HIF-1α在激素性股骨头坏死修复中作用的研究进展

莫愁，吴程，罗嘉熠，范建楠

1 贵州医科大学，贵阳550004；2 贵州医科大学附属医院

股骨头坏死是骨科领域常见的难治性疾病之一，多发生于20～50岁的中青年，并且其发病日趋年轻化[1]。股骨头坏死的病因尚未完全阐明。目前认为，大剂量使用糖皮质激素是引起股骨头坏死的主要原因[2]。股骨头坏死早期如未得到有效治疗，随着病情进展势必会导致股骨头塌陷，治疗效果较差。在现有的治疗方案中，髋关节成形术虽然能够促进髋关节功能恢复，降低患者疼痛程度，但大量临床研究发现其远期效果并不十分理想[3]。对于激素性股骨头坏死来说，促进死骨吸收、新骨形成以及重建股骨头周围血供至关重要。研究表明，在低氧或缺氧环境下，缺氧诱导因子1α(HIF-1α)信号通路被激活，活化的HIF-1α转移至细胞核内，通过自身结构中的PAS结构域和螺旋—环—螺旋(bHLH)区与芳香烃受体核转运蛋白(ARNT)结合发挥转录活性，并通过直接或间接途径参与调节血管生成、骨细胞增殖、能量代谢等过程，从而促进死骨吸收、新骨形成和新生血管形成等[4]。因此，HIF-1α有可能成为激素性股骨头坏死的潜在治疗靶点。本文结合文献就HIF-1α在激素性股骨头坏死修复中作用的研究进展作一综述。

1 激素性股骨头坏死概述

激素性股骨头坏死是由于长期或大剂量使用激素而导致的股骨头缺血坏死。当前，激素滥用或不规律使用导致激素性股骨头坏死病例越来越多，已成为非创伤性股骨头坏死的主要原因[5]。激素性股骨头坏死在各年龄阶段均可发生，但好发于50岁以下人群，其病情严重，致残风险较高，因而引起了国内外学者的广泛关注[6]。长期或大剂量使用激素患者逐渐出现股骨头缺血、缺氧、骨细胞有效成分丢失，最终造成股骨头变形和塌陷[7]。既往研究发现，激素性股骨头坏死患者骨组织中存在许多坏死骨细胞，骨小梁中广泛存在缺乏细胞核的凹空骨细胞或核固缩骨细胞，同时出现周围骨髓坏死，而且凋亡的骨细胞和成骨细胞数量明显增加[4]。激素性股骨头坏死早期髋关节平片和磁共振图像可出现股骨头局部坏死缺损区域低密度或低信号，股骨头外形完整；中晚期由于股骨头局部坏死区域大量骨细胞和骨髓成分丢失，坏死面积逐渐增加，可出现股骨头塌陷变形，严重者合并继发性髋关节骨性关节炎，最终多数患者发生难以忍受的疼痛和髋关节强直性改变等，严重影响患者髋关节功能和生活质量。

2 HIF-1α结构和功能

2.1 HIF-1α结构 缺氧诱导因子(HIFs)是调节人和其他哺乳动物体内应对缺氧的关键调控因子。缺氧诱导因子1(HIF-1)属于HIFs家族成员，是由对氧浓度敏感的α亚基和组成型表达的β亚基组成的异源二聚体[8]。其中，HIF α亚基包括3个亚型：HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α。HIF-1α是HIFs家族中的主要氧调控因子，由氨基末端的PAS结构域(一种蛋白结构域，由节律调节蛋白、核转位蛋白和专一蛋白组成)、bHLH区、羧基末端的激活区以及氧依赖性降解区Pro402、Pro564等结构域组成[9]。在低氧或缺氧条件下，HIF-1α各构成元件结构或功能发生变化，从而直接或间接使机体产生防御性、适应性反应，继而增强机体抵抗疾病的能力。

2.2 HIF-1α功能 HIF-1α对氧浓度极其敏感。在低氧条件下，HIF-1α能够在维持稳定的同时增强其自身活性；而在常氧环境中，HIF-1α氧依赖性降解区Pro402、Pro564的化学结构发生羟基化，从而快速降解，使其活性降低[10]。

2.2.1 氧相关HIF-1α调控 在常氧环境中，由辅酶抗坏血酸盐、Fe2+和底物O2、α-酮戊二酸构成的脯氨酸羟化酶(PHD)被活化，使得HIF-1α中氧依赖性降解区特异的脯氨酸残基羟基化，如Pro402、Pro564，能够促进HIF-1α直接与肿瘤抑制蛋白VHL(pVHL)结合而被识别，并由pVHL和延伸蛋白ElonginB、ElonginC等组成的E3泛素连接酶复合物催化，再通过26S蛋白酶体将其降解[11]。在上述过程中，哺乳动物体内HIF-1α的降解主要受PHD2调节[12]。在低氧环境下，羟化酶本身缺氧以及细胞内呼吸链中多种化学物质堆积均可抑制PHD的羟化活性，阻断其降解过程，使HIF-1α得以稳定[13]。同时，低氧环境下HIF-1α在其氨基端或羧基端入核信号的介导下从细胞质转入细胞核中，并通过PAS结构域、bHLH与ARNT结合而发挥其转录活性，从而参与调控其下游基因的转录和表达。研究表明，HIF-1α能够参与调节血管生成、骨细胞增殖、能量代谢等过程，以此完成血管生成、成骨和造血等，使机体进一步适应缺氧状态[9]。

