炎癥因子在骨質疏松發病機理中的研究進展

李崇 羅曉婷 紀舒妤 謝天裕 李劍 林成森 李波香 黃能干 陽富春 劉云*

1.廣西醫科大學第一附屬醫院骨科，廣西 南寧 530021 2.廣西醫科大學第一附屬醫院藥學部，廣西 南寧 530021 3.廣西醫科大學第一附屬醫院全科醫學病區，廣西 南寧 530021

骨質疏松癥(osteoporosis, OP)是一種以骨密度(bone mineral density, BMD) 降低和骨量丟失、骨微結構破壞的全身代謝性骨病，以骨脆性增加、易發生骨折為主要特征[1-2]。隨著人口老齡化增加，全球約2億人口受此困擾，老年人的OP發病率、損傷率和致殘率逐年升高，嚴重影響患者生活質量，給家庭及社會造成巨大負擔[3]。

生理性的骨骼穩態由成骨細胞(osteoblast，OB)的骨形成和破骨細胞(osteoclast, OC)的骨吸收來維持相對穩定的平衡，而OB與OC作用失衡是OP發病關鍵。大量研究表明IL-1、TNF-α等炎癥因子對OB與OC的活性與功能有重要影響，在骨質疏松的發病中扮演重要角色[4]。本文根據炎癥因子對OP發揮作用機制不同分為促進、抑制、雙作用，并分別進行歸納總結。

1 炎癥因子概述

炎癥因子是由免疫細胞及組織細胞(如淋巴、單核/巨細胞等)分泌、具有調控作用的一類小分子可溶性分泌蛋白(8～30 kD)，通過自分泌、旁分泌或內分泌的方式實現細胞間信息交流來調節免疫和炎癥反應[5]。炎癥因子按來源主要分為兩種：白介素(interleukin，IL)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)；按功能可分為三類：①促進OP發生的炎癥因子，如IL-1、IL-17和TNF-α；②抑制OP發生的炎癥因子，如IL-10；③具有促進和抑制OP雙重作用的炎癥因子，如IL-6、IL-8。炎癥因子的釋放不僅會影響免疫細胞的產生活化，還可互相作用，在較低水平下仍具有生物學活性，從而能有序進行分工合作并協調功能，也易觸發信號級聯反應[6]。

1.1 促進OP發生的炎癥因子

大部分炎癥因子如IL-1、TNF-α等，主要是激活或抑制RANK/RANKL/OPG、Wnt等信號通路，進而引發促進OC分化或抑制骨髓間充質干細胞(MSCs)成骨分化等生物效應，使得骨吸收增加及骨形成減少導致骨量丟失。

1.1.1IL-1 ：IL-1主來源中性粒細胞、單核-巨噬細胞等，分為：IL-1α和IL-1β。絕經后OP患者IL-1水平升高且與BMD呈負相關[7]。IL-1α可上調巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)和前列腺素E2(PGE 2)的表達介導骨質疏松的發生[8]，此外，IL-1β、TNF-α、IL-6聯合作用可增強OC活性[9]。

在作用機制方面，IL-1通過激活NF-κB受體活化因子(RANK)/NF-κB受體活化因子配體(RANKL)/骨保護素(OPG)信號通路介導OC生成并抑制其凋亡，導致骨吸收增加，破壞骨吸收與骨形成之間的平衡，促進骨質疏松的發生發展[10-11]。IL-1α及IL-1β均可誘導OB表面的RANKL表達增加，OPG表達減少[12-13]，RANK與RANKL結合可促進OC的激活與分化并抑制成熟OC的凋亡，而OPG作為RANKL的競爭性抑制劑，其表達下降進一步導致骨吸收增加[14]。

此外，IL-1能通過調節Wnt通路促進OP進展，其上調Dickkopf-1(DKK-1)、硬化蛋白(Wnt蛋白拮抗劑)表達而抑制OB活性，導致骨形成減少[15]。

目前，IL-1在OP發病機制中的作用雖已有初步研究成果，但其深入的機制尚未完全清楚，如IL-1是通過干預何種信號通路來調節RANKL和其他信號分子的表達，研究其作用機制可為OP的診斷及相關干預藥物的研發提供新思路。

