免疫衰老對骨代謝及骨源性激素分泌的影響研究進展

魯世金，孫長英

(1.廣西中醫(yī)藥大學附屬瑞康醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學中心，廣西 南寧 530011；2.長治醫(yī)學院附屬和平醫(yī)院骨科，山西 長治 046000)

隨年齡增長而發(fā)生的機體免疫系統(tǒng)(包括適應(yīng)性和先天免疫系統(tǒng))功能逐漸下降稱為免疫衰老。免疫衰老的標志包括幼稚CD4+和CD8+T細胞數(shù)量減少、T細胞亞群不平衡以及T細胞受體(T-cell receptors，TCR)譜系和信號傳導減少，B細胞生成及抗體產(chǎn)生減少，樹突狀細胞(dendritic cells，DC)、自然殺傷(natural killer，NK)細胞和衰老的單核細胞/巨噬細胞存在明顯的功能缺陷[1]，同時，炎性細胞因子產(chǎn)生增加[2]。炎性細胞因子或免疫細胞的活性可以通過多種復(fù)雜的方式影響骨代謝，反過來，骨代謝平衡失調(diào)又通過成骨細胞和(或)破骨細胞分泌的偶聯(lián)細胞因子或骨源性激素影響全身多種組織器官的功能改變，誘發(fā)多種衰老相關(guān)疾病如2型糖尿病、阿爾茨海默病、心血管疾病、肌肉減少癥、骨質(zhì)疏松癥和癌癥等[3]。本文就免疫衰老對骨代謝和骨源性激素分泌的影響進行綜述，以期為衰老相關(guān)疾病的防治提供新的思路和研究靶點。

1 免疫衰老與骨炎性微環(huán)境的關(guān)系

隨著年齡增長，機體免疫功能普遍下降導致免疫衰老，其特征之一是存在慢性低度炎癥水平，也稱炎性衰老。最常見的免疫衰老理論包括氧化還原應(yīng)激、線粒體功能障礙、糖化、免疫系統(tǒng)失調(diào)、激素變化、表觀遺傳修飾、細胞端粒損耗和功能障礙等[3]。在慢性炎癥的刺激下，相應(yīng)組織產(chǎn)生的促炎細胞因子水平升高，使免疫系統(tǒng)停滯在低水平激活狀態(tài)[4]，表現(xiàn)出炎性免疫微環(huán)境，對病原體或刺激的應(yīng)答能力降低，NK細胞的細胞毒活性降低，炎性細胞因子白細胞介素(interleukin，IL)-1、IL-6和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等產(chǎn)生增加[2]。研究證明，絕經(jīng)后婦女的幼稚T細胞數(shù)量減少和記憶T細胞水平增加，T細胞和B細胞數(shù)量減少。這說明免疫衰老與骨組織炎性微環(huán)境之間相互關(guān)聯(lián)，影響骨代謝和多種組織器官功能。

2 炎性細胞因子在骨代謝中的作用

IL-1、IL-6和TNF-α等炎性細胞因子在年齡和雌激素缺乏相關(guān)的骨丟失中都是重要的骨吸收免疫調(diào)節(jié)因子，同時，這些細胞因子也調(diào)節(jié)成骨細胞的分化和功能[5]。研究證明，雌激素通過調(diào)控IL-1、IL-6、巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor，M-CSF)、核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)和TNF-α等細胞因子維持免疫系統(tǒng)、成骨細胞和破骨細胞之間的復(fù)雜平衡[6]，從而影響骨生成與骨破壞之間的平衡。

TNF-α參與炎癥誘導的骨破壞[7]。TNF-α可通過上調(diào)成骨細胞中RANKL/骨保護素(osteoprotegerin，OPG)的比例，影響RANKL/NF-κB受體活化因子(receptor activator for nuclear factor-κB，RANK)/OPG信號傳遞，增加破骨細胞前體對RANKL的反應(yīng)性，促進破骨細胞生成和活化[8]。TNF-α在雌激素缺乏的情況下還可刺激并促進SOST基因表達[9]。硬化蛋白(Sost基因編碼的蛋白)通常通過與低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(low density lipoprotein receptor-related protein，LRP)5/6共受體相互作用來抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號傳遞[10]，從而抑制骨生成。

