细胞因子网络介导炎性自身免疫疾病骨丢失的研究进展

常文静，蔡佳宇，蔡　辉

(南京军区南京总医院中西医结合科，江苏 南京　210002)



◇综述◇

细胞因子网络介导炎性自身免疫疾病骨丢失的研究进展

常文静，蔡佳宇，蔡辉

(南京军区南京总医院中西医结合科，江苏 南京210002)

摘要：骨重塑是由破骨细胞介导的骨吸收和成骨细胞介导的骨形成维持平衡的持续过程。炎性自身免疫疾病类风湿关节炎、强直性脊柱炎、炎性肠病、系统性红斑狼疮易并发骨丢失和骨折。在慢性炎症状态下，炎性细胞因子网络诱导骨形成和骨丢失解偶联，导致炎性自身免疫疾病患者严重的骨丢失。该文就炎性细胞因子网络在调节炎性自身免疫疾病和骨破坏中的作用作一综述。

关键词：细胞因子；炎性自身免疫疾病；骨丢失

骨重塑是由破骨细胞介导的骨吸收和成骨细胞介导的骨形成维持平衡的持续过程。成骨细胞起源于骨髓的间充质干细胞，是主要的骨形成细胞，其分泌有机基质，在新骨形成过程中诱导钙化。成骨细胞的分化和功能主要受以下因素影响：转录因子[Runx-2/Cbfa-1、osterix(Osx)、TAZ和Atf 4]、生长因子[肿瘤生长因子-β(tumor growth factor-β，TGF-β)、骨形态发生蛋白、Wnt信号、血管内皮生长因子]、细胞因子[白细胞介素-1(interleukin-1，IL-1)、IL-6和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)]以及各种基质蛋白的相互作用(I型胶原、双糖链蛋白多糖、层黏连蛋白和纤维黏连蛋白)。破骨细胞起源于骨髓的多潜能干细胞，是唯一的骨再吸收细胞。在巨噬细胞集落刺激因子的诱导下，多潜能干细胞首先增殖分化为定型的单核—巨噬前体细胞。这些前体细胞在局部微环境中不同生长因子的影响下分化为单核—巨噬细胞、 破骨细胞或树突状细胞。在生理情况下，破骨细胞的生成主要取决于成骨细胞产生的两种关键因子：巨噬细胞集落刺激因子和核因子κB 受体激活子配体(receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand，RANKL)。骨重塑过程中取决于骨形成和骨吸收的紧密耦合，以及在重塑过程骨质量的稳定。骨质疏松症、骨硬化症、牙周炎和类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)等疾病在这个过程中是不平衡的。骨质疏松症最初认为是与年龄相关的疾病，其特征为骨质量下降，骨脆性增加，易于发生骨折。后认为任何年龄在不同的条件下均可发生骨质疏松，其病因与内分泌、代谢和力学有关。最近研究发现，炎症增加罹患骨质疏松的风险[1-2]。

炎性关节疾病具有相似的炎性过程，对关节结构和功能有不利的影响。RA是最常见的累及关节的慢性炎症的自身免疫性疾病。自身免疫性疾病的特征为异常活化的淋巴细胞和非淋巴细胞巨噬细胞、树突状细胞、成纤维细胞诱导自身抗体的产生，造成组织功能的损害和结构的破坏。炎性或抗炎细胞因子分泌或功能失调在自身免疫疾病RA、强直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)、炎性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)、系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus，SLE)的发病中起着关键作用。使用抗促炎细胞因子[中和抗体(抗TNF-α、抗IL-6、抗IL-17)、可溶性受体抑制剂(TNF受体抑制剂、IL-1受体抑制剂、IL-17受体抑制剂、IL-6受体抑制剂)、抗炎细胞因子(IL-10、IL-27)能有效抑制自身免疫疾病进展。这也表明慢性炎症和自身免疫性疾病发病具有关联性。另外，慢性炎性自身免疫性疾病常并发骨破坏。骨丢失常见于炎性关节疾病RA和AS。而SLE和IBD患者常出现骨丢失、低骨密度和骨折的风险。虽然在过去的10年大量的研究集中在炎性自身免疫性疾病，但炎性细胞因子网络参与炎性自身免疫性疾病骨破坏的作用并没有得到很好的解决。本文就炎性细胞因子网络在调节炎性自身免疫性疾病和骨破坏中的作用作一综述。

