免疫与炎症对破骨细胞分化的影响

张益祥 谭心辰 吴耀持

摘 要 破骨细胞是骨吸收细胞，来源于造血前体细胞，需巨噬细胞集落核因子κB（NF-κB）的刺激因子和受体激活剂配体（RANKL）才能生存、增殖、分化和激活。RANKL与其受体RANK的结合触发破骨细胞前体分化为破骨细胞。目前，可以明确的是破骨细胞和免疫细胞是受到共同调控的，破骨细胞和免疫细胞不仅有着共同的祖细胞，而且还有着许多共同调节因子，如NF-κB配体的受体激活剂，肿瘤坏死因子α（TNF-α）和干扰素γ（IFN-γ）。因此，炎症情况下所产生的一系列免疫细胞、细胞因子以及酶对破骨细胞的分化都会产生多且复杂的影响。在炎症情况下，RANKLRANK-骨保护素（OPG）系统会受到较多影响。全文综述免疫与炎症及在炎症情况下RANKL-RANK-OPG系统调控破骨细胞分化的研究进展。

关键词 破骨细胞；免疫；炎症；RANKL-RANK-OPG通路

中图分类号：R329.2+8 文献标志码：A 文章编号：1006-1533（2020）14-0030-04

Effects of immunity and inflammation on osteoclast differentiation

ZHANG Yixiang1， TAN Xinchen1， WU Yaochi2（1. Faculty of Basic Medicine of Medical School of Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200025， China； 2. Department of Traumatology for Acupuncture and Massage of the Sixth Peoples Hospital， Shanghai 200233， China）

ABSTRACT Osteoclasts are bone-resorbing cells derived from hematopoietic precursor cells which require macrophage colony-stimulating factor of nuclear factor kappa B（NF-κB） and receptor activator of NF-κB ligand（RANKL） for survival， proliferation， differentiation， and activation. Binding of RANKL to its receptor activator of NF-κB（RANK）， triggers osteoclast precursors differentiation into osteoclasts. At present， it is now clear that osteoclasts and immune cells are co-regulated， and they not only share common progenitor cells， but also have many co-regulators， such as RANKL， tumor necrosis factor α（TNF-α） and interferon γ（IFN-γ）. Therefore， a series of immune cells， cytokines and enzymes produced under inflammatory conditions have massive and complex effects on the differentiation of osteoclasts. In the case of inflammation， the RANKL-RANK-OPG system is more affected. This article reviews the research progress of immune and inflammation， and the regulation of osteoclast differentiation by RANKL-RANK-OPG system under the condition of inflammation.

KEY WORDS osteoclasts； immunity； inflammation； RANKL-RANK-OPG pathway

破骨细胞作为人体内十分重要的细胞，其生成和分化异常对骨疾病乃至口腔疾病都有很大的影响，因此了解不同环境下破骨细胞的分化情况对于这些疾病的再认识有着十分重要的作用。破骨细胞的分化是由诸多分子共同参与的过程，其中任何一种因子、受体、配体受到影响都可能会产生严重后果。炎症与免疫是一个相辅相成的过程，许多免疫细胞介导了炎症过程。对于炎症而言，其本身所产生的一系列炎症物质如环氧合酶-2（COX-2），对微环境的改变会影响破骨细胞的分化。免疫反应产物与破骨细胞不仅有共同的祖细胞，而且有许多相同的调控因子。破骨细胞来源于骨髓造血干细胞，是骨质破坏的重要参与者。由细胞核因子kB（NF-kB）受体活化因子配体（receptor activator of NF-kB ligand，RANKL）、NF-kB受体活化因子（receptor activator of NF-kB，RANK）和骨保護素（osteoprotegerin，OPG）组成的RANKL-RANK-OPG系统在骨代谢中调节着破骨细胞的分化、发育及功能。本文综述在炎症环境下RANKLRANK-OPG系统调控破骨细胞分化的研究进展。

