Research progress of the influence of alcohol on the local microenvironment of femoral head

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.027

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: The pathogenesis of alcoholic avascular necrosis remains unclear.

OBJECTIVE: To introduce the physiological structure and pathologic changes induced by alcohol of the microenvironment of femoral head, and to review the research status of the influence of alcohol on the microenvironment of femoral head.

METHODS: A computer-based online research of PubMed database for clinical and basic studyies concerning the effect alcohol on the microenvironment of femoral head published from 1990 to 2016. The pathological changes of alcoholic osteonecrosis of the femoral head were overviewed.

RESULTS AND CONCLUSION: There are various theories about the pathogenesis of alcoholic osteonecrosis of the femoral head, but the essence is the disturbance of blood circulation in femoral head, and long-term decrease in the nutrients and oxygen supplying of bone leading to bone degeneration and necrosis. Large-dose intake of alcohol will induce the imbalance of oxidation and anti-oxidation system, which dose harm to the microenvironment of femoral head. The change of oxygen supplying accelerates the necrosis of femoral head, the weakened differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells into osteoblasts and the disturbance of bone resorption-formation imbalance finally result in the necrosis and collapse of femoral head. It is expected to provide a new therapeutic strategy for delaying or preventing the early femoral head necrosis by controlling the microenvironment of femoral head.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Femur Head Necrosis, Osteoblasts, Osteoclasts, Cytokines, Tissue Engineering

CLC Number:

R318

Xi Li-cheng, Li Hong-yu. Research progress of the influence of alcohol on the local microenvironment of femoral head[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(7): 1137-1142.

