基于骨髓间充质干细胞焦亡探讨中医药防治激素性股骨头坏死的研究进展

张勇杰 曹林忠 尚征亚 胡康一 杨小瑞

【摘 要】 激素性股骨头坏死是骨科临床常见病，其发病机制较为复杂，至今尚未阐明，近年研究发现由NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路介导的骨髓间充质干细胞焦亡与激素性股骨头坏死的发生密切相关，而中医药对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路有着良好的调节作用。基于此，对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路介导BMSCs焦亡与激素性股骨头坏死发病的相关性，以及中医药对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的调控机制进行综述，以期为中医药防治激素性股骨头坏死提供参考。

【关键词】 激素性股骨头坏死；骨髓间充质干细胞；焦亡；NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路；

中医药；研究进展；综述

激素性股骨头坏死（steroid-induced avascular necrosis of femoral head，SANFH）是大量或长期使用激素导致的骨内微循环障碍、骨代谢失衡、股骨头塌陷坏死，伴有髋部疼痛、活动障碍的骨伤科疾病。随着激素在临床中的广泛使用，SANFH的发病率逐年增加，且呈现年轻化趋势。近年研究发现，骨髓间充质干细胞（BMSCs）是具有分化为成骨细胞能力、维持骨稳态的关键细胞，BMSCs焦亡异常影响着SANFH的发病与预后。临床中运用中医药治疗早、中期SANFH效果良好，但具体机制尚不明确。随着中药研究的不断发展，发现中药以其多靶点、多通路的作用特点，可以有效抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路，调控BMSCs焦亡。本文立足于细胞焦亡学说，从分子及细胞层面对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路介导的BMSCs焦亡与SANFH发病的相关性，以及中医药与NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路之间的干预机制进行阐述，对于中医药防治SANFH及推动中医药事业的发展具有重要意义。

1 BMSCs焦亡与SANFH

细胞焦亡作为一种新型细胞死亡方式，是细胞自主的、程序性死亡方式，是维持机体内环境稳定的重要机制［1］。细胞焦亡早期出现凋亡样染色质浓缩和DNA片段化，随后形成细胞膜孔，导致细胞内含物与促炎介质释放［2］。BMSCs是一种具有较强增殖能力和多向分化潜能的成体干细胞，可以诱导分化为成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞等多种骨基质细胞［3］。BMSCs所参与的成骨分化过程是骨形成的关键步骤，对于维持骨稳态具有重要作用［4］。BMSCs焦亡水平升高可导致其数量减少，成骨分化受阻，骨形成降低，是SANFH启动和发展的重要因素，也是影响SANFH预后的主要病理机制，SANFH术后康复与BMSCs成骨分化密切相关。概而言之，BMSCs焦亡水平升高是影响SANFH发病和预后的重要因素，通过抑制BMSCs焦亡，促进成骨分化，调节骨稳态，可有效防治SANFH，改善预后。

2 BMSCs焦亡的调节机制

NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路是调节BMSCs焦亡水平的经典信号通路。NLRP3由含亮氨酸序列（LRR），含热蛋白结构域（PYD）或Caspase招募结构域（CARD）和调节NLRP3活性的中心核苷酸寡聚化结构域（NACHT）构成［5-6］。

NLRP3激活后，LRR识别并调节特定的信号，导致NLRP3构象变化［7］，NACHT结合域暴露，NLRP3通过同型NACHT结构域引发寡聚化，寡聚后的NLRP3通过PYD-PYD之间相互作用与ASC结合，形成ASC斑点。此时，组装好的ASC通过CARD-CARD之间相互作用与效应蛋白

pro-Caspase-1结合，从而形成完整的NLRP3炎症小体［8］。NLPR3炎症小体激活导致Pro-IL-18、Pro-IL-1β表达上调，进而激活pro-Caspase-1，并使其自我剪切为Caspase-1。Caspase-1不仅可以切割Pro-IL-18和Pro-IL-1β促进其成熟，还能够剪切GSDMD以暴露其N-末端效应结构域，使其与细胞膜结合形成孔道，促使细胞内的IL-1β和IL-18释放，募集周围的炎症因子，同时水及钠离子进入细胞破坏细胞内外渗透压，导致细胞肿胀破裂，内容物释放，发生细胞焦亡［9］。

