强直性脊柱炎继发骨质疏松症的机制研究进展

陈斐斐 李哲 李亚楠 韩小康 陈梦晗 董庚 李文雄 杨锋,*

1.陕西中医药大学，陕西 咸阳 712000 2.河南省洛阳正骨医院，河南 郑州 471002 3.陕西中医药大学附属医院，陕西 咸阳 712000

强直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一种原发性、慢性进展性疾病，临床多见于青、壮年男性，其主要病变常首发自骶髂关节，逐渐累及脊柱、中轴骨骼，少数侵袭四肢大关节，后期可累及内脏组织，并发银屑病和炎性肠病[1]，属中医“大偻”范畴。骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨量减少、骨组织微结构退化为主要特征的代谢性骨病[2]，属中医“痿证”范畴。AS早期即可出现骨质疏松症，导致椎体骨量的减少，椎体发生楔形改变[3]，躯干和髋关节骨折、“驼背”畸形发生率也明显高于正常人群[4]。髋部骨折后1年内，各种并发症致死亡者达15%～40%，约60%存活者致残，需长期依靠护理，对患者的家庭及社会带来了巨大的经济负担[5]。有研究分析中医证型后发现，肝肾两虚证组OP程度明显高于湿热痹阻证组，为AS易合并OP提供了客观临床依据[6]。目前国内外关于AS继发骨质疏松、骨量减少的报道较少。AS引起OP是由多种因素造成的，早期有学者认为是由于脊柱强直后废用性改变引起的，而近年来相关研究显示疾病本身免疫紊乱引起了早期AS患者的骨密度(bone mineral density，BMD)降低[7]，且与AS的持续活动性有关，其发病机制有待进一步深入探讨和研究。本文主要从免疫紊乱和激素失调两方面总结AS患者继发骨质疏松症的分子机制。

1 AS免疫紊乱致骨质疏松症

强直性脊柱炎发生发展与免疫反应密切相关，免疫系统异常激活、功能紊乱是本病发生的主要原因。国内外报道显示[8]AS与人类白细胞相关抗原(HLA-B27)呈强关联性，且HLA-B27阳性率在AS患者中可高达88%～96%。HLA-B27能干扰抗原呈递，异常激活CD4+T淋巴细胞、CD8+T淋巴细胞[9]，经过促炎症级联反应，活化巨噬细胞和树突状细胞，促进Th17的活化，分泌白细胞介素17(IL-17)、IL-22、IL-23，刺激多种细胞如IL-1、IL-6、肿瘤坏死因子α(TNF-α)等生成，使AS患者发生自身免疫反应。

1.1 免疫因子在AS继发OP中的作用

1.1.1IL-17：IL-17是骨免疫学的关键分子，作为一种有效的破骨细胞因子，可以增加成骨细胞和滑膜成纤维细胞中细胞核因子κB受体活化因子配体(RANKL)的表达，增强AS中破骨细胞的形成和激活，引起骨破坏。Th17细胞数量和IL-17浓度在AS患者血清中明显高于健康者，且与疾病活动程度相关[10]。IL-17能诱导滑膜巨噬细胞中TNF-α和IL-1的产生，上调破骨细胞发生而驱动骨侵蚀[11]。IL-17A是IL-17受体家族的成员，在相关研究中发现，IL-17A促进肿瘤坏死因子受体相关因子6(TRAF6)的高表达，上调下游破骨细胞分化关键因子细胞癌基因 Fos(c-Fos)、活化T细胞核因子1(NFATc1)的表达，诱导小鼠单核巨噬细胞(RAW264.7细胞)向成熟破骨细胞分化[12]。另外，IL-17A可以和TNF-α协同促进间充质干细胞的破骨细胞形成，增加TNF-α对间充质干细胞骨基质形成的作用，并降低TNF-α对骨形态发生蛋白2(BMP2)的抑制作用[12]。对于成骨细胞，IL-17能够抑制其活化、增殖及分化，打破骨代谢的平衡，诱导发生骨质丢失。在对大鼠体内外成骨的研究中发现[13]，IL-17的存在显著降低了体外碱性磷酸酶、骨钙素和成骨蛋白的表达，还能显著抑制大鼠体内颅骨缺损的填充。然而，另一项研究发现[14]IL-17可促进小鼠颅骨缺损模型的成骨细胞分化、骨再生和骨重塑，并且指出这与IL-17受体亚型的差异表达模式相关，其促成骨作用可能是通过IL-17RA/IL-17RC复合物介导，依赖于下游介质Act1的表达发生的。这与IL-17抑制骨代谢作用相悖，其对成骨细胞的作用及其分子机制仍有待探索。

