【原】糖皮质激素为什么能导致骨坏死

原文来源：Weinstein R S . Glucocorticoid-induced osteonecrosis[J]. Endocrine, 2012, 41(2):183-190.

摘要

人们对预防糖皮质激素诱发骨折的意识越来越强，但糖皮质激素作为非创伤性骨坏死最常见的原因却往往被忽视。在长期接受激素治疗的患者中，9%~40%的患者会出现激素性骨坏死，尽管它也可能发生在短期高剂量暴露，在关节内注射后也可能出现骨坏死，且没有糖皮质激素诱导的骨质疏松。骨坏死这个名称是有误导性的，因为主要的组织病理学病变是骨细胞凋亡。凋亡的骨细胞之所以持续存在，是因为它们在解剖学上不能被吞噬，而且在糖皮质激素过量的情况下，骨重塑的减少会延缓它们的替代。糖皮质激素诱导的骨细胞凋亡，是一种累积性的、不可修复的缺陷，它独特地破坏了骨细胞-骨陷窝-小管系统的的机械感觉功能，从而开始了一系列不可避免的事件，最终导致股骨头塌陷。前的证据表明，双膦酸盐可迅速减轻骨坏死患者的疼痛，增加行走能力，延缓关节塌陷。

引言

在1950年引入可的松治疗类风湿性关节炎后不到1年，研究者就意识到库欣综合征存在不常见的伤害性效应[1]。这些影响包括失眠、胃肠道出血、可的松戒断后综合征和髋关节骨折[2，3]。由于未观察到椎体骨折和放射线骨质疏松，研究者不能确定髋部骨折是由于类固醇肌病引起的跌倒，还是仅仅是与可的松治疗相关。尽管如此，我们还是努力减少糖皮质激素的用量[1]。仅仅几年后，骨质疏松和骨折被明确认为是长期使用可的松、泼尼松龙和泼尼松治疗的骨骼并发症。此后不久就出现了大剂量治疗后出现大的股骨头、肱骨头的塌陷[4，5]，有时是为了治疗而治疗，但却很难证明其合理性[6]。甚至有人注意到局部应用糖皮质激素造成的股骨头坏死[7，8]。如今，在长期接受治疗的患者中，有9%~40%的患者会出现骨坏死，而且可能在没有糖皮质激素引起的骨质疏松的情况下发生[9]。

1971年报道了第一个大样本糖皮质激素诱导的骨坏死患者研究[10]。从1961年到1968年，梅奥诊所接诊的482例骨坏死患者中，有77例接受了糖皮质激素治疗。该报告引起了一些混乱，因为 "血液病、胰腺炎、妊娠、类风湿性关节炎、肾小球肾炎、结肠炎和痛风"都被列为 "缺血性坏死 "的原因，但这些患者都曾接受过糖皮质激素治疗，没有证据表明所列疾病是骨坏死的独立原因，尽管假设了40多年 [11]。从开始治疗到首次出现髋关节疼痛症状的平均间隔时间为33个月，但有几例骨坏死仅在3个月后就被发现。最早的认识是在口服甲泼尼龙16毫克/天（累计剂量为576毫克）后仅36天。一包甲基泼尼松龙开始剂量可能超过32毫克/天，总剂量达800毫克，可以说仅仅一袋就已经有糖皮质激素诱发骨坏死的风险。遗憾的是，患者很少被提醒这种并发症，或者说如果出现持续的关节疼痛就需要看医生，而对接受大剂量糖皮质激素的患者进行骨坏死的放射学监测也仅限于调查研究[12]。因此，骨坏死是最常见的糖皮质激素相关并发症[13]。

诊断

髋、膝或肩部持续疼痛，尤其是关节活动、触痛或活动范围缩小，应进行磁共振成像（MRI）检查[9，11，14]。X线检查中的软骨下新月征是骨坏死的病理征象，但该征象并非早期，MRI可在股骨头形状改变或出现骨折新月之前，清晰地显示广泛的骨坏死（图1）。各种显示糖皮质激素诱导的骨坏死的X线片可以在网上图片找到。

