骨質疏松相關細胞因子的研究進展

梁 磊，海向軍

(西北民族大學少數民族體制與健康重點實驗室，甘肅 蘭州 730030)

骨質疏松癥是由多種原因引起骨吸收大于形成導致的骨量降低，表現為易發生骨骼疼痛和骨折，峰值骨量和多種不同因素導致的骨量流失與OP的發生密切相關。OP患者在骨量降低的初期往往無臨床表現，當出現骨骼疼痛、變形或骨折時才發現，延誤了防治骨質疏松的最佳時期。流行病學調查結果顯示，骨量的丟失已經成為影響中老年人生活質量的重要因素之一。目前，OP的發生機制仍不明確，新近研究認為，調控免疫應答的細胞因子可能參與到了OP中骨的代謝。為進一步梳理骨質疏松與細胞因子的關系，為骨質疏松的預防、治療提供參考，下面將近期研究熱點細胞因子與骨質疏松進行綜述。

1 白介素

因最早發現產生于白細胞而得名，除在免疫應答中發揮重要作用外，也參與機體的病理生理反應過程。近年來，白介素中一些如IL-6、IL-17等已經被證實參與了OP中骨量的丟失過程，各白介素家族成員對骨穩定的利弊，及機制如何，將對OP的預防和治療提供科學證據。

1.1 骨保護因子

成骨細胞是骨形成的主要細胞。研究發現，白介素3（IL-3）的成骨作用大于破骨作用。IL-3通過激活smad1/5/8復合物誘導骨髓間充質干細胞中的骨形成蛋白-2（BMP-2）信號傳導，BMP-2信號激ad1/5/8復合物，進而調控成骨細胞基因的轉錄，同時，IL-3可以通過JAK2/STAT3途徑增加成骨作用，使用JAK2抑制劑后，IL-3刺激成骨細胞分化作用明顯受到抑制；IL-3還可通過JAK2/STAT5途徑和下調金屬蛋白酶降低可溶性NF-κB配體的受體活化劑（RANKL）在外周血中的表達，抑制破骨細胞的分化成熟[1-2]。同樣，IL-33是新近發現的骨保護因子，同樣有成骨和破骨的雙重調節作用，影響機制仍不清楚，可能是通過抑制RANKL依賴型破骨細胞的形成，同時可引起抗破骨細胞因子的產生，抑制破骨細胞的分化，雖然發現IL-33可以促進一類破骨前體細胞分化成熟，但其他類型的此類細胞則無反應；對比研究中還發現，IL-33與甲狀旁腺素（PTH）和骨形成標記物成正相關，和骨吸收標記物呈負相關，表明IL-33是一種重要的骨保護因子[3]。

1.2 骨吸收因子

破骨細胞是骨吸收的主要功能細胞，與成骨細胞協同維持骨代謝穩定。單純IL-6誘導后形成的破骨細胞形態較小，在IL-6受體（sIL-6R）和低濃度RANKL參與下，其誘導破骨細胞前體分化的能力顯著提升，當RANKL濃度過高時，則表現出抑制作用。IL-6和sIL-6R結合后形成的復合物可激活JAK/STAT3信號通路，促進破骨細胞前體分化，使用JAK/STAT3信號阻斷劑后，分化過程明顯被抑制，證明IL-6通過JAK/STAT3信號通路和RANKL影響破骨細胞的分化[4-6]；IL-6的過多分泌對成骨具有抑制作用，其可以通過降低β-連環蛋白的活性來減少骨髓間質細胞向成骨細胞的分化，在小鼠動物模型中注射IL-6抗體有助于挽救骨質疏松[7]。方秀統等對因骨質疏松性椎體骨折入院的病人靜脈抽血對比研究后發現，骨密度在OP和健康組均表現出女性低于男性的特征；可溶性IL-6（sIL-6）在患病組隨骨密度降低而升高，證實IL-6跟骨密度呈負相關[8]。由輔助性T17細胞分泌的IL-17同樣參與了骨代謝的過程，IL-17可以直接作用于破骨細胞影響其分化，還可直接作用于成骨細胞，促進RANKL產生，通過RANKL-JNK1途徑調控破骨細胞前體的自噬和破骨細胞生成，造成骨量丟失和OP發生。在雌激素缺乏的情況下，IL-17可誘導多種細胞分泌IL-6，IL-6可促進Th17細胞的分化，引起外周血中IL-6水平的增加，形成鏈式效應，協同產生持續性破骨效應，加重OP程度，使用雌激素處理后，這種誘導能力被抑制，骨丟失情況好轉[9-12]。劉連勇等研究后發現，絕經后骨質疏松（PMOP）患者中IL-17、IL-6的表達均明顯高于健康人群，IL-17與骨密度呈負相關，同時，IL-6的高水平可誘導IL-17分泌，加重骨量流失，引起POMP發生[13]。

