魯世金,孫長(zhǎng)英
(1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心,廣西 南寧 530011;2.長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院附屬和平醫(yī)院骨科,山西 長(zhǎng)治 046000)
隨年齡增長(zhǎng)而發(fā)生的機(jī)體免疫系統(tǒng)(包括適應(yīng)性和先天免疫系統(tǒng))功能逐漸下降稱為免疫衰老。免疫衰老的標(biāo)志包括幼稚CD4+和CD8+T細(xì)胞數(shù)量減少、T細(xì)胞亞群不平衡以及T細(xì)胞受體(T-cell receptors,TCR)譜系和信號(hào)傳導(dǎo)減少,B細(xì)胞生成及抗體產(chǎn)生減少,樹突狀細(xì)胞(dendritic cells,DC)、自然殺傷(natural killer,NK)細(xì)胞和衰老的單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞存在明顯的功能缺陷[1],同時(shí),炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生增加[2]。炎性細(xì)胞因子或免疫細(xì)胞的活性可以通過(guò)多種復(fù)雜的方式影響骨代謝,反過(guò)來(lái),骨代謝平衡失調(diào)又通過(guò)成骨細(xì)胞和(或)破骨細(xì)胞分泌的偶聯(lián)細(xì)胞因子或骨源性激素影響全身多種組織器官的功能改變,誘發(fā)多種衰老相關(guān)疾病如2型糖尿病、阿爾茨海默病、心血管疾病、肌肉減少癥、骨質(zhì)疏松癥和癌癥等[3]。本文就免疫衰老對(duì)骨代謝和骨源性激素分泌的影響進(jìn)行綜述,以期為衰老相關(guān)疾病的防治提供新的思路和研究靶點(diǎn)。
隨著年齡增長(zhǎng),機(jī)體免疫功能普遍下降導(dǎo)致免疫衰老,其特征之一是存在慢性低度炎癥水平,也稱炎性衰老。最常見(jiàn)的免疫衰老理論包括氧化還原應(yīng)激、線粒體功能障礙、糖化、免疫系統(tǒng)失調(diào)、激素變化、表觀遺傳修飾、細(xì)胞端粒損耗和功能障礙等[3]。在慢性炎癥的刺激下,相應(yīng)組織產(chǎn)生的促炎細(xì)胞因子水平升高,使免疫系統(tǒng)停滯在低水平激活狀態(tài)[4],表現(xiàn)出炎性免疫微環(huán)境,對(duì)病原體或刺激的應(yīng)答能力降低,NK細(xì)胞的細(xì)胞毒活性降低,炎性細(xì)胞因子白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1、IL-6和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等產(chǎn)生增加[2]。研究證明,絕經(jīng)后婦女的幼稚T細(xì)胞數(shù)量減少和記憶T細(xì)胞水平增加,T細(xì)胞和B細(xì)胞數(shù)量減少。這說(shuō)明免疫衰老與骨組織炎性微環(huán)境之間相互關(guān)聯(lián),影響骨代謝和多種組織器官功能。
IL-1、IL-6和TNF-α等炎性細(xì)胞因子在年齡和雌激素缺乏相關(guān)的骨丟失中都是重要的骨吸收免疫調(diào)節(jié)因子,同時(shí),這些細(xì)胞因子也調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化和功能[5]。研究證明,雌激素通過(guò)調(diào)控IL-1、IL-6、巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor,M-CSF)、核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL)和TNF-α等細(xì)胞因子維持免疫系統(tǒng)、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間的復(fù)雜平衡[6],從而影響骨生成與骨破壞之間的平衡。
TNF-α參與炎癥誘導(dǎo)的骨破壞[7]。TNF-α可通過(guò)上調(diào)成骨細(xì)胞中RANKL/骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)的比例,影響RANKL/NF-κB受體活化因子(receptor activator for nuclear factor-κB,RANK)/OPG信號(hào)傳遞,增加破骨細(xì)胞前體對(duì)RANKL的反應(yīng)性,促進(jìn)破骨細(xì)胞生成和活化[8]。TNF-α在雌激素缺乏的情況下還可刺激并促進(jìn)SOST基因表達(dá)[9]。硬化蛋白(Sost基因編碼的蛋白)通常通過(guò)與低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(low density lipoprotein receptor-related protein,LRP)5/6共受體相互作用來(lái)抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號(hào)傳遞[10],從而抑制骨生成。
