強直性脊柱炎發(fā)病機制及藥物調(diào)控研究進展

張曙瓊，邵粉麗，孫 洋

(南京大學生命科學學院生物技術與藥學系，醫(yī)藥生物技術國家重點實驗室，江蘇 南京 210023)

強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一種慢性炎癥性風濕病，具有遺傳特性、男性多發(fā)和年輕化等特征。AS早期以骶髂關節(jié)和脊柱等中軸關節(jié)炎癥引起的炎性背痛為主要表現(xiàn)，疾病末期出現(xiàn)脊柱關節(jié)融合現(xiàn)象。同時，超半數(shù)的AS患者外周關節(jié)受累。此外，AS患者常伴隨關節(jié)外疾病，如急性葡萄膜炎和骨質(zhì)疏松癥等[1-2]。

修訂后的紐約標準將骶髂關節(jié)放射性進展合并包括炎性背痛、腰椎活動受限和胸部擴張受限在內(nèi)的任一臨床特征作為AS診斷標準。非甾體抗炎藥反應性，人類白細胞抗原-B27(human leukocyte antigen-B27，HLA-B27)陽性以及影像學表現(xiàn)可能也是AS發(fā)生的指征。傳統(tǒng)的影像學檢測常采用X光照射，但其只能檢測炎癥的結構性結果，而早期炎癥無慢性結構變化，因此可借助核磁共振來檢測早期關節(jié)中的炎癥[2]。此外，計算機斷層掃描影像也可以檢測到AS患者脊柱的經(jīng)典“竹節(jié)”樣病變[3]。

本文將對近年來AS發(fā)病機制的研究及藥物調(diào)控進展進行概述。

1 發(fā)病機制

1.1 遺傳因素遺傳因素被認為是AS的致病因素。對AS患者中人類白細胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)及其它主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex，MHC)分子和非MHC分子的大量研究也表明了遺傳因素與AS的強相關性[4]。遺傳因素的影響也導致了AS的家族聚集性。

1.1.1HLA-B27及其它HLAⅠ類分子 目前最受認可的與AS相關的基因是HLA-B27，90%～95%的AS患者呈HLA-B27陽性[5]。Meta分析顯示HLA-B27基因多態(tài)性B2702、B2704、B2705、B2715可能是AS的風險因素，而B2703、B2706、B2707、B2727、B2729和B2747可能是AS的保護因素[6]。

從機制上，關節(jié)炎多肽由HLA-B27向CD8+T淋巴細胞呈遞，觸發(fā)CD8+T淋巴細胞。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氨基肽酶1/2(endoplasmic reticulum aminopeptidase1/2，ERAP1/2)的錯誤剪切會產(chǎn)生異常的多肽，導致HLA-B27游離重鏈和同源二聚體在細胞膜上循環(huán)，抗原呈遞細胞將HLA-B27二聚體呈遞給殺傷細胞免疫球蛋白樣受體(killer-cell immunoglobulin-like receptors，KIR)和白細胞免疫球蛋白樣受體，AS患者KIR3DL2+CD4+T淋巴細胞增殖，激活NK細胞和Th17細胞，IL-17產(chǎn)生增加，這些細胞主要分泌腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)。IL-17與TNF-α或IFN-γ協(xié)同作用，刺激炎癥因子的釋放，影響骨結構，從而在AS的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用[7-9]。

除HLA-B27外，HLA-B07、HLA-B57、HLA-B51、HLA-B47、HLA-B40、HLA-B13等HLA-B等位基因與AS易感性也顯著相關，且其它相關HLA分子可能使AS與其他疾病相關聯(lián)。例如，HLA-B51同為AS和風濕免疫病貝赫切特病(Behcet disease)的主要風險基因。HLADRB1*0103同為AS和克羅恩病(Crohn’s disease)的主要風險基因之一，與克羅恩病患者常并發(fā)AS相吻合[4]。此外，HLA-B60會增加AS的風險，HLA-B39也與HLA-B27陰性AS具有相關性[5]。

