強直性脊柱炎引起骨代謝紊亂的分子學機制

宋永嘉 王凱 宋志靖* 宋敏

1.上海中醫(yī)藥大學康復醫(yī)學院，上海 201203 2.甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730000

強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis, AS)是以累及骶髂關節(jié)和脊柱關節(jié)為主要病變的慢性結締組織疾病[1]，起初以骶髂關節(jié)的自發(fā)性炎癥為特征，引起腰骶部僵硬、疼痛，逐漸蔓延侵犯至中軸骨后發(fā)生脊柱強直、畸形。AS的發(fā)病年齡主要集中在15～35歲，男性患病率明顯高于女性[2]，具體病因尚不明確，目前多認為該病的發(fā)生與HLA-B27密切相關，血清檢測HLA-B27呈陽性者AS發(fā)病率可達10%～20%[3]，具有強烈的遺傳影響性。其居高不下的致殘率和巨額的經(jīng)濟投入，給社會和家庭造成了沉重的負擔。骨骼的健康依賴于骨組織微環(huán)境的穩(wěn)定，在AS病變過程中，炎性細胞因子表達異常，導致機體內環(huán)境紊亂；脊柱生理功能減退，機械應力降低；腸道菌群失調，腸-骨軸紊亂等各種不良因素的疊加作用，導致骨吸收與骨形成之間調節(jié)機制失衡，造成骨代謝紊亂、骨量流失加劇，引起不同程度的骨質疏松(osteoporosis，OP)[4]。本文根據(jù)國內外近年來在該研究領域取得的進展做一綜述，在分子生物學水平探討AS引起骨代謝紊亂的具體機制，為AS治療過程中配合改善骨代謝治療方案的制定提供科學依據(jù)，拓寬該疾病的診治思路，以期更好地指導臨床。

1 免疫應答異常

AS屬于自身免疫性疾病，免疫系統(tǒng)異?；罨?、功能失調是本病發(fā)生的主要原因。生理條件下，T淋巴細胞和B細胞通過各種調節(jié)機制，使人體免疫反應維持在平衡狀態(tài)，發(fā)揮正常的保護功能。研究表明，AS患者體內的免疫細胞發(fā)生了明顯的變化，尤以T細胞改變最為顯著[5]。T細胞來源于骨髓的多能干細胞，是介導人體細胞免疫應答的功能性細胞，由于在免疫反應中的功能存在差異，分為輔助性T細胞(helper T cells，Th)和細胞毒性T細胞(Cytotoxic T cells，Tc)。Th細胞因表面表達CD4(cluster of differentiation 4)被稱為CD4+T細胞，與抗原遞呈細胞表達的主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex，MHCⅡ)呈遞的多肽抗原發(fā)生特異性結合后被激活，分泌相關的細胞因子，從而發(fā)揮免疫效應。CD4+T細胞亞群比例失調、功能紊亂在AS發(fā)生發(fā)展過程中具有重要作用[6]。Th17作為CD4+T細胞的新型亞群可分泌白介素(interleukin, IL)-17、 IL-22等免疫因子，能夠促進T細胞的激活并刺激其他細胞產(chǎn)生IL-6、IL-8、粒細胞-巨噬細胞刺激因子(GM-CSF)等多種細胞因子，介導炎性反應的發(fā)生[7]。Treg屬于調節(jié)型T細胞，對于體內自身免疫反應的發(fā)生具有調控作用，對機體特異性免疫抑制和免疫耐受具有顯著的影響作用。該亞群分泌的高水平IL-10和中等水平的TGF-β在一定程度上可以抑制幼稚型與記憶性T細胞的增殖；另一方面可通過對轉錄因子Foxp3功能的影響，對Th17細胞的增殖呈現(xiàn)出階段性的抑制作用[8]。AS患者免疫系統(tǒng)功能紊亂，體內Th17細胞明顯升高，Treg呈低水平狀態(tài)，導致Th17/Treg比值增高，使IL-17、IL-22、IL-23、IL-6等炎性因子處于高表達水平，機體長時間處于促炎性反應狀態(tài)[9]，作用于相關信號通路和細胞因子，使破骨細胞(osteoclast, OC)活性增強，成骨細胞(osteoblast, OB)功能受到抑制，骨代謝失衡造成進行性骨量丟失、骨強度降低。

