程序性细胞死亡对激素性股骨头缺血性坏死的影响_高海利.pdf

骨科临床与研究杂志 2023 年 3 月第 8 卷第 2 期J Clin Orthop es，March 2023，Vol 8，No2DOI:1019548/j2096-269x 202302010基金项目:国家自然科学基金项目(81960397，82160414);内蒙古自治区成果转化项目(CGZH2018146)作者单位:010000 呼和浩特，内蒙古医科大学研究生院(高海利);010030 呼和浩特，内蒙古医科大学第二附属医院儿童骨科医学中心(刘万林、赵振群、王勇)通信作者:刘万林，E-mail:1027420673 qq com;赵振群，E-mail:1027420673 qq com综述程序性细胞死亡对激素性股骨头缺血性坏死的影响高海利刘万林赵振群王勇糖皮质激素被广泛用以抑制炎症和治疗各种炎症介导的疾病，能够深刻影响疾病进程，改善疾病症状并缩短病程1。然而，长时间使用糖皮质激素类药物可能导致很多严重并发症，其中激素性股骨头缺血性坏死(steroid-inducedavascular necrosis of the femoral head，SANFH)是最常见的激素性骨坏死并发症。SANFH 是由多种原因引发的股骨头局部血液供应受损导致骨细胞缺血缺氧、坏死和骨小梁断裂，继而发生股骨头塌陷的一种病变2。关于 SANFH 的发病机制有多种理论，包括细胞的自噬与凋亡、骨脂质代谢紊乱、血管内皮损伤、凝血异常、骨内高压和基因多态性等3。然而，SANFH 的确切发病机制仍不明确。有研究结果表明，程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)的一种形式 细胞自噬与凋亡的部分信号通路相关基因在 SANFH 样本中过度表达4。PCD 在 SANFH 的发生和发展中起到关键作用。PCD 是一个由特定基因介导并调控的细胞(自发)死亡过程，在人体生长发育与疾病调节中起重要作用5。PCD 在SANFH中的作用机制已成为研究的焦点。有学者发现某些特殊因素可通过干预 PCD 相关信号通路影响 SANFH 的发生，其确切机制仍待进一步研究。已有大量研究结果证实，糖皮质激素的副作用会导致细胞损伤，从而影响细胞的活力和生命力。有害刺激会诱发细胞内的抗损伤机制，导致细胞膜和线粒体损坏，使线粒体维持细胞生命活动的多种辅助功能失效，进而激活 PCD 机制。PCD 是调控人体生长发育的重要机制之一，对其与激素性骨坏死关系的深入研究可以为发现激素性骨坏死的防治靶点提供理论基础。在此对 PCD(凋亡型和自噬型)的发生机制、糖皮质激素诱发 SANFH 的复杂机制以及 PCD(凋亡型与自噬型)在 SANFH 发生过程中的重要作用进行总结，以进一步了解骨细胞坏死机制，为探索SANFH的发病机制和临床治疗提供帮助。一、PCDPCD 是细胞死亡最重要的一种形式，受多种基因或信号传导通路调控。随着相关理论和实验技术的进步，PCD 相关研究不断取得进展。PCD 的概念已经从简单的细胞坏死扩展到多种形式，包括细胞自噬与凋亡、细胞焦亡和铁死亡6。很多研究结果表明，不同的 PCD 形式或途径不是孤立运行，而是在多个层面上相互关联，构成了单一且协调的细胞死亡系统，其中一个途径可以机动补偿另一个途径7。细胞死亡在所有生命体中不可或缺，对有机体的稳态至关重要。细胞死亡在参与细胞增值分化和衰老的同时还参与多种疾病的发生和发展过程。细胞死亡过程失调可导致一系列疾病的发生，因此，探讨 PCD 的发生机制具有重要的临床意义。目前对细胞凋亡与自噬在 SANFH 中的作用已有了初步认识，而对细胞焦亡和铁死亡与 SANFH 的关系仍待进一步探索。细胞凋亡，也称为型 PCD，被认为是经典的 PCD 途径，对于人体生长发育和新陈代谢是必不可少的。细胞凋亡是一种三磷酸腺苷(adenosine triphosphatase，ATP)依赖的酶介导固有 PCD。当细胞接收到来自其他细胞的应激信号，或当错误折叠或未折叠蛋白质在细胞中积累时，个体通过调控细胞凋亡信号通路相关基因的表达启动细胞凋亡8。