1 免疫与炎症

当各种外源性和内源性损伤因子作用于机体，造成器官、组织和细胞损伤时，机体局部和全身会发生一系列复杂反应，以局限和消灭损伤因子，清除和吸收坏死组织和细胞，并修复损伤，机体这种复杂的以防御为主的反应称为炎症。越来越多的研究表明，几乎所有慢性疾病的发生都与炎症有着或多或少的联系，而且免疫细胞亦参与并贯穿着炎症过程。在机体受损时，体内淋巴细胞、树突状细胞（DC）、巨噬细胞、白细胞、嗜中性粒细胞和巨核细胞等因子均会参与炎症反应[1]，并受脂质介体（类花生酸，前列腺素）、趋化因子和炎症因子[肿瘤坏死因子（TNF）α，白细胞介素（IL）1β和IL6]的转导协调，在各种细胞因子激活信号转导途径中，最主要的是RANKL-RANK-OPG途径。NF-κB家族包括蛋白P50（P105/NF-κB1）、P52（P100/NF-κB2）、P65（RelA）、RelB和c-Rel蛋白的同型和异型二聚体。该家族在所有细胞类型中普遍表达，并调节必需的细胞应答，包括存活、分化、凋亡和自噬。其主要机制是细胞因子与同源细胞表面受体结合，触发由受体介导的构象变化，进而导致衔接蛋白和激酶在胞质受体基序附近募集。

2 炎症对破骨细胞分化的影响

破骨细胞分化的通路有许多，但炎症条件下对破骨细胞分化影响较大的是RANKL-RANK-OPG系统。该系统中的RANKL蛋白的作用是调控骨吸收，存在于骨细胞、增生软骨细胞的肿瘤坏死因子（TNF）家族，大部分由成骨细胞和T细胞形成，有膜结合和溶解两种形式，前者对破骨细胞形成的作用比后者更为强烈[2]。RANK蛋白的作用是诱导破骨细胞成熟的细胞因子，存在于单核和巨噬细胞的TNFR家族。OPG蛋白的作用是抑制骨吸收，增加骨皮质、密度和强度，由380个氨基酸组成，是TNF受体家族的可溶性蛋白。OPG基因在肺、心脏、肾和骨骼等组织中均有表达[3]。与OPG一起被发现的还有OPG配体（OPGL）和破骨细胞分化因子（ODE）。OPGL和ODE都是TNF家族的OPG配体，可帮助OPG抑制破骨细胞生成。研究发现RANK主要与RANKL结合，促进破骨细胞分化成熟，而OPG因子通过一定正性调节因子转化生长因子-β（TGF-β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、雌激素等或负性调节因子前列腺素E2（PGE2）、糖皮质激素等的激活竞争抑制RANK与RANKL的结合，促进其与RANKL结合，从而遏制破骨细胞分化，多以OPGRANKL的浓度比体现抑制破骨细胞分化及诱导成熟破骨细胞凋亡的能力[4]。RANKL-RANK途径也被确定为不同病理情况下骨更新的关键因素[5-6]，会受到以下因素影响。

2.1 致炎性介质COX-2

体外实验表明，用炎性因子（如IL-1和TNF-α）刺激，可使COX-2表达增加。COX-2在破骨细胞分化中的作用主要是通过刺激PGE2实现。PGE2可通过刺激成骨细胞/基质细胞或直接刺激破骨细胞祖细胞影响炎症诱导的破骨细胞生成和分化[7]；但也可反过来通过诱导COX-2扩增自身产量。PGE2在成骨细胞和破骨细胞谱系细胞上均具有受体，通过上调RANKL的表达和抑制OPG的表达间接刺激破骨细胞分化。PGE2的过量生成可能导致骨骼吸收增加，而PGE2的缺乏则可能使骨生成反应失衡。

