TNF-α介導絕經后骨質疏松癥發病機制的研究進展

姚娜 李鵬程 耿春梅 俸玉 宋艷萍 陳紅波 張瑾 范秦瑤 黃麗 陳奇剛*

1.云南中醫藥大學，云南 昆明 650500 2.昆明市中醫醫院，云南 昆明 650505

絕經后骨質疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)是由于婦女絕經后雌激素水平降低引起的相應免疫功能變化及炎癥反應，導致骨重建平衡失調的代謝性骨病[1]。李淼等[2]研究報道，骨代謝相關因子在治療早期(3～6個月)可靈敏地監測出骨代謝水平。肖華等[3]通過進一步證實細胞因子水平能反映骨量丟失率和骨破壞水平，TNF-α作為促骨吸收的細胞因子，了解其與PMOP的關系，可深入了解PMOP的發病機制，為治療及預防PMOP提供新方向。

1 TNF-α概述

TNF-α是一種具有多功能的細胞因子，主要由單核-巨噬細胞、B細胞、NK細胞、T細胞、內皮細胞等分泌產生，它在炎癥反應、細胞免疫、低氧及骨代謝異常等多種生理和病理過程中均起著關鍵的作用[4-5]。研究[6-7]表明，TNF-α的表達水平可作為臨床上監測機體應激、免疫、炎性反應的有效指標。TNF-α可直接或間接作用于破骨細胞前體細胞，增強骨吸收，影響骨重建；也可通過調節其他組織代謝活性并促使其他細胞因子的合成和釋放影響骨微環境、加劇氧化應激反應；此外還通過調節機體免疫影響PMOP的發生、發展[8-9]。Murad等[10]研究結果顯示TNF-α與BMD呈負相關，證實血清TNF-α水平可作為評價骨質疏松癥和未來脆性骨折風險的較好指標。

2 TNF-α調控絕經后骨質疏松的機制

雌激素水平下降是導致PMOP發生的重要原因，關鍵是絕經后婦女因雌激素分泌減少引起相應的免疫功能增強，促進T細胞的激活與增殖，引起TNF-α分泌增多，從而導致骨重建失衡[11]。TNF-α可通過多途徑調控骨細胞、免疫細胞的增殖、分化，決定骨重建方向。TNF-α通過調節機體骨代謝、免疫、炎癥反應、氧化應激反應等調控骨代謝參與PMOP的發生、發展。機制如圖1所示[12-14]。(1)TNF-α增強免疫反應，增強機體免疫功能，促進免疫細胞增殖、分化，直接調控破骨細胞與成骨細胞的增殖、分化，促進骨代謝，導致PMOP；(2)TNF-α可刺激其他炎性因子分泌，加劇炎癥反應，影響骨代謝微環境，調控破骨細胞與成骨細胞的增殖、分化，促進骨代謝，導致PMOP；(3)TNF-α加劇氧化應激反應，介導破骨細胞與成骨細胞的增殖、分化，從而促進骨代謝，導致PMOP。

圖1 TNF-α介導PMOP的機制Fig.1 The mechanism of TNF-α mediated PMOP

3 TNF-α對骨代謝的影響

TNF-α是目前發現的最強的骨吸收誘導劑之一，與骨質疏松癥關系最為密切，可通過直接調節破骨細胞及成骨細胞的增殖與分化，影響骨代謝；還可通過損傷腎血管-基底膜屏障，導致血管通透性升高，使腎小管吸收鈣、磷下降，腎臟的鈣、磷轉運障礙，從而導致骨鈣、磷的代謝失調和腎臟羥化酶活性下降，影響骨代謝[15]。

3.1 TNF-α對破骨細胞影響

TNF-α由破骨樣細胞和成骨細胞合成，是強效的骨吸收刺激因子[16]。馬赫等[17]研究確定了TNF-α與破骨細胞(osteoclast，OC)的形成存在著正相關關系，TNF-α通過影響OC的增殖、分化、生存進而影響骨代謝，主要通過以下途徑作用于OC，促進骨吸收，具體如圖2所示[8,18-19]。(1)TNF-α通過刺激巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF)、白介素-6、前列腺素E2(PGE2)的釋放，促進OC前體細胞分化及成熟；(2)TNF-α通過增加破骨細胞上V-ATP酶的表達，從而加強破骨細胞的骨吸收活性；(3)TNF-α通過激活成骨細胞和基質細胞核因子κB受體活化配體(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)的活性間接刺激OC生成；(4)TNF-α通過JNK途徑、NF-κB途徑、PI3K/Akt等信號傳導途徑通過OPG/RANKL/RANK系統來促進OC的分化。

圖2 TNF-α調控破骨細胞分化途徑Fig.2 TNF-α regulates the differentiation pathway of the osteoclast

目前，TNF-α調控破骨細胞增殖、分化、加強骨吸收活性的機制尚未完善，可進一步研究其對破骨細胞密切相關的細胞及受體的影響，以及TNF-α的調控通路。

3.2 TNF-α對成骨細胞的影響

成骨細胞(osteoblast，OB)既是TNF-α的效應細胞，又是TNF-α的產生細胞，TNF-α抑制成骨主要通過抑制骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)的成骨分化、成骨細胞礦化[20]。侯君藝等[21]報道，TNF-α對成骨分化起雙重作用，主要取決于其濃度、處理時間以及細胞類型。TNF-α主要通過以下途徑影響成骨細胞的增殖與分化，如下圖3所示[22-25]。(1)TNF-α可通過Wnt、NF-κB等信號通路影響干細胞的成骨分化；(2)TNF-α對BMSCs的成骨分化起負性調節作用，可抑制成骨細胞分化增殖的關鍵因子Runt相關轉錄因子2(Runx2)的表達；(3)TNF-α通過抑制叉框蛋白1(FoxO1)轉錄，從而抑制BMMSCs，引起成骨細胞分化障礙；(4)TNF-α通過抑制骨形成的關鍵信號途徑Wnt/β-catenin負向調控Sema3B的表達，抑制MSCs向成骨細胞分化。

