細胞因子網絡介導炎性自身免疫疾病骨丟失的研究進展

常文靜，蔡佳宇，蔡　輝

(南京軍區南京總醫院中西醫結合科，江蘇 南京　210002)

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◇綜述◇

細胞因子網絡介導炎性自身免疫疾病骨丟失的研究進展

常文靜，蔡佳宇，蔡輝

(南京軍區南京總醫院中西醫結合科，江蘇 南京210002)

摘要：骨重塑是由破骨細胞介導的骨吸收和成骨細胞介導的骨形成維持平衡的持續過程。炎性自身免疫疾病類風濕關節炎、強直性脊柱炎、炎性腸病、系統性紅斑狼瘡易并發骨丟失和骨折。在慢性炎癥狀態下，炎性細胞因子網絡誘導骨形成和骨丟失解偶聯，導致炎性自身免疫疾病患者嚴重的骨丟失。該文就炎性細胞因子網絡在調節炎性自身免疫疾病和骨破壞中的作用作一綜述。

關鍵詞：細胞因子；炎性自身免疫疾病；骨丟失

骨重塑是由破骨細胞介導的骨吸收和成骨細胞介導的骨形成維持平衡的持續過程。成骨細胞起源于骨髓的間充質干細胞，是主要的骨形成細胞，其分泌有機基質，在新骨形成過程中誘導鈣化。成骨細胞的分化和功能主要受以下因素影響：轉錄因子[Runx-2/Cbfa-1、osterix(Osx)、TAZ和Atf 4]、生長因子[腫瘤生長因子-β(tumor growth factor-β，TGF-β)、骨形態發生蛋白、Wnt信號、血管內皮生長因子]、細胞因子[白細胞介素-1(interleukin-1，IL-1)、IL-6和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)]以及各種基質蛋白的相互作用(I型膠原、雙糖鏈蛋白多糖、層黏連蛋白和纖維黏連蛋白)。破骨細胞起源于骨髓的多潛能干細胞，是唯一的骨再吸收細胞。在巨噬細胞集落刺激因子的誘導下，多潛能干細胞首先增殖分化為定型的單核—巨噬前體細胞。這些前體細胞在局部微環境中不同生長因子的影響下分化為單核—巨噬細胞、 破骨細胞或樹突狀細胞。在生理情況下，破骨細胞的生成主要取決于成骨細胞產生的兩種關鍵因子：巨噬細胞集落刺激因子和核因子κB 受體激活子配體(receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand，RANKL)。骨重塑過程中取決于骨形成和骨吸收的緊密耦合，以及在重塑過程骨質量的穩定。骨質疏松癥、骨硬化癥、牙周炎和類風濕關節炎(rheumatoid arthritis，RA)等疾病在這個過程中是不平衡的。骨質疏松癥最初認為是與年齡相關的疾病，其特征為骨質量下降，骨脆性增加，易于發生骨折。后認為任何年齡在不同的條件下均可發生骨質疏松，其病因與內分泌、代謝和力學有關。最近研究發現，炎癥增加罹患骨質疏松的風險[1-2]。

炎性關節疾病具有相似的炎性過程，對關節結構和功能有不利的影響。RA是最常見的累及關節的慢性炎癥的自身免疫性疾病。自身免疫性疾病的特征為異常活化的淋巴細胞和非淋巴細胞巨噬細胞、樹突狀細胞、成纖維細胞誘導自身抗體的產生，造成組織功能的損害和結構的破壞。炎性或抗炎細胞因子分泌或功能失調在自身免疫疾病RA、強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)、炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)、系統性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)的發病中起著關鍵作用。使用抗促炎細胞因子[中和抗體(抗TNF-α、抗IL-6、抗IL-17)、可溶性受體抑制劑(TNF受體抑制劑、IL-1受體抑制劑、IL-17受體抑制劑、IL-6受體抑制劑)、抗炎細胞因子(IL-10、IL-27)能有效抑制自身免疫疾病進展。這也表明慢性炎癥和自身免疫性疾病發病具有關聯性。另外，慢性炎性自身免疫性疾病常并發骨破壞。骨丟失常見于炎性關節疾病RA和AS。而SLE和IBD患者常出現骨丟失、低骨密度和骨折的風險。雖然在過去的10年大量的研究集中在炎性自身免疫性疾病，但炎性細胞因子網絡參與炎性自身免疫性疾病骨破壞的作用并沒有得到很好的解決。本文就炎性細胞因子網絡在調節炎性自身免疫性疾病和骨破壞中的作用作一綜述。