NLRP3炎症小体是调控NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路介导细胞焦亡的重要靶点，核转录因子-κB（NF-κB）是激活NLRP3炎症小体的重要因子［10］。正常情况下，激素通过抑制NF-κB信号通路的磷酸化抑制NLRP3的激活，从而抑制Caspase-1的激活与IL-1β释放，并具有浓度依赖性［11］。当激素持续大剂量使用时，细胞内活性氧水平升高，异常激活NF-κB信号通路，进而激活NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路。另有研究发现，不规范使用激素亦能通过上调缺氧诱导因子-1α的表达，激活NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路［12］。除NLRP3炎症小体外，Caspase-1也可作为调控细胞焦亡的重要靶点，Caspase-1的自解离能够终止炎症反应，而这种炎症小体信号关闭的潜在机制为细胞焦亡的调控提供了分子基础［13］。

WANG等［14］认为，Caspase-1是潜在的药物靶点，可以通过对Caspase-1中的GSDMD结合域进行干预以对抗与细胞焦亡相关疾病。此外，通过抑制Caspase-1下调GSDMD蛋白表达，减少IL-1β、IL-18释放，达到调控NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的目的。如WANG等［15］发现，紫杉醇诱导细胞焦亡的过程中伴随着Caspase-1及其下游分子GSDMD的激活，而这种现象可以被Caspase-1抑制劑Z-YVAD-FMK抑制。以上可见，NLRP3炎症小体与Caspase-1可作为调控NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的重要靶点。

3 中医学对SANFH的认识

中医学将SANFH归属于“骨痿”“骨蚀”“骨痹”范畴，且早在秦汉时期便有“骨痹”“骨蚀”的相关记载。《黄帝内经》载有：“病在骨……骨髓酸痛，名曰骨痹。”“虚邪之入于身也深……热胜其寒，则烂肉腐肌为脓，内伤骨，为骨蚀。”［16-17］且指出风、寒、湿三气在骨痹发病过程中的致病作用，并强调了“肾虚”在骨痹中的重要性，如《灵枢·经脉篇》提出：“足少阴气绝，则骨枯……骨肉不相亲……骨先死。”《三因极一病证方论·叙痹论》提出“因痰致痹”观点，元朝刘宗厚也主张“冷痰多成骨痹”［18］。李中梓所作《医宗必读》本之《黄帝内经》，认为外感六淫，内因肝肾亏虚，内外相合导致气血闭阻，筋骨失于濡养，发为骨痹［19］。王清任遵循《黄帝内经》“瘀血成痹”之说，提出“血管无气，必停留而瘀”［20］。喻昌［21］则认为，治痹须治痰，并在《医门法律》中对“痰饮致痹”详细论述，认为治痹须用治痰之药，若浊痰不除，则痹证不愈。现代医家提出激素为大热之品，若持续使用会耗伤肾阴，阴损及阳导致肾之阴阳两虚，肾主骨生髓，肾脏亏虚，骨骼失于濡养，导致骨痹发生。此观点在细胞及分子层次也得以证实，肾虚能够调控SANFH相关基因的表达调节骨代谢，影响SANFH的发病［22］。此外，激素使用不当可促进痰浊和瘀血的形成，激素属阳邪，易致“壮火食气”，正气为邪所耗伤，宣行无力，气血不畅，形成瘀血，且长期使用激素导致体内脂质代谢紊乱，属中医“无形之痰”，与SANFH“痰湿阻滞”相符。随着SANFH相关研究的不断深入，学者认为NLRP3介导的细胞焦亡与中医“火毒”致病相似，符合SANFH肾虚为本、痰瘀阻滞为标的病机理论。如黄文姗等［23］提出NLRP3炎症小体介导的细胞焦亡与中医气阴两虚、痰浊、血瘀等密切相关。总之，SANFH病机以肾虚为本，以痰凝血瘀为标，证属虚实夹杂，因虚致实。

4 中医药对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的调控

中药具有多生物活性成分、多靶点和不良反应小的治疗优势，可以通过调控NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路，调节骨代谢，维持骨稳态平衡，对防治SANFH具有极其重要的作用。

