中轴型脊柱关节炎血清生物标志物的研究进展

冯冠 吴海华

中轴型脊柱关节炎（axSpA）是一组累及骶髂关节和脊柱为主的异质性炎性反应性疾病，包括强直性脊柱炎（AS）和放射学阴性脊柱关节病（nr－axSpA）[1]。axSpA临床表现多样，如炎性腰背痛、附着点炎、外周关节炎（主要侵犯外周大关节炎）及特征性关节外表现如葡萄膜炎、银屑病或者炎症性肠病等。尽管影像学检查如MRI可发现早期急性炎症改变及早期关节破坏，使axSpA的早期诊断率明显提高[2]。但由于axSpA早期临床表现仅为慢性腰背疼痛，而部分健康人群MRI检查亦可发现炎性改变，并且检测出HLA－B27阳性。这种临床表现和检测手段的非特异性，使早期诊断ax－SpA面临着重大挑战。另外，SpA疾病活动度评估受限于患者主观应答结果及C反应蛋白（CRP）监测水平，两者均为评价脊柱受损进展及治疗反应的一个指标[3]，然而前者主观因素影响较大，且评分结果与MRI炎症表现并不总是相关[4]，后者在axSpA中的灵敏度不高。因此笔者结合该病的发病机制，总结了axSpA的诊断、疾病活动度评价和治疗效果等各方面的生物标志物，如遗传因素、炎症及组织重构标志物、细胞因子及其他炎症介质等，现综述如下。

1 遗传因素

HLA－B27是 I型胶原蛋白（MHC I）类分子，主要功能是递呈内源性抗原给CD8+T细胞，这些内源性抗原包括衰老、代谢降解的人体自身蛋白质和病原体胞内降解产物，能在继发细菌感染或者机械应力后触发先天免疫反应。HLA－B27目前已被证实与axSpA发病存在密切关系。HLA－B27参与axSpA发病机制的假说可大致分为两类，一类涉及B27的免疫识别功能，即以经典B27重链/β2微球蛋白（β2m）/抗原肽三分子复合物形式递呈抗原给CD8+T细胞，或以不结合β2m的游离单链，或重链（HC）同源二聚体的形式在细胞表面表达，后者因为其构型类似MHCⅡ类分子，既可以递呈抗原给CD8+T细胞，也能被CD4+T细胞识别，致关节炎抗原肽假说即属于这一类。另一类假说与HLA－B27异常免疫生物学相关，认为细胞内质网B27错误折叠或者折叠缓慢，导致未折叠蛋白反应（UPR），使内质网应激或其他未明机制，引起细胞内信号转导等多种环节异常，导致细胞内病原体存活，影响机体炎症反应程度及免疫耐受。

HLA－B27阳性与axSpA呈明显相关性，已经成为诊断axSpA主要的实验室检测手段之一。在早期axSpA中，HLA－B27阳性率相对偏低（73%～75%），与骶髂关节炎或脊柱炎2年放射学进展无明显相关性，而在晚期AS中，阳性率可达80%～90%，常伴随更为严重的放射学进展[5]。HLA－B27具有较好的灵敏度，但其特异度较低，在不同人种健康人群检测阳性率波动在4%～25%[6]，因此存在其他易感基因参与axSpA的发病机制[7]。内质网氨基肽酶1（ERAP1）基因是内质网中负责加工抗原肽的一种非HLA基因，其在内质网内表达量增加可能导致MHC I类分子合成量增高，诱发免疫细胞的识别和自我攻击，从而发挥促炎作用[8]。ERAP1基因通过酶活性修饰剪切抗原肽，其剪切成的肽段长度更适合MHC分子对抗原肽的提成。ERAP1的某些特殊单倍体与AS高风险相关，另一些变异体与AS保护相关[9-10]。ERAP1阻滞剂可能成为AS潜在治疗方式[9]。IL-23R、IL-12B、CARD9和PTGER4的基因多态性被证实参与AS 发病机制，并对 IL-23、IL-23R、Th17、IL-17 轴有重要作用[11]。