圖3 TNF-α抑制OB增殖、分化Fig.3 TNF-α inhibits the proliferation and differentiation of the osteoblast

TNF-α對成骨分化的調控途徑較多，主要通過抑制BMSCs分化，從而引起成骨細胞的分化障礙，導致PMOP，其調控機制較為復雜，可存在相互交錯的部分，仍需進一步研究。

4 TNF-α對免疫反應的影響

細胞因子與淋巴細胞在骨代謝過程中相互協同或相互制約，淋巴細胞產生一系列細胞因子，參與骨代謝，同時這些細胞因子又可相互作用，并反過來影響淋巴細胞的功能[26]。TNF-α是免疫系統的產物，在免疫反應中發揮多種作用，通過免疫信號通路的反饋調節，影響骨代謝，具體途徑如圖4示[14,27-29]。(1)免疫反應增強，激活T淋巴細胞分泌促骨吸收因子TNF-α、RANKL的產生；(2)TNF-α的增多，免疫系統活化，淋巴細胞分泌增加；(3)TNF-α直接作用于破骨細胞，促進破骨細胞增殖、分化，導致PMOP；(4)TNF-α通過作用于成骨細胞和基質細胞增加RNAKL和M-CSF的表達促進破骨細胞生成，導致骨吸收增加，導致PMOP；(5)TNF-α增加骨髓單核/巨噬細胞系前體細胞對RANKL的反應性，促進破骨細胞的形成和活化，促進破骨細胞骨吸收活性，導致骨吸收增加，骨量減少，形成PMOP。

圖4 TNF-α介導免疫反應調節骨代謝Fig.4 Regulates of bone metabolism by TNF-α mediated immune response

骨與免疫系統有著復雜的調控機制，免疫細胞分泌細胞因子可直接調節OB與OC的增殖與分化，影響骨代謝，反之細胞因子分泌增多時會促進免疫細胞分化，加速骨吸收。

5 TNF-α對炎癥反應的影響

TNF-α是炎癥反應過程中最早出現、最重要的炎性介質，是炎癥信號級聯反應的啟動因子，可激活淋巴細胞及中性粒細胞，增加血管內皮通透性，誘導并促進其他炎性因子釋放，加劇炎癥反應[30]。持續激活的微炎癥狀態是絕經后重要的病理改變，是骨密度下降的重要原因，也是骨微結構破壞的重要病理因素[31]。TNF-α通過以下途徑作用于炎癥反應，調控骨代謝，具體如圖5所示[32-35]。(1)TNF-α可促進干細胞合成和釋放IL-6等炎性因子，促進炎癥發展，影響骨代謝微環境，促進破骨細胞增殖、分化，導致PMOP；(2)TNF-α可活化炎癥細胞，誘導白細胞介素-1、白介素-6等的分泌，直接刺激破骨細胞祖細胞分化為成熟破骨細胞，促進骨吸收，導致PMOP；(3)TNF-α可促進相關組織水解酶、前列腺素E2等的釋放，導致疾病組織結構破壞，導致PMOP。

圖5 TNF-α對炎癥反應的作用及調節骨代謝Fig.5 The effect of TNF-α on inflammatory response its regulation on bone metabolism

TNF-α作為炎性因子刺激其他炎性因子加劇炎癥反應，影響骨代謝微環境，促進破骨細胞增殖、分化，破壞骨微結構，加速PMOP的發生。

6 TNF-α對氧化應激反應的影響

氧化應激可導致PMOP的發生。氧化應激可促進TNF-α分泌增多，TNF-α作為機體應激反應產生最早的、最核心的炎癥介質，可誘發機體代謝增強、血流動力學明顯變化、促進炎癥介質生成，增加炎癥效應[17]。TNF-α通過促進氧化應激反應，直接或間接的調節骨重建方向，具體途徑如圖6所示[14,36-37]。(1)TNF-α可抑制具有抗氧化應激作用的Fox O1，抑制BMSCs分化，影響骨重建；(2)TNF-α可通過激活產生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，發揮促氧化作用，抑制超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)抗氧化作用從而促進氧化應激的產生；(3)TNF-α能增強不同組織細胞的ROS活性，促進氧化應激反應。

圖6 TNF-α調節氧化應激反應Fig.6 TNF-α regulates the oxidative stress response

程韻等[38]發現ROS能夠通過激活ERK、JNK、NF-κB等信號通路，上調RANKL、TNF-α的表達，下調OPG的表達，提高骨吸收功能，間接地影響骨重建過程。由此證明，TNF-α通過調節ROS的活性，提高骨吸收功能，ROS亦能調節TNF-α的表達，間接的影響骨重建，兩者相互相互影響，協調影響骨代謝。

7 總結與展望

TNF-α作為骨骼系統與免疫系統共享的細胞因子，通過增強機體免疫、增加炎癥反應、促進氧化應激反應，直接或間接的調節骨代謝，改變骨重建方向，參與PMOP的發生、發展過程。同時免疫系統活化、炎癥反應、氧化應激反應的加劇會增加TNF-α的表達，它們相互調節，協同影響PMOP進程。因此，TNF-α在絕經后骨質疏松癥的診斷和治療中有著重大意義。但其作用機制尚未研究完善，可從TNF-α不同生物功能特性，不同信號通路等深入研究，進一步完善其調節絕經后骨質疏松癥的機制，探究如何有效地將TNF-α作為靶點治療絕經后骨質疏松癥。