1類風濕關節炎

類風濕關節炎(rheumatoid arthritis，RA)是一種以關節滑膜炎為特征的慢性炎性自身免疫性疾病。主要以慢性滑膜炎癥為臨床表現，繼之以炎癥關節骨—血管翳交界處和炎癥關節軟骨下骨處骨質破壞及全身骨量丟失為特征。RA患者骨代謝失衡主要是由于破骨細胞的作用[3]。炎癥滑膜破骨因子增加導致破骨細胞的生成，并促進其功能。在RA中，炎性細胞因子通過募集破骨前體細胞至骨環境中，分化為成熟的破骨細胞而參與骨破壞。TNF-α、IL-1、IL-6、IL-7、IL-17等促炎細胞因子增加RANKL表達、降低骨保護素(osteoprotegerin，OPG)水平，從而導致RANKL/OPG比例失衡，破骨細胞的分化增加。然而，IL-10、IL-13、TGF-β等抗炎細胞因子也大量存在于RA關節中。這些抗炎細胞因子對關節破壞和關節炎癥起負作用。

TNF-α在關節骨破壞中的作用已在動物實驗和臨床試驗中得到證實。TNF-α可刺激成骨細胞分泌RANKL，從而間接刺激破骨細胞生成。破骨細胞相關受體是破骨細胞生成的關鍵共刺激分子。TNF-α誘導RA患者單核細胞破骨細胞相關受體表達。Wnt信號通路為成骨細胞的生成和新骨的形成傳遞信號。Dickkopf-1是此通路的重要抑制因子，阻斷Dickkopf-1可促進新骨的形成。TNF-α通過調控Wnt信號通路參與破骨細胞的生成。在RA中，TNF-α是Dickkopf-1的強誘導劑。Dickkopf-1與低密度脂蛋白偶聯受體相關蛋白5/6結合而阻斷Wnt信號通路，損害局部骨形成。阻斷Dickkopf-1能下調關節OPG，減少破骨細胞數目，抑制局部骨吸收；反過來，骨保護素又能調節Dickkopf-1形成正反饋。因此，TNF-α通過增加RANKL/OPG比例而增加Dickkopf-1水平，從而促進患病關節骨吸收、抑制患病關節骨形成和修復[4]。此外，TNF-α還直接抑制成骨細胞分化和骨形成[5]。Runx-2/Cbfa-1和Osx是調節成骨細胞分化的關鍵轉錄因子。TNF-α能抑制Runx-2/Cbfa-1和Osx表達，進而抑制成骨細胞分化和骨形成。TNF-α是參與RA發病機制和關節炎癥的重要細胞因子，因此，TNF-α抑制劑是首先應用于RA的生物制劑。Smolen等[6]研究證實，TNF-α抑制劑能顯著降低RA患者炎性疾病活動和關節破壞，防止放射學損傷，實現持續臨床高緩解率。另外，TNF-α抑制劑能降低全身骨丟失、增加骨密度，這表明TNF-α抑制劑可用于全身骨質疏松和骨量減少。

IL-1是小鼠炎性關節炎模型的關鍵調節細胞因子之一。IL-1α或IL-1β過表達或IL-1受體拮抗劑缺失可導致關節炎軟骨和骨破壞。IL-1上調RANKL表達，導致滑膜RANKL/OPG比例失衡。在IL-1信號缺失的TNF轉基因小鼠中，雖然滑膜炎癥存在，但軟骨破壞完全被抑制和骨破壞部分被抑制，這提示TNF誘導局部骨破壞，IL-1主要參與全身炎性骨丟失。此外，TNF誘導RANKL的合成能被IL-1受體拮抗劑抑制。除了IL-1和TNF，IL-6是參與RA發病的另一重要促炎細胞因子[7]。IL-6刺激成骨細胞RANKL合成，并與TGF-β和IL-1一起促進輔助性T細胞17形成。有研究[8]表明，IL-6抑制劑托珠單抗有效抑制RA患者關節破壞和疾病進展。信號轉導與轉錄激活因子3是RA慢性炎癥和關節破壞的關鍵調節介質之一，它的活化能誘導RANKL生成。IL-1β、TNF-α和IL-6促炎細胞因子直接或間接地激活小鼠成骨細胞和成纖維細胞信號轉導與轉錄激活因子3[9]。因此，抑制信號轉導與轉錄激活因子3是治療RA有效的方法之一。

