CD4+T細(xì)胞分泌細(xì)胞因子對骨偶聯(lián)的影響

李芳瑜 劉曉輝 崔 舜

骨偶聯(lián)是指破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收與成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成相互協(xié)調(diào)的動態(tài)過程。骨骼系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)密不可分，一方面，骨骼細(xì)胞與免疫細(xì)胞起源于相同的祖細(xì)胞，破骨細(xì)胞與免疫細(xì)胞都來源于造血干細(xì)胞。另一方面，骨骼系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)共享相同的微環(huán)境，破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的祖細(xì)胞都位于骨髓中，并且在骨髓中與免疫祖細(xì)胞或記憶細(xì)胞直接接觸-相互作用，調(diào)節(jié)骨骼的發(fā)生與發(fā)展[1]。此外，骨骼細(xì)胞與免疫細(xì)胞還共享多種細(xì)胞因子及相關(guān)受體。由此衍生出“骨免疫學(xué)”概念，以解釋骨骼系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)間相互調(diào)控的機制。

骨骼系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)間相互作用常涉及免疫系統(tǒng)活化后分泌細(xì)胞因子，引起骨代謝失衡[2]。在炎癥環(huán)境下，T細(xì)胞分泌炎性細(xì)胞因子，B細(xì)胞激活產(chǎn)生核因子κB 受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor kappa B ligand，RANKL)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成和骨吸收[3](圖1)。CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子是骨偶聯(lián)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。CD4+T細(xì)胞分為Th1、Th2、Th17和Treg 4種類型。Th1細(xì)胞被認(rèn)為在骨質(zhì)丟失過程中起主要作用，分泌干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)和骨吸收細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、白介素-1(interleukin-1，IL-1)。Th2細(xì)胞分泌細(xì)胞因子白介素-4(interleukin-4，IL-4)參與炎性骨吸收。Th17細(xì)胞分泌的IFN-γ和白介素-17(interleukin-17，IL-17)，主要調(diào)控破骨前體細(xì)胞增殖、分化和凋亡。Treg細(xì)胞分泌白介素-10(interleukin-10，IL-10)，調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的生成和骨吸收[4]。這些研究都表明，細(xì)胞因子可以通過調(diào)節(jié)骨偶聯(lián)，進(jìn)而影響骨代謝。因此，本文對CD4+T細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子對骨偶聯(lián)的影響進(jìn)行了總結(jié)。

圖1 免疫細(xì)胞分泌細(xì)胞因子調(diào)控骨偶聯(lián)

一、腫瘤壞死因子超家族

腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α，TNF-α)是由單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子，已被證實在骨炎性疾病發(fā)展中起促進(jìn)骨吸收的作用。TNF-α通過增加成骨細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞表達(dá)RANKL和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，MCSF)間接誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成，也通過激活核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear transcription factor kappa B，NF-κB)直接影響體內(nèi)、外骨細(xì)胞RANKL的表達(dá)[5]。也有研究發(fā)現(xiàn)TNF-α和RANKL具有協(xié)同作用，它們都通過激活轉(zhuǎn)錄因子c-fos和活化T-細(xì)胞核因子1(activated T nuclear factor 1 protein，NFATc1)信號誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化。

TNF-α不僅能刺激破骨細(xì)胞的骨吸收，而且能抑制成骨細(xì)胞的形成。TNF-α通過抑制成骨細(xì)胞形成的經(jīng)典通路，如Wnt通路，以及骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)通路，進(jìn)而抑制成骨細(xì)胞形成。TNF-α通過激活NF-κB，干擾BMP通路中重要的信號元件Smad與其DNA結(jié)合，從而抑制BMP信號，進(jìn)而抑制成骨細(xì)胞的生成[6]。而且，TNF-α刺激Wnt信號抑制劑DKK-1(dickkopf-1)和硬骨素(sclerostin，SOST)的產(chǎn)生，進(jìn)而對Wnt通路進(jìn)行負(fù)調(diào)控。此外，TNF-α還可以通過抑制成骨相關(guān)標(biāo)志物如胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)、骨形成因子(osterix，Osx)和成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)的表達(dá)來抑制骨形成。

