單核細(xì)胞趨化蛋白-1的形成及其在骨重建中的作用

譚榮雄，蔡杰欽，李健，蔣華生，譚奇超，彭鑫，彭中華綜述 魏波，吳強(qiáng)審校

1.廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東 湛江 524000；2.粵北人民醫(yī)院，廣東 韶關(guān) 512000

趨化因子屬于趨化細(xì)胞因子家族，根據(jù)趨化因子的一級結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)亞家族：CXC、CC、C和CX3C[1-2]，趨化因子網(wǎng)絡(luò)在發(fā)育、動(dòng)態(tài)平衡、免疫監(jiān)測、炎癥、抗感染、組織修復(fù)以及先天免疫和獲得性免疫等方面起著重要作用；包括遲發(fā)型超敏反應(yīng)、動(dòng)脈粥樣硬化、肺纖維化、細(xì)菌感染、關(guān)節(jié)炎和腎臟疾病動(dòng)脈粥樣硬化、癌癥和急性髓性白血病在內(nèi)，各種臨床疾病的病理發(fā)展都有趨化因子的參與[3-5]。單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1，又稱CCL2)是調(diào)節(jié)單核/巨噬細(xì)胞遷移的重要趨化因子，它能募集單核細(xì)胞、記憶T細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞至損傷和感染的組織，這些細(xì)胞對末梢循環(huán)和組織中的抗病毒免疫應(yīng)答起著非常重要的作用[6-8]。同時(shí)，MCP-1也可表達(dá)于軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞，在骨代謝和OA中發(fā)揮作用[9-10]。GRAVES等[11]和VAN DAMME等[12]首次證明MCP-1可以在體外由成骨細(xì)胞表達(dá)。MCP-1與CC趨化因子受體2(CCR2)結(jié)合，CCR2由OCS表達(dá)，缺乏CCR2會導(dǎo)致更高的骨量，這強(qiáng)烈表明MCP-1在骨代謝中發(fā)揮作用[13]。在上述研究中不難發(fā)現(xiàn)，MCP-1作為一種炎癥趨化因子不僅可由成骨/破骨細(xì)胞產(chǎn)生，同時(shí)對骨代謝活動(dòng)起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用，這種調(diào)節(jié)作用將作為本文綜述的重點(diǎn)。

1 單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)與趨化因子受體2(CCR2)

1.1 單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)趨化因子最早于1977年隨著分泌的血小板因子4(PF4/CXCL4)的純化而被鑒定。自那時(shí)起，隨著對趨化因子研究的逐漸深入，越來越多的趨化因子配體、受體被發(fā)現(xiàn)，它們對機(jī)體生理代謝、絕大多數(shù)疾病的發(fā)生發(fā)展過程起著舉足輕重的調(diào)節(jié)作用。MCP屬于至少由四個(gè)成員(MCP-1、-2、-3和-4)組成的家族。然而，在趨化因子家族的眾多成員中，MCP1是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的人類CC趨化因子,位于17號染色體(chr.17，q11.2)，由76個(gè)氨基酸組成，大小為13 kDa。MCP1可由內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、上皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、系膜細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、單核細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞等多種細(xì)胞類型產(chǎn)生[1]。值得關(guān)注的是，MCP1不僅是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的人類CC趨化因子，而且它還是趨化因子家族中被廣泛關(guān)注、研究最多的趨化因子之一，它被報(bào)道參與了多種生理過程及疾病的發(fā)生發(fā)展：包括炎癥性骨丟失[14]，成骨細(xì)胞/破骨細(xì)胞表達(dá)的調(diào)節(jié)、遲發(fā)型超敏反應(yīng)、動(dòng)脈粥樣硬化、肺纖維化、細(xì)菌感染、關(guān)節(jié)炎和腎臟疾病動(dòng)脈粥樣硬化和癌癥等[15-18]。正因?yàn)镸CP1參與了眾多生理反應(yīng)過程以及疾病的發(fā)生發(fā)展過程，所以以MCP1作為預(yù)測干預(yù)指標(biāo)進(jìn)行各種相關(guān)疾病的診斷、治療及預(yù)后判斷逐漸受到廣泛的關(guān)注和深入研究，包括：骨質(zhì)疏松癥、彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤、前列腺癌，乳腺癌，Schnitzler"s綜合征、多發(fā)性硬化癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、動(dòng)脈粥樣硬化和胰島素抵抗糖尿病等[19-23]。