IL-17是近年發現的炎性細胞因子。IL-17誘導軟骨、滑膜細胞、巨噬細胞和骨細胞促炎細胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和趨化因子CXCL1/KC/GROα、CXCL2/MIP2α/GROβ、CXCL8/IL-8、CCL2/MCP1、CCL20/MIP-3α分泌。這些促炎細胞因子和趨化因子激活和募集中性粒細胞、巨噬細胞和淋巴細胞至炎癥滑膜，從而增強滑膜炎癥。關節內注射IL-17導致關節發炎和破壞。IL-17與促炎細胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6具有協同作用。此外，IL-17在RA的晚期誘導RANKL、基質金屬蛋白酶、前列腺素E2和環氧合酶-2的生成廣泛促進軟骨和骨侵蝕。IL-17直接或間接地通過成骨細胞和基質細胞調節破骨細胞生成。IL-17誘導成骨細胞、滑膜細胞和間充質細胞RANKL表達，增加RANKL/OPG比例，促進破骨細胞生成，導致局部或全身骨破壞。在動物模型中，抑制IL-17抗體或可溶性IL-17受體可下調滑膜RANKL和炎性細胞因子表達，顯著抑制關節炎癥和骨侵蝕。因此，阻斷IL-17、IL-17受體或它們的誘導者(IL-23、IL-6)可作為RA的治療方法。

2強直性脊柱炎

強直性脊柱炎(rnkylosing spondylitis，AS)是以骶髂關節和脊椎慢性炎癥為特征的全身性自身免疫性疾病。AS患者椎體中心骨小梁的過度缺失導致骨量減少或骨質疏松，并增加脊椎骨折、脊柱畸形的風險。

TNF-α在成骨細胞和破骨細胞的數目、活性中起著重要作用。它通過阻斷胰島素樣生長因子-1、osterix、Runx2 來抑制成骨細胞的分化[10]，還誘導骨細胞凋亡，并增強RANK誘導的破骨細胞生成和活性來刺激破骨細胞分化促進骨吸收。在TNF-α轉基因小鼠內，TNF-α通過泛素蛋白連接酶Wwp1來抑制間質干細胞向成骨細胞分化[10]。334例AS患者接受TNF-α抑制劑治療后，可降低50%的放射學進展風險[11]。因此，TNF-α具有促進破骨、抑制成骨的作用。最近研究表明，TNF也可促進成骨細胞生成，推測可能與TNF-α的濃度、細胞的分化狀態以及暴露的時間相關[10]。雖然AS患者棘間韌帶的TNF-α mRNA水平升高，但是AS患者的關節突關節活檢標本中骨細胞的死亡比率降低[12]。因此，TNF-α在復雜的內環境影響下，對骨穩態的影響會發生改變。

AS患者血清RANKL和CD4、CD8細胞RANKL水平升高[13]。炎性細胞因子IL-1、IL-6、TNF-α和IL-17刺激AS患者RANKL表達，導致RANKL/OPG比例失衡。RANKL/OPG比例增加促進破骨細胞分化，參與AS骨破壞。

3炎性腸病

炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)主要指克羅恩病和潰瘍性結腸炎。克羅恩病累及腸道的任何部位，臨床表現為疲勞、慢性腹瀉、腹痛、體重減輕、發熱等。潰瘍性結腸炎病變僅限于結腸，常見癥狀有下腹部疼痛、便血、里急后重等。低骨密度是IBD常見的慢性并發癥。雖然IBD不是骨質疏松性骨丟失的唯一危險因素，但它與骨質疏松的其他危險因素年齡、性別、體質量指數和藥物等相關。

雖然IBD患者并發低骨密度確切的機制尚不明確，但復雜的炎性細胞因子網絡導致骨破壞是明確的。IBD患者黏膜和血清許多促炎細胞因子和抗炎細胞因子升高。尤其是，促炎細胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6明顯升高。這些促炎細胞因子刺激破骨細胞分泌RANKL促進骨吸收。抗TNF-α治療能降低IBD患者血清OPG水平，改善骨代謝指標(如骨鈣蛋白、堿性磷酸酶和1型前膠原氨基末端肽)和骨密度。眾所周知，RANKL/OPG比例增加促進IBD患者破骨細胞分化和骨破壞。

