雌激素與免疫在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)理中的研究進(jìn)展

鄭倩華　秦爾奇　趙中亭　孫瑋　李瑛

【摘要】 骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis，OPS）是一種以單位體積內(nèi)骨量低于正常為特征的骨骼疾患，是骨質(zhì)有機(jī)成分生成不足、繼發(fā)性鈣鹽減少及骨組織微細(xì)結(jié)構(gòu)破壞為主要表現(xiàn)的一類疾病。絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥（postmenopausal osteoporosis，PMO）屬于原發(fā)性O(shè)PS，其與絕經(jīng)后雌激素的減少有著密不可分的關(guān)系。近年來，許多研究表明骨骼疾病如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、骨轉(zhuǎn)移、牙周炎和OPS等的發(fā)生與免疫系統(tǒng)有著密切的關(guān)系，從而新生了骨免疫學(xué)這一交叉學(xué)科。PMO的發(fā)生不僅與雌激素能影響破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的功能有關(guān)，還與其能影響絕經(jīng)后免疫系統(tǒng)及多種細(xì)胞因子等功能有關(guān)。本文就PMO與絕經(jīng)后免疫系統(tǒng)之間的關(guān)系展開簡(jiǎn)要論述。

【關(guān)鍵詞】 絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松； 免疫系統(tǒng)； 雌激素； 淋巴細(xì)胞； 細(xì)胞因子

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥（Postmenopausal Osteoporosis，PMO）是指絕經(jīng)后婦女由于卵巢功能衰退，雌激素水平下降，并伴隨卵泡刺激素水平上升，從而在骨代謝過程中，骨吸收大于骨形成，出現(xiàn)以骨量減少和骨微觀結(jié)構(gòu)的退化為特征，致使骨脆性增加而易發(fā)生骨折的一種全身性代謝性疾病[1-2]。由于絕經(jīng)的出現(xiàn)，女性BMD迅速降低，而隨著年齡的增加因骨質(zhì)疏松所引起的骨折發(fā)生率也隨之增高[3]。

1 骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)理概述

骨骼隨時(shí)都在進(jìn)行吸收和形成的重建過程，這一過程發(fā)生在骨的基本結(jié)構(gòu)即基本多細(xì)胞單位中，其包括了成骨細(xì)胞（osteoblast，OB）、破骨細(xì)胞（osteoclast，OC）及骨細(xì)胞的偶聯(lián)作用，即OC促骨吸收而OB促骨形成的作用。當(dāng)OC和OB兩者數(shù)量、活性及功能不平衡時(shí)可引起偶聯(lián)失衡，而出現(xiàn)相應(yīng)的臨床癥狀。當(dāng)然，這一偶聯(lián)的平衡受到了多種細(xì)胞因子及其受體等的調(diào)節(jié)，而在此之中骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）和核轉(zhuǎn)錄因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor κB ligand，RANKL）的平衡顯得尤為重要。OPG為腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）受體超家族的一員，又稱護(hù)骨素、骨保護(hù)蛋白、OC生成抑制因子，雖然有多種細(xì)胞都可以產(chǎn)生OPG，但OB、OB前體細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞及骨髓基質(zhì)細(xì)胞是其主要的產(chǎn)生源。OPG是OB分化過程中產(chǎn)生的對(duì)OC抑制的細(xì)胞因子，其與核轉(zhuǎn)錄因子κB受體活化因子（receptor activator of nuclear factor κB，RANK）競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合RANKL而抑制了RANKL誘導(dǎo)OC前體細(xì)胞分化增殖和促進(jìn)成熟OC活化的作用，故在骨重建中起到骨保護(hù)的作用。如過度表達(dá)OPG還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的骨硬化病[4]。而RANK是RANKL作用于OC及OC前體細(xì)胞的信號(hào)受體，RANK mRNA在骨髓來源的OC前體和體內(nèi)成熟OC上高度表達(dá)。RANK與RANKL結(jié)合后通過不同的信號(hào)傳導(dǎo)途徑激活核轉(zhuǎn)錄因子κB，從而令OC前體細(xì)胞和OC的功能活化，導(dǎo)致骨吸收[5]。因此，OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)是OC的分化成熟及功能的重要信號(hào)通路，也是許多生物活性物質(zhì)參與到骨代謝活動(dòng)中的共有通路[6]。在臨床中，該系統(tǒng)的平衡失調(diào)會(huì)出現(xiàn)骨代謝疾病。臨床現(xiàn)已將此系統(tǒng)作為骨代謝疾病臨床治療的重要靶點(diǎn)之一[7]。

