股骨头坏死或与遗传有关：代谢、生理、生化、电镜和病理学证据
股骨头缺血性坏死(AVNFH)是一个渐进、多因素和具有挑战性的临床问题，逐渐呈上升趋势，主要影响25~50岁这一最具劳动能力的中青年男性群体。在临床上，股骨头坏死是一种由多种病因导致的病理状态，与股骨头软骨下骨的血供减少有关，这导致骨细胞死亡和进行性塌陷，随后是髋关节退行性关节炎。在大多数患者中，非创伤性AVNFH与使用酒精、糖皮质激素、血液疾病（例如:镰状细胞贫血、地中海贫血、红细胞增多症、血友病、骨髓增生异常、代谢疾病(戈谢病)以及高胆固醇血症、妊娠、慢性肾功能衰竭、甲状旁腺功能亢进、库欣病等）有关。然而，在大约30%的患者中，非创伤性股骨头坏死的病因尚不清楚，因此这些被称为特发型坏死。事实上，有时在双胞胎和家族集群中也可以看到股骨头坏死，这表明其可能涉及遗传因素。
已经描述了与该疾病发生相关的各种因果因素。这些因素包括遗传(SNP)、环境、酒精和类固醇滥用、感染以及血管内凝血异常。在遗传因素中，最具特征性的是亚甲基四氢叶酸还原酶(MTHFR)的突变，这种突变在某些人群中可见。MTHFR突变可以影响单碳代谢，改变同型半胱氨酸(Homocysteine，HC)水平。同时，碳氢化合物也可以通过改变叶酸或维生素B12和B6等辅助因子的水平产生影响。已有研究表明，高水平的HC会对骨强度产生不利影响，而其代谢物血浆浓度的增加与骨折风险的增加相关。此外，据报道，高水平的HC及其相关代谢物S-腺苷同型半胱氨酸(SAH)会导致骨结构的改变，其特征是骨小梁分离增加以及骨小梁厚度、数量和面积减少。
图1 AVNFH和对照组标本综合分析概述 本研究采用了来自股骨头缺血性坏死(AVNFH)患者和健康对照者的骨和血浆样本，回顾性分析69例股骨头坏死患者和71例对照者的临床资料。骨样本收集于术后(AVNFH，n = 13)或骨折治疗期间(对照组，n = 7)，用于形态学、组织病理学和生物物理学研究。生物物理研究包括使用显微拉曼光谱和拉曼图谱分析基质成分，使用扫描电子显微镜分析骨结构，以及使用计算机辅助断层扫描分析骨密度。红色、绿色和黄色箭头/线分别表示股骨头坏死和对照样品中检测参数的升高、降低和不变水平。
这些详细特征研究的结果提示，在AVNFH患者中甲硫氨酸-同型半胱氨酸途径、尿素途径和多胺代谢物的血浆水平升高。此外，AVNFH患者的骨骼在基质成分的比率上显示出独特的变化，在超微结构的改变方面表现为：骨小梁连接的丧失、微裂缝的出现、爬行替代的出现、死骨区域的存在和骨密度的降低。综上所述，这些发现证明了病变骨中发生了广泛的骨重塑，这与这些样本中骨钙素表达增加一致。
表1 观察的股骨头坏死特定生化参数
同型半胱氨酸在AVNFH患者中的积累进一步由甜菜碱水平的降低和维生素B12和B6水平的降低来支持，这两者都作为同型半胱氨酸合成甲硫氨酸的辅助因素(图3F-H)。综上所述，这些发现表明同型半胱氨酸向甲硫氨酸的再转化在股骨头坏死患者中受到显著阻碍。
附图5A显示了健康骨骼的代表性拉曼光谱，其具有顺序标记的峰值：在1002cm-1标记为峰11的最突出的峰描述了骨的苯丙氨酸含量，而峰960cm-1、1450cm-1和1660cm-1分别描述了磷酸盐、胶原和酰胺含量(附图5A)。使用这个注释，我们分析了从股骨头坏死骨和对照骨骼获得的拉曼光谱。
总的来说，对照骨和坏死骨都表现出原型结构(图6A-F)，其特征是存在多个相互连接的小梁，形成蜂巢状结构。相较于对照骨，在坏死骨中更明显的是骨小梁断裂并伴随有连接骨桥的缺失(图6A-F)。
有趣的是，在坏死骨中，与对照组相比，吸收和表面成骨更明显，范围更广(图6D，E和F)。这些骨在成像过程中还显示出较高的表面电荷(数据未显示)和含有微裂纹的钙化骨髓区域(图6F)。这些发现表明，与对照骨相比，坏死骨存在广泛的重塑。对这些在坏死骨和对照骨中均有骨重塑的区域进行的高倍镜检查显示，含有失去极性的无组织胶原束的板层排列被破坏。
图7 AVNFH患者（A-G组）和对照组（H-K组）小梁骨切片染色的骨钙素的摄影图