2 常见的炎性标志物

2.1 CRP CRP是一种常见的急性时相蛋白，CRP升高提示系统性炎症的存在。axSpA的发病过程中CRP波动较大，总的来说，CRP在AS中的水平明显高于nraxSpA。尽管大部分活动性axSpA CRP水平不高，但CRP仍是评价axSpA疾病活动度一个可靠指标，且具有预测关节结构是否进一步损害的作用，CRP与MRI检查的炎性表现呈中等程度相关，而后者被认为是当前评价axSpA疾病活动度最好的工具。

数项研究证实经TNF-α阻断剂治疗后，CRP水平明显下降[12-13]。Pedersen等研究发现新发骨赘形成与CRP下降密切相关，该结果与一种假说相符合，该假说认为阻断炎症反应后，为修补受损组织使得骨化率升高，因此认为慢性炎症可阻止新发骨赘形成。数项研究显示在抗TNF-α治疗2年后，SpA中轴关节结构损害无明显减轻[14]，因此，认为至少在中轴关节受损的机制中，新骨形成过程独立于系统性炎症反应。然而这一结论与另一相关研究结果不符，该研究发现在长期持续性使用抗TNF-α治疗后，AS新骨形成过程可被阻断[15]。高基线CRP水平被认为是骶髂关节放射学进展的强有力的预测因素，尤其是由nr-axSpA进展为AS，预测价值更高[3]。另外，其他前瞻性研究显示高基线CRP水平是axSpA脊柱放射学进展的独立危险因素[16]。这些研究结果均使阐明axSpA发病过程中炎症反应如何导致骨质增生的机制及寻求更有效治疗手段阻断进一步结构损伤变得更加复杂化。目前认为CRP仍是当前最常用及最可靠的评价疾病活动度、预测结构损伤进展及治疗反应的生物学指标。

2.2 ESR ESR是一个非特异性的炎症指标，其检测结果受多种因素影响，与CRP相比其预测疾病活动度的能力相对较差，尽管这些研究结果并不总是一致，在早期axSpA中，高基线水平的ESR是脊柱放射学进展的独立风险因素。

3 组织重构的标志物

3.1 软骨重塑的标志物 CTX-Ⅱ是软骨的结构性蛋白，CTX-Ⅲ为大部分结缔组织的组成成分，CTX-Ⅱ C肽端是软骨重塑的预测指标。研究表明AS患者中尿CTX-Ⅱ水平明显高于正常，且尿CTX-Ⅱ浓度被认为与系统性炎症相关[17]。在MRI检查证实炎症存在的axSpA患者中检测出高水平的CTX-Ⅱ表达，抗TNF-α治疗后尿CTX-Ⅱ水平明显下降，下降的CTX-Ⅱ程度与疾病活动度改善度明显相关[18]。在axSpA中，CTX-Ⅱ作为评价放射学进展的生物学指标，CTX-Ⅱ水平与AS脊柱损伤放射学进展及结构损伤呈正相关[17]。

其他软骨及滑膜组织重构的生物标志物包括Ⅱ型胶原蛋白分解产物（C2M）和Ⅲ型胶原蛋白分解产物（C3M），两者在AS中水平均较健康对照组显著升高[19]，C3M与急性时相蛋白及mSASSS评分呈正相关，而C2M未发现有相关性。结合C2M及C3M可对疾病放射学进展有较高的预测价值。

人血清胶原糖蛋白-40（YKL-40）是人软骨及滑膜分泌的一种蛋白质，可作为软骨重塑及滑膜增生的一个生物标志物。与健康对照组相比，YKL-40在SpA中高表达，经过治疗后YKL-40水平变化存在差异。有研究显示YKL-40水平改变与强直性脊柱炎疾病活动评分（BASDAI）分数，ESR及CRP呈正相关，但与放射学进展无相关性[20]。

