激素对骨髓基质细胞分化的影响及与股骨头坏死的关系

第1 9卷第 1 3期 2 0 1 1 年 7 月 中国矫形外科杂志 Orthopedic Journal of China Vol. 19，No. 13 Jul. 2011 DOI:10. 3977 / j. issn. 1005 － 8478. 2011. 13. 11 △基金项目:本研究受国家自然科学基金面上项目(编号:30772202 / C1607)、教育部博士点基金新教师基金(编号:850 －20070610005)资助 作者简介:谭钢(1985) ，男，土家族，重庆忠县人，在读医学硕士，(电 子信箱)tg － 828@ 126. com * 通讯作者:(电子信箱)Kangpd@ 163. com ·综 述 Review· 激素对骨髓基质细胞分化的影响 及与股骨头坏死的关系△ 谭 钢，罗 磊 综述，康鹏德* ，裴福兴 审校 (四川大学华西医院骨科，成都 610027) 关键词:糖皮质激素， 骨髓基质细胞， 分化， 股骨头坏死 中图分类号:R681. 8 文献标志码:A 文章编号:1005 － 8478 (2011)13 － 1100 － 04 股骨头坏死 (osteonecrosis of femoral head，ONFH)是一种 破坏性退行性疾病，病情进展可以发生软骨下骨和关节面软骨 的塌陷。该病多发生于青壮年，平均发病年龄 38 岁。如果不采 取积极的治疗，绝大多数患者最终都需要行全髋关节置换。目 前提及的病因有如下理论:激素性、酒精性、创伤性及一些特 发性;发病机制有脂肪栓塞、血管内凝血以及骨内压增加等假 说，但是这些假说并无任何一种完全得到公认。近年研究表明 细胞代谢、分化异常与骨坏死发生、发展关系密切，因此就激 素作用下骨髓基质细胞分化与股骨头坏死发生过程中的具体机 制进行综述。 1 正常骨髓基质细胞的分化及其调理正常骨代谢 骨髓基质细胞 (bone marrow stromal cell，BMSCs)是存在 于成体骨髓组织中的一类细胞，具有多向分化潜能。Hynes- worth首次分离出 hMSCs 并证实有多种分化潜能［1］，骨髓基质 细胞可以在不同条件下诱导分化为神经干细胞、骨、软骨、肌 组织、脂肪等多种组织。BMSC 在无任何外界条件干预下自然 分化成成骨细胞系和脂肪细胞系，二者的分化是一种动态平衡。 当脂肪细胞形成增多则成骨细胞形成减少，骨髓基质细胞向成 骨细胞分化减少，向脂肪细胞分化增加，骨髓腔内压急剧升高， 最终导致成骨降低，股骨头发生坏死。 1. 1 骨髓基质细胞向成骨细胞分化与调节 骨髓基质细胞成骨分化需要激素、多种生长因子的调节和 相互作用。其中地塞米松 (Dex)、转化生长因子 (TGF)、碱 性成纤维细胞生长因子 (bFGF)和骨形态发生蛋白 (BUP)是 最重要的影响因子。Song等人［2］通过实验得出在骨髓基质细胞 分化早期加入生理剂量激素能促进 MSCs 向成骨细胞分化并形 成矿化小结，形成矿化小结的时间、形状、数目与激素的量 (生理剂量范围内)成正相关。TGF － β也是较强的促成骨分化 的因子，也有人报道了 TGF － β 能促进骨髓基质细胞向成骨细 胞分化，骨钙素呈高表达［3］。 骨形态发生蛋白 2 (bone morphogenetic protein2，BMP2)是 MSCs向成骨细胞分化的又一重要因子，其能在体内和体外通过 激活 Smads信号传导和调节成骨基因转录而诱导基质细胞向成 骨细胞分化，启动 BMSC 的成骨过程，促进骨基质蛋白的表达 并促进骨髓基质细胞向成骨细胞分化，诱导骨形成，发挥其成 骨作用［4］。同时也有报道指出 TGF － β 能促进骨髓基质细胞增 殖，而 BMP促进分化，不影响增殖。 