基因多态性和股骨头坏死的相关研究进展

【关键词】  股骨头缺血性坏死

   股骨头缺血性坏死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)是骨科常见病，多发病，早期诊断困难，效果欠佳，最终仍需人工关节置换术，给患者和社会带来巨大损失。其发病机理尚不十分清楚，但其共同特征都是血液循环障碍导致股骨头缺血坏死。由于机体对坏死区具有的修复能力，当新生骨细胞随新生血管向坏死区生长并形成新骨的同时，坏死骨小梁将被逐步吸收。在此过程中骨的力学性能明显减弱，正常负重即可致股骨头塌陷变形及髋关节退行性关节炎，同时出现以疼痛和活动障碍为主的临床症状群。早期的诊断和治疗是治疗ANFH的关键。

    随着ANFH的基因多态性的深入研究，越来越多的和ANFH相关的基因见诸报道。证实了多种基因在ANFH的发生中的作用，为ANFH的早期诊断和治疗提供了理论依据。本文就基因多态性和股骨头坏死的相关研究进展作一综述。

  1  凝血异常相关的基因

    早在上世纪90年代Jones等［1］首次发现高凝血状态是股骨头坏死的一个致病因素，他认为血管内凝血这一中间机理最可能成为骨坏死发生的共同通路，血管内凝血使骨内纤维蛋白血栓形成和骨髓内出血，从而引起非创伤性骨坏死。随后，股骨头坏死的高凝血状态的基因多态性的研究迅速展开。高凝血状态主要和高的血栓形成倾向和低纤溶状态有关。目前的研究主要集中在与低纤状态相关的基因纤溶酶原激活物抑制剂(plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1)基因及和血栓形成相关的基因亚甲基四氢叶酸还原酶(methylenetetrahydrofolate reductase，MTHFR)基因、因子V基因和凝血酶原基因等。

    1.1  纤溶酶原激活物抑制剂基因

    纤溶酶原激活系统降解血凝块，调节细胞内基质。纤溶酶原做为前体酶，要转变成有活性的纤溶酶才能发挥其降解基质复合物(纤连蛋白，层粘连蛋白)和激活酶原性胶原酶的作用。纤溶酶原激活物抑制剂基因(PAI-1 gene)在动静脉血栓形成过程中发挥了重要作用。急性动脉损伤和血栓形成后内皮细胞的PAI-1基因被激活。Glueck等［2］研究了59例ANFH的病例(36例自发性ANFH；28例继发性ANFH，包括激素性ANFH)发现PAI-1基因4G／4G突变型在病例组特别是自发性ANFH组中更多，其基因产物纤溶酶原激活物抑制剂(PAI)也要比对照组高，而在继发性ANFH组同样会出现高水平的PAI，只是没有PAI-1基因的突变，PAI-1的升高可能和其他因素有关。5G等位基因能和因子B结合，从而抑制PAI-1基因的转录，降低PAI-1水平，而4G等位基因不能和因子B结合，使PAI-1水平升高。该研究表明PAI-1基因4G／4G突变导致的遗传性低纤溶状态可能是原发性ANFH的重要病因。

    Glueck等［3］两年后在36例ANFH的病例中同样发现了PAI-1基因多态性和ANFH的关系，只是在自发性和继发性的病例中没有差异。Ferrari等［4］对228例肾移植术后26例患有ANFH的患者进行了研究，结果表明4G／4G基因型导致的低纤是肾移植后ANFH的重要发病原因，在肥胖和持续性的甲状旁腺功能亢进的病人更加明显。因此，肾移植术后早期的抗凝血的干预研究对于肾移植术后激素性ANFH的预防意义重大。

    日本Asano等［5］研究了31例肾移植后ANFH的病例和106例肾移植后无ANFH的病例，结果表明PAI-14G／5G基因型或PAI-1浓度和ANFH的发生没有关系。这和Ferrari等在白人人群中的研究结果不一致。原因可能是种族之间的遗传背景不同，从而影响到肾移植后ANFH的病理，也可能是由于肾移植术后的激素用量和ANFH的诊断标准不同引起的。白人4G／4G基因型在整个人群中的比率大概在20%［4］，而Asano的研究结果显示在日本人中这个比率为38%，换句话说，日本人4G／4G基因型的比率比白人要高的多。因此，环境和种族因素可能影响到PAI-1在ANFH中的作用，PAI-1基因多态性和肾移植后ANFH的关系需要进一步的研究。