TNF-α和IL-6可通過多種機制促進磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)通路的活性，再通過異性蛋白1(specificity protein 1，SP1)影響靶基因活性。SP1沉默也抑制了SP1上游調(diào)節(jié)因子PI3K和Akt的磷酸化[11]，說明SP1與PI3K/Akt信號傳遞之間存在一個正反饋環(huán)路[12]。因此，一旦炎性衰老啟動了PI3K/Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號傳遞途徑，由SP1參與的正反饋環(huán)路就會進一步增強TNF-α等炎性因子對靶細胞線粒體-溶酶體系統(tǒng)的作用，導致細胞凋亡增加。另有研究證明，TNF-α處理的MC3T3-E1細胞中活性氧(reactive oxygen species，ROS)誘導的氧化損傷是通過上調(diào)動力蛋白樣肽1引起線粒體分裂增加、線粒體功能紊亂和成骨活性降低等[13]。可見，PI3K/Akt/SP1正反饋環(huán)路放大信號傳遞是炎性細胞因子調(diào)控骨代謝的重要信號通路之一。

IL-6家族包括至少3個成員，即IL-6、IL-11和IL-23。IL-6通過影響細胞外信號調(diào)節(jié)激酶的激酶2(extracellular signal regulated kinase kinase，MEK2)和Akt2表達而減少成骨細胞在體內(nèi)和體外的分化[14]。另外，IL-6通過非依賴RANKL的機制刺激破骨細胞生成[15]；IL-6還可以與骨祖細胞結(jié)合促進破骨細胞生成，且當IL-6過度表達時可導致過度的破骨細胞活性和骨質(zhì)溶解，影響相關(guān)疾病的病理進程，包括類風濕性關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥和骨轉(zhuǎn)移性癌癥[14]。

總之，在免疫衰老過程中，破骨細胞活性增強，而成骨細胞生成及其活性發(fā)生缺陷。這種缺陷包括骨髓中基質(zhì)前體數(shù)量減少、成骨細胞生成減少、成骨細胞壽命縮短、脂肪生成增加、成骨細胞/骨細胞凋亡增加和激素改變[2]。因此，老年或絕經(jīng)后婦女發(fā)生免疫衰老，形成骨代謝炎性微環(huán)境，導致骨重建減弱，骨吸收增加，在骨質(zhì)疏松等退行性病變的發(fā)生過程中起著重要作用。

3 淋巴細胞活性與骨代謝的關(guān)系

衰老與免疫功能障礙有關(guān)，特別是T細胞缺陷，導致對各種疾病的易感性增加[1]。在骨代謝過程中，破骨細胞的分化和功能受T細胞、B細胞、骨髓基質(zhì)干細胞及局部骨微環(huán)境中的其他破骨細胞調(diào)節(jié)。這些類型的細胞均可產(chǎn)生細胞因子、趨化因子和激素，刺激或抑制破骨細胞形成和骨吸收活性[16]。因此，淋巴細胞活性與骨代謝有密切聯(lián)系。

T細胞是適應(yīng)性免疫的關(guān)鍵組成部分，在全身免疫系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用[17]。免疫衰老過程中，T細胞復(fù)制衰老的特征在于免疫功能失調(diào)、CD28共刺激分子缺失、端粒縮短和炎性細胞因子產(chǎn)生增加。CD28表達降低從根本上改變正常T細胞的功能、存活和增殖[18]，T細胞上共刺激分子CD28的丟失可能與慢性炎癥和正常衰老過程有關(guān)[19]。細胞毒性CD8+T細胞、CD4+T輔助細胞進一步分化為Th1、Th2、Th17和調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cell,Treg)，其中Th17細胞是誘導破骨細胞分化最多的T細胞，其特征在于細胞因子高表達，包括IL-17A、IL-17F、IL-22、IL-26和IFN-γ[20]。這些細胞可在成骨細胞和基質(zhì)細胞中誘導M-CSF和RANKL表達[21-22]，產(chǎn)生RANKL和TNF-α，同時在破骨細胞前體中增加RANK表達[23]。所以，T細胞復(fù)制衰老是有效的破骨細胞生成誘導劑，這也部分解釋了衰老過程中破骨細胞活性增高的機制。