除上述因子外，IL-1、IL-2、IL-4等對骨代謝平衡的影響均已被證實，但因白介素成員功能復雜重疊，發生機制仍需深入研究。

2 腫瘤壞死因子-α

腫瘤壞死因子-α（TNF-α）是一類具有直接殺死腫瘤能力的生物因子，具有多項生物學功能，因其對正常細胞無毒而受到青睞。

TNF-α是重要的骨吸收因子，是PMOP發生的罪魁禍首。國外研究發現，絕經后女性TNF-α表達水平升高可在體外促進RANKL依賴性破骨細胞生成。破骨細胞的形成完全由RANKL通過激活核因子-κB介導，TNF-α通過PI3K/Akt通路促進破骨細胞前體的RANKL觸發NF-κB活化，抑制PI3K/Akt通路后，NF-κB活化明顯降低[14]；在成骨細胞方面，TNF-α對成骨髓間充質干細胞（BMSC）的成骨分化起負性調節作用，TNF-α可誘導miR-23b的過度表達，反過來抑制人BMSC中堿性磷酸酶的表達和鈣沉積的形成，其作用機制可能是miR-23b與runx2 3′UTR的結合嚴重損害了runx2的翻譯，而runx2轉錄因子是成骨細胞形成過程中必不可少的[15]；另外，TNF-α還可通過調節轉錄因子FoxO1引起骨質疏松癥，研究證實FoxO1的減少抑制BMMSCs分化，是BMSC成骨分化所必需的。TNF-α通過激活其下游的NF-jB途徑，促進miR-705的轉錄，并與FoxO1mRNA的3'UTR結合抑制FoxO1蛋白的積累，引起成骨細胞分化障礙，導致OP的發生[16]。除此之外，骨自噬作用的發生也受TNF-α誘導，該過程可保護成骨細胞凋亡，降低骨量流失[17-18]。國內研究發現，SEMAⅢ家族蛋白和其受體參與了TNF-α對骨代謝的調控，在RANKL誘導的破骨細胞生成的過程中，TNF-α可通過JNK信號途徑引起SEMA3D的高表達，抑制破骨細胞前體中SEMA3D可使破骨細胞的增值和分化得到有效緩解，同時TNF-α可通過 Wnt/β-catenin信號途徑調控 SEMA3B的表達，而SEMA3B的高表達可緩解TNF-α對成骨細胞分化的抑制[19]。國內一些動物PMOP模型體實驗證明了TNF-α抑制PMOP中成骨分化[20]。

