BMP和IL-6信號分子在類風濕關節(jié)炎中研究進展①

徐 鵬 鄒任玲 張冬青

(上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海200093)

·專題綜述·

BMP和IL-6信號分子在類風濕關節(jié)炎中研究進展①

徐 鵬 鄒任玲 張冬青②

(上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海200093)

類風濕關節(jié)炎(Rheumatoid arthritis，RA)是一類以關節(jié)滑膜炎為主的慢性自身免疫性疾病,在疾病早期階段，關節(jié)損傷通過影像學觀察并不明顯，但不斷的全身性及關節(jié)性炎癥將導致骨和軟骨的侵蝕破壞，造成關節(jié)畸形，導致嚴重殘疾，甚至死亡。目前的治療策略及藥物還是以臨床緩解和低疾病活動度為主[1，2]。正常生理條件下，由成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞介導的骨吸收是緊密聯系并能保持平衡的作用，這兩者主要發(fā)生在骨表面的更新被稱為骨重建(Bone remodeling)。骨重建為維護骨質量和強度以及礦物質平衡起重要作用，而骨重建的失衡往往與各種骨疾病有關，打破破骨細胞與成骨細胞在骨微環(huán)境的平衡[3]。無法及時骨重建造成關節(jié)骨丟失正是慢性類風濕關節(jié)炎的重要特征。RA患者體內促炎細胞因子表達在炎癥滑膜組織誘導破骨細胞生成，并抑制成骨細胞分化，結果造成關節(jié)病灶的骨侵蝕[4]。因而本文主要綜述與骨重建密切相關的兩個指標：BMP和IL-6，以及他們兩者之間聯系，為解決RA患者臨床緩解骨侵蝕提供新的思路以及新的認識。

1 BMP與RA

1.1 成骨細胞 成骨細胞來源于間充質前體細胞，是表達骨生成的特征，轉錄因子Runx2和Osterix是成骨細胞分化所必須。成骨細胞能夠產生和礦化骨基質，最初表達堿性磷酸酶和Ⅰ型膠原，其次是骨鈣素(Osteocalcin)、骨橋蛋白(Osteopontin)等，且一些成骨細胞最終鑲嵌在骨基質成為骨細胞，并充當感受器，再發(fā)送信號至破骨細胞促進骨吸收，或至成骨細胞促進骨形成[4]。其中BMP信號是成骨細胞分化的關鍵信號通路，此外Wnt信號及miRNAs和細胞因子也有調節(jié)成骨細胞分化功能。

1.2 BMP分類及作用 1965年首次報道,Urist成功應用牛脫鈣骨基質植入肌肉內誘導間充質細胞分化成新的軟骨和骨,并發(fā)現脫鈣骨基質中含有一種特殊蛋白質稱骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMP)[5]。骨形態(tài)發(fā)生蛋白屬于轉化生長因子(TGF-β)超家族成員，已知發(fā)現超過20多種，屬于具有類似結構的高度保守功能蛋白，可在體內誘導骨，軟骨，甚至肌腱組織形成與修復[6]。在間充質細胞轉化，成骨細胞分化起關鍵作用，BMP信號中斷可造成骨質量失調。BMPs主要分泌細胞有成骨細胞，軟骨細胞和內皮細胞，主要配體包括BMP-2、BMP-4、BMP-6和BMP-7等。同時并非所有BMP配體都是成骨的，獨特的家族成員BMP-3可抑制BMP信號，作為成骨的負調節(jié)因子。此外BMP配體抑制劑包括細胞外的Noggin和Chordin可直接競爭性結合配體，細胞內抑制型受體(Smad-6和Smad-7)，可阻止BMP受體結合和信號傳導[7,8]。BMP信號由 Ⅰ 型和 Ⅱ 型絲氨酸/蘇氨酸激酶跨膜受體(BMPRIA、BMPRIB和BMPRⅡ)介導。這些受體在不同的組織中表達在不同的水平，這些BMPs與相應膜結合型BMP受體結合，導致SMADs 1/5/8磷酸化，再異質寡聚化Smad 4，其復合物轉移至細胞核，激活BMP應答基因轉錄[6]。通過靠上調Runx2和Osterix的表達，促進成骨細胞分化。對于BMP對骨重建影響， 通過研究大鼠骨折模型，已證實BMP-2和BMP-6均能對其骨折愈合產生積極影響[9，10]。而在BMP家族眾多成員中，BMP-2是研究最多的生長因子，并已臨床應用于誘導骨形成，2007年FDA批準了應用BMP-2與可吸收膠原海綿載體的臨床使用[11]。 BMPs除了確定為成骨細胞的生長和分化因子，現在也被認為是多功能性蛋白，參與幾乎所有的器官的發(fā)展和不同的組織更新和維護[6]。異常的BMP信號可以導致多種發(fā)育缺陷和不同的人類疾病，包括癌癥，慢性腎臟疾病、內分泌改變、血管疾病、關節(jié)和肌肉骨骼疾病等[12]。

