TNF-α介導(dǎo)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

姚娜 李鵬程 耿春梅 俸玉 宋艷萍 陳紅波 張瑾 范秦瑤 黃麗 陳奇剛*

1.云南中醫(yī)藥大學(xué)，云南 昆明 650500 2.昆明市中醫(yī)醫(yī)院，云南 昆明 650505

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)是由于婦女絕經(jīng)后雌激素水平降低引起的相應(yīng)免疫功能變化及炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致骨重建平衡失調(diào)的代謝性骨病[1]。李淼等[2]研究報(bào)道，骨代謝相關(guān)因子在治療早期(3～6個(gè)月)可靈敏地監(jiān)測(cè)出骨代謝水平。肖華等[3]通過(guò)進(jìn)一步證實(shí)細(xì)胞因子水平能反映骨量丟失率和骨破壞水平，TNF-α作為促骨吸收的細(xì)胞因子，了解其與PMOP的關(guān)系，可深入了解PMOP的發(fā)病機(jī)制，為治療及預(yù)防PMOP提供新方向。

1 TNF-α概述

TNF-α是一種具有多功能的細(xì)胞因子，主要由單核-巨噬細(xì)胞、B細(xì)胞、NK細(xì)胞、T細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等分泌產(chǎn)生，它在炎癥反應(yīng)、細(xì)胞免疫、低氧及骨代謝異常等多種生理和病理過(guò)程中均起著關(guān)鍵的作用[4-5]。研究[6-7]表明，TNF-α的表達(dá)水平可作為臨床上監(jiān)測(cè)機(jī)體應(yīng)激、免疫、炎性反應(yīng)的有效指標(biāo)。TNF-α可直接或間接作用于破骨細(xì)胞前體細(xì)胞，增強(qiáng)骨吸收，影響骨重建；也可通過(guò)調(diào)節(jié)其他組織代謝活性并促使其他細(xì)胞因子的合成和釋放影響骨微環(huán)境、加劇氧化應(yīng)激反應(yīng)；此外還通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)體免疫影響PMOP的發(fā)生、發(fā)展[8-9]。Murad等[10]研究結(jié)果顯示TNF-α與BMD呈負(fù)相關(guān)，證實(shí)血清TNF-α水平可作為評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松癥和未來(lái)脆性骨折風(fēng)險(xiǎn)的較好指標(biāo)。

2 TNF-α調(diào)控絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的機(jī)制

雌激素水平下降是導(dǎo)致PMOP發(fā)生的重要原因，關(guān)鍵是絕經(jīng)后婦女因雌激素分泌減少引起相應(yīng)的免疫功能增強(qiáng)，促進(jìn)T細(xì)胞的激活與增殖，引起TNF-α分泌增多，從而導(dǎo)致骨重建失衡[11]。TNF-α可通過(guò)多途徑調(diào)控骨細(xì)胞、免疫細(xì)胞的增殖、分化，決定骨重建方向。TNF-α通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)體骨代謝、免疫、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)等調(diào)控骨代謝參與PMOP的發(fā)生、發(fā)展。機(jī)制如圖1所示[12-14]。(1)TNF-α增強(qiáng)免疫反應(yīng)，增強(qiáng)機(jī)體免疫功能，促進(jìn)免疫細(xì)胞增殖、分化，直接調(diào)控破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的增殖、分化，促進(jìn)骨代謝，導(dǎo)致PMOP；(2)TNF-α可刺激其他炎性因子分泌，加劇炎癥反應(yīng)，影響骨代謝微環(huán)境，調(diào)控破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的增殖、分化，促進(jìn)骨代謝，導(dǎo)致PMOP；(3)TNF-α加劇氧化應(yīng)激反應(yīng)，介導(dǎo)破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的增殖、分化，從而促進(jìn)骨代謝，導(dǎo)致PMOP。

圖1 TNF-α介導(dǎo)PMOP的機(jī)制Fig.1 The mechanism of TNF-α mediated PMOP

3 TNF-α對(duì)骨代謝的影響

TNF-α是目前發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的骨吸收誘導(dǎo)劑之一，與骨質(zhì)疏松癥關(guān)系最為密切，可通過(guò)直接調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞的增殖與分化，影響骨代謝；還可通過(guò)損傷腎血管-基底膜屏障，導(dǎo)致血管通透性升高，使腎小管吸收鈣、磷下降，腎臟的鈣、磷轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，從而導(dǎo)致骨鈣、磷的代謝失調(diào)和腎臟羥化酶活性下降，影響骨代謝[15]。