软骨寡聚基质蛋白（COMP）是一种细胞外基质蛋白，是软骨代谢标志物，反应骨与软骨破坏的一个敏感的血清学标志物。COMP升高提示软骨重塑的增加，COMP通过结合其他细胞外基质，催化CTX-Ⅰ及CTX-Ⅱ聚集，在软骨组织胶原网中起稳定作用，有助于关节透明软骨的完整性[20]。AS患者中COMP水平与MRI炎症表现存在轻度负相关，提示炎症反应抑制后软骨滑膜炎症反应反而增加。

3.2 骨重构的生物标志物 新骨形成（韧带骨赘）和骨吸收（骨侵蚀）是axSpA的基本特征，表明axSpA在发病过程中存在骨代谢受损。

CTX-ⅠC肽端是破骨细胞活跃的标志物，破骨细胞活动导致骨侵蚀[21]。在AS患者中，血清及尿CTX-Ⅰ水平均明显高于健康对照组，研究表明，在接受24周和102周的抗TNF-α治疗的AS患者中，血清CTX-Ⅰ基线水平与脊柱骨密度（BMD）增高呈正相关[22]。一项交叉学科研究表明伴多个韧带骨赘形成的AS患者中血清CTX-Ⅰ水平明显高于无韧带骨赘形成的AS患者[23]。

组织蛋白酶K是由炎症细胞因子激动破骨细胞后分泌的一种蛋白酶，参与骨代谢。虽然AS血清组织蛋白酶K含量与健康对照组无明显差异，但在单核细胞、成纤维细胞及骨细胞中有较强表达，这与以骨侵蚀为特征的疾病截然相反[24]。

骨桥蛋白（OPN）是由多种细胞包括炎症细胞、软骨细胞、骨代谢细胞如破骨细胞和成骨细胞等分泌的多功能磷蛋白，亦是一种重要的促炎症细胞因子，参与细胞黏附、趋化和信号转导过程。AS OPN的循环水平及炎症细胞内的表达均高于对照组。部分研究显示OPN与炎症标志物无相关性，与骨代谢标志物如骨钙蛋白，CTX-1等密切相关，因此OPN被认为是组织重塑的生物标志物之一，而非炎症反应的标志物。

Wnt信号通路是影响骨形成的重要信号途径，DKK-1是Wnt信号通路的抑制剂之一，阻断DKK-1可导致AS产生不同的骨改变模型[25]。在动物模型中，阻断DKK-1不能影响骶髂关节炎的炎症反应，但能显著减少骨侵蚀及破骨细胞数量并引发骶髂关节融合强直。部分研究表明，同健康对照组相比，AS血清DKK-1水平明显降低[26]，与之相反，也有报道AS血清DKK-1水平较其他关节炎及健康对照组中的DKK-1水平明显升高[27]。有研究显示无韧带骨赘形成的AS患者中DKK-1水平高于韧带骨赘形成超过2年的AS患者，表明血清中功能性DKK-1高水平是保护性的，这与AS患者中较少形成韧带骨赘相关[28]，但DKK-1不是一个疾病活动度指标，临床缓解的患者血清中DKK-1水平与疾病高度活动的AS患者中的血清DKK-1水平无明显差异[27]。

硬化素是Wnt信号通路的另一个抑制剂，具有负向调节成骨细胞功能并抑制骨形成。在动物脊柱炎模型中硬化素的表达受抑，研究报道与健康对照组及其他炎症性关节炎相比，AS局部及血清硬化素表达水平均较低[29]。低水平的硬化素与韧带骨赘形成相关，经过抗TNF-α治疗12个月后，AS血清硬化素水平明显升高；另一方面，AS血清硬化素水平与CRP基线水平呈负相关，低血清硬化素水平的AS患者经TNF-α治疗后CRP仍处于高水平风险状态[30]。这些研究均提示硬化素基线水平可用作预测抗TNF-α治疗反应的生物学指标。