TNF-α和IL-6可通過(guò)多種機(jī)制促進(jìn)磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)通路的活性,再通過(guò)異性蛋白1(specificity protein 1,SP1)影響靶基因活性。SP1沉默也抑制了SP1上游調(diào)節(jié)因子PI3K和Akt的磷酸化[11],說(shuō)明SP1與PI3K/Akt信號(hào)傳遞之間存在一個(gè)正反饋環(huán)路[12]。因此,一旦炎性衰老啟動(dòng)了PI3K/Akt/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號(hào)傳遞途徑,由SP1參與的正反饋環(huán)路就會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)TNF-α等炎性因子對(duì)靶細(xì)胞線粒體-溶酶體系統(tǒng)的作用,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增加。另有研究證明,TNF-α處理的MC3T3-E1細(xì)胞中活性氧(reactive oxygen species,ROS)誘導(dǎo)的氧化損傷是通過(guò)上調(diào)動(dòng)力蛋白樣肽1引起線粒體分裂增加、線粒體功能紊亂和成骨活性降低等[13]??梢?jiàn),PI3K/Akt/SP1正反饋環(huán)路放大信號(hào)傳遞是炎性細(xì)胞因子調(diào)控骨代謝的重要信號(hào)通路之一。
IL-6家族包括至少3個(gè)成員,即IL-6、IL-11和IL-23。IL-6通過(guò)影響細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶的激酶2(extracellular signal regulated kinase kinase,MEK2)和Akt2表達(dá)而減少成骨細(xì)胞在體內(nèi)和體外的分化[14]。另外,IL-6通過(guò)非依賴RANKL的機(jī)制刺激破骨細(xì)胞生成[15];IL-6還可以與骨祖細(xì)胞結(jié)合促進(jìn)破骨細(xì)胞生成,且當(dāng)IL-6過(guò)度表達(dá)時(shí)可導(dǎo)致過(guò)度的破骨細(xì)胞活性和骨質(zhì)溶解,影響相關(guān)疾病的病理進(jìn)程,包括類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥和骨轉(zhuǎn)移性癌癥[14]。
總之,在免疫衰老過(guò)程中,破骨細(xì)胞活性增強(qiáng),而成骨細(xì)胞生成及其活性發(fā)生缺陷。這種缺陷包括骨髓中基質(zhì)前體數(shù)量減少、成骨細(xì)胞生成減少、成骨細(xì)胞壽命縮短、脂肪生成增加、成骨細(xì)胞/骨細(xì)胞凋亡增加和激素改變[2]。因此,老年或絕經(jīng)后婦女發(fā)生免疫衰老,形成骨代謝炎性微環(huán)境,導(dǎo)致骨重建減弱,骨吸收增加,在骨質(zhì)疏松等退行性病變的發(fā)生過(guò)程中起著重要作用。
衰老與免疫功能障礙有關(guān),特別是T細(xì)胞缺陷,導(dǎo)致對(duì)各種疾病的易感性增加[1]。在骨代謝過(guò)程中,破骨細(xì)胞的分化和功能受T細(xì)胞、B細(xì)胞、骨髓基質(zhì)干細(xì)胞及局部骨微環(huán)境中的其他破骨細(xì)胞調(diào)節(jié)。這些類型的細(xì)胞均可產(chǎn)生細(xì)胞因子、趨化因子和激素,刺激或抑制破骨細(xì)胞形成和骨吸收活性[16]。因此,淋巴細(xì)胞活性與骨代謝有密切聯(lián)系。
T細(xì)胞是適應(yīng)性免疫的關(guān)鍵組成部分,在全身免疫系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用[17]。免疫衰老過(guò)程中,T細(xì)胞復(fù)制衰老的特征在于免疫功能失調(diào)、CD28共刺激分子缺失、端粒縮短和炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生增加。CD28表達(dá)降低從根本上改變正常T細(xì)胞的功能、存活和增殖[18],T細(xì)胞上共刺激分子CD28的丟失可能與慢性炎癥和正常衰老過(guò)程有關(guān)[19]。細(xì)胞毒性CD8+T細(xì)胞、CD4+T輔助細(xì)胞進(jìn)一步分化為Th1、Th2、Th17和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell,Treg),其中Th17細(xì)胞是誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化最多的T細(xì)胞,其特征在于細(xì)胞因子高表達(dá),包括IL-17A、IL-17F、IL-22、IL-26和IFN-γ[20]。這些細(xì)胞可在成骨細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞中誘導(dǎo)M-CSF和RANKL表達(dá)[21-22],產(chǎn)生RANKL和TNF-α,同時(shí)在破骨細(xì)胞前體中增加RANK表達(dá)[23]。所以,T細(xì)胞復(fù)制衰老是有效的破骨細(xì)胞生成誘導(dǎo)劑,這也部分解釋了衰老過(guò)程中破骨細(xì)胞活性增高的機(jī)制。
