宋永嘉 王凱 宋志靖* 宋敏

1.上海中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，上海 201203 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000

強(qiáng)直性脊柱炎(ankylosing spondylitis, AS)是以累及骶髂關(guān)節(jié)和脊柱關(guān)節(jié)為主要病變的慢性結(jié)締組織疾病[1]，起初以骶髂關(guān)節(jié)的自發(fā)性炎癥為特征，引起腰骶部僵硬、疼痛，逐漸蔓延侵犯至中軸骨后發(fā)生脊柱強(qiáng)直、畸形。AS的發(fā)病年齡主要集中在15～35歲，男性患病率明顯高于女性[2]，具體病因尚不明確，目前多認(rèn)為該病的發(fā)生與HLA-B27密切相關(guān)，血清檢測(cè)HLA-B27呈陽(yáng)性者AS發(fā)病率可達(dá)10%～20%[3]，具有強(qiáng)烈的遺傳影響性。其居高不下的致殘率和巨額的經(jīng)濟(jì)投入，給社會(huì)和家庭造成了沉重的負(fù)擔(dān)。骨骼的健康依賴于骨組織微環(huán)境的穩(wěn)定，在AS病變過(guò)程中，炎性細(xì)胞因子表達(dá)異常，導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)環(huán)境紊亂；脊柱生理功能減退，機(jī)械應(yīng)力降低；腸道菌群失調(diào)，腸-骨軸紊亂等各種不良因素的疊加作用，導(dǎo)致骨吸收與骨形成之間調(diào)節(jié)機(jī)制失衡，造成骨代謝紊亂、骨量流失加劇，引起不同程度的骨質(zhì)疏松(osteoporosis，OP)[4]。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)在該研究領(lǐng)域取得的進(jìn)展做一綜述，在分子生物學(xué)水平探討AS引起骨代謝紊亂的具體機(jī)制，為AS治療過(guò)程中配合改善骨代謝治療方案的制定提供科學(xué)依據(jù)，拓寬該疾病的診治思路，以期更好地指導(dǎo)臨床。

1 免疫應(yīng)答異常

AS屬于自身免疫性疾病，免疫系統(tǒng)異?；罨?、功能失調(diào)是本病發(fā)生的主要原因。生理?xiàng)l件下，T淋巴細(xì)胞和B細(xì)胞通過(guò)各種調(diào)節(jié)機(jī)制，使人體免疫反應(yīng)維持在平衡狀態(tài)，發(fā)揮正常的保護(hù)功能。研究表明，AS患者體內(nèi)的免疫細(xì)胞發(fā)生了明顯的變化，尤以T細(xì)胞改變最為顯著[5]。T細(xì)胞來(lái)源于骨髓的多能干細(xì)胞，是介導(dǎo)人體細(xì)胞免疫應(yīng)答的功能性細(xì)胞，由于在免疫反應(yīng)中的功能存在差異，分為輔助性T細(xì)胞(helper T cells，Th)和細(xì)胞毒性T細(xì)胞(Cytotoxic T cells，Tc)。Th細(xì)胞因表面表達(dá)CD4(cluster of differentiation 4)被稱為CD4+T細(xì)胞，與抗原遞呈細(xì)胞表達(dá)的主要組織相容性復(fù)合體(major histocompatibility complex，MHCⅡ)呈遞的多肽抗原發(fā)生特異性結(jié)合后被激活，分泌相關(guān)的細(xì)胞因子，從而發(fā)揮免疫效應(yīng)。CD4+T細(xì)胞亞群比例失調(diào)、功能紊亂在AS發(fā)生發(fā)展過(guò)程中具有重要作用[6]。Th17作為CD4+T細(xì)胞的新型亞群可分泌白介素(interleukin, IL)-17、 IL-22等免疫因子，能夠促進(jìn)T細(xì)胞的激活并刺激其他細(xì)胞產(chǎn)生IL-6、IL-8、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞刺激因子(GM-CSF)等多種細(xì)胞因子，介導(dǎo)炎性反應(yīng)的發(fā)生[7]。Treg屬于調(diào)節(jié)型T細(xì)胞，對(duì)于體內(nèi)自身免疫反應(yīng)的發(fā)生具有調(diào)控作用，對(duì)機(jī)體特異性免疫抑制和免疫耐受具有顯著的影響作用。該亞群分泌的高水平IL-10和中等水平的TGF-β在一定程度上可以抑制幼稚型與記憶性T細(xì)胞的增殖；另一方面可通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)錄因子Foxp3功能的影響，對(duì)Th17細(xì)胞的增殖呈現(xiàn)出階段性的抑制作用[8]。AS患者免疫系統(tǒng)功能紊亂，體內(nèi)Th17細(xì)胞明顯升高，Treg呈低水平狀態(tài)，導(dǎo)致Th17/Treg比值增高，使IL-17、IL-22、IL-23、IL-6等炎性因子處于高表達(dá)水平，機(jī)體長(zhǎng)時(shí)間處于促炎性反應(yīng)狀態(tài)[9]，作用于相關(guān)信號(hào)通路和細(xì)胞因子，使破骨細(xì)胞(osteoclast, OC)活性增強(qiáng)，成骨細(xì)胞(osteoblast, OB)功能受到抑制，骨代謝失衡造成進(jìn)行性骨量丟失、骨強(qiáng)度降低。