3.3 其他组织退化的生物学指标 基质金属蛋白酶（MMPs）是一类依赖金属锌并以细胞外基质（ECM）成分为水解底物的蛋白水解酶，通过水解ECM基质影响ECM的降解和重组的动态平衡，并参与许多生理和病理过程。一般来说，AS患者血清MMP-3水平高于正常对照组。MMP-3与CRP水平、BASDAI评分及功能状态（BASFI评分）呈正相关。与CRP相比，MMP-3更能准确的反应AS疾病活动度[31]。此外，相关研究表明MMP-8及MMP-9在某种程度上与BASDAI评分相关[32]。

波形蛋白是由多种细胞分泌的一种细胞骨架蛋白。瓜氨酸化的波形蛋白片段（VICM）是MMP蛋白降解产物经瓜氨酸化修饰而成，该修饰过程是一个非特异性过程，与炎症反应密切相关。AS患者的VICM水平明显高于健康对照组，并且VICM水平与由mSASSS和BASDAI评分评定的疾病活动度呈正相关。高水平的VICM及高基线mSASSS评分为2年放射学进展的高危风险因素[33]。

4 其他炎症介质

血清淀粉样蛋白A（SAA）属高密度脂蛋白家族成员。SAA蛋白在体内具有多种功能，其中包括诱导细胞的黏附、迁移和浸润[34]。AS患者血清SAA水平明显高于健康对照组，且SAA水平与疾病活动度的实验室及临床参数相关，高水平的SAA是疾病活动度的预测参数。抗TNF-α治疗后，SAA水平明显下降，且与BASDAI相关。更为重要的是研究发现升高的SAA水平对治疗反应的预测作用更优于CRP[35]。

细胞毒性T淋巴细胞相关分子（CTLA-4）与免疫反应的抑制相关，膜结合型CTLA-4被认为是T细胞介导的免疫应答的负调节因子。与对照组相比，血清CTLA-4水平在SpA患者中明显升高，并与BASDAI及CRP水平相关[36]。阿贝西普是CTLA-4-IgG融合蛋白，已被证实在RA治疗中有良好的效果，但其对AS治疗效果欠佳[37]。

5 结论

综上所述，axSpA是一种慢性炎症性疾病，其确切的机制尚不明确。目前HLA-B27仍是重要的诊断工具，CRP具有良好的评价疾病活动度能力，被认为是目前最好的血清生物标志物之一。更多的生物标志物如MMP-3，钙卫蛋白（S100A8/9），血管内皮生长因子（VEGF），C-肽端CTX-Ⅱ或者DKK-1，虽不能充分反映疾病活动度，但对于预测脊柱结构放射学进展均有一定作用。因缺乏大型对照试验，上述生物标志物的临床应用尚需进一步研究证实。

[1]Ghosh N,Ruderman EM.Nonradiographic axial spondyloarthritis:clinical and therapeutic relevance[J].Arthritis Res Ther,2017,19(1):286.

[2]Rudwaleit M,Jurik AG,Hermann KG,et al.Defining active sarcroilitis on magnetic resonance imaging(MRI)for classification of axial spondyloarthritis:a consensual approach by the ASAS/OMERACT MRI group[J].Ann Rheum Dis,2009,68(10):1520-1527.

[3]Prajzlerova K,Grobelna K,Husakova M,et al.Association between circulating miRNAs and spinal involvement in patients with axialspondyloarthritis[J].PLoS One,2017,12(9):e0185323.

[4]Navarro-Compan V,Ramiro S.Disease activity is longitudinally related to sacroiliac inflammation on MRI in male patients with axial spondyloarthritis:2-years of the DESIR cohort[J].Ann Rheum Dis,2016,75(5):874-878.

[5]Ramiro S,Stolwijk C,van Tubergen A,et al.Evolution of radiographic damage in ankylosing spondylitis:a 12 year prospective follow-up of the OASIS study[J].Ann Rheum Dis,2015,74(1):52-59.