2 絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松與免疫系統(tǒng)的關(guān)系

PMO的發(fā)生雖與多種因素有關(guān)，但雌激素缺乏是其發(fā)病的根本原因。OC和OB表面都有雌激素受體（estrogen receptor，ER），故雌激素水平的降低可通過ER直接影響OC、OB功能，也可通過調(diào)節(jié)OB和免疫細(xì)胞的功能間接影響OC的活性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雌二醇能有效地抑制RANKL誘導(dǎo)的c-Jun氨基末端激酶的活性而降低細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子c-Fos和c-Jun的水平，從而減少OC前體細(xì)胞對(duì)RANKL的應(yīng)答，同時(shí)雌激素可通過抑制OB、T、B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生RANKL和增加OPG的雙重作用來抑制OC的形成和活性[8-9]。

2.1 雌激素對(duì)T、B淋巴細(xì)胞的影響 絕經(jīng)后雌激素水平的變化對(duì)T、B淋巴細(xì)胞的功能都有影響。正常雌激素水平可上調(diào)調(diào)節(jié)性T淋巴細(xì)胞FoxP3的表達(dá)，從而加強(qiáng)其對(duì)自身免疫過程的調(diào)控活性[10]。但絕經(jīng)后雌激素水平下降可導(dǎo)致T淋巴細(xì)胞功能活化，從而導(dǎo)致多種輔助T淋巴細(xì)胞（helper T cell，Th）的活性變化，如Th17，其可通過產(chǎn)生大量的RANKL及產(chǎn)生可誘導(dǎo)骨髓基質(zhì)細(xì)胞和OB產(chǎn)生RANKL的IL-17來促進(jìn)OC前體細(xì)胞的分化和成熟[11]。除此以外，活化的T淋巴細(xì)胞也產(chǎn)生如白細(xì)胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、IL-6、7、TNF和干擾素γ（interferon-γ，IFN-γ）等細(xì)胞因子直接或間接的影響OC的分化及功能[12]。絕經(jīng)后的女性體內(nèi)T淋巴細(xì)胞活性增強(qiáng)，產(chǎn)生的細(xì)胞因子如TNF-α、RANKL亦增多，從而導(dǎo)致PMO的發(fā)生，而通過補(bǔ)充雌激素，可降低這些細(xì)胞因子的水平從而抑制PMO的發(fā)生[13-14]。由此可知，不同T淋巴細(xì)胞亞群對(duì)OC具有雙向作用，但在雌激素缺乏的狀態(tài)下，T淋巴細(xì)胞則主要發(fā)揮著促進(jìn)OC分化成熟的作用[15]。

近年來B淋巴細(xì)胞與PMO的關(guān)系也逐漸受到人們的重視。生理狀態(tài)下，外周血中的B淋巴細(xì)胞通過分泌TGF-β來誘導(dǎo)OC的凋亡，及在骨微環(huán)境中提高OPG的水平來抑制OC的形成[16-17]。Li等[18]發(fā)現(xiàn)無B淋巴細(xì)胞的小鼠因?yàn)镺PG水平降低會(huì)出現(xiàn)OPS，而移植B淋巴細(xì)胞后這種情況可以得到有效抑制。臨床研究中Breuil等[19]將26例患有PMO并發(fā)生骨折的絕經(jīng)后婦女與24例年齡及雌激素水平相似的健康對(duì)照者進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，患有PMO者其外周血中B淋巴細(xì)胞CD19+、記憶B淋巴細(xì)胞CD19+/CD27+、CD38+（CD19+/CD27+/CD5-/CD38+）和RANK+（CD19+/CD27+/RANK+）的記憶B淋巴細(xì)胞的減少與BMD呈負(fù)相關(guān)。而雌激素缺乏時(shí)，B淋巴細(xì)胞前體細(xì)胞還會(huì)直接分化為OC[16]。同時(shí)，Li等[18]還發(fā)現(xiàn)T淋巴細(xì)胞在卵巢切除后活化，其表達(dá)的共刺激分子配體CD40L與B淋巴細(xì)胞表面CD40結(jié)合，從而促進(jìn)B淋巴細(xì)胞對(duì)OPG的產(chǎn)生。如果T淋巴細(xì)胞缺陷，或無CD40和CD40L的表達(dá)，小鼠將表現(xiàn)OPG減少及骨質(zhì)疏松。這也說明，在維持骨代謝的平衡上，T、B淋巴細(xì)胞可相互作用、相互影響，從而發(fā)揮重要作用。endprint