1.1.2IL-17：IL-17通常是指IL-17家族中的IL-17A，主要由T輔助細胞17(Th17)產生，是促炎細胞因子[16]。最近研究表明，絕經后OP患者血清IL-17水平顯著增加，且IL-17A與BMD呈負相關[17]，說明IL-17可導致骨質流失，從而參與OP的發生。

IL-17主要通過影響OC及OB分化促進OP發生發展。一方面IL-17可上調神經型N-粘鈣蛋白(N-cadherin)表達、抑制Wnt信號轉導從而抑制OB分化和骨形成[18]。IL-17還可激活IKK-NF-κB通路抑制MSCs的OB分化。此外，IL-17能上調hBM-MSCs中瘦素的表達，從而抑制JAK / STAT通路介導的脂肪形成進而抑制其成骨分化[19-20]，說明IL-17抑制MSCs向OB分化介導OP發生。

另一方面，IL-17直接刺激OC分化，其作用取決于OC前體的來源和亞型[21]。低水平的IL-17A通過RANKL-JNK1途徑促進OC前體的自噬活性[16]，從而促進OC分化和增強其活性。此外，IL-17作用于OB使PEG2分泌增加、OC分化因子表達增加而促進OC的分化成熟[22]，導致骨吸收增強及骨量流失。IL-17還能上調IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α等因子的表達，從而協同放大炎癥反應[23]，調節OC的NF-κB和RANKL的分泌。研究示抗IL-17治療可抑制促炎因子、促進抗炎因子的產生，其效果比較抗RANKL和抗TNF-α的效果好[24]。

由此可見，IL-17對OP的影響非常顯著，目前抗IL-17及抗IL-17抗體治療已有不少研究，其有望成為治療OP的高效藥物。

1.1.3TNF ：TNF是對腫瘤細胞具有細胞毒作用并能使腫瘤組織缺血壞死的細胞因子，由Carswell等[25]于1975年首次提出，根據來源及結構分為TNF-α和TNF-β。TNF-α是由巨噬細胞、T與B細胞等分泌形成的同三聚體，與TNF-RI(TNFRSF1A或p55)和TNF-RII(TNFRSF1B或p75)受體結合而發揮作用[26]。例如，TNF-α能直接與破骨前細胞上的TNFRI結合促進OC的骨吸收[27]。目前已有許多報道TNF-α可通過促進OC的骨吸收且抑制OB的骨形成作用而參與OP發生。

TNF-α能誘導TNF超家族的成員之一的RANKL分泌增加，而RANK和RANKL結合后募集TNF受體相關因子(TRAFs，多為TRAF6)，后者激活NF-kB、MAPK和AKT等信號通路，增強OC的活性及骨吸收作用[27-28]。Li 等[29]研究發現TNF-α可通過激活PI3K / Akt信號通路而促進RANKL誘導OC形成的協同作用。TNF-α還可激活JNK信號通路上調Semaphorin3D的表達，介導破骨前細胞增殖及OC的分化[30]。此外，有研究[31-32]發現TNF-α可誘導OC的let-7a的高表達，后者通過轉錄后抑制Fas/FasL信號通路的分子表達，從而抑制OC凋亡以促進OP的發生發展。

此外，TNF-α通過抑制MSCs的增殖和成骨分化來抑制骨形成，其不僅能抑制Wnt信號通路抑制MSCs的成骨分化，還能上調SOX5、泛素連接酶(SMURF1)的水平及下調Semaphorin3B介導的信號通路抑制MSCs的成骨分化[33-35]。Liao等[36]發現TNF-α激活 NF-κB信號通路后促進miR-705表達，降低MCSs中FoxO1蛋白的水平，FoxO1水平降低導致Ros水平升高，Ros的升高進一步激活TNF-α及NF-kB信號通路而形成正反饋通路，故當FoxO1水平降低后導致MCSs的抗氧化防御能力下降，使得MSCs的OB分化受抑制及OB數量減少而導致OP發生。

TNF-α的GG基因型也可造成絕經后OP患者骨密度下降[37]，TNF-α誘導的miR-204表達對MSCs成骨分化的抑制作用已有研究報道[38]，相反，miR-216a則具有促進作用[39]。TNF-α可通過誘導miR-23b表達而顯著降低了Runx2的水平，從而間接抑制了MSCs的成骨分化[40]。