IL-33屬IL-1家族的新成員之一，是IL-1受體相關蛋白的配體，是誘導輔助性T細胞2免疫應答必不可少的。IL-33升高與IBD呈強相關，尤其是在潰瘍性結腸炎患者中表現更明顯[14]。與此相對應地，應用抗IL-1受體相關蛋白抗體治療能抑制IL-33信號通路，減輕RA模型動物的關節炎[15]。此外，IL-33激活IL-1受體相關蛋白受體信號，刺激人破骨細胞分化[16]。因此，IL-33直接或間接地調節IBD RANKL或輔助性T細胞2介導的骨丟失。

4系統性紅斑狼瘡

系統性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)是一種主要累及女性的自身免疫性疾病，其特征為免疫機能亢進和多器官損害。骨質疏松癥在SLE患者中屬高患病率，但由于體質量、年齡、性別、種族、疾病的嚴重程度以及藥物的使用不同，患病率也有很大的不同。糖皮質激素的使用、慢性炎癥導致的較長病程、神經精神疾病并發癥和先前的骨折史均被認為是SLE相關骨質疏松性骨折的相關因素。盡管SLE患者炎性細胞因子與骨丟失之間的直接關系尚不明確，但促炎細胞因子能促進SLE患者破骨細胞生成導致骨破壞[17]。SLE患者促炎細胞因子TNF-α、IL-1、IL-6和IL-17能增加RANKL分泌，導致RANKL/OPG比例失衡，促進破骨細胞生成。另外，SLE患者氧化低密度脂蛋白水平增加。氧化低密度脂蛋白能誘導T細胞活化，繼而誘導RANKL表達和TNF-α分泌。最近Tang等[17]研究發現，活化核因子-κB信號通路、抑制BMP/Smad信號通路能抑制成骨細胞生成，這在SLE患者骨質疏松病理中起著重要作用。SLE患者血清輔助性T細胞17數目和IL-17水平升高。雖然IL-17在SLE患者骨破壞中的確切作用尚不清楚，但其通過影響成骨細胞和破骨細胞而影響骨重塑。IL-17通過誘導成骨細胞和活化的T細胞分泌RANKL導致RANKL/OPG比例失衡而加重骨丟失，協同TNF-α和趨化因子影響破骨細胞的骨吸收。

5討論

骨重塑是骨吸收和骨形成高度協同的過程，這是受損的骨骼和維持礦物質平衡所必須的。在慢性炎癥狀態下，炎性細胞因子網絡導致骨形成和骨修復失衡，致使嚴重的炎性骨丟失。尤其是，炎性細胞因子IL-1、IL-6、IL-17和TNF-α參與炎性自身免疫疾病的發病。然而，炎性細胞因子對骨丟失的影響和在炎性自身免疫疾病發病中的作用是復雜的。炎性細胞因子或炎性細胞因子網絡通過復雜的機制直接或間接地影響炎性自身免疫性疾病的骨丟失。因此，針對多種細胞因子的靶向藥物可能是預防疾病和減輕疾病進展的有效策略。由于大多數炎性細胞因子通過誘導RANKL/OPG失衡參與骨丟失，因此，針對OPG或RANKL的治療方法可能比單獨抑制一個細胞因子更有效。

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Bone Loss Triggered by the Cytokine Network in Inflammatory Autoimmune Diseases

CHANG Wen-jing,CAI Jia-yu,CAI Hui

(DepartmentofIntegratedTraditionalChineseandWestern

Medicine，NanjingGeneralHospitalofNanjingMilitaryCommand，Nanjing210002，China)

Abstract:Bone remodeling is a continuous process that relies on the correct balance between bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts.Bone loss and fracture risk are implicated in inflammatory autoimmune diseases such as rheumatoid arthritis,ankylosing spondylitis,inflammatory bowel disease,and systemic lupus erythematosus.The network of inflammatory cytokines produced during chronic inflammationinduces anuncoupling of bone formation and resorption,resulting in significant bone loss in patients with inflammatory autoimmune diseases.We review and discuss the involvement of the inflammatory cytokine network in the regulation of inflammatory autoimmune diseases and bone destruction.

Key words：cytokine network;inflammatory autoimmune diseases;bone loss

(收稿日期：2015-10-13，修回日期：2015-12-21)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.03.001

通信作者：蔡輝，男，主任醫師，博士生導師，研究方向：中西醫結合臨床與基礎，E-mail：caihuipdh@163.com