調(diào)控炎性細胞因子對骨修復的影響

郝健明(綜述)，練克儉(審校)

(中國人民解放軍第一七五醫(yī)院骨科醫(yī)院，福建漳州363000)

骨折愈合可以分為血腫炎癥機化期、骨痂形成期和骨板塑形期。炎癥是在骨折或骨損傷中發(fā)揮關(guān)鍵作用的生物反應。越來越多的研究表明，免疫系統(tǒng)可調(diào)控炎性反應，且可消滅炎癥對骨破壞的影響[1-3]。炎癥可分為細菌性和無菌性。細胞碎片和外來物均可刺激細胞產(chǎn)生很多細胞因子，從而發(fā)生一系列炎性反應。而細胞因子種類繁多，根據(jù)其對炎性反應的不同調(diào)控，可分為促炎因子和抗炎因子兩大類?，F(xiàn)就這兩類因子對骨折愈合影響的國內(nèi)外研究進展進行闡述。

1 促炎因子與骨修復

在臨床環(huán)境中促炎因子因?qū)堑钠茐男杂绊懚雒?。在骨組織工程戰(zhàn)略中骨再生可能性也沒有被廣泛探討。在生物材料研究中，腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細胞介素1(interleukin-1，IL-1)和其他炎性細胞因子是最有名的異物反應介質(zhì)，炎性反應不僅會導致嚴重的組織損傷也會使植入材料過早失效[4]。促炎癥分子也常會在風濕性疾病患者中影響骨代謝，關(guān)節(jié)炎患者中高水平的TNF-α和IL-1可直接導致關(guān)節(jié)和骨的破壞[5]。

1.1 TNF-α 慢性炎性刺激細胞產(chǎn)生活素類產(chǎn)物，導致內(nèi)源性TNF-α大量聚集，刺激骨的再吸收和抑制骨生成。TNF-α是與骨吸收有關(guān)的一個細胞因子，破骨細胞被激活使骨吸收加速從而破壞骨組織。體外實驗顯示，TNF-α可抑制成骨細胞分化[6]。

TNF-α和相關(guān)分子是引發(fā)細胞死亡還是促進細胞存活取決于他們所結(jié)合的特定的細胞表面受體、細胞類型以及隨后激活的胞內(nèi)級聯(lián)信號[7]。TNF-α 調(diào)節(jié)成骨細胞和破骨細胞的分化功能是通過TNF-α的兩個細胞表面受體腫瘤壞死因子受體1(tumor necrosis factor receptor 1，TNFR1)和TNFR2實現(xiàn)的。TNFR1始終存在于骨組織中，相比之下，TNFR2只在骨損傷后才會表達[8]。在體外培養(yǎng)系統(tǒng)中，TNF-α的信號會促進來自正常和TNFR1缺失小鼠細胞的骨形成。然而，在TNFR2缺失的細胞中，TNF-α的信號會刺激破骨細胞分化和骨吸收，結(jié)果是相反的[9]。TNFR2激活而產(chǎn)生的級聯(lián)信號可能會調(diào)節(jié)TNF-α在骨折愈合中的再生效應[6，9]。

在骨折愈合過程中，TNF-α及其受體TNFR1和TNFR2表達遵循雙相模式。小鼠骨損傷模型中24 h時TNF-α水平達峰值，72 h內(nèi)恢復到基線水平。TNF-α在此期間主要是由巨噬細胞和其他炎性細胞的表達[8，10]。TNF-α可以誘導級聯(lián)信號分子釋放發(fā)揮趨化作用并招募骨再生所需的細胞。TNF-α的水平在軟骨內(nèi)骨形成約2周后再次上升。在此期間，TNF-α由成骨細胞和骨髓間充質(zhì)源細胞表達，包括肥大軟骨細胞進行軟骨內(nèi)成骨[8，11]。

TNF-α缺陷的小鼠骨折愈合明顯受損，骨形成會延遲幾周。在損傷后前2天每日局部注射TNF-α后導致4周后骨折愈傷組織礦化明顯增加。然而，TNF-α缺陷的小鼠有正常的骨骼[12]。

TNF-α是重要的破骨細胞調(diào)控因子之一。體外研究表明，TNF-α刺激破骨細胞形成和骨吸收，增加骨髓培養(yǎng)時破骨細胞樣細胞的形成[13]。TNF-α增加巨噬細胞的吞噬功能，對許多免疫細胞有趨化和黏附作用，使之定位在結(jié)核感染部位，對防止感染擴散起著很重要的作用[14]。TNF-α在骨髓基質(zhì)細胞和破骨細胞前體細胞共培養(yǎng)中刺激破骨細胞形成的能力依賴于IL-1，但 TNF-α誘導骨溶解依賴于巨噬細胞刺激因子[15]。