谭钢等人［5］对 PPARγ － 2 和 Runx － 2 与激素性股骨头坏死 的发生进行综述，指出 Runx2 被认为是骨髓基质细胞向成骨细 胞分化的关键转录因子，Runx2 对成骨细胞分化的调控主要体 现在早期 Runx2 促进骨髓基质细胞向成骨细胞分化，而晚期则 抑制成骨细胞的分化，影响骨的形成，基质细胞系异位表达 Runx2 会导致成骨细胞特异性基因如鲑鱼降钙素、碱性磷酸酶 等的表达上调。同时，Runx2 的活性也受其他一些影响因子的 调控，比如 BMP2，Runx2 是 BMP － 2 信号的靶基因之一，BMP － 2 激活 Smads (Smadl、Smad5、Smad8)后，通过其远端 P1 启动子和近端 P2 启动子启动 Runx2 基因表达，并且二者具有相 互协同作用;成纤维细胞因子 (FGF)通过 MAPK 信号通路实 现对 Runx2 蛋白的磷酸化调节;PTH 一部分通过磷酸化和激活 Runx2，同时 PTH通过蛋白酶体抑制 Runx2 的降解，活化成骨 基因促进骨形成［6］。 1. 2 骨髓基质细胞向脂肪细胞分化 BMSC在无任何外界条件干预下自然分化成成骨细胞系和 脂肪细胞系，二者的分化是一种动态平衡，当脂肪细胞形成增 多则成骨细胞形成减少。同时，骨髓基质细胞向脂肪细胞分化 也同向成骨细胞分化一样受到很多因子的调控，PPARγ 在骨髓 基质细胞分化中起着极其重要作用，PPARγ被认为是调控骨髓 基质细胞向脂肪细胞分化，是脂肪细胞生成所必须的特异性转 0011 第1 9卷第 1 3期 2 0 1 1 年 7 月 中国矫形外科杂志 Orthopedic Journal of China Vol. 19，No. 13 Jul. 2011 录分化因子［7］。PPAR在调控骨髓基质细胞向脂肪细胞分化的 过程中受到 Wnts /β － 连环蛋白、周期素依赖蛋白激酶 4 和 6 (cdk4 /6)以及 R2F因子、早期 B 细胞因子 1 (EBF1)、GATA 结合蛋白 2 /3 (GATA2 /3)等，他们均可以促进 PPAR 的高表 达，从而调控骨髓基质细胞向脂肪细胞分化［8 ～ 10］。Katja Neu- mann等［11］研究证实，在 BMP － 7 作用下，BMSC可分化成脂肪 细胞和成骨细胞。此效应与剂量有关，低浓度时则可刺激脂肪 分化，高浓度在抑制脂肪分化而刺激成骨分化。Bantfi 等［12］也 在加入了小牛血清、地塞米松和胰岛素的 F12 培养液中， 数天就发现单个脂肪细胞，3 周后脂肪细胞集落出现，LPL 表 达明显，为未加诱导的 4. 8 倍，分化持续到第 19 次分裂才逐渐 减弱。 1. 3 骨髓基质细胞向其他细胞分化 骨髓基质细胞还可以在一定条件下向软骨细胞、神经干细 胞等分化。Zhou等［13］对人的骨髓基质细胞分化为软骨细胞和 脂肪细胞过程中 TGF － β 和 Wnt 信号通路进行研究，发现 TGF － β 可激活 TGF － B /Smad 通路，上调 Wnt2、Wnt4、Wnt5a、 Wnt7a、Wnt10a和 Wnl共同受体肺耐药相关蛋白 (LRP)5，再 上调软骨细胞基因表达，最终促进软骨细胞分化，抑制脂肪细 胞分化。 Deng等［14］用异丁甲基黄嘌呤 (IBMX) /二丁基环磷酸腺 苷 (dbCAMP)诱导骨髓基质细胞，2 d后发现典型的类神经细 胞，6 d后此类细胞占总数 25%，细胞中神经元标志物神经元 特异性烯醇化酶 (NSE)和神经胶质标志物波形蛋白 Vimentin) 含量提高，他们认为 IBMX 和 dbCAMP 是通过提高细胞间环磷 酸腺苷水平诱导骨髓基质细胞向神经前体细胞分化的。Fukuda 等［15］从骨髓基质细胞中成功诱导分离出心肌祖细胞 (CMG) ， 加入 5 －氮胞苷 2 周，CMG 细胞发生形态变化，表达 ANP 和 BNP并节律性搏动。 