1.2 趨化因子受體2(CCR2)CCR2是一種7次跨膜的G蛋白偶聯(lián)受體，能夠與CC趨化因子配體2(CC chemokine ligand 2，CCL2)高選擇性結(jié)合，不僅在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，而且在人類破骨細(xì)胞前體細(xì)胞中有明顯表達(dá)[24-26]。此外，MCP-1基因的破壞也會導(dǎo)致單核細(xì)胞募集過程的損傷，這與CCR2基因敲除模型有相同的特征。然而，CC趨化因子生物學(xué)的一個(gè)獨(dú)特方面是受體和趨化因子之間存在高度的串?dāng)_。趨化因子既可以作為同源二聚體，也可以作為具有結(jié)構(gòu)相似趨化因子的異源二聚體，一種特定的趨化因子可以與其他趨化因子和幾個(gè)主要受體相互作用，如果濃度足夠高，還可能與其他非典型受體相互作用[26]；而MCP1是導(dǎo)致單核細(xì)胞遷移的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中最有效的誘導(dǎo)劑[28]。與MCP1不同的是，CCR2的表達(dá)相對局限于某些類型的細(xì)胞，且在人類中以兩種異構(gòu)體存在：CCR2A和CCR2B[26]。它們的主要區(qū)別在于C-末端尾部的不同。單個(gè)核細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞表達(dá)的主要亞型是CCR2A，而CCR2B則是單核細(xì)胞和活化的NK細(xì)胞主要表達(dá)亞型[1，5]。CCR2A和CCR2B可能激活不同的信號通路，發(fā)揮不同的作用。這兩種異構(gòu)體的存在使得激活不同的途徑最終產(chǎn)生不同的效果成為可能。例如，CCR2A陽性細(xì)胞的MCP1趨化發(fā)生在沒有Ca2+動(dòng)員的情況下，但在CCR2B陽性細(xì)胞中誘導(dǎo)Ca2+fl UX。有趣的是，CCR2不僅具有促炎作用，而且還兼具抗炎作用。CCR2的促炎作用依賴于APC和T細(xì)胞，而抗炎癥作用依賴于調(diào)節(jié)性T細(xì)胞中CCR2的表達(dá)。

2 骨骼的修復(fù)和重建

骨骼的主要功能包括：為身體提供結(jié)構(gòu)性支撐，保護(hù)內(nèi)部器官和調(diào)節(jié)造血系統(tǒng)。骨骼修復(fù)和重塑有助于保持骨骼的完整性，這一過程發(fā)生在整個(gè)生命過程中[29]。骨修復(fù)重建除了促進(jìn)骨折愈合外，還有助于預(yù)防骨的累積性損傷和維持血鈣動(dòng)態(tài)平衡的重要作用[30]。骨重建過程主要依賴破骨細(xì)胞的骨吸收與成骨細(xì)胞的骨形成[31]，這一過程由五個(gè)主要步驟共同完成：激活、再吸收、逆轉(zhuǎn)、形成和終止[33]，每個(gè)步驟對于保持骨骼完整性和維持礦物質(zhì)穩(wěn)態(tài)都不可或缺。