1.1 促進破骨細胞的增殖

OP的發(fā)生是OC活性異常、功能太過活躍造成的不良結果，骨吸收能力強于骨形成，骨量流失、骨質量下降。OC屬于巨大的多核細胞，直徑一般在100 μm以上，成熟的OC結構與單核巨噬細胞類似，來源于造血干細胞(hematopoietic stem cell，HSC)，位于哈弗斯系統(tǒng)內骨膜的內表面。OC是人體唯一能夠溶解骨組織的細胞[10]，骨吸收的作用能清除舊骨基質、完成新骨重塑，使骨重塑周期保持穩(wěn)態(tài)化。核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-кB ligand，RANKL)、核因子-κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor kappa B，RANK)及骨保護素(osteoprotegerin, OPG)組成的OPG/RANKL/RANK信號轉導系統(tǒng)是誘導OC成熟、促進骨吸收的主要通路，在OC的分化成熟中發(fā)揮著關鍵作用[11]。RANKL與OC或者OC前體細胞表面的RANK相結合，產(chǎn)生的刺激信號通過核轉錄因子NF-кB呈遞轉運至細胞核內[12]，使c-Fos的表達增強，活化的T細胞核因子和c-Fos結合后信號進一步傳導，使與OC生成相關的特異性基因開始發(fā)生轉錄。生理狀態(tài)下，OPG/RANKL /RANK信號通路在促進OC的分化、增殖并抑制其凋亡的同時，骨髓基質及OB分泌的OPG使OPG/RANK比例保持在適當水平[13]，以防止骨吸收過度，從而維持骨代謝的平衡。AS患者免疫系統(tǒng)紊亂，Th17細胞的異常增殖、活化可使其表面的RANKL過度表達，與OC前體細胞表面的RANK結合后啟動OC鏈式反應信號的傳遞，加速OC的發(fā)育成熟[14]；另一方面Th17/Treg的失衡使得免疫因子調節(jié)網(wǎng)絡也發(fā)生了相應的改變，Th17細胞分泌大量的IL-17、IL-22、IL-23、IL-6等炎性因子，可直接促進RANKL的表達，RANKL水平顯著升高后，OPG/RANKL/RANK信號通路被激活[15]，作用于OC，骨吸收作用增強，骨形成相應地減少。

1.2 抑制成骨細胞的活性

OB由骨髓來源間充質干細胞(bone marrow derived mesenchymal stem cell，BMSC)分化而來，在骨代謝中負責骨形成與修復的同時，還能對破骨細胞的生成及活性起到主導作用。Wnt/β-catenin是調控OB早期發(fā)育、成熟的關鍵信號通路，能夠直接促進OB的增殖分化并增強其活性，還可通過對OB細胞表面OPG與RANKL表達水平的影響，減少OC的生成[16]，對骨吸收作用進行間接調節(jié)。Wnt配體、膜受體卷軸蛋白(frizzled，F(xiàn)z)、共受體低密度脂蛋白受體相關蛋白(low density lipoprotein receptor related protein，LRP)5/6及β-連環(huán)蛋白(β-catenin)等構成了經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號通路。Wnt信號通路激活時，Wnt配體與Fz受體及LRP5/6共同受體結合形成受體復合物，抑制糖原合酶激酶-3β磷酸化β-catenin蛋白的過程，導致β-catenin在細胞質內大量聚集，達到一定程度后與T細胞轉錄因子/淋巴樣增強因子(T cell factor/lymphoid enhancer factor，TCF/LEF)結合，以復合體的形式進入到細胞核內，啟動下游特定靶基因的轉錄與表達[17]，調控OB的增殖、分化及相關蛋白的合成，從而促進骨的形成。雖然Wnt信號是維持骨形成的關鍵通路，若功能失調同樣會導致一系列骨骼疾病的發(fā)生，其生物活性需要骨硬化蛋白(sclerostin)、DKK-1及分泌型卷曲相關蛋白(secreted frizzled-related proteins，SFRPs)等拮抗物的調節(jié)維持在最佳水平[18]。Sclerostin通過競爭性結合LRP5/6受體抑制Wnt信號的活性，進而阻止OB的聚集、分化；DKK-1可以直接與LRP5/6結合阻斷Wnt/β-catenin信號轉導系統(tǒng)信息的傳遞，也可與含Kringle結構域的跨膜蛋白Kremen結合形成聚合物以增強細胞自身的內吞作用[19]，使LRP5/6的表達水平降低從而抑制β-catenint的磷酸化過程，進一步影響骨的生長發(fā)育。AS患者免疫系統(tǒng)持續(xù)低度活化，機體處于促炎性反應狀態(tài)，IL-17、IL-6及TNF-α等炎性因子可上調DKK-1 與Sclerostin的表達水平[20]，下調Wnt信號的功能活性。體內DKK-1與Sclerostin水平增多，Wnt/β-catenin信號通路被阻斷后抑制核下游調控OB分化基因的轉錄，從而促進骨吸收；另外，AS患者血清內Sclerostin表達水平的升高還可影響B(tài)MP參與骨形成的過程[21]，進一步加劇骨量的流失。

