引起股骨头坏死的原因很多，归纳起来可分为创伤性和非创伤性两类^[1-2]，前者如股骨颈骨折、髋关节脱位、髋部外伤等，可直接或间接损伤股骨头血运，从而导致股骨头缺血性坏死，发病机制已经明确；而后者如大量应用激素、长期酗酒、慢性肝病、肾脏移植、镰状细胞性贫血、胰腺炎、高血脂、放射病、胶原性疾病等，发病机制尚未完全明了。但所有股骨头缺血性坏死的病理变化是一致的，即骨细胞坏死和随后的修复反应^[3]。

股骨头缺血性坏死是临床常见病，我国需治疗的患者有500万~750万，每年新发病例为15万~20万^[4]。然而，至今仍没有令人满意的治疗股骨头缺血性坏死的方法，传统的手术疗法和保守疗法无论是在疗效还是预后方面都存在诸多不足，而且费用昂贵、适应范围窄、并发症多，给患者带来巨大的物质和精神负担。

基因是遗传的物质基础，基因治疗是指应用基因工程技术将外源性基因引入患者细胞内，以纠正致病基因的缺陷而根治遗传病。基因治疗对某些严重威胁人类健康的疾病，如遗传病、恶性肿瘤、心血管疾病、神经系统疾病以及感染性疾病（如艾滋病、类风湿等）具有一定的应用前景^[5-6]。

基因治疗与常规治疗方法不同：一般常规治疗是针对因基因异常而导致的各种症状，而基因治疗针对的是疾病的根源——异常的基因本身。基因治疗的靶细胞主要分为两类：体细胞和生殖细胞。生殖细胞的基因治疗涉及的问题较多，技术也较复杂，因此，目前开展的基因治疗只限于体细胞。体细胞应该选择在体内能保持相当长的寿命或者具有分裂能力的细胞，使被转入的基因能有效、长期地发挥“治疗”作用。以目前的观点看，骨髓细胞是唯一能够满足以上标准的靶细胞，而骨髓的抽取、体外培养、再植入等所涉及的技术都已成熟；另一方面，骨髓细胞还构成了许多组织细胞的前体，因此，一些涉及血液系统的疾病都以骨髓细胞作为靶细胞^[7-8]，一些非血液系统疾病如苯丙酮尿症、溶酶体储积病等也以此作为靶细胞。除了骨髓细胞以外，肝细胞、神经细胞、内皮细胞、肌细胞也可作为靶细胞来研究或实施转基因治疗^[9-12]。

VEGF是血管内皮细胞特异性的肝素结合生长因子，可在体内诱导血管新生。其mRNA通过不同的剪切方式，至少能产生出VEGF121、VEGF145、VEGF165、VEGF183、VEGF189、VEGF206等6种蛋白形式^[13]，其中VEGF121、VEGF165是分泌型可溶性蛋白，能直接作用于血管内皮细胞，促进血管内皮细胞增殖，其中又以VEGF165的生物活性最强，不足1 nmol/L就能发挥作用，效应比组织胺强5万倍，而且作用快，5 min即起效^[14]。基于上述特性，VEGF，特别是VEGF165是人们首先想到的用于治疗股骨头缺血性坏死的理想选择，但是，VEGF165的血液半衰期只有6 min，因此，静脉注射VEGF165一次后，其治疗时间大概只有30 min。鉴于其半衰期短、疗效受到限制，故在实际应用中难以推广。然而基因治疗克服了上述难题，通过适当载体将VEGF165基因导入体内并使其稳定表达，从而使血液中维持一定浓度的VEGF165起到治疗作用。Yang等^[15]将重组质粒pCD-hVEGF165与胶原混合，植入缺血性坏死的股骨头，结果发现，与对照组相比，实验组的血管生成量明显增加，骨修复也因此加速。刘保一等^[16]用腺相关病毒（adeno-associated virus, AAV）作为载体，进行类似实验，也得到了相同结果。

BMP于1965年由Urist^[17]发现，后经大量研究证实，BMP可诱导间充质细胞不可逆地分化为骨、软骨、韧带、肌腱和神经组织，而且安全性高、诱导能力强，在一些国家，BMP已进入大规模的临床实验阶段^[18]。在骨科领域中，治疗股骨头缺血性坏死是其研究的内容之一。