1.1.2IL-23：IL-23是一种异二聚体细胞因子，由p19和p40亚基构成，IL-23的水平不仅在强直性脊椎炎患者的血清/肠道活检标本中升高，在HLA-B27转基因大鼠中也显著升高[15]。IL-23是在稳定IL-17表达和Th17表型中起关键作用的细胞因子，可以通过刺激Th17细胞促进关节炎的关节破坏[16]。去卵巢后大鼠体内骨破坏增强，在使用抗IL-23治疗后，ROR-γt和ROR-α的表达不显著，TNF-α和RANKL等促破骨细胞因子的转录水平降低，抑制Th17发育的负调控因子FoxP3、IL-10 mRNA水平升高[17]，提示IL-23能够通过抑制FoxP3、IL-10 mRNA的表达来促进Th17的活化与增殖，增强RANKL的表达水平，参与骨吸收的过程。

1.1.3TNF-α：TNF-α作为骨吸收的强力诱导剂，通过调节破骨细胞早期的增殖与分化，促进骨吸收；能够抑制骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)的成骨分化，诱导成骨细胞的程序性坏死，抑制骨生长。在去卵巢小鼠(OVX)形成绝经后骨质疏松的研究中发现[18]，通过PI3K/AKT信号通路，TNF-α可以上调P2X7基因和相关蛋白的表达，进而增强RANKL诱导的破骨细胞分化，促进骨吸收作用。TNF-α也可通过激活下游MAPKs磷酸化直接影响骨细胞RANKL的表达，并诱导骨细胞在体内和体外的破骨能力[19]。Semaphorin (Sema)家族蛋白是细胞分泌的膜结合糖蛋白，TNF-α能通过Wnt/β-catenin信号通路抑制Sema3B，从而抑制间充质干细胞(MSCs)的成骨分化[20]。Sema3D在TNF-α诱导的体内和体外破骨细胞发生中显著上调，TNF-α通过激活JNK信号通路增加Sema3D的表达以促进破骨细胞分化[21]。在OVX大鼠PMOP模型中[22]，模型组的TNF-α阳性细胞百分率、受体相互作用蛋白1(RIP1)和RIP3阳性细胞百分率明显高于假手术对照组，应用程序性坏死特异性抑制剂necrostatin-1(Nec-1)治疗OVX大鼠后，RIP1阳性率明显下降，坏死样骨细胞在骨组织中消失，表明上调TNF-α的表达能促使骨细胞发生程序性坏死，而Nec-1可能阻抑TNF-α的效应。另有研究表明[23]，TNF-α抑制成骨细胞增殖的效应是通过降低成骨细胞的RIP3、MLKL蛋白表达来实现的，使成骨细胞发生了程序性坏死。在临床上，联合重组人Ⅱ型肿瘤坏死因子受体-抗体融合蛋白治疗活动性AS继发OP可有效控制炎症，抑制破骨细胞活性，提升BMD，显著改善症状[24]。

1.1.4维生素D：AS患者血清维生素D水平显著降低，低维生素D浓度与较高的疾病活动性、有限的脊柱活动显著相关，与骨转换标志物CTX-1、ALP、bALP呈显著负相关[25]。维生素D是调节机体钙磷代谢的重要物质，能够升高血钙和血磷，在骨质矿化和骨形成中发挥重要作用，利于机体的细胞代谢和骨骼代谢。在人体内，维生素D的活性形式1,25(HO)2D3主要负责维持钙稳态，作用依赖于结合特定的类固醇受体与转录因子的活性，维生素D受体复合物通过激活或抑制靶基因的表达，从而调节积极参与骨代谢和维持钙稳态的蛋白质的合成[26]。维生素D除了促钙吸收作用外，还具有基本的免疫调节作用，能抑制Th1和Th17细胞的活性，从而减少促炎因子的产生，还能激活Th2和Treg细胞，增加抗炎反应[27]。实验发现[28]，维生素D3通过影响AS患者血清诱导的M2单核巨噬细胞的极化，发挥Th2细胞介导的免疫调节作用，在AS继发OP的发病中发挥重要作用。

