脂肪因子在運動介導骨免疫調控骨重構進程的機制研究進展

袁子琪，李世昌，孫 朋*，宗博藝

隨著骨免疫學的提出，越來越多的研究關注于免疫與骨重構的關系（Zhao et al.，2016）。脂肪組織作為一種骨免疫內分泌器官，分泌脂肪因子通過骨免疫機制作用于骨重構（Ginaldi et al.，2016；Sulston et al.，2016）。脂肪因子作為免疫與骨重構的共調節因素，可以影響免疫細胞、成骨細胞（osteoblast，OB）及破骨細胞（osteoclast，OC）的功能，進而調節骨重構方向（Choi et al.，2017）。研究發現，脂肪因子與骨質疏松、肥胖、類風濕性關節炎等病癥密切相關（Opatrilova et al.，2018；Weber et al.，2017）。在骨免疫系統中，脂肪因子可分為促骨吸收性脂肪因子和抗骨吸收性脂肪因子。其中，瘦素（leptin）、內脂素（visfatin）、抵抗素（resistin）等促骨吸收性脂肪因子作用于免疫細胞，上調促炎性細胞因子，如白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等，繼而上調NF-κB受體活化因子配體（receptor activator of NF-κB ligand，RANKL）促進骨吸收（Lee et al.，2018；Ouchi et al.，2011）。而脂聯素（adiponectin，ADPN）作為一種抗骨吸收性脂肪因子，能夠抑制TNF-α等促炎細胞因子，并誘導IL-1受體拮抗劑（IL-1 receptor antagonist，IL-1 RA）、IL-10等抗炎因子的產生，抑制RANKL并上調骨保護素（osteoprotegerin,OPG）表達，從而抑制骨吸收，促進骨形成（Straub et al.，2015）。分泌型卷曲相關蛋白-5（secreted frizzled related protein 5，sFRP5），抑制Wnt5a（wingless-type MMTV integration site family， member 5a）介導的炎癥細胞因子產生。這些脂肪因子的交叉作用可能是肥胖中導致炎癥狀態以及骨流失的原因之一（Wang et al.，2018）。因此，本文同時也為肥胖與骨質疏松的關系做出一定的解釋。運動通過調控脂肪因子水平，進而通過脂肪因子介導的骨免疫影響骨重構。

1 免疫系統對骨重構的調控

免疫系統通過免疫細胞因子調控骨保護素—NF-κB受體活化因子配體—NF-κB受體活化因子（OPG-RANKLRANK）信號系統（圖1），進而調控骨重構（Gu et al.，2017；Hajishengallis et al.，2016）。OPG-RANKL-RANK軸 是 調控骨吸收，進而維持骨代謝平衡的重要信號系統（Xu et al.，2016）。RANKL屬 于TNF受 體（tumor necrosis factor receptor，TNFR）配體家族，其與RANK結合后，誘導核轉錄因子激活蛋白1（nuclear transcription factors activate protein 1，AP-1）和T細胞活化核因子（nuclear factor of activated T cells 1，NFATc1）的表達，導致OC前體融合與OC分化，加強骨吸收（Takayanagi，2007）。OPG屬于TNF超級受體家族，作為RANKL的假性受體與RANK競爭性結合RANKL，抑制OC分化，進而抑制骨吸收（Criscitiello et al.，2015）。TNF-α、IL-1、IL-6和IL-17等促炎因子加強RANKL-RANK信號級聯，促進OC生成，加強骨吸收；IL-4、IL-5、IL-10、IL-18和干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）等抗炎細胞因子抑制RANKL-RANK結合，上調OPG表達，抑制OC生成，抑制骨吸收（Haumer et al.，2018；Arboleya et al.，2013）。

T細胞活化會導致上述相關免疫細胞因子的產生增加，從而調控破骨細胞的形成。Th1（T help type 1）細胞與Th2（T help type 2）細胞主要通過分泌IFN-γ、IL-4等因子抑制破骨細胞的生成，固有免疫條件下，其可以促進RANK尾部TRAF6降解，進而阻斷RANKL-RANK信號級聯 （Caetanolopes et al.，2009）。Th17（T help type 17）細胞主要產生IL-17誘導破骨細胞前體RANK的表達，募集并激活巨噬細胞，使其產生IL-1、IL-6、TNF-α等促炎細胞因子，進而上調RANKL的表達，促進破骨細胞的分化和生成（Adamopoulos et al.，2010）。調節性T細胞（regulatory T cell，Treg）分泌抑制破骨細胞生成的細胞因子IL-4，IL-10以及轉化生長因子-β（transforming growth factor β，TGF-β），從而抑制骨吸收，促進骨形成（Pacifi ci，2016）。目前關于B細胞與骨代謝的研究較少，但B細胞能分泌OPG，促進成骨細胞的生成和分化， B細胞在雌激素缺乏情況下可增強RANKL表達，導致破骨細胞數量增加。此外，T細胞表達雌激素受體，當雌激素缺乏時T細胞增殖活化，導致IL-6、TNF-α等促OC生成因子增多，是絕經后骨質疏松形成的主要原因之一（潘利平等，2015；Manabe et al.，2001）。研究發現，在骨損傷發生時，巨噬細胞在骨微環境內通過分泌骨形態發生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）以及制瘤素M（oncostatin M，OSM），從而促進成骨細胞生成，提示免疫細胞在骨損傷狀態下對骨修復產生著重要的作用。（EL-Jawhari et al.，2016；Schlundt et al.，2018）。