T細(xì)胞和B細(xì)胞在骨代謝中有重要作用[17]。成骨細(xì)胞和B細(xì)胞均可產(chǎn)生OPG,調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的生成;而且,T細(xì)胞和B細(xì)胞還產(chǎn)生RANKL,調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞生成[6,24]。研究證實(shí),RANKL可以控制骨再生和重塑,這種作用是通過(guò)破骨細(xì)胞誘導(dǎo)Treg細(xì)胞介導(dǎo)的[25]。最新研究表明,在絕經(jīng)后骨質(zhì)丟失過(guò)程中,T細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子如TNF-α、IL-1明顯增加,CD4+CD25+CD127-Treg細(xì)胞水平升高[26]。隨年齡增長(zhǎng),Treg細(xì)胞的抑制活性逐漸下降,可能與年齡相關(guān)的胸腺萎縮或衰老的周圍環(huán)境有關(guān)。
絕經(jīng)后婦女或經(jīng)前選擇性卵巢切除的婦女B細(xì)胞和T細(xì)胞產(chǎn)生RANKL增加[27],T細(xì)胞產(chǎn)生TNF-α和RANKL的量顯著增加[28]。絕經(jīng)后婦女體內(nèi)細(xì)胞毒性CD8+T細(xì)胞數(shù)量與可育婦女相比顯著減少[2],CD3+CD40L+和CD3+CD28+T細(xì)胞水平降低[2]。CD40L-CD40相互作用對(duì)于T細(xì)胞效應(yīng)子功能和B細(xì)胞的最佳抗體反應(yīng)很重要,并參與骨代謝[29]。T細(xì)胞可通過(guò)細(xì)胞表面受體如CD40L調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞[30]。B細(xì)胞產(chǎn)生OPG和T細(xì)胞調(diào)節(jié)骨細(xì)胞分化的共同作用維持峰值骨量。雌激素缺乏引起表達(dá)CD40L的T細(xì)胞數(shù)量增多,促進(jìn)基質(zhì)細(xì)胞表達(dá)M-CSF和RANKL,并抑制OPG的產(chǎn)生[30]。因此,由CD40L介導(dǎo)的T細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞之間相互作用在成骨細(xì)胞生成和破骨細(xì)胞生成的平衡失調(diào)中起著關(guān)鍵作用。
總之,老年或絕經(jīng)后婦女發(fā)生免疫衰老,T、B細(xì)胞功能發(fā)生改變,通過(guò)釋放細(xì)胞因子調(diào)控相關(guān)信號(hào)通路,影響破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的分化與增殖,這是原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的重要機(jī)制之一。
骨質(zhì)疏松癥與漿細(xì)胞樣DC百分比降低和天然Treg細(xì)胞升高有關(guān)[2]。RANKL/RANK相互作用也調(diào)節(jié)T細(xì)胞-DC間的信號(hào)傳導(dǎo),DC還可以通過(guò)M-CSF誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成[31]。研究證實(shí),絕經(jīng)后婦女的激素變化可能影響免疫細(xì)胞如漿細(xì)胞樣DC的功能。雌激素可能調(diào)節(jié)Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)通路的關(guān)鍵信號(hào)分子,或涉及其細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸及蛋白水解。骨質(zhì)疏松女性和骨量減少女性CD3+CD28+淋巴細(xì)胞的漿細(xì)胞樣DC水平較低[2]。可見(jiàn),DC細(xì)胞的數(shù)量和活性改變可能影響骨代謝,但其具體機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。
NK細(xì)胞和自然殺傷T(natural killer T,NKT)細(xì)胞在調(diào)節(jié)先天性和適應(yīng)性免疫應(yīng)答中起重要作用,其細(xì)胞毒性可有效殺死受感染細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞。研究證明,NK和NKT細(xì)胞數(shù)量和活性的改變與年齡有關(guān)[2]。與其他淋巴細(xì)胞一樣,NK細(xì)胞在骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)中起作用[17],NK細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生RANKL來(lái)增強(qiáng)破骨細(xì)胞的形成,影響骨吸收[32]。然而,目前對(duì)NK、NKT細(xì)胞在骨代謝中的作用尚不清楚。