[6]van Tubergen A.The changing clinical picture and epidemiology of spondyloarthritis[J].Nat Rev Rheumatol,2015,11(2):110-118.

[7]Brown MA.Progress in spondylarthritis.Progress in studies of the genetics of ankylosing spondylitis[J].Arthritis Res Ther,2009,11(5):254.

[8]Evans DM,Spencer CC,Pointon IJ,et al.Interaction between ERAP1 and HLA-B27 in ankylosing spondylitis implicates peptide handling in the mechanism for HLA-B27 in disease susceptibility[J].Nat Genet,2011,43(8):761-767.

[9]Chen L,Ridley A,Hammitzsch A,et al.Silencing or inhibition of endoplasmic reticulum aminopeptidase 1(ERAP1)suppressers free heavy chain expression and Th17 responses in ankylosing spondylitis[J].Ann Rheum Dis,2016,75(5):916-923.

[10]Nossent JC,Johnsen S,Bakland G.The influence of ERAP1 gene variants on clinical phenotype in ankylosing spondylitis[J].Scand J Rheumatol,2016,45(6):474-479.

[11]Reveille JD.Genetics of spondyloarthritis-beyond the MHC[J].Nat Rev Rheumatol,2012,8(5):296-304.

[12]Sieper J,Lenaerts J,Wollenhaupt J,et al.Efficacy and safety of infliximab plus naproxen versus naproxen alone in patients with early,active axial spondyloarthritis:results from the doubleblind,placebo-controlled INFAST study,part 1[J].Ann Rheum Dis,2014,73(1):101-107.

[13]Turina MC,Yeremenko N,Paramarta JE,et al.Calprotein(S1008/9)as serum biomarker for clinicalresponse in proof-ofconcept trials in axial and peripheral spondyloarthritis[J].Arthritis Res Ther,2014,16(4):413.

[14]van der Heijde D,Landewe R,Einstein S,et al.Radiographic progression of ankylosing spondylitis after up to two years of treatment with etanercept[J].Arthritis Rheum,2008,58(5):1324-1331.

[15]Baraliakos X,Haibel H,Listing J,et al.Continuous long-term anti-TNF therapy does not lead to an increase in the rate of new bone formation over 8 years in patients with ankylosing spondylits[J].Ann Rheum Dis,2014,73(4):710-715.

[16]Poddubnyy D,Sieper J.Radiographic progression in ankylosing spondylitis/axial spondyloarthritis:how fast and how clinically meaningful?[J].Curr Opin Rheumatol,2012,24(4):363-369.

[17]Vosse D,Landewe R,Garnero P,et al.Association of markers of bone-and cartilage-degradation with radiological changes at baseline and after 2 years follow-up in patients with ankylosing spondylits[J].Rheunmatology,2008,47(8):1219-1222.

[18]Maksymowych WP,Rahman P,Shojania K,et al.Beneficial effects of adalimumab on biomarkers reflecting structural damage in patients with ankylosing spondylitis[J].J Rheumatol,2008,35(10):2030-2037.

[19]Bay-Jense AC,Wichuk S,Byrjalsen I,et al.Circulation protein fragments of cartilage and connective tissue degradation are diagnostic and prognostic markers of rheumatoid arthritis and ankylosing spondylitis[J].Plos One,2013,8(1):e54504.

[20]Spitznagel L,Nitsche DP,Paulsson M,et al.Characterization of a pseudoachondroplasia-associated mutation(His587--＞Arg)in the C-terminal,collagen-binding domain ofcartilage oligomeric matrix protein(COMP)[J].Biochem J,2004,377(Pt 2):479-487.

[21]Huvelle S,Bothy A,Lepoutre T,et al.Measurement of C-terminal cross-linking telopeptide of type I collagen:evaluation of a new automated assay[J].Clin Biochem,2013,46(16-17):1778-1779.