盡管TNF-α對骨的影響已被研究了幾十年，但也是在最近才確認，這種分子也可以發(fā)揮相反的作用，這取決于它被釋放的環(huán)境。分子信號通路的刺激是TNF-α產(chǎn)生的間充質(zhì)干細胞在體外誘導成骨細胞分化的原因，而抑制TNF-α的釋放會減少成骨細胞分化的信號[7]。有研究認為，TNF-α也參與免疫病理，造成組織壞死。因此，TNF-α可依據(jù)具體的病理生理狀態(tài)不同而發(fā)揮促炎癥和抗炎癥作用[16]。

1.2 IL-1 IL-1主要是由免疫活性細胞所分泌的具有廣泛生物活性的多肽。與TNF-α不同，IL-1不影響骨骼發(fā)育，IL-1的缺乏不會影響體內(nèi)骨折愈合[17]。然而，缺乏IL-1α和(或)IL-1β(IL-1的兩種形式)的小鼠，相比正常小鼠具有較高的骨密度和股骨骨量，這已被歸因于破骨細胞發(fā)育受損[18]。預培養(yǎng)的間充質(zhì)干細胞誘導成骨細胞分化，暴露于IL-1β(無地塞米松)的培養(yǎng)液中，顯示早期和晚期成骨細胞分化標志物有顯著的劑量依賴性增加，而同時暴露于IL-1β和地塞米松卻有相反的效果。最近的一項研究報道指出，每日局部IL-1β注射可在骨折后第3天導致體內(nèi)骨再生輕微加速[17]。

IL-1雖然是一個獨特的因子，但其對骨的效果在很大程度上與TNF-α重疊。與TNF-α相同，IL-1的表達也是雙相模式。在骨折愈合的小鼠模型中，骨折后其水平立即上升，24 h后達到高峰，72 h則檢測不到，IL-1在這樣的炎性反應中主要體現(xiàn)在巨噬細胞的變化[8，19]。IL-1會觸發(fā) IL-6、前列腺素和其他促炎因子級聯(lián)信號的釋放，這也刺激血管生成和促進，穩(wěn)定骨折部位的軟骨痂形成。IL-1表達的第二個高峰期發(fā)生在損傷后大約3周，在此期間，IL-1主要是由成骨細胞表達并通過刺激蛋白酶降解愈傷組織來促進骨重構(gòu)。

骨折愈合過程中IL-1的不同功能可以歸結(jié)為IL-1兩個受體(IL-1RⅠ和IL-1RⅡ)表達的差異。在骨折愈合的小鼠模型中，IL-1RⅡ的表達也遵循相同的雙相模式。與此相反，IL-1RⅠ是在炎癥階段唯一可檢測到的指標[8]。IL-1RⅠ缺陷小鼠骨量減少，且破骨細胞會增加到基礎(chǔ)水平的2倍，在骨骼平衡中這種分子信號的重要性得以體現(xiàn)[20]。在關(guān)節(jié)炎的小鼠模型中，由于基因突變導致IL-1缺陷可以防止骨關(guān)節(jié)病。

1.3 IL-6 IL-6在正常骨骼發(fā)育和骨再生中是必需的。缺乏IL-6的小鼠骨密度降低，骨折愈合會受損[21]。在體外的成骨細胞分化研究中表明，暴露IL-63～6 d的成骨標志物Runx2和骨鈣素基因的表達增加[22]。在體內(nèi)骨折愈合模型中反復局部注射甲狀旁腺激素片段和IL-6，在損傷后前2周會顯著增加骨痂的機械強度并加速骨愈合。然而，此處理后會降低未受損傷的骨骼的機械強度[23]，這是因為全身性注射的效果，這也強調(diào)了需要一個控釋系統(tǒng)，以提供有針對性的細胞因子傳遞到骨損傷的部位。

在骨再生的小鼠模型中，傷后IL-6立即上升并且在第1周結(jié)束時恢復到基線水平[10]。IL-6調(diào)控成骨細胞和破骨細胞的分化，并且還通過刺激血管內(nèi)皮細胞生長因子的釋放促進血管生成[21]。與TNF-α和 IL-1不同，IL-6的表達被限制在炎癥期。在骨折愈合的重塑階段IL-6保持在基線水平[10]。IL-6缺乏可顯著延遲骨折愈合的早期階段，包括骨折骨痂的礦化和重構(gòu)。骨折2周后，IL-6缺陷的小鼠骨折部位礦化減少，軟骨含量增加;傷后4周，骨折愈合與IL-6充滿小鼠[21]。在人類患者中，IL-6骨折后幾個月持續(xù)上升，較高的水平會致?lián)p傷部位的承重能力下降[24]。

