免疫與炎癥對破骨細胞分化的影響

張益祥 譚心辰 吳耀持

摘 要 破骨細胞是骨吸收細胞，來源于造血前體細胞，需巨噬細胞集落核因子κB（NF-κB）的刺激因子和受體激活劑配體（RANKL）才能生存、增殖、分化和激活。RANKL與其受體RANK的結合觸發破骨細胞前體分化為破骨細胞。目前，可以明確的是破骨細胞和免疫細胞是受到共同調控的，破骨細胞和免疫細胞不僅有著共同的祖細胞，而且還有著許多共同調節因子，如NF-κB配體的受體激活劑，腫瘤壞死因子α（TNF-α）和干擾素γ（IFN-γ）。因此，炎癥情況下所產生的一系列免疫細胞、細胞因子以及酶對破骨細胞的分化都會產生多且復雜的影響。在炎癥情況下，RANKLRANK-骨保護素（OPG）系統會受到較多影響。全文綜述免疫與炎癥及在炎癥情況下RANKL-RANK-OPG系統調控破骨細胞分化的研究進展。

關鍵詞 破骨細胞；免疫；炎癥；RANKL-RANK-OPG通路

中圖分類號：R329.2+8 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1533（2020）14-0030-04

Effects of immunity and inflammation on osteoclast differentiation

ZHANG Yixiang1， TAN Xinchen1， WU Yaochi2（1. Faculty of Basic Medicine of Medical School of Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200025， China； 2. Department of Traumatology for Acupuncture and Massage of the Sixth Peoples Hospital， Shanghai 200233， China）

ABSTRACT Osteoclasts are bone-resorbing cells derived from hematopoietic precursor cells which require macrophage colony-stimulating factor of nuclear factor kappa B（NF-κB） and receptor activator of NF-κB ligand（RANKL） for survival， proliferation， differentiation， and activation. Binding of RANKL to its receptor activator of NF-κB（RANK）， triggers osteoclast precursors differentiation into osteoclasts. At present， it is now clear that osteoclasts and immune cells are co-regulated， and they not only share common progenitor cells， but also have many co-regulators， such as RANKL， tumor necrosis factor α（TNF-α） and interferon γ（IFN-γ）. Therefore， a series of immune cells， cytokines and enzymes produced under inflammatory conditions have massive and complex effects on the differentiation of osteoclasts. In the case of inflammation， the RANKL-RANK-OPG system is more affected. This article reviews the research progress of immune and inflammation， and the regulation of osteoclast differentiation by RANKL-RANK-OPG system under the condition of inflammation.

KEY WORDS osteoclasts； immunity； inflammation； RANKL-RANK-OPG pathway

破骨細胞作為人體內十分重要的細胞，其生成和分化異常對骨疾病乃至口腔疾病都有很大的影響，因此了解不同環境下破骨細胞的分化情況對于這些疾病的再認識有著十分重要的作用。破骨細胞的分化是由諸多分子共同參與的過程，其中任何一種因子、受體、配體受到影響都可能會產生嚴重后果。炎癥與免疫是一個相輔相成的過程，許多免疫細胞介導了炎癥過程。對于炎癥而言，其本身所產生的一系列炎癥物質如環氧合酶-2（COX-2），對微環境的改變會影響破骨細胞的分化。免疫反應產物與破骨細胞不僅有共同的祖細胞，而且有許多相同的調控因子。破骨細胞來源于骨髓造血干細胞，是骨質破壞的重要參與者。由細胞核因子kB（NF-kB）受體活化因子配體（receptor activator of NF-kB ligand，RANKL）、NF-kB受體活化因子（receptor activator of NF-kB，RANK）和骨保護素（osteoprotegerin，OPG）組成的RANKL-RANK-OPG系統在骨代謝中調節著破骨細胞的分化、發育及功能。本文綜述在炎癥環境下RANKLRANK-OPG系統調控破骨細胞分化的研究進展。