骨坏死核磁共振表现。左侧显示的髋臼脂肪垫(蓝色箭头)在MRI上显示为右侧(小箭头)的强烈白色信号，而骨髓脂肪减少(大箭头)在 MR IT1上显示为典型的水肿低信号

流行病学

对骨坏死流行病学的调查需要使用几种不同的别名进行搜索，因为该病又被称为无菌性、血管性或缺血性坏死或骨梗死[15]。从1989年到2003年，各类骨坏死的年发病率增加了一倍（从1.4到3/10万），这可能是由于MRI的使用更为频繁[16]。最常见的是髋关节，但几乎任何骨骼都可能发生骨坏死。最常见的病因是外伤、酗酒和糖皮质激素，后者引起的骨坏死最具破坏性[11]。其他病因包括镰状细胞病、放射线、Gaucher's病和Caisson病（减压病）（表1）[14]。

在糖皮质激素诱导的骨坏死中，虽然短期暴露于高剂量、关节内注射，且没有骨质疏松症，但随着剂量的增加和治疗时间的延长，风险会增加[14，17，18]（表2）。

关节内糖皮质激素可能是特别危险的，因为注射后可能会通过减轻疼痛而加速关节损伤，从而增加负重——这是一种夏科氏关节病，此外类固醇对骨骼还有直接的不良影响[19，20]。在关节内注射累计剂量80-160mg甲基泼尼松龙后，仅数周至数月就出现骨坏死[21]。血管内皮生长因子(VEGF)、糖皮质激素受体(GR)、11 β-羟类固醇脱氢酶2型(11 β-HSD2)、胶原蛋白II型(COL2A1)的多态性可能会增加对糖皮质激素诱导的骨坏死的敏感性。凝血酶原激活物抑制剂1（PAI1）和P-糖蛋白，以及一些潜在的疾病，如肾功能不全、移植、移植物抗宿主病、炎症性肠病、HIV和急性淋巴细胞白血病等[9，14，22-29]。地塞米松比泼尼松引起更多的骨骼并发症[27]。天然和合成的糖皮质激素对11 β -HSD2的脆弱性不同，HSD2通过将激素活性所需的11-羟基转化为酮从而防止与GR的相互作用，使糖皮质激素失活，从而保护靶细胞[9，15，16]。在地塞米松中，11-羟基与泼尼松龙一样已经存在，但B环9α位置的氟原子既延长了药效，又遮挡了11β位置。地塞米松可以不受11 β -HSD2的灭活。

令人惊讶的是，库欣病似乎不是骨坏死的一大危险因素。1961年Frost首次注意到库欣病的骨坏死[30]，但这种情况仍然极为罕见。到2011年文献中仅有13例[31]。然而，库欣病与药物性糖皮质激素给药有几方面的不同。在库欣病中，肾上腺皮质激素(ACTH)和肾上腺雄激素的分泌增加，循环糖皮质激素水平一般低于外源性类固醇治疗的患者。有研究者发现ACTH可以刺激成骨细胞VEGF的表达[32]，但内源性ACTH不太可能是库欣病骨坏死罕见的原因，因为仅注射ACTH就有骨坏死的报道[11]。库欣病骨坏死罕见的部分解释可能是报道不足，但完整的解释仍是个谜。