然而，与VEGF165相同，BMP在体内的生物半衰期较短，这就促使许多研究者将目光投向了BMP的基因治疗研究。Wozney等^[19]于1988年首次报道了BMP-1、BMP-2A、BMP-2B和BMP-3的cDNA的克隆及表达，以后相继有16种不同的BMP cDNA得到克隆。在BMP家族中，BMP-2、BMP-4和BMP-7具有较强活性。Lieberman等^[20]将整合有BMP-2基因的腺病毒载体体外转染大鼠骨髓基质细胞后，混合脱钙骨基质植入兔股骨骨缺损间隙内，术后2个月进行放射学、组织学及组织形态计量学检查，结果显示，基因转染组的骨缺损被粗骨小梁填充，而BMP治疗组新生骨薄且少；组织形态计量学检查显示，基因转染组的新生骨总面积明显多于BMP治疗组和普通骨髓细胞治疗组。Baltzer等^[21]进行了相似的实验，他们将整合有BMP-2基因的腺病毒载体植入兔股骨骨缺损间隙内，5周后即发现骨断端之间有骨性连接，而对照组动物骨缺损始终未愈合。Fang等^[22]将Ⅰ型胶原与整合有BMP-4基因的质粒DNA植入大鼠骨缺损间隙内，局部成纤维细胞摄取目的基因，4周后BMP-4有功能性表达，同时有新骨形成；另外，他们又将分别携带有甲状旁腺素基因和BMP-4基因的质粒混合后植入大鼠股骨缺损模型内，结果骨缺损愈合明显加快。这些研究都表明BMP基因治疗同样具有成骨能力，有望成为一种新的治疗手段。

肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）是存在于急性肝损伤动物血浆中的蛋白因子，它能刺激肝细胞的DNA合成，在肝再生过程中起重要作用。越来越多的报道表明，HGF不只是作用于肝再生，对许多组织和细胞的生长、分化也起重要的调控作用^[23-25]，正是基于这一理念，人们将其用于治疗股骨头缺血性坏死。

党洪胜等^[24]用脂质体介导人HGF（human HGF, hHGF）基因体外转染兔颅骨中的成骨细胞，然后将细胞通过髓芯减压后移植于坏死的股骨头内，结果发现，实验组与对照组在骨小梁和新生血管数方面的差异有统计学意义，由此证明，hHGF基因转染可促进缺血性股骨头的血管新生，并增加骨形成，显著促进坏死骨的修复。楼晓等^[26]用HGF基因修饰的自体骨髓间充质干细胞治疗1例国际骨循环研究会分期为ⅢB期的股骨头缺血性坏死患者，术后随访9个月，患者髋关节疼痛指数较治疗前显著降低，髋关节临床症状及活动度Harris评分均显著提高。这些证据皆表明HGF基因治疗股骨头缺血性坏死是有效的。

骨修复的细胞因子中，VEGF和BMP均被认为是对骨再生修复具有重要作用的关键物质。近年来的研究结果提示，VEGF和BMP可能作用于骨形成的不同阶段，并存在协同作用，BMP促进成骨细胞分泌VEGF，使血管发生与骨形成成为相互关联、相互促进的过程^[27-28]。Zhang等^[29]用AAV构建了4种基因系统：治疗组AAV-VEGF165/BMP-7、AAV-VEGF165、AAV-BMP-7及对照组AAV-绿色荧光蛋白，以期用来治疗兔后肢缺血性坏死，8周后观察到AAV-VEGF165/BMP-7组血管再生、原位骨化及骨钙沉积显著优于其他各组。

Li等^[30]比较了用中药、VEGF基因以及中药联合VEGF基因治疗兔股骨头缺血性坏死的疗效，与对照组比较发现，上述3种方法都有效果，但是中药联合VEGF基因治疗在促进缺血性坏死股骨头的血管再生和侧支循环重建等关键指标上明显优于其他各组。Cao等^[31]用脱蛋白骨联合VEGF165治疗兔缺血性股骨头坏死，也得到了较为理想的效果。这些研究说明，适当的基因联合治疗，包括干细胞与基因联合治疗可以发挥基因和其他因素的优点，在治疗中起到正向协同作用，优于单纯基因治疗的效果。

