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(jié)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(jié)骨重構方向（Choi et al.，2017）。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪因子與骨質疏松、肥胖、類風濕性關節(jié)炎等病癥密切相關（Opatrilova et al.，2018；Weber et al.，2017）。在骨免疫系統(tǒng)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(lián)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(chǎn)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(chǎn)生。這些脂肪因子的交叉作用可能是肥胖中導致炎癥狀態(tài)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(tǒng)對骨重構的調控

免疫系統(tǒng)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(tǒng)（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(tǒng)（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(lián)，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(chǎn)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(lián) （Caetanolopes et al.，2009）。Th17（T help type 17）細胞主要產(chǎn)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(chǎn)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(jié)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(shù)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(jīng)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(fā)現(xiàn)，在骨損傷發(fā)生時，巨噬細胞在骨微環(huán)境內通過分泌骨形態(tài)發(fā)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(tài)下對骨修復產(chǎn)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(tǒng)還通過Wnt信號通路，調控OB介導的骨形成。骨髓微環(huán)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(jīng)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(fā)現(xiàn)，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(jīng)典信號Frz5-CAMKII轉錄途徑誘導IL-6，IL-1β等促炎因子的產(chǎn)生，當肥胖發(fā)生時Wnt5a水平升高，提示W(wǎng)nt5a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(jīng)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(jīng)典Wnt信號通路通過Wnt5a與經(jīng)典Wnt信號通路協(xié)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(tǒng)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(tài)中發(fā)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(lián)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(tài)下促炎性脂肪因子水平升高，脂聯(lián)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(jié)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(tài)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(huán)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(lián)素是外周血中濃度最高的脂肪因子（Pal et al.，2018）。脂聯(lián)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(chǎn)生（Stolarczyk ，2017）。此外，脂聯(lián)素誘導單核/巨噬細胞、Treg細胞產(chǎn)生抗炎因子IL-4、IL-10及IL-1RA，抑制RANKL-RANK級聯(lián)（Wolf et al.，2004；Yokota et al.，2000）。最近發(fā)現(xiàn)，脂聯(lián)素可能具有促炎作用，促進RA等炎癥狀態(tài)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(jīng)典/非經(jīng)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(huán)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(tài)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(huán)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(lián)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(shù)（body mass index，BMI）、體脂百分比等肥胖評價指數(shù)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(chǎn)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(lián)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(xù)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(shù)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(jīng)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(lián)素水平高于控制組，提示長期有氧運動可以改善循環(huán)脂聯(lián)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(lián)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(xù)12周，運動干預后，大強度間歇運動組血清脂聯(lián)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(huán)脂聯(lián)素水平的最佳運動方式。Racil、Kondo與Wang的研究中，脂聯(lián)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(lián)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(lián)素及抵抗素水平未發(fā)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(xù)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(jié)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(lián)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(fā)現(xiàn)，在運動后即刻，受試者血漿脂聯(lián)素水平未發(fā)生顯著性變化，而在運動結束后30 min，血漿脂聯(lián)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(lián)素水平未發(fā)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(lián)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(chǎn)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(lián)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(lián)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(jié)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(fā)現(xiàn)，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(fā)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(lián)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(fā)展以及骨質疏松的發(fā)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(tài)的影響，以及運動調節(jié)機制尚不清楚，有待于進一步探索。