2.2 T细胞

T细胞可以分泌破骨细胞生成刺激因子RANKL和M-CSF。Th1细胞表达的标志性分子IFN-γ是重要的炎症因子，已证实能显著降低破骨细胞前体CXCR4的表达[8-9]，从而抑制破骨细胞形成。Th2细胞主要分泌IL-4，这是一种多功能、多效性的细胞因子，可通过减少RANKL、RANK表达和增加OPG表达影响RANKLRANK-OPG系统，从而抑制破骨细胞分化[8，10]。Th17细胞是一个相对较新发现的CD4+T细胞，可刺激破骨細胞生成。Th17细胞有IL-23受体，该受体与IL-23结合后可通过刺激IL-17分泌诱导破骨细胞形成[11]，并增强基质细胞和成骨细胞中RANKL的表达，Th17细胞分泌的RANKL水平和活性更高。此外，IL-17促进了炎性因子的产生，如TNF-α，IL-6和IL-1，这些炎性因子上调RANKL表达，从而通过与RANKL信号的协同作用激活破骨细胞前体细胞。除了Th17细胞，Treg细胞亚群是CD4+T细胞的另一个特征性亚群，对预防自身免疫性疾病至关重要，可直接通过CTLA-4抑制破骨细胞的形成、分化和功能，并间接通过TGF-β，IL-4和IL-10抑制破骨细胞[12]。CD8+T细胞对骨骼具有保护作用，与RANKL一起表达大量OPG，以抑制破骨细胞生成。FoxP3是调节性T细胞的标志物，破骨细胞诱导的FoxP3+CD8 T细胞分泌抑制破骨细胞活性的细胞因子。这些细胞不直接影响破骨细胞的存活，但可作用于成熟的破骨细胞抑制肌动蛋白环形成。此外，FoxP3+CD8 T细胞还可以分泌IFN-γ和CTLA-4，抑制破骨细胞形成。

2.3 TNF-α

TNF-α主要由单核-巨噬细胞产生，活化的T细胞、自然杀伤细胞、肥大细胞和软骨细胞也能分泌。TNF-α主要有三方面作用，第一是促进成熟的造血干细胞分化为破骨细胞；第二是增加巨噬细胞和干细胞中RANK和RANKL水平；第三是促进RANKL与其受体RANK结合从而激活。此外，在TRAF6-/-OC前体中，通过RANKL诱导TRAF3的自噬降解，TNF-α诱导的破骨细胞生成被上调。因此，RANKL还可以通过不依赖TRAF6的信号通路增强TNF-α诱导的破骨细胞形成。

2.4 IL-6

IL-6与成骨细胞中RANKL的表达密切相关，可促进成骨细胞上的RANKL表达增加，从而刺激破骨细胞的形成和骨吸收，但其水平受到性激素的影响。实验表明用IL-6、IL-6R处理成骨细胞会诱导产生更多的RANKL。同时，Janus激酶2（JAK2）的磷酸化和转录激活因子（STAT3）的激活也与RANKL水平相关[13]。此外，IL-6还显示出不通过RANKL的独立机制刺激骨吸收[14]。这是由于IL-6，TGF-β和IL-1可以参与T细胞分化使之分化为Th-17，Th17可以直接促进破骨细胞分化[15]。除了可以促进破骨细胞生成，IL-6还可以抑制破骨细胞生成。研究表明，IL-6可以直接作用于源自人和小鼠骨髓的CD14+细胞，并刺激骨髓前体细胞分化为巨噬细胞，从而抑制了破骨细胞的形成[16-17]。

2.5 其他细胞因子

淋巴细胞和单核细胞表达的细胞因子不同程度地影响骨骼代谢，IL-1、IL-3、IL-7、IL-11、IL-15和IL-17不仅促进破骨细胞的产生，同时也促进表达RANKL的成骨细胞的表达。IL-4、IL-5、IL-10、IL-12、IL-13、IL-18、IFN-α、IFN-β和IFN-γ直接或间接抑制RANKL信号[18]，其中IL-10是重要的抗炎因子，其下调使炎症因子的表达增加，从而抑制炎症因子介导的破骨细胞激活。IL-10可上调OPG的分泌并下调RANKL和CSF-1的表达，从而抑制破骨细胞的分化成熟。有研究发现，在骨质疏松症中起主要作用的还有IL-31和IL-33。骨质疏松症中IL-31的表达增加，通过诱导趋化因子和促炎性破骨细胞生成素刺激骨吸收，从而导致破骨细胞前体从骨髓中募集、分化和激活[19]。此外，代表对骨保护有十分重要作用的IL-33有着抗破骨细胞作用[20]。

