主要組織相容性復合物Ⅱ類分子與絕經后骨質疏松癥的相關性

張楨 陳昊 王雪鵬 朱六龍

浙江大學醫學院附屬杭州市第一人民醫院骨科,浙江 杭州 310006

1 絕經后骨質疏松與MHC-Ⅱ的概念

絕經后骨質疏松癥(postmenopausal osteoporosis,PMOP)是一種主要由雌激素降低引起的骨骼疾病,影響全球數千萬女性,該病的主要特征為骨強度和骨密度的降低[1]。相較于同齡男性,女性在絕經歲后往往更容易因骨質疏松導致骨折[2]。既往研究往往聚焦于雌激素降低引起的成骨細胞或破骨細胞的相互作用和活躍程度變化、骨髓間充質干細胞的成骨與成脂分化失衡,然而骨免疫失衡這一概念逐漸被提起。骨免疫失衡主要是指免疫系統和骨骼系統之間的復雜串擾變化誘發的骨穩態失衡。骨穩態指成骨細胞主導的骨形成和破骨細胞主導的骨吸收之間的平衡,骨穩態的失衡往往會導致骨量的改變,從而誘發骨質疏松癥[3]。

主要的組織相容性復合體Ⅱ類分子(major histocompatibility complex class Ⅱ molecules,MHC-Ⅱ)由α鏈和β鏈組成,它們均含有有外顯區,其中α1和β1結構域具有參與抗原結合的功能。MHC-Ⅱ類分子主要在單核巨噬細胞、樹突狀細胞等抗原呈遞細胞上表達,可以發揮一種類似“告示牌”的作用并通過蛋白質遞呈途徑參與由T和B淋巴細胞介導的適應性免疫反應,從而發揮關鍵作用[4-5]。值得一提的是,MHC-Ⅱ在破骨細胞前體中高表達,而MHC-Ⅱ類反式激活劑(MHC class Ⅱ trans activators,CIITA)過表達小鼠模型可誘導嚴重的自發性骨質疏松癥[6]。因此,進一步探索MHC-Ⅱ在絕經后骨質疏松癥調節骨穩態的潛在機理可能有助于絕經后骨質疏松癥靶向藥物的開發。

2 MHC-Ⅱ介導T和B淋巴細胞的活化作用

由MHC-Ⅱ介導的T細胞相關的適應性免疫反應和炎癥是一個復雜的病理過程。在抗原提呈細胞吞噬例如細菌、蛋白質等細胞外蛋白后,這些蛋白可被吞噬體包裹在細胞中。之后細胞內溶酶體將與吞噬體結合形成吞噬溶酶體,將蛋白質水解成短肽。MHC-Ⅱ分子可以監測巨噬細胞中不同蛋白的水解機制,并與經消化水解后的短肽結合,以MHC-抗原復合物形式轉載至抗原提呈細胞表面,從而參與識別和結合初始T細胞和T細胞記憶細胞[7]。T細胞上的抗原特異性T細胞受體與抗原提呈細胞上的抗原肽MHC-Ⅱ的相互作用是T細胞活化的必要階段[8]。當MHC-抗原復合物與T細胞受體結合后,可以通過鈣離子信號、磷脂酰肌醇信號和酪氨酸激酶信號等觸發一系列信號傳遞,從而激活T細胞,并誘導其分化為輔助性T細胞 (T helper 1,Th1)、Th2、Th17等不同亞型[9]。Th細胞又稱CD4+T細胞,是組成性表達T細胞受體(constitutive expression of T cell receptors,TCR)以及CD4分子的T細胞,其可在B細胞的活化過程中發揮雙重作用。Th細胞首先可通過在表面表達CD40 L,與B細胞表面的CD40結合促進B細胞活化[10]。此外,Th細胞產生一些細胞因子,如白細胞介素-2(interleukin-2,IL-2)、IL-6等可進一步促進B細胞活化。活化的T和B淋巴細胞可產生干擾素-γ(IFN-γ)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-17A(IL-17A)和核因子-κB(NF-κB)配體(RANKL)的受體激活劑等免疫分子[11]。這些炎癥因子可通過調節破骨細胞在絕經后骨質疏松癥骨重建過程中發揮了重要作用。由此可見,MHC-Ⅱ分子遞呈途徑在T細胞和B細胞激活過程以及隨后的骨重建調節過程的多個階段發揮著起始作用。