除了對骨吸收的調控，免疫系統還通過Wnt信號通路，調控OB介導的骨形成。骨髓微環境中T淋巴細胞表達Wnt10b，Wnt10b通過旁分泌啟動成骨細胞Wnt/β-catenin通路（Cawthorn et al.，2012；Wei et al.，2011）。Wnt/β-catenin轉導途徑屬于Wnt經典信號通路，其被激活后誘導OB分泌OPG，并促進骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC）向OB分 化（Baron et al.，2013；Kramer et al.，2010）。 最近研究發現，Wnt信號通路能夠調控免疫細胞的功能，并在炎癥應答中扮演著重要角色（Chae et al.，2018）。血清Wnt5a水平與肥胖程度和血清IL-6水平呈顯著正相關，而IL-6、TNF-α的刺激可顯著上調Wnt5a在單核/巨噬細胞中的表達（Rauner et al.，2012；Relling et al.，2018）。巨噬細胞以自分泌形式分泌Wnt5a，通過Wnt非經典信號Frz5-CAMKII轉錄途徑誘導IL-6，IL-1β等促炎因子的產生，當肥胖發生時Wnt5a水平升高，提示Wnt5a介導肥胖引起的炎癥，并通過炎癥細胞因子間接促進骨吸收（Schaale et al.，2011）。Wnt5a是非經典Wnt信號Wnt/Ca2+途徑的關鍵因子，其通過CAMKII-TAK1-TAB2-NLK途徑抑制PPARγ，并上調RUNX2表達水平，促進BMSC向OB分化，從而促進骨形成。值得注意的是，最近的研究表明，非經典Wnt信號通路通過Wnt5a與經典Wnt信號通路協同調控骨形成（Okamoto et al.，2014；Takada et al.，2007）。綜上所述，Wnt5a作為關鍵的Wnt通路信號分子，除了促進OB生成外，還可以通過骨免疫機制間接調控骨吸收。

2 脂肪因子對骨免疫系統的調控

脂肪組織分泌大量具有生物活性的蛋白，在肥胖、骨代謝等生理病理狀態中發揮重要作用（Alipoor et al.，2018；Junker et al.，2017）。瘦素、內脂素和抵抗素誘導免疫細胞分泌促炎細胞因子，作用于RANKL-RANK軸，促進骨吸收。脂聯素拮抗這一過程，起到抑制骨吸收，促進骨形成的作用。sFRP5一方面抑制Wnt5a信號誘導的OB形成，加劇骨吸收；另一方面通過抑制Wnt5a介導的促炎作用，間接抑制骨吸收（表1）。肥胖狀態下促炎性脂肪因子水平升高，脂聯素和sFRP5水平下降，這些脂肪因子是肥胖導致炎癥和骨流失的原因之一。

圖1 免疫細胞因子調控骨重構的骨免疫機制Figure 1. Schematic Diagram of the Mechanism of Osteoimmunology of Immune Cytokines Regulating Bone Remodeling

表1 脂肪因子種類及其對骨免疫影響Table 1 The Types of Adipokines and Their Effects on Osteoimmunology