綜上所述，TNF-α主要通過介導多種信號通路來發揮促OP作用，探尋其發病機制可為尋找特定的信號通路及治療靶點而阻斷TNF-α促進骨吸收和抑制骨形成的作用提供研究支持，然而有研究報道高鹽飲食可使小鼠TNF-α水平升高而致骨質流失[41]，因此是否可通過干預生活方式預防OP的發生也值得今后去探索。

1.2 抑制OP發生的炎癥因子

在OP發生過程中，亦有極少數炎癥因子發揮負調控作用，如IL-10，其通過調節NFATc1、OPG、RANKL等的表達而激活相應的信號通路，使OC產生減少、OB標志物表達減少等，延緩OP進程。

IL-10由單核巨噬細胞和Th細胞等合成分泌的、主要參與炎性與免疫反應的多效細胞因子，已被公認為炎癥和免疫的抑制因子，屬于少有的炎癥抑制性細胞因子[42]，OP患者IL-10表達水平較低，其可由OC分泌至周圍的細胞，并通過負反饋機制來抑制OC的分化[43]。

Claudino 等[44]發現在缺乏IL-10的情況下，牙槽骨的骨量丟失主要與OB和骨細胞標志物的表達減少、OB的增殖分化受抑制有關，而與微生物、炎癥或骨吸收途徑無關，IL-10敲除后骨量丟失增加、小梁結構改變、骨密度降低[45]。

在作用機制方面，IL-10直接作用于單核細胞前體，抑制NFATc1的表達和核易位，激活JAK2/STAT3通路，誘導PD-L1的表達，使Ca2+移動中斷從而抑制OC的分化[46]。此外，IL-10還可上調OPG的表達、下調RANKL和M-CSF的表達，再通過TRAF6進一步抑制(TRAF6是泛素連接酶，可作為開關激活信號通路)NFATc1的激活，進而抑制OC的激活[47]。IL-10也可通過抑制TGF-b信號而減少Runx2表達量來抑制OC的分化[48]。最后在方丹青等[49]發現當IL-10升高時，NF-kB蛋白的表達量會相應減少，而NF-kB信號通路能促進OC的分化，由此亦證實了IL-10對OC分化的抑制作用。總之，IL-10調節OC的機制可能與調節NFATc1、OPG、RANKL、TGF-b和NF-kB等基因表達量有關。

雖然IL-10抑制OC分化的具體信號通路、關鍵因子及相關作用機制仍不清楚，但在抑制OP發生發展中其重要作用，有望成為未來治療OP的新藥物。

1.3 對OP發生具有雙重作用的炎癥因子

有些炎癥因子具有促進和抑制OP發生的雙重作用，如IL-6、IL-8 等。兩者促進OP發生的主要機制同上述，但在抑制OP方面卻有所不同，它們在OP發生過程中發揮著總體促進的效應。

1.3.1IL-6 ：IL-6來源基質細胞、OB等[4]，屬于促炎細胞因子。OP的發生伴隨血清IL-6水平升高，抗IL-6受體抗體能抑制骨吸收并增強骨形成[50]。另外，IL-6的基因高表達增加了OP的風險，且IL-6基因還通過基因-基因的作用在OP疾病進展中發揮作用[51]。IL-6必須先與膜結合受體(mIL-6R)或可溶性受體(sIL-6R)結合形成復合物，再與IL-6 的信號傳遞鏈(glycoprotein 130，gp130)結合形成二聚體才能激活其誘導的信號通路[52]。然而，mIL-6R的作用范圍小，故IL-6的生物學效能主要通過sIL-6R實現，且IL-6僅通過與sIL-6R結合后的信號轉導起促進OC生成和骨形成的作用[53]。IL-6與sIL-6R結合后可與OB膜融合，激活JAK/STAT3，導致RANKL、IL-1、甲狀旁腺素相關蛋白(PTHrP)和PGE2水平升高[54]，PTHrP的升高會引起PTH的升高，而PTH、1,25-二羥維生素D3[1,25(OH)2D3]可促進IL-6、RANKL的產生[55]，且PGE2也可促進IL-6的產生，并抑制OB表達OPG。故形成了一個正反饋通路使得RANKL/OPG的比值增大，從而促進OC的增殖與分化，加速骨吸收。