Ouyang等［16］将异体骨髓基质细胞与聚丙交酯 －乙交酯共 聚物 (PLGA)生物支架结合，移植到兔后肢肌腱缺损处，与 仅移植 PLGA生物支架相比，组织形成和修复速度较快，术后 第 8 ～ 12 周，新生肌腱组织已与自体组织非常相似。新生肌腱 由 I型胶原和Ⅲ型纤维组成，拉伸增量和弹性模量分别为 87 和 正常组织的 62. 6%，明显高于无细胞的生物支架，说明骨髓基 质细胞与可降解的 PLGA 生物支架结合后的移植能修复肌腱缺 损，并能有效恢复其功能。 2 激素对骨髓基质细胞分化以及对骨代谢的影响及与股骨头坏 死的关系 激素应用于很多疾病，比如系统性红斑狼疮、肾移植术后 以及其他自身免疫性疾病，但是激素也是最常见的引起股骨头 坏死发生的非创伤性因素［12］。虽然激素的使用和股骨头坏死关 系非常密切，但是目前其具体发生机制尚不清楚。很多学者通 过研究后指出存在直接与间接的关系。 2. 1 骨髓基质细胞分化失衡 正常骨髓基质细胞同时向成骨细胞和脂肪细胞分化，两者 此消彼长，达到平衡状态。而股骨头坏死患者则出现骨髓基质 细胞向成骨细胞分化减少，向脂肪细胞分化增加。当受到刺激， 比如激素的使用，骨髓微环境发生改变后这一平衡就会被打破， 出现骨髓基质细胞 (MSC)向脂肪细胞分化增多，脂肪细胞体 积增大，导致骨髓腔压力增高，从而引起股骨头发生 “缺血 性”坏死。Chan 和 Kirkland 以及 Miynishi 等人［18 ～ 22］报道使用 大剂量激素可引起骨髓脂肪细胞生成增加，骨髓基质细胞分化 失衡主要以骨髓基质细胞向脂肪细胞分化增加和脂肪细胞体积 增大引起髓腔骨内压 (intraosseous pressure)增高，导致股骨头 发生坏死。骨髓基质细胞向脂肪细胞和成骨细胞分化过程受到 多种因子的调控，其中 PPAR (peroxisome proliferator activated receptor － r)被认为是调控骨髓基质细胞向脂肪细胞分化的重 要因子，而 Runx2 则被认为是调节骨髓基质细胞向成骨细胞分 化的关键因子［23］。 Li［24］的研究从基因调控水平证实大剂量激素能够诱导骨髓 基质细胞直接向脂肪细胞分化，减少向成骨细胞分化。而骨髓 基质细胞向成骨细胞和脂肪细胞分化的主要基因分别是 Runx2 和 PPAR，其中 PPAR 又以 PPAR 最为重要。Phillips［25］指出激 素导致股骨头发生坏死很大程度是因为 Runx2 活性被抑制，并 且是通过 MKP － 1 途径实现的。而 PPAR 是脂肪细胞形成的特 异因子，能够促进骨髓基质细胞向脂肪细胞分化，同时激素能 调控 PPAR的活性水平，从而使 PPAR 表达上调、增高，骨髓 基质细胞向脂肪细胞分化增加，PPAR表达增加后，Runx2 的表 达就会减少［26］，使得骨髓基质细胞向成骨细胞分化减少，最终 形成骨髓腔内脂肪细胞多于成骨细胞，股骨头髓腔压力增加， 股骨头发生坏死。激素性股骨头坏死是由于 PPAR 高表达致骨 髓基质细胞向脂肪细胞分化增加和 Runx2 表达减少使骨髓基质 细胞向成骨细胞分化减少形成的。 2. 2 对成骨细胞及骨细胞的影响 当激素使用一段时间后，股骨头骨皮质成骨细胞和骨细胞 就发生凋亡［27］。O’Brien等人［28］报道有 2 型 11β羟基类固醇脱 氢酶 (11β hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (11β － HSD2)的 患者能免受激素导致的成骨细胞和骨细胞发生凋亡。文献报道 大剂量激素使用导致早期出现骨量丢失是由于激素使破骨细胞 生命延长所致［29］。破骨细胞的寿命和分化受由基质细胞和成骨 细胞产生的因子所调解，最重要的就是 NF － kB 受体激动子 (receptor activator of NF － kB /RANK)。RANK基因能延长破骨细 胞分化后的时间。 