強直性脊柱炎繼發(fā)骨質疏松癥的機制研究進展

陳斐斐 李哲 李亞楠 韓小康 陳夢晗 董庚 李文雄 楊鋒,*

1.陜西中醫(yī)藥大學，陜西 咸陽 712000 2.河南省洛陽正骨醫(yī)院，河南 鄭州 471002 3.陜西中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院，陜西 咸陽 712000

強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一種原發(fā)性、慢性進展性疾病，臨床多見于青、壯年男性，其主要病變常首發(fā)自骶髂關節(jié)，逐漸累及脊柱、中軸骨骼，少數(shù)侵襲四肢大關節(jié)，后期可累及內臟組織，并發(fā)銀屑病和炎性腸病[1]，屬中醫(yī)“大僂”范疇。骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種以骨量減少、骨組織微結構退化為主要特征的代謝性骨病[2]，屬中醫(yī)“痿證”范疇。AS早期即可出現(xiàn)骨質疏松癥，導致椎體骨量的減少，椎體發(fā)生楔形改變[3]，軀干和髖關節(jié)骨折、“駝背”畸形發(fā)生率也明顯高于正常人群[4]。髖部骨折后1年內，各種并發(fā)癥致死亡者達15%～40%，約60%存活者致殘，需長期依靠護理，對患者的家庭及社會帶來了巨大的經濟負擔[5]。有研究分析中醫(yī)證型后發(fā)現(xiàn)，肝腎兩虛證組OP程度明顯高于濕熱痹阻證組，為AS易合并OP提供了客觀臨床依據(jù)[6]。目前國內外關于AS繼發(fā)骨質疏松、骨量減少的報道較少。AS引起OP是由多種因素造成的，早期有學者認為是由于脊柱強直后廢用性改變引起的，而近年來相關研究顯示疾病本身免疫紊亂引起了早期AS患者的骨密度(bone mineral density，BMD)降低[7]，且與AS的持續(xù)活動性有關，其發(fā)病機制有待進一步深入探討和研究。本文主要從免疫紊亂和激素失調兩方面總結AS患者繼發(fā)骨質疏松癥的分子機制。

1 AS免疫紊亂致骨質疏松癥

強直性脊柱炎發(fā)生發(fā)展與免疫反應密切相關，免疫系統(tǒng)異常激活、功能紊亂是本病發(fā)生的主要原因。國內外報道顯示[8]AS與人類白細胞相關抗原(HLA-B27)呈強關聯(lián)性，且HLA-B27陽性率在AS患者中可高達88%～96%。HLA-B27能干擾抗原呈遞，異常激活CD4+T淋巴細胞、CD8+T淋巴細胞[9]，經過促炎癥級聯(lián)反應，活化巨噬細胞和樹突狀細胞，促進Th17的活化，分泌白細胞介素17(IL-17)、IL-22、IL-23，刺激多種細胞如IL-1、IL-6、腫瘤壞死因子α(TNF-α)等生成，使AS患者發(fā)生自身免疫反應。

1.1 免疫因子在AS繼發(fā)OP中的作用

1.1.1IL-17：IL-17是骨免疫學的關鍵分子，作為一種有效的破骨細胞因子，可以增加成骨細胞和滑膜成纖維細胞中細胞核因子κB受體活化因子配體(RANKL)的表達，增強AS中破骨細胞的形成和激活，引起骨破壞。Th17細胞數(shù)量和IL-17濃度在AS患者血清中明顯高于健康者，且與疾病活動程度相關[10]。IL-17能誘導滑膜巨噬細胞中TNF-α和IL-1的產生，上調破骨細胞發(fā)生而驅動骨侵蝕[11]。IL-17A是IL-17受體家族的成員，在相關研究中發(fā)現(xiàn)，IL-17A促進腫瘤壞死因子受體相關因子6(TRAF6)的高表達，上調下游破骨細胞分化關鍵因子細胞癌基因 Fos(c-Fos)、活化T細胞核因子1(NFATc1)的表達，誘導小鼠單核巨噬細胞(RAW264.7細胞)向成熟破骨細胞分化[12]。另外，IL-17A可以和TNF-α協(xié)同促進間充質干細胞的破骨細胞形成，增加TNF-α對間充質干細胞骨基質形成的作用，并降低TNF-α對骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)的抑制作用[12]。對于成骨細胞，IL-17能夠抑制其活化、增殖及分化，打破骨代謝的平衡，誘導發(fā)生骨質丟失。在對大鼠體內外成骨的研究中發(fā)現(xiàn)[13]，IL-17的存在顯著降低了體外堿性磷酸酶、骨鈣素和成骨蛋白的表達，還能顯著抑制大鼠體內顱骨缺損的填充。然而，另一項研究發(fā)現(xiàn)[14]IL-17可促進小鼠顱骨缺損模型的成骨細胞分化、骨再生和骨重塑，并且指出這與IL-17受體亞型的差異表達模式相關，其促成骨作用可能是通過IL-17RA/IL-17RC復合物介導，依賴于下游介質Act1的表達發(fā)生的。這與IL-17抑制骨代謝作用相悖，其對成骨細胞的作用及其分子機制仍有待探索。