    1.2  亚甲基四氢叶酸还原酶基因

    亚甲基四氢叶酸还原酶基因(MTHFR gene)的编码产物是同型半胱氨酸，高同型半胱氨酸血症是血栓形成的独立危险因素。Glueck研究了36例应用12周依诺肝素(低分子肝素)治疗的ANFH病例，发现ANFH患者更容易发生MTHFR基因突变，而且MTHFR基因产物同型半胱氨酸的含量是对照组的4倍。结果在自发性和继发性ANFH中无差异。叶酸、VitB6、VitB12能将高同型半胱氨酸血症安全、廉价的降低到正常水平，因此，其在MTHFR基因突变导致的ANFH治疗中的作用值得研究。Zalavras等［6］研究了66例高加索人(白种人)ANFH的病例，结果表明了677C-TMTHFR基因突变和自发性ANFH的相关性。只是该研究没有检测同型半胱氨酸的水平。在日本，Asano等［5］研究了31例肾移植后ANFH的病例和106例肾移植后无ANFH的病例，结果发现MTHFR C677T基因型或血浆同型半胱氨酸浓度和ANFH的发生没有关系。这和Glueck等的研究结果存在差异，这种差异可能是由于肾移植的状况、种族差异造成的遗传背景不同等导致的肾移植后ANFH的病理改变。因此，不同种族、更大规模的研究是必要的。

    1.3  因子V基因和凝血酶原基因

    因子V是一种蛋白，在凝血过程中位于内外源性凝血途径的交汇点，加速和促进凝血酶原的激活和凝血酶的生成。因子V发生基因突变后称V Leiden因子。V Leiden因子是静脉血栓形成的常见的危险因素。Bj?rkman等［7］研究了63例非损伤性ANFH的病例，  (35例自发性ANFH，28例继发性ANFH)，结果表明因子V莱登突变或凝血酶原20201A基因突变在自发性ANFH出现的频率要比健康对照组和继发性ANFH高，血栓形成的发生率自发性ANFH也要比健康对照组和继发性ANFH高。这可能是因为因子V莱登突变或凝血酶原20201A基因突变导致深静脉血栓形成，血液高凝状态，从而导致股骨头小血管的血栓形成。而其他的研究中［2、8］没有发现因子V莱登突变或凝血酶原20201A基因突变和ANFH的关系，原因可能是ANFH诊断上的差异，病例数的限制，种族差异等。在因子V莱登突变或凝血酶原20201A基因突变率低的背景人群中，因子V莱登突变或凝血酶原20201A基因突变可能发挥相对其他因素次要的作用，而在因子V莱登突变或凝血酶原20201A基因突变率高的背景人群中，因子V莱登突变或凝血酶原20201A基因突变对ANFH的作用会增加。

    2  脂类代谢异常有关的基因

    脂类代谢紊乱是导致股骨头坏死的重要机理，长期大剂量使用糖皮质激素引起体内高脂血症，脂肪分解，血中游离脂肪酸增多，从而使血管内皮损伤，胶原暴露，激活内源性凝血途径，使纤维蛋白血小板血栓形成。载脂蛋白A(apolipoprotein A，Apo A)和载脂蛋白B(apolipoprotein B，Apo B)做为脂类代谢的重要蛋白，其基因多态性和股骨头坏死的联系成为最近研究的热点。

    Hirata等［9］收集了158例肾移植后34例患有激素性ANFH的病例，检测了ApoA1和ApoB的基因多态性，发现ANFH的病例ApoB基因的7623TT或CT的基因型出现频率更高，具有统计学意义，没有发现其他基因型如ApoB G12619A，ApoA1 G75A，ApoA1C83T和ANFH的显著联系。ApoBC7623T是无功能的，它的突变不会导致任何氨基酸序列的改变，可能是通过与其他重要编码区域的连锁不平衡导致了疾病的发生。Hirata等同时发现ANFH和Apo B／Apo A1的比率有关，而和LDL、HDL、Apo B、Apo A1浓度及血浆LDL／HDL比无关。已证实ANFH的骨缺损处有脂肪组织的聚集，因此推测Apo B／Apo A1的比率可能是通过脂肪向外周组织的运输导致ANFH的发生。同年，Hirata等［10］研究了112例经激素治疗的肾移植病人，病人被分为低分子量(LMW)组和高分子量(HMW)组，发现ANFH的发展和ApoA分子量基因型有密切关系，LMW组的ANFH发病率更高，ANFH的发病率和血浆脂蛋白α及其SNP无关。