成骨细胞染色（红色箭头）由骨病理学家定量测定（L）。总体而言，在AVNFH样本坏死区域的成骨细胞中观察到强烈的成骨钙素染色，表明广泛的骨重塑（L）。相比之下，对照骨内成骨素染色弱（L组）。在对照骨（源自骨折部位），骨折晚期骨痂组织的成骨细胞显示出强烈的成骨钙素染色，也表明广泛的骨重塑。
图8 基于苏木精和伊红染色（H&E）的AVNFH和对照骨的组织病理学特征。(A)典型对照骨，(B)创伤诱导AVNFH样本，显示大量沉积线，表明骨小梁表面过度骨重塑（黑色箭头），(C)AVNFH骨非邻近病变区域，显示骨小梁周围有大量空骨陷窝，(D)AVNFH骨骨髓坏死与病变区域（黑色箭头），AVNFH骨显示与邻近非病变区域相关的骨髓钙化部分（黑色箭头），(F)坏死区域存在血管化不良的AVNFH骨髓部分（黑色箭头）。
我们的发现还表明，AVNFH患者的血清肌酐水平明显较高，这可能是肌肉萎缩的结果。此外，在我们的研究中，骨坏死患者的血浆钠水平也高于对照组。据报道，145-150mmol范围内的钠水平可诱导内皮细胞分泌血管性血友病因子，导致高凝状态和血栓形成。在这种情况下，重要的是要考虑到晚期骨坏死也属于凝血异常相关疾病。
这项研究的关键发现是同型半胱氨酸水平与骨坏死的关系。与此同时，维生素B12和B6以及甜菜碱的水平也有降低。这表明AVNFH可能与蛋氨酸循环改变有关，从而导致同型半胱氨酸水平升高。众所周知，同型半胱氨酸是一种炎症因子。多项研究表明，用同型半胱氨酸处理的巨噬细胞和骨细胞中成骨细胞和破骨细胞的活性增加。与此相一致，我们的研究进一步证明了坏死骨中广泛的骨重塑的存在。
上述临床发现都强调了研究骨坏死代谢改变的重要性。众所周知，血清同型半胱氨酸水平升高与AVNFH密切相关，而酒精摄入、吸烟等因素已知与该疾病的发作有关，同时其可改变维生素B12的循环水平，维生素B12是蛋氨酸循环中的一个重要辅助因素。此外，多项研究表明MTHFR突变与AVNFH相关。重要的是，我们的血浆数据表明，蛋氨酸循环中代谢物水平的升高导致同型半胱氨酸的形成，而与将同型半胱氨酸循环转化为蛋氨酸相关的化合物水平显著降低。这与血浆样品中同型半胱氨酸水平和维生素B6/B12之间强而显著的负相关一致。这些结果共同强化了描述骨坏死患者血浆中同型半胱氨酸水平升高的发现。
总的来说，我们的代谢研究分析强调了促进骨骼不断重塑的重要因素，这是骨坏死的一个特征。
用扫描电镜进一步证实了坏死骨的重塑。当使用扫描电镜检查时，坏死骨的霍尔标记是死骨和微裂纹的外观。微裂纹是长度在30-80微米范围内的微观裂纹。坏死骨中小梁微裂纹的存在提示愈合缺陷，并提示通过压迫非弹性脂肪细胞或小梁内小血管破裂导致毛细血管继发性血管损伤。
结论
血浆中同型半胱氨酸和属于同型半胱氨酸和多胺途径的代谢物水平升高与股骨头缺血性坏死有关。同型半胱氨酸的增加导致相关的维生素B12、B6和甜菜碱含量减少。显微拉曼光谱研究表明，股骨头坏死患者的骨骼显示磷酸盐与酰胺的比例降低，碳酸盐与酰胺的比例降低，表明矿化减少。有趣的是，拉曼图谱显示碳酸盐与磷酸盐的比率明显较高，表明发生骨吸收；矿物质与基质的比率降低，表明AVN中骨矿化减少，与显示骨密度降低的CT扫描数据一致。与所有这些一致的是，扫描电镜和组织病理学显示存在破裂的骨小梁和微裂纹，与死骨区域共存，以及与骨髓坏死相关的骨细胞丢失。综上所述，这些数据表明股骨头坏死的死骨中存在广泛的重塑，这是由与坏死部位相关的成骨细胞中骨钙素表达增加所支持的。
原文：Narayanan A , Khanchandani P , Borkar R M , et al. Avascular Necrosis of Femoral Head: A Metabolomic, Biophysical, Biochemical, Electron Microscopic and Histopathological Characterization[J]. Rep, 2017, 7(1):10721.