單核細胞趨化蛋白-1的形成及其在骨重建中的作用

譚榮雄，蔡杰欽，李健，蔣華生，譚奇超，彭鑫，彭中華綜述 魏波，吳強審校

1.廣東醫科大學，廣東 湛江 524000；2.粵北人民醫院，廣東 韶關 512000

趨化因子屬于趨化細胞因子家族，根據趨化因子的一級結構可分為四個亞家族：CXC、CC、C和CX3C[1-2]，趨化因子網絡在發育、動態平衡、免疫監測、炎癥、抗感染、組織修復以及先天免疫和獲得性免疫等方面起著重要作用；包括遲發型超敏反應、動脈粥樣硬化、肺纖維化、細菌感染、關節炎和腎臟疾病動脈粥樣硬化、癌癥和急性髓性白血病在內，各種臨床疾病的病理發展都有趨化因子的參與[3-5]。單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1，又稱CCL2)是調節單核/巨噬細胞遷移的重要趨化因子，它能募集單核細胞、記憶T細胞、樹突狀細胞至損傷和感染的組織，這些細胞對末梢循環和組織中的抗病毒免疫應答起著非常重要的作用[6-8]。同時，MCP-1也可表達于軟骨細胞、成骨細胞、破骨細胞和滑膜細胞，在骨代謝和OA中發揮作用[9-10]。GRAVES等[11]和VAN DAMME等[12]首次證明MCP-1可以在體外由成骨細胞表達。MCP-1與CC趨化因子受體2(CCR2)結合，CCR2由OCS表達，缺乏CCR2會導致更高的骨量，這強烈表明MCP-1在骨代謝中發揮作用[13]。在上述研究中不難發現，MCP-1作為一種炎癥趨化因子不僅可由成骨/破骨細胞產生，同時對骨代謝活動起著至關重要的調節作用，這種調節作用將作為本文綜述的重點。

1 單核細胞趨化蛋白1(MCP-1)與趨化因子受體2(CCR2)

1.1 單核細胞趨化蛋白1(MCP-1)趨化因子最早于1977年隨著分泌的血小板因子4(PF4/CXCL4)的純化而被鑒定。自那時起，隨著對趨化因子研究的逐漸深入，越來越多的趨化因子配體、受體被發現，它們對機體生理代謝、絕大多數疾病的發生發展過程起著舉足輕重的調節作用。MCP屬于至少由四個成員(MCP-1、-2、-3和-4)組成的家族。然而，在趨化因子家族的眾多成員中，MCP1是第一個發現的人類CC趨化因子,位于17號染色體(chr.17，q11.2)，由76個氨基酸組成，大小為13 kDa。MCP1可由內皮細胞、成纖維細胞、上皮細胞、平滑肌細胞、系膜細胞、星形膠質細胞、單核細胞和小膠質細胞等多種細胞類型產生[1]。值得關注的是，MCP1不僅是首個被發現的人類CC趨化因子，而且它還是趨化因子家族中被廣泛關注、研究最多的趨化因子之一，它被報道參與了多種生理過程及疾病的發生發展：包括炎癥性骨丟失[14]，成骨細胞/破骨細胞表達的調節、遲發型超敏反應、動脈粥樣硬化、肺纖維化、細菌感染、關節炎和腎臟疾病動脈粥樣硬化和癌癥等[15-18]。正因為MCP1參與了眾多生理反應過程以及疾病的發生發展過程，所以以MCP1作為預測干預指標進行各種相關疾病的診斷、治療及預后判斷逐漸受到廣泛的關注和深入研究，包括：骨質疏松癥、彌漫性大B細胞淋巴瘤、前列腺癌，乳腺癌，Schnitzler"s綜合征、多發性硬化癥、類風濕性關節炎、動脈粥樣硬化和胰島素抵抗糖尿病等[19-23]。

