早读 | 一文全懂激素与骨坏死之间的那些事儿

①骨坏死的概念与临床表现 

骨坏死也被称为缺血性坏死、骨软骨炎、无菌性坏死。非创伤性骨坏死是一种严重的情况，与多种自然和医源性条件有关，从先天性缺陷如Legg-Perthes-Calve综合征到长期使用如皮质类固醇等药物。股骨头是最常见的受影响部位，但其他骨骼也可能涉及。许多这些病因的发病机制尚不清楚，但最终发生的变化导致无法向受影响的骨骼输送营养物质。早期阶段的事件可能包括血管损伤、机械应力、骨内压力增加、脂肪细胞功能障碍、凋亡和凝血功能障碍。但最终，通往股骨头分水岭区域的营养物质输送失败，导致骨死亡。

最常见的症状是疼痛和无法承受重量。鉴别诊断包括感染、骨髓水肿综合征或软骨下骨折。早期发现对于成功管理这种情况很重要。多年来，已经使用了多种骨坏死分期系统，包括Ficat和Arlet系统和Steinberg标准。这些分期系统的后期阶段是不可逆的。治疗骨坏死的方法包括非手术（保守）和手术模式。

②骨坏死的主要危险因素 

创伤可以通过直接损伤骨骼的血液供应导致骨坏死。非创伤性骨坏死的危险因素，如与皮质类固醇相关的骨坏死，更难以定义。这些机制可能涉及遗传易感性，以及正在接受皮质类固醇治疗的潜在疾病、皮质类固醇的剂量和持续时间、类固醇的强度、患者人口统计学等多个因素。其他常见危险因素包括先天性缺陷，如Legg-Perthes-Calve病、股骨头滑脱和先天性髋关节脱位。医源性危险因素包括皮质类固醇、酒精、吸烟和放射治疗。感染，如HIV、胰腺炎、骨髓炎和其他病毒，也与骨坏死有关。代谢状况，如糖尿病、功能障碍性脂质代谢、痛风甚至怀孕，也与骨坏死有关，以及凝血病、风湿病和恶性肿瘤。潜水员和矿工中也有报道发生气压性骨坏死。由于血管供应的解剖学，股骨头特别容易受到骨坏死的影响，这在发病机制部分有更详细的讨论。然而，其他部位也可能受到影响，包括肱骨头、股骨髁、胫骨平台、远端胫骨、距骨、足部骨骼、腕部和手部骨骼、下颌骨和椎骨。

图1股骨头血供

①皮质类固醇激素使用发生骨坏死的概率
在长期使用糖皮质激素引起的各种不良反应中，骨坏死可能被低估了，尽管有许多报告将两者联系起来。这可能是因为引起骨坏死的确切剂量尚不清楚。在2011年对302名患者1199个髋关节和膝关节进行的前瞻性研究中，这些患者至少接受了一年的皮质类固醇治疗，系统性红斑狼疮（SLE）患者的骨坏死发病率为37%，而非SLE患者为21%。尽管如此，皮质类固醇是非创伤性骨坏死最常见的原因。1998年对3000例非创伤性骨坏死的研究发现，超过三分之一的病例涉及皮质类固醇。其次是酒精，超过五分之一的病例显示出关联。

②激素剂量和持续时间如何影响风险 

确定确切引起骨坏死的类固醇剂量一直是一个挑战。这是因为还有其他因素决定风险。一项研究表明，引起骨坏死所需的类固醇累积剂量可以从1800到15,505毫克的泼尼松或其糖皮质激素等效物，平均为5928毫克。另一项研究引用了480-4320毫克的地塞米松（或其等效剂量）。我们之前搜索了文献，试图找到平均和最大日剂量以及持续时间的安全水平，但由于众多混杂变量，我们无法识别一个一致的安全水平。显然，使用的时间越长，剂量越大，风险就越大。全身使用风险皮质类固醇也比局部使用风险更大，尽管有些病例被报告与关节内类固醇给药有关。根据2017年成立的ARCO工作组，只有当患者至少使用了2克泼尼松超过3个月，并且在最后一次类固醇使用后2年内做出诊断，并且排除了所有其他病因，才能将皮质类固醇作为患者骨坏死的原因。