发病机理

糖皮质激素对骨骼的不良影响主要是直接作用于成骨细胞和破骨细胞，降低成骨细胞和破骨细胞的生成，增加成骨细胞的凋亡，延长破骨细胞的寿命［33-36］。骨细胞凋亡增加也会发生，并与VEGF、骨骼血管生成、骨间质液和骨强度的下降有关[37]。骨细胞-骨陷窝-小管系统是骨的力应变感知系统，向骨的重构发出信号，以适应当前的负荷或修复损伤。糖皮质激素诱导骨细胞凋亡，从而导致骨血管的破坏和骨力学支撑的减少，这可能是骨坏死和更大的骨强度下降的机制，而不是发生在糖皮质激素过量的骨量损失。证据表明，系统血管系统、骨小管和骨细胞之间存在联系，如低分子量示踪剂在数分钟内穿越静脉系统进入腔隙液体所揭示的那样，管腔液体运输与血管空间直接相连[37]。糖皮质激素迅速破坏了这种血管连接，如使用尾静脉注射丙烷红(分子量，615Da)的骨细胞-腔管系统的荧光成像显示，小鼠松质骨的间质液显著减少。通过铬酸铅硅浆静脉灌注后脱钙骨的显微CT成像，进一步获得糖皮质激素对小鼠骨血管影响的证据。泼尼松龙给药可显著降低椎体和股骨血管体积和表面积。

在成骨细胞和骨细胞中过表达失活酶11h -HSD2的转基因小鼠中进行的一系列实验表明，糖皮质激素对骨细胞的直接副作用是明显的[34,37]。这些动物不受强的松龙诱导的细胞凋亡及其导致的成骨细胞数量和骨形成减少的影响，但由于破骨细胞仍暴露在强的松龙的作用下，因此骨密度仍会下降。然而，骨强度保持，尽管骨密度的损失，这表明骨细胞活力独立贡献骨强度。

此外，衰老降低了野生型小鼠骨血管的体积和溶质从外周循环到腔-管系统的运输量，但同样年龄的11 β-HSD2转基因小鼠却不受衰老对成骨细胞和成骨细胞凋亡、骨形成率和微结构、结晶度、血管体积、间质液和强度的不利影响。这些结果表明，内源性糖皮质激素由于对成骨细胞和破骨细胞的细胞自主作用，导致骨血管生成、血管体积和骨细胞-腔隙液的相互关联的下降，从而增加了老年骨骼的脆性。股骨髁的骨坏死是老年患者的一种特发性病变，可能是由于随着年龄的增长，内源性糖皮质激素增多所致[37，38]。

使用与骨细胞和成骨细胞中描述的相同的转基因方法，我们发现在成骨细胞中过量表达11 β-HSD2可以保留BMD，但不能阻止泼尼松龙诱导的成骨细胞寿命、成骨细胞数量和骨形成的减少[36]。

髋关节骨坏死曾被认为是由于圆韧带破裂，导致股骨头动脉供应的撕裂或这些血管的血栓形成。然而，今天，圆韧带被认为是一种残存的结构，在成人中，股骨头通过韧带的灌注可以忽略不计[39]。此外，多达三分之一的成年人韧带中的动脉是闭合的。

糖皮质激素诱发骨坏死的机制被认为是骨髓脂肪增加导致骨内压力增加和骨灌注减少、脂肪栓塞和血液高凝减少了股骨头的血流，或疲劳性骨折的积累[11，14]。然而，最近的关注点集中在骨细胞凋亡的作用上[40-45]。糖皮质激素诱导的骨细胞凋亡，是一种累积性的、不可修复的缺陷，它独特地破坏了骨细胞-骨陷窝-小管系统的的机械感觉功能，从而开始了一系列不可避免的事件，最终导致股骨头塌陷[40]。

我们在糖皮质激素诱导的骨坏死全髋关节置换术中获得的全股骨头切片中发现了丰富的凋亡骨细胞，而酒精诱导的骨坏死中凋亡骨细胞并不常见，而在创伤后骨坏死中则不存在（图2a，b；3d，e）[40]。

图2 糖皮质激素诱导的骨坏死本质上是骨细胞凋亡。本图来自一例糖皮质激素性股骨头坏死全髋关节置换术中获取的股骨头标本，显示整个股骨头广泛的骨细胞凋亡(A, B)。图C是股骨头骨细胞凋亡地图(来自图A)，越靠近关节边缘，毗邻软骨下骨新月征和骨折间隙、压缩(1+)的骨细胞凋亡越普遍(3+)。骨细胞凋亡在解剖学上与骨坏死性骨折并称 (adapted from Weinstein et al. [40]. Copyright 2000. The Endocrine Society)

