強(qiáng)直性脊柱炎骨代謝的研究進(jìn)展

胡勁濤 柴樂 任偉凡 呂建蘭 全仁夫

1．浙江中醫(yī)藥大學(xué)，浙江 杭州310053

2．杭州市蕭山區(qū)中醫(yī)院，浙江 杭州311200

強(qiáng)直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一種自身免疫功能異常引起的以慢性炎癥性關(guān)節(jié)炎為主要表現(xiàn)的疾病，全球的發(fā)生率為2%～5%。慢性炎癥和病理性骨形成是它的兩個(gè)主要病理特點(diǎn)，最先累及骶髂關(guān)節(jié)和脊柱關(guān)節(jié)，腰背部疼痛和脊柱關(guān)節(jié)僵硬是常見的臨床癥狀［1］。進(jìn)行性脊柱關(guān)節(jié)僵硬引起的脊柱活動(dòng)障礙是病人最為常見的主訴，因此，AS疾病中脊柱關(guān)節(jié)異常骨增生的病理機(jī)制受到廣泛的關(guān)注。但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)在脊柱局部過度骨化的同時(shí)伴有系統(tǒng)性的骨丟失，這表明AS病程進(jìn)展過程不是單一的成骨或破骨異常，而是處于兼有兩者的骨代謝失衡環(huán)境中［2-3］。本文就相關(guān)信號(hào)通路、炎癥對AS的骨代謝的影響及AS骨質(zhì)疏松情況進(jìn)行綜述。

1 Wnt信號(hào)通路在AS中的作用

Wnt蛋白是成骨細(xì)胞分化過程中的重要調(diào)節(jié)因子，它通過與七通道跨膜G蛋白偶聯(lián)受體［frizzled(Fzd)］或低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6(Lrp5/6)相結(jié)合來激活多種不同細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級聯(lián)，可分為依賴β-catenin的經(jīng)典信號(hào)通路和不依賴β-catenin的非經(jīng)典信號(hào)通路，兩種通路均被認(rèn)為在骨代謝中發(fā)揮重要的作用［4-5］。經(jīng)典Wnt信號(hào)通路中的蛋白包括Wnt-3a、Wnt10b等。有研究對AS患者血清Wnt-3a的水平進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Wnt-3a水平顯著升高，且與Bath強(qiáng)直性脊柱炎測量指數(shù)(bath ankylosing spondylitis metroloty index，BASMI)、改良的 Stoke 強(qiáng)直性脊柱炎脊柱評分(modified stoke ankylosing spondylitis spine score，mSASSS)癥狀分值密切相關(guān)，在校正年齡、性別、吸煙和 CRP后，Wnt-3a仍是BASMI、mSASSS分值的獨(dú)立危險(xiǎn)因子，血清Wnt-3a可能可以促進(jìn)病變部位的骨質(zhì)增生，從而加重患者的強(qiáng)直癥狀［6］。而 β-catenin作為 Wnt經(jīng)典信號(hào)通路中的重要分子，目前研究認(rèn)為其不僅對成骨細(xì)胞的分化有影響，而且對破骨細(xì)胞前體分化為破骨細(xì)胞也發(fā)揮作用。Dickkopf1(Dkk1)是經(jīng)典通路中Wnt蛋白的競爭性抑制蛋白，可與Lrp5/6受體相結(jié)合，抑制Lrp5/6的活性，減少β-catenin的生成，通過阻斷Dkk1可提高成骨細(xì)胞中組織非特異性堿性磷酸酶(tissue non-specific alkaline phosphatase，TNAP)的表達(dá)［7］。

非經(jīng)典信號(hào)通路中的Wnt5a也在AS病程中對骨代謝有影響，阻斷Wnt5a會(huì)減少成骨細(xì)胞TNAP的活性，因此它可以作為阻斷AS異位骨化的可能治療靶點(diǎn)。但是除了防止異位骨形成，Wnt5a還可能可以減少鄰近骨的吸收，因?yàn)槌晒羌?xì)胞來源的Wnt5a會(huì)刺激破骨細(xì)胞生成［8］。在 Wnt5a和 Ror2缺乏的鼠中，破骨細(xì)胞的數(shù)量明顯減少，其中前者表現(xiàn)為骨形成和骨吸收均受損的低骨量表型，后者表現(xiàn)為破骨細(xì)胞形成受損、骨形成正常的高骨量表型，Wnt5a-Ror2信號(hào)可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化［9］。