3 生長因子

3.1 成纖維細胞生長因子

成纖維細胞生長因子 （FGF）與OP關系密切，Osterix是一種新發現的只在發育骨組織中表達的轉錄因子，研究發現，FGF具有強大的激活Osterix轉錄因子表達的作用，同時和Wnt/β-Catenin途徑在對Osterix的調控上形成疊加作用，促進體內成骨細胞的分化[21]。SK Murali等人研究發現，FGF23/Klotho軸在調節骨礦化的過程中發揮重要作用，骨橋蛋白（OPN）是一種具有促破骨細胞趨化作用的蛋白，FGF23可通過FGF-3受體起作用，抑制成骨細胞中堿性磷酸酶的轉錄和磷酸生成來間接調節骨橋蛋白的分泌，抑制FGF23活性后所致礦化缺陷由1,25（OH）2D3誘導的焦磷酸產生酶、焦磷酸轉運蛋白ANK和OPN上調和FGF23缺乏導致OPN的額外積累共同所致[22]。

3.2 胰島素樣生長因子

由IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ兩種，參與骨發育、修復、再生的調節。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ均可誘導骨形成蛋白-9(BMP9)的成骨作用，但因IGF-Ⅱ主要存在于胚胎干細胞中且在成人的高表達可能會造成組織增生，存在臨床風險；IGF-Ⅰ對包括肌肉、軟骨和骨骼在內的多種組織具有合成代謝作用，IGF-Ⅰ可通過激活經典通路BMP/Smad來增加BMP9誘導BMSC的成骨細胞數量，與BMP9結合時可顯著提升BMP/Smad通路的轉化活性，發揮成骨作用[23]；除此之外，IGF-Ⅰ可直接誘導BMSC向成骨細胞分化，也可與BMP7結合，發揮更為顯著的成骨作用[24]。國內一項對比研究發現，在OP組中IGF-Ⅰ表達濃度明顯下降，與骨密度呈正相關，證實了IGF-Ⅰ的骨保護因子作用[25]。這與孫健等人的研究結果一致，但具體機制仍需進一步研究[26]。

3.3 轉化生長因子-β

轉化生長因子-β (TGF-β)是一類多功能蛋白質，在骨質疏松中作用存在爭議。國內一項最近關于老年骨質疏松性骨折和健康人群的對比研究中發現，TGF-β1在病例組中的表達低于健康人，與骨轉化指標呈負相關，是影響OP性骨折的重要因素[27]；然而，在PMOP研究中卻發現，TGF-β1呈現明顯高于健康組的高表達狀態，發生機制可能是衰老造成的骨微環境中活性氧增加，降低成骨細胞分化，增加破骨細胞數量，進而釋放更多TGF-β1，MSCS衰老導致其分化和增殖能力下降，TGF-β1的不斷增高則會導致破骨細胞的募集和激活，當這種作用強于成骨時，TGF-β1不再表現出骨保護作用，引起PMOP發生[28]；而SabrinaEhnert等人在動物模型研究中發現，TGF-β1骨代謝過程中的調控存在時間和濃度的依賴性，在最初低濃度下，TGF-β1可顯著促進MSCS向成骨細胞的分化，隨著作用時間和作用濃度的增加，導致依賴的Smad2/3蛋白功能喪失，引起成骨作用降低，mRNA分析后發現，成骨作用變為破骨細胞的募集，RANKL分泌增加，骨保護素水平降低，引起OP[29]。

4 結語

細胞因子在人體各項生理活動中發揮重要作用，現代基因和細胞工程技術為發現更多的細胞因子和研究其結構與功能提供了技術條件。OP的發生是一個復雜的過程，其過程是多種因素下的共同結果，除上述已發現的參與骨代謝的細胞因子外，干擾素、集落刺激因子等都可能參與了OP的發生過程，在骨代謝平衡過程中發揮著重要作用。目前以IL-6、TNF-α為靶點的單抗已經藥物被允許用于風濕性關節炎（RA）合并OP的治療，新興靶點IL-17的單抗藥物也已經進入臨床試驗最后階段，不僅為OP的治療開辟了新道路，也對治療細胞因子相關的其他疾病提供了新的選擇。同其他藥物一樣，長期應用對人體有無副作用仍需值得警惕，這些可能會限制將細胞因子作為靶點的臨床藥物在疾病治療當中的應用。