1.1.2ERAP1/2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氨基肽酶(endoplasmic reticulum aminopeptidase，ERAP)與AS發(fā)生密切相關。ERAP1與AS相關的HLA Ⅰ類分子HLA-B27和HLA-B4001相互作用，所以與HLA-B27/HLA-B4001陽性的AS有關，而ERAP2與HLA-B27陰性/陽性的AS均有關[10]。ERAP1/2參與了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的肽剪切，改變了HLA I類分子呈遞的肽的長度和氨基酸組成。ERAP1/2異常剪切產(chǎn)生的異常多肽-HLA-B27復合物聚集在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，觸發(fā)未折疊蛋白反應、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關降解和自噬[7]。

1.1.3其它AS相關遺傳因素 除了最常見的HLA-B等位基因外，還有許多其它遺傳因素與AS發(fā)病密切相關。真核翻譯延長因子1ε1可能通過影響氨基酰tRNA的生物合成而參與AS的發(fā)生，而絲氨酸蛋白酶抑制劑家族A成員1可能通過參與血小板脫顆粒而參與AS的發(fā)生[6]。此外，以往的遺傳學研究也證實，各種氨基肽酶基因與AS之間存在關聯(lián)，如嘌呤霉素敏感型氨基肽酶基因、亮氨酸/半胱氨酰氨肽酶基因(leucyl/cystinyl aminopeptidase，LNPEP)。LNPEP和ERAP2同為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氨基肽酶家族的成員，在抗原交叉呈遞中發(fā)揮剪切多肽的作用[5，11]。

1.2 免疫反應脊柱關節(jié)的慢性炎癥會導致嚴重的慢性疼痛和僵硬，易導致脊柱強直和新骨形成。免疫系統(tǒng)的失調(diào)或過度激活對AS發(fā)病有重要影響，各種免疫細胞、分泌介質(zhì)和標志物在AS的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要作用[12]。

1.2.1炎癥性腸病——腸道微生物 某些腸道病原體可以引發(fā)HLA-B27相關反應性關節(jié)炎，且炎癥性腸病患者中AS和外周關節(jié)炎患病率大幅增加[1]。據(jù)報道，含有腸道菌群的HLA-B27轉(zhuǎn)基因鼠會發(fā)生結腸炎及關節(jié)炎癥，而在無菌環(huán)境中培育的轉(zhuǎn)基因鼠則不會發(fā)生，再次證明了腸道微生物與炎癥之間的關系[13]。

腸道微生物失調(diào)和先天免疫之間存在復雜的相互作用，這導致能夠從腸道遷移到腸外部位的細胞的異常激活和擴增[11]。AS患者腸道中的炎癥環(huán)境可損傷腸道上皮細胞，細菌入侵觸發(fā)上皮細胞產(chǎn)生IL-33，IL-33調(diào)節(jié)巨噬細胞向M2表型的極化，而Paneth細胞與浸潤的巨噬細胞產(chǎn)生IL-23[12]。此外，腸道微生物刺激樹突狀細胞和巨噬細胞產(chǎn)生IL-23，IL-23使Th17細胞和包括γδT細胞、恒定自然殺傷T細胞、ROR-γt+CD3+CD4-/CD8-T細胞、肥大細胞和中性粒細胞在內(nèi)的先天免疫細胞產(chǎn)生IL-17、TNF、IL-22等炎性細胞因子，從而促進AS發(fā)生發(fā)展[14]。類似地，腸道微生物可以刺激單核細胞產(chǎn)生趨化Th17的促炎細胞因子IL-1β、IL-23、TNF等，在趨化因子的驅(qū)使下，分泌IL-1β的單核細胞進入關節(jié)，激活γδT細胞和恒定自然殺傷T細胞[15]。另外，AS動物模型中腸道穩(wěn)態(tài)失調(diào)會導致炎性小體的激活，從而以IL-1β依賴性方式促使Ⅲ型細胞因子的產(chǎn)生[16]。