T細胞和B細胞在骨代謝中有重要作用[17]。成骨細胞和B細胞均可產(chǎn)生OPG，調(diào)節(jié)成骨細胞的生成；而且，T細胞和B細胞還產(chǎn)生RANKL，調(diào)節(jié)破骨細胞生成[6，24]。研究證實，RANKL可以控制骨再生和重塑，這種作用是通過破骨細胞誘導Treg細胞介導的[25]。最新研究表明，在絕經(jīng)后骨質(zhì)丟失過程中，T細胞分泌的細胞因子如TNF-α、IL-1明顯增加，CD4+CD25+CD127-Treg細胞水平升高[26]。隨年齡增長，Treg細胞的抑制活性逐漸下降，可能與年齡相關(guān)的胸腺萎縮或衰老的周圍環(huán)境有關(guān)。

絕經(jīng)后婦女或經(jīng)前選擇性卵巢切除的婦女B細胞和T細胞產(chǎn)生RANKL增加[27]，T細胞產(chǎn)生TNF-α和RANKL的量顯著增加[28]。絕經(jīng)后婦女體內(nèi)細胞毒性CD8+T細胞數(shù)量與可育婦女相比顯著減少[2]，CD3+CD40L+和CD3+CD28+T細胞水平降低[2]。CD40L-CD40相互作用對于T細胞效應(yīng)子功能和B細胞的最佳抗體反應(yīng)很重要，并參與骨代謝[29]。T細胞可通過細胞表面受體如CD40L調(diào)節(jié)成骨細胞[30]。B細胞產(chǎn)生OPG和T細胞調(diào)節(jié)骨細胞分化的共同作用維持峰值骨量。雌激素缺乏引起表達CD40L的T細胞數(shù)量增多，促進基質(zhì)細胞表達M-CSF和RANKL，并抑制OPG的產(chǎn)生[30]。因此，由CD40L介導的T細胞和基質(zhì)細胞之間相互作用在成骨細胞生成和破骨細胞生成的平衡失調(diào)中起著關(guān)鍵作用。

總之，老年或絕經(jīng)后婦女發(fā)生免疫衰老，T、B細胞功能發(fā)生改變，通過釋放細胞因子調(diào)控相關(guān)信號通路，影響破骨細胞和成骨細胞的分化與增殖，這是原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的重要機制之一。

4 DC細胞活性與骨代謝的關(guān)系

骨質(zhì)疏松癥與漿細胞樣DC百分比降低和天然Treg細胞升高有關(guān)[2]。RANKL/RANK相互作用也調(diào)節(jié)T細胞-DC間的信號傳導，DC還可以通過M-CSF誘導破骨細胞生成[31]。研究證實，絕經(jīng)后婦女的激素變化可能影響免疫細胞如漿細胞樣DC的功能。雌激素可能調(diào)節(jié)Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)通路的關(guān)鍵信號分子，或涉及其細胞內(nèi)運輸及蛋白水解。骨質(zhì)疏松女性和骨量減少女性CD3+CD28+淋巴細胞的漿細胞樣DC水平較低[2]。可見，DC細胞的數(shù)量和活性改變可能影響骨代謝，但其具體機制尚待進一步研究。

5 NK細胞活性與骨代謝的關(guān)系

NK細胞和自然殺傷T(natural killer T，NKT)細胞在調(diào)節(jié)先天性和適應(yīng)性免疫應(yīng)答中起重要作用，其細胞毒性可有效殺死受感染細胞或腫瘤細胞。研究證明，NK和NKT細胞數(shù)量和活性的改變與年齡有關(guān)[2]。與其他淋巴細胞一樣，NK細胞在骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)中起作用[17]，NK細胞通過產(chǎn)生RANKL來增強破骨細胞的形成，影響骨吸收[32]。然而，目前對NK、NKT細胞在骨代謝中的作用尚不清楚。