孔繁荣等^[32]研究发现，体外冲击波疗法可以明显修复和重建骨组织，改善髋关节Harris评分，改善髋关节功能，因此认为它是一种疗效显著的、非侵入性治疗股骨头缺血性坏死的方法，而且并发症少，操作简单。常廷杰等^[33]发现髓心减压联合自体干细胞移植有较好的疗效。总之，随着研究的进展和技术的进步，各种新方法还会不断涌现。

目前，临床诊断股骨头缺血性坏死的方法比较多，而且技术也相当成熟，然而还没有一种有效的方法可以早期无创性地监测缺血性股骨头坏死基因治疗后的修复过程以及治疗基因的表达情况。以往的早期监测多是有创地取组织进行免疫细胞化学、逆转录聚合酶链反应、Western blot等监测，临床上不宜推广应用。因此，如何早期、无创、在体监测转基因干细胞移植的疗效极具意义，也是当今研究的热点。

传统的影像学大多是提供解剖学的信息，无法在组织形态发生改变之前提供更多的功能信息，因此，要实现早期无创性监测，必须开辟一条新的途径，从分子水平上进行监测。报告基因显像是近年来建立起来的分子影像技术，可提供基因表达的分子信息，是目前早期无创性监测治疗基因表达的有效方法。报告基因是一种编码可被检测的蛋白质或酶的基因，其表达产物很容易被鉴定。选择适当的载体，用基因工程技术将报告基因与治疗基因连接起来构建同源重组载体，由于报告基因与治疗基因的表达具有高度相关性，用来检测报告基因表达的高特异性的探针也能间接监测治疗基因的表达。

报告基因显像包括放射性核素报告基因显像、光学报告基因显像以及磁共振报告基因显像等。它们各有优缺点，核素报告基因显像灵敏度高、穿透力强，便于检测深部组织，但空间分辨率较低；光学报告基因显像灵敏度高但不能检测深部病变；磁共振报告基因显像具有较高的空间分辨率和组织分辨率，但是灵敏度较差。根据报告基因的编码产物不同，可分为以酶为基础的报告基因和以受体或配体为基础的报告基因等。以酶为基础的报告基因包括胸苷激酶、胞嘧啶脱氨酶、酪氨酸酶、精氨酸激酶、肌酸酐激酶、β-半乳糖苷酶、绿色荧光蛋白、萤火虫荧光素酶等；以受体或配体为基础的报告基因包括生长抑素受体、多巴胺2型受体、胃泌素释放肽受体、转铁蛋白受体及钠/碘同向转运体等^[34-35]。

由于具有灵敏度高（磁共振报告基因除外）、检测方便等特点，报告基因技术在启动子分析、监控转基因及其表达、细胞的信号转导与药物的筛选等领域有了广泛的应用^[36]。在活体监控转基因及其表达方面，报告基因显像已应用于各种肿瘤研究并取得了成功^[37-39]，在心血管方面也取得了不少成果^[40-42]。在越来越多的报告基因系统当中，核素报告基因由于具备较高的探测灵敏度（10^-12~10^-10 mol/L）和深度效应，具有较好的适用性。

为了克服单一报告基因显像的不足，双模式^{[25, 43]}和多模式报告基因显像也成为当今研究的热点。通过基因工程技术将多种报告基因或治疗基因进行融合，由于各个基因在表达时具有高度相关性，因而报告基因显像可以对治疗基因的表达进行间接监测。

基因治疗可以促进坏死股骨头的修复是不容置疑的，然而目前还没有一种无创性的早期监测手段见诸报道。用报告基因监测治疗基因的表达在体外研究中一般都能达到预期效果，但在动物模型研究中，限于仪器分辨率、灵敏度以及基因的表达量，其在体内监测股骨头缺血性坏死治疗基因的表达与修复仍处于探索阶段，目前尚未见成功的报道。因此，新的基因载体与分子探针的研究、多模式分子影像的发展将为股骨头缺血性坏死基因治疗的监测提供无创性的有效手段。