    对氧磷酶(paraoxonase，PON)又称芳香基二烷基磷酸酯酶，人类血清中的PON1与HDL紧密结合，形成一个八聚合体的结构，是ApoA-1的重要组成部分。PON1的多态性在脑白质病变(WML)的发生发展中的作用已经被证实［11］，而最近的数据表明在ANFH的年轻病人中WML有着出人意料的发病率，称之为WMLeOn［12］。Hadjigeorgiou等据此推测PONl基因多态性可能和ANFH有关，他们［13］研究了104例ANFH的病人，未发现PON1M55L基因多态性和ANFH的关系，但是，PON1Q192R基因多态性在病人和对照组之间有显著差异，PON1192QQ基因型是ANFH和WMLeOn的危险因素。更大规模、不同地区和种族的实验数据对证实PON1基因在ANFH和WMLeOn中的作用提供更多的依据。

    3  肝酶相关基因

    对于激素性ANFH，同样的激素用量，有些病人会引起ANFH，有些病人就不会，说明个体对于激素的敏感性是不同的。细胞色素P450(cytochrome P450，CYP450)是重要的参与药物I相反应的代谢酶，几乎和所有脂溶性药物的代谢过程有关。CYP450的基因多态性是药物代谢速率存在明显个体差异的主要原因。Asano等［14］观察了80例肾移植的病人，希望找到CYP450的基因多态性和肾移植后激素性ANFH的联系，但是结果只是验证了其在激素代谢中重要作用，没有找到其和ANFH的关系。Tamura等［15］也没有找到CYP3A4和ANFH的关系。但是最近［16、17］的研究确实发现了P450 3A的低活性是ANFH的一个致病因素。因此，关于CYP450的基因多态性的研究值得进一步的开展。

    转运蛋白P-糖蛋白(P-glycoprotein，P-gp)在药物的吸收和分布中起重要作用。P-gp是一种膜蛋白，能将底物从细胞内转移到细胞外。多药耐药基因(multidrug resistance gene，MDR1，ABCB1)是P-gp的编码基因。Asano等［19］研究了106例肾移植后无ANFH和30例肾移植后ANFH的病例，这些病人在肾移植后应用他克莫司抑制机体免疫系统。他们检测了ABCB1基因的基因多态性，发现了ABCB1C3435T和G2677T／A(与C3435T连锁不平衡［18］)与肾移植后激素性ANFH的关系，ABCB13435TT基因型和2677T从基因型的病人肾移植后激素性ANFH的发病率降低。3435TT基因型的病人他克莫司的D／C比值比3435CC基因型高的多，表明3435TT基因型P-gp泵活性的增强，这和Sakaeda等［20］在日本的结果一致：3435TT基因型的P-gp泵活性增强，可以推测3435TT基因型通过增强P-gp泵活性来降低激素性ANFH的发生率。肾移植后激素治疗过程中对于ABCB1 C3435T和G2677T／A多态性的检测对于预防和早期诊断ANFH的发生有重要作用。

    CREB结合蛋白(cAMP-responsive element binding protein-binding protein，CBP)首先是做为cAMP反应元件结合蛋白(CREB)的结合蛋白被分离出来的，是很多转录因子的重要的共激活剂，通过与糖皮质激素受体(GR)结合在糖皮质激素(GC)的生物学效应中发挥重要的共因子的作用［21］。Tamura等［15］发现CBP基因(JST103922)多态性和肾移植后激素性ANFH的发生密切相关。该单核苷酸多态性(SNP)的A／G等位基因在ANFH的病人中占32.4%，在没有ANFH的病人中占14.6%，在健康的日本人群中占17.1%，多因素分析也确认A／G等位基因的病人发生激素性ANFH的几率要高。但是JST103922并不在编码区，其多态性不会引起核苷酸序列的改变。CBP基因多态性影响ANFH的发生机理不清楚，一种可能是JST103922在CBP基因最后一个外显子的末端，其多态性可能会影响CBP RNA遗传信息的稳定性，另外一种可能是和影响CBP蛋白的生物学功能的核苷有密切的联系。具体的机理还需要进一步的研究。

    4  胶原基因

    Liu等［22］对临床诊断明确的三个家族性股骨头缺血坏死患者进行遗传学分析。研究显示家族性病例的股骨头坏死相关基因位于人类12q13上，三个家族性股骨头坏死的成员中，所有的患者皆带有一个位于Ⅱ型胶原基因(COL2A1)的外显子上、由A替代G的基因突变。这一突变提示Ⅱ型胶原密码子1170位点GXY重复区由甘氨酸变成了丝氨酸。突变的结果使Ⅱ型胶原的结构和性能均发生改变。而在散发性病例中没有找到Ⅱ型胶原基因(COL2A1)突变。作者期望通过对II型胶原基因分析，可以在股骨头缺血坏死发生的初期发现并明确诊断，有利于及早采取相应的措施阻止或延缓疾病的进展。然而Ⅱ型胶原基因(COL2A1)突变在股骨头坏死的病理机理中发挥的作用还不清楚。Prockop［23］推测可能的原因是，基因突变后，氨基酸序列发生改变，使构成骨基质的II型胶原的结构和性能均发生改变，在骨坏死发生的早期阶段，局部血管壁周围的基质发生塌陷，压迫血管导致缺血。但这只是假说，真正的原因尚须进一步研究。

    Ralston等［24］的研究表明，一个特定的单核苷酸多态性(SNP)可导致COL1Al基因形成“s”形，从而影响与Sp1蛋白的结合。他们在对早期研究进行Meta分析时发现，s等位基因纯合子(ss)个体的骨密度非常低，而SNP(SS)个体的骨密度则比较高，杂合子(Ss)个体的骨密度则为中等。与SS个体的骨质相比，具有任何形式s等位基因的人，其骨质相对比较脆弱，而且其骨中含有较多的有机成分，这说明Ss或ss个体骨质中矿物质含量相对缺乏。他们随后的研究进一步表明了COL1A基因多态性和骨质疏松的关系［25］。骨质疏松是股骨头坏死的一个发病机理，COL1A基因多态性和ANFH的发生是不是有关，目前还未见相关报道。

    5  血管内皮相关基因

    一氧化氮(NO)是个多功能的生物分子，是血管形成、血栓形成等生理过程的重要信号分子，这些都和骨坏死的病过程密切相关。而内皮一氧化氮合酶(eNOS)是正常成人骨中最主要的一氧化氮合酶(NOS)亚型。  Koo等［26］研究了103例韩国的非创伤性ANFH的病例(50例自发性的，29例激素性的，24例酒精性的)，检测了两个相互联系，并且可能改变eNOS基因功能的两个多态性位点：4号内含子的27-bp重复多态位点和7号外显子的Glu298Asp多态位点。Glu298Asp的多态性和ANFH的关联并没有找到。而是发现4a等位基因及4a／b基因型在自发性ANFH的病人中出现频率更高，因为4a等位基因和eNOS的低合成有关，携带4a等位基因可能是ANFH的遗传危险因素，而NO在ANFH的病理过程中起保护作用。尽管有报道称激素会抑制内皮eNOS的表达［27］，Koo等没有发现激素性ONFH和eNOS基因多态性的关系。然而由于病例数的关系，也不能断定eNOS基因多态性和激素性ANFH及酒精性ANFH无关。不同种族、更大规模的研究将有利于确定eNOS基因多态性和ANFH的关系。

    血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)能特异性作用于血管内皮细胞，促进内皮细胞分裂，促进血管的生长和侧支循环建立的作用，也能促进血管内皮细胞分泌胰岛素样生长因子等生长因子，促进成骨细胞生长。Radke等［28］发现在股骨头坏死的修复区域有VEGF的表达。Kim等［29］研究了317位韩国的ANFH病人的VEGF的基因多态性，发现-634G＞C基因型和ANFH的发病密切相关。因-634G＞C处在VEGF基因的启动子位置，其多态性会影响VEGF基因的表达，从而导致ANFH的发生。其他和血管生成有关的生长因子的基因多态性和ANFH的关系也值得研究和探讨。

    6  展望

    基因多态性在ANFH的发生中的作用及其机理正在逐步被人们所认识，除了上述基因外，其他如缺氧诱导因子1α(hypoxia inducible factor 1α，HIF1α)的基因多态性的研究［30］也取得了一定的成果。股骨头坏死是多种因素共同作用的结果，但是并非所有应用激素、长期饮酒者或是具有易感基因型的人都会患股骨头坏死，它是遗传性因素和后天危险因素综合作用下的复杂的病理、生理过程。基因多态性做为这个复杂的过程的一部分，对不同种族、更大规模的研究会对进一步了解ANFH发病机理，为早期诊断、早期治疗提供依据。

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