1.2 趨化因子受體2(CCR2)CCR2是一種7次跨膜的G蛋白偶聯受體，能夠與CC趨化因子配體2(CC chemokine ligand 2，CCL2)高選擇性結合，不僅在炎癥反應中發揮重要作用，而且在人類破骨細胞前體細胞中有明顯表達[24-26]。此外，MCP-1基因的破壞也會導致單核細胞募集過程的損傷，這與CCR2基因敲除模型有相同的特征。然而，CC趨化因子生物學的一個獨特方面是受體和趨化因子之間存在高度的串擾。趨化因子既可以作為同源二聚體，也可以作為具有結構相似趨化因子的異源二聚體，一種特定的趨化因子可以與其他趨化因子和幾個主要受體相互作用，如果濃度足夠高，還可能與其他非典型受體相互作用[26]；而MCP1是導致單核細胞遷移的信號轉導通路中最有效的誘導劑[28]。與MCP1不同的是，CCR2的表達相對局限于某些類型的細胞，且在人類中以兩種異構體存在：CCR2A和CCR2B[26]。它們的主要區別在于C-末端尾部的不同。單個核細胞和血管平滑肌細胞表達的主要亞型是CCR2A，而CCR2B則是單核細胞和活化的NK細胞主要表達亞型[1，5]。CCR2A和CCR2B可能激活不同的信號通路，發揮不同的作用。這兩種異構體的存在使得激活不同的途徑最終產生不同的效果成為可能。例如，CCR2A陽性細胞的MCP1趨化發生在沒有Ca2+動員的情況下，但在CCR2B陽性細胞中誘導Ca2+fl UX。有趣的是，CCR2不僅具有促炎作用，而且還兼具抗炎作用。CCR2的促炎作用依賴于APC和T細胞，而抗炎癥作用依賴于調節性T細胞中CCR2的表達。

2 骨骼的修復和重建

骨骼的主要功能包括：為身體提供結構性支撐，保護內部器官和調節造血系統。骨骼修復和重塑有助于保持骨骼的完整性，這一過程發生在整個生命過程中[29]。骨修復重建除了促進骨折愈合外，還有助于預防骨的累積性損傷和維持血鈣動態平衡的重要作用[30]。骨重建過程主要依賴破骨細胞的骨吸收與成骨細胞的骨形成[31]，這一過程由五個主要步驟共同完成：激活、再吸收、逆轉、形成和終止[33]，每個步驟對于保持骨骼完整性和維持礦物質穩態都不可或缺。

3 MCP1通過調節成骨細胞和破骨細胞完成骨重建

CC和CXC趨化因子在骨重建中有明確的作用[28]；MCP-1由成骨細胞分泌，其受體CCR2可在破骨細胞中發現[26]，它是吸引破骨細胞及其前體到骨重建部位的重要信號分子。沒有CCR2的情況下破骨細胞和成骨細胞活性將會降低[34]。近年來，越來越多的實驗研究對此觀點加以了證實，其中備受關注的是CC家族中的MCP1。成骨細胞或破骨細胞表達多種不同的趨化因子，其中成骨細胞是表達MCP-1的主要細胞[27]。有研究證實，成骨細胞可以分泌多種炎癥細胞因子，促進破骨細胞的形成，然而在這些因子中，MCP-1對破骨細胞的分化、形成至關重要，MCP-1可以加速破骨細胞前體細胞的募集，并促進破骨細胞的分化、成熟，從而發揮骨吸收功能[35]。YAO等[36]用突變的MCP1蛋白7ND封閉MCP1-CCR2/CCR4配體受體軸，可以減少單核/巨噬細胞在體外的遷移。該團隊于2016年小鼠顱骨短期模型中，確定7ND是MCP1蛋白的一個突變型，在N端缺失2~8個氨基酸，是MCP-1的顯性負抑制因子。局部給藥對骨溶解的發生起到了抑制作用。該實驗證實了MCP-1對于破骨細胞的激活起著重要作用，當MCP-1受體被抑制時，破骨細胞活性明顯減退。此外，有研究發現在尺骨應力性骨折(SFX)模型中，趨化因子MCP-1在SFX啟動后早期重塑過程中受到特異性調控。MCP-1mRNA和蛋白定位于(SFX)附近的成骨細胞。值得注意的是：非炎性骨組織中MCP-1表達很少或不表達[27]。這表明骨折早期的炎癥刺激可能引起了成骨細胞表達MCP-1。然而，若是這種炎癥刺激并非局限于骨折早期，而是轉變成慢性過程，MCP1的長時間持續作用將引起骨吸收大于骨形成；而骨吸收和骨形成之間的任何失衡都會導致代謝性骨病的發生[33]。