1.3 BMP與RA RA是最常見的慢性炎癥性關節(jié)炎，其特征是持續(xù)性的滑膜炎癥、關節(jié)損傷和免疫反應改變[1]。幾個BMP配體，包括BMP2、BMP6和BMP7，已被證實在RA患者的滑膜組織以及腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor，TNF-α)轉基因小鼠關節(jié)炎模型和膠原誘導的關節(jié)炎模型中均有上調[13，14]。高水平的BMP7也已經在RA患者的滑液中得到證實，并且水平與疾病的嚴重程度相關[15]。相比之下，BMP4和BMP5配體在RA滑膜中下調[16]。在膠原誘導的關節(jié)炎，一個動態(tài)的BMP信號通路被激活，呈現出隨時間的增加而上升的磷酸化的BR-Smad和Smad 1/5/8陽性細胞數[13]。此外，來自RA患者的成纖維細胞樣滑膜細胞已經被證明表達BMP受體，并且在用促炎細胞因子例如TNF-α，IL-1β和IL-17刺激后上調BMP-2和BMP-6的表達[14]。近期通過構建RA小鼠模型，發(fā)現BMP信號的拮抗劑BMP3在關節(jié)炎病程中后期高表達，可能是骨侵蝕過程的重要因素[17]。另也有研究表明TGF-β1和BMP-2能通過ALK5和ALK1 通路抑制RA患者滑膜成纖維細胞的IL-34表達，從而可能有助于對抗炎癥和RA骨侵蝕[18]。Alberto等[19]研究顯示在滑膜細胞功能活動存在BMP信號通路。人RA滑膜細胞表達三種Ⅰ型BMP受體：BMPRIA，BMPRIB和ACTRIA，以及BMP-特異性Ⅱ型受體BMPR Ⅱ。RA滑膜細胞也表達BR-Smads以及共同配偶體Smad-4。并發(fā)現所有這些組分在信號轉導方面是有效的，因為滑膜細胞響應于外源性BMP刺激而調節(jié)一些BMP靶基因(包括一些Runx因子和Id蛋白家族的成員)的表達的能力。此外，RA滑膜細胞表達BMP配體，這與上述論述一致[14]，由此表明，滑膜細胞的一些功能活性可以通過BMP以自分泌方式調節(jié)。然而，RA滑膜細胞的刺激不僅誘導BMP配體的表達，而且還誘導BMP拮抗劑的表達，主要在單獨用TNF-α或與IL-17組合處理后。 Smad-7和BAMBI是主要上調的BMP拮抗劑，分別作用于細胞內和細胞膜水平，表明BMP信號抑制必須發(fā)生在滑膜細胞本身中。這一發(fā)現表明，在RA的晚期，BMP信號通路可能不再能夠控制和維持低水平的促炎因子，其將升高并持續(xù)在長期高水平促成RA發(fā)病機制，見圖1。

在穩(wěn)定條件下，自分泌BMP產生可下調促炎細胞因子和趨化因子以及基質金屬蛋白酶的表達，并有助于在滑膜細胞使它們保持處于較低水平。隨著TNF-α和IL-17的水平增加，滑膜細胞變得活化并增強BMP的產生，然而，BMP因為同時上調了BMP信號轉導抑制劑的表達,不再能夠控制促炎細胞因子和趨化因子以及基質金屬蛋白酶的水平。然后，增加的BMP水平可能參與免疫細胞的募集和活化，反而增加促炎細胞因子，趨化因子和金屬蛋白酶水平，從而加重類風濕性關節(jié)炎。