1.2 免疫疾病在AS继发OP中的作用

炎性肠病(IBD)是AS患者常见的并发症，其发病率可达7%，克罗恩病和溃疡性结肠炎在AS患者中多见[29]，镜下可见肠内炎症征象。研究发现HLA-B27转基因大鼠的关节炎和炎症性结肠炎特征表现在无菌条件下培养后得到改善[30]，表明肠道和关节炎病变过程取决于进入胃肠道的细菌的存在。AS患者肠道中乳酸杆菌常减少，肠道菌群发生改变[31]，肠道菌群失调可以驱动局部免疫反应，IL-17/IL-22/IL-23轴过度激活，可能进一步产生涉及远端部位的慢性炎症，引起骨质流失。随着IBD的发生，AS患者常伴有钙吸收不良，肠道炎症和生物功能障碍是其可能原因。实验表明，干扰素-γ(IFN -γ)可下调l型结肠钙通道的表达[32]，炎症可能会全面抑制十二指肠上皮中钙结合素和其他钙转运体的表达，从而影响钙的吸收。此外，在伴有IBD的AS患者中，IBD并发的低镁血症、乳糖不耐受和糖皮质激素的使用，会降低肠内微量元素锌、铜、硒、铁、镉、硅、氟的吸收，养分吸收减少，骨矿化不足，骨密度减低[33]。炎性肠病导致钙、维生素D以及微量元素吸收不良，这可能是AS患者继发OP的又一机制。

1.3 免疫紊乱相关信号通路

1.3.1OPG/RANKL/RANK信号通路：在AS早期，IL-1、IL-6、IL-17、TNF-α等可刺激成骨细胞表达RANKL，RANKL与破骨细胞或破骨前体细胞表面的RANK相结合，RANK在细胞内信号转导首先通过与TRAFs的直接相互作用来介导[34]，RANK与TRAFs1、2、3、5在细胞质尾部膜远端区域发生作用，与TRAF6在不同的膜近端结合基序相互作用[35]，激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)，应答RANK信号的典型NF-κB通路[36]。核转录因子NF-кB将信号传递至细胞核内，提高c-Fos的表达水平，刺激信号的进一步转运由c-Fos与活化的T细胞核因子结合来实现，使破骨细胞生成相关的特异性基因开始发生转录，激活破骨前体细胞，分化为成熟的破骨细胞，引起骨吸收的增强，导致骨质流失[31,37]。研究发现，活动期AS患者OPG水平降低，RANKL水平升高，OPG/RANKL减少，骨密度降低[38]，而OPG能通过Ca-p38-MAPK信号通路和Fas/FasL途径，阻滞RANKL与RANK结合，抑制破骨前体细胞分化，调控破骨细胞功能，还能与TNF相关性细胞凋亡诱导配体(TRAIL)结合，使TRAIL诱导的细胞凋亡作用受到抑制[39]，表明AS患者骨密度降低与炎症反应有关。

1.3.2Wnt/β-catenin信号通路：AS患者体内炎性因子对于成骨细胞的作用，是通过Wnt/β-catenin信号通路发生的，经典Wnt信号通路通过调控β-catenin的表达及其亚细胞定位发挥促成骨作用[40]。在细胞表面，Wnt蛋白与卷曲受体和低密度脂蛋白受体相关蛋白5或6 (LRP5/6)结合，使糖原合成酶激酶3β(GSK3β)发生磷酸化，也可以同时与七通道跨膜G蛋白偶联受体(frizzled，Fzd)形成双受体复合物，经过信号传递，β-catenin从其蛋白复合物中分离，进入细胞内，激活β-catenin信号[41]。在细胞质内，β-catenin大量聚集，与T细胞转录因子/淋巴样增强因子(T cell factor/lymphoid enhancer factor，TCF/LEF)结合成复合体，进入到细胞核内，启动与成骨细胞增殖分化相关靶基因的转录与表达，从而促进骨形成[42]。研究发现，AS患者血清骨代谢负调控因子骨硬化蛋白(sclerostin，SOST)、dickkopf相关蛋白(DKK-1)表达水平增高[43]，因此笔者推测，AS患者体内因炎症升高的IL-17、IL-22、IL-23和TNF-α等能上调SOST、DKK-1的表达水平，从而抑制Wnt通路和BMP信号转导，使骨形成减少，骨丢失增加[44]，导致OP的发生。

