特发性非创伤性股骨头坏死患者的股骨头标本，取骨关节炎患者非硬化区软骨下骨标本30例作为对照。与对照组相比，坏死区附近的骨细胞形态发生变化，凋亡细胞增多，骨坏死组织中iNOS和细胞色素C的表达增加。表明INOS表达增加可导致特发性、非创伤性骨坏死患者骨细胞凋亡。Basso N［28］研究探讨后肢卸载及后肢再负荷对后肢近端胫骨小梁、皮质骨、关节软骨及生长板软骨细胞凋亡、NOS表达及组织形态计量学参数的影响。发现INOS和ENOS阳性骨细胞的百分率明显高于对照组，这与破骨细胞数量减少有关。表明NO可促进凋亡基因启动，在凋亡过程中占有重要地位。

3.6 核受体超家族

核受体超家族是一组配体激活的转录因子家族，包括糖皮质激素受体、雄激素、雌激素维生素D等多种激素的受体。Joshua J［29］研究发现骨细胞抗衡凋亡通过NO/cGMP信号通路，Ⅱ型PKG介导雌二醇诱导的前存活激酶ERK和Akt的激活，而Ⅰ型PKG通过直接磷酸化和灭活细胞死亡蛋白来促进存活信号的传递。表明雌激素能够降低Fast基因的表达，这可能是骨细胞凋亡的因素之一。王志美等［30］研究雌激素对成骨细胞的影响。将雌激素放置于成骨细胞诱导培养基，并设置对照组，发现雌激素可抑制成骨细胞凋亡。表明雌激素降低可以引起骨质疏松，而骨质疏松发展到最后可导致股骨头坏死。Tomkinson A等［31］使用大鼠去卵巢（OVX）模型以确定雌激素的退出是否影响其他物种，并阐明雌激素在维持骨细胞存活中的作用。发现OVX在大鼠体内直接或间接导致E2丢失，导致骨细胞凋亡增加，在OVX动物中添加雌激素可以防止这种增加的骨细胞凋亡。表明雌激素在控制骨细胞凋亡和维持成骨细胞活力方面具有重要作用。Rolvien T等［32］对60例维生素D水平不同的患者进行髂嵴活检，采用高分辨率成像技术对患者的骨细胞数、骨细胞连接性和骨细胞活力进行了分析。发现维生素D缺乏患者的皮质骨和松质骨的存活骨细胞数量明显减少，骨细胞凋亡增加，骨细胞连通性受损。表明维生素D在调节骨细胞数量和骨周重构中起着重要作用。

3.7 其他基因和蛋白

此外Atm蛋白、糖原合成酶激酶-3（GSK-3β）等在细胞凋亡的过程中占有重要地位。Atsushi Hirao 等［33］发现在电离辐射（IR）作用下，抑癌基因p53稳定，促进细胞周期停滞或凋亡，IR激活的Chk 2可能通过直接磷酸化来促进这种稳定。共济失调血管扩张突变基因（Atm）是IR诱导Chk 2激活的必需基因，因此推测Atm和chk 2是一个线性途径，引发p53的激活。Wang Z等［34］认为骨母细胞在机械负荷作用下分泌的BMP-7对地塞米松诱导的骨细胞凋亡具有抗凋亡作用。而BMP-7的抗凋亡作用主要通过BMPR 2受体介导，并与PI3K/AKT/GSK 3β通路的激活有关。此外还有学者认为低氧情况下成骨细胞也会加速凋亡。

4 讨论

通过查阅SANFH的发病机制的各种假说及理论研究，可以发现SANFH机制比较复杂，可能通过调控Bcl-2家族、p53基因、Caspase家族、Fas受体、一氧化氮等诱导骨细胞凋亡。骨细胞凋亡会引发骨小梁变细、稀疏，在轻微外力作用下，股骨头发生微骨折，引起股骨头塌陷，最终造导致股骨头缺血进而坏死。因此，骨细胞凋亡在一定程度上促进了股骨头坏死的发生，而通过调控细胞凋亡甚至抑制凋亡会在临床上给医务工作者带来治疗股骨头坏死新的方法。目前对于SANFH的机制尚未完全明确，尚需要进一步研究探讨，对SANFH的各种诱因作更加全面而细致的分析，从而提前采取相应手段进行预防干预，也可以最大限度地提升对本病的治疗效果。