1 免疫與炎癥

當各種外源性和內源性損傷因子作用于機體，造成器官、組織和細胞損傷時，機體局部和全身會發生一系列復雜反應，以局限和消滅損傷因子，清除和吸收壞死組織和細胞，并修復損傷，機體這種復雜的以防御為主的反應稱為炎癥。越來越多的研究表明，幾乎所有慢性疾病的發生都與炎癥有著或多或少的聯系，而且免疫細胞亦參與并貫穿著炎癥過程。在機體受損時，體內淋巴細胞、樹突狀細胞（DC）、巨噬細胞、白細胞、嗜中性粒細胞和巨核細胞等因子均會參與炎癥反應[1]，并受脂質介體（類花生酸，前列腺素）、趨化因子和炎癥因子[腫瘤壞死因子（TNF）α，白細胞介素（IL）1β和IL6]的轉導協調，在各種細胞因子激活信號轉導途徑中，最主要的是RANKL-RANK-OPG途徑。NF-κB家族包括蛋白P50（P105/NF-κB1）、P52（P100/NF-κB2）、P65（RelA）、RelB和c-Rel蛋白的同型和異型二聚體。該家族在所有細胞類型中普遍表達，并調節必需的細胞應答，包括存活、分化、凋亡和自噬。其主要機制是細胞因子與同源細胞表面受體結合，觸發由受體介導的構象變化，進而導致銜接蛋白和激酶在胞質受體基序附近募集。

2 炎癥對破骨細胞分化的影響

破骨細胞分化的通路有許多，但炎癥條件下對破骨細胞分化影響較大的是RANKL-RANK-OPG系統。該系統中的RANKL蛋白的作用是調控骨吸收，存在于骨細胞、增生軟骨細胞的腫瘤壞死因子（TNF）家族，大部分由成骨細胞和T細胞形成，有膜結合和溶解兩種形式，前者對破骨細胞形成的作用比后者更為強烈[2]。RANK蛋白的作用是誘導破骨細胞成熟的細胞因子，存在于單核和巨噬細胞的TNFR家族。OPG蛋白的作用是抑制骨吸收，增加骨皮質、密度和強度，由380個氨基酸組成，是TNF受體家族的可溶性蛋白。OPG基因在肺、心臟、腎和骨骼等組織中均有表達[3]。與OPG一起被發現的還有OPG配體（OPGL）和破骨細胞分化因子（ODE）。OPGL和ODE都是TNF家族的OPG配體，可幫助OPG抑制破骨細胞生成。研究發現RANK主要與RANKL結合，促進破骨細胞分化成熟，而OPG因子通過一定正性調節因子轉化生長因子-β（TGF-β）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、雌激素等或負性調節因子前列腺素E2（PGE2）、糖皮質激素等的激活競爭抑制RANK與RANKL的結合，促進其與RANKL結合，從而遏制破骨細胞分化，多以OPGRANKL的濃度比體現抑制破骨細胞分化及誘導成熟破骨細胞凋亡的能力[4]。RANKL-RANK途徑也被確定為不同病理情況下骨更新的關鍵因素[5-6]，會受到以下因素影響。

2.1 致炎性介質COX-2

體外實驗表明，用炎性因子（如IL-1和TNF-α）刺激，可使COX-2表達增加。COX-2在破骨細胞分化中的作用主要是通過刺激PGE2實現。PGE2可通過刺激成骨細胞/基質細胞或直接刺激破骨細胞祖細胞影響炎癥誘導的破骨細胞生成和分化[7]；但也可反過來通過誘導COX-2擴增自身產量。PGE2在成骨細胞和破骨細胞譜系細胞上均具有受體，通過上調RANKL的表達和抑制OPG的表達間接刺激破骨細胞分化。PGE2的過量生成可能導致骨骼吸收增加，而PGE2的缺乏則可能使骨生成反應失衡。