1.1.2IL-23：IL-23是一種異二聚體細胞因子，由p19和p40亞基構成，IL-23的水平不僅在強直性脊椎炎患者的血清/腸道活檢標本中升高，在HLA-B27轉基因大鼠中也顯著升高[15]。IL-23是在穩(wěn)定IL-17表達和Th17表型中起關鍵作用的細胞因子，可以通過刺激Th17細胞促進關節(jié)炎的關節(jié)破壞[16]。去卵巢后大鼠體內骨破壞增強，在使用抗IL-23治療后，ROR-γt和ROR-α的表達不顯著，TNF-α和RANKL等促破骨細胞因子的轉錄水平降低，抑制Th17發(fā)育的負調控因子FoxP3、IL-10 mRNA水平升高[17]，提示IL-23能夠通過抑制FoxP3、IL-10 mRNA的表達來促進Th17的活化與增殖，增強RANKL的表達水平，參與骨吸收的過程。

1.1.3TNF-α：TNF-α作為骨吸收的強力誘導劑，通過調節(jié)破骨細胞早期的增殖與分化，促進骨吸收；能夠抑制骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)的成骨分化，誘導成骨細胞的程序性壞死，抑制骨生長。在去卵巢小鼠(OVX)形成絕經后骨質疏松的研究中發(fā)現(xiàn)[18]，通過PI3K/AKT信號通路，TNF-α可以上調P2X7基因和相關蛋白的表達，進而增強RANKL誘導的破骨細胞分化，促進骨吸收作用。TNF-α也可通過激活下游MAPKs磷酸化直接影響骨細胞RANKL的表達，并誘導骨細胞在體內和體外的破骨能力[19]。Semaphorin (Sema)家族蛋白是細胞分泌的膜結合糖蛋白，TNF-α能通過Wnt/β-catenin信號通路抑制Sema3B，從而抑制間充質干細胞(MSCs)的成骨分化[20]。Sema3D在TNF-α誘導的體內和體外破骨細胞發(fā)生中顯著上調，TNF-α通過激活JNK信號通路增加Sema3D的表達以促進破骨細胞分化[21]。在OVX大鼠PMOP模型中[22]，模型組的TNF-α陽性細胞百分率、受體相互作用蛋白1(RIP1)和RIP3陽性細胞百分率明顯高于假手術對照組，應用程序性壞死特異性抑制劑necrostatin-1(Nec-1)治療OVX大鼠后，RIP1陽性率明顯下降，壞死樣骨細胞在骨組織中消失，表明上調TNF-α的表達能促使骨細胞發(fā)生程序性壞死，而Nec-1可能阻抑TNF-α的效應。另有研究表明[23]，TNF-α抑制成骨細胞增殖的效應是通過降低成骨細胞的RIP3、MLKL蛋白表達來實現(xiàn)的，使成骨細胞發(fā)生了程序性壞死。在臨床上，聯(lián)合重組人Ⅱ型腫瘤壞死因子受體-抗體融合蛋白治療活動性AS繼發(fā)OP可有效控制炎癥，抑制破骨細胞活性，提升BMD，顯著改善癥狀[24]。

1.1.4維生素D：AS患者血清維生素D水平顯著降低，低維生素D濃度與較高的疾病活動性、有限的脊柱活動顯著相關，與骨轉換標志物CTX-1、ALP、bALP呈顯著負相關[25]。維生素D是調節(jié)機體鈣磷代謝的重要物質，能夠升高血鈣和血磷，在骨質礦化和骨形成中發(fā)揮重要作用，利于機體的細胞代謝和骨骼代謝。在人體內，維生素D的活性形式1,25(HO)2D3主要負責維持鈣穩(wěn)態(tài)，作用依賴于結合特定的類固醇受體與轉錄因子的活性，維生素D受體復合物通過激活或抑制靶基因的表達，從而調節(jié)積極參與骨代謝和維持鈣穩(wěn)態(tài)的蛋白質的合成[26]。維生素D除了促鈣吸收作用外，還具有基本的免疫調節(jié)作用，能抑制Th1和Th17細胞的活性，從而減少促炎因子的產生，還能激活Th2和Treg細胞，增加抗炎反應[27]。實驗發(fā)現(xiàn)[28]，維生素D3通過影響AS患者血清誘導的M2單核巨噬細胞的極化，發(fā)揮Th2細胞介導的免疫調節(jié)作用，在AS繼發(fā)OP的發(fā)病中發(fā)揮重要作用。