3 效應T淋巴細胞和B細胞調控炎癥因子介導的骨重建

骨重建是一個復雜的過程,主要包括由破骨細胞主導的破骨作用(用于清除受損的骨組織)和成骨細胞主導成骨作用(用于骨形成)[12]。眾所周知,經MHC-Ⅱ的活化后T淋巴細胞和B淋巴細胞往往可以通過分泌各種炎癥因子發揮調節體內免疫系統的作用,包括RANKL、TNF-α、IL-17A和IL-17F以及IFN-γ。以上炎癥因子則具有調節破骨細胞和成骨細胞的作用,從而發揮調控骨代謝和骨重建的功能。

RANKL已被確定為炎癥性骨質流失的關鍵介質和骨免疫學的關鍵分子之一。活化的T細胞可以直接產生RANKL,RANKL可進一步結合單核細胞上的RANK,并通過細胞內NF-κB信號傳導和激活蛋白(AP)-1轉錄因子家族誘導破骨細胞形成[13]。此外,激活的RANK可促進腫瘤壞死因子受體相關因子(tumor necrosis factor receptor-related factors,TRAFs)的表達,從而導致破骨細胞分化[14]。TNF-α在骨代謝中也發揮著重要作用,其可通過直接作用于破骨細胞前體,以及間接調控間質細胞產生M-CSF和RANKL來影響破骨細胞的形成[15]。既往研究表明TNF-α還可以通過激活NF-κB和PI3K/Akt信號通路促進RANKL誘導的破骨細胞形成并且可誘導成骨細胞自噬和凋亡,從而破壞骨穩態[16]。IL-17A 是一種主要由Th17細胞分泌的一種免疫細胞因子,參與骨重塑的調節和骨質的破壞。TH17細胞可通過產生IL-17F促進RANKL等破骨分子的作用,對破骨細胞的分化產生間接刺激作用[17]。IFN-γ也稱為免疫干擾素,在宿主防御中具有重要作用,對破骨細胞的調節作用具有兩面性。其可基于對RANKL信號的干擾,產生抑制破骨細胞分化的效果[18]。IFN-γ還可以刺激破骨細胞產生超氧化物,導致破骨細胞凋亡增強。然而,富含IFN-γ的微環境有利于促進成熟的單核細胞/巨噬細胞融合分化為破骨細胞[19]。

4 雌激素調控MHC-Ⅱ介導的T淋巴細胞活化

雌二醇被證明具有抑制抗原呈遞和共刺激分子表達的作用,并且卵巢切除導致的雌激素缺乏可誘導MHC-Ⅱ的異常表達以及抗原呈遞增強[20-21]。經免疫熒光染色證明,在OVX小鼠的上皮導管細胞中,MHC-Ⅱ陽性細胞率比對照組增長了近50%。另一項研究表明,17β-雌二醇可以降低小膠質細胞標志物MHC-Ⅱ的表達水平,并實現促進髓鞘再生的作用[22]。樹突狀細胞(dendritic cell,DC)是骨髓中一種MHC-Ⅱ類分子高表達的抗原呈遞細胞,被認為是誘發骨質疏松的潛在因素。大豆黃素因其結構與17β-雌二醇相似,也具有雌激素類似作用。實驗證明其具有抑制樹突狀細胞的功能成熟以及抑制樹突狀細胞對T細胞的同種異體刺激能力的作用[23]。低水平的雌激素可導致樹突狀細胞擁有更長的存活時間,這將進一步增加其在抗原呈遞途徑過程中發揮的作用[24]。因此,雌激素可能具有通過調控MHC-Ⅱ介導抗原呈遞途徑從而發揮調節骨質疏松的作用。

絕經后婦女伴隨著雌激素的降低,可引起骨微環境發生炎癥性改變,從而加速骨質的流失以及增加發生骨質疏松癥的風險。在此過程中,雌激素的缺乏可導致CD4+T細胞失調,從而誘導微環境內炎癥細胞因子循環水平升高,其中RANKL、IFN-γ、IL-17、TNFα和CD40 L增加尤為明顯[25-26]。此外,雌激素缺乏可增加活化T細胞上表達的共刺激因子CD40 L數量,誘導基質細胞上M-CSF和RANKL過表達,下調骨保護素(OPG)的產生,最終導致破骨細胞數量顯著增加[27-28]。雌激素缺乏刺激還可誘導Th17細胞分化,增加促破骨細胞因子,如TNF-a、IL-6和RANKL的表達水平,最終導致骨質流失[29]。口服補充雌激素可逆轉促破骨細胞因子的變化,并發揮抑制Th17分化和IL-17產生的作用,從而保護骨骼健康[30]。T細胞缺陷可使患有卵巢切除術(ovariectomy,OVX)的小鼠中骨質流失減少的癥狀得到明顯改善[31]。以上結果表明雌激素可能具有通過調控T淋巴細胞功能,從而具有調節絕經后骨質疏松癥的作用?？傊?在絕經后的婦女中,雌激素缺乏可以通過調控MHC-Ⅱ介導抗原呈遞途徑誘導T淋巴細胞功能失調,從而導致T細胞衍生的炎癥因子分泌紊亂,最終通過促進骨吸收等方式導致骨質流失和骨質疏松癥。