圖1 炎癥因子IL-1、IL-6、IL-8、IL-10、IL-17、TNF-α六種炎癥因子在骨質疏松癥發病中的機制圖Fig.1 The mechanism of six inflammatory factors IL-1, IL-6, IL-8, IL-10, IL-17, and TNF-α in the pathogenesis of osteoporosis

此外，IL-6與sIL-6R結合還可激活SHP2/MEK/ERK 與SHP2/PI3K/PKB通路，從而抑制OB的骨形成并降低OB礦化作用[56]，加之IL-6和sIL-6R均可下調與OB相關基因的表達量，如堿性磷酸酶等[57]，導致骨形成減少。然而，在王信等[58]研究中，IL-6能直接抑制經RANKL誘導的單核巨噬細胞向破骨細胞分化，從而降低OC的骨吸收效應，表明IL-6能通過抑制NF-κB信號通路抑制OC的分化成熟和骨吸收效應。

總的來說，IL-6在骨質疏松的進程中表現出的綜合效應為促進骨吸收。在治療方面，若能通過對IL-6不同的基因位點進行基因型檢測以及阻斷其介導的多種信號通路的特定靶點，有可能達到預測OP發生的風險和早期預防診治OP的目的。

1.3.2IL-8 ：IL-8由巨噬細胞、上皮細胞等產生，可激活p38 MAPK / ERK-NF-κB通路介導炎癥反應[59]。IL-8表達水平隨著年齡的增加而增加，是老年人骨量丟失的重要原因，且在OP骨折患者的OB培養中也可以檢測到恒定的 IL-8 表達。其機制包括IL-8促進PTH的合成，從而抑制OB的骨形成作用，促進單核細胞分化為OC，增加骨質吸收[60]。此外，IL-8可以通過上調OC中基質金屬蛋白酶(MMP-9)的表達，后者的表達量可隨著IL-8的水平、作用時間的增加而增加，進而加快OC的分化速度及程度，最終加劇骨質的流失導致OP[61]。

在抑制OP方面，IL-8可通過抑制OC的骨吸收，也促進軟骨轉錄因子和標志物(如 Sox9和II型膠原)的表達、激活HIF-1a通路而促進骨生成來抑制OP進程[62-63]。

IL-8對骨質疏松的影響具有雙重效應，大多數學者認為其水平的升高，容易導致OP，主要機制是IL-8可升高PTH水平，并可上調OC中MMP-9表達。但也有學者認為IL-8可以刺激OC的運動而抑制骨吸收作用，并通過HIF-1α通路促進OB骨形成。

1.4 其他炎癥因子

Amcheslavsky等[64]研究表明，IL-12既可通過降低NFATc1水平直接抑制OC的形成，又可抑制RANKL誘導的OC分化；IL-23通過上調RANK表達促進OC的形成[65]，但對OB形成和RANKL的表達無影響[66]。有研究[66]表明，IL-23和IL-27可部分抑制RANKL誘導的BMMs分化形成OC，而不影響其增殖。此外，IL-27還可以促進OB的STAT3激活而誘導RANKL和OC生成。IL-35可激活JAK1/STAT1信號通路而抑制TNF-α和MAPK的表達，進而促進OC凋亡，起到延緩OP發生的作用。

2 總結與展望

本文初步介紹IL-1、IL-6、IL-8、IL-10 、IL-17、TNF-α等常見的重要炎癥因子，通過激活或抑制相關的信號通路、調節其他細胞因子的表達量、基因多態性等不同的方式參與OP的發生、發展過程，但具體機制尚未明確。目前大多數研究都是針對某一炎癥因子對OP發病機制中的某一環節進行的，且主要停留在動物模型或體外實驗的研究中，而各種炎癥因子共同導致OP發生的綜合性研究仍較少，尚不能更深層次從整體上揭示炎癥因子在OP發病機制中的作用，對臨床工作的指導有限，諸多問題亟待解決。本文通過梳理常見的重要炎癥因子在OP發病機制中的作用，進而從病理機制的角度重新認識OP與炎癥因子的關系，這有助于能否將炎癥因子作為臨床生物指標納入管理中，對于OP的早期預防、診斷、治療以及預后評估等具有重大意義，尤其為尋找有效抗OP方案提供理論基礎。