郝健明(綜述)，練克儉(審校)

(中國人民解放軍第一七五醫(yī)院骨科醫(yī)院，福建漳州363000)

骨折愈合可以分為血腫炎癥機(jī)化期、骨痂形成期和骨板塑形期。炎癥是在骨折或骨損傷中發(fā)揮關(guān)鍵作用的生物反應(yīng)。越來越多的研究表明，免疫系統(tǒng)可調(diào)控炎性反應(yīng)，且可消滅炎癥對(duì)骨破壞的影響[1-3]。炎癥可分為細(xì)菌性和無菌性。細(xì)胞碎片和外來物均可刺激細(xì)胞產(chǎn)生很多細(xì)胞因子，從而發(fā)生一系列炎性反應(yīng)。而細(xì)胞因子種類繁多，根據(jù)其對(duì)炎性反應(yīng)的不同調(diào)控，可分為促炎因子和抗炎因子兩大類?，F(xiàn)就這兩類因子對(duì)骨折愈合影響的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 促炎因子與骨修復(fù)

在臨床環(huán)境中促炎因子因?qū)堑钠茐男杂绊懚雒?。在骨組織工程戰(zhàn)略中骨再生可能性也沒有被廣泛探討。在生物材料研究中，腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素1(interleukin-1，IL-1)和其他炎性細(xì)胞因子是最有名的異物反應(yīng)介質(zhì)，炎性反應(yīng)不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的組織損傷也會(huì)使植入材料過早失效[4]。促炎癥分子也常會(huì)在風(fēng)濕性疾病患者中影響骨代謝，關(guān)節(jié)炎患者中高水平的TNF-α和IL-1可直接導(dǎo)致關(guān)節(jié)和骨的破壞[5]。

1.1 TNF-α 慢性炎性刺激細(xì)胞產(chǎn)生活素類產(chǎn)物，導(dǎo)致內(nèi)源性TNF-α大量聚集，刺激骨的再吸收和抑制骨生成。TNF-α是與骨吸收有關(guān)的一個(gè)細(xì)胞因子，破骨細(xì)胞被激活使骨吸收加速從而破壞骨組織。體外實(shí)驗(yàn)顯示，TNF-α可抑制成骨細(xì)胞分化[6]。

TNF-α和相關(guān)分子是引發(fā)細(xì)胞死亡還是促進(jìn)細(xì)胞存活取決于他們所結(jié)合的特定的細(xì)胞表面受體、細(xì)胞類型以及隨后激活的胞內(nèi)級(jí)聯(lián)信號(hào)[7]。TNF-α 調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化功能是通過TNF-α的兩個(gè)細(xì)胞表面受體腫瘤壞死因子受體1(tumor necrosis factor receptor 1，TNFR1)和TNFR2實(shí)現(xiàn)的。TNFR1始終存在于骨組織中，相比之下，TNFR2只在骨損傷后才會(huì)表達(dá)[8]。在體外培養(yǎng)系統(tǒng)中，TNF-α的信號(hào)會(huì)促進(jìn)來自正常和TNFR1缺失小鼠細(xì)胞的骨形成。然而，在TNFR2缺失的細(xì)胞中，TNF-α的信號(hào)會(huì)刺激破骨細(xì)胞分化和骨吸收，結(jié)果是相反的[9]。TNFR2激活而產(chǎn)生的級(jí)聯(lián)信號(hào)可能會(huì)調(diào)節(jié)TNF-α在骨折愈合中的再生效應(yīng)[6，9]。

在骨折愈合過程中，TNF-α及其受體TNFR1和TNFR2表達(dá)遵循雙相模式。小鼠骨損傷模型中24 h時(shí)TNF-α水平達(dá)峰值，72 h內(nèi)恢復(fù)到基線水平。TNF-α在此期間主要是由巨噬細(xì)胞和其他炎性細(xì)胞的表達(dá)[8，10]。TNF-α可以誘導(dǎo)級(jí)聯(lián)信號(hào)分子釋放發(fā)揮趨化作用并招募骨再生所需的細(xì)胞。TNF-α的水平在軟骨內(nèi)骨形成約2周后再次上升。在此期間，TNF-α由成骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)源細(xì)胞表達(dá)，包括肥大軟骨細(xì)胞進(jìn)行軟骨內(nèi)成骨[8，11]。