2 BMP信號(hào)通路在AS中的作用

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)信號(hào)通路是骨代謝中另一個(gè)重要調(diào)控通路。BMP通過與BMP受體(BMPPR)結(jié)合激活Smad1/5/8和MAPK信號(hào)通路，促進(jìn)成骨基因的轉(zhuǎn)錄，從而發(fā)揮骨形成的作用。而Noggin是一種細(xì)胞外拮抗BMP的同型二聚體糖蛋白，可與BMP2、4、6、7及生長分化因子5、6結(jié)合，阻止這些蛋白與BMPRP結(jié)合，抑制 BMP的活性［10］。AS患者的骨來源細(xì)胞(bone derived cells，BdCs)在刺激向成骨分化后，RUNX2、BMP2的表達(dá)要高于健康志愿者，前者BdCs表現(xiàn)出更快的堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、茜素紅(alizarin red，ARS)和羥基磷灰石染色以及更高的ALP活性和ARS定量［11］。與此相似，Xie等［12］收集 AS患者和正常人的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(marrow mesenchymal stem cells，MSCs)，采用成骨培養(yǎng)基孵育，AS-MSCs在第10、14、21天茜素紅染色相比HD-MSCs著色更深，茜素紅定量化分析前者也要高于后者，他們通過檢測成骨基因的表達(dá)進(jìn)一步分析AS-MSCs成骨分化的能力，AS-MSCs中 Runx2、Osterix、OC、AP 在成骨分化期間處于高表達(dá)水平，并且發(fā)現(xiàn)BMP2基因在AS-MSCs中表達(dá)升高，而 Noggin基因表達(dá)下降，BMP2蛋白和Noggin蛋白形成與基因表達(dá)結(jié)果相符，因此他們推斷BMP2和Noggin分泌的失衡誘導(dǎo)了AS-MSCs成骨分化異常，促進(jìn)異位骨化的形成。BMP7被發(fā)現(xiàn)在 AS和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid Arthritis，RA)患者血清中較健康人均要升高，但是在RA患者中BMP7與Runx2、抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP-5b)正相關(guān)，Runx2與骨鈣素N端中分子片段(NMID)負(fù)相關(guān);而在 AS患者中 BMP-7與 TRAP-5b負(fù)相關(guān)，Runx2卻與NMID正相關(guān)，這與RA中的結(jié)果相反。這表明BMP7升高在兩種疾病中對骨代謝相關(guān)信號(hào)通路的激活存在差異，在RA中它們能夠誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的形成，在AS中卻主要發(fā)揮了抑制破骨細(xì)胞形成的作用，這導(dǎo)致了AS疾病過程中的過度骨質(zhì)增生［13］。

3 破骨細(xì)胞在AS中的作用

破骨細(xì)胞在骨組織中發(fā)揮骨吸收的作用，與成骨細(xì)胞的偶聯(lián)作用維持正常骨組織代謝的平衡。大量臨床研究發(fā)現(xiàn)AS患者多伴有不同程度的骨質(zhì)疏松，破骨細(xì)胞在 AS中的作用也越來越受到關(guān)注［14-15］。骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化過程中的產(chǎn)物，可以反映成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的狀態(tài)。Yilmaz等［16］分析了AS患者的骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)，其中AS患者和對照組血清ALP、BALP和BGP的水平比較無明顯差異，而反映破骨作用的尿Pyd和Dpyd濃度在AS患者中高于對照組，說明破骨細(xì)胞在AS患者機(jī)體內(nèi)處于異常活躍的狀態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn)AS患者病灶附近的滑膜組織中存在大量的TRAP陽性單核/多核細(xì)胞，在正?；そM織中沒有TRAP陽性表現(xiàn)的細(xì)胞出現(xiàn)［17］。雖然病灶周圍起止點(diǎn)以異位新生骨形成為特點(diǎn)，但研究認(rèn)為破骨細(xì)胞形成可能不只是發(fā)揮骨吸收作用，它的產(chǎn)物可能參與了新生骨的形成［18-19］。Slobodin 等［20］試圖闡明破骨細(xì)胞的這種作用，他們未觀察到破骨細(xì)胞上TGF-β1、Wnt10b和BMP6的表達(dá)量與疾病的嚴(yán)重程度和影像學(xué)AS的進(jìn)展相關(guān)，這項(xiàng)研究僅是在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上觀察了破骨細(xì)胞基因表達(dá)與疾病的關(guān)系，不能說明破骨細(xì)胞產(chǎn)物對成骨細(xì)胞的長期作用，也難以解釋它們之間的具體相互作用機(jī)制。