除外激素直接作用于骨细胞外，同样有报道指出过量激素 能影响骨细胞的生成速度，Weinstein 等人［30］通过实验指出使 用激素后出现成骨细胞数量减少和骨密度降低，与血清骨钙蛋 白降低等改变相符。因此可以推断激素所致的股骨头坏死发生 机制至少有抑制成骨细胞和破骨细胞前体细胞在骨髓中的生 成，而增强成骨细胞的凋亡，延长破骨细胞的寿命［31］。 2. 3 对破骨细胞的影响 1011 第1 9卷第 1 3期 2 0 1 1 年 7 月 中国矫形外科杂志 Orthopedic Journal of China Vol. 19，No. 13 Jul. 2011 破骨细胞在骨质形成中占有极其重要的作用，因此猜想激 素致破骨细胞凋亡打乱破骨细胞工作机制，从而致股骨头发生 塌陷［31］。Kim 等人［32］在试验中将破骨细胞的来源分为两种 (一种为敲除其表面的糖皮质激素受体，另一种为自然细胞 株) ，再用糖皮质激素诱导，最后得出糖皮质激素导致骨坏死 的另一重要机制是糖皮质激素作用于破骨细胞表面的糖皮质激 素受体，从而使破骨细胞活性增强，最终骨质形成弱于骨质破 坏，发生骨坏死。Jia 等人［33］也通过实验报道糖皮质激素通过 激活降钙素受体 Mrnad的活性而影响骨质的破坏，同时他们指 出糖皮质激素能使破骨细胞前体细胞数量减少，而使破骨细胞 寿命延长，最终导致骨质破坏大于骨质形成，发生骨坏死。糖 皮质激素还能使骨胶原纤维溶解加速，并且其作用大于骨质矿 化，最终导致骨坏死。 激素能作用于骨髓基质细胞，使其功能发生改变，骨髓基 质细胞向脂肪细胞和成骨细胞分化失衡，主要表现在继续使骨 髓基质细胞向脂肪细胞分化上调，同时使骨髓基质细胞向成骨 细胞分化减少，最终导致脂肪细胞形成增加，成骨细胞形成减 少，骨髓腔内压力增高，导致股骨头发生坏死。但是这些机制 并没有得到最终证实，因此，探索激素性股骨头坏死的具体机 制对激素性股骨头坏死的治疗有着重要意义。 参考文献: ［1］ Hynesworth SE，Gtyshima J，Gokdberg VM，et al. 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(收稿:2011-02-17) 《上颈椎外科学》已出版 主编:谭明生 出版:人民军医出版社 定价:146. 00 元 上颈椎外科是脊柱外科的分支领域，也是涉及脊柱外科、神经外科和耳鼻喉科的交叉性 学科。上颈椎是人体头部与躯干的连接枢纽及重要的解剖部位，与延髓生命中枢、椎 －基底 功脉、颈内动脉、咽喉、食管等重要结构相比邻，在解剖结构、生理功能、伤病的发生发展及诊 断和治疗等方面与下位颈椎相比较均存在着明显的差别。由于上颈椎在解剖学上的特殊 性，该部位的伤病及其外科治疗具有很大的潜在危险性，严重者可导致残废，甚至危及生命， 故过去常被称为骨科手术的“危险区”或“禁区”。 本书包括了近年来国内外有关上颈椎外科的解剖学新认识、生物力学新理论、诊断和治 疗的新理念、外科手术的新方法和新材料、新器材等新成果。例如:寰枢椎椎弓根螺钉通道 的解剖学测量，寰枢椎常用内固定方法的生物力学研究;高清晰度的 X 线片、CT 三维重建、 MRI在脊柱外科的应用;寰枢椎脱位的临床分型和治疗策略;前路经口腔寰枢椎病灶清除、 椎管减压和螺钉钢板内固定术;前路经口腔或内镜下松解寰枢椎前方挛缩组织，后方寰枢椎椎弓根螺钉复位固定技术;前路经寰枢椎 关节侧块螺钉固定融合术;后路经衰枢椎关节侧块螺钉固定融合术(Magerl技术) ;寰枢椎椎板夹(Appofix夹) ，钛缆固定融合术;以及 各类后路钉板和钉棒内固定系统等。 本书内容具有很强的创新性和实用性，文字简明，结合必要的图解，系统的介绍了上颈椎外科常见手术要点及方法，是现代脊柱 外科，尤其是上颈椎外科医疗、教学、科研工作者重要的参考书。 3011