此外，使用糖皮质激素后，没有发生典型的细胞肿胀和炎症坏死。从股骨头切片制作的骨细胞凋亡流行图显示，越靠近关节边缘，毗邻软骨下骨新月征和骨折间隙、压缩(1+)的骨细胞凋亡越普遍（图2c）。骨细胞凋亡在解剖学上与骨坏死性骨折并列。糖皮质激素诱导的骨坏死是一个误区：所谓糖皮质激素诱导的 "骨坏死 "实际上是骨细胞凋亡。在糖皮质激素处理过的兔股骨和肱骨中，也发现了具有细胞核的凋亡骨细胞[41，42]。

骨坏死领域的一个主要问题是将多种病因归纳在一起。例如，从镰状细胞病患者身上采集的股骨头核心样本显示出空洞的骨细胞裂隙、坏死和油性囊肿（图3a）。炎症细胞丰富，偶见骨髓纤维化。我们检查的5个标本中有4个标本的双四环素标签广泛分离(图3b)(表明骨形成和修复)，凋亡的骨细胞则不存在[40]。这些发现与糖皮质激素诱导的骨坏死明显不同，在糖皮质激素诱导的骨坏死中，几乎所有的骨细胞都是凋亡的，甚至在骨坏死的初始症状出现多年后，骨细胞仍然驻留在其空隙中（图3c）。其他工作者也发现糖皮质激素诱导的骨坏死患者的骨细胞凋亡增加[44，45]。这些工作者还发现酒精诱导的骨坏死患者的骨细胞凋亡，可能是高内源性糖皮质激素的情况，尤其是乙醇诱导的低血糖发作相关。

糖皮质激素诱导的骨坏死中，骨细胞裂隙很少是空的。用核染料染色后，从糖皮质激素诱导的骨坏死患者股骨头中取出的凋亡骨细胞中的浓缩染色质显示出强烈的荧光（图4a），而用可见光观察同一切片的骨细胞几乎看不到，其裂隙可能被错误地认为是空的（图4b）。糖皮质激素对骨骼的破坏性影响表现在最近埋在新包骨中的、已经凋亡的强烈发光的骨细胞（图4c）。慢性糖皮质激素治疗后，骨细胞-钙质衬里细胞网络连接死亡细胞（图4d）。糖皮质激素诱导的骨细胞凋亡也可以解释总剂量与糖皮质激素停止给药后发生骨坏死的关系。

血管因子在糖皮质激素诱导骨损伤中的作用得到了证据的支持，糖皮质激素干扰内皮血管生成以及VEGF的产生和作用[14,37]。在OB-6成骨细胞中，地塞米松降低了VEGF mRNA水平，当细胞在培养基中培养或在desferrioxamine (DFO)(一种模拟缺氧的prolyl羟化酶抑制剂)刺激时。地塞米松还可以降低dfo刺激的缺氧诱导因子1 (HIF-1)的表达。在MLOY4骨细胞中也发现了同样的结果。这些发现强烈表明，糖皮质激素对骨骼的一些副作用是由于成骨细胞和骨细胞抑制HIF-1转录和VEGF生成以及干扰VEGF作用而导致的血管生成减少。缺血性坏死毕竟不是一个多么糟糕的名字。