6 中性粒細胞活性與骨代謝的關(guān)系

研究證明，中性粒細胞在骨代謝中起作用，特別是在炎癥引起的骨丟失中發(fā)揮重要作用[33]。中性粒細胞通常是第1個遷移到損傷部位的細胞類型[34]，其可以分泌許多趨化因子、細胞因子和小分子作為免疫調(diào)節(jié)因子，例如：通過分泌CC趨化因子配體(CC chemokine ligand，CCL)-2和CCL20募集Th17細胞[33]，導致骨質(zhì)流失；另外，活化的中性粒細胞在炎癥部位表達RANKL，參與破骨細胞生成，從而增加類風濕性關(guān)節(jié)炎相關(guān)性骨溶解[34]。可見，中性粒細胞主要在炎性骨丟失中發(fā)揮重要作用，但在免疫衰老引起的慢性炎性微環(huán)境中的作用機制尚不清楚。

7 線粒體-溶酶體系統(tǒng)與骨代謝的關(guān)系

線粒體是具有可變形狀的雙膜細胞器，維持分裂和融合之間的超微結(jié)構(gòu)動態(tài)平衡，其功能受代謝條件、發(fā)育階段和環(huán)境刺激的影響[35]。線粒體能量代謝的減少可能與各種衰老表型相關(guān)，包括骨質(zhì)疏松癥[36]。另外，一些調(diào)控線粒體-溶酶體系統(tǒng)的因子也在骨代謝中發(fā)揮重要作用，如轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB，TFEB)不僅調(diào)控溶酶體活性，也調(diào)節(jié)成骨細胞分化。通過使用小干擾RNA(small interfering RNA,siRNA)的基因敲低實驗，與對照細胞相比，TFEB敲低導致成骨細胞分化顯著降低。相反，與對照細胞相比，TFEB過表達導致顯著增強的成骨細胞生成。通過分析下游效應(yīng)分子，發(fā)現(xiàn)TFEB基因敲低引起活化轉(zhuǎn)錄因子4(transcription factor 4，ATF4)和CCAAT /增強子結(jié)合蛋白同源蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein，CHOP)顯著上調(diào)，這二者均是成骨細胞生成的必需因素。相反，TFEB過表達通過降低ATF4和CHOP表達而促進成骨細胞分化。提示，TFEB調(diào)節(jié)成骨細胞分化與ATF4/CHOP依賴性信號傳遞有密切關(guān)系[37]。由此可知，調(diào)控線粒體-溶酶體系統(tǒng)功能的基因不僅具有調(diào)節(jié)細胞能量的作用，還通過相關(guān)信號傳遞調(diào)控骨代謝，但其具體機制尚有待進一步研究。

8 偶聯(lián)細胞因子與骨代謝的關(guān)系

在骨重建過程中，以時間和空間協(xié)同的方式將骨吸收與骨形成聯(lián)系起來的過程稱為偶聯(lián)。研究表明，一些破骨細胞來源的偶聯(lián)細胞因子可以調(diào)節(jié)成骨細胞的增殖和分化，也可以通過調(diào)節(jié)造血干細胞龕的微環(huán)境，反饋調(diào)節(jié)破骨細胞的活性[38]。KIM等[39]研究證明，破骨細胞來源的偶聯(lián)細胞因子Slit軸突導向因子配體3(slit guidance ligand 3,SLIT3)不僅通過激活β-catenin來刺激成骨細胞遷移和增殖，還通過自分泌方式抑制破骨細胞分化而抑制骨吸收，可見，SLIT3通過同步刺激骨形成和抑制骨吸收而發(fā)揮骨保護作用。研究表明，破骨細胞不僅是骨吸收細胞，還可以分泌細胞因子影響其他細胞活性[40]，包括調(diào)節(jié)成骨細胞功能[41]。因此，偶聯(lián)細胞因子的變化可以通過影響成骨細胞和破骨細胞活性而調(diào)節(jié)骨代謝，這是近年研究骨代謝的熱點之一。