1.1 促進(jìn)破骨細(xì)胞的增殖

OP的發(fā)生是OC活性異常、功能太過(guò)活躍造成的不良結(jié)果，骨吸收能力強(qiáng)于骨形成，骨量流失、骨質(zhì)量下降。OC屬于巨大的多核細(xì)胞，直徑一般在100 μm以上，成熟的OC結(jié)構(gòu)與單核巨噬細(xì)胞類似，來(lái)源于造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cell，HSC)，位于哈弗斯系統(tǒng)內(nèi)骨膜的內(nèi)表面。OC是人體唯一能夠溶解骨組織的細(xì)胞[10]，骨吸收的作用能清除舊骨基質(zhì)、完成新骨重塑，使骨重塑周期保持穩(wěn)態(tài)化。核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-кB ligand，RANKL)、核因子-κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor kappa B，RANK)及骨保護(hù)素(osteoprotegerin, OPG)組成的OPG/RANKL/RANK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)是誘導(dǎo)OC成熟、促進(jìn)骨吸收的主要通路，在OC的分化成熟中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[11]。RANKL與OC或者OC前體細(xì)胞表面的RANK相結(jié)合，產(chǎn)生的刺激信號(hào)通過(guò)核轉(zhuǎn)錄因子NF-кB呈遞轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi)[12]，使c-Fos的表達(dá)增強(qiáng)，活化的T細(xì)胞核因子和c-Fos結(jié)合后信號(hào)進(jìn)一步傳導(dǎo)，使與OC生成相關(guān)的特異性基因開始發(fā)生轉(zhuǎn)錄。生理狀態(tài)下，OPG/RANKL /RANK信號(hào)通路在促進(jìn)OC的分化、增殖并抑制其凋亡的同時(shí)，骨髓基質(zhì)及OB分泌的OPG使OPG/RANK比例保持在適當(dāng)水平[13]，以防止骨吸收過(guò)度，從而維持骨代謝的平衡。AS患者免疫系統(tǒng)紊亂，Th17細(xì)胞的異常增殖、活化可使其表面的RANKL過(guò)度表達(dá)，與OC前體細(xì)胞表面的RANK結(jié)合后啟動(dòng)OC鏈?zhǔn)椒磻?yīng)信號(hào)的傳遞，加速OC的發(fā)育成熟[14]；另一方面Th17/Treg的失衡使得免疫因子調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)也發(fā)生了相應(yīng)的改變，Th17細(xì)胞分泌大量的IL-17、IL-22、IL-23、IL-6等炎性因子，可直接促進(jìn)RANKL的表達(dá)，RANKL水平顯著升高后，OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路被激活[15]，作用于OC，骨吸收作用增強(qiáng)，骨形成相應(yīng)地減少。