2 IL-6與RA

2.1 破骨細胞 破骨細胞來源于單核/巨噬細胞系，是表達骨侵蝕的特征，單核前體細胞分化并融合成多核破骨細胞，這些細胞表達抗酒石酸磷酸酶(Tartrate resisitant acid phosphatase,TRAP)。破骨細胞利用質子泵酸化環(huán)境，深化皺褶緣，溶解骨礦物質，并分泌組織蛋白酶K和基質金屬蛋白酶(Matrix metallo proteinase,MMPs)降解骨有機基質。核因子κB受體活化配體(Receptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL)是破骨細胞分化重要因子，其結合破骨前體細胞的RANK受體，有誘導破骨細胞分化的功能，促進關節(jié)骨吸收。由成骨細胞和其他細胞分泌的骨保護素(Osteoprotegerin,OPG)作為誘捕RANKL受體可抑制破骨細胞分化，因此破骨細胞產生也很大程度取決于RANKL和OPG的平衡[4]。

圖1 BMP參與類風濕性關節(jié)炎發(fā)病機理的示意圖Fig.1 Schematic representation of BMP involvement in rheumatoid arthritis pathogenesis

2.2 IL-6和IL-6受體 IL-6表達通過多因素調解，諸如NF-κb、Lin28、IL-6陽性反饋環(huán)等，gp130是IL-6家族成員(包括IL-6、IL-11、IL-27等)共有的信號轉導受體[20]。IL-6主要通過兩種途徑傳導信號，一種是傳統(tǒng)的信號轉導途徑，即IL-6與膜連接的IL-6Rα結合，隨后與膜連接的gp130結合；另一種是反式信號轉導途徑，即IL-6與sIL-6Rα結合，進而與gp130連接。之后gp130同源二聚化，二聚化的gp130使Jak家族的非受體酪氨酸激酶磷酸化并激活，Jak使gp130胞漿側6個酪氨酸殘基磷酸化，C端的4個酪氨酸殘基磷酸化后招募stat3并使其磷酸化，磷酸化的stat3轉位進入細胞核，激活基因的轉錄[21]。通過多種實驗模型和研究表明，IL-6也是一種高度多效性的細胞因子，其作為一個典型的促炎性細胞因子，可由多種細胞產生，參與炎癥疾病的發(fā)病機制。gp130也可觸發(fā)YAP和Notch激活，轉錄調節(jié)，控制組織的生長和再生。獨立的gp130效應STAT3，可刺激細胞增殖、分化和抵抗糜爛，促進愈合和維持屏障功能[22]。IL-6也可作為一種抗炎細胞因子介導抑制腫瘤壞死因子和IL-1作用，并激活IL-1受體拮抗劑和IL-10。在過去的十年里，大量的研究已經證明只有IL-6信號通過可溶性受體反式信號(sIL-6R)屬于IL-6的有害影響，而經典的IL-6信號通過膜結合受體是IL-6參與組織再生和抗菌作用的關鍵[23]。

2.3 IL-6/IL-6R與RA IL-6及其受體對促B細胞增殖，下調T細胞提高免疫效率，起到一定保護作用。但細胞因子的大量產生也可使自身免疫疾病發(fā)病概率增加，如RA患者血清及關節(jié)滑液中IL-6/IL-6R升高，且濃度升高與患者臨床表現輕重相關[21,24]。托珠單抗(Tocilizumab)是第一類批準上市直接以IL-6R為靶向，抑制IL-6信號通路的抗風濕類藥物[25]。IL-6對骨的多效性作用是其參與RA的發(fā)病機制的關鍵，盡管IL-6上調RANKL表達，但它也抑制破骨細胞前體細胞分化為成熟的破骨細胞，通過擾亂RANKL信號通路，阻斷IL-6亦能降低在TNF-α轉基因小鼠的破骨細胞數，減少小鼠關節(jié)炎的關節(jié)損傷。亦有證明RA患者關節(jié)周圍骨丟失與局部IL-6過量表達有關，但與TNF-α及IL-1表達過量無關[24,25]。IL-6參與Th17細胞的產生，由此提高IL-17的表達水平。而IL-17亦是RA炎癥和骨破壞的關鍵，通過上調RANKL表達及誘導PGE2分泌，增加破骨細胞數量[26]。但也有研究表明IL-17和IL-6和協同效應顯著促進MC3T3-E1小鼠成骨細胞礦化和分化[27]。