1类风湿关节炎

类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)是一种以关节滑膜炎为特征的慢性炎性自身免疫性疾病。主要以慢性滑膜炎症为临床表现，继之以炎症关节骨—血管翳交界处和炎症关节软骨下骨处骨质破坏及全身骨量丢失为特征。RA患者骨代谢失衡主要是由于破骨细胞的作用[3]。炎症滑膜破骨因子增加导致破骨细胞的生成，并促进其功能。在RA中，炎性细胞因子通过募集破骨前体细胞至骨环境中，分化为成熟的破骨细胞而参与骨破坏。TNF-α、IL-1、IL-6、IL-7、IL-17等促炎细胞因子增加RANKL表达、降低骨保护素(osteoprotegerin，OPG)水平，从而导致RANKL/OPG比例失衡，破骨细胞的分化增加。然而，IL-10、IL-13、TGF-β等抗炎细胞因子也大量存在于RA关节中。这些抗炎细胞因子对关节破坏和关节炎症起负作用。

TNF-α在关节骨破坏中的作用已在动物实验和临床试验中得到证实。TNF-α可刺激成骨细胞分泌RANKL，从而间接刺激破骨细胞生成。破骨细胞相关受体是破骨细胞生成的关键共刺激分子。TNF-α诱导RA患者单核细胞破骨细胞相关受体表达。Wnt信号通路为成骨细胞的生成和新骨的形成传递信号。Dickkopf-1是此通路的重要抑制因子，阻断Dickkopf-1可促进新骨的形成。TNF-α通过调控Wnt信号通路参与破骨细胞的生成。在RA中，TNF-α是Dickkopf-1的强诱导剂。Dickkopf-1与低密度脂蛋白偶联受体相关蛋白5/6结合而阻断Wnt信号通路，损害局部骨形成。阻断Dickkopf-1能下调关节OPG，减少破骨细胞数目，抑制局部骨吸收；反过来，骨保护素又能调节Dickkopf-1形成正反馈。因此，TNF-α通过增加RANKL/OPG比例而增加Dickkopf-1水平，从而促进患病关节骨吸收、抑制患病关节骨形成和修复[4]。此外，TNF-α还直接抑制成骨细胞分化和骨形成[5]。Runx-2/Cbfa-1和Osx是调节成骨细胞分化的关键转录因子。TNF-α能抑制Runx-2/Cbfa-1和Osx表达，进而抑制成骨细胞分化和骨形成。TNF-α是参与RA发病机制和关节炎症的重要细胞因子，因此，TNF-α抑制剂是首先应用于RA的生物制剂。Smolen等[6]研究证实，TNF-α抑制剂能显著降低RA患者炎性疾病活动和关节破坏，防止放射学损伤，实现持续临床高缓解率。另外，TNF-α抑制剂能降低全身骨丢失、增加骨密度，这表明TNF-α抑制剂可用于全身骨质疏松和骨量减少。

IL-1是小鼠炎性关节炎模型的关键调节细胞因子之一。IL-1α或IL-1β过表达或IL-1受体拮抗剂缺失可导致关节炎软骨和骨破坏。IL-1上调RANKL表达，导致滑膜RANKL/OPG比例失衡。在IL-1信号缺失的TNF转基因小鼠中，虽然滑膜炎症存在，但软骨破坏完全被抑制和骨破坏部分被抑制，这提示TNF诱导局部骨破坏，IL-1主要参与全身炎性骨丢失。此外，TNF诱导RANKL的合成能被IL-1受体拮抗剂抑制。除了IL-1和TNF，IL-6是参与RA发病的另一重要促炎细胞因子[7]。IL-6刺激成骨细胞RANKL合成，并与TGF-β和IL-1一起促进辅助性T细胞17形成。有研究[8]表明，IL-6抑制剂托珠单抗有效抑制RA患者关节破坏和疾病进展。信号转导与转录激活因子3是RA慢性炎症和关节破坏的关键调节介质之一，它的活化能诱导RANKL生成。IL-1β、TNF-α和IL-6促炎细胞因子直接或间接地激活小鼠成骨细胞和成纤维细胞信号转导与转录激活因子3[9]。因此，抑制信号转导与转录激活因子3是治疗RA有效的方法之一。

