磨損顆粒誘導(dǎo)的假體周圍骨溶解相關(guān)免疫學(xué)研究進(jìn)展

彭 鋰 宋科官

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磨損顆粒誘導(dǎo)的假體周圍骨溶解相關(guān)免疫學(xué)研究進(jìn)展

彭 鋰 宋科官

本文綜述了磨損顆粒誘導(dǎo)的假體周圍骨溶解的相關(guān)免疫學(xué)研究現(xiàn)狀。 筆者廣泛查閱了近年國(guó)內(nèi)外與磨損顆粒誘導(dǎo)的假體周圍骨溶解相關(guān)免疫學(xué)研究的相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行總結(jié)分析后發(fā)現(xiàn)，在固有免疫應(yīng)答反應(yīng)和適應(yīng)性免疫應(yīng)答反應(yīng)中，磨損顆粒可以通過(guò)Toll樣受體途徑、NALP3途徑激活和募集假體周圍的巨噬細(xì)胞、破骨細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等，并且使這些細(xì)胞釋放一系列細(xì)胞因子發(fā)生從而加速骨溶解的發(fā)生。固有免疫和適應(yīng)性免疫應(yīng)答均在磨損顆粒誘導(dǎo)的假體周圍骨溶解過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，這為假體周圍骨溶解的機(jī)制提供了更廣泛的思路，也為今后的免疫學(xué)方面的治療提供了依據(jù)。

固有免疫 適應(yīng)性免疫 骨溶解

無(wú)菌性松動(dòng)引起的假體周圍骨溶解是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，因假體磨損而產(chǎn)生的磨損顆粒引起的骨-假體平面間的炎性反應(yīng)是引起無(wú)菌性松動(dòng)的主要因素[1]。這種炎性反應(yīng)是由磨損顆粒作用于固有免疫細(xì)胞即巨噬細(xì)胞所導(dǎo)致的。有文獻(xiàn)表明，磨損顆粒也可以引起適應(yīng)性免疫反應(yīng)，有些學(xué)者將其稱為“金屬過(guò)敏”。但是，經(jīng)大量研究證實(shí)，這種炎性反應(yīng)主要是由巨噬細(xì)胞參與的固有免疫反應(yīng)所導(dǎo)致的，在這個(gè)過(guò)程中DAMP和PAMP共同作為第一信使誘導(dǎo)了這種有多種細(xì)胞因子參與的炎性反應(yīng)[2]。

一、固有免疫

1.巨噬細(xì)胞：研究表明，巨噬細(xì)胞是松動(dòng)的假體周圍最初聚集于有炎性反應(yīng)位置的細(xì)胞之一[3]。從髖關(guān)節(jié)翻修患者手術(shù)部位取得的假膜組織經(jīng)切片觀察后可以發(fā)現(xiàn)大量吞噬了磨損顆粒的巨噬細(xì)胞[4]。巨噬細(xì)胞吞噬顆粒后會(huì)產(chǎn)生一系列促炎性因子從而影響假體周圍的其他細(xì)胞[5]。因此，由于磨損顆粒具有生物學(xué)活性并且會(huì)引起固有免疫應(yīng)答，所以磨損顆粒的數(shù)量、外形、生產(chǎn)率和抗原性等都對(duì)骨溶解發(fā)生的程度和時(shí)間都有重要意義[6,7]。這些促炎性因子包括IL-1α、 IL-1β、 IL-6、 IL-10、 IL-11、 IL-15、TNF-α、 TGF-β、 GM-CSF、 M-CSF和VEGF。一些更加微小的、未被報(bào)道過(guò)的細(xì)胞因子很有可能也參與了這一炎性反應(yīng)過(guò)程。這些炎性因子的復(fù)雜相互作用關(guān)系至今尚未被完全闡明。M-CSF等可以直接刺激破骨細(xì)胞形成，IL-1、 IL-6、TNF-α可以影響成骨細(xì)胞等其他細(xì)胞從而間接激活破骨細(xì)胞并且刺激巨噬細(xì)胞釋放更多的細(xì)胞因子。GM-CSF可以參與多核巨細(xì)胞的形成，多核巨細(xì)胞的功能與破骨細(xì)胞相似。

由巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、和成骨細(xì)胞分泌的趨化因子同樣是固有免疫對(duì)磨損顆粒的重要應(yīng)答產(chǎn)物之一[8,9]。在假體發(fā)生無(wú)菌性松動(dòng)的過(guò)程中，這些由巨噬細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分泌的趨化因子如IL-8、 MCP-1、 MIP-1α、 CCL17/TARC、 CCL22/MDC等的表達(dá)量會(huì)在磨損顆粒的刺激下增加。在這些趨化因子的作用下，巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞會(huì)向假體周圍遷移從而加速骨溶解的發(fā)生。MCP-1、 MIP1 (CCL-2)、 MIP-1α (CCL3)等趨化因子表達(dá)量的增加已經(jīng)在從發(fā)生假體松動(dòng)的患者的假體周圍取得的組織中和在不同種類磨損顆粒刺激下的體外培養(yǎng)的巨噬細(xì)胞分子生物學(xué)分析中得到了證實(shí)[10]。與MIP-1α由巨噬細(xì)胞分泌不同，在鈦顆粒和PMMA顆粒的刺激下成纖維細(xì)胞也會(huì)分泌更多的MCP-1。應(yīng)用UHMWPE和PMMA顆粒負(fù)荷下的小鼠模型體外實(shí)驗(yàn)表明，CCR2受體基因敲除或CCR2受體被拮抗后，巨噬細(xì)胞遷移明顯受到抑制，阻斷CCR1或CCR2能抑制體外實(shí)驗(yàn)中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移，阻斷破骨細(xì)胞和人成骨細(xì)胞的CCL17/TARC和CCL22/MDC及其在破骨細(xì)胞前體的同源性受體CCR4會(huì)降低破骨細(xì)胞前體向骨-假體界面的遷移量[11]。

2.破骨細(xì)胞:破骨細(xì)胞在骨溶解相關(guān)的固有免疫應(yīng)答過(guò)程中發(fā)揮了極其重要的作用，它是主要的骨吸收細(xì)胞，這一作用主要是由激動(dòng)RANK-RANKL-OPG通路實(shí)現(xiàn)的，RANK-RANKL-OPG通路可以激活一系列的下級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑從而激活破骨細(xì)胞，但是無(wú)論在病理過(guò)程中還是在正常狀態(tài)下，這一通路都會(huì)和其他通路相互作用從而調(diào)整骨動(dòng)態(tài)平衡[12]。研究發(fā)現(xiàn)RANK/OPG的比率與骨溶解相關(guān)，因此研究者普遍認(rèn)為RANK/OPG比率升高可導(dǎo)致骨溶解的發(fā)生[12]。同時(shí)研究表明，RANKL于RANK結(jié)合后可激活該通路，但RANKL主要不是由破骨細(xì)胞分泌的，這個(gè)觀點(diǎn)主要由3個(gè)方面證實(shí)：①對(duì)骨溶解患者假體周圍界膜的組織學(xué)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)中RANKL表達(dá)升高，同時(shí)界膜組織內(nèi)有大量巨噬細(xì)胞、白細(xì)胞和成纖維細(xì)胞聚集；②OPG或RANK拮抗劑RANK-Fc與RANKL結(jié)合，或敲除RANK基因后可以阻止磨損顆粒誘導(dǎo)的骨溶解的發(fā)生；③利用聚乙烯或金屬磨損顆粒構(gòu)建小鼠骨溶解模型后發(fā)現(xiàn)，RANK/OPG比率升高，磨損顆?？纱龠M(jìn)局部成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞表達(dá)RANKL。研究結(jié)果提示，磨損顆粒通過(guò)調(diào)節(jié)RANK/OPG比率促進(jìn)破骨細(xì)胞產(chǎn)生和調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的活性。巨噬細(xì)胞被磨損顆粒激活后可以釋放一系列細(xì)胞因子，其中TNF-α在骨溶解過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，有文獻(xiàn)報(bào)道TNF-α可以不依賴RANK-RANKL-OPG途徑而促進(jìn)破骨細(xì)胞分化和成熟[13]。

