骨質(zhì)疏松相關(guān)細(xì)胞因子的研究進(jìn)展

梁 磊，海向軍

(西北民族大學(xué)少數(shù)民族體制與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030)

骨質(zhì)疏松癥是由多種原因引起骨吸收大于形成導(dǎo)致的骨量降低，表現(xiàn)為易發(fā)生骨骼疼痛和骨折，峰值骨量和多種不同因素導(dǎo)致的骨量流失與OP的發(fā)生密切相關(guān)。OP患者在骨量降低的初期往往無臨床表現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)骨骼疼痛、變形或骨折時(shí)才發(fā)現(xiàn)，延誤了防治骨質(zhì)疏松的最佳時(shí)期。流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，骨量的丟失已經(jīng)成為影響中老年人生活質(zhì)量的重要因素之一。目前，OP的發(fā)生機(jī)制仍不明確，新近研究認(rèn)為，調(diào)控免疫應(yīng)答的細(xì)胞因子可能參與到了OP中骨的代謝。為進(jìn)一步梳理骨質(zhì)疏松與細(xì)胞因子的關(guān)系，為骨質(zhì)疏松的預(yù)防、治療提供參考，下面將近期研究熱點(diǎn)細(xì)胞因子與骨質(zhì)疏松進(jìn)行綜述。

1 白介素

因最早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生于白細(xì)胞而得名，除在免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用外，也參與機(jī)體的病理生理反應(yīng)過程。近年來，白介素中一些如IL-6、IL-17等已經(jīng)被證實(shí)參與了OP中骨量的丟失過程，各白介素家族成員對(duì)骨穩(wěn)定的利弊，及機(jī)制如何，將對(duì)OP的預(yù)防和治療提供科學(xué)證據(jù)。

1.1 骨保護(hù)因子

成骨細(xì)胞是骨形成的主要細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)，白介素3（IL-3）的成骨作用大于破骨作用。IL-3通過激活smad1/5/8復(fù)合物誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的骨形成蛋白-2（BMP-2）信號(hào)傳導(dǎo)，BMP-2信號(hào)激ad1/5/8復(fù)合物，進(jìn)而調(diào)控成骨細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)，IL-3可以通過JAK2/STAT3途徑增加成骨作用，使用JAK2抑制劑后，IL-3刺激成骨細(xì)胞分化作用明顯受到抑制；IL-3還可通過JAK2/STAT5途徑和下調(diào)金屬蛋白酶降低可溶性NF-κB配體的受體活化劑（RANKL）在外周血中的表達(dá)，抑制破骨細(xì)胞的分化成熟[1-2]。同樣，IL-33是新近發(fā)現(xiàn)的骨保護(hù)因子，同樣有成骨和破骨的雙重調(diào)節(jié)作用，影響機(jī)制仍不清楚，可能是通過抑制RANKL依賴型破骨細(xì)胞的形成，同時(shí)可引起抗破骨細(xì)胞因子的產(chǎn)生，抑制破骨細(xì)胞的分化，雖然發(fā)現(xiàn)IL-33可以促進(jìn)一類破骨前體細(xì)胞分化成熟，但其他類型的此類細(xì)胞則無反應(yīng)；對(duì)比研究中還發(fā)現(xiàn)，IL-33與甲狀旁腺素（PTH）和骨形成標(biāo)記物成正相關(guān)，和骨吸收標(biāo)記物呈負(fù)相關(guān)，表明IL-33是一種重要的骨保護(hù)因子[3]。

1.2 骨吸收因子

破骨細(xì)胞是骨吸收的主要功能細(xì)胞，與成骨細(xì)胞協(xié)同維持骨代謝穩(wěn)定。單純IL-6誘導(dǎo)后形成的破骨細(xì)胞形態(tài)較小，在IL-6受體（sIL-6R）和低濃度RANKL參與下，其誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體分化的能力顯著提升，當(dāng)RANKL濃度過高時(shí)，則表現(xiàn)出抑制作用。IL-6和sIL-6R結(jié)合后形成的復(fù)合物可激活JAK/STAT3信號(hào)通路，促進(jìn)破骨細(xì)胞前體分化，使用JAK/STAT3信號(hào)阻斷劑后，分化過程明顯被抑制，證明IL-6通過JAK/STAT3信號(hào)通路和RANKL影響破骨細(xì)胞的分化[4-6]；IL-6的過多分泌對(duì)成骨具有抑制作用，其可以通過降低β-連環(huán)蛋白的活性來減少骨髓間質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化，在小鼠動(dòng)物模型中注射IL-6抗體有助于挽救骨質(zhì)疏松[7]。方秀統(tǒng)等對(duì)因骨質(zhì)疏松性椎體骨折入院的病人靜脈抽血對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)，骨密度在OP和健康組均表現(xiàn)出女性低于男性的特征；可溶性IL-6（sIL-6）在患病組隨骨密度降低而升高，證實(shí)IL-6跟骨密度呈負(fù)相關(guān)[8]。由輔助性T17細(xì)胞分泌的IL-17同樣參與了骨代謝的過程，IL-17可以直接作用于破骨細(xì)胞影響其分化，還可直接作用于成骨細(xì)胞，促進(jìn)RANKL產(chǎn)生，通過RANKL-JNK1途徑調(diào)控破骨細(xì)胞前體的自噬和破骨細(xì)胞生成，造成骨量丟失和OP發(fā)生。在雌激素缺乏的情況下，IL-17可誘導(dǎo)多種細(xì)胞分泌IL-6，IL-6可促進(jìn)Th17細(xì)胞的分化，引起外周血中IL-6水平的增加，形成鏈?zhǔn)叫?yīng)，協(xié)同產(chǎn)生持續(xù)性破骨效應(yīng)，加重OP程度，使用雌激素處理后，這種誘導(dǎo)能力被抑制，骨丟失情況好轉(zhuǎn)[9-12]。劉連勇等研究后發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松（PMOP）患者中IL-17、IL-6的表達(dá)均明顯高于健康人群，IL-17與骨密度呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)，IL-6的高水平可誘導(dǎo)IL-17分泌，加重骨量流失，引起POMP發(fā)生[13]。