IL-17是近年发现的炎性细胞因子。IL-17诱导软骨、滑膜细胞、巨噬细胞和骨细胞促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和趋化因子CXCL1/KC/GROα、CXCL2/MIP2α/GROβ、CXCL8/IL-8、CCL2/MCP1、CCL20/MIP-3α分泌。这些促炎细胞因子和趋化因子激活和募集中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞至炎症滑膜，从而增强滑膜炎症。关节内注射IL-17导致关节发炎和破坏。IL-17与促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6具有协同作用。此外，IL-17在RA的晚期诱导RANKL、基质金属蛋白酶、前列腺素E2和环氧合酶-2的生成广泛促进软骨和骨侵蚀。IL-17直接或间接地通过成骨细胞和基质细胞调节破骨细胞生成。IL-17诱导成骨细胞、滑膜细胞和间充质细胞RANKL表达，增加RANKL/OPG比例，促进破骨细胞生成，导致局部或全身骨破坏。在动物模型中，抑制IL-17抗体或可溶性IL-17受体可下调滑膜RANKL和炎性细胞因子表达，显著抑制关节炎症和骨侵蚀。因此，阻断IL-17、IL-17受体或它们的诱导者(IL-23、IL-6)可作为RA的治疗方法。

2强直性脊柱炎

强直性脊柱炎(rnkylosing spondylitis，AS)是以骶髂关节和脊椎慢性炎症为特征的全身性自身免疫性疾病。AS患者椎体中心骨小梁的过度缺失导致骨量减少或骨质疏松，并增加脊椎骨折、脊柱畸形的风险。

TNF-α在成骨细胞和破骨细胞的数目、活性中起着重要作用。它通过阻断胰岛素样生长因子-1、osterix、Runx2 来抑制成骨细胞的分化[10]，还诱导骨细胞凋亡，并增强RANK诱导的破骨细胞生成和活性来刺激破骨细胞分化促进骨吸收。在TNF-α转基因小鼠内，TNF-α通过泛素蛋白连接酶Wwp1来抑制间质干细胞向成骨细胞分化[10]。334例AS患者接受TNF-α抑制剂治疗后，可降低50%的放射学进展风险[11]。因此，TNF-α具有促进破骨、抑制成骨的作用。最近研究表明，TNF也可促进成骨细胞生成，推测可能与TNF-α的浓度、细胞的分化状态以及暴露的时间相关[10]。虽然AS患者棘间韧带的TNF-α mRNA水平升高，但是AS患者的关节突关节活检标本中骨细胞的死亡比率降低[12]。因此，TNF-α在复杂的内环境影响下，对骨稳态的影响会发生改变。

AS患者血清RANKL和CD4、CD8细胞RANKL水平升高[13]。炎性细胞因子IL-1、IL-6、TNF-α和IL-17刺激AS患者RANKL表达，导致RANKL/OPG比例失衡。RANKL/OPG比例增加促进破骨细胞分化，参与AS骨破坏。

3炎性肠病

炎性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)主要指克罗恩病和溃疡性结肠炎。克罗恩病累及肠道的任何部位，临床表现为疲劳、慢性腹泻、腹痛、体重减轻、发热等。溃疡性结肠炎病变仅限于结肠，常见症状有下腹部疼痛、便血、里急后重等。低骨密度是IBD常见的慢性并发症。虽然IBD不是骨质疏松性骨丢失的唯一危险因素，但它与骨质疏松的其他危险因素年龄、性别、体质量指数和药物等相关。

虽然IBD患者并发低骨密度确切的机制尚不明确，但复杂的炎性细胞因子网络导致骨破坏是明确的。IBD患者黏膜和血清许多促炎细胞因子和抗炎细胞因子升高。尤其是，促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6明显升高。这些促炎细胞因子刺激破骨细胞分泌RANKL促进骨吸收。抗TNF-α治疗能降低IBD患者血清OPG水平，改善骨代谢指标(如骨钙蛋白、碱性磷酸酶和1型前胶原氨基末端肽)和骨密度。众所周知，RANKL/OPG比例增加促进IBD患者破骨细胞分化和骨破坏。