IL-6和可能的IL-11，通過gp130在破骨細胞中起作用，以限制破骨細胞在骨表面上的擴散。此外，IL-11作用于松質骨的破骨細胞，促進了一種或多種作用于間充質干細胞(Mesenchymal stem cell,MSC)或成骨細胞的祖細胞由破骨細胞衍生的偶聯因子，以使成骨細胞分化的釋放。 IL-6還在破骨細胞中發(fā)出信號，以使骨傳遞素(Osteotransmitters)的釋放，使骨膜表面上的骨形成。這些信號從骨膜內空間到骨膜表面的傳輸可通過骨細胞網絡發(fā)生，因為在骨形成發(fā)生的骨膜表面附近沒有發(fā)現破骨細胞。在Ctsk.gp130f/f小鼠中，因減少這種偶聯因子和骨傳遞素釋放的刺激導致松質骨和骨膜表面的骨形成受損[28],見圖2。

3 BMP與IL-6/IL-6R及炎癥關聯

破骨細胞介導的局灶性關節(jié)骨侵蝕是類風濕性關節(jié)炎的一個標志，是炎癥性骨丟失的一種疾病。骨微環(huán)境中的炎癥促進破骨細胞分化導致骨侵蝕。同時，炎癥也抑制成骨細胞介導的骨形成，進一步促進骨的凈損失。對炎癥介質誘導骨形成相關BMP2評價作為一種手段，炎癥也可正向調節(jié)成骨細胞功能。破骨細胞兩種功能：限定功能是其吸收骨的能力，但也同時刺激骨生成成骨細胞。

長期以來，IL-6/IL-6R對BMP作用尚存在一定爭議，至今沒有闡明BMP信號與IL-6信號之間的調節(jié)環(huán)路。有研究表明應用IL-6R抗體能明顯抑制RA滑膜成纖維細胞的活性,IL-6R抗體阻斷IL-6能升高BMP-2的表達[29]。而通過BMP-2/ACS誘導異-6/sIL-6R能促進BMPRIA的細胞表面遷移，并導致放大BMP/Smad信號和增強成骨細胞分化[30]。反之用DMH1阻斷BMP信號傳導可顯著增強IL-6、IL-8、MMPs等[19]。因此猜測BMP信號傳導可以在健康滑膜細胞中以及可能還在RA的早期階段中控制和維持低水平的促炎因子具有抗炎作用。在這方面，也提出過BMPs可以發(fā)揮作為聯合保護因子的疾病控制作用，因為BMP2除了誘導成骨細胞促進骨生成，還被描述為可促進滑膜細胞凋亡[31]。BMPs可能能夠抑制由RA患者的滑液所誘導的滑膜細胞的改變。同樣猜測IL-6也有類似作用，但可能由于IL-6過度表達，反式信號系統(tǒng)過度活化介導下游JAK/STAT3信號途徑異常，促自身反應性B淋巴細胞增殖分化而產生自身抗體及定向Ig類別轉換，誘導原始CD4 T向Th17細胞分化，并抑制Treg細胞生成，導致Th17/Treg細胞失衡[24]，從而誘發(fā)多種自身免疫性疾病，包括RA。

圖2 IL-6及gp130在松質骨和皮質骨的破骨細胞的關鍵作用Fig.2 Key roles of IL-6 and gp130 in osteoclasts in trabecular and cortical bone