TNF-α缺陷的小鼠骨折愈合明顯受損，骨形成會(huì)延遲幾周。在損傷后前2天每日局部注射TNF-α后導(dǎo)致4周后骨折愈傷組織礦化明顯增加。然而，TNF-α缺陷的小鼠有正常的骨骼[12]。

TNF-α是重要的破骨細(xì)胞調(diào)控因子之一。體外研究表明，TNF-α刺激破骨細(xì)胞形成和骨吸收，增加骨髓培養(yǎng)時(shí)破骨細(xì)胞樣細(xì)胞的形成[13]。TNF-α增加巨噬細(xì)胞的吞噬功能，對(duì)許多免疫細(xì)胞有趨化和黏附作用，使之定位在結(jié)核感染部位，對(duì)防止感染擴(kuò)散起著很重要的作用[14]。TNF-α在骨髓基質(zhì)細(xì)胞和破骨細(xì)胞前體細(xì)胞共培養(yǎng)中刺激破骨細(xì)胞形成的能力依賴于IL-1，但 TNF-α誘導(dǎo)骨溶解依賴于巨噬細(xì)胞刺激因子[15]。

盡管TNF-α對(duì)骨的影響已被研究了幾十年，但也是在最近才確認(rèn)，這種分子也可以發(fā)揮相反的作用，這取決于它被釋放的環(huán)境。分子信號(hào)通路的刺激是TNF-α產(chǎn)生的間充質(zhì)干細(xì)胞在體外誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化的原因，而抑制TNF-α的釋放會(huì)減少成骨細(xì)胞分化的信號(hào)[7]。有研究認(rèn)為，TNF-α也參與免疫病理，造成組織壞死。因此，TNF-α可依據(jù)具體的病理生理狀態(tài)不同而發(fā)揮促炎癥和抗炎癥作用[16]。

1.2 IL-1 IL-1主要是由免疫活性細(xì)胞所分泌的具有廣泛生物活性的多肽。與TNF-α不同，IL-1不影響骨骼發(fā)育，IL-1的缺乏不會(huì)影響體內(nèi)骨折愈合[17]。然而，缺乏IL-1α和(或)IL-1β(IL-1的兩種形式)的小鼠，相比正常小鼠具有較高的骨密度和股骨骨量，這已被歸因于破骨細(xì)胞發(fā)育受損[18]。預(yù)培養(yǎng)的間充質(zhì)干細(xì)胞誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化，暴露于IL-1β(無地塞米松)的培養(yǎng)液中，顯示早期和晚期成骨細(xì)胞分化標(biāo)志物有顯著的劑量依賴性增加，而同時(shí)暴露于IL-1β和地塞米松卻有相反的效果。最近的一項(xiàng)研究報(bào)道指出，每日局部IL-1β注射可在骨折后第3天導(dǎo)致體內(nèi)骨再生輕微加速[17]。

IL-1雖然是一個(gè)獨(dú)特的因子，但其對(duì)骨的效果在很大程度上與TNF-α重疊。與TNF-α相同，IL-1的表達(dá)也是雙相模式。在骨折愈合的小鼠模型中，骨折后其水平立即上升，24 h后達(dá)到高峰，72 h則檢測(cè)不到，IL-1在這樣的炎性反應(yīng)中主要體現(xiàn)在巨噬細(xì)胞的變化[8，19]。IL-1會(huì)觸發(fā) IL-6、前列腺素和其他促炎因子級(jí)聯(lián)信號(hào)的釋放，這也刺激血管生成和促進(jìn)，穩(wěn)定骨折部位的軟骨痂形成。IL-1表達(dá)的第二個(gè)高峰期發(fā)生在損傷后大約3周，在此期間，IL-1主要是由成骨細(xì)胞表達(dá)并通過刺激蛋白酶降解愈傷組織來促進(jìn)骨重構(gòu)。