促炎性脂肪因子水平在類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis，RA）等慢性炎癥患者中顯著升高（Brentano et al.，2007；Straub et al.，2015），提示其介導炎癥所致的骨流失。瘦素刺激外周血液單核細胞與B細胞分泌TNF-α、IL-6等促骨吸收炎性因子，并抑制Treg細胞分泌IL-4等保護性因子（Wong et al.，2007）。此外，瘦素誘導T細胞向Th1細胞分化，Th1細胞通過IFN-γ上調OPG（高超 等，2010）。RA患者血清抵抗素水平與IL-6等炎癥因子水平呈正相關（bokarewa et al.，2005）。抵抗素激活NF-κB信號通路，上調外周血單核細胞TNF-α、IL-6以及IL-1β的表達水平（Reilly et al.，2005）。炎癥狀態下內脂素與患者骨密度（bone mineral density，BMD）呈負相關，內脂素誘導RA患者骨微環境IL-6、IL-8水平提高，促進RANKL-RANK結合加劇骨吸收（Moschen et al.，2010；Oki et al.，2010）。脂聯素是外周血中濃度最高的脂肪因子（Pal et al.，2018）。脂聯素抑制M1型巨噬細胞活化，促進M2型巨噬細胞增殖，從而抑制促炎細胞因子產生（Stolarczyk ，2017）。此外，脂聯素誘導單核/巨噬細胞、Treg細胞產生抗炎因子IL-4、IL-10及IL-1RA，抑制RANKL-RANK級聯（Wolf et al.，2004；Yokota et al.，2000）。最近發現，脂聯素可能具有促炎作用，促進RA等炎癥狀態下的骨流失（Junker et al.，2017），有待于進一步研究。由于Wnt5a對骨代謝的調控具有雙向性，sFRP5作為Wnt5a信號的阻斷劑對骨重構的調控也具有雙向性。sFRP5與Fz蛋白受體競爭性結合Wnt信號分子，抑制Wnt5a介導的經典/非經典Wnt信號，然而骨髓脂肪組織sFRP5水平與BMD呈正相關，sFRP5阻斷Wnt5a激活的Wnt信號，抑制骨微環境Wnt5a介導的促炎作用，間接促進骨形成（Chen et al.，2017；Schaale et al.，2011）。此外，炎癥狀態下sFRP5通過阻斷Wnt5a/Ror2通路下調RANK表達，從而抑制OC生成，抑制骨吸收（Maeda et al.，2012；Martineau et al.，2017）。

3 運動對脂肪因子的調控

長期運動能夠抑制促骨吸收性脂肪因子水平，上調抗骨吸收性脂肪因子，進而調控免疫微環境，通過骨免疫機制抑制骨吸收，促進骨形成（圖2）。已有研究證明，長期運動顯著提高脂聯素水平，降低瘦素、內脂素及抵抗素水平（表2），并伴隨身體質量指數（body mass index，BMI）、體脂百分比等肥胖評價指數下降。已有研究表明，急性中、小強度運動對脂肪因子水平無顯著性影響；急性大強度運動使脂肪因子產生暫時性變化。國內外鮮見運動對sFRP5影響的研究，但有研究表明，血清sFRP5水平與肥胖程度呈負相關，適宜運動可能通過減輕人體肥胖程度，從而提高sFRP5水平。但目前關于運動對sFRP5的影響機制尚不清楚。

圖2 脂肪因子影響骨重構的骨免疫機制Figure 2. Adipokines Affect Bone Remodeling through the Mechanisms of Osteoimmunology

表2 運動對脂肪因子的影響Table 2 Effect of exercise on adipokines

3.1 運動對脂肪因子的慢性影響

長期運動有效抑制體內瘦素水平（Fedewa et al.，2018）。Nadia 等（2013）研究表明，6個月中等強度自行車訓練顯著降低血清瘦素水平，并上調外周脂聯素水平。Azizi等（2011）對24名女受試者進行8周中等強度有氧運動，結果顯示，運動組血漿瘦素水平顯著降低。另有研究表明，持續5周高強度間歇訓練也可以降低體內瘦素水平（Caldeira et al.，2018）。Amir等（2013）的研究中，健康女性受試者進行8周中等強度有氧運動后，血漿抵抗素水平顯著降低。Jones等（2009）對超重青少年受試者實施了32周中等強度有氧運動訓練，結果顯示，受試者血漿抵抗素水平與體脂百分比較運動干預之前顯著降低。柏友萍等（2013）的研究中，30名超重/肥胖大學生進行8周中等強度有氧運動后，受試者血漿抵抗素水平顯著性下降。值得注意的是，上述研究中瘦素、抵抗素水平的降低均伴隨著BMI、體脂百分比等肥胖評價指數的下降。Seo等（2011）對10名中年肥胖婦女進行12周的組合運動，運動干預后受試者血清內脂素水平顯著降低。Choi等（2007）對48名中年女性進行12周有氧運動訓練，結果與Seo的研究結果一致——血清內脂素水平降低，伴隨受試者BMI、腰臀比等肥胖指標下降。Lee等（2010）對11名肥胖女性大學生進行了12周的中等強度有氧運動訓練，結果顯示，干預前受試者血清內脂素水平顯著高于健康女大學生，而干預后血清內脂素水平顯著降低，提示長期運動可以降低血漿內脂素水平。