1.2.2炎性細胞因子——IL-23/Th17軸 IL-23/Th17軸在AS發(fā)病機制中占據(jù)舉足輕重的地位。Th17和Th22細胞與幾種應激的相互作用導致促炎分子IL-17、IL-22、TNF-α和IL-23的產(chǎn)生，而IL-23促進Th17細胞的分化和維持以及IL-17的產(chǎn)生，進而促進AS發(fā)病[7，14]。AS中IL-17A的下游致病作用可能與其影響中性粒細胞、巨噬細胞和上皮細胞的募集，以及隨后釋放其他促炎細胞因子如IL-1β、IL-6和TNF-α有關。IL-17F、IL-22、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF)和IL-9等其他17型相關細胞因子也可能參與AS炎癥的發(fā)生[17]。

IL-17不僅由Th17細胞產(chǎn)生。在滑液中，巨噬細胞與髓過氧化物酶陽性細胞協(xié)同作用產(chǎn)生IL-23，含有KIR3DL2的NK細胞、γδT細胞、Th17和異常Ⅲ型先天淋巴細胞(type 3 innate lymphoid cells，ILC3)可響應IL-23產(chǎn)生IL-17。血液中肥大細胞、黏膜相關恒定T細胞和活化的恒定自然殺傷T細胞與炎性樹突狀細胞相互作用產(chǎn)生IL-17。ILC3存在于所有受累部位，并通過IL-23R對IL-23產(chǎn)生應答[12]。遺傳學研究顯示，參與IL-23/IL-17A通路的基因，如IL12B、RUNX3、EOME、TBX21、TYK2、CARD9、IL1R1、IL1R2、IL6R、IL7R、IL12B、IL27、NKX2和PTGER4等也與AS易感性相關[11]。

此外，炎性細胞因子在激活經(jīng)典成骨通路中的積極作用也得到了證明，如IL-23/IL-17 增強Wnt、Hedgehog通路的活化[18]，以及低強度TNF刺激通過核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)和c-Jun氨基末端蛋白激酶/活化蛋白-1(c-Jun N-terminal kinase/ activator protein-1，JNK/AP-1)信號通路誘導Wnt蛋白的持續(xù)表達和隨后的骨形成[19]。

IL-23/Th17軸在AS中的致病機制與其在銀屑病中高度吻合[20]，這也解釋了AS為何常伴隨銀屑病發(fā)生。

1.2.3自身免疫靶點——Ⅱ型膠原、蛋白聚糖 雖然AS被認為是一種自身免疫病，但目前尚未有明確的證據(jù)表明其確切的自身免疫靶點。據(jù)報道，軟骨蛋白聚糖和聚集蛋白聚糖可以誘導BALB/c小鼠發(fā)生脊柱炎和侵蝕性多發(fā)性關節(jié)炎，且針對蛋白聚糖的細胞免疫常見于AS患者[21]。此外，在AS患者的外周血和滑液樣本中，HLA-B27限制性細胞毒性T淋巴細胞可以對蛋白聚糖和膠原衍生肽產(chǎn)生反應[1]。

1.3 成骨通路除了炎性背痛和關節(jié)炎破壞外，病理性新骨形成是AS的主要特征。因此，成骨通路對AS發(fā)病的影響不容忽視。

1.3.1Wnt/β-catenin通路 Wnt蛋白在骨穩(wěn)態(tài)，特別是新骨形成過程中起著至關重要的作用，也在AS的病理性成骨中發(fā)揮作用[22]。有研究表明，AS中的高活動性炎癥使骨誘導性Wnt蛋白促進異位新骨形成，此過程需要激活經(jīng)典的Wnt/β-catenin和非經(jīng)典的Wnt/PKCδ通路[19]。當Wnt蛋白與卷曲受體(frizzled，F(xiàn)ZD)和低密度脂蛋白受體相關蛋白5/6(low density lipoprotein receptor related protein5/6，LRP5/6)共受體結合時，就會產(chǎn)生經(jīng)典Wnt信號，從而阻止蛋白質(zhì)與結腸腺瘤息肉易感蛋白(adenomatous polyposis coli，APC)、糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)和軸蛋白(Axin)的復合體對β-catenin進行標記降解，β-catenin轉(zhuǎn)移到細胞核，與轉(zhuǎn)錄因子結合并激活目標基因的轉(zhuǎn)錄，促進成骨細胞分化和新骨形成[23]。此外，骨膜蛋白表達在AS患者中下調(diào)，并通過與Wnt信號相互作用促進成骨，這可能是AS發(fā)病機制之一[24]。