3 MCP1通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞完成骨重建

CC和CXC趨化因子在骨重建中有明確的作用[28]；MCP-1由成骨細(xì)胞分泌，其受體CCR2可在破骨細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)[26]，它是吸引破骨細(xì)胞及其前體到骨重建部位的重要信號分子。沒有CCR2的情況下破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞活性將會降低[34]。近年來，越來越多的實(shí)驗(yàn)研究對此觀點(diǎn)加以了證實(shí)，其中備受關(guān)注的是CC家族中的MCP1。成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞表達(dá)多種不同的趨化因子，其中成骨細(xì)胞是表達(dá)MCP-1的主要細(xì)胞[27]。有研究證實(shí)，成骨細(xì)胞可以分泌多種炎癥細(xì)胞因子，促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成，然而在這些因子中，MCP-1對破骨細(xì)胞的分化、形成至關(guān)重要，MCP-1可以加速破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的募集，并促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化、成熟，從而發(fā)揮骨吸收功能[35]。YAO等[36]用突變的MCP1蛋白7ND封閉MCP1-CCR2/CCR4配體受體軸，可以減少單核/巨噬細(xì)胞在體外的遷移。該團(tuán)隊(duì)于2016年小鼠顱骨短期模型中，確定7ND是MCP1蛋白的一個(gè)突變型，在N端缺失2~8個(gè)氨基酸，是MCP-1的顯性負(fù)抑制因子。局部給藥對骨溶解的發(fā)生起到了抑制作用。該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了MCP-1對于破骨細(xì)胞的激活起著重要作用，當(dāng)MCP-1受體被抑制時(shí)，破骨細(xì)胞活性明顯減退。此外，有研究發(fā)現(xiàn)在尺骨應(yīng)力性骨折(SFX)模型中，趨化因子MCP-1在SFX啟動(dòng)后早期重塑過程中受到特異性調(diào)控。MCP-1mRNA和蛋白定位于(SFX)附近的成骨細(xì)胞。值得注意的是：非炎性骨組織中MCP-1表達(dá)很少或不表達(dá)[27]。這表明骨折早期的炎癥刺激可能引起了成骨細(xì)胞表達(dá)MCP-1。然而，若是這種炎癥刺激并非局限于骨折早期，而是轉(zhuǎn)變成慢性過程，MCP1的長時(shí)間持續(xù)作用將引起骨吸收大于骨形成；而骨吸收和骨形成之間的任何失衡都會導(dǎo)致代謝性骨病的發(fā)生[33]。

骨組織的炎癥刺激通常由骨折、感染或者自身的免疫調(diào)節(jié)功能觸發(fā)，但有趣的是，包括壓力在內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力也可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞表達(dá)趨化因子，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和骨重建。有研究通過野生型小鼠驗(yàn)證了成骨細(xì)胞中CXCL2和MCP1的誘導(dǎo)可能在壓力作用下起到骨重建的觸發(fā)作用[37]。MCP1通過對成骨/破骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用參與骨重建過程，然而，該調(diào)節(jié)的過程十分錯(cuò)綜復(fù)雜，目前對于這種調(diào)節(jié)作用的具體機(jī)制尚不十分明確，目前普遍認(rèn)為與RANK/RANKl/OPG信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有關(guān)。

4 MCP-1通過RANKL信號轉(zhuǎn)導(dǎo)參與骨重建

控制破骨細(xì)胞性骨吸收和成骨細(xì)胞骨形成的關(guān)鍵信號通路是核因子受體激活劑RANK/RANK配體/骨保護(hù)素(OPG)和規(guī)范的Wnt信號。κB受體激活劑(RANK)/RANK配體(RANKL)/骨保護(hù)素(OPG)是控制破骨細(xì)胞性骨吸收和成骨細(xì)胞骨形成的關(guān)鍵信號通路[33]。

成骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞表達(dá)MCP-1可能有助于RANKL的破骨細(xì)胞募集[38]。在這種吸收活動(dòng)之后，成骨細(xì)胞的數(shù)量和活性增加，導(dǎo)致骨量的凈增加。破骨前細(xì)胞和成骨細(xì)胞之間的直接接觸對于破骨細(xì)胞的形成是必要的；當(dāng)MCP-1在體內(nèi)靠近骨骼時(shí)，單核細(xì)胞浸潤增加[40]，因此，吸引接近成骨細(xì)胞的單核/巨噬細(xì)胞譜系的細(xì)胞對于促進(jìn)破骨細(xì)胞成熟至關(guān)重要[39]。