二、轉(zhuǎn)化生長因子

轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族由轉(zhuǎn)化生長因子-βs、激活素、BMP等相關(guān)蛋白組成。TGF-β在骨骼中起多功能調(diào)節(jié)蛋白的作用，包括調(diào)控骨骼細(xì)胞的增殖和分化。TGF-β對破骨細(xì)胞有雙重調(diào)控作用，Karst等[7]使用骨髓來源的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞和小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞(ST2)進(jìn)行共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)TGF-β在低濃度時增加破骨細(xì)胞的分化，而在高濃度時抑制破骨細(xì)胞的分化。TGF-β通過協(xié)同RANKL調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞生成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子NFATc1的基因表達(dá)促進(jìn)破骨細(xì)胞生成。此外，TGF-β也可以通過參與Smad2/3介導(dǎo)的信號通路，上調(diào)RANKL的表達(dá)，誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成。近年來研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β在破骨細(xì)胞分化的早期(48h內(nèi))以劑量依賴性抑制破骨細(xì)胞生成。TGF對破骨細(xì)胞的抑制作用主要是通過降低破骨細(xì)胞特異性基因[如NFATc1、抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP)和組織蛋白酶K]的表達(dá)，以及抑制RANK誘導(dǎo)的NF-κB信號的激活[8]。

TGF-β對成骨細(xì)胞也存在雙重調(diào)控，不僅激活BMP通路中經(jīng)典的Smad2/3介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，也激活Smad1/5介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，兩者皆是BMP通路中的重要信號元件。經(jīng)典的Smad通路中，通過TGF-β-Smad信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，減少RANKL/骨保護素(osteoprotegerin，OPG)受體激動劑的分泌，抑制破骨細(xì)胞分化，從而促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖和分化[7]。近年來有研究發(fā)現(xiàn)， TGF-β通過磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)依賴性方式誘導(dǎo)成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子[Runx2、骨橋蛋白(osteopontin，OPN)、骨鈣素(osteocalcin、OCN)和Osx]的表達(dá)上調(diào)[9]。此外，TGF-β與甲狀旁腺激素、Wnt、BMP和成纖維細(xì)胞生長因子信號的協(xié)同作用，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和早期分化。盡管TGF-β在促進(jìn)早期成骨細(xì)胞分化中起重要作用，然而，在成骨細(xì)胞的最終分化階段，TGF-β抑制Runx2的表達(dá)，阻止成骨細(xì)胞向終末階段分化，并將其維持在靜止?fàn)顟B(tài)[10]。

三、干擾素

干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)是一種促炎性細(xì)胞因子，主要由T細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和B細(xì)胞分泌。干擾素在骨偶聯(lián)中對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的形成起著重要的調(diào)節(jié)作用。研究表明，干擾素-γ能誘導(dǎo)RANK接頭蛋白腫瘤壞死因子受體相關(guān)分子6(tumor necrosis factor receptor associated factor6，TRAF6)的快速降解，從而強烈抑制RANKL誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子NF-κB和JNK的激活，進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞的形成。IFN-γ通過Fas/FasL信號誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，對骨吸收進(jìn)行間接調(diào)節(jié)。此外，干擾素-γ刺激成骨細(xì)胞產(chǎn)生一氧化氮(nitric oxide，NO)，進(jìn)而促進(jìn)破骨細(xì)胞凋亡。盡管，大部分研究表明IFN-γ抑制破骨細(xì)胞形成，促進(jìn)破骨細(xì)胞凋亡。然而，也有研究表明IFN-γ可以通過刺激抗原依賴性T細(xì)胞活化和破骨細(xì)胞因子RANKL和TNF-α的分泌，間接刺激破骨細(xì)胞形成，促進(jìn)骨吸收的作用[11]。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，IFN-γ以劑量依賴的方式促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，并上調(diào)Runx2、Osx、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)和OCN的表達(dá)。在顱蓋成骨細(xì)胞的原代培養(yǎng)物中，外源性IFN-γ以劑量依賴性方式促進(jìn)成骨細(xì)胞誘導(dǎo)的Ca2+沉積并誘導(dǎo)成骨基因的表達(dá)。該研究表明，IFN-γ通過促進(jìn)增殖、分化和細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生而促進(jìn)成骨細(xì)胞生成[12]。