4 展望

綜上所述，細胞因子是炎癥誘導骨丟失發(fā)病機制的關鍵，導致成骨細胞介導骨生成和破骨細胞介導骨吸收不平衡，由此擾亂正常骨重建，造成RA患者的關節(jié)骨侵蝕。其中BMPs及IL-6作為成骨細胞與破骨細胞的重要參與細胞因子，通過正向促進與反向抑制，同時對其他細胞因子的調節(jié)作用，在通過各自獨有的信號通路，對類風濕關節(jié)炎的發(fā)病機制起到了關鍵作用，本課題組在國家自然科學基金和上海市科委重點項目的資助下，積累和揭示了BMPs和IL-6通過各自信號通路及其互相串話，以及正反雙向調節(jié)在解析RA的免疫病理學發(fā)病機制和研制抗IL-6R的治療性抗體已初見成果，深入研究發(fā)現介導RA發(fā)病的新靶點進一步闡明BMPs及IL-6在調控患者骨代謝與免疫重建將為臨床醫(yī)生診斷和治療患者提供了一新的思路和手段。

[1] Daniel A,Tuhina N,Alan J，etal.Rheumatoid arthritis classification criteria:An American college of rheumatology/european league against rheumatism collaborative initiative[J].Arthritis Rheumatism,2010,69(9):1580-1588.

[2] Smolen JS，Breedveld FC，Burmester GR，etal.Treating rheumatoid arthritis to target:2014 update of the recommendations of an international task force[J].Annals Rheumatic Dis,2015,26(3):355.

[3] Nakashima T.Bone and calcium research update regulation of bone remodeling by osteocytes[J].Clin Calcium,2015,25(1):21-28.

[4] Shaw AT，Gravallese EM.Mediators of inflammation and bone remodeling in rheumatic disease[J].Semin Cell Developmental Biology,2015,49:2-10.

[5] Urist MR.Bone:formation by autoinduction[J].Science,1965,150(3698):893-899.

[6] Miyazono K，Kamiya Y，Morikawa M.Bone morphogenetic protein receptors and signal transduction[J].J Biochemis，2010，147:35-51.

[7] Rosen V.BMP and BMP inhibitors in bone[J].Annals N Y Acad Sci,2006,1068(1):19-25.

[8] Kloen P，Lauzier D，Hamdy RC.Co-expression of BMPs and BMP-inhibitors in human fractures and non-unions[J].Bone,2012,51(1):59-68.

[9] Schwabe P，Greiner S，Ganzert R，etal．Effect of a novel nonviral gene delivery of BMP-2 on bone healing[J]．Sci World J，2012，2012:560142.

[10] Fischerauer EE，Manninger M，Seles M，etal．BMP-6 and BMPR-la are up-regulated in the growth plate of the fractured tibia[J].J Orthop Res，2013，31(3)：357-363.

[11] Razzouk S，Sarkis R.BMP-2:biological challenges to its clinical use[J].N Y State Dental J,2012,78(5):37-39.

[12] Bandyopadhyay A，Yadav PS，Prashar P.BMP signaling in development and diseases:a pharmacological perspective[J].Biochemical Pharmacol，2013，85:857-864.

[13] Daans M，Lories RJ，Luyten FP.Dynamic activation of bone morphogenetic protein signaling in collagen-induced arthritis supports their role in joint homeostasis and disease[J].Arthritis Res Therapy,2008,10:R115.

[14] Lories RJ，Derese I，Ceuppens JL，etal.Bone morphogenetic proteins 2 and 6,expressed in arthritic synovium,are regulated by proinflammatory cytokines and differentially modulate fibroblast-like synoviocyte apoptosis[J].Arthritis Rheumatol,2003,48:2807-2818.

[15] Chubinskaya S，Frank BS，Michalska M，etal.Osteogenic protein 1 in synovial fluid from patients with rheumatoid arthritis or osteoarthritis:relationship with disease and levels of hyaluronan and antigenic keratan sulfate[J].Arthritis Res Ther,2006,8(3):R73.

[16] Bramlage CP，Thomas H，Christian K，etal.Decrease in expression of bone morphogenetic proteins 4 and 5 in synovial tissue of patients with osteoarthritis and rheumatoid arthritis[J].Arthritis Res Ther,2006,8(3):1-10.

[17] Matzelle MM，Shaw AT，Baum R，etal．Inflammation in arthritis induces expression of BMP3,an inhibitor of bone formation[J].Scand J Rheumatol,2016，45(5):379-383.