4 炎癥在AS中對骨代謝的影響

炎癥因子是骨代謝過程中的重要影響因子，在骨質(zhì)疏松癥的研究中發(fā)現(xiàn)炎癥反應(yīng)會(huì)激活破骨細(xì)胞，加快骨量的流失，但目前在AS患者中關(guān)于炎癥與骨形成的關(guān)系仍存在不同的觀點(diǎn)［21-22］。有研究認(rèn)為，AS中的炎癥反應(yīng)發(fā)生的作用與在骨質(zhì)疏松癥中的研究相似，會(huì)促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化。Perpétuo等［3］分析應(yīng)用TNFi治療的AS患者破骨分化能力的改變，發(fā)現(xiàn)治療后血清IL-17 A、IL-23和TGF-β水平下降，破骨細(xì)胞表面 CSF1R、RANK、NFATc1和ATP6V0D2基因的表達(dá)較治療前均有不同程度的下降，說明炎癥因子介導(dǎo)了破骨細(xì)胞的分化和成熟。也有研究對抗TNF治療對成骨的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)抗TNF治療會(huì)增加Wnt的活性，可能會(huì)導(dǎo)致新生骨的形成，這或許是由于TNF的減少使得破骨細(xì)胞分化受到抑制，成骨細(xì)胞的成骨能力相對增強(qiáng)，導(dǎo)致骨形成增加［6］。機(jī)體的炎癥程度越重，骨吸收也相對增加。Yilmaz等［16］研究顯示ESR大于20 mm/h的AS患者相比ESR小于20 mm/h的患者尿Pyd和Dpyd濃度更高，Pyd和Dpyd均是由破骨細(xì)胞分泌，可以反映破骨細(xì)胞的活躍程度，這提示炎癥程度重的AS患者骨丟失更快，然而未發(fā)現(xiàn)骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)與疾病活動(dòng)性存在相關(guān)性。

也有學(xué)者認(rèn)為炎癥在AS病理進(jìn)展中具有促進(jìn)異位骨形成的作用。在AS患者血清中培養(yǎng)的細(xì)胞相比在健康人血清中培養(yǎng)的細(xì)胞ALP染色和ALP活性更高，且 RUNX2、osterix、phospho-C/EBPβ、phospho-ERK、phospho-p38蛋白增加更多，提示血清中的炎癥因子會(huì)加速成骨細(xì)胞的分化、成熟［10］。白介素和腫瘤壞死因子是廣泛存在于人體內(nèi)各個(gè)部位的炎癥調(diào)節(jié)因子，對機(jī)體的炎癥狀態(tài)具有重要意義。高濃度的TNF-α被發(fā)現(xiàn)可以誘導(dǎo)骨鈣素大量分泌［17］。Briolay等［7］探索了 TNF-α 通過 Wnt通路對成骨分化的作用，發(fā)現(xiàn)TNF-α可以增加人成骨細(xì)胞Wnt10b的水平，但是不能激活經(jīng)典的信號(hào)通路，并且Dkk1也不能抑制礦化作用;相反，TNF-a可以刺激Wnt5a的表達(dá)，在阻斷Wnt5a后成骨細(xì)胞的礦化能力減弱。老年雄性DBA/1鼠可出現(xiàn)自發(fā)性強(qiáng)直性起止點(diǎn)病變，而在免疫系統(tǒng)中腫瘤壞死因子超家族(tumor necrosis factor superfamily，TNFSF)和它的受體與成骨細(xì)胞的分化有關(guān)，死亡受體3(death receptor 3，DR3)是 TNFSF 的成員。Collins等［23］分別觀察了野生DBA/1鼠和敲除DR3的DBA/1鼠，野生DBA/1鼠成骨細(xì)胞和骨祖細(xì)胞均有DR3表達(dá)，ALP、骨調(diào)素、礦物沉積較敲除DR3的DBA/1鼠明顯上升，DR3對中軸骨的新生骨形成可能存在影響。IL-32γ是T淋巴細(xì)胞分泌的前炎癥因子，先前研究認(rèn)為它可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化，但Lee等［24］收集了AS、RA和OA患者的滑膜液體和組織，發(fā)現(xiàn)IL-32γ的水平和基因表達(dá)在AS患者中要高于RA和OA患者，他們隨后對IL-32γ轉(zhuǎn)基因鼠和野生鼠進(jìn)行研究，IL-32γ轉(zhuǎn)基因鼠前體細(xì)胞上DKK-1的表達(dá)下降，而且成骨細(xì)胞的分化率要高于野生型鼠，IL-32γ會(huì)通過抑制DKK-1增強(qiáng)成骨細(xì)胞的分化。上述研究雖然均表明炎癥有促進(jìn)成骨的作用，但主要集中在細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都與人機(jī)體的內(nèi)環(huán)境存在差異，難以直接反映人機(jī)體自身的疾病變化情況。Bruijnen等［25］為了能夠直觀地觀察人自身的骨骼改變情況，他們采用PET-CT顯示骨組織中18F-fluoride的吸收狀態(tài)，因?yàn)?8F-fluoride的吸收可以反映成骨細(xì)胞的活躍性，結(jié)果顯示對抗TNF治療有反應(yīng)患者的肋椎關(guān)節(jié)和骶髂關(guān)節(jié)18F-fluoride吸收量較無反應(yīng)患者明顯降低，抑制TNF因子減少了異位新生骨的形成，說明機(jī)體內(nèi)TNF增加會(huì)誘導(dǎo)成骨作用。