1.4 IL-8 IL-8是由諸多細胞(如單核細胞、中性粒細胞、淋巴細胞等)產(chǎn)生的具有趨化作用的早期炎性細胞因子。IL-8對中性粒細胞具有趨化作用，引導中性粒細胞變性及顆粒的釋放，是中性粒細胞激活和遷移的重要調(diào)控因子和進入受傷組織的重要介質(zhì)，是對損傷病理過程非常重要的細胞因子。TNF-α、IL-1β、內(nèi)毒素和病毒等可誘導這些細胞產(chǎn)生IL-8。研究證明，在感染、創(chuàng)傷患者的血清及局部均可檢測到高水平的IL-8，且IL-8的升高與疾病的進展、轉(zhuǎn)歸有關(guān)[25-26]。

2 抗炎因子與骨修復

2.1 IL-10 IL-10具有很強的抗炎及免疫抑制活性。它能抑制IL-2、干擾素γ及促炎因子的產(chǎn)生和釋放，能抑制人的Th2導致細胞增生和細胞因子產(chǎn)生的減少。在體內(nèi)，IL-10合成晚于促炎細胞因子。有研究顯示，在脂多糖攻擊約30 min后即可見促炎細胞因子的大量釋放，而IL-10則在脂多糖攻擊后6～8 h達到高峰，較促炎細胞因子反應延遲[27]。這一現(xiàn)象支持IL-10在體內(nèi)發(fā)揮促炎反應負調(diào)控劑的角色。IL-10已在人類和動物模型炎性疾病證明能成功地減少炎癥和改善功能。

Mohamed等[28]利用小鼠 RAW264.7巨噬細胞系和小鼠骨髓細胞研究得出，IL-10抑制小鼠和大鼠的破骨細胞形成和骨吸收功能，IL-10可通過抑制活化T細胞核因子c1的表達和核轉(zhuǎn)位間接上調(diào)骨保護素的表達，下調(diào)成骨細胞的核因子κB受體活化劑配體和巨噬細胞刺激因子的表達，從而抑制破骨細胞形成。IL-10缺失小鼠骨質(zhì)疏松，牙周泡狀骨丟失顯著增加[29]。

調(diào)節(jié)性T細胞可產(chǎn)生免疫調(diào)節(jié)分子，如IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子β，直接影響細胞毒性T細胞和抗原呈遞細胞的功能;下調(diào)促炎細胞因子干擾素γ和TNF-α的產(chǎn)生及直接抑制IL-2 mRNA的轉(zhuǎn)錄，進而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[30]。

2.2 IL-4 IL-4是由活化的T細胞產(chǎn)生的細胞因子，在體內(nèi)、體外均證實IL-4可以抑制IL-1、IL-6和TNF分泌，并促進IL-1Ra產(chǎn)生，發(fā)揮抗炎作用。

IL-4是一個所謂的“抑制性細胞因子”，這是免疫學中的術(shù)語，傾向于抵消TNF-α和IL-1的促炎效應的分子[31]。IL-4的目標是抑制破骨細胞和成骨細胞在體內(nèi)的骨重構(gòu)。重組IL-4和IL-13的局部調(diào)節(jié)對治療或預防骨質(zhì)溶解可能更可行有效[32]。在一項研究中，植入異種脫鈣骨基質(zhì)刺激體內(nèi)異位成骨，缺乏IL-4和IL-13減少新生血管形成，這一發(fā)現(xiàn)可能影響骨組織工程的發(fā)展策略[33]。

3 結(jié)語

正常且適度的炎性反應是機體的一種防御反應，可以促進骨折愈合;但是感染、類風濕性關(guān)節(jié)炎或其他原因引起的長期慢性炎性反應，則對骨折愈合不利。細胞因子在炎性反應應答調(diào)節(jié)機制中至關(guān)重要，是細胞與細胞間相互溝通的信號之一，細胞因子間相互協(xié)同或拮抗作用介導并維持細胞間的協(xié)調(diào)。細胞因子的變化可早期、準確地反映炎癥狀況。炎性細胞因子對骨的影響取決于其表達的時間和環(huán)境。一個單一的細胞因子可以促進骨修復和溶解。這些分子機制將會被進一步研究以便合理控制炎癥和誘導骨再生。

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