1.2 免疫疾病在AS繼發(fā)OP中的作用

炎性腸病(IBD)是AS患者常見的并發(fā)癥，其發(fā)病率可達7%，克羅恩病和潰瘍性結腸炎在AS患者中多見[29]，鏡下可見腸內炎癥征象。研究發(fā)現(xiàn)HLA-B27轉基因大鼠的關節(jié)炎和炎癥性結腸炎特征表現(xiàn)在無菌條件下培養(yǎng)后得到改善[30]，表明腸道和關節(jié)炎病變過程取決于進入胃腸道的細菌的存在。AS患者腸道中乳酸桿菌常減少，腸道菌群發(fā)生改變[31]，腸道菌群失調可以驅動局部免疫反應，IL-17/IL-22/IL-23軸過度激活，可能進一步產生涉及遠端部位的慢性炎癥，引起骨質流失。隨著IBD的發(fā)生，AS患者常伴有鈣吸收不良，腸道炎癥和生物功能障礙是其可能原因。實驗表明，干擾素-γ(IFN -γ)可下調l型結腸鈣通道的表達[32]，炎癥可能會全面抑制十二指腸上皮中鈣結合素和其他鈣轉運體的表達，從而影響鈣的吸收。此外，在伴有IBD的AS患者中，IBD并發(fā)的低鎂血癥、乳糖不耐受和糖皮質激素的使用，會降低腸內微量元素鋅、銅、硒、鐵、鎘、硅、氟的吸收，養(yǎng)分吸收減少，骨礦化不足，骨密度減低[33]。炎性腸病導致鈣、維生素D以及微量元素吸收不良，這可能是AS患者繼發(fā)OP的又一機制。

1.3 免疫紊亂相關信號通路

1.3.1OPG/RANKL/RANK信號通路：在AS早期，IL-1、IL-6、IL-17、TNF-α等可刺激成骨細胞表達RANKL，RANKL與破骨細胞或破骨前體細胞表面的RANK相結合，RANK在細胞內信號轉導首先通過與TRAFs的直接相互作用來介導[34]，RANK與TRAFs1、2、3、5在細胞質尾部膜遠端區(qū)域發(fā)生作用，與TRAF6在不同的膜近端結合基序相互作用[35]，激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)，應答RANK信號的典型NF-κB通路[36]。核轉錄因子NF-кB將信號傳遞至細胞核內，提高c-Fos的表達水平，刺激信號的進一步轉運由c-Fos與活化的T細胞核因子結合來實現(xiàn)，使破骨細胞生成相關的特異性基因開始發(fā)生轉錄，激活破骨前體細胞，分化為成熟的破骨細胞，引起骨吸收的增強，導致骨質流失[31,37]。研究發(fā)現(xiàn)，活動期AS患者OPG水平降低，RANKL水平升高，OPG/RANKL減少，骨密度降低[38]，而OPG能通過Ca-p38-MAPK信號通路和Fas/FasL途徑，阻滯RANKL與RANK結合，抑制破骨前體細胞分化，調控破骨細胞功能，還能與TNF相關性細胞凋亡誘導配體(TRAIL)結合，使TRAIL誘導的細胞凋亡作用受到抑制[39]，表明AS患者骨密度降低與炎癥反應有關。

1.3.2Wnt/β-catenin信號通路：AS患者體內炎性因子對于成骨細胞的作用，是通過Wnt/β-catenin信號通路發(fā)生的，經典Wnt信號通路通過調控β-catenin的表達及其亞細胞定位發(fā)揮促成骨作用[40]。在細胞表面，Wnt蛋白與卷曲受體和低密度脂蛋白受體相關蛋白5或6 (LRP5/6)結合，使糖原合成酶激酶3β(GSK3β)發(fā)生磷酸化，也可以同時與七通道跨膜G蛋白偶聯(lián)受體(frizzled，F(xiàn)zd)形成雙受體復合物，經過信號傳遞，β-catenin從其蛋白復合物中分離，進入細胞內，激活β-catenin信號[41]。在細胞質內，β-catenin大量聚集，與T細胞轉錄因子/淋巴樣增強因子(T cell factor/lymphoid enhancer factor，TCF/LEF)結合成復合體，進入到細胞核內，啟動與成骨細胞增殖分化相關靶基因的轉錄與表達，從而促進骨形成[42]。研究發(fā)現(xiàn)，AS患者血清骨代謝負調控因子骨硬化蛋白(sclerostin，SOST)、dickkopf相關蛋白(DKK-1)表達水平增高[43]，因此筆者推測，AS患者體內因炎癥升高的IL-17、IL-22、IL-23和TNF-α等能上調SOST、DKK-1的表達水平，從而抑制Wnt通路和BMP信號轉導，使骨形成減少，骨丟失增加[44]，導致OP的發(fā)生。