3.1 TNF-α對(duì)破骨細(xì)胞影響

TNF-α由破骨樣細(xì)胞和成骨細(xì)胞合成，是強(qiáng)效的骨吸收刺激因子[16]。馬赫等[17]研究確定了TNF-α與破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)的形成存在著正相關(guān)關(guān)系，TNF-α通過(guò)影響OC的增殖、分化、生存進(jìn)而影響骨代謝，主要通過(guò)以下途徑作用于OC，促進(jìn)骨吸收，具體如圖2所示[8,18-19]。(1)TNF-α通過(guò)刺激巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF)、白介素-6、前列腺素E2(PGE2)的釋放，促進(jìn)OC前體細(xì)胞分化及成熟；(2)TNF-α通過(guò)增加破骨細(xì)胞上V-ATP酶的表達(dá)，從而加強(qiáng)破骨細(xì)胞的骨吸收活性；(3)TNF-α通過(guò)激活成骨細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞核因子κB受體活化配體(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)的活性間接刺激OC生成；(4)TNF-α通過(guò)JNK途徑、NF-κB途徑、PI3K/Akt等信號(hào)傳導(dǎo)途徑通過(guò)OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)來(lái)促進(jìn)OC的分化。

圖2 TNF-α調(diào)控破骨細(xì)胞分化途徑Fig.2 TNF-α regulates the differentiation pathway of the osteoclast

目前，TNF-α調(diào)控破骨細(xì)胞增殖、分化、加強(qiáng)骨吸收活性的機(jī)制尚未完善，可進(jìn)一步研究其對(duì)破骨細(xì)胞密切相關(guān)的細(xì)胞及受體的影響，以及TNF-α的調(diào)控通路。

3.2 TNF-α對(duì)成骨細(xì)胞的影響

成骨細(xì)胞(osteoblast，OB)既是TNF-α的效應(yīng)細(xì)胞，又是TNF-α的產(chǎn)生細(xì)胞，TNF-α抑制成骨主要通過(guò)抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)的成骨分化、成骨細(xì)胞礦化[20]。侯君藝等[21]報(bào)道，TNF-α對(duì)成骨分化起雙重作用，主要取決于其濃度、處理時(shí)間以及細(xì)胞類型。TNF-α主要通過(guò)以下途徑影響成骨細(xì)胞的增殖與分化，如下圖3所示[22-25]。(1)TNF-α可通過(guò)Wnt、NF-κB等信號(hào)通路影響干細(xì)胞的成骨分化；(2)TNF-α對(duì)BMSCs的成骨分化起負(fù)性調(diào)節(jié)作用，可抑制成骨細(xì)胞分化增殖的關(guān)鍵因子Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)的表達(dá)；(3)TNF-α通過(guò)抑制叉框蛋白1(FoxO1)轉(zhuǎn)錄，從而抑制BMMSCs，引起成骨細(xì)胞分化障礙；(4)TNF-α通過(guò)抑制骨形成的關(guān)鍵信號(hào)途徑Wnt/β-catenin負(fù)向調(diào)控Sema3B的表達(dá)，抑制MSCs向成骨細(xì)胞分化。

圖3 TNF-α抑制OB增殖、分化Fig.3 TNF-α inhibits the proliferation and differentiation of the osteoblast

TNF-α對(duì)成骨分化的調(diào)控途徑較多，主要通過(guò)抑制BMSCs分化，從而引起成骨細(xì)胞的分化障礙，導(dǎo)致PMOP，其調(diào)控機(jī)制較為復(fù)雜，可存在相互交錯(cuò)的部分，仍需進(jìn)一步研究。

4 TNF-α對(duì)免疫反應(yīng)的影響

細(xì)胞因子與淋巴細(xì)胞在骨代謝過(guò)程中相互協(xié)同或相互制約，淋巴細(xì)胞產(chǎn)生一系列細(xì)胞因子，參與骨代謝，同時(shí)這些細(xì)胞因子又可相互作用，并反過(guò)來(lái)影響淋巴細(xì)胞的功能[26]。TNF-α是免疫系統(tǒng)的產(chǎn)物，在免疫反應(yīng)中發(fā)揮多種作用，通過(guò)免疫信號(hào)通路的反饋調(diào)節(jié)，影響骨代謝，具體途徑如圖4示[14,27-29]。(1)免疫反應(yīng)增強(qiáng)，激活T淋巴細(xì)胞分泌促骨吸收因子TNF-α、RANKL的產(chǎn)生；(2)TNF-α的增多，免疫系統(tǒng)活化，淋巴細(xì)胞分泌增加；(3)TNF-α直接作用于破骨細(xì)胞，促進(jìn)破骨細(xì)胞增殖、分化，導(dǎo)致PMOP；(4)TNF-α通過(guò)作用于成骨細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞增加RNAKL和M-CSF的表達(dá)促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，導(dǎo)致骨吸收增加，導(dǎo)致PMOP；(5)TNF-α增加骨髓單核/巨噬細(xì)胞系前體細(xì)胞對(duì)RANKL的反應(yīng)性，促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成和活化，促進(jìn)破骨細(xì)胞骨吸收活性，導(dǎo)致骨吸收增加，骨量減少，形成PMOP。

圖4 TNF-α介導(dǎo)免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)骨代謝Fig.4 Regulates of bone metabolism by TNF-α mediated immune response