2 脊柱運動減退

廢用也是造成AS患者骨量丟失、誘發(fā)OP的危險因素。骶髂關節(jié)受到侵犯后病變逐漸向上蔓延，累及滑膜、韌帶附著點發(fā)生炎癥反應，容易造成軟骨破壞、纖維化、骨化，軟骨內新骨形成；軟骨下骨板在促炎性反應狀態(tài)下變性壞死，大量鈣鹽沉積；肌肉微環(huán)境紊亂，韌帶纖維化或骨橋形成等一系列的病理改變。脊柱本身的解剖結構比較復雜，椎體、椎間盤及附屬韌帶屬于內源性穩(wěn)定結構，椎旁肌肉屬于外源性穩(wěn)定結構，二者共同維持著脊柱結構的穩(wěn)定與功能活動的正常進行，任何的不良刺激都會造成生物應力的改變[22]。隨著病程的進展，AS患者后期常出現(xiàn)脊柱僵硬、強直甚至后凸畸形，在機體活動明顯受限的同時，脊柱及其附屬結構的生物力學特性也發(fā)生了相應的改變。運動在骨組織的發(fā)育與重建中有著重要作用，機械應力刺激可通過Wnt、cAMP/PKA/Atf4、OPG/RANKL/RANK等信號軸逐級傳遞[23]，影響OC及OB的分化、凋亡；還可以提高G蛋白偶聯(lián)受體48、IL-2、IFN等保護性因子的表達水平，抑制骨吸收，促進骨形成，從而調控骨代謝的正向平衡。研究表明，機體受到適宜的機械應力刺激后能夠上調β-catenin蛋白的表達，抑制過氧化物酶增殖激活受體γ2(peroxisome proliferator-activated receptorsγ2，PPARγ2)的活性[24]，激活Wnt/β-catenin信號通路后在不但能促進OB的增殖、分化，還能提高其對機械應力刺激的敏感性。OPG/RANK/RANKL信號通路對骨代謝具有雙向調控作用，長時間、高強度的運動可抑制OPG的分泌合成，OPG/RANK比值降低，OC活性增強；機體可耐受范圍內的運動作用于骨骼屬于良性應力刺激，不僅可以提高OB表達OPG基因的水平，還能抑制RANKL的分泌及基因的表達[25]，對骨形成具有促進作用。AS患者脊柱運動功能發(fā)生退變，活動明顯受限，長時間處于靜息狀態(tài)，骨骼受到的應力負荷降低，體內相關蛋白及細胞因子合成減少，BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL、Wnt等信號通路受到的有效機械刺激也相應地減少，骨代謝紊亂，骨吸收大于骨形成。遵循Wolff定律，附著于骨骼表面的肌肉收縮后產(chǎn)生的生物應力可通過上述信號轉導系統(tǒng)直接作用于骨細胞，也可驅動BMSC成骨分化的過程，共同維持骨組織內部結構的穩(wěn)定，增加骨密度[26]。長期的炎性刺激導致AS患者肌肉微環(huán)境紊亂，后期脊柱周圍韌帶鈣化、肌肉萎縮，肌肉功能減退，機體受到的有效機械負荷降低，進一步影響OP的發(fā)生。