Wang等（2015）對絕經后肥胖/超重婦女受試者進行熱量攝入控制（20周），并隨機分出48名在熱量控制的同時進行20周中等強度有氧運動訓練，結果顯示，運動組血清脂聯素水平高于控制組，提示長期有氧運動可以改善循環脂聯素水平。Kondo（2006）對8名年輕肥胖女性受試者進行了7個月中等強度的運動訓練，研究顯示受試者脂聯素水平較受試前顯著升高。Racil等（2013）將受試者分為運動組和對照組，其中運動組分為大強度間歇運動組和中等強度間歇運動組，持續12周，運動干預后，大強度間歇運動組血清脂聯素水平顯著高于中等強度間歇運動組，提示大強度運動或大強度間歇運動可能是改善循環脂聯素水平的最佳運動方式。Racil、Kondo與Wang的研究中，脂聯素水平的升高均伴隨著肥胖指標的下降，提示雖然多種組織分泌脂肪因子，但是脂肪因子水平與脂肪比例高度相關。綜上，長期運動能夠抑制瘦素、內脂素和抵抗素水平，上調脂聯素水平，并伴隨肥胖指標下降。

3.2 運動對脂肪因子的急性影響

Weltman等（2000）對27名健康男性受試者進行一次性30 min中等強度運動，結果顯示，血清瘦素水平無顯著性變化。Sari等（2007）研究表明，一次性中等強度運動不會引起外周瘦素水平變化。Jamurtas等（2006）的研究中，9名受試者進行一次性45 min中等強度有氧運動，研究結果顯示，運動后的48 h內，受試者血漿脂聯素及抵抗素水平未發生顯著變化。Yahya等（2014）的研究中，14名中年肥胖男性受試者進行一次性中等強度跑步運動，持續時間40 min，結果顯示，受試者運動前后的血漿抵抗素水平無顯著性變化。Ghanbari等（2010）的研究表明，急性大強度無氧運動會使血漿內脂素水平顯著提高。該研究中，6名健康年輕男性進行7組沖刺跑，結果顯示，在一次性大強度無氧運動后血漿內脂素、胰島素以及葡萄糖水平均有顯著性的增高，但是在運動結束45 min后，除了乳酸之外的各項指標均恢復至基礎水平。有研究對9名賽艇運動員進行2 h亞最大強度劃船訓練，結果顯示，血漿內脂素、瘦素水平在運動后30 min顯著降低（Jurimae et al.，2009），這可能與內脂素為滿足能量需求參與胰島素敏感性調節有關。Punyadeera等（2005）的研究中，10名受試者按照50%V.O2max強度進行2 h自行車運動，結果顯示，運動前后血漿脂聯素水平無顯著差異。Jurimae等（2005）對8名賽艇運動員進行6.5 km最大強度賽艇訓練，結果發現，在運動后即刻，受試者血漿脂聯素水平未發生顯著性變化，而在運動結束后30 min，血漿脂聯素水平上升至顯著差異水平。Ferguson等（2004）的研究中，16名受試者進行1 h 65%V.O2max的急性運動，結果顯示，運動前后的血清脂聯素水平未發生顯著變化。綜上，急性中/小強度運動對脂肪因子水平均無顯著影響；而一次性大強度運動使外周瘦素水平降低，內脂素和脂聯素水平升高，然而這種變化可能屬于暫時性影響。此外，能量代謝需求變化也是脂肪因子產生相應變化的原因之一。

4 總結與展望

長期運動能夠下調瘦素、內脂素、抵抗素水平，提高脂聯素水平，進而抑制促骨吸收免疫細胞因子水平，上調OPG表達水平，并抑制RANKL，抑制破骨細胞活性，促進骨形成，抑制骨吸收。急性中、小強度運動不會影響脂肪因子水平，急性大強度運動會對瘦素、脂聯素、內脂素造成短暫影響，運動后短時內便恢復至基礎水平。長期運動可能通過改善脂代謝從而提高sFRP5水平，然而運動具體調節機制尚不清楚。以前研究認為，肥胖通過增加機械應力信號從而起到骨保護作用，而近期研究發現，肥胖可能增加骨質疏松風險。本研究對肥胖與骨質疏松關系進行梳理，當肥胖癥發生時，人體促骨吸收性脂肪因子水平上調，加劇炎癥的同時促進骨吸收；而抑制骨吸收的脂肪因子如脂聯素與肥胖呈負相關，導致炎癥的加劇，抑制骨吸收的作用減弱，兩者共同導致了肥胖炎癥的發展以及骨質疏松的發生。在不同強度運動的干預下，可能會引起骨吸收和骨形成平衡的差異，其具體機制尚不完全清楚。此外，更多的研究集中在骨髓脂肪組織與腫瘤骨轉移，以及骨相關疾病的關系，但是骨髓脂肪組織對骨代謝等生理病理狀態的影響，以及運動調節機制尚不清楚，有待于進一步探索。