除上述因子外，IL-1、IL-2、IL-4等對(duì)骨代謝平衡的影響均已被證實(shí)，但因白介素成員功能復(fù)雜重疊，發(fā)生機(jī)制仍需深入研究。

2 腫瘤壞死因子-α

腫瘤壞死因子-α（TNF-α）是一類具有直接殺死腫瘤能力的生物因子，具有多項(xiàng)生物學(xué)功能，因其對(duì)正常細(xì)胞無毒而受到青睞。

TNF-α是重要的骨吸收因子，是PMOP發(fā)生的罪魁禍?zhǔn)?。國外研究發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)后女性TNF-α表達(dá)水平升高可在體外促進(jìn)RANKL依賴性破骨細(xì)胞生成。破骨細(xì)胞的形成完全由RANKL通過激活核因子-κB介導(dǎo)，TNF-α通過PI3K/Akt通路促進(jìn)破骨細(xì)胞前體的RANKL觸發(fā)NF-κB活化，抑制PI3K/Akt通路后，NF-κB活化明顯降低[14]；在成骨細(xì)胞方面，TNF-α對(duì)成骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）的成骨分化起負(fù)性調(diào)節(jié)作用，TNF-α可誘導(dǎo)miR-23b的過度表達(dá)，反過來抑制人BMSC中堿性磷酸酶的表達(dá)和鈣沉積的形成，其作用機(jī)制可能是miR-23b與runx2 3′UTR的結(jié)合嚴(yán)重?fù)p害了runx2的翻譯，而runx2轉(zhuǎn)錄因子是成骨細(xì)胞形成過程中必不可少的[15]；另外，TNF-α還可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子FoxO1引起骨質(zhì)疏松癥，研究證實(shí)FoxO1的減少抑制BMMSCs分化，是BMSC成骨分化所必需的。TNF-α通過激活其下游的NF-jB途徑，促進(jìn)miR-705的轉(zhuǎn)錄，并與FoxO1mRNA的3'UTR結(jié)合抑制FoxO1蛋白的積累，引起成骨細(xì)胞分化障礙，導(dǎo)致OP的發(fā)生[16]。除此之外，骨自噬作用的發(fā)生也受TNF-α誘導(dǎo)，該過程可保護(hù)成骨細(xì)胞凋亡，降低骨量流失[17-18]。國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，SEMAⅢ家族蛋白和其受體參與了TNF-α對(duì)骨代謝的調(diào)控，在RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成的過程中，TNF-α可通過JNK信號(hào)途徑引起SEMA3D的高表達(dá)，抑制破骨細(xì)胞前體中SEMA3D可使破骨細(xì)胞的增值和分化得到有效緩解，同時(shí)TNF-α可通過 Wnt/β-catenin信號(hào)途徑調(diào)控 SEMA3B的表達(dá)，而SEMA3B的高表達(dá)可緩解TNF-α對(duì)成骨細(xì)胞分化的抑制[19]。國內(nèi)一些動(dòng)物PMOP模型體實(shí)驗(yàn)證明了TNF-α抑制PMOP中成骨分化[20]。

3 生長因子

3.1 成纖維細(xì)胞生長因子

成纖維細(xì)胞生長因子 （FGF）與OP關(guān)系密切，Osterix是一種新發(fā)現(xiàn)的只在發(fā)育骨組織中表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF具有強(qiáng)大的激活Osterix轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的作用，同時(shí)和Wnt/β-Catenin途徑在對(duì)Osterix的調(diào)控上形成疊加作用，促進(jìn)體內(nèi)成骨細(xì)胞的分化[21]。SK Murali等人研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF23/Klotho軸在調(diào)節(jié)骨礦化的過程中發(fā)揮重要作用，骨橋蛋白（OPN）是一種具有促破骨細(xì)胞趨化作用的蛋白，F(xiàn)GF23可通過FGF-3受體起作用，抑制成骨細(xì)胞中堿性磷酸酶的轉(zhuǎn)錄和磷酸生成來間接調(diào)節(jié)骨橋蛋白的分泌，抑制FGF23活性后所致礦化缺陷由1,25（OH）2D3誘導(dǎo)的焦磷酸產(chǎn)生酶、焦磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ANK和OPN上調(diào)和FGF23缺乏導(dǎo)致OPN的額外積累共同所致[22]。