治疗

如果骨坏死在达到终末期之前就被识别出来，那么可以采用各种各样的治疗方法保护关节。这些治疗方法的效用因骨坏死的分期而不同（表3）[11，46]。

骨坏死主要发生在年轻患者中，因此应努力保留关节，推迟髋关节置换。第一种方法通常是使用手杖、拐杖或助行器减少负重约6周。另一种方法是髓芯减压术，无论是否进行骨髓细胞移植，也需要减少负重6周。一般来说，髓芯减压是令人失望的，除非在早期疾病的进展，这一阶段骨坏死的进展是不确定的。高达40%的早期病变可能不会进展，特别是当病变很小(占股骨头的25%)且位于股骨头内侧(远离负重部分)时。对于髋臼关节间隙闭塞和骨赘形成的晚期疾病，通常需要股骨头或全髋关节置换术。在所有全髋关节置换术中，骨坏死占10%，是年轻人全髋关节置换术中最常见的原因，但糖皮质激素诱导的骨坏死行全髋关节置换术后的感染、骨溶解、脱位和修复问题比[11]骨关节炎更严重。由于这些替代物大约有10年的寿命，任何需要手术的延迟都是受欢迎的。由于这些原因，最近的证据表明，双膦酸盐在治疗骨坏死是相当有前途的。

双膦酸盐（bisphosphonates，BPs）是用于各类骨疾患及钙代谢性疾病的一类新药物。能特异的与骨质中的羟膦灰石结合，抑制破骨细胞活性，从而抑制骨质吸收。用于治疗骨质疏松症，变形性骨炎，恶性肿瘤骨转移引起的高钙血症和骨痛症等。

第一代双膦酸盐类药物：依替膦酸钠第二代双膦酸盐类药物：氯膦酸钠、帕米膦酸钠和替鲁膦酸钠最新一代双膦酸盐类药物：阿仑膦酸钠、奈立膦酸钠、奥帕膦酸钠、利塞膦酸钠以及伊班膦酸钠、唑来膦酸。

在一项随机对照的开放试验中，与对照组相比，阿仑膦酸钠治疗的成人骨坏死患者在24个月内股骨头塌陷明显延缓，全髋关节置换需求减少[47]。通过x光检查，至少要有30%的坏死区域。阿仑膦酸钠组在26个月的髋部平均生存率为93%(仅2/24塌陷)，对照组为36%(19/25塌陷)。重要的是，在几个月内疼痛和行走能力得到持续改善。在另一项研究中，对接受阿仑膦酸钠治疗的骨坏死患者进行了为期10年的随访，仅在前3年就显示了止痛剂的使用减少、预期功能的增强，以及在长达10年的几个月内站立和步行时间的改善。阿仑膦酸钠可能是年轻患者推迟髋关节手术需求的一个值得选择的方法。阿仑膦酸钠延缓骨坏死股骨头塌陷的疗效可能是由于破骨细胞重吸收减少，但上述研究中髋关节的连续X线检查结果要么没有变化，要么有所进展，说明阿仑膦酸钠对骨坏死的疗效可能不仅仅涉及抑制骨重吸收。含氮双膦酸盐也能减少糖皮质激素诱导的骨细胞凋亡[49]，保存骨细胞活力可能在保存骨强度方面起到一定作用[34，37]。分子示踪剂的研究表明，醛缩酶(158 000 Da)、转铁蛋白(76 000～88 000 Da)和骨保护素(100 000 Da)可以穿透啮齿动物的管网(直径500～600 nm)[50]。因此，平均分子质量为250-320 Da的双膦酸盐很容易到达腔-管系统，保护骨细胞免受糖皮质激素诱导的细胞凋亡。

彻底搜索文献未能发现蛋白同化制剂如特立帕肽在治疗糖皮质激素引起的髋、肩或膝关节骨坏死的试验。

结论

糖皮质激素对成骨细胞、破骨细胞和骨细胞有直接不良影响。这些药物通过对骨细胞的影响，降低了腔隙-微管液、骨血管和骨强度。糖皮质激素诱导的骨细胞凋亡积累，即使没有骨质疏松，也会导致骨坏死。骨坏死的风险随着剂量和治疗时间的增加而增加，地塞米松可能是最严重的罪魁祸首。阿仑膦酸钠可迅速减轻骨坏死患者的疼痛，增加行走能力，延缓关节塌陷。