4.1 中药复方对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的调控 在辨证论治的基础上，中药复方遵从君臣佐使配伍原则将不同性味、归经的中药组合在一起，能够发挥各自最大的功效。诸多研究发现，具有补肾、活血、化湿功效的中药复方可以有效抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路和降低下游相关蛋白的表达水平。如李楠等［24］实验研究发现，类风湿关节炎小鼠膝关节软骨细胞经断藤益母汤干预后，Caspase-1、IL-1β、IL-18 mRNA表达下调，细胞焦亡比率降低，表明补肾活血法可有效抑制Caspase-1、IL-1β、IL-18表达，减少细胞焦亡。WANG等［25］通过观察桃红四物汤对大脑中动脉闭塞再灌注大鼠脑细胞焦亡的治疗作用，发现桃红四物汤干预后，IL-1β和IL-18水平显著降低，NLRP3、Caspase-1、ASC、GSDMD表达水平下调，表明活血化瘀药桃红四物汤可降低NLRP3炎症小体的激活水平，下调GSDMD，抑制细胞焦亡。通心络作用机制与桃红四物汤较为相似，可以抑制NLRP3活性，下调pro-Caspase-1、Caspase-1、GSDMD-N、IL-6、IL-1β表达［26］。胡锋等［27］实验研究发现，三仁汤组大鼠较模型组IL-1β水平降低，膝关节软骨组织内NLRP3及NF-κB表达下调，为利水化湿法调节NLRP3炎症小体提供了依据。芪参益气汤可以抑制NLRP3及NF-κB表达，作用靶点与三仁汤相似［28］。除此，瓜蒌桂枝颗粒、清脑滴丸、清开灵注射液与杏芎注射液等具有化湿、活血功效的药物均可通过抑制NF-κB、NLRP3、ASC，下调Caspase-1、IL-1β、IL-18表达，达到调控NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的目的［29-32］。综上，具有补益肝肾、活血化瘀功效的方剂可以有效抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路。但中药复方的成分较为复杂，不同药物成分是否会发生作用，产生能够调控此通路的新物质，其具体机制如何，目前仍不甚明确，有待进一步深入研究。

4.2 中药单体对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的调控 中药单体对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路具有良好的调控作用。QU等［33］发现，肉桂提取物通过抑制miR-21、miR-155的表达，抑制NLRP3炎症小体的活化。LUAN等［34］

进一步发现，缺血再灌注会激活NLRP3炎症小体，NLRP3、pro-Caspase-1、Caspase-1、ASC蛋白和mRNA的水平上调，DNA碎片增多、膜孔形成和线粒体肿胀，GSDMD、N-GSDMD、IL-18和IL-1β水平增加诱导细胞焦亡，而肉桂提取物肉桂醛可以通过抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路，抑制细胞焦亡。余素姣等［35］实验研究发现，大鼠软骨细胞经黄芪甲苷处理24 h后，细胞内NLRP3炎症小体、Caspase-1、IL-1β蛋白表达水平显著降低，证明通过益气法可以调控NLRP3活性。另有大量研究证实，其他具有益气、祛湿、活血等功效的中药提取物，如人参提取物、白藜芦醇、高车前素、栀子苷、芍药苷与川芎嗪等，也可以通过抑制NLRP3活性，下调pro-Caspase-1、IL-1β、IL-18、Caspase-1的表达［36-41］。此外，鲁斯可皂苷元作为麦冬的提取物，能够通过降低细胞内活性氧水平，抑制NLRP3活性，下调IL-1β、Caspase-1表達，与其他药物单体的作用机制略有不同［42］。根据以上研究结果，可见中药单体具有良好的调控NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的作用。

5 小結与展望

总的来说，NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路介导的BMSCs焦亡符合SANFH的病机特点。BMSCs受到刺激后活化NLRP3炎症小体，进而激活pro-Caspase-1并使其自我剪切为Caspase-1，随后Caspase-1切割pro-IL-1β、pro-IL-18和GSDMD，促使IL-1β和IL-18释放，介导BMSCs发生焦亡，影响骨稳态及SANFH发病。本文对NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路及其介导BMSCs焦亡的发生机制进行总结，并对中医药在NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路调控中的干预作用进行详细阐述，为中医药调控NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路，抑制BMSCs焦亡，防治SANFH提供多靶点及多元化的选择。尽管许多中药复方及有效单体成分对于NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号通路的调控具有良好的潜能，但是大多仅局限于基础研究，临床推广较少，这提示仍存在许多问题尚需解决。第一，具有不同功效的中药均能对NLRP3炎症小体与Caspase-1发挥药效，但机制不够明确。第二，中药复方和单味药中成分较为复杂，相互间作用也不明确，限制了中药调控BMSCs焦亡、防治SANFH的深入研究和临床应用。总之，随着对SANFH与BMSCs焦亡机制研究的不断深入，中医药防治SANFH的作用机制将日渐明朗。相信随着科学研究和临床研究的快速推进，将为中医药防治SANFH提供强而有力的理论支撑。

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收稿日期：2023-12-04；修回日期：2024-01-20