[18] Mary MC,Legoff B,Maugars Y,etal.BMP-2 and TGF-β inhibit IL-34 expression in rheumatoid arthritis synovial fibroblasts[J].Am J Pathol,2017,187(1):156-162.

[19] Alberto V.Blockade of bone morphogenetic protein signaling potentiates the pro-inflammatory phenotype induced by interleukin-17 and tumor necrosis factor-α combination in rheumatoid synoviocytes[J].Arthritis Res Ther,2015,17(1):1-10.

[20] Chang Q,Daly L,Bromberg J.The IL-6 feed-forward loop:a driver of tumorigenesis[J].Semin Immunol,2014,26(1):48-53.

[21] 苗 平，陸梅生，張冬青.IL-6/IL-6受體與類風濕關節(jié)炎關聯性研究新進展[J].免疫學雜志，2011,271(4)：355-360.

[22] Taniguchi K，Wu LW，Grivennikov SI，etal.A gp130-Src-YAP module links inflammation to epithelial regeneration[J].Nature,2015,519(7541):57-62.

[23] Garbers C,Aparicio-Siegmund S,Rose-John S.The IL-6/gp130/STAT3 signaling axis:recent advances towards specific inhibition[J].Current Opinion Immunol,2015,34:75-82.

[24] 張冬青.干擾素-β/抗白細胞介素-6受體單抗干預類風濕關節(jié)炎機制的新認識[J].診斷學理論與實踐,2015,14(2):99-104.

[25] Smolen JS，Avila JC，Aletaha D.Tocilizumab inhibits progression of joint damage in rheumatoid arthritis irrespective of its anti-inflammatory effects:disassociation of the link between inflammation and destruction[J].Annals Rheumatic Dis,2011,71(5):687-693.

[26] Bettelli E，Carrier Y，Gao W，etal．Reciprocal developmental pathways for the generation of pathogenic effector TH17 and regulatory T cells[J].Nature,2006,441(7090):235-238.

[27] Sritharan S，Kannan TP，Norazmi MN，etal.Interleukin 6 and/or interleukin 17A modulate the OPG/RANKL system of MC3T3-E1 murine osteoblast cell line[J].International J Peptide Res Therapeutics,2016:1-10.

[28] Johnson RW，Mcgregor NE，Brennan HJ.Glycoprotein130 (Gp130)/Interleukin-6 (IL-6) signalling in osteoclasts promotes bone formation in periosteal and trabecular bone[J].Bone,2015,81:343-351.

[29] 蔡月明， 陶 可， 曾 暉,等.類風濕性關節(jié)炎滑膜成纖維細胞骨保護素和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的表達及干預[J].國際免疫學雜志,2014,37(4):356-360,362.

[30] Huang RL，Chen G，Wang W，etal.Synergy between IL-6 and soluble IL-6 receptor enhances bone morphogenetic protein-2/absorbable collagen sponge-induced bone regeneration via regulation of BMPRIA distribution and degradation[J].Biomaterials,2015,67:308-322.

[31] Lories RJ，Luyten FP.Bone morphogenetic proteins in destructive and remodeling arthritis[J].Arthritis Res Ther,2007,9(2):1-7.

[收稿2016-12-22]

(編輯 許四平)

10.3969/j.issn.1000-484X.2017.04.028

①本文為國家自然科學基金面上項目(31270963、31570903)、上海市科委生物醫(yī)藥處科技支撐重點項目(14431903700)和上海市科學技術委員會科研計劃項目(14441905100)。

徐 鵬(1983年-)，男，在讀碩士，主要從事生物醫(yī)學工程及免疫學研究，E-mail：paynexu@sina.com。

及指導教師：鄒任玲(1971年-)，女，博士，教授，碩士生導師，主要從事生物醫(yī)學工程研究，E-mail：zourenling@163.com。 張冬青(1955年-)，男，碩士，教授，碩士生導師，主要從事醫(yī)學免疫學研究，就職于上海交通大學醫(yī)學院，上海市免疫學研究所，E-mail：dqzhang1333@163.com。

R392

A

1000-484X(2017)04-0611-05

②上海交通大學醫(yī)學院，上海市免疫學研究所，上海200025。