1.2 抑制成骨細(xì)胞的活性

OB由骨髓來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow derived mesenchymal stem cell，BMSC)分化而來(lái)，在骨代謝中負(fù)責(zé)骨形成與修復(fù)的同時(shí)，還能對(duì)破骨細(xì)胞的生成及活性起到主導(dǎo)作用。Wnt/β-catenin是調(diào)控OB早期發(fā)育、成熟的關(guān)鍵信號(hào)通路，能夠直接促進(jìn)OB的增殖分化并增強(qiáng)其活性，還可通過(guò)對(duì)OB細(xì)胞表面OPG與RANKL表達(dá)水平的影響，減少OC的生成[16]，對(duì)骨吸收作用進(jìn)行間接調(diào)節(jié)。Wnt配體、膜受體卷軸蛋白(frizzled，F(xiàn)z)、共受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(low density lipoprotein receptor related protein，LRP)5/6及β-連環(huán)蛋白(β-catenin)等構(gòu)成了經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號(hào)通路。Wnt信號(hào)通路激活時(shí)，Wnt配體與Fz受體及LRP5/6共同受體結(jié)合形成受體復(fù)合物，抑制糖原合酶激酶-3β磷酸化β-catenin蛋白的過(guò)程，導(dǎo)致β-catenin在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)大量聚集，達(dá)到一定程度后與T細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子/淋巴樣增強(qiáng)因子(T cell factor/lymphoid enhancer factor，TCF/LEF)結(jié)合，以復(fù)合體的形式進(jìn)入到細(xì)胞核內(nèi)，啟動(dòng)下游特定靶基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)[17]，調(diào)控OB的增殖、分化及相關(guān)蛋白的合成，從而促進(jìn)骨的形成。雖然Wnt信號(hào)是維持骨形成的關(guān)鍵通路，若功能失調(diào)同樣會(huì)導(dǎo)致一系列骨骼疾病的發(fā)生，其生物活性需要骨硬化蛋白(sclerostin)、DKK-1及分泌型卷曲相關(guān)蛋白(secreted frizzled-related proteins，SFRPs)等拮抗物的調(diào)節(jié)維持在最佳水平[18]。Sclerostin通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合LRP5/6受體抑制Wnt信號(hào)的活性，進(jìn)而阻止OB的聚集、分化；DKK-1可以直接與LRP5/6結(jié)合阻斷Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)信息的傳遞，也可與含Kringle結(jié)構(gòu)域的跨膜蛋白Kremen結(jié)合形成聚合物以增強(qiáng)細(xì)胞自身的內(nèi)吞作用[19]，使LRP5/6的表達(dá)水平降低從而抑制β-catenint的磷酸化過(guò)程，進(jìn)一步影響骨的生長(zhǎng)發(fā)育。AS患者免疫系統(tǒng)持續(xù)低度活化，機(jī)體處于促炎性反應(yīng)狀態(tài)，IL-17、IL-6及TNF-α等炎性因子可上調(diào)DKK-1 與Sclerostin的表達(dá)水平[20]，下調(diào)Wnt信號(hào)的功能活性。體內(nèi)DKK-1與Sclerostin水平增多，Wnt/β-catenin信號(hào)通路被阻斷后抑制核下游調(diào)控OB分化基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)骨吸收；另外，AS患者血清內(nèi)Sclerostin表達(dá)水平的升高還可影響B(tài)MP參與骨形成的過(guò)程[21]，進(jìn)一步加劇骨量的流失。