1.3.2BMP/Smads通路 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMPs)屬于轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF)超家族的成員，可以誘導異位軟骨和骨形成，促進脊柱融合[25]。

BMPs與同源Ⅱ型受體結合，通過轉(zhuǎn)磷酸化同源I型受體誘導Smad依賴和非Smad依賴的信號傳導。在Smad依賴的信號通路中，磷酸化的R-Smad(pSmad1/5/8)復合物與Smad4共轉(zhuǎn)位到細胞核中，招募輔助因子來調(diào)節(jié)成骨基因的表達，如Runx2、Dlx5和Osx[25]。此外，BMP還可以激活非Smad依賴的Wnt/β-catenin通路，共同影響骨形成[26]。

我們課題組意外發(fā)現(xiàn)，CD4-Cre介導的SHP2條件性敲除小鼠在7月齡以上會出現(xiàn)脊柱、髖關節(jié)和骶髂關節(jié)等中軸關節(jié)變形與僵直癥狀。通過T細胞轉(zhuǎn)輸、骨髓移植及使用Lck-Cre;SHP2f/f小鼠等實驗，在排除T細胞和其他免疫細胞之后，我們使用mTmG熒光示蹤技術證實CD4-Cre;SHP2f/f小鼠骨病變的誘因竟是骨骺生長板中軟骨細胞上SHP2的缺失，導致小鼠軟骨細胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)，表現(xiàn)為SOX9異?；罨趋可L板以及起止點等位置軟骨細胞異常增殖并大量分泌BMP6，繼而通過Smad1/5-Runx2通路促進成骨細胞分化，加劇異位骨化形成。這一機制在臨床樣本中也得到驗證。該研究首次揭示了骨骺生長板閉合延遲可致AS骨病變的嶄新發(fā)病機制，打破了AS發(fā)病機制的固有認知，使用老藥索尼德吉恢復軟骨細胞穩(wěn)態(tài)可顯著阻止AS的骨融合進程[27]。與此一致，早期AS患者韌帶內(nèi)可見軟骨細胞分化，軟骨形成后伴有鈣化，鈣化軟骨引發(fā)的破骨細胞吸收產(chǎn)生了具有高水平活化TGF-β的骨髓，同時，BMP-pSmad1/5/8、BMP-pSmad2/3信號通路被激活，從而導致AS中病理性異位骨化[28]。

1.3.3Hedgehog通路 Hedgehog是軟骨內(nèi)骨形成過程中的關鍵調(diào)節(jié)因子，參與骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BM-MSCs)向成骨細胞的分化[29]。Indian hedgehog(IHH)是Hedgehog基因編碼的同源蛋白之一，主要參與軟骨細胞增殖和成熟，導致軟骨內(nèi)骨化，參與AS中新骨形成。臨床數(shù)據(jù)表明，HLA-B27陽性個體的血清IHH水平明顯高于HLA-B27陰性個體[30]，體現(xiàn)了Hedgehog與AS間的相關性。此外，Hedgehog信號也作用于Wnt和BMP通路，共同促進軟骨內(nèi)成骨[31]。相似地，BM-MSCs中Hedge-hog信號的激活通過Wnt/β-catenin通路誘導軟骨和骨腫瘤的形成[32]。