[22]Visvanathan S,van der Heijde D,Deodhar A,et al.Effects of infliximab on markers of inflammation and bone turnover and associations with bone mineraldensity in patients with ankylosing spondylitis[J].Ann Rheum Dis,2009,68(12):175-182.

[23]Arends S,Spoorenberg A,Efde M,et al.Higher bone turnover is related to spinal radiographic damage and low bone mineral density in ankylosing spondylitis patients with active disease:a cross-sectionalanalysis[J].PLoS One,2014,9(6):e99685.

[24]Neidart M,Baraliakos X,Seemayer C,et al.Expression of cathepsin K and matrix metalloproteinase 1 indicate persistent osteodestructive activity in long-standing ankylosing spondylitis[J].Ann Rheum Dis,2009,68(8):1334-1339.

[25]Haynes KR,Pettit AR,Duan R,et al.Excessive bone formation in a mouse model of ankylosing spondylitis is associated with decreases in Wnt pathway inhibitors[J].Arthritis Res Ther,2012,14(6):R253.

[26]Kwon SR,Lim MJ,Suh CH,et al.Dickkopf-1 level is lower in patients with ankylosing spondylitis than in healthy people and is not influenced by anti-tumor necrosis factor therapy[J].RheumatolInt,2012,32(8):2523-2527.

[27]Daoussis D,Liossis SN,Solomou EE,et al.Evidence that DKK-1 is dysfunctional in ankylosing spondylitis[J].Arthritis Rheum,2010,62(1):150-158.

[28]Heiland GR,Appel H,Poddubnyy D,et al.High level of functional dickkopf-1 predicts protection from syndesmophyte formation in patients with ankylosing spondylitis[J].Ann Rheum Dis,2012,71(4):572-574.

[29]Klingberg E,Nurkkala M,Carlsten H,et al.Biomarkers of bone metabolism in ankylosing spondylitis in relation to osteoproliferation and osteoporosis[J].J Rheumatol,2014,41(7):1349-1356.

[30]Saad CG,Ribeiro AC,Moraes JC,et al.Low sclerostin levels:a predictive marker of persistent inflammation in ankylosing spondylitis during anti-tumor necrosis factor therapy?[J].Arthritis Res Ther,2012,14(5):R216.

[31]Soliman E,Labib W,el-Tantawi G,et al.Role of matrix metalloproteinase-3 (MMP-3)and magnetic resonance imaging of sacroilitis in assessing disease activity in ankylosing spondylitis[J].RheumatolInt,2012,32(6):1711-1720.

[32]Mattey DL,Packham JC,Nixon NB,et al.Association of cytokine and matrix metalloproteinase profiles with disease activity and function in ankylosing spondylitis[J].Arthritis Ther,2012,14(3):R127.

[33]Bay-Jensen AC,Karsdal MA,Vassiliadis E,et al.Circulating citrullinated vimentin fragments reflectdisease burden in ankylosing spondylitis and have prognostic capacity for radiographic progression[J].Arthritis Rheum,2013,65(4):972-980.

[34]Eklund KK,Niemi K,Kovanen PT.Immune functions of serum amyloid A[J].Crit Rev Immunol,2012,32(4):335-348.

[35]van Eijk IC,de Vries MK,Levels JH,et al.Improvement of lipid profile is accompanied by atheroprotective alterations in high-density lipoprotein composition upon tumor necrosis factor blockade:a prospective cohort study in ankylosing spondylitis[J].Arthritis Rheum,2009,60(5):1324-1330.

[36]Toussirot E,Saas P,Deschamps M,et al.Increased production ofsoluble CTLA-4 in patients with spondylarthropathies correlates with disease activity[J].Arthritis Res Ther,2009,11(4):R101.

[37]Song IH,Heldmann F,Rudwaleit M,et al.Treatment of active ankylosing spondylitis with abatacept:an open-label,24-week pilot study[J].Ann Rheum,Dis 2011,70(6):1108-1110.