2 AS患者激素失調致骨質疏松癥

強直性脊柱炎患者骨密度和激素水平會有不同程度的改變，二者具有相關性，甲狀旁腺激素(PTH)和糖皮質激素(GC)常致AS患者骨代謝紊亂，出現(xiàn)骨質疏松癥。

2.1 甲狀旁腺激素

AS患者PTH水平較健康者常降低，且AS合并OP患者PTH水平下降更為顯著[45]。PTH作為血鈣、血磷水平的重要調節(jié)因子，體內含量不足致Wnt信號通路與內質網應激相關PERK-eIF2α-ATF4信號通路激活減少，多種骨形成關鍵基因表達減弱，抑制成骨細胞釋放骨生長因子，減少骨量，降低骨密度，抑制骨形成[46-47]。Giovanni Orsolini等[48]研究發(fā)現(xiàn)，AS患者DKK-1的血清水平明顯高于健康對照組，且認為與PTH血清水平呈正相關。DKK-1作為Wnt信號的抑制劑，不僅可抑制Wnt，還可增強RANKL/RANK信號[49]，而且持續(xù)的PTH信號亦可增加RANKL/RANK通路的活性，增加AS患者體內破骨細胞的發(fā)生，促進骨吸收。

2.2 糖皮質激素

在AS患者的治療中使用GC，可以快速減輕脊柱疼痛癥狀，控制炎癥發(fā)展，改善生活質量[50]，但糖皮質激素過多會抑制成骨細胞功能，導致糖皮質激素性骨質疏松癥(glucocorti- coid-induced osteoporosis，GIOP)。GC可以通過抑制成骨細胞Wnt16的表達，同時增加硬化蛋白和其他通路抑制劑的表達，直接作用于Wnt/β-catenin信號通路，使成骨細胞生成減少[51]。GC對Notch通路也有作用，Notch受體和Delta-like(Dll)與Jagged (Jag)家族的同源配體是單通道跨膜蛋白，在相鄰細胞之間傳遞信號，受體-配體相互作用導致Notch通路的分裂和其細胞內結構域(NICD)的釋放，后者易位到細胞核并與免疫球蛋白卡帕J區(qū)(RBPJ)重組信號結合蛋白的DNA相關蛋白結合，從而形成一個活躍的轉錄復合物，誘導編碼轉錄抑制相關的靶基因Hey1、Hey2和HeyL[52]。GC通過增強Notch受體表達，使轉錄因子Hes、Hey表達增加，導致成骨細胞功能受損和骨形成減少[53]。此外，GC能升高Bax/Bcl-2比值，降低自噬相關標志物Becn1、Atg5、LC3Ⅱ的表達，促進成骨細胞凋亡并抑制自噬，引起骨質疏松[54]。對于破骨細胞，GC除了通過增加RANKL/OPG比值來增加破骨細胞的生成和骨吸收外，也可以直接抑制其凋亡，還能直接通過激活破骨細胞祖細胞中的二聚糖皮質激素受體增強其骨吸收活性[55]。

3 結語

AS屬于自身免疫性疾病，免疫系統(tǒng)紊亂，激素失調，產生的細胞因子啟動多種信號通路后，對其進行正向調控與負向調控，如Wnt通路介導成骨細胞的增值與分化來促進成骨，RANK通路介導破骨細胞的生成和功能來增強骨吸收，使得破骨細胞活性異?；钴S，成骨細胞活躍不明顯，骨破壞多于骨形成，致使骨代謝紊亂，引起骨質疏松癥。AS繼發(fā)OP患者發(fā)生骨折的情況普遍存在，臨床發(fā)病率高，AS與OP癥狀都可表現(xiàn)為腰骶部疼痛，容易混淆，而AS患者少有檢測骨密度者，致使AS繼發(fā)OP人群就診率很低，故AS早期診療過程積極配合抗骨質疏松治療對提高患者生命質量與改善預后有重要意義，應該引起臨床工作者的重視。然而，AS繼發(fā)OP的機制非常復雜，對相關信號通路和通路間相互作用的研究并不完全，確切的發(fā)病機制還需探索。深入研究AS繼發(fā)OP相關分子信號通路上的作用靶點，有助于進行疾病的靶向治療，這可能成為防治AS繼發(fā)OP的有效途徑。