3.2 胰島素樣生長因子

由IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ兩種，參與骨發(fā)育、修復(fù)、再生的調(diào)節(jié)。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ均可誘導(dǎo)骨形成蛋白-9(BMP9)的成骨作用，但因IGF-Ⅱ主要存在于胚胎干細(xì)胞中且在成人的高表達(dá)可能會(huì)造成組織增生，存在臨床風(fēng)險(xiǎn)；IGF-Ⅰ對(duì)包括肌肉、軟骨和骨骼在內(nèi)的多種組織具有合成代謝作用，IGF-Ⅰ可通過激活經(jīng)典通路BMP/Smad來增加BMP9誘導(dǎo)BMSC的成骨細(xì)胞數(shù)量，與BMP9結(jié)合時(shí)可顯著提升BMP/Smad通路的轉(zhuǎn)化活性，發(fā)揮成骨作用[23]；除此之外，IGF-Ⅰ可直接誘導(dǎo)BMSC向成骨細(xì)胞分化，也可與BMP7結(jié)合，發(fā)揮更為顯著的成骨作用[24]。國內(nèi)一項(xiàng)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在OP組中IGF-Ⅰ表達(dá)濃度明顯下降，與骨密度呈正相關(guān)，證實(shí)了IGF-Ⅰ的骨保護(hù)因子作用[25]。這與孫健等人的研究結(jié)果一致，但具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究[26]。

3.3 轉(zhuǎn)化生長因子-β

轉(zhuǎn)化生長因子-β (TGF-β)是一類多功能蛋白質(zhì)，在骨質(zhì)疏松中作用存在爭議。國內(nèi)一項(xiàng)最近關(guān)于老年骨質(zhì)疏松性骨折和健康人群的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，TGF-β1在病例組中的表達(dá)低于健康人，與骨轉(zhuǎn)化指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，是影響OP性骨折的重要因素[27]；然而，在PMOP研究中卻發(fā)現(xiàn)，TGF-β1呈現(xiàn)明顯高于健康組的高表達(dá)狀態(tài)，發(fā)生機(jī)制可能是衰老造成的骨微環(huán)境中活性氧增加，降低成骨細(xì)胞分化，增加破骨細(xì)胞數(shù)量，進(jìn)而釋放更多TGF-β1，MSCS衰老導(dǎo)致其分化和增殖能力下降，TGF-β1的不斷增高則會(huì)導(dǎo)致破骨細(xì)胞的募集和激活，當(dāng)這種作用強(qiáng)于成骨時(shí)，TGF-β1不再表現(xiàn)出骨保護(hù)作用，引起PMOP發(fā)生[28]；而SabrinaEhnert等人在動(dòng)物模型研究中發(fā)現(xiàn)，TGF-β1骨代謝過程中的調(diào)控存在時(shí)間和濃度的依賴性，在最初低濃度下，TGF-β1可顯著促進(jìn)MSCS向成骨細(xì)胞的分化，隨著作用時(shí)間和作用濃度的增加，導(dǎo)致依賴的Smad2/3蛋白功能喪失，引起成骨作用降低，mRNA分析后發(fā)現(xiàn)，成骨作用變?yōu)槠乒羌?xì)胞的募集，RANKL分泌增加，骨保護(hù)素水平降低，引起OP[29]。

4 結(jié)語

細(xì)胞因子在人體各項(xiàng)生理活動(dòng)中發(fā)揮重要作用，現(xiàn)代基因和細(xì)胞工程技術(shù)為發(fā)現(xiàn)更多的細(xì)胞因子和研究其結(jié)構(gòu)與功能提供了技術(shù)條件。OP的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，其過程是多種因素下的共同結(jié)果，除上述已發(fā)現(xiàn)的參與骨代謝的細(xì)胞因子外，干擾素、集落刺激因子等都可能參與了OP的發(fā)生過程，在骨代謝平衡過程中發(fā)揮著重要作用。目前以IL-6、TNF-α為靶點(diǎn)的單抗已經(jīng)藥物被允許用于風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）合并OP的治療，新興靶點(diǎn)IL-17的單抗藥物也已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)最后階段，不僅為OP的治療開辟了新道路，也對(duì)治療細(xì)胞因子相關(guān)的其他疾病提供了新的選擇。同其他藥物一樣，長期應(yīng)用對(duì)人體有無副作用仍需值得警惕，這些可能會(huì)限制將細(xì)胞因子作為靶點(diǎn)的臨床藥物在疾病治療當(dāng)中的應(yīng)用。