在磨損顆粒的刺激下，破骨細(xì)胞會(huì)表達(dá)一些標(biāo)志物如抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)和玻連蛋白受體(VNR)，這些標(biāo)志物會(huì)使巨噬細(xì)胞定植與骨與軟組織界面上而不會(huì)在軟組織與假體界面上。盡管有文獻(xiàn)報(bào)道稱巨噬細(xì)胞也可以表達(dá)這些標(biāo)志物并進(jìn)行骨吸收[14]。但是因?yàn)樗鼈償?shù)量上相對(duì)較少并且其個(gè)體發(fā)育需要破骨細(xì)胞的參與，所以巨噬細(xì)胞在對(duì)假體周圍骨破壞的作用上比破骨細(xì)胞小很多，因此，破骨細(xì)胞是主要的破壞假體周圍骨組織的細(xì)胞。

3.Toll樣受體通路：TLR是一組結(jié)構(gòu)上高度保守的跨膜受體，可作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體。TLR家族的每一個(gè)亞型都可以被不同的刺激物激動(dòng)并針對(duì)這一類型的抗原激活免疫反應(yīng)。例如， TRL2可以介導(dǎo)被鈷鎳合金、聚乙烯等無(wú)機(jī)物引起的炎性反應(yīng)。TLR包含的Toll/IL-1受體(IL-1R)(TIR)結(jié)構(gòu)域會(huì)啟動(dòng)炎性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)。被激活的TLR會(huì)募集銜接蛋白如髓樣分化因子(MyD88)，Toll/IL-1受體結(jié)構(gòu)域銜接蛋白(TIRAP)，信號(hào)分子Trif及Trifold相關(guān)銜接分子(TRAM)。MyD88繼而募集IL-1R相關(guān)激酶(IRAK-1)和IRAK-4從而使IRAK-1發(fā)生IRAK-4依賴的磷酸化。磷酸化的IRAK-1將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)給腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(TRAF-6)銜接蛋白。TRAF-6接下來(lái)通過(guò)TAK-1依賴的途徑激活I(lǐng)KK復(fù)合體，后者被激活后使IκB去磷酸化釋放出NF-κB(P50/P65)。 NF-κB由胞質(zhì)進(jìn)入胞核誘導(dǎo)一系列免疫反應(yīng)相關(guān)基因表達(dá)[15]。TRL信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)也可不依賴MyD88而通過(guò)TRIF進(jìn)行，如TLR3信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑就只通過(guò)TRIF6作為銜接蛋白進(jìn)行。盡管是否依賴MyD88作為銜接蛋白都可以激活NF-κB進(jìn)行核轉(zhuǎn)運(yùn)，但研究表明，骨溶解過(guò)程中發(fā)揮作用的主要是TLR4和TLR2，在磨損顆粒的刺激下這兩個(gè)通路主要通過(guò)MyD88作為銜接蛋白進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[16]。其中TLR4主要被LPS激動(dòng)而TLR2則被不含LPS的磨損顆粒激動(dòng)。

4.NALP3通路：NALP3是一種存在于巨噬細(xì)胞胞漿中的受體蛋白，其主要功能是介導(dǎo)促炎性因子前體裂解為可從巨噬細(xì)胞分泌出的成熟體。近幾年有文獻(xiàn)報(bào)道了NALP3炎性體參與了在磨損顆粒誘導(dǎo)的假體周圍骨溶解過(guò)程。NALP3被磨損顆粒激活后發(fā)生構(gòu)象改變而后通過(guò)和PYD的相互作用與其銜接蛋白ASC16結(jié)合，由此形成的復(fù)合體通過(guò)CARD結(jié)構(gòu)域募集caspase-1前體[17,18]。然后caspase-1前體裂解成為具有活性的caspase-1，caspase-1可以使促炎性因子如IL-1β、IL-18前體等成熟從而發(fā)揮促炎性作用，加快骨溶解過(guò)程。已有文獻(xiàn)證實(shí)抑制caspase功能后骨溶解顯著受到抑制[19]。