细胞凋亡的形态学机制包括染色质浓缩、细胞膜起泡、细胞收缩和凋亡小体形成。细胞凋亡是一个高度有序的细胞自主性死亡过程，由 B 淋巴细胞瘤-2 基因(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)、肿瘤抑制基因 P53 和一系列酶，包括半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteine aspartic acid specific protease，Caspase 家族)和内切酶 G，通过内源性线粒体途径、外源性凋亡受体途径和内质网途径调节9。细胞凋亡途径的启动基本都依赖于 Caspase 家族的激活。Caspase 家族成员可分为以下 3 类:诱导起始者(Caspase 2，8，9 和 10)、效应执行者(Caspase 3，6和 7)和炎症反应者(Caspase 1，4 和 5)。当细胞接收到应激信号时，Caspase 家族可通过内源性线粒体途径或外源性凋亡受体途径诱发下游连锁反应，从而诱发凋亡。细胞凋亡的内源性线粒体途径是当细胞衰老或受到氧化应激和其他有害刺激时，线粒体膜失去完整性，通透性显著增加，引发细胞色素 C 释放，细胞色素 C 与凋亡酶激活因子 1(apoptoticprotease activating factor-1，Apaf-1)、Caspase-9 前体、ATP 和去氧三磷酸腺苷(deoxyadenosine triphosphate，dATP)等形成复合体，召集并激活 Caspase-3，进而激活下游 Caspase 家族级联反应，形成凋亡小体，诱导细胞凋亡。在外源性细胞凋亡过程中，肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)配体如TNF-、特殊死亡因子配体(fas ligand，FasL)和 TNF 相关凋亡诱导配体(tumor necrosis factor-related apoptosis-inducingligand，TAIL)与受损伤细胞表面的相应受体结合，并与421骨科临床与研究杂志 2023 年 3 月第 8 卷第 2 期J Clin Orthop es，March 2023，Vol8，No2Caspase-8 结合组成死亡诱导信号复合体，最终诱发激活Caspase 家族下游的死亡级联反应，最终导致细胞因被Caspase 家族切割而调亡10-12。细胞自噬，也称为型 PCD，是真核细胞在自噬相关基因(autophagy-related gene，ATG)调控下的一种主要分解代谢过程，涉及产生一个双层囊泡状自噬小体。在这个自噬小体中，细胞质的成分，无论是蛋白质复合体还是整个细胞器，都被隔离并输送到溶酶体进行降解13-14。细胞自噬可以防止细胞受到损伤，一方面当细胞受到生理条件刺激时，会转录并表达自噬的相关基因形成自噬体，降解细胞内无用或自身非必需成分，将其重新转化为细胞生长发育所需的原材料和营养，从而为细胞的生命活动和新陈代谢提供能量15-16;另一方面，当细胞受到有毒或有害刺激时，也会引起细胞轻度自噬，用以保护和维持细胞内环境的稳态，防止细胞损伤加重、凋亡及程序性死亡与坏死17。哺乳动物的细胞自噬可分为 3 类，即巨自噬(也称普通自噬)、微型自噬和伴侣介导自噬。在微型自噬过程中，溶酶体膜内陷并将细胞溶质大分子局部吸收到溶酶体中;伴侣介导的自噬是指通过热休克蛋白 73 和受体溶酶体相关膜蛋白 2a 型将修饰蛋白递送至溶酶体;巨自噬始于具有双层膜结构的自噬小泡的合成18。巨自噬是最常见的一种细胞自噬，它的启动和形成是一个复杂的 过 程，始 于 细 胞 自 噬 激 活 激 酶 ULK1(Unc-51 likeautophagy activating kinase 1，ULK1)复合体的激活19。