2.2 T細胞

T細胞可以分泌破骨細胞生成刺激因子RANKL和M-CSF。Th1細胞表達的標志性分子IFN-γ是重要的炎癥因子，已證實能顯著降低破骨細胞前體CXCR4的表達[8-9]，從而抑制破骨細胞形成。Th2細胞主要分泌IL-4，這是一種多功能、多效性的細胞因子，可通過減少RANKL、RANK表達和增加OPG表達影響RANKLRANK-OPG系統，從而抑制破骨細胞分化[8，10]。Th17細胞是一個相對較新發現的CD4+T細胞，可刺激破骨細胞生成。Th17細胞有IL-23受體，該受體與IL-23結合后可通過刺激IL-17分泌誘導破骨細胞形成[11]，并增強基質細胞和成骨細胞中RANKL的表達，Th17細胞分泌的RANKL水平和活性更高。此外，IL-17促進了炎性因子的產生，如TNF-α，IL-6和IL-1，這些炎性因子上調RANKL表達，從而通過與RANKL信號的協同作用激活破骨細胞前體細胞。除了Th17細胞，Treg細胞亞群是CD4+T細胞的另一個特征性亞群，對預防自身免疫性疾病至關重要，可直接通過CTLA-4抑制破骨細胞的形成、分化和功能，并間接通過TGF-β，IL-4和IL-10抑制破骨細胞[12]。CD8+T細胞對骨骼具有保護作用，與RANKL一起表達大量OPG，以抑制破骨細胞生成。FoxP3是調節性T細胞的標志物，破骨細胞誘導的FoxP3+CD8 T細胞分泌抑制破骨細胞活性的細胞因子。這些細胞不直接影響破骨細胞的存活，但可作用于成熟的破骨細胞抑制肌動蛋白環形成。此外，FoxP3+CD8 T細胞還可以分泌IFN-γ和CTLA-4，抑制破骨細胞形成。

2.3 TNF-α

TNF-α主要由單核-巨噬細胞產生，活化的T細胞、自然殺傷細胞、肥大細胞和軟骨細胞也能分泌。TNF-α主要有三方面作用，第一是促進成熟的造血干細胞分化為破骨細胞；第二是增加巨噬細胞和干細胞中RANK和RANKL水平；第三是促進RANKL與其受體RANK結合從而激活。此外，在TRAF6-/-OC前體中，通過RANKL誘導TRAF3的自噬降解，TNF-α誘導的破骨細胞生成被上調。因此，RANKL還可以通過不依賴TRAF6的信號通路增強TNF-α誘導的破骨細胞形成。

2.4 IL-6

IL-6與成骨細胞中RANKL的表達密切相關，可促進成骨細胞上的RANKL表達增加，從而刺激破骨細胞的形成和骨吸收，但其水平受到性激素的影響。實驗表明用IL-6、IL-6R處理成骨細胞會誘導產生更多的RANKL。同時，Janus激酶2（JAK2）的磷酸化和轉錄激活因子（STAT3）的激活也與RANKL水平相關[13]。此外，IL-6還顯示出不通過RANKL的獨立機制刺激骨吸收[14]。這是由于IL-6，TGF-β和IL-1可以參與T細胞分化使之分化為Th-17，Th17可以直接促進破骨細胞分化[15]。除了可以促進破骨細胞生成，IL-6還可以抑制破骨細胞生成。研究表明，IL-6可以直接作用于源自人和小鼠骨髓的CD14+細胞，并刺激骨髓前體細胞分化為巨噬細胞，從而抑制了破骨細胞的形成[16-17]。

2.5 其他細胞因子

淋巴細胞和單核細胞表達的細胞因子不同程度地影響骨骼代謝，IL-1、IL-3、IL-7、IL-11、IL-15和IL-17不僅促進破骨細胞的產生，同時也促進表達RANKL的成骨細胞的表達。IL-4、IL-5、IL-10、IL-12、IL-13、IL-18、IFN-α、IFN-β和IFN-γ直接或間接抑制RANKL信號[18]，其中IL-10是重要的抗炎因子，其下調使炎癥因子的表達增加，從而抑制炎癥因子介導的破骨細胞激活。IL-10可上調OPG的分泌并下調RANKL和CSF-1的表達，從而抑制破骨細胞的分化成熟。有研究發現，在骨質疏松癥中起主要作用的還有IL-31和IL-33。骨質疏松癥中IL-31的表達增加，通過誘導趨化因子和促炎性破骨細胞生成素刺激骨吸收，從而導致破骨細胞前體從骨髓中募集、分化和激活[19]。此外，代表對骨保護有十分重要作用的IL-33有著抗破骨細胞作用[20]。