2 AS患者激素失调致骨质疏松症

强直性脊柱炎患者骨密度和激素水平会有不同程度的改变，二者具有相关性，甲状旁腺激素(PTH)和糖皮质激素(GC)常致AS患者骨代谢紊乱，出现骨质疏松症。

2.1 甲状旁腺激素

AS患者PTH水平较健康者常降低，且AS合并OP患者PTH水平下降更为显著[45]。PTH作为血钙、血磷水平的重要调节因子，体内含量不足致Wnt信号通路与内质网应激相关PERK-eIF2α-ATF4信号通路激活减少，多种骨形成关键基因表达减弱，抑制成骨细胞释放骨生长因子，减少骨量，降低骨密度，抑制骨形成[46-47]。Giovanni Orsolini等[48]研究发现，AS患者DKK-1的血清水平明显高于健康对照组，且认为与PTH血清水平呈正相关。DKK-1作为Wnt信号的抑制剂，不仅可抑制Wnt，还可增强RANKL/RANK信号[49]，而且持续的PTH信号亦可增加RANKL/RANK通路的活性，增加AS患者体内破骨细胞的发生，促进骨吸收。

2.2 糖皮质激素

在AS患者的治疗中使用GC，可以快速减轻脊柱疼痛症状，控制炎症发展，改善生活质量[50]，但糖皮质激素过多会抑制成骨细胞功能，导致糖皮质激素性骨质疏松症(glucocorti- coid-induced osteoporosis，GIOP)。GC可以通过抑制成骨细胞Wnt16的表达，同时增加硬化蛋白和其他通路抑制剂的表达，直接作用于Wnt/β-catenin信号通路，使成骨细胞生成减少[51]。GC对Notch通路也有作用，Notch受体和Delta-like(Dll)与Jagged (Jag)家族的同源配体是单通道跨膜蛋白，在相邻细胞之间传递信号，受体-配体相互作用导致Notch通路的分裂和其细胞内结构域(NICD)的释放，后者易位到细胞核并与免疫球蛋白卡帕J区(RBPJ)重组信号结合蛋白的DNA相关蛋白结合，从而形成一个活跃的转录复合物，诱导编码转录抑制相关的靶基因Hey1、Hey2和HeyL[52]。GC通过增强Notch受体表达，使转录因子Hes、Hey表达增加，导致成骨细胞功能受损和骨形成减少[53]。此外，GC能升高Bax/Bcl-2比值，降低自噬相关标志物Becn1、Atg5、LC3Ⅱ的表达，促进成骨细胞凋亡并抑制自噬，引起骨质疏松[54]。对于破骨细胞，GC除了通过增加RANKL/OPG比值来增加破骨细胞的生成和骨吸收外，也可以直接抑制其凋亡，还能直接通过激活破骨细胞祖细胞中的二聚糖皮质激素受体增强其骨吸收活性[55]。

3 结语

AS属于自身免疫性疾病，免疫系统紊乱，激素失调，产生的细胞因子启动多种信号通路后，对其进行正向调控与负向调控，如Wnt通路介导成骨细胞的增值与分化来促进成骨，RANK通路介导破骨细胞的生成和功能来增强骨吸收，使得破骨细胞活性异常活跃，成骨细胞活跃不明显，骨破坏多于骨形成，致使骨代谢紊乱，引起骨质疏松症。AS继发OP患者发生骨折的情况普遍存在，临床发病率高，AS与OP症状都可表现为腰骶部疼痛，容易混淆，而AS患者少有检测骨密度者，致使AS继发OP人群就诊率很低，故AS早期诊疗过程积极配合抗骨质疏松治疗对提高患者生命质量与改善预后有重要意义，应该引起临床工作者的重视。然而，AS继发OP的机制非常复杂，对相关信号通路和通路间相互作用的研究并不完全，确切的发病机制还需探索。深入研究AS继发OP相关分子信号通路上的作用靶点，有助于进行疾病的靶向治疗，这可能成为防治AS继发OP的有效途径。