2.6 其他免疫细胞

B细胞和浆细胞是OPG的主要来源，OPG是 RANKL的可溶性诱饵受体，竞争性与RANKL结合，从而阻断RANKL与RANK的结合，消除RANKL对破骨细胞的作用。B细胞产生的OPG有益于维持RANKL/ RANK/OPG之间的平衡，从而保持骨骼代谢的平衡。在人类免疫缺陷病毒（HIV）中，B细胞和T细胞的变化导致成骨细胞中OPG下调，并导致破骨细胞的产量与RANKL水平之间失衡。此外，B细胞可通过产生TNF-α和TNF-β刺激破骨细胞形成，而通过产生OPG、IFN-γ和TGF-β抑制破骨细胞形成。

NK细胞能够表达RANKL和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF），有研究表明当滑膜NK细胞与单核细胞在体外共同培养时，会导致单核细胞分化为破骨细胞[21]。在正常情况下，DC不参与骨骼重塑。但在类风湿性关节炎等病理条件下，DC可以与RANKL/RANK途径相互作用，并通过调节T细胞功能间接参与由炎症因素引起的骨丢失过程。并且在存在M-CSF和RANKL的情况下，源自血液单核细胞的DC可以分化为破骨细胞，提示DC也可以直接影响骨形成[22]。在炎症的病理条件下，中性粒细胞对炎症信号作出反应并在炎症部位积聚。尽管嗜中性粒细胞被认为是合成能力有限的短寿命细胞，但活化的嗜中性粒细胞在炎症部位和脂多糖（LPS）刺激后均强烈表达高水平的RANKL[23-24]，表明中性粒细胞也能够通过介导RANKL表达激活破骨细胞骨吸收[25]。

3 总结和展望

由于免疫系统参与贯穿着炎症过程，免疫细胞如T细胞、B细胞、NK细胞、巨噬细胞都或多或少会对破骨细胞的分化产生影响，炎症性T细胞亚群可以触发破骨细胞的形成，B细胞、NK细胞、IL以及由巨噬细胞产生的TNF-α也都可以通过影响RANKL-RANKOPG系统影响破骨细胞的分化。这其中上调因子主要有COX-2、Th17、TNF-α、IL-1、IL-3、IL-6、IL-7、IL-11、IL-15、IL-17、IL-31以及NK细胞，下调因子有T细胞、TGF-β、IL-4、IL-5、IL-10、IL-12、IL-13、IL-18、IFN-α、IFN-β和IFN-γ。从而可见，凡是能对破骨细胞产生影响的因素几乎都绕不开RANKL、RANK和OPG这3个受体、配体。

在临床上，骨代谢平衡遭到破坏会导致一系列疾病。骨代谢包括骨形成和骨吸收，两者只有维持一个动态平衡，骨组织才具备正常的形态和功能。而骨吸收与破骨細胞有着十分密切的关系，当破骨细胞被过度激活时，骨吸收的程度便会加剧，患者可能会出现关节局部骨破坏或全身性骨丢失[26]。强直性脊柱炎（AS）作为一种慢性炎症性疾病，病程中患者关节受累严重，存在明显的骨质丢失，患者血清中OPG和可溶性RANKL（sRANKL）表达升高，与体质指数和骨代谢生化指标（ALKP）呈负相关，sRANKL/OPG比率升高，与腰椎密度呈负相关，RANKL-RANK-OPG系统失衡，最终导致AS患者骨量减少和骨质疏松[27-28]。在预防和治疗骨溶解疾病中，OPG、RANK—Fc和抗RANKL抗体等均是针对RANKL-RANK-OPG系统的理想靶点。同时，外源性的OPG、抗RANKL抗体、RANK—Fc及Fc—OPG融合蛋白等拮抗剂能够有效地抑制RANKL对破骨细胞的作用。因此，研究炎症条件下RANKL-RANK-OPG系统对破骨细胞的作用机制，不仅为阐明AS的发生机制奠定了基础，而且为包括AS在内的炎症性骨关节病的治疗开辟了广阔的前景。

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