研究證明,中性粒細(xì)胞在骨代謝中起作用,特別是在炎癥引起的骨丟失中發(fā)揮重要作用[33]。中性粒細(xì)胞通常是第1個(gè)遷移到損傷部位的細(xì)胞類型[34],其可以分泌許多趨化因子、細(xì)胞因子和小分子作為免疫調(diào)節(jié)因子,例如:通過(guò)分泌CC趨化因子配體(CC chemokine ligand,CCL)-2和CCL20募集Th17細(xì)胞[33],導(dǎo)致骨質(zhì)流失;另外,活化的中性粒細(xì)胞在炎癥部位表達(dá)RANKL,參與破骨細(xì)胞生成,從而增加類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎相關(guān)性骨溶解[34]??梢?jiàn),中性粒細(xì)胞主要在炎性骨丟失中發(fā)揮重要作用,但在免疫衰老引起的慢性炎性微環(huán)境中的作用機(jī)制尚不清楚。
線粒體是具有可變形狀的雙膜細(xì)胞器,維持分裂和融合之間的超微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡,其功能受代謝條件、發(fā)育階段和環(huán)境刺激的影響[35]。線粒體能量代謝的減少可能與各種衰老表型相關(guān),包括骨質(zhì)疏松癥[36]。另外,一些調(diào)控線粒體-溶酶體系統(tǒng)的因子也在骨代謝中發(fā)揮重要作用,如轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB,TFEB)不僅調(diào)控溶酶體活性,也調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化。通過(guò)使用小干擾RNA(small interfering RNA,siRNA)的基因敲低實(shí)驗(yàn),與對(duì)照細(xì)胞相比,TFEB敲低導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化顯著降低。相反,與對(duì)照細(xì)胞相比,TFEB過(guò)表達(dá)導(dǎo)致顯著增強(qiáng)的成骨細(xì)胞生成。通過(guò)分析下游效應(yīng)分子,發(fā)現(xiàn)TFEB基因敲低引起活化轉(zhuǎn)錄因子4(transcription factor 4,ATF4)和CCAAT /增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein,CHOP)顯著上調(diào),這二者均是成骨細(xì)胞生成的必需因素。相反,TFEB過(guò)表達(dá)通過(guò)降低ATF4和CHOP表達(dá)而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。提示,TFEB調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化與ATF4/CHOP依賴性信號(hào)傳遞有密切關(guān)系[37]。由此可知,調(diào)控線粒體-溶酶體系統(tǒng)功能的基因不僅具有調(diào)節(jié)細(xì)胞能量的作用,還通過(guò)相關(guān)信號(hào)傳遞調(diào)控骨代謝,但其具體機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究。
在骨重建過(guò)程中,以時(shí)間和空間協(xié)同的方式將骨吸收與骨形成聯(lián)系起來(lái)的過(guò)程稱為偶聯(lián)。研究表明,一些破骨細(xì)胞來(lái)源的偶聯(lián)細(xì)胞因子可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖和分化,也可以通過(guò)調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞龕的微環(huán)境,反饋調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的活性[38]。KIM等[39]研究證明,破骨細(xì)胞來(lái)源的偶聯(lián)細(xì)胞因子Slit軸突導(dǎo)向因子配體3(slit guidance ligand 3,SLIT3)不僅通過(guò)激活β-catenin來(lái)刺激成骨細(xì)胞遷移和增殖,還通過(guò)自分泌方式抑制破骨細(xì)胞分化而抑制骨吸收,可見(jiàn),SLIT3通過(guò)同步刺激骨形成和抑制骨吸收而發(fā)揮骨保護(hù)作用。研究表明,破骨細(xì)胞不僅是骨吸收細(xì)胞,還可以分泌細(xì)胞因子影響其他細(xì)胞活性[40],包括調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞功能[41]。因此,偶聯(lián)細(xì)胞因子的變化可以通過(guò)影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性而調(diào)節(jié)骨代謝,這是近年研究骨代謝的熱點(diǎn)之一。