Figures/Tables 2

松质骨由交织排列的骨小梁构成，骨小梁由于应力分布疏密的不同而具有对抗来自不同方向的压应力作用，骨小梁力学强度变化与矿物质含量及其三维空间构型构成了股骨头内部骨组织承重的主要生物力学结构[7]。 2.1.2 酒精对股骨头力学和骨微结构的影响生物力学因素在股骨头坏死的发生、发展和转归过程中具有重要作用。研究表明，长时间饮酒或者局部注射酒精能显著降低股骨头内骨组织的矿物质密度[8]，改变骨小梁的三维空间结构，在局部注射酒精3周后，股骨头的骨矿密度、骨小梁数目、骨小梁间隙和厚度均显著下降。酒精致股骨头坏死后，股骨头内的松质骨弹性模量、松质骨平均应变量和压缩强度均显著下降。坏死骨质的吸收将使骨小梁的力学强度下降，而持续的应力作用将阻碍坏死后骨组织的修复，使坏死骨小梁的力学强度进一步降低，生物力学结构的失衡是导致股骨头坏死后塌陷的重要原因之一[7，9]。此外，当酒精致股骨头局部发生坏死后，股骨头坏死区毗邻的正常骨组织结构也存在吸收、修复、结构重塑等生物学反应，骨的生物力学性能也随之降低。酒精致股骨头发生坏死后，骨单位结构发生改变，骨陷窝数量增加，在坏死的修复期，活骨与坏死骨组织之间产生应力集中，这种应力集中效应导致骨小梁呈现微骨折，削弱了股骨头的力学强度[8]。研究表明，大量的骨小梁组织呈拱结构形状[10]，股骨头之所以能承受很高的载荷与骨小梁构成的拱形结构有密切关系，股骨头骨小粱的拱结构及其胶原纤维和矿质结晶的排列特征都为股骨头承受高载荷提供了有利条件。长期饮酒的患者，成骨细胞和骨细胞发生坏死，这种拱形结构发生改变，原产生的拱体所受的弯矩增加，承受更多的非轴向压力，而使得股骨头坏死区承载能力下降，进一步扩大坏死的范围，髋关节接触应力也随之明显增加[11]。股骨头发生坏死后，日常髋部的运动功能也将导致病理状态下的股骨头持续承受分布不均的应力作用，更容易发生应力骨折，最终导致股骨头塌陷和骨性关节炎的发生。 2.2 成骨微环境 2.2.1 骨髓间充质干细胞的成骨分化作用骨髓间充质干细胞是一种具有多向分化潜能和稳定的自我更新能力的干细胞，可分化为脂肪细胞、成骨细胞和血管内皮细胞等。适宜的刺激能激活体内成骨微环境中的细胞信号传导系统，促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，加速新骨的形成和骨坏死的修复。 2.2.2 酒精对骨髓间充质干细胞成骨分化的影响研究表明，酒精性股骨头坏死的发生与发展与骨髓间充质干细胞的成骨分化功能密切相关[12-13]。PPARγ2是一种在骨髓间充质干细胞分化中起重要调控作用的成脂分化因子，它可抑制成骨过程中的核心结合因子cbfαl的表达，从而抑制成骨细胞特有基因的表达[14]。酒精通过上调过氧化酶基因的表达激活PPARγ2，使得骨髓间充质干细胞成脂分化能力显著增强，而向成骨细胞转化的能力受到明显抑制，其摄取营养物质的能力也下降[13]。长期饮酒致股骨头坏死的患者中，股骨头内骨髓间充质干细胞数量减少，细胞活性下降，成骨分化明显减弱，而破骨细胞的活性却增强，骨形成与骨吸收的平衡遭到破坏[13]。同时，当股骨头骨髓内骨髓间充质干细胞成脂能力明显增强时，造成骨髓内脂肪组织堆积，引起骨内压增高，血流减少。骨髓间充质干细胞成骨成脂分化异常使得骨再生障碍，骨内微环境发生病理性改变，最终出现股骨头的坏死与塌陷[15]。此外，酒精除了影响骨髓间充质干细胞的成骨成脂分化作用外，对骨髓间充质干细胞向血管内皮细胞分化也具有一定的调节作用。 2.3 股骨头的微循环 2.3.1 股骨头的血运结构及特点股骨头的血液循环不同于骨干部位的血供，其头下区域多无双重血液供应。在股骨头的骨髓松质骨内，上升至关节面软骨下的动脉已成为功能性终末动脉，因此，位于终末动脉区及其远端的骨组织容易发生血液循环不足。综上所述，由于股骨头区血液循环解剖结构的特殊性，其血供代偿能力远不如骨干部，因而容易发生缺血性坏死。此外，股骨头内为固定容积室，股骨头髓内的病变容易阻塞回流或导致血流阻断从而加重股骨头的缺血状态[10-11，16]。 