2 脊柱運(yùn)動(dòng)減退

廢用也是造成AS患者骨量丟失、誘發(fā)OP的危險(xiǎn)因素。骶髂關(guān)節(jié)受到侵犯后病變逐漸向上蔓延，累及滑膜、韌帶附著點(diǎn)發(fā)生炎癥反應(yīng)，容易造成軟骨破壞、纖維化、骨化，軟骨內(nèi)新骨形成；軟骨下骨板在促炎性反應(yīng)狀態(tài)下變性壞死，大量鈣鹽沉積；肌肉微環(huán)境紊亂，韌帶纖維化或骨橋形成等一系列的病理改變。脊柱本身的解剖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，椎體、椎間盤及附屬韌帶屬于內(nèi)源性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，椎旁肌肉屬于外源性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，二者共同維持著脊柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與功能活動(dòng)的正常進(jìn)行，任何的不良刺激都會(huì)造成生物應(yīng)力的改變[22]。隨著病程的進(jìn)展，AS患者后期常出現(xiàn)脊柱僵硬、強(qiáng)直甚至后凸畸形，在機(jī)體活動(dòng)明顯受限的同時(shí)，脊柱及其附屬結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性也發(fā)生了相應(yīng)的改變。運(yùn)動(dòng)在骨組織的發(fā)育與重建中有著重要作用，機(jī)械應(yīng)力刺激可通過(guò)Wnt、cAMP/PKA/Atf4、OPG/RANKL/RANK等信號(hào)軸逐級(jí)傳遞[23]，影響OC及OB的分化、凋亡；還可以提高G蛋白偶聯(lián)受體48、IL-2、IFN等保護(hù)性因子的表達(dá)水平，抑制骨吸收，促進(jìn)骨形成，從而調(diào)控骨代謝的正向平衡。研究表明，機(jī)體受到適宜的機(jī)械應(yīng)力刺激后能夠上調(diào)β-catenin蛋白的表達(dá)，抑制過(guò)氧化物酶增殖激活受體γ2(peroxisome proliferator-activated receptorsγ2，PPARγ2)的活性[24]，激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路后在不但能促進(jìn)OB的增殖、分化，還能提高其對(duì)機(jī)械應(yīng)力刺激的敏感性。OPG/RANK/RANKL信號(hào)通路對(duì)骨代謝具有雙向調(diào)控作用，長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)可抑制OPG的分泌合成，OPG/RANK比值降低，OC活性增強(qiáng)；機(jī)體可耐受范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)作用于骨骼屬于良性應(yīng)力刺激，不僅可以提高OB表達(dá)OPG基因的水平，還能抑制RANKL的分泌及基因的表達(dá)[25]，對(duì)骨形成具有促進(jìn)作用。AS患者脊柱運(yùn)動(dòng)功能發(fā)生退變，活動(dòng)明顯受限，長(zhǎng)時(shí)間處于靜息狀態(tài)，骨骼受到的應(yīng)力負(fù)荷降低，體內(nèi)相關(guān)蛋白及細(xì)胞因子合成減少，BMP/Smads、OPG/RANK/RANKL、Wnt等信號(hào)通路受到的有效機(jī)械刺激也相應(yīng)地減少，骨代謝紊亂，骨吸收大于骨形成。遵循Wolff定律，附著于骨骼表面的肌肉收縮后產(chǎn)生的生物應(yīng)力可通過(guò)上述信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)直接作用于骨細(xì)胞，也可驅(qū)動(dòng)BMSC成骨分化的過(guò)程，共同維持骨組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，增加骨密度[26]。長(zhǎng)期的炎性刺激導(dǎo)致AS患者肌肉微環(huán)境紊亂，后期脊柱周圍韌帶鈣化、肌肉萎縮，肌肉功能減退，機(jī)體受到的有效機(jī)械負(fù)荷降低，進(jìn)一步影響OP的發(fā)生。

3 腸道菌群失調(diào)