二、適應(yīng)性免疫

淋巴細(xì)胞在“金屬過(guò)敏”的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。許多研究在假體周圍的組織中發(fā)現(xiàn)了T型和B型淋巴細(xì)胞。與磨損顆粒誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)相關(guān)的T細(xì)胞亞型主要是是輔助T細(xì)胞(TH)而不是Tc或Ts細(xì)胞。在參與適應(yīng)性免疫的TH細(xì)胞中，TH1細(xì)胞占主導(dǎo)地位，因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)了大量由TH1誘導(dǎo)的細(xì)胞因子如IFN-γ和IL-2，此外，相對(duì)少量的IL-17、fractalkine趨化因子和CD40也說(shuō)明TH17可能參與其中。有研究者認(rèn)為，TH細(xì)胞可以募集巨噬細(xì)胞，所以如IFN-γ、IL-2和TNF-α表達(dá)量的增加并不能說(shuō)明TH1細(xì)胞參與了骨溶解相關(guān)的適應(yīng)性免疫過(guò)程。但是經(jīng)過(guò)對(duì)組織學(xué)的mRNA檢測(cè)后確定這些由TH1細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子的表達(dá)量的確增加了[20]。進(jìn)一步研究表明，巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞可以通過(guò)共同的受體和細(xì)胞因子如IL-15、IL-15R和IL-2、IL-2R而相互作用。這些TH細(xì)胞參與的反應(yīng)被認(rèn)為是Ⅳ型遲發(fā)型超敏反應(yīng)(DTH)。對(duì)磨損顆粒的遲發(fā)型超敏反應(yīng)是一種由細(xì)胞介導(dǎo)的慢速適應(yīng)性免疫應(yīng)答。金屬抗原敏感化并激活DTH相關(guān)的T細(xì)胞，使其釋放多種細(xì)胞因子而募集激活的巨噬細(xì)胞，如釋放MCAF促進(jìn)單核細(xì)胞趨化向發(fā)生DTH的部位，IFN-γ和TNF-β作用于內(nèi)皮細(xì)胞而促進(jìn)巨噬細(xì)胞等遷移，MIF使巨噬細(xì)胞定殖在發(fā)生DTH的部位。被激活的巨噬細(xì)胞會(huì)表達(dá)更多的第2型主要組織相容性復(fù)合體(class Ⅱ MHC)和IL-2，從而激活更多的DTH相關(guān)T細(xì)胞，這些DTH反應(yīng)相關(guān)T細(xì)胞又會(huì)激活和募集更多的巨噬細(xì)胞，這樣就使得假體周圍的炎性反應(yīng)愈加嚴(yán)重。這種不間斷的DTH反應(yīng)會(huì)造成廣泛的組織損傷從而導(dǎo)致假體的提前松動(dòng)，淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗(yàn)和皮膚過(guò)敏試驗(yàn)是唯一可以預(yù)測(cè)和診斷個(gè)體是否會(huì)發(fā)生針對(duì)磨損顆粒的廣泛免疫反應(yīng)的途徑。

三、展 望

綜上所述，固有免疫和適應(yīng)性免疫均在磨損顆粒誘導(dǎo)的假體周圍骨溶解過(guò)程中起到了重要作用，Toll樣受體通路和NALP3通路均參與了相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，巨噬細(xì)胞、破骨細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等及其釋放的粗言行因子和趨化因子縮短了關(guān)節(jié)假體的使用年限。近年來(lái)雖然有研究通過(guò)抑制免疫反應(yīng)過(guò)程中的重要因子、蛋白，如TLR拮抗劑及MyDD8基因敲除等在抑制骨溶解方面取得了一定效果，但具體機(jī)制有待于進(jìn)一步研究，這也會(huì)成為未來(lái)的一個(gè)主要研究方向。

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(修回日期：2015-02-20)

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2014-12-22)