2.3.2 酒精对股骨头微循环的影响酒精性股骨头坏死的发病机制目前有多种学说，但其本质均为股骨头骨组织的血液循环障碍，骨的营养物质和氧供减少，骨组织、细胞长期缺氧而发生变性、坏死。研究表明，酒精的作用能使脂肪细胞增殖、肥大[10-11，16]，而股骨头内为密闭的固定容积室，无法扩张，脂肪细胞的增殖和肥大使得股骨头内骨内压增高，骨内压持续增加后股骨头内微血管受压，微循环受到严重阻碍。在酒精及代谢产物的长期毒性刺激作用下，骨髓内脂肪细胞发生代谢紊乱和形态学改变，终末动脉被栓塞，血管内皮细胞受到损害，前列腺素E2(PGE2)和血栓素A2(TXA2)升高引起局部血小板聚集，并导致早期动脉血管内凝血[17]。同时，大剂量酒精摄入可引起氧化-抗氧化系统失衡，缺血再灌注性损伤产生多量氧化作用，使血管壁溶解，导致潜在微灶性出血。研究表明，长期大量饮酒后，酒精在体内代谢过程中产生的乙醛可使氧自由基增多[18]，并使氧自由基主要的清除物超氧化物歧化酶活性下降。氧自由基具有强烈的引发脂质过氧化作用，使乳过氧化物酶的反应增强，膜受体、蛋白酶和离子通道等功能发生障碍。而细胞膜和亚细胞器是过氧化脂质的重要损伤部位，过氧化脂质通过影响细胞膜的通透性最终损伤血管内皮和毛细血管壁，增加毛细血管的通透性，严重影响股骨头局部血运环境[19-20]。研究表明，酒精的刺激使得微血管内脂质沉积[21-22]，脂肪栓子水解产生的游离脂肪酸、血管内毒素及高凝血状态等因素都可以触发血管内凝血，由于血管内凝血消耗了大量凝血因子，而引起反复性出血并继发纤维蛋白溶解，导致血管内皮细胞坏死及内皮下胶原暴露，促进小动脉痉挛，血液粘滞度增加，微血栓形成，微血栓使得股骨头内微小血管堵塞，股骨头血供减少。此外，缺血再灌注损伤引发过量氧化反应，引起内皮细胞膜的损伤，进而导致微小血管破裂，缺血进一步加重，最终出现股骨头缺血、坏死及塌陷[23]。也有人认为，在慢性酒精中毒时，个体敏感者会发生局部血管炎，进而导致血管壁硬化，血管壁硬化可能是股骨头缺血坏死的重要原因之一，在血液流变学异常的情况下也会形成血栓[23-24]。 2.4 酒精对股骨头免疫与炎性微环境的影响炎症因子广泛存在于人体各种组织中，它们可从分子水平对多种疾病的发生发展和修复过程起着重要的生物调节作用。Okazak等[25]在研究酒精性股骨头坏死时，发现酒精通过LPS相关通路能诱导白细胞介素1、白细胞介素2、白细胞介素4、白细胞介素6、粒细胞集落刺激生物因子、干扰素-γ和肿瘤坏死因子α等炎性因子的分泌，从而导致股骨头内骨细胞的破坏。另有研究表明，白细胞介素4、白细胞介素5、白细胞介素12、白细胞介素13及白细胞介素18等炎性细胞因子能影响RANKL的表达[26-27]，RANKL/RANK系统是联系免疫系统与骨代谢的桥梁，在骨重建与骨塑形中通过影响成骨细胞和破骨细胞的增殖直接调控骨结构，该调节系统也与免疫细胞和免疫细胞分泌的细胞因子联系密切，RANKL/RANK系统还可直接或间接作用于骨分化，而该作用的最终结果与免疫细胞亚群、细胞因子和局部微环境等因素有关。除了成骨相关作用以外，RANKL/RANK系统还可促进破骨细胞分化及成熟，抑制破骨细胞的凋亡，从而加快骨质的破坏，加速股骨头坏死的进展和骨塌陷的发生。同样有研究证明，酒精可通过Toll样受体4(TLR4)通路引起系统性的炎症和血管炎症反应[28-29]，产生骨细胞和血管内皮细胞的细胞毒性和细胞损伤反应，从而引发血管内凝血、血管壁的增厚与毛细血管数量的减少，最终导致微循环的障碍。在血管内凝血过程中，纤维蛋白和纤维蛋白原的降解产物可诱导单核细胞分泌炎性细胞因子，如肿瘤坏死因子α、白细胞介素1，这些因子都具有骨细胞毒性作用，能直接诱导骨细胞的坏死和凋亡[30]。因此，股骨头内炎性微环境的紊乱也是导致股骨头坏死进展的重要因素之一。此外，在股骨头松质骨坏死修复区中可见浆细胞、淋巴细胞的浸润，以往认为，T淋巴细胞在非创伤性股骨头坏死与修复过程中起重要作用；近来发现，B淋巴细胞和中性粒细胞在股骨头坏死的免疫炎性反应进程中也具有重要调控作用[31-32]。