骨折愈合過程中IL-1的不同功能可以歸結(jié)為IL-1兩個(gè)受體(IL-1RⅠ和IL-1RⅡ)表達(dá)的差異。在骨折愈合的小鼠模型中，IL-1RⅡ的表達(dá)也遵循相同的雙相模式。與此相反，IL-1RⅠ是在炎癥階段唯一可檢測(cè)到的指標(biāo)[8]。IL-1RⅠ缺陷小鼠骨量減少，且破骨細(xì)胞會(huì)增加到基礎(chǔ)水平的2倍，在骨骼平衡中這種分子信號(hào)的重要性得以體現(xiàn)[20]。在關(guān)節(jié)炎的小鼠模型中，由于基因突變導(dǎo)致IL-1缺陷可以防止骨關(guān)節(jié)病。

1.3 IL-6 IL-6在正常骨骼發(fā)育和骨再生中是必需的。缺乏IL-6的小鼠骨密度降低，骨折愈合會(huì)受損[21]。在體外的成骨細(xì)胞分化研究中表明，暴露IL-63～6 d的成骨標(biāo)志物Runx2和骨鈣素基因的表達(dá)增加[22]。在體內(nèi)骨折愈合模型中反復(fù)局部注射甲狀旁腺激素片段和IL-6，在損傷后前2周會(huì)顯著增加骨痂的機(jī)械強(qiáng)度并加速骨愈合。然而，此處理后會(huì)降低未受損傷的骨骼的機(jī)械強(qiáng)度[23]，這是因?yàn)槿硇宰⑸涞男Ч?，這也強(qiáng)調(diào)了需要一個(gè)控釋系統(tǒng)，以提供有針對(duì)性的細(xì)胞因子傳遞到骨損傷的部位。

在骨再生的小鼠模型中，傷后IL-6立即上升并且在第1周結(jié)束時(shí)恢復(fù)到基線水平[10]。IL-6調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化，并且還通過刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子的釋放促進(jìn)血管生成[21]。與TNF-α和 IL-1不同，IL-6的表達(dá)被限制在炎癥期。在骨折愈合的重塑階段IL-6保持在基線水平[10]。IL-6缺乏可顯著延遲骨折愈合的早期階段，包括骨折骨痂的礦化和重構(gòu)。骨折2周后，IL-6缺陷的小鼠骨折部位礦化減少，軟骨含量增加;傷后4周，骨折愈合與IL-6充滿小鼠[21]。在人類患者中，IL-6骨折后幾個(gè)月持續(xù)上升，較高的水平會(huì)致?lián)p傷部位的承重能力下降[24]。

1.4 IL-8 IL-8是由諸多細(xì)胞(如單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等)產(chǎn)生的具有趨化作用的早期炎性細(xì)胞因子。IL-8對(duì)中性粒細(xì)胞具有趨化作用，引導(dǎo)中性粒細(xì)胞變性及顆粒的釋放，是中性粒細(xì)胞激活和遷移的重要調(diào)控因子和進(jìn)入受傷組織的重要介質(zhì)，是對(duì)損傷病理過程非常重要的細(xì)胞因子。TNF-α、IL-1β、內(nèi)毒素和病毒等可誘導(dǎo)這些細(xì)胞產(chǎn)生IL-8。研究證明，在感染、創(chuàng)傷患者的血清及局部均可檢測(cè)到高水平的IL-8，且IL-8的升高與疾病的進(jìn)展、轉(zhuǎn)歸有關(guān)[25-26]。

2 抗炎因子與骨修復(fù)