9 免疫衰老對骨源性激素分泌的影響

骨骼是一種動態(tài)的結(jié)締組織，對運動系統(tǒng)、鈣穩(wěn)態(tài)和造血功能非常重要，然而，骨骼的作用不僅是結(jié)構(gòu)性骨架，也是一個內(nèi)分泌器官，其調(diào)節(jié)多種代謝過程。由成骨細胞分泌的激素包括骨鈣素(osteocalcin，OCN)、成纖維細胞生長因子23(fibroblast growth factor 23，F(xiàn)GF23)和脂質(zhì)運載蛋白2(lipocalin 2，LCN2)等[42]。至少有2種骨源性激素可以調(diào)控糖和能量代謝，包括 OCN和LCN2。OCN可以刺激胰腺β-細胞分泌胰島素，這有利于在運動過程中刺激肌肉利用葡萄糖和脂肪酸的代謝提供能量。另外，OCN還可以調(diào)節(jié)男性性腺內(nèi)分泌活動[43]。LCN2也可以誘導胰島素分泌，改善機體的葡萄糖耐量和胰島素敏感性，維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)[44]；LCN2還可以通過激活大腦中抑制食欲的信號來影響能量代謝，LCN2這種功能的機制之一是其與下丘腦室旁核和下丘腦腹內(nèi)側(cè)神經(jīng)元中的黑皮質(zhì)素4受體(melanocortin 4 receptor，MC4R)結(jié)合，激活MC4R依賴性抑制食欲的信號傳遞[45-46]。因此，骨骼不僅具有結(jié)構(gòu)性骨架的功能，還是重要的內(nèi)分泌器官，可以通過分泌骨源性激素來調(diào)控能量代謝和男性生殖功能。

FGF-23是成骨細胞和骨細胞分泌的另一種骨源性激素，其激活腎小管中的成纖維細胞生長因子受體(fibroblast growth factor receptor，F(xiàn)GFR)/α-Klotho復(fù)合物，調(diào)節(jié)磷酸鹽的重吸收、1，25-二羥基維生素D的產(chǎn)生和分解代謝以及抗衰老激素α-Klotho的表達[47]。此外，還發(fā)現(xiàn)硬化蛋白、IL-11和LCN2是骨衍生的體液因子[48]。

衰老抑制因子α-Klotho與FGFR結(jié)合，增強FGFR與FGF23結(jié)合，發(fā)揮調(diào)節(jié)礦物質(zhì)離子和維生素D穩(wěn)態(tài)的作用。這種輔助受體的作用和機制尚不清楚。CHEN等[49]提出了1：1：1三元復(fù)合物的原子結(jié)構(gòu)，其由α-Klotho的脫落細胞外結(jié)構(gòu)域、FGFR1c配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域和FGF23組成。在該復(fù)合物中，α-Klotho通過其D3結(jié)構(gòu)域連接FGFR1c，通過其C端尾部連接FGF23，從而實現(xiàn)FGF23-FGFR1c穩(wěn)定結(jié)合而發(fā)揮FGF23的生理功能。由此可知，骨骼通過分泌骨源性激素而調(diào)節(jié)鈣、磷等礦物質(zhì)代謝和維生素D的活性，反過來調(diào)節(jié)骨代謝。

可見，隨著年齡增長，免疫衰老影響骨代謝的同時，間接影響了骨源性激素的分泌，引起全身多器官系統(tǒng)代謝的紊亂，這一復(fù)雜的調(diào)控機制將是研究衰老與骨代謝相互關(guān)系的熱點。

10 結(jié)語

骨不僅具有動態(tài)的結(jié)構(gòu)性骨架的作用，而且是機體最大的內(nèi)分泌器官。骨代謝是一個非常復(fù)雜的過程，與鈣穩(wěn)態(tài)、能量代謝、造血功能和生殖功能等多種生理功能有密切聯(lián)系。骨組織通過分泌骨源性激素而調(diào)控胰腺、肌肉、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)等多種組織和器官的功能。因此，免疫衰老不僅影響骨代謝，也影響全身多組織器官的功能，與人體組織器官的衰老密不可分。隨著對骨免疫衰老機制研究的進展，有望揭開免疫衰老與人體全身多器官衰老的關(guān)系，為多種衰老相關(guān)疾病提供新的理論基礎(chǔ)和治療靶點。