2.2.2 非氧相关HIF-1α调控 HIF-1α还受非氧依赖的调控。一些非氧依赖机制可使HIF-1α降解，如在伴侣蛋白介导的自噬过程中，相关伴侣复合体可与HIF-1α上特异五肽序列结合，并在伴侣蛋白受体—溶酶体相关膜蛋白2A处识别HIF-1α，随后将其转运至溶酶体内，最终在溶酶体腔酸性蛋白酶的作用下降解HIF-1α；活化的蛋白激酶C1受体RACK1、钙调磷酸酶、精脒/精胺N1-乙酰基转移酶1等亦可以非氧依赖的方式调节HIF-1α的蛋白酶体降解[14]。还有一些非氧依赖机制被证实可上调或稳定HIF-1α水平。既往研究显示，对机体施加一定机械牵拉可在一定程度上诱导HIF-1α产生。有学者在乳腺癌MCF-7细胞中发现了一种E3泛素连接酶Siah1/2，这种酶可通过下调自身的稳定性而维持HIF-1α在一定水平，进而在某种程度上促进MCF-7细胞向周围浸润和迁移[15]。

3 HIF-1α在激素性股骨头坏死修复中的作用

目前，糖皮质激素滥用是导致非创伤性股骨头坏死的主要原因。但激素原因导致股骨头坏死的发病机制尚无统一认识，多数学者较为赞同的机制主要包括血管壁损伤、血管栓塞、血管内凝血、骨内高压形成等。这些致病机制的共同结局是导致股骨头缺血、缺氧，随后发生骨细胞和骨髓坏死[4]。既往一项关于45例股骨头坏死患者的研究发现，在缺血坏死的股骨头内检测到HIF-1α高表达[16]。ZHANG等[17]建立了幼猪股骨头缺血坏死模型，通过研究发现，在缺血缺氧条件下HIF-1α大量增加，并可通过激活Sox9表达来调控幼猪坏死侧股骨头的软骨代谢。这表明HIF-1α在软骨细胞正常生长过程中至关重要，究其原因可能是HIF-1α的相关靶基因被活化，使软骨细胞代谢方式转变为缺氧代谢，以此应对缺氧环境。这些结果证实，HIF-1α信号通路与激素性股骨头坏死密切相关。HIF-1α可能通过直接或间接途径参与骨重建，从而促进激素性股骨头坏死修复与重建。

3.1 HIF-1α在骨形成和骨吸收中的作用

3.1.1 HIF-1α在骨形成中的作用 激素性股骨头坏死的病理表现主要是激素通过负性调节血管数量并引起血管闭塞、阻断等，使骨组织周围血供明显下降甚至缺失，从而破坏骨组织，被破坏的骨细胞坏死、固缩，在原骨细胞区域出现凹空骨陷窝，与此同时机体通过自身修复机制包绕骨坏死区域。在激素性股骨头坏死早期即可出现股骨头的自身修复反应，其修复反应的机制尚未完全阐明，主要包括骨吸收和骨形成过程。既往研究表明，HIF-1α在修复细胞内氧环境中具有核心地位，具有促进干细胞增殖、诱导血管生成等作用。在骨骼生长发育过程中，骨生成和血管生成是两个非常重要的环节，而HIF-1α是参与和调节这两个环节的关键因子。WEINSTEIN等[18]对C57BL/6雄性小鼠予以强的松龙治疗14、28、42 d后测量股骨头分子、生物力学、细胞及血管变化，结果发现这些小鼠经强的松龙处理后HIF-1α和血管内皮生长因子(VEGF)表达降低，成骨细胞数量减少，骨形成速率和骨强度降低，破骨细胞数量增加。结果提示，激素性股骨头坏死后的修复与HIF-1α信号通路有关。大剂量激素使用后股骨头坏死区域无法自身修复可能与HIF-1α低表达或不表达，使该区域骨细胞和骨髓组织不能适应低氧、缺氧或缺血环境有关。WANG等[19]通过选择性敲除VHL基因，使小鼠成骨细胞中HIF-1α过表达，结果发现小鼠成骨能力明显增强，在缺失HIF-1α的小鼠中则呈现相反结果。结果提示，在骨发育形成过程中，HIF-1α信号通路激活能够促进骨形成。有研究还发现，通过慢病毒转染使HIF-1α在间充质干细胞(MSCs)中过表达，HIF-1α过表达可诱导MSCs表达成骨相关基因和VEGF[20]。结果表明，HIF-1α具有促进MSCs成骨分化和成血管的能力。因此，通过慢病毒转染使MSCs过表达HIF-1α，有助于加速骨损伤愈合。总之，HIF-1α不仅可通过自身的表达直接调控成骨细胞、骨细胞等功能而促进骨形成，还可通过慢病毒转染的方式间接诱导MSCs成骨分化。