股骨头的血液供应涉及来自旋股外侧和内侧动脉，这两个血管起源于股深动脉。旋股动脉环绕股骨颈前外侧和后内侧。它们在股骨头上部前区相互吻合。这些主要动脉产生较小的视网膜支，穿透股骨头并供应大部分股骨骺，但股骨头内存在一个特别容易受到任何损伤、阻塞或压迫视网膜动脉的水灾区。有人建议，阻塞血管的血栓、斑块或栓子可能在骨坏死中起作用，类似于冠状动脉疾病。除了解剖学易感性外，皮质类固醇可能对骨代谢产生许多影响。这些影响可能有助于发展处于风险中的个体的骨坏死。

①凋亡和自噬 

凋亡是程序性细胞死亡，是生物体清除死亡细胞留下的碎片的一种方式，以保护生物体整体稳态的有序方式。扰乱凋亡可能导致免疫功能障碍和自身免疫疾病。增加的破骨细胞和成骨细胞凋亡可以影响骨转换和骨形成，导致骨小梁宽度减少和松质骨形成增加。皮质类固醇通过凋亡途径发挥其抗炎作用的一种机制。在发展与皮质类固醇相关的骨坏死的患者股骨头的“断裂新月”附近发现了凋亡的骨细胞。给予泼尼松龙27天的小鼠显示出增加的成骨细胞和破骨细胞凋亡。皮质类固醇对凋亡的影响是通过Fas途径介导的。Fas途径的正常功能涉及Fas与Fas配体的结合，导致Fas相关蛋白等蛋白的招募，与caspase-10相互作用，刺激凋亡。事实上，其他研究表明类固醇延长了破骨细胞的存活，这似乎与上述观察到的破骨细胞凋亡的研究相矛盾，但破骨细胞存活的增加可能导致骨质流失，这可能与骨坏死同时发生。一种理论是，皮质类固醇通过其对核因子κB受体激活（RANK）和RANK配体（RANKL）系统的作用刺激骨质流失，该系统对骨稳态和T细胞增殖至关重要。皮质类固醇对RANK/RANKL系统的影响在研究天疱疮患者中显示，并导致继发性骨质疏松症的发展。作者得出结论，甲基强的松龙抑制初级纤毛的发展并促进自噬，这可能在骨坏死的发展中发挥作用。

②皮质类固醇对脂质代谢的影响 

皮质类固醇可能通过其对脂质的影响骨细胞的存活。皮质类固醇和酒精都能诱导骨细胞死亡。在兔模型中，高剂量给予皮质类固醇后，观察到骨细胞内脂质的积累。这些脂滴最终会增大并压迫细胞核，导致细胞膜完整性的破坏，从而导致骨细胞死亡。还发现皮质类固醇可以将基质细胞转向脂肪细胞而不是成骨细胞。皮质类固醇诱导的骨坏死中脂质的作用与酒精诱导的骨坏死相似。皮质类固醇的脂质调节作用包括脂肪肝、脂肪细胞的肿胀和坏死、骨细胞内脂质沉积、高脂血症、脂肪栓塞、骨髓基质细胞的脂肪生成和骨髓的脂肪浸润。发现给予皮质类固醇的鸡在开始皮质类固醇后大约一周内脂肪细胞的增殖和肥大。在脂肪细胞中发现了甘油三酯囊泡。给予皮质类固醇的兔子与对照动物相比，发展了增加的骨内压和骨髓脂肪细胞的大小增加。病理生理学似乎涉及由于脂肪浸润导致的骨内静脉淤滞，这会破坏骨内微循环，导致股骨头的结构变化，从而减少血流。