IL-33属IL-1家族的新成员之一，是IL-1受体相关蛋白的配体，是诱导辅助性T细胞2免疫应答必不可少的。IL-33升高与IBD呈强相关，尤其是在溃疡性结肠炎患者中表现更明显[14]。与此相对应地，应用抗IL-1受体相关蛋白抗体治疗能抑制IL-33信号通路，减轻RA模型动物的关节炎[15]。此外，IL-33激活IL-1受体相关蛋白受体信号，刺激人破骨细胞分化[16]。因此，IL-33直接或间接地调节IBD RANKL或辅助性T细胞2介导的骨丢失。

4系统性红斑狼疮

系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus，SLE)是一种主要累及女性的自身免疫性疾病，其特征为免疫机能亢进和多器官损害。骨质疏松症在SLE患者中属高患病率，但由于体质量、年龄、性别、种族、疾病的严重程度以及药物的使用不同，患病率也有很大的不同。糖皮质激素的使用、慢性炎症导致的较长病程、神经精神疾病并发症和先前的骨折史均被认为是SLE相关骨质疏松性骨折的相关因素。尽管SLE患者炎性细胞因子与骨丢失之间的直接关系尚不明确，但促炎细胞因子能促进SLE患者破骨细胞生成导致骨破坏[17]。SLE患者促炎细胞因子TNF-α、IL-1、IL-6和IL-17能增加RANKL分泌，导致RANKL/OPG比例失衡，促进破骨细胞生成。另外，SLE患者氧化低密度脂蛋白水平增加。氧化低密度脂蛋白能诱导T细胞活化，继而诱导RANKL表达和TNF-α分泌。最近Tang等[17]研究发现，活化核因子-κB信号通路、抑制BMP/Smad信号通路能抑制成骨细胞生成，这在SLE患者骨质疏松病理中起着重要作用。SLE患者血清辅助性T细胞17数目和IL-17水平升高。虽然IL-17在SLE患者骨破坏中的确切作用尚不清楚，但其通过影响成骨细胞和破骨细胞而影响骨重塑。IL-17通过诱导成骨细胞和活化的T细胞分泌RANKL导致RANKL/OPG比例失衡而加重骨丢失，协同TNF-α和趋化因子影响破骨细胞的骨吸收。

5讨论

骨重塑是骨吸收和骨形成高度协同的过程，这是受损的骨骼和维持矿物质平衡所必须的。在慢性炎症状态下，炎性细胞因子网络导致骨形成和骨修复失衡，致使严重的炎性骨丢失。尤其是，炎性细胞因子IL-1、IL-6、IL-17和TNF-α参与炎性自身免疫疾病的发病。然而，炎性细胞因子对骨丢失的影响和在炎性自身免疫疾病发病中的作用是复杂的。炎性细胞因子或炎性细胞因子网络通过复杂的机制直接或间接地影响炎性自身免疫性疾病的骨丢失。因此，针对多种细胞因子的靶向药物可能是预防疾病和减轻疾病进展的有效策略。由于大多数炎性细胞因子通过诱导RANKL/OPG失衡参与骨丢失，因此，针对OPG或RANKL的治疗方法可能比单独抑制一个细胞因子更有效。

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Bone Loss Triggered by the Cytokine Network in Inflammatory Autoimmune Diseases

CHANG Wen-jing,CAI Jia-yu,CAI Hui

(DepartmentofIntegratedTraditionalChineseandWestern

Medicine，NanjingGeneralHospitalofNanjingMilitaryCommand，Nanjing210002，China)

Abstract:Bone remodeling is a continuous process that relies on the correct balance between bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts.Bone loss and fracture risk are implicated in inflammatory autoimmune diseases such as rheumatoid arthritis,ankylosing spondylitis,inflammatory bowel disease,and systemic lupus erythematosus.The network of inflammatory cytokines produced during chronic inflammationinduces anuncoupling of bone formation and resorption,resulting in significant bone loss in patients with inflammatory autoimmune diseases.We review and discuss the involvement of the inflammatory cytokine network in the regulation of inflammatory autoimmune diseases and bone destruction.

Key words：cytokine network;inflammatory autoimmune diseases;bone loss

(收稿日期：2015-10-13，修回日期：2015-12-21)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.03.001

通信作者：蔡辉，男，主任医师，博士生导师，研究方向：中西医结合临床与基础，E-mail：caihuipdh@163.com