ULK1是自噬相关蛋白1(ATG1)的同源蛋白，与黏着斑激酶家族相互作用蛋白 200 kDa(fak-family interacting protein of 200 kDa，FIP200)、ATG13 和 ATG101 组成 ULK1 复合体。ULK1 复合体移位到自噬起始点，并调节第 2 个激酶复合体空泡分选蛋白34(vacuolar protein sorting 34，Vps34)复合体的招募。当磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)和 Vps34组成的复合体被激活，随后与定位于自噬前期的自噬相关蛋白 beclin-1(coiled-coil myosin-like BCL2-interacting protein)与PI3K 和 Vps34 的复合体结合，该复合体负责在自噬形成部位产生磷脂酰肌醇 3-磷酸(phosphatidylinositol 3-phosphate，PI3P)，PI3P 被称为自噬前体，在自噬小体形成的早期阶段发挥重要作用20-21。功能失调的线粒体会过度释放自噬相关蛋白(sequestosome 1，SQSTM1/P62)，它作为自噬衔接蛋白在微管相关蛋白的引导作用下进一步相互连接形成微管相关蛋白 1 轻链 3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)。LC3 是自噬体膜上的标记蛋白，在两种泛素样蛋白的加工和修饰中起至关重要的作用，并参与自噬小体的形成。新激活的 LC3 与磷脂酰乙醇胺缀合，这些蛋白复合体根据所处环境和自身特性在已形成的自噬体膜发生接连反应，随着ATG5 与 ATG12 的结合，形成最终的自噬体22-23。最后，分离的物质和内部自噬体膜被分解并被溶酶体水解酶降解更新，得以重新利用。该过程的失活依赖于由哺乳动物雷帕霉素靶标(mammalian target of rapamycin，MTO)和 ATG1 激酶组成的协同复合体24-25。在细胞自噬过程中，beclin-1 是酵母自噬相关蛋白 6(ATG6)的同源物，是自噬特异性基因。研究结果表明 beclin-1 可以调节自噬活性，可通过测量自噬标志物 LC3-的数量评估细胞自噬活性26。在细胞自噬过程中，LC3 在 合 成 后 其 C 端 即 被 ATG4 蛋 白 酶 切 割 变 成LC3-，在自噬体形成后，LC3-与磷脂酰乙醇胺结合形成LC3-，是自噬体内一种完整的膜蛋白27。LC3-是自噬小体形成的良好指标，其数量与自噬小体的数量密切相关。LC3-的上调只表明自噬小体的积累，不能保证自噬降解的完成，因此 LC3-的数量不一定指示总的自噬通量28。P62可与 LC3 结合，可作为自噬的选择性底物。测量自噬选择性受体蛋白 P62 降解是检测自噬通量的另一种方法29。因此，通过测量 LC3-和 P62 的数量获得的数据可能更加准确地估计自噬通量，评估细胞自噬水平。二、SANFN 中激素诱导的凋亡型与自噬型 PCD目前，大部分学者认为糖皮质激素的使用会诱导骨细胞和成骨细胞的凋亡，延长破骨细胞的寿命并降低骨密度。应用糖皮质激素剂量不同，所产生的疗效和副作用也不同。在正常情况下，适度细胞自噬能够抑制细胞凋亡，低剂量糖皮质激素的应用能够激活骨细胞自噬，启动细胞保护机制，防止细胞坏死，但是大量使用激素会过度激活自噬，从而诱导细胞凋亡，使 PCD 增加30。糖皮质激素所诱发的自噬存在剂量和时间依赖，同时可明显降低细胞增殖和细胞完整性，阻碍成骨细胞的分化，其机制可能是糖皮质激素大剂量短时间或小剂量长时间的作用过度激活自噬，导致 PCD，而适度自噬可以延缓细胞的衰老和死亡31-33。PCD 被公认为软骨自身的保护机制。然而过度自噬可加速细胞的自噬与凋亡，诱导 PCD 增加34。也有学者提出，激素对供应股骨头的节段性血管中血小板衍生生长因子及血管内皮生长因子的超强抑制导致了股骨头局部的血供受损，血管受损后引起的缺血、缺氧和氧化应激状态诱发 PCD 信号通路相关基因表达异常和细胞凋亡，最终导致 SANFH 的发生35-36。激素诱导的股骨头缺血性坏死中骨细胞和成骨细