骨骼是一種動(dòng)態(tài)的結(jié)締組織,對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、鈣穩(wěn)態(tài)和造血功能非常重要,然而,骨骼的作用不僅是結(jié)構(gòu)性骨架,也是一個(gè)內(nèi)分泌器官,其調(diào)節(jié)多種代謝過(guò)程。由成骨細(xì)胞分泌的激素包括骨鈣素(osteocalcin,OCN)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子23(fibroblast growth factor 23,F(xiàn)GF23)和脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2(lipocalin 2,LCN2)等[42]。至少有2種骨源性激素可以調(diào)控糖和能量代謝,包括 OCN和LCN2。OCN可以刺激胰腺β-細(xì)胞分泌胰島素,這有利于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中刺激肌肉利用葡萄糖和脂肪酸的代謝提供能量。另外,OCN還可以調(diào)節(jié)男性性腺內(nèi)分泌活動(dòng)[43]。LCN2也可以誘導(dǎo)胰島素分泌,改善機(jī)體的葡萄糖耐量和胰島素敏感性,維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)[44];LCN2還可以通過(guò)激活大腦中抑制食欲的信號(hào)來(lái)影響能量代謝,LCN2這種功能的機(jī)制之一是其與下丘腦室旁核和下丘腦腹內(nèi)側(cè)神經(jīng)元中的黑皮質(zhì)素4受體(melanocortin 4 receptor,MC4R)結(jié)合,激活MC4R依賴性抑制食欲的信號(hào)傳遞[45-46]。因此,骨骼不僅具有結(jié)構(gòu)性骨架的功能,還是重要的內(nèi)分泌器官,可以通過(guò)分泌骨源性激素來(lái)調(diào)控能量代謝和男性生殖功能。
FGF-23是成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞分泌的另一種骨源性激素,其激活腎小管中的成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體(fibroblast growth factor receptor,F(xiàn)GFR)/α-Klotho復(fù)合物,調(diào)節(jié)磷酸鹽的重吸收、1,25-二羥基維生素D的產(chǎn)生和分解代謝以及抗衰老激素α-Klotho的表達(dá)[47]。此外,還發(fā)現(xiàn)硬化蛋白、IL-11和LCN2是骨衍生的體液因子[48]。
衰老抑制因子α-Klotho與FGFR結(jié)合,增強(qiáng)FGFR與FGF23結(jié)合,發(fā)揮調(diào)節(jié)礦物質(zhì)離子和維生素D穩(wěn)態(tài)的作用。這種輔助受體的作用和機(jī)制尚不清楚。CHEN等[49]提出了1:1:1三元復(fù)合物的原子結(jié)構(gòu),其由α-Klotho的脫落細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域、FGFR1c配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域和FGF23組成。在該復(fù)合物中,α-Klotho通過(guò)其D3結(jié)構(gòu)域連接FGFR1c,通過(guò)其C端尾部連接FGF23,從而實(shí)現(xiàn)FGF23-FGFR1c穩(wěn)定結(jié)合而發(fā)揮FGF23的生理功能。由此可知,骨骼通過(guò)分泌骨源性激素而調(diào)節(jié)鈣、磷等礦物質(zhì)代謝和維生素D的活性,反過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)骨代謝。
可見(jiàn),隨著年齡增長(zhǎng),免疫衰老影響骨代謝的同時(shí),間接影響了骨源性激素的分泌,引起全身多器官系統(tǒng)代謝的紊亂,這一復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制將是研究衰老與骨代謝相互關(guān)系的熱點(diǎn)。
骨不僅具有動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)性骨架的作用,而且是機(jī)體最大的內(nèi)分泌器官。骨代謝是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,與鈣穩(wěn)態(tài)、能量代謝、造血功能和生殖功能等多種生理功能有密切聯(lián)系。骨組織通過(guò)分泌骨源性激素而調(diào)控胰腺、肌肉、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)等多種組織和器官的功能。因此,免疫衰老不僅影響骨代謝,也影響全身多組織器官的功能,與人體組織器官的衰老密不可分。隨著對(duì)骨免疫衰老機(jī)制研究的進(jìn)展,有望揭開(kāi)免疫衰老與人體全身多器官衰老的關(guān)系,為多種衰老相關(guān)疾病提供新的理論基礎(chǔ)和治療靶點(diǎn)。
新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)2019年9期