腸道內(nèi)寄宿著大約1014數(shù)量級(jí)的微生物菌落，至少有1 000種細(xì)菌參與構(gòu)成了人體最大的微生態(tài)系統(tǒng)。正常情況下，腸道菌群與宿主不同發(fā)育階段的生理活動(dòng)之間構(gòu)成了嚴(yán)格的平衡關(guān)系[27]，在促進(jìn)消化代謝、營(yíng)養(yǎng)吸收，調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答反應(yīng)，構(gòu)建腸黏膜保護(hù)屏障中具有重要作用。腸道菌群對(duì)骨代謝的調(diào)控通過(guò)“菌群-腸道-骨骼”生物軸來(lái)實(shí)現(xiàn)，菌落分泌的血清素、雌激素類似物等小分子物質(zhì)影響鈣磷代謝；益生菌通過(guò)改變菌群的組成和代謝以維持Th17/Treg細(xì)胞的平衡[28]，抑制免疫系統(tǒng)低度活化，降低炎性反應(yīng)，阻斷促OC分化相關(guān)傳導(dǎo)通路的信號(hào)傳遞，從而減少骨吸收。研究表明，腸道菌群失調(diào)與AS的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是AS最常見(jiàn)的關(guān)節(jié)外并發(fā)癥，其發(fā)生率為5%～10%，約有70%以上的患者為亞臨床腸道炎癥表現(xiàn)，腸道微生態(tài)的紊亂是并發(fā)IBD的主要原因[29]。AS患者的亞臨床腸道炎癥常局限于結(jié)腸或回腸遠(yuǎn)端，通過(guò)16S rDNA及宏基因組高通量測(cè)序等技術(shù)，與健康人群相比，AS患者回腸末端毛螺旋菌、擬桿菌、韋榮球菌、普雷沃菌、紫單孢菌等明顯增加[30]，擬桿菌屬和腸桿菌屬顯著降低。處于活動(dòng)期的AS患者腸道內(nèi)小桿菌屬豐度明顯減低，且雙歧桿菌屬的豐度水平與HLA-27B 陽(yáng)性率成反比。上述一系列的研究表明，AS打破腸道菌落與宿主之間共棲互生的平衡狀態(tài)，益生菌減少、致病菌增多，通過(guò)“菌群-腸道-骨骼”軸影響骨代謝。腸道微生態(tài)紊亂抑制Treg細(xì)胞的活性，同時(shí)激活Th1與Th17細(xì)胞，Th17/Treg比值升高，介導(dǎo)異常免疫反應(yīng)[31]，IL-6、IL-17、IL-23等炎性因子的積累導(dǎo)致NF-κB 信號(hào)激活，進(jìn)一步加重炎癥反應(yīng)；促炎性反應(yīng)狀態(tài)下OPG的表達(dá)水平降低，RANKL與RANK過(guò)度結(jié)合后啟動(dòng)RANKL/RANK/OPG信號(hào)傳遞系統(tǒng)，作用于相關(guān)的分子靶點(diǎn)后促進(jìn)OC增殖、分化并增強(qiáng)其活性，造成骨量流失，最終導(dǎo)致OP的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

OP作為AS主要的并發(fā)癥，在病變?cè)?、中期就可?dǎo)致骨密度的減低，其造成進(jìn)行性脊柱破壞和脊柱骨折是致殘的首要危險(xiǎn)因素。AS屬于自身免疫性疾病，免疫應(yīng)答異常，促炎性反應(yīng)狀態(tài)造成OC與OB脫耦聯(lián)，骨吸收強(qiáng)于骨形成是誘發(fā)OP的主要原因。隨著病情的發(fā)展脊柱周圍韌帶鈣化、軟組織骨化造成脊柱僵硬、強(qiáng)直，功能活動(dòng)受限，脊柱受到的有效生物力學(xué)刺激下降，也是引起OP的重要方面，至于AS造成脊柱周圍肌肉微環(huán)境的改變?nèi)孕柽M(jìn)一步深入研究。另外，腸道菌群失調(diào)，通過(guò)“菌群-腸道-骨骼”軸功能紊亂也是導(dǎo)致骨量丟失的重要方面，AS患者腸道菌群確實(shí)發(fā)生了改變，菌群失調(diào)與AS發(fā)生、發(fā)展的具體機(jī)制將是今后研究的重點(diǎn)。本文從上述三個(gè)方面闡述了AS引起骨代謝紊亂的分子學(xué)機(jī)制，以期為AS臨床診療中積極配合抗OP治療提供理論依據(jù)，延緩病情發(fā)展，降低不良事件的發(fā)生。