③内皮细胞损伤和凝血途径 

皮质类固醇对骨坏死发病机制中凝血的影响可能与血管内皮细胞密切相关。内皮细胞损伤可能导致凝血病，从而形成血栓。研究表明，在皮质类固醇诱导的骨坏死的兔模型中，由血管内皮细胞释放的PGI2代谢物（如前列腺素F1α）的水平因皮质类固醇而降低，这干扰了正常的血管舒张和抑制血小板聚集，可能导致血栓形成。皮质类固醇似乎也影响循环内皮祖细胞的数量和功能，这些细胞对血管修复和新生血管形成是必需的。由皮质类固醇引起的高血压也可能影响内皮细胞功能，导致凝血酶和其他血管活性介质的产生，然后可以将纤维蛋白原转化为纤维蛋白并形成血栓。皮质类固醇对凝血系统有多种其他影响。总的来说，皮质类固醇影响血浆纤溶酶原激活抑制剂和组织纤溶酶原激活之间的平衡。这导致纤溶减少，可能导致血栓形成。皮质类固醇影响的另一个过程是脂质代谢和稳态。皮质类固醇可能导致高脂血症和脂肪栓塞，这两种情况都可能加剧高凝状态。内皮细胞损伤、纤溶减少和凝血病的这种组合为血流减少到股骨头等敏感区域创造了完美的条件。1993年，Jones强烈支持高凝状态机制在皮质类固醇诱导的骨坏死发病机制中的作用。Jones注意到骨坏死和血栓形成倾向之间的联系，发现在42名骨坏死患者中，82%有凝血病，而对照组只有30%。Glueck也发现多发性骨坏死的发作与血栓形成倾向之间的相关性。与骨坏死相关的其他凝血病包括对活化蛋白C的抵抗、因子VIII增加和因子V莱登杂合子。

④氧化应激 

有假设认为骨坏死可能由氧化损伤触发。在兔模型中，抗氧化剂维生素E能够显著降低由甲基泼尼松龙触发的骨坏死的发生率。氧化应激的作用进一步得到加强，因为使用多孔Se@SiO2纳米复合材料抑制活性氧物质可以有效地治疗大鼠的骨坏死。

⑤微生物组与骨坏死 

微生物组在双膦酸盐相关颌骨坏死（BRONJ）方面已被广泛研究。在BRONJ患者中发现的微生物多样性与正常对照相比有所降低，但是厚壁菌门（Firmicutes）占主导地位。髓过氧化物酶水平降低，但是炎症细胞因子肿瘤坏死因子（TNF）和白介素-6（IL-6）水平增加。在BRONJ患者中，含有核苷酸结合寡聚化结构域的蛋白（NOD-2）和猫肝素G被下调，而蛋白酶3分泌性白细胞蛋白酶抑制剂和保守的螺旋-环-螺旋普遍激酶被上调。另一项研究发现，与健康对照相比，骨坏死患者的口腔微生物模式不同，BRONJ患者中以链球菌、假拉姆比菌和优杆菌为主，而对照组中以链球菌、小单胞菌和梭杆菌为主。尚未发表关于微生物组对皮质类固醇引起的骨坏死作用的研究。然而，在小鼠研究中，肠道微生物群被认为在骨重塑、生长和发育以及骨的机械强度中发挥作用。

⑥涉及骨坏死的分子途径 

已有研究表明，糖皮质激素通过抑制成骨细胞的活性和功能，诱导骨质疏松症和骨坏死。一项研究评估了HIF-1α在糖皮质激素诱导的成骨抑制中的作用，发现地塞米松在MC3T3-E1细胞中诱导HIF-1α表达下降。研究者还观察到PDK1表达下降，并发现PDK1激动剂PS48能够逆转糖皮质激素诱导的成骨抑制。作者推测HIF-1α通过PDK1/AKT/mTOR信号通路刺激成骨，而糖皮质激素诱导的HIF-1α活性下降可能在骨坏死的发展中起作用。提出了一个涉及血管完整性的途径作为股骨头骨坏死的可能机制。Gao等人研究了内质网应激和内皮细胞凋亡在糖皮质激素诱导的骨坏死中的作用。他们发现糖皮质激素引起内质网应激相关蛋白的上调，并且内皮细胞的凋亡涉及PERK-CHOP信号通路。他们还发现，使用实验药物GSK2656157抑制PERK可以减少内皮细胞凋亡和血管损伤，在糖皮质激素诱导的骨坏死大鼠模型中，从而降低骨坏死的发生率。为什么有些人在长期大剂量使用皮质类固醇后不会发展成骨坏死，而有些人在较小剂量下就会发展成骨坏死？显然，遗传因素在骨坏死的发展中起作用。可能在骨坏死中起作用的基因包括eNOS、PAI-1、VEGF和ApoA。一氧化氮是一种已知的炎症刺激物。然而，内含子4中的26个碱基对重复多态性以及外显子7中的Glu298Asp多态性显示，与对照组相比，特发性骨坏死患者中纯合子4a等位基因的频率更常见，4a/b等位基因的频率在所有形式的骨坏死中都比对照组更常见。4a等位基因导致eNOS产生减少，如果这在骨坏死患者中是真的，可能表明一氧化氮以某种方式对骨坏死具有保护作用。另一个在骨坏死患者中被发现破坏的基因是纤溶酶原激活剂抑制剂-1基因（PAI-1）。这个基因在凝血途径中起作用，纯合子4G/4G突变导致PAI-1活性降低和纤维蛋白溶解活性降低，表明促凝血因子在骨坏死的发展中起重要作用。在对患有急性淋巴细胞性白血病的儿童进行的全基因组关联研究（GWAS）中，研究人员发现SNP rs10989692上的次要等位基因预测了骨坏死的高风险。作者发现谷氨酸途径受到这种突变的影响，并得出结论，这些谷氨酸受体变体可能是触发血管异常的触发因素，包括动脉栓塞和血栓形成。