5 MHC-Ⅱ與絕經后骨質疏松

靶向調控MHC-Ⅱ類分子被證明具有調節破骨細胞的活性的作用,并與骨質疏松的發生發展密切相關。MHC-Ⅱ類轉激活因子(MHC class Ⅱ transactivator,CIITA)是一種專門用于抗原呈遞的主要轉錄共激活因子,是MHC-Ⅱ的主要調節因子。MHC-Ⅱ和CIITA 在破骨細胞前體中表達,并在骨質疏松小鼠中的表達水平明顯增強[6]。CIITA過表達小鼠模型可通過促進破骨細胞數量增加和體內骨吸收作用增強誘導嚴重的自發性骨質疏松癥。顯微CT掃描結果表明,在24周齡時,CIITA過表達小鼠的脛骨骨小梁數量和骨體積分數相較于野生型小鼠減少了約2/3。此外,在OVX小鼠中,IFN-γ水平升高,而其對CIITA的調節具有決定性作用[32]。CIITA的激活可進一步誘導MHC-Ⅱ分子的表達,并促進了活化的T細胞增殖[33]。另一方面,跨膜蛋白173(Tmem173)作為一種MHC-Ⅱ抑制劑,對破骨細胞特異性基因的表達以及細胞分化產生明顯的抑制作用[34]。眾所周知,抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)是破骨細胞中重要的組織化學標志酶,并且在破骨細胞骨吸收中起重要作用。對經RANKL誘導RAW 264.7細胞同時進行Tmem173過表達處理,轉染的細胞中TRAP活性相較于對照載體轉染細胞相比下調達60.4%,而在骨片上產生的吸收坑面積下降了超過70%。作為一種MHC-Ⅱ類分子高表達的抗原呈遞細胞,樹突狀細胞被發現在T淋巴細胞轉化為效應T細胞的過程中發揮調節作用,并促進例如TNF-a和IL-17等炎癥因子的產生[24]。當此調節過程被限制后,小鼠體內骨質流失將得到明顯改善[35]。以上結果表明MHC-Ⅱ類分子可能在絕經后骨質疏松發揮一定作用。盡管MHC-Ⅱ分子與破骨細胞和骨質疏松的直接聯系的實驗性研究尚未進行,但有研究通過生物信息學進行了初步的探索[36]。其表明MHC-Ⅱ分子在絕經后骨質疏松富集,并推測可能具有通過直接調節T細胞分泌炎性細胞因子產生調控骨穩態的功能。

然而,有研究表明MHC-Ⅱ的缺失卻會對小鼠外周骨骼的發育產生不利影響。與野生型小鼠相比,MHC-Ⅱ敲除小鼠在多個年齡階段中,其股骨力學、幾何和成分測量值等指標明顯降低,包括了股骨剛度、3-pt彎曲峰值力和礦物質質量[37]。在小鼠16周齡時,MHC-Ⅱ敲除小鼠的這3項指標分別僅僅為野生型小鼠的80%、66%和61%,并且伴隨著體重的降低。盡管其中的潛在機制并未進一步探索,但可能與MHC-Ⅱ在機體內廣泛的作用機制有關。因此,MHC-Ⅱ與破骨細胞和骨質疏松的內在聯系和潛在機制需要進一步探索。

6 結論

本文聚焦于MHC-Ⅱ分子在絕經后骨質疏松的潛在聯系進行綜述。雌激素缺乏可促進MHC-Ⅱ分子蛋白遞呈途徑,進而加劇T淋巴細胞和B淋巴細胞分泌炎癥因子,最終導致骨穩態失衡(圖1)。盡管本文為揭示絕經后骨質疏松發生的病理機制提供了潛在的治療的方向。然而,MHC-Ⅱ分子蛋白遞呈途徑在絕經后骨質疏松的具體作用機制仍需進一步探索。

圖1 雌激素缺乏靶向MHC-Ⅱ分子調控的骨質疏松癥Fig.1 Estrogen deficiency targets major histocompatibility complex Class II molecular-mediated osteoporosis