骨組織的炎癥刺激通常由骨折、感染或者自身的免疫調節功能觸發，但有趣的是，包括壓力在內的機械應力也可誘導成骨細胞表達趨化因子，導致炎癥反應和骨重建。有研究通過野生型小鼠驗證了成骨細胞中CXCL2和MCP1的誘導可能在壓力作用下起到骨重建的觸發作用[37]。MCP1通過對成骨/破骨細胞的調節作用參與骨重建過程，然而，該調節的過程十分錯綜復雜，目前對于這種調節作用的具體機制尚不十分明確，目前普遍認為與RANK/RANKl/OPG信號轉導通路有關。

4 MCP-1通過RANKL信號轉導參與骨重建

控制破骨細胞性骨吸收和成骨細胞骨形成的關鍵信號通路是核因子受體激活劑RANK/RANK配體/骨保護素(OPG)和規范的Wnt信號。κB受體激活劑(RANK)/RANK配體(RANKL)/骨保護素(OPG)是控制破骨細胞性骨吸收和成骨細胞骨形成的關鍵信號通路[33]。

成骨細胞和成骨細胞表達MCP-1可能有助于RANKL的破骨細胞募集[38]。在這種吸收活動之后，成骨細胞的數量和活性增加，導致骨量的凈增加。破骨前細胞和成骨細胞之間的直接接觸對于破骨細胞的形成是必要的；當MCP-1在體內靠近骨骼時，單核細胞浸潤增加[40]，因此，吸引接近成骨細胞的單核/巨噬細胞譜系的細胞對于促進破骨細胞成熟至關重要[39]。

單核細胞趨化蛋白1(MCP-1)可被GMCSF深深抑制。加入MCP-1可逆轉GM-CSF對破骨細胞形成的抑制作用，恢復骨吸收表型。當通過NFATc1的RANKL信號被環孢素A阻斷時，MCP-1和RANTES的表達均下調。同時，基因表達研究表明，GM-CSF治療引起MCP-1的有效下調。外源性MCP-1的加入逆轉了GM-CSF介導的破骨細胞形成抑制，使真正的多核骨吸收破骨細胞得以恢復。這些結果提示RANKL對MCP-1和RANTES的誘導是破骨細胞分化的重要組成部分，提供作用于破骨細胞的自分泌信號和作用于破骨細胞前體的旁分泌信號，通過促進融合來加速破骨細胞的分化[16]。

此外，對鈣磷代謝以及骨代謝起重要調節作用的甲狀旁腺素(PTH)，也可通過RANKL的表達來影響破骨細胞的活性，而MCP-1的表達是破骨細胞和巨噬細胞募集、破骨細胞形成以及與PTH合成代謝相關的骨吸收所必需的[16]。單核細胞趨化蛋白-1在骨微環境中的濃度可能局部增加，以旁分泌的方式將單核細胞和破骨前細胞吸引到骨表面附近。PTH通過刺激RANKL和M-CSF的表達間接影響破骨細胞的成熟和功能[41-42]。間歇性PTH刺激RANKL是一過性事件[41，43]，和MCP-1的表達與RANKL的表達平行。MCP-1由成骨細胞系的細胞在甲狀旁腺素刺激下分泌，對單核細胞和破骨前細胞的募集是必需的，并有助于成熟破骨細胞的形成。破骨細胞活性的短暫增加會導致隨后骨形成的增加，從而導致骨量的凈增加。MCP-1的缺失消除了甲狀旁腺素誘導的破骨細胞形成和骨吸收[38]。除PTH外，雌激素也被確定降低了成骨細胞中RANKL的表達，增加了護骨素的產生[6]。

另有研究表明，制瘤素M(OSM)影響成骨細胞的活性、遷移和侵襲。這種影響也與MCP-1有關，但這種調節作用并非通過RANKL實現，而是通過調節Akt磷酸化水平和MMP-1、MMP-2的活化來實現[29]。

5 結語

趨化因子家族成員眾多且功能非常復雜，誘導遷移，特別是白細胞的遷移，是它的主要生物學目的，但它的作用遠遠不止于此。MCP1被發現已經多年，且受到了廣泛的研究，但是其在骨代謝與重建過程中的確切生物學機制卻尚未十分明確，目前大多數觀點認為CCR2是MCP1的主要受體，而MCP1對成骨細胞/破骨細胞活性的調節主要是通過RANKL信號調節實現的。然而，MCP1對骨重建的調節作用是否存在劑量依賴性以及時效依賴性？趨化因子之間是否存在協同或拮抗作用？其他信號轉導通路是否也參與了MCP1對骨代謝的調節？MCP1是否通過刺激骨髓間充質干細胞的成骨分化影響骨重建過程？等諸多問題仍有待解決。