⑦皮质类固醇相关骨坏死中的非编码RNA 

miRNA是非编码RNA，长度为21-23个碱基对。多个miRNA与骨坏死的发展有关，包括miR-31、miR-144-3p、miR-122-5p、miR-186-5p、miR-224-3p、miR-214、miR-27a、miR-217、miR-181d、miR-145、miR-34a、miR-135b、miR-195-5p、miR-17-5p、miR-135b、miR-210、miR-141等。最近，研究了miR-26a在皮质类固醇相关骨坏死中的作用，这涉及到增强子Zeste同源物2（EZH2）的调节。miR-26a表达的降低和EZH2活性的增加与皮质类固醇诱导的股骨头骨坏死有关。miR-26a表达的增加导致EZH2活性降低，这具有保护作用，通过减缓骨细胞的凋亡、减少破骨细胞和增加成骨细胞。另一项研究发现，在皮质类固醇诱导的股骨头骨坏死中，骨髓源性间充质干细胞的成骨能力降低可能在发病机制中起作用。miR-137-3p的沉默被发现可以增加这些干细胞的成骨分化并改善骨再生。据推测，miR-137-3p通过调节Runx2和CXCL12促进皮质类固醇诱导的骨坏死的发展。另一项研究发现，环状RNA CDR1as在骨坏死的发展中起作用，通过促进骨髓干细胞优先分化为脂肪生成途径而不是成骨途径。

⑧骨坏死的“多重打击假说” 

鉴于已提出的骨坏死，特别是皮质类固醇相关骨坏死的多种发病机制，有假设认为单一机制不足以导致疾病，必须有多种因素或触发因素的排列，才能使骨骼的营养供应足够匮乏以引起骨坏死。这就是所谓的“多重打击假说”，它基于风险的瑞士奶酪模型，表明当对骨骼的多种损伤效应对齐时，骨骼无法响应增加的压力而死亡。这一累积压力的提议可能适用于皮质类固醇诱导的骨坏死，因为确实看起来其他潜在的压力因素的存在增加了皮质类固醇使用导致骨坏死的可能性。例如，与健康接受皮质类固醇治疗的急性损伤（如头部创伤）或急性加重但通常控制良好的慢性疾病（如哮喘）的患者相比，系统性红斑狼疮患者中皮质类固醇诱导的骨坏死更为常见。这一提议由Kenzora和Glimcher提出。

①骨坏死诊断
骨坏死患者最早经历的症状是疼痛，但损害可能在症状出现之前就已经明显。后期表现包括运动限制。在股骨头骨坏死中，疼痛通常在髋关节，但可能放射到腹股沟、大腿或膝盖。在肱骨头骨坏死中，疼痛通常在肩部，患者也可能经历运动限制或关节使用时的疼痛。骨坏死的鉴别诊断包括创伤、感染，如化脓性髋关节或急性滑膜炎、类风湿性关节炎或骨关节炎、腹股沟损伤、髋关节脱位、骨髓水肿或滑囊炎。