3.1.2 HIF-1α在骨吸收中的作用 在激素性股骨头坏死中，激素可作用于股骨头有效骨细胞区域，增加破骨细胞活性，加速骨的破坏和吸收，最终导致股骨头塌陷。研究表明，大量使用糖皮质激素能够延迟破骨细胞凋亡，使其存活周期延长，破坏了骨稳态，引起骨密度降低和骨组织细胞结构破坏。有研究发现，HIF-1α可直接或间接促使骨坏死区域破骨细胞产生[21]。朱杰等[22]在一项基于小鼠的研究中发现，在诱导破骨细胞分化过程中，低氧环境可刺激HIF-1α产生，继而促进破骨细胞分化和维持其骨吸收能力。ZHU等[23]通过模拟缺氧环境，探究了HIF-1α在缺氧条件下对骨细胞的作用，结果发现，缺氧刺激的MLO-Y4细胞能够稳定表达HIF-1α，HIF-1α可通过激活JAK2/STAT3信号通路上调RANK1表达，促进RAW264.7细胞向破骨细胞分化。结果证实，HIF-1α能够诱导破骨细胞产生。虽然该研究是在体外模拟缺氧环境，并不能真实反映体内生理或病理条件下不断变化的缺氧环境，但其对理解骨细胞和HIF-1α在骨吸收和骨重建中的作用非常有帮助。而在激素性股骨头坏死中，HIF-1α可通过介导血管生成来调节破骨细胞生成。KNOWLES等[24]研究发现，体外低氧环境培养的破骨细胞和体内低氧环境下的破骨细胞都存在HIF-1α表达现象，通过诱导HIF-1α产生激活其下游相关基因表达，刺激破骨细胞生成，而这些下游相关基因与介导血管生成密切相关，如VEGF、血管生成素样蛋白4。其中，VEGF可启动破骨细胞募集的正反馈循环，并以自分泌和旁分泌方式增强破骨细胞前表型。KNOWLES等[24]认为，在局部缺氧时可通过HIF-1α调控VEGF等以自分泌和旁分泌方式间接影响破骨细胞生成。因此，大剂量激素可使股骨头有效骨细胞成分中破骨细胞增加，从而加速骨细胞坏死，在已坏死骨细胞中则通过降低成骨相关因子NF-κB受体活化因子数量，以及控制该区域破骨细胞延迟分化或不分化，阻止坏死骨吸收，而HIF-1α可促进骨坏死区域破骨细胞分化活性来促进其吸收[25]。

3.2 HIF-1α在血管生成中的作用 激素性股骨头坏死的主要原因是激素引起股骨头缺血缺氧，导致骨细胞局部坏死而出现股骨头器质性和功能性改变。在股骨头缺血坏死时，血管再生对其骨组织修复是必需的。许多血管生成相关的因子均参与血管生成过程，其中较为关键的因子是VEGF。目前认为，VEGF是促进血管生成能力最强的因子[26]。有研究表明，VEGF是HIF-1α的重要靶基因，HIF-1α可通过激活VEGF表达来参与血管生成的多个环节，这与组织细胞在低氧状态下的存活密切相关[27]。ZHANG等[28]在一项幼猪股骨头坏死模型中发现，低氧状态可激活软骨细胞中HIF-1α和VEGF表达，而HIF-1α激活剂Deferoxamine能够促进软骨细胞中VEGF表达。提示在缺氧状态下软骨细胞中HIF-1α可诱导VEGF表达。以上研究表明，HIF-1α可通过上调VEGF表达而促进血管重建，这为通过促进血管生成来治疗股骨头坏死提供了理论依据。

综上所述，在激素性股骨头坏死中，低氧或缺氧环境可使HIF-1α在细胞核中通过自身的PAS结构域和bHLH与ARNT结合来稳定或上调其自身活性，从而参与调控下游基因的转录和表达，一方面活化的HIF-1α可通过调控骨细胞的聚集、增殖、分化等激活破骨细胞或成骨细胞，并促进死骨吸收和新骨形成；另一方面通过促进血管生成相关细胞因子表达，促进骨周围的血供重建。未来，HIF-1α有望成为激素性股骨头坏死修复的一个潜在靶点。