2.2 細(xì)胞因子的調(diào)控作用

2.2.1 TNF、IFN和TGF的作用 當(dāng)雌激素缺乏時(shí)，TNF通過上調(diào)基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的RANKL和巨噬細(xì)胞集落刺激因子的水平，及增加OC前體細(xì)胞對(duì)RANKL的敏感性來促進(jìn)OC前體細(xì)胞的增殖分化和成熟OC的活性，以及抑制OB的形成和成熟OB的功能來增強(qiáng)骨吸收作用[15，20]。Roggia等[15]發(fā)現(xiàn)卵巢切除小鼠的TNF水平升高進(jìn)而出現(xiàn)骨質(zhì)丟失，如果無TNF生成或無該受體，將不再出現(xiàn)骨質(zhì)丟失。另外，活體實(shí)驗(yàn)證明，雌激素缺乏可令I(lǐng)FN-γ促進(jìn)OC對(duì)骨質(zhì)的吸收作用，而缺少IFN-γ和IFN-γ受體的卵巢切除小鼠可不出現(xiàn)骨質(zhì)丟失[21]。這是因?yàn)樽鳛榭乖岢始せ钜蜃樱诖萍に厝狈r(shí)高水平的IFN-γ可增加誘導(dǎo)組織相容性復(fù)合體Ⅱ類分子轉(zhuǎn)錄激活因子（major histocompatibility complex Ⅱ transactivator，CⅡTA）表達(dá)的效力，而CⅡTA是基因轉(zhuǎn)錄的共刺激因子，可促進(jìn)Ⅱ類組織相容性抗原的表達(dá)，加強(qiáng)巨噬細(xì)胞（macrophages，M?）和樹突狀細(xì)胞的抗原提呈作用，最終使T淋巴細(xì)胞活化及生命周期延長(zhǎng)，而活化的T淋巴細(xì)胞又令大量TNF-α和RANKL的生成，從而促進(jìn)OC的各種活性功能[21]。而正常雌激素水平可誘導(dǎo)OC、OB等對(duì)TGF-β的表達(dá)和生成，從而抑制T淋巴細(xì)胞的增殖活化，減少IFN-γ、TNF及RANKL的產(chǎn)生[22]。Gao等[23]發(fā)現(xiàn)卵巢切除小鼠TGF mRNA的表達(dá)明顯較假手術(shù)組降低，從而出現(xiàn)骨丟失，而高水平TGF-β則能抑制并逆轉(zhuǎn)這種現(xiàn)象。

2.2.2 IL-6、IL-1和IL-7的作用 雌激素能抑制M?、骨髓細(xì)胞、滑膜細(xì)胞及OB等分泌IL-6[15，22]。絕經(jīng)后患有PMO的婦女比擁有正常BMD的婦女表達(dá)更多的IL-6 mRNA，血清IL-6水平與BMD呈負(fù)相關(guān)[24-25]。這是因?yàn)镮L-6可刺激OB產(chǎn)生RANKL，亦能促使初始CD4+ T淋巴細(xì)胞向Th17分化，從而增加RANKL和IL-17的水平[26]。同時(shí)，IL-6也可增加IL-1和TNF對(duì)OC前體細(xì)胞的刺激作用[26]。而使用IL-6中和抗體后，可見骨丟失被抑制[24]。

IL-1可促進(jìn)骨髓基質(zhì)細(xì)胞和OB產(chǎn)生RANKL，并增強(qiáng)OC活性。IL-1可直接作用于OC前體細(xì)胞，并調(diào)節(jié)TNF活性和增強(qiáng)基質(zhì)細(xì)胞RANKL的產(chǎn)生而促進(jìn)OC前體細(xì)胞的分化[27]。IL-1與TNF都具有強(qiáng)大的抗OC凋亡的作用，從而令骨吸收作用增強(qiáng)[28]。