5 AS中骨質(zhì)疏松的發(fā)生情況及骨折風(fēng)險(xiǎn)

雖然AS中軸骨區(qū)域骨質(zhì)增生導(dǎo)致的椎體融合一直以來都是臨床重要關(guān)注點(diǎn)，但越來越多的臨床研究觀察到AS患者有發(fā)展為骨質(zhì)疏松癥和出現(xiàn)脆性骨折的高風(fēng)險(xiǎn)。這些發(fā)現(xiàn)可能是由于影像學(xué)檢查儀器的進(jìn)步及相關(guān)分析軟件的改良，增加了對骨密度檢測的精確度，從而提高了骨質(zhì)疏松癥的診斷。Pray等［14］通過搜索AS、脆性骨折、骨質(zhì)疏松等相關(guān)關(guān)鍵詞，最終納入22篇符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)，結(jié)果顯示AS患者椎體骨折的風(fēng)險(xiǎn)大約是非AS患者的2倍，非椎體骨折(髖關(guān)節(jié)、前臂等部位)的發(fā)生率也是前者高，且前者的腕部、股骨頸和全髖關(guān)節(jié)區(qū)域的BMD明顯低于后者，因此AS患者BMD降低是導(dǎo)致骨折風(fēng)險(xiǎn)升高的重要因素。另一項(xiàng)研究調(diào)查了男性AS患者骨代謝情況，相比正常人，AS患者前臂和髖部BMD更低，并且他們發(fā)現(xiàn)病程時(shí)間和年齡與BMD呈反比;TNF-α和IL-6的濃度在骨質(zhì)疏松或骨量減少的患者中要低于骨密度正常的患者，CRP濃度卻未發(fā)現(xiàn)這種關(guān)系，但CRP、TNF-α和IL-6在AS患者中要高于健康對照組，與平均骨密度在AS患者和健康對照組中相反，炎癥反應(yīng)可能在會(huì)加速骨量的丟失，但病程時(shí)間長的患者由于疼痛不適導(dǎo)致活動(dòng)量下降以及老齡化也會(huì)加重骨吸收［15］。Arends等［26］通過橫斷面研究調(diào)查了AS患者骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)和維生素D水平，認(rèn)為sCTX、OC水平的增加和低水平的維生素D對AS骨質(zhì)疏松的病理過程中非常重要。

AS是一種全身、系統(tǒng)的免疫性疾病，雖然導(dǎo)致AS患者脊柱關(guān)節(jié)及其他關(guān)節(jié)僵硬、活動(dòng)受限的最主要病理機(jī)制是骨質(zhì)增生引起的關(guān)節(jié)融合，但與此同時(shí)也伴隨著全身的骨量丟失，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。雖然目前研究發(fā)現(xiàn)AS疾病中涉及的骨代謝信號(hào)通路和炎癥狀態(tài)在成骨和破骨細(xì)胞的分化中均存在作用，但大多數(shù)研究均是著重于描述單獨(dú)的成骨或破骨機(jī)制，未能明確闡明它們是如何在引起脊柱周圍骨質(zhì)增生的同時(shí)導(dǎo)致全身骨量丟失的具體作用機(jī)制。AS病理過程中炎癥因子是否在不同的部位發(fā)揮不同的作用，如何在控制新生骨形成的同時(shí)減少骨質(zhì)疏松發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，這些問題仍需要得到進(jìn)一步的探索研究。