單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)可被GMCSF深深抑制。加入MCP-1可逆轉(zhuǎn)GM-CSF對破骨細(xì)胞形成的抑制作用，恢復(fù)骨吸收表型。當(dāng)通過NFATc1的RANKL信號被環(huán)孢素A阻斷時(shí)，MCP-1和RANTES的表達(dá)均下調(diào)。同時(shí)，基因表達(dá)研究表明，GM-CSF治療引起MCP-1的有效下調(diào)。外源性MCP-1的加入逆轉(zhuǎn)了GM-CSF介導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成抑制，使真正的多核骨吸收破骨細(xì)胞得以恢復(fù)。這些結(jié)果提示RANKL對MCP-1和RANTES的誘導(dǎo)是破骨細(xì)胞分化的重要組成部分，提供作用于破骨細(xì)胞的自分泌信號和作用于破骨細(xì)胞前體的旁分泌信號，通過促進(jìn)融合來加速破骨細(xì)胞的分化[16]。

此外，對鈣磷代謝以及骨代謝起重要調(diào)節(jié)作用的甲狀旁腺素(PTH)，也可通過RANKL的表達(dá)來影響破骨細(xì)胞的活性，而MCP-1的表達(dá)是破骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞募集、破骨細(xì)胞形成以及與PTH合成代謝相關(guān)的骨吸收所必需的[16]。單核細(xì)胞趨化蛋白-1在骨微環(huán)境中的濃度可能局部增加，以旁分泌的方式將單核細(xì)胞和破骨前細(xì)胞吸引到骨表面附近。PTH通過刺激RANKL和M-CSF的表達(dá)間接影響破骨細(xì)胞的成熟和功能[41-42]。間歇性PTH刺激RANKL是一過性事件[41，43]，和MCP-1的表達(dá)與RANKL的表達(dá)平行。MCP-1由成骨細(xì)胞系的細(xì)胞在甲狀旁腺素刺激下分泌，對單核細(xì)胞和破骨前細(xì)胞的募集是必需的，并有助于成熟破骨細(xì)胞的形成。破骨細(xì)胞活性的短暫增加會導(dǎo)致隨后骨形成的增加，從而導(dǎo)致骨量的凈增加。MCP-1的缺失消除了甲狀旁腺素誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成和骨吸收[38]。除PTH外，雌激素也被確定降低了成骨細(xì)胞中RANKL的表達(dá)，增加了護(hù)骨素的產(chǎn)生[6]。

另有研究表明，制瘤素M(OSM)影響成骨細(xì)胞的活性、遷移和侵襲。這種影響也與MCP-1有關(guān)，但這種調(diào)節(jié)作用并非通過RANKL實(shí)現(xiàn)，而是通過調(diào)節(jié)Akt磷酸化水平和MMP-1、MMP-2的活化來實(shí)現(xiàn)[29]。

5 結(jié)語

趨化因子家族成員眾多且功能非常復(fù)雜，誘導(dǎo)遷移，特別是白細(xì)胞的遷移，是它的主要生物學(xué)目的，但它的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。MCP1被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)多年，且受到了廣泛的研究，但是其在骨代謝與重建過程中的確切生物學(xué)機(jī)制卻尚未十分明確，目前大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為CCR2是MCP1的主要受體，而MCP1對成骨細(xì)胞/破骨細(xì)胞活性的調(diào)節(jié)主要是通過RANKL信號調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。然而，MCP1對骨重建的調(diào)節(jié)作用是否存在劑量依賴性以及時(shí)效依賴性？趨化因子之間是否存在協(xié)同或拮抗作用？其他信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是否也參與了MCP1對骨代謝的調(diào)節(jié)？MCP1是否通過刺激骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化影響骨重建過程？等諸多問題仍有待解決。