Fig 1 Main pathogenesis of AS

2 AS發(fā)病機制間聯(lián)系

綜上所述，AS的多種發(fā)病機制圍繞HLA-B27展開，并相互聯(lián)系，如Fig 1所示。自身反應性CD8+T細胞可能識別HLA-B27在抗原呈遞細胞表面呈遞的致關節(jié)炎肽；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯誤折疊的HLA-B27同源二聚體和異常剪切產(chǎn)生的多肽結合累積導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關降解(endoplasmic reticulum-associated degradation，ERAD)等，進而導致IL-23的過度產(chǎn)生；細胞表面HLA-B27的異常表達導致與CD4+T細胞上的KIR3DL2等先天免疫受體相互作用，促進17型免疫應答；HLA-B27導致腸道菌群失調(diào)，從而影響抗原呈遞細胞及其它先天免疫細胞，導致IL-17A、IL-22、TNF-α、IFN-γ和其他細胞因子的產(chǎn)生，從而促進AS的炎性環(huán)境[2，17]。同時，由經(jīng)典成骨通路介導的病理性新骨形成也是AS重要的發(fā)病機制[27-28]，這可能受炎性細胞因子的影響[18-19]。

3 藥物治療進展

目前臨床上AS的治療藥物主要是通過控制癥狀和炎癥、防止?jié)u進性結構損傷、維護正常功能，最大限度地提高患者長期生活質(zhì)量并使其正常參與社會活動。AS工作小組和歐洲風濕病聯(lián)盟工作組的聯(lián)合評估建議AS患者的最佳治療需要結合非藥物和藥物治療方式。藥物治療包括使用非甾體抗炎藥、改善疾病的抗風濕病藥物、鎮(zhèn)痛藥、局部和全身類固醇藥物以及并發(fā)癥治療藥物。非藥物治療包括教育、運動和理療以及外科干預對AS進行治療[33]。Tab 1展示了目前臨床試驗中正在研究的部分AS治療藥物。

Tab 1 Main emerging therapies being investigated in AS clinical trials

3.1 非甾體抗炎藥非甾體抗炎藥(non-steroidal anti-inflammatory drugs，NSAIDs)是治療AS常用的藥物，其能有效減輕患者臨床癥狀和體征，消除局部關節(jié)炎癥，但不能控制疾病的活動和進展。常用于治療AS的NSAIDs包括環(huán)氧化酶抑制劑雙氯芬酸、吲哚美辛、酮洛芬、舒林酸、萘丁美酮和萘普生等[34]。對AS患者進行NSAIDs連續(xù)治療可以在不顯著增加毒性的情況下減緩放射學進展[35]。但非甾體抗炎藥有胃腸道和心血管毒性作用，應限制使用[7]。

3.2 TNF抑制劑目前被FDA批準用于AS治療的抗TNF藥物主要包括英夫利昔單抗(Infliximab)、依那西普(Etanercept)、阿達木單抗(Adalimumab)、賽妥珠單抗(Certolizumab)和戈利木單抗(Golimumab)。這些藥物可以改善疾病活動性和功能，并在短期內(nèi)部分緩解AS臨床癥狀[36]。此外，抗TNF-α治療可以降低AS患者的血清IHH水平，并影響功能性Hedgehog通路靶基因的表達[37]。但長期使用TNF抑制劑對AS的療效欠佳，且不能抑制AS的放射學進展[35]，需要聯(lián)用或更換其它藥物。

3.3 IL-17、IL-23單克隆抗體最常用的IL-17A單抗蘇金單抗(Secukinumab)已被證明在AS治療中具有安全性和有效性，適用于對TNF阻滯劑治療無效的患者。艾克司單抗(Ixekizumab)治療也可有效改善AS患者放射學進展。另一種IL-17抑制劑布羅達單抗(Brodalumab)可以靶向IL-17受體，拮抗IL-17A同源二聚體、IL-17A/F異源二聚體等，其針對AS治療的Ⅲ期臨床試驗已經(jīng)完成[38]。比美吉珠單抗(Bimekizumab)是一種靶向IL-17A和IL-17F的雙重抑制劑，可有效治療AS[39]。而針對IL-23的兩種抑制劑烏斯泰金單抗(Ustekinumab)和SKYRIZI(Risankizumab)的臨床試驗均未顯示出對AS的療效[7]，這可能表明IL-23下游信號通路與AS的發(fā)病機制更相關。但與此結果相反，有研究表明Ustekinumab可有效緩解AS患者的癥狀[40]。