2.1 IL-10 IL-10具有很強(qiáng)的抗炎及免疫抑制活性。它能抑制IL-2、干擾素γ及促炎因子的產(chǎn)生和釋放，能抑制人的Th2導(dǎo)致細(xì)胞增生和細(xì)胞因子產(chǎn)生的減少。在體內(nèi)，IL-10合成晚于促炎細(xì)胞因子。有研究顯示，在脂多糖攻擊約30 min后即可見促炎細(xì)胞因子的大量釋放，而IL-10則在脂多糖攻擊后6～8 h達(dá)到高峰，較促炎細(xì)胞因子反應(yīng)延遲[27]。這一現(xiàn)象支持IL-10在體內(nèi)發(fā)揮促炎反應(yīng)負(fù)調(diào)控劑的角色。IL-10已在人類和動(dòng)物模型炎性疾病證明能成功地減少炎癥和改善功能。

Mohamed等[28]利用小鼠 RAW264.7巨噬細(xì)胞系和小鼠骨髓細(xì)胞研究得出，IL-10抑制小鼠和大鼠的破骨細(xì)胞形成和骨吸收功能，IL-10可通過抑制活化T細(xì)胞核因子c1的表達(dá)和核轉(zhuǎn)位間接上調(diào)骨保護(hù)素的表達(dá)，下調(diào)成骨細(xì)胞的核因子κB受體活化劑配體和巨噬細(xì)胞刺激因子的表達(dá)，從而抑制破骨細(xì)胞形成。IL-10缺失小鼠骨質(zhì)疏松，牙周泡狀骨丟失顯著增加[29]。

調(diào)節(jié)性T細(xì)胞可產(chǎn)生免疫調(diào)節(jié)分子，如IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子β，直接影響細(xì)胞毒性T細(xì)胞和抗原呈遞細(xì)胞的功能;下調(diào)促炎細(xì)胞因子干擾素γ和TNF-α的產(chǎn)生及直接抑制IL-2 mRNA的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[30]。

2.2 IL-4 IL-4是由活化的T細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子，在體內(nèi)、體外均證實(shí)IL-4可以抑制IL-1、IL-6和TNF分泌，并促進(jìn)IL-1Ra產(chǎn)生，發(fā)揮抗炎作用。

IL-4是一個(gè)所謂的“抑制性細(xì)胞因子”，這是免疫學(xué)中的術(shù)語，傾向于抵消TNF-α和IL-1的促炎效應(yīng)的分子[31]。IL-4的目標(biāo)是抑制破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞在體內(nèi)的骨重構(gòu)。重組IL-4和IL-13的局部調(diào)節(jié)對(duì)治療或預(yù)防骨質(zhì)溶解可能更可行有效[32]。在一項(xiàng)研究中，植入異種脫鈣骨基質(zhì)刺激體內(nèi)異位成骨，缺乏IL-4和IL-13減少新生血管形成，這一發(fā)現(xiàn)可能影響骨組織工程的發(fā)展策略[33]。

3 結(jié)語

正常且適度的炎性反應(yīng)是機(jī)體的一種防御反應(yīng)，可以促進(jìn)骨折愈合;但是感染、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎或其他原因引起的長期慢性炎性反應(yīng)，則對(duì)骨折愈合不利。細(xì)胞因子在炎性反應(yīng)應(yīng)答調(diào)節(jié)機(jī)制中至關(guān)重要，是細(xì)胞與細(xì)胞間相互溝通的信號(hào)之一，細(xì)胞因子間相互協(xié)同或拮抗作用介導(dǎo)并維持細(xì)胞間的協(xié)調(diào)。細(xì)胞因子的變化可早期、準(zhǔn)確地反映炎癥狀況。炎性細(xì)胞因子對(duì)骨的影響取決于其表達(dá)的時(shí)間和環(huán)境。一個(gè)單一的細(xì)胞因子可以促進(jìn)骨修復(fù)和溶解。這些分子機(jī)制將會(huì)被進(jìn)一步研究以便合理控制炎癥和誘導(dǎo)骨再生。

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