四、白介素家族

1.白介素-1：IL-1是一種促炎性細(xì)胞因子，由活化的單核-吞噬細(xì)胞系統(tǒng)生成，調(diào)節(jié)多種細(xì)胞和組織功能。IL-1有兩種形式，IL-1α和IL-1β，這兩種異構(gòu)體都被證明可以激活破骨細(xì)胞。IL-1α和IL-1β都是通過與IL-1Ⅰ型受體(interleukin-1 type Ⅰ receptors，IL-1RⅠ)親和力結(jié)合來傳遞信號的。IL-1β被確認(rèn)為破骨細(xì)胞激活因子，可以直接誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞分化為成熟的破骨細(xì)胞，也可以通過上調(diào)RANKL的表達(dá)，增強其活性并促進(jìn)破骨細(xì)胞生成及分化[13]。IL-1β可以增加M-CSF的產(chǎn)生來促進(jìn)破骨細(xì)胞的活性，并抑制破骨細(xì)胞的凋亡[14]。此外，IL-1α可通過誘導(dǎo)骨髓巨噬細(xì)胞小轉(zhuǎn)錄因子(microphthalmia-associated transcription factor，MITF)不依賴RANKL直接誘導(dǎo)OC分化。IL-1β強烈抑制成骨細(xì)胞的形成，從而減少新骨的形成。這種對成骨細(xì)胞活性的抑制通過上調(diào)經(jīng)典Wnt通路的拮抗劑DKK1和SOST的表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)。IL-1β也可以激活非典型Wnt途徑，導(dǎo)致Wnt信號異常激活，軟骨和骨異常分化[15]。

2.白介素-4:由Th2細(xì)胞分泌的IL-4通過阻斷RANKL依賴的NF-κB、JNK、p38和ERK信號的激活，選擇性地抑制TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以阻止破骨細(xì)胞生成。在RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成過程中，IL-4通過拮抗NF-κB的活化作用直接抑制RANKL誘導(dǎo)的NFATc1表達(dá)[16]。此外，IL-4通過減少促炎性細(xì)胞因子和破骨細(xì)胞因子(如TNF-α、IL-1和IL-6)的產(chǎn)生，間接參與破骨細(xì)胞形成。因此，IL-4具有抑制骨吸收的作用。近年來研究表明，IL-4對成骨細(xì)胞系MC3T3細(xì)胞的成骨能力無直接影響，但可以通過誘導(dǎo)ALP活性上調(diào)，間接促進(jìn)成骨細(xì)胞形成[17]。

3.白介素-6：IL-6主要由髓樣細(xì)胞產(chǎn)生，是循環(huán)中最豐富的細(xì)胞因子。早期研究表明，IL-6通過誘導(dǎo)IL-1的釋放刺激骨髓培養(yǎng)物中破骨細(xì)胞樣多核細(xì)胞的形成。隨后，研究發(fā)現(xiàn)IL-6主要通過RANK/RANKL/OPG系統(tǒng)刺激破骨細(xì)胞分化和骨吸收。而且，IL-6可通過白介素家族細(xì)胞因子共受體和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子(IL-6R和gp130)增強1,25(OH)2D3誘導(dǎo)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化。這表明，IL-6誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞分化為成熟和活躍的破骨細(xì)胞。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，IL-6通過激活下游信號分子JAK2和RANKL增強了骨細(xì)胞介導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化[18]。此外，IL-6被發(fā)現(xiàn)能促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，表現(xiàn)為成骨標(biāo)志物ALP和OCN水平升高。近來研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞培養(yǎng)物中的成骨細(xì)胞分泌可溶性IL-6受體(interleukin 6 soluble receptor，sIL-6R)，它們通過轉(zhuǎn)錄因子STAT3磷酸化和順式和反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對IL-6作出反應(yīng)，進(jìn)而刺激體內(nèi)骨形成[19]。然而，也有研究者發(fā)現(xiàn)，IL-6可以抑制成骨細(xì)胞分化而加劇了骨吸收。IL-6和sIL-6R均可通過減少參與成骨細(xì)胞分化的基因(包括ALP、Runx2和OCN)的表達(dá)而引起成骨細(xì)胞分化的降低[20]?；谏鲜鰞身椦芯拷Y(jié)果相反，因此IL-6對成骨細(xì)胞的分化有待于進(jìn)一步研究。

4.白介素-10:IL-10是由活化的T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生的，具有抗炎和免疫抑制作用。IL-10是破骨細(xì)胞形成的直接抑制劑，研究證實，IL-10通過上調(diào)OPG的表達(dá)，下調(diào)RANKL和M-CSF的表達(dá)，進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞形成，并通過抑制NFATc1和組織蛋白酶K的表達(dá)，進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞分化[21]。IL-10通過下調(diào)破骨細(xì)胞因子IFN-γ、TNF-α和IL-1的產(chǎn)生，抑制破骨細(xì)胞的生成。因此，IL-10被認(rèn)為是抗破骨細(xì)胞因子。IL-10缺陷小鼠(IL-10-/-)小鼠通過下調(diào)ALP和OCN的表達(dá)影響成骨細(xì)胞的活性和分化。IL-10-/-小鼠表現(xiàn)為骨量減少，增加機械脆性并抑制骨形成，最終發(fā)展為骨質(zhì)疏松癥。