3 腸道菌群失調

腸道內寄宿著大約1014數(shù)量級的微生物菌落，至少有1 000種細菌參與構成了人體最大的微生態(tài)系統(tǒng)。正常情況下，腸道菌群與宿主不同發(fā)育階段的生理活動之間構成了嚴格的平衡關系[27]，在促進消化代謝、營養(yǎng)吸收，調節(jié)免疫應答反應，構建腸黏膜保護屏障中具有重要作用。腸道菌群對骨代謝的調控通過“菌群-腸道-骨骼”生物軸來實現(xiàn)，菌落分泌的血清素、雌激素類似物等小分子物質影響鈣磷代謝；益生菌通過改變菌群的組成和代謝以維持Th17/Treg細胞的平衡[28]，抑制免疫系統(tǒng)低度活化，降低炎性反應，阻斷促OC分化相關傳導通路的信號傳遞，從而減少骨吸收。研究表明，腸道菌群失調與AS的發(fā)生、發(fā)展密切相關。炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是AS最常見的關節(jié)外并發(fā)癥，其發(fā)生率為5%～10%，約有70%以上的患者為亞臨床腸道炎癥表現(xiàn)，腸道微生態(tài)的紊亂是并發(fā)IBD的主要原因[29]。AS患者的亞臨床腸道炎癥常局限于結腸或回腸遠端，通過16S rDNA及宏基因組高通量測序等技術，與健康人群相比，AS患者回腸末端毛螺旋菌、擬桿菌、韋榮球菌、普雷沃菌、紫單孢菌等明顯增加[30]，擬桿菌屬和腸桿菌屬顯著降低。處于活動期的AS患者腸道內小桿菌屬豐度明顯減低，且雙歧桿菌屬的豐度水平與HLA-27B 陽性率成反比。上述一系列的研究表明，AS打破腸道菌落與宿主之間共棲互生的平衡狀態(tài)，益生菌減少、致病菌增多，通過“菌群-腸道-骨骼”軸影響骨代謝。腸道微生態(tài)紊亂抑制Treg細胞的活性，同時激活Th1與Th17細胞，Th17/Treg比值升高，介導異常免疫反應[31]，IL-6、IL-17、IL-23等炎性因子的積累導致NF-κB 信號激活，進一步加重炎癥反應；促炎性反應狀態(tài)下OPG的表達水平降低，RANKL與RANK過度結合后啟動RANKL/RANK/OPG信號傳遞系統(tǒng)，作用于相關的分子靶點后促進OC增殖、分化并增強其活性，造成骨量流失，最終導致OP的發(fā)生。

4 結語

OP作為AS主要的并發(fā)癥，在病變早、中期就可導致骨密度的減低，其造成進行性脊柱破壞和脊柱骨折是致殘的首要危險因素。AS屬于自身免疫性疾病，免疫應答異常，促炎性反應狀態(tài)造成OC與OB脫耦聯(lián)，骨吸收強于骨形成是誘發(fā)OP的主要原因。隨著病情的發(fā)展脊柱周圍韌帶鈣化、軟組織骨化造成脊柱僵硬、強直，功能活動受限，脊柱受到的有效生物力學刺激下降，也是引起OP的重要方面，至于AS造成脊柱周圍肌肉微環(huán)境的改變仍需進一步深入研究。另外，腸道菌群失調，通過“菌群-腸道-骨骼”軸功能紊亂也是導致骨量丟失的重要方面，AS患者腸道菌群確實發(fā)生了改變，菌群失調與AS發(fā)生、發(fā)展的具體機制將是今后研究的重點。本文從上述三個方面闡述了AS引起骨代謝紊亂的分子學機制，以期為AS臨床診療中積極配合抗OP治療提供理論依據(jù)，延緩病情發(fā)展，降低不良事件的發(fā)生。