3.4 改善外周炎癥藥物AS是一種類風濕性疾病，可以使用抗風濕藥物進行治療。例如，柳氮磺胺吡啶、甲氨蝶呤、來氟米特對關節(jié)炎有一定的改善作用，但對放射性骨病變沒有顯著療效。此外，關節(jié)內(nèi)或關節(jié)周圍注射糖皮質(zhì)激素可以緩解AS中骶髂關節(jié)的疼痛[7，33]。

3.5 成骨通路抑制劑Wnt蛋白抑制劑Dickkopf-1(DDK-1)和硬化蛋白(sclerostin，SOST)結合LRP5/6共受體，抑制Wnt信號，導致胞漿中β-catenin的降解，從而抑制成骨細胞分化和骨增殖，而卷曲相關蛋白家族成員Cerberus和WIF作為拮抗劑可以直接與細胞外Wnt結合[23]。此外，我們的研究表明，用Hedgehog信號中跨膜受體smoothened(smo)抑制劑索尼德吉(Sonidegib)靶向軟骨生成功能障礙，恢復軟骨細胞穩(wěn)態(tài)，可顯著阻止AS的骨融合進程[27]。作為Hedgehog通路的關鍵成分，特定的smo抑制劑也能夠在血清轉(zhuǎn)移模型的炎癥后階段預防新骨形成[41]。在自發(fā)的AS小鼠模型DBA/1中，過表達BMP拮抗劑noggin在預防和治療策略上均有效，提示BMP可作為AS的潛在治療靶點[42]。

3.6 腸道菌群調(diào)節(jié)劑胃腸道抑菌劑利福昔明可以調(diào)節(jié)腸道屏障，改善腸道菌群，抑制腸道炎癥，并可以有效抑制AS進展[43]。相似地，吲哚-3-乙酸可以改變腸道菌群組成，減輕回腸組織病理性形態(tài)，并減緩了蛋白多糖誘導的AS動物模型的癥狀[44]。腸道菌群失調(diào)導致炎性小體活化以及IL-1β等炎性細胞因子的釋放，而使用IL-1β阻滯劑阿那白滯素(anakinra)治療AS的效果并不一致，但對于有高炎癥指標或攜帶導致IL-1產(chǎn)生增加的變異基因 (如MEFVM694V變異)且對TNF抑制劑或IL-17抑制劑反應不足的患者，可以經(jīng)驗性地使用anakinra或其他長效IL-1拮抗劑進行治療[11]。

4 總結與展望

AS是一種以骶髂關節(jié)炎引起的炎性背痛、外周關節(jié)痛以及關節(jié)結構性改變?yōu)樘卣鞯念愶L濕疾病，病程后期常出現(xiàn)脊柱融合現(xiàn)象。遺傳因素、免疫因素和病理性成骨共同構成其發(fā)病機制?，F(xiàn)有的治療藥物包括非甾體抗炎藥、TNF抑制劑、靶向IL-23/IL-17的單克隆抗體以及緩解疾病癥狀的抗風濕藥物。雖然這些藥物能有效減輕活動期AS的炎癥反應，但不能顯著減緩AS的放射學進展和脊柱融合。對此合理的解釋是，除了炎癥環(huán)境外，AS中存在病理性異位成骨現(xiàn)象，包括近期揭示的軟骨內(nèi)成骨導致骨融合的嶄新分子機制。因此，單純的抗炎治療不能減緩AS骨病變的發(fā)生，而抑制病理性成骨，如抑制破骨細胞活性、軟骨形成、軟骨內(nèi)成骨、成骨細胞分化等，可能是治療AS的一種有效的潛在方法[27-28]。