5.白介素-17:IL-17是來源于CD4+T細(xì)胞、NK細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞的炎性細(xì)胞因子。在骨偶聯(lián)中，IL-17誘導(dǎo)RANKL的表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成和骨吸收。研究發(fā)現(xiàn)，IL-17通過NF-κB途徑促進(jìn)IL-6和IL-8的分泌，促進(jìn)骨吸收。此外，IL-17還可以與IL-1和(或)TNF-α協(xié)同作用，加速骨吸收。IL-17缺陷小鼠(IL-17-/-)局部骨吸收明顯減少，證實IL-17可以促進(jìn)體內(nèi)破骨細(xì)胞的形成。IL-17在體外對破骨細(xì)胞前體的直接作用似乎取決于其濃度，低濃度的IL-17通過激活RANKL-JNK信號通路促進(jìn)破骨細(xì)胞前體的自噬，從而增強RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化。高濃度的IL-17激活細(xì)胞凋亡蛋白酶(caspase-3)抑制自噬的同時阻止了破骨細(xì)胞的生成[22,23]。研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠/小鼠顱骨誘導(dǎo)成骨細(xì)胞過程中，IL-17通過上調(diào)Runx2、ALP、Osx、OCN和OPG成骨細(xì)胞分化基因的表達(dá)而促進(jìn)成骨細(xì)胞的早期分化[24]。然而，也有研究表明，IL-17在體外通過增加Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)途徑的拮抗劑來抑制成骨細(xì)胞的形成[25]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，IL-17對ALP、OCN和Runx2的基因表達(dá)有抑制作用，可劑量依賴性地下調(diào)原代成骨細(xì)胞的ALP活性。IL-17通過BMP/Smad非依賴途徑抑制BMP-2誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化[26]。這表明IL-17對成骨細(xì)胞的影響很難進(jìn)行定義。IL-17對成骨細(xì)胞的作用有待于進(jìn)一步研究。

6.白介素-23：IL-23是一種主要由活化的單核-吞噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞釋放的促炎性細(xì)胞因子。IL-23可以通過增強T細(xì)胞、滑膜成纖維細(xì)胞和破骨細(xì)胞前體細(xì)胞RANKL的表達(dá)來刺激破骨細(xì)胞的生成。除了誘導(dǎo)RANKL途徑，IL-23通過激活自然殺傷激活受體相關(guān)蛋白DAP12及免疫受體酪氨酸激活基序(immunoreceptor tyrosine-based activation motif，ITAM)來協(xié)調(diào)破骨細(xì)胞的分化。與體外研究一致，IL-23的過表達(dá)導(dǎo)致小鼠關(guān)節(jié)炎和全身性骨丟失，而在缺乏IL-23的小鼠(IL-23-/-)中，炎性介導(dǎo)的骨破壞較不明顯，破骨細(xì)胞形成減少。盡管研究表明IL-23對成骨細(xì)胞的形成和表達(dá)沒有影響。然而，IL-23可以通過下游的細(xì)胞因子如IL-17或IL-22間接作用于成骨細(xì)胞。

表1 細(xì)胞因子對骨偶聯(lián)的影響

五、展 望

骨免疫學(xué)概念的提出已經(jīng)有將近20年的歷史了，研究人員致力于為骨骼系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)相互作用的方式提供新的見解。骨骼系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)之間的調(diào)控機制非常復(fù)雜，緊密相連，并且涉及許多參與者。免疫細(xì)胞分泌細(xì)胞因子分別調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，進(jìn)而影響骨偶聯(lián)(表1)。許多缺乏特定細(xì)胞因子的小鼠模型顯示出明顯的骨重塑狀態(tài)受損。細(xì)胞因子IL-1、IL-6和TNF-α是骨吸收的重要調(diào)節(jié)因子，在骨丟失中起重要作用。現(xiàn)在正在開發(fā)各種策略通過干擾細(xì)胞因子的分泌，抑制破骨細(xì)胞形成，從而減少骨質(zhì)流失。然而，細(xì)胞因子通過對骨偶聯(lián)調(diào)節(jié)導(dǎo)致骨代謝疾病的發(fā)病機制尚不清楚。闡明這種潛在的關(guān)系不僅可以為臨床醫(yī)生提供一個額外的工具來識別有骨代謝疾病風(fēng)險的患者，還可以為細(xì)胞因子阻斷療法的發(fā)展提供信息。已有研究表明細(xì)胞因子的增加與骨量減少和骨折風(fēng)險有關(guān)，但總體證據(jù)是有限的。因此，還需要開展深入的研究來確定細(xì)胞因子在骨偶聯(lián)中的具體作用。