IL-7具有促T、B淋巴細(xì)胞分化和抗其凋亡的作用，對(duì)維持T、B淋巴細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定起到了重要作用。雌激素缺乏時(shí)，IL-7也可影響到T、B淋巴細(xì)胞的功能及多種細(xì)胞因子的分泌水平。Weitzmann等[16]發(fā)現(xiàn)，卵巢切除小鼠骨髓中的IL-7水平明顯增高；而正常小鼠在注射了IL-7后也可觀察到T淋巴細(xì)胞分泌的RANKL和TNF水平的增高，而使用抗體中和IL-7后，能有效地抑制T淋巴細(xì)胞的分化和減少外周血中初始T淋巴細(xì)胞和記憶T淋巴細(xì)胞的增殖，同時(shí)亦可減少IFN-γ和IFN-γ的抗原提呈作用，從而減弱骨質(zhì)破壞作用，使骨形成增加[21，29-30]。

綜上所述，雌激素可調(diào)節(jié)T、B淋巴細(xì)胞的活性及其產(chǎn)生的一系列細(xì)胞因子的水平，使之參與到骨代謝的活動(dòng)中。而這些細(xì)胞因子又可相互作用，并反過來影響到淋巴細(xì)胞的功能。雌激素與淋巴細(xì)胞、細(xì)胞因子這種錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系在骨代謝的活動(dòng)中發(fā)揮著相互制約或是協(xié)同的作用。

3 結(jié)語

近年來，越來越多的研究已經(jīng)表明免疫系統(tǒng)對(duì)骨骼的生理病理都有著至關(guān)重要的作用。盡管目前研究多以動(dòng)物模型作為載體，但對(duì)于PMO機(jī)理的臨床研究也逐漸增多。本文對(duì)免疫系統(tǒng)與PMO基于雌激素水平的關(guān)系做了簡(jiǎn)要的概述?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)研究不僅對(duì)臨床新藥開發(fā)提供思路，也為對(duì)PMO研究而進(jìn)行的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床科研提供思路，為提高PMO臨床療效起到指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Anonymous.Consensus development conference：diagnosis，prophylaxis and treatment of osteoporosis[J].Am J Med，1993（94）：646-650.

[2] Riggs B L，Khosla S，Melton L J.Sex steroids and the construction and conservation of the adult skeleton[J].Endocrine Reviews，2002，23（3）：279-302.

[3] NIH Consensus Development Panel on Osteoporosis Prevention，Diagnosis，and Therapy.Osteoporosis prevention，diagnosis，and therapy[J].Jama，2001，285（6）：785-795.

[4] Khosla S.Minireview：The opg/rankl/rank system[J].Endocrinology，2001，142（12）：5050-5055.

[5] Boyle W J，Simonet W S，Lacey D L.Osteoclast differentiation and activation[J].Nature，2003，423（6937）：337-342.

[6] Weitzmann M N.The role of inflammatory cytokines，the RANKL/OPG axis，and the immunoskeletal interface in physiological bone turnover and osteoporosis[J].Scientifica，2013，（2013）：125 705.endprint

[7] Martin T J.Historically significant events in the discovery of RANK/RANKL/OPG[J].World J Orthop，2013，4（4）：186.

[8] Srivastava S，Toraldo G，Weitzmann M N，et al.Estrogen decreases osteoclast formation by down-regulating receptor activator of NF-κB ligand （RANKL）-induced JNK activation[J].J Biol Chem，2001，276（12）：8836-8840.

[9] Hotokezaka H，Sakai E，Ohara N，et al.Molecular analysis of RANKL-independent cell fusion of osteoclast-like cells induced by TNF-α，lipopolysaccharide，or peptidoglycan[J].J Cell Biochem，2007，101（1）：122-134.

[10] Polanczyk M J，Carson B D，Subramanian S，et al.Cutting edge：estrogen drives expansion of the CD4+ CD25+ regulatory T cell compartment[J].J Immunol，2004，173（4）：2227-2230.

[11] Kotake S，Udagawa N，Takahashi N，et al.IL-17 in synovial fluids from patients with rheumatoid arthritis is a potent stimulator of osteoclastogenesis[J].J Clin Invest，1999，103（9）：1345-1352.