骨與免疫系統(tǒng)有著復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，免疫細(xì)胞分泌細(xì)胞因子可直接調(diào)節(jié)OB與OC的增殖與分化，影響骨代謝，反之細(xì)胞因子分泌增多時(shí)會(huì)促進(jìn)免疫細(xì)胞分化，加速骨吸收。

5 TNF-α對(duì)炎癥反應(yīng)的影響

TNF-α是炎癥反應(yīng)過(guò)程中最早出現(xiàn)、最重要的炎性介質(zhì)，是炎癥信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的啟動(dòng)因子，可激活淋巴細(xì)胞及中性粒細(xì)胞，增加血管內(nèi)皮通透性，誘導(dǎo)并促進(jìn)其他炎性因子釋放，加劇炎癥反應(yīng)[30]。持續(xù)激活的微炎癥狀態(tài)是絕經(jīng)后重要的病理改變，是骨密度下降的重要原因，也是骨微結(jié)構(gòu)破壞的重要病理因素[31]。TNF-α通過(guò)以下途徑作用于炎癥反應(yīng)，調(diào)控骨代謝，具體如圖5所示[32-35]。(1)TNF-α可促進(jìn)干細(xì)胞合成和釋放IL-6等炎性因子，促進(jìn)炎癥發(fā)展，影響骨代謝微環(huán)境，促進(jìn)破骨細(xì)胞增殖、分化，導(dǎo)致PMOP；(2)TNF-α可活化炎癥細(xì)胞，誘導(dǎo)白細(xì)胞介素-1、白介素-6等的分泌，直接刺激破骨細(xì)胞祖細(xì)胞分化為成熟破骨細(xì)胞，促進(jìn)骨吸收，導(dǎo)致PMOP；(3)TNF-α可促進(jìn)相關(guān)組織水解酶、前列腺素E2等的釋放，導(dǎo)致疾病組織結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致PMOP。

圖5 TNF-α對(duì)炎癥反應(yīng)的作用及調(diào)節(jié)骨代謝Fig.5 The effect of TNF-α on inflammatory response its regulation on bone metabolism

TNF-α作為炎性因子刺激其他炎性因子加劇炎癥反應(yīng)，影響骨代謝微環(huán)境，促進(jìn)破骨細(xì)胞增殖、分化，破壞骨微結(jié)構(gòu)，加速PMOP的發(fā)生。

6 TNF-α對(duì)氧化應(yīng)激反應(yīng)的影響

氧化應(yīng)激可導(dǎo)致PMOP的發(fā)生。氧化應(yīng)激可促進(jìn)TNF-α分泌增多，TNF-α作為機(jī)體應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生最早的、最核心的炎癥介質(zhì)，可誘發(fā)機(jī)體代謝增強(qiáng)、血流動(dòng)力學(xué)明顯變化、促進(jìn)炎癥介質(zhì)生成，增加炎癥效應(yīng)[17]。TNF-α通過(guò)促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)，直接或間接的調(diào)節(jié)骨重建方向，具體途徑如圖6所示[14,36-37]。(1)TNF-α可抑制具有抗氧化應(yīng)激作用的Fox O1，抑制BMSCs分化，影響骨重建；(2)TNF-α可通過(guò)激活產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，發(fā)揮促氧化作用，抑制超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)抗氧化作用從而促進(jìn)氧化應(yīng)激的產(chǎn)生；(3)TNF-α能增強(qiáng)不同組織細(xì)胞的ROS活性，促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)。

圖6 TNF-α調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng)Fig.6 TNF-α regulates the oxidative stress response

程韻等[38]發(fā)現(xiàn)ROS能夠通過(guò)激活ERK、JNK、NF-κB等信號(hào)通路，上調(diào)RANKL、TNF-α的表達(dá)，下調(diào)OPG的表達(dá)，提高骨吸收功能，間接地影響骨重建過(guò)程。由此證明，TNF-α通過(guò)調(diào)節(jié)ROS的活性，提高骨吸收功能，ROS亦能調(diào)節(jié)TNF-α的表達(dá)，間接的影響骨重建，兩者相互相互影響，協(xié)調(diào)影響骨代謝。

7 總結(jié)與展望

TNF-α作為骨骼系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)共享的細(xì)胞因子，通過(guò)增強(qiáng)機(jī)體免疫、增加炎癥反應(yīng)、促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)，直接或間接的調(diào)節(jié)骨代謝，改變骨重建方向，參與PMOP的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。同時(shí)免疫系統(tǒng)活化、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)的加劇會(huì)增加TNF-α的表達(dá)，它們相互調(diào)節(jié)，協(xié)同影響PMOP進(jìn)程。因此，TNF-α在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的診斷和治療中有著重大意義。但其作用機(jī)制尚未研究完善，可從TNF-α不同生物功能特性，不同信號(hào)通路等深入研究，進(jìn)一步完善其調(diào)節(jié)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的機(jī)制，探究如何有效地將TNF-α作為靶點(diǎn)治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥。