糖皮质激素通过氧化应激诱导内皮-间质转化导致股骨头坏死微血管稀少的机制新见解

《Scientific Reports》：New insights into the mechanism of microvascular rarefaction via endothelial-mesenchymal transition in steroid-induced osteonecrosis of femoral head

本研究针对糖皮质激素性股骨头坏死（SONFH）中微血管稀少的确切机制尚未阐明这一关键问题，研究人员开展了关于内皮-间质转化（EndMT）在SONFH中作用机制的主题研究。通过单细胞RNA测序、体外实验和动物模型相结合的方法，发现糖皮质激素可通过诱导氧化应激触发EndMT，导致微血管稀少和骨坏死，而抗氧化治疗可部分改善这一过程。该研究首次揭示了EndMT在SONFH中的潜在作用，为SONFH的早期干预提供了新的理论依据和治疗策略。

　　

长期使用糖皮质激素是导致股骨头坏死的常见原因，这种被称为糖皮质激素性股骨头坏死（Steroid-induced osteonecrosis of femoral head, SONFH）的疾病严重影响着患者的生活质量。股骨头作为人体重要的承重结构，其血液供应特点使得任何血流中断都容易导致局部缺血、坏死和骨塌陷。尽管先前研究已揭示了SONFH的多种机制，但其确切的病理生理机制，特别是血管损伤的机制仍不完全清楚。

近年来，微血管损伤在SONFH中的作用日益受到关注。微血管稀少（Microvascular Rarefaction）指的是微血管网络密度降低、血管数量减少和血流受限的现象。这种常见于糖尿病、高血压、动脉粥样硬化和衰老等疾病中的病理改变，不仅会加剧组织缺氧和代谢紊乱，还可能通过损害骨代谢和修复功能而促进骨坏死。然而，糖皮质激素如何诱导股骨头微血管稀少的具体机制仍有待阐明。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，杨晓强等研究人员提出了一个创新性假设：内皮-间质转化（Endothelial-mesenchymal Transition, EndMT）可能是连接糖皮质激素暴露与微血管稀少的关键环节。EndMT是一种细胞转分化过程，血管内皮细胞在此过程中失去内皮特性并获得间质细胞特征。这种过程在心血管疾病、癌症转移和纤维化等多种病理条件下均有报道，但其在股骨头血管网络重建和骨代谢相关疾病中的参与程度尚待探索。

为了验证这一假设，研究团队采用了多学科整合的研究策略。他们通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析了4例SONFH患者囊性病变区域的细胞组成，在体外利用人脐静脉内皮细胞（HUVECs）评估糖皮质激素诱导的EndMT特征和内皮功能改变，并建立了糖皮质激素诱导的SONFH小鼠模型，观察抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）干预对微血管密度、EndMT发生和氧化应激水平的影响。

主要技术方法包括：从4例SONFH患者囊性病变区域获取组织进行单细胞RNA测序分析；使用甲基强的松龙处理人脐静脉内皮细胞（HUVECs）并评估EndMT特征和功能改变；建立糖皮质激素诱导的SONFH小鼠模型并进行抗氧化干预；通过免疫荧光、Western blot、PCR、流式细胞术等技术检测EndMT标志物和氧化应激指标。

3.1 转录组特征分析

单细胞转录组测序分析了来自4例SONFH囊性区域的37,561个细胞，包括8,943个内皮细胞。分析结果显示，内皮细胞亚群同时表达内皮细胞标志物（PECAM1、TIE2、CDH5、FLT1、RAMP2）和间质细胞标志物（FAP、VIM、ACTA2、S100A4、COL1A1）。伪时间分析进一步揭示了内皮细胞从早期向内皮特性逐渐丧失、间质特征逐渐获得的动态转变过程，表明EndMT是SONFH中的一个渐进性过程而非仅仅是晚期后果。

3.2 股骨头样本中的EndMT检测

在SONFH患者股骨头尚未完全坏死的区域，免疫荧光染色观察到内皮细胞标志物（CD31）与间质细胞标志物（COL1A1、S100A4）的共表达现象，表明内皮细胞正在经历部分EndMT。同时，部分内皮细胞仍保持正常状态，尚未启动间质转化过程。

3.3 体外EndMT增加

体外实验表明，甲基强的松龙处理后，HUVECs的内皮标志物CD31表达下降，而间质标志物ACTA2和S100A4表达增加，其中S100A4上调尤为显著。Western blot和流式细胞术进一步证实了这些发现。功能实验显示，糖皮质激素处理增强了HUVECs的迁移能力，但显著损害了其成管能力，表现为片段数和节点数减少。

3.4 骨小梁结构紊乱

Micro-CT分析显示，糖皮质激素干预组的小梁骨体积分数（BV/TV）、连接密度（Conn. D）、小梁数量（Tb. N）和小梁厚度（Tb. Th）显著低于对照组，而小梁分离度（Tb. Sp）升高。组织学分析表明，GCs组的骨小梁结构紊乱、断裂，空骨陷窝数量增多，骨髓脂肪化明显。免疫荧光双染色显示GCs组H型血管显著减少。

3.5 SONFH小鼠中EndMT增加

免疫荧光观察发现，与对照组相比，GCs组股骨头微血管内皮细胞发生间质转化的数量更多，进一步证实了EndMT在SONFH动物模型中的存在。

3.6 不同组的氧化应激水平

免疫组化结果显示，GCs组小鼠股骨头中存在广泛的Nrf2和HO-1阳性表达区域，表明糖皮质激素给药增强了局部氧化应激反应。与GCs组相比，GCs+NAC组的Nrf2和HO-1表达减少，EndMT水平改善，提示氧化应激与EndMT存在潜在关联。体外实验中，NAC干预部分逆转了糖皮质激素诱导的内皮标志物下调和间质标志物上调，并改善了HUVECs的成管能力。

研究结论表明，EndMT参与了SONFH的病理过程，特别是在微血管稀少和骨坏死的发生发展中起关键作用。糖皮质激素暴露诱导的氧化应激是连接血管和骨损伤的介质，而抗氧化干预部分减轻了这些效应。该研究为SONFH的血管病理机制提供了新的见解，提示靶向氧化应激和内皮功能障碍可能成为未来治疗SONFH的潜在策略。

然而，研究也存在一定局限性。单细胞RNA测序并非直接对股骨头骨组织进行，而是分析了SONFH病变内的囊性区域；使用的HUVECs与骨微血管内皮细胞存在异质性；具体的分子通路特别是信号通路尚未完全阐明。未来研究需要进一步探索EndMT的详细信号机制，并评估抗氧化策略或直接EndMT抑制剂在临床中的长期疗效和安全性。

这项研究通过多方法整合的策略，首次系统揭示了EndMT在SONFH中的潜在作用，为理解该疾病的发病机制提供了新的视角，也为开发早期诊断和治疗策略提供了实验依据。