[12] Jurado S，Garcia-Giralt N，Díez-Pérez A，et al.Effect of IL-1β，PGE2，and TGF-β1 on the expression of OPG and RANKL in normal and osteoporotic primary human osteoblasts[J].J Cell Biochem，2010，110（2）：304-310.

[13] DAmelio P，Grimaldi A，Di Bella S，et al.Estrogen deficiency increases osteoclastogenesis up-regulating T cells activity：a key mechanism in osteoporosis[J].Bone，2008，43（1）：92-100.

[14] Rogers A，Eastell R.The effect of 17beta-estradiol on production of cytokines in cultures of peripheral blood[J].Bone，2001，29（1）：30-34.

[15] Roggia C，Gao Y，Cenci S，et al.Up-regulation of TNF-producing T cells in the bone marrow：a key mechanism by which estrogen deficiency induces bone loss in vivo[J].Proc Natl Acad Sci，2001，98（24）：13 960-13 965.

[16] Weitzmann M N，Cenci S，Haug J，et al.B lymphocytes inhibit human osteoclastogenesis by secretion of TGFβ[J].J Cell Biochem，2000，78（2）：318-324.

[17] Thirunavukkarasu K，Miles R R，Halladay D L，et al.Stimulation of osteoprotegerin （OPG） gene expression by transforming growth factor-β （TGF-β）.Mapping of the OPG promoter region that mediates TGF-β effects[J].J Biol Chem，2001，276（39）：36 241-36 250.

[18] Li Y，Toraldo G，Li A，et al.B cells and T cells are critical for the preservation of bone homeostasis and attainment of peak bone mass in vivo[J].Blood，2007，109（9）：3839-3848.

[19] Breuil V，Ticchioni M，Testa J，et al.Immune changes in post-menopausal osteoporosis：the Immunos study[J].Osteoporos Int，2010，21（5）：805-814.

[20] Pacifici R.T cells：critical bone regulators in health and disease[J].Bone，2010，47（3）：461-471.endprint

[21] Gao Y，Grassi F，Ryan M R，et al.IFN-γ stimulates osteoclast formation and bone loss in vivo via antigen-driven T cell activation[J].J Clin Invest，2007，117（1）：122-132.

[22] Pfeilschifter J，Kditz R，Pfohl M，et al.Changes in proinflammatory cytokine activity after menopause[J].Endocr Rev，2002，23（1）：90-119.

[23] Gao Y，Qian W P，Dark K，et al.Estrogen prevents bone loss through transforming growth factor β signaling in T cells[J].Proc Natl Acad Sci USA，2004，101（47）：16618-16623.

[24] Jilka R L，Hangoc G，Girasole G，et al.Increased osteoclast development after estrogen loss：mediation by interleukin-6[J].Science，1992，257（5066）：88-91.

[25] Gertz E R，Silverman N E，Wise K S，et al.Contribution of serum inflammatory markers to changes in bone mineral content and density in postmenopausal women：a 1-year investigation[J].J Clin Densitom，2010，13（3）：277-282.

[26] Bellido T，Stahl N，F(xiàn)arruggella T J，et al.Detection of receptors for interleukin-6，interleukin-11，leukemia inhibitory factor，oncostatin M，and ciliary neurotrophic factor in bone marrow stromal/osteoblastic cells[J].J Clin Invest，1996，97（2）：431.

[27] Kimble R B，Bain S，Pacifici R.The functional block of TNF but not of IL-6 prevents bone loss in ovariectomized mice[J].J Bone Min Res，1997，12（6）：935-941.

[28] Wei S，Kitaura H，Zhou P，et al.IL-1 mediates TNF-induced osteoclastogenesis[J].J Clin Invest，2005，115（2）：282-290.

[29] Toraldo G，Roggia C，Qian W P，et al.IL-7 induces bone loss in vivo by induction of receptor activator of nuclear factor κB ligand and tumor necrosis factor α from T cells[J].Proc Natl Acad Sci，2003，100（1）：125-130.

[30] Ryan M R，Shepherd R，Leavey J K，et al.An IL-7-dependent rebound in thymic T cell output contributes to the bone loss induced by estrogen deficiency[J].Proc Natl Acad Sci USA，2005，102（46）：16 735-16 740.

（收稿日期：2014-02-14） （本文編輯：歐麗）endprint