骨髓中的滤泡辅助性T细胞(Tfh)的表面表达趋化因子受体5，趋化因子受体5可诱导程序性死亡因子和辅助刺激因子的表达，并以分泌大量白细胞介素21为特征[33]，白细胞介素21具有诱导活化B细胞的作用，Tfh-B细胞相互作用最终导致患者股骨头内局部免疫失衡[32]。但免疫与炎性环境对股骨坏死的具体作用机制及作用程度仍有待于进一步研究。 2.5 氧微环境的改变 2.5.1 酒精对股骨头氧环境的影响长期饮酒的患者血液处于一种高凝状态，再加之酒精对血管的细胞毒性反应，局部毛细血管壁增厚、微血管数量减少，使得局部代谢障碍，运输氧的血红蛋白等物质减少，氧含量降低[34-35]。细胞内及细胞外环境氧分压降低使细胞有氧呼吸作用减弱，无氧呼吸增强，胞内酸性代谢产物堆积，局部组织细胞氧供障碍进一步加重，形成恶性循环。 2.5.2 氧环境改变加速股骨头坏死研究表明，局部氧环境对骨再生与成骨分化具有重要意义[36-37]，短期且适当的缺氧可促进成骨细胞的功能，而长期缺氧则抑制成骨细胞的增殖、分化和矿化，并促进其凋亡，同时抑制骨髓间充质干细胞的成骨功能，并且随着缺氧时间的延长，成骨细胞增殖能力逐渐下降，同时成骨细胞表型标志物骨源性碱性磷酸酶(NBAP)活性及矿化结节形成数量明显降低，从而导致骨形成受阻。有研究表明，骨髓间充质干细胞对低氧应急表现出“冬眠现象”[38]，1%低氧张力下骨髓间充质干细胞的增殖迅速下降并停滞于G1期，1%氧环境还可严重抑制骨髓间充质干细胞的成脂和成骨分化，而当氧张力升至3%时，细胞可重获成骨分化能力[39]。Salim等[40-41]观察到低于0.02%的氧张力在体外可抑制细胞外钙沉积和成骨前体细胞骨结节的形成，并且认为低氧能下调成骨转录因子Runx2的表达，这种调控作用是低氧抑制成骨分化的基本机制。骨髓间充质干细胞成骨分化能力减弱，骨吸收与骨形成的平衡遭到破坏，最终加剧股骨头的坏死与骨结构塌陷。 2.6 骨内压的改变 2.6.1 酒精对股骨头骨内压的影响骨内压(IOP)是指骨的血流动力在骨质间隙内或者骨腔内所产生的压力。过量饮酒后，体内脂质代谢紊乱，总胆固醇、磷脂、甘油三脂、游离脂肪酸等均明显升高，形成高脂血症。随着饮酒时间延长，骨髓内出现脂肪细胞肥大、增生，并融合成脂肪滴，逐渐压迫和取代红骨髓，并使髓内有限空间缩小，引起骨细胞的“占位性病变”，压迫小静脉，使受压处静脉管腔骤然变窄[10，16]。管腔形态忽窄忽宽，血流压力势必忽高忽低，血流通过管腔狭窄部时阻力增加，在管腔宽处很容易形成涡流，造成血小板沉积，血浆纤维蛋白原析出，容易形成血栓。一旦小静脉回流受阻，静脉压升高，必然导致动脉灌注受阻，而明显地降低毛细血管的血流速度，在毛细血管处同样易形成“湍流”，增大回流阻力。而股骨头是一个坚硬且不能膨胀的有限骨腔室，同骨骼肌相比，股骨头内缺少促进血液回流的动力，根据Starling原理，静脉回流一旦受阻，则静脉压升高并同时引起骨内压的明显升高，而骨内压的升高又进一步加重静脉回流受阻，形成一种恶性循环。也有实验表明，在静脉回流障碍基本清除后，骨内压力仍明显高于正常[42]，若仅依靠静脉回流障碍和血黏度增高学说理论似乎难以解释骨内持续高压的原因。因此，在骨内高压状态下，骨内血管对血管活性物质的敏感性下降，骨内血管的主动调节机制受损，可能是造成骨内持续高压的主要原因。 2.6.2 骨内压升高易致股骨头缺血性坏死酒精性股骨头坏死目前发病机制不完全统一，陈跃平等[43]研究认为，长期饮酒导致骨内压增加、血流灌注减少是发生股骨头坏死的主要原因。正常的髋关节内压约为 5.37 kPa，如压力超过26.75 kPa极易发生股骨头缺血性坏死。骨内压力增加时，进一步压闭骨内薄壁小静脉、窦状隙及毛细血管，血管外周阻力增加，骨内静脉淤滞进一步加重，股骨头内血流量显著减少[10-11]。当压力超过平均动脉压时，将引起股骨头进行性缺血。股骨头局部营养物质和氧的供给量减少，有毒代谢产物不能及时运走，造成组织细胞缺氧和酸中毒，骨细胞及成骨细胞坏死，最终加速股骨头坏死的发生。"

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