②骨坏死的影像学表现 

在骨坏死的非常早期阶段，X光片可能看起来正常，但放射性核素骨扫描可能显示病变部位的放射性药物示踪剂摄取首先减少然后增加。这种状况最早的X光征象是出现透亮的新月形征。这一现象是次级于坏死段的软骨下结构塌陷，并且可见为与骨关节表面平行的狭窄透亮线。在后期，骨坏死可以在X光片或计算机断层扫描（CT）（上轻易识别。然而，目前磁共振成像（MRI）被认为是诊断和评估骨坏死最敏感和特异性的模式。其特征性表现包括T1加权像上的低信号强度环带，以及T2加权序列上的两个环带，一个外环低信号，另一个内环高信号（所谓的双线征）。低强度环带对应于修复区域缺血骨和正常骨之间的界面，主要由硬化和纤维化组成，而高强度环带代表修复区域的纤维血管组织。

股骨头坏死的X线表现

股骨头坏死的CT表现

股骨头坏死的MRI表现

③骨髓水肿与股骨头坏死如何鉴别 

骨髓水肿是骨坏死的鉴别诊断之一，但本身可能与骨坏死有关。骨髓水肿可以在骨坏死中看到，但也可能由其他条件引起，包括镰状细胞危机、骨折、骨关节炎和骨髓炎。与骨坏死不同，骨髓水肿通常是可逆的过程。症状与骨坏死相似，包括疼痛和运动限制。骨髓水肿的自然病史包括大约一个月的初始阶段，随后是1至2个月的平台阶段，然后是可能持续长达6个月的回归阶段。骨髓水肿早期病变的组织学显示弥漫性间质水肿、新骨形成和骨髓脂肪细胞的碎裂。MR成像可以用来区分骨髓水肿和骨坏死，利用动态对比增强3D MRI的平均通过时间（MTTs）和血浆流量（PF）分析。骨髓水肿的特征是低PF和高MTT的亚软骨下区域在低PF和高MTT区域内，而在骨坏死中，中间MTT和高PF的环带围绕一个中心亚软骨区域，该区域无法检测到PF。

髓芯减压手术在疾病早期阶段进行时效果最佳。已经使用了各种骨移植手术来为受影响的骨骼和关节提供机械支持，以推迟关节置换术的需求。这些包括髂骨、腓骨或胫骨的自体和同种异体皮质骨移植，单独或与核心减压、骨软骨移植、游离血管化骨移植、骨髓浓缩物、骨形态发生蛋白和多孔钽植入物结合。在过去十年中，可注射的复合移植物——由硫酸钙（CaSo4）与磷酸钙（CaPO4）组成的全合成复合材料，增强有自体骨髓浓缩物，设计在术中混合并注入由核心减压创造的空间——已经显示出有希望的结果。

非创伤性骨坏死最常见的原因是皮质类固醇的使用。因此，骨坏死是慢性系统性类固醇使用的另一个通常较少被认识到的并发症。遗传、疾病状态、其他合并用药或酒精消费等多种其他风险因素都可以增加皮质类固醇诱导的骨坏死的风险。皮质类固醇诱导的骨坏死的发病机制尚未完全阐明，尽管凋亡、凝血病、内皮细胞损伤、血管紊乱和异常血管生成等因素可能都起作用。皮质类固醇诱导的骨坏死的多因素发病机制使其很难预测其发生。然而，很明显，皮质类固醇诱导的骨坏死的发生率随着剂量和持续时间的增加而增加，并且对于作用时间更长的药物更糟糕。如果通过亲本途径给予类固醇，风险也会增加。

因此，当患者开始使用皮质类固醇时，向每位患者解释这类药物的风险，包括特别是骨坏死的风险，变得非常重要。生物制剂的出现开启了一个新的药物时代，许多药物具有节省类固醇的效果。对于任何慢性皮质类固醇患者，应考虑这些药物的风险和益处。

参考文献：

Chang C, Greenspan A, Gershwin ME. The pathogenesis, diagnosis and clinical manifestations of steroid-induced osteonecrosis. J Autoimmun. 2020 Jun;110:102460. doi: 10.1016/j.jaut.2020.102460. Epub 2020 Apr 16. PMID: 32307211.

-END-