2.6 其他免疫細胞

B細胞和漿細胞是OPG的主要來源，OPG是 RANKL的可溶性誘餌受體，競爭性與RANKL結合，從而阻斷RANKL與RANK的結合，消除RANKL對破骨細胞的作用。B細胞產生的OPG有益于維持RANKL/ RANK/OPG之間的平衡，從而保持骨骼代謝的平衡。在人類免疫缺陷病毒（HIV）中，B細胞和T細胞的變化導致成骨細胞中OPG下調，并導致破骨細胞的產量與RANKL水平之間失衡。此外，B細胞可通過產生TNF-α和TNF-β刺激破骨細胞形成，而通過產生OPG、IFN-γ和TGF-β抑制破骨細胞形成。

NK細胞能夠表達RANKL和巨噬細胞集落刺激因子（M-CSF），有研究表明當滑膜NK細胞與單核細胞在體外共同培養時，會導致單核細胞分化為破骨細胞[21]。在正常情況下，DC不參與骨骼重塑。但在類風濕性關節炎等病理條件下，DC可以與RANKL/RANK途徑相互作用，并通過調節T細胞功能間接參與由炎癥因素引起的骨丟失過程。并且在存在M-CSF和RANKL的情況下，源自血液單核細胞的DC可以分化為破骨細胞，提示DC也可以直接影響骨形成[22]。在炎癥的病理條件下，中性粒細胞對炎癥信號作出反應并在炎癥部位積聚。盡管嗜中性粒細胞被認為是合成能力有限的短壽命細胞，但活化的嗜中性粒細胞在炎癥部位和脂多糖（LPS）刺激后均強烈表達高水平的RANKL[23-24]，表明中性粒細胞也能夠通過介導RANKL表達激活破骨細胞骨吸收[25]。

3 總結和展望

由于免疫系統參與貫穿著炎癥過程，免疫細胞如T細胞、B細胞、NK細胞、巨噬細胞都或多或少會對破骨細胞的分化產生影響，炎癥性T細胞亞群可以觸發破骨細胞的形成，B細胞、NK細胞、IL以及由巨噬細胞產生的TNF-α也都可以通過影響RANKL-RANKOPG系統影響破骨細胞的分化。這其中上調因子主要有COX-2、Th17、TNF-α、IL-1、IL-3、IL-6、IL-7、IL-11、IL-15、IL-17、IL-31以及NK細胞，下調因子有T細胞、TGF-β、IL-4、IL-5、IL-10、IL-12、IL-13、IL-18、IFN-α、IFN-β和IFN-γ。從而可見，凡是能對破骨細胞產生影響的因素幾乎都繞不開RANKL、RANK和OPG這3個受體、配體。

在臨床上，骨代謝平衡遭到破壞會導致一系列疾病。骨代謝包括骨形成和骨吸收，兩者只有維持一個動態平衡，骨組織才具備正常的形態和功能。而骨吸收與破骨細胞有著十分密切的關系，當破骨細胞被過度激活時，骨吸收的程度便會加劇，患者可能會出現關節局部骨破壞或全身性骨丟失[26]。強直性脊柱炎（AS）作為一種慢性炎癥性疾病，病程中患者關節受累嚴重，存在明顯的骨質丟失，患者血清中OPG和可溶性RANKL（sRANKL）表達升高，與體質指數和骨代謝生化指標（ALKP）呈負相關，sRANKL/OPG比率升高，與腰椎密度呈負相關，RANKL-RANK-OPG系統失衡，最終導致AS患者骨量減少和骨質疏松[27-28]。在預防和治療骨溶解疾病中，OPG、RANK—Fc和抗RANKL抗體等均是針對RANKL-RANK-OPG系統的理想靶點。同時，外源性的OPG、抗RANKL抗體、RANK—Fc及Fc—OPG融合蛋白等拮抗劑能夠有效地抑制RANKL對破骨細胞的作用。因此，研究炎癥條件下RANKL-RANK-OPG系統對破骨細胞的作用機制，不僅為闡明AS的發生機制奠定了基礎，而且為包括AS在內的炎癥性骨關節病的治療開辟了廣闊的前景。

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