楊旭峰 郝彥明 陸軻 何大偉 岳雨珊 李翀*

1.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000 2.江蘇大學(xué)附屬昆山醫(yī)院，昆山市第一人民醫(yī)院，江蘇 昆山 215300

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種以骨量減低和骨結(jié)構(gòu)破壞為特征，并易致骨強(qiáng)度受損甚至發(fā)生骨折的疾病[1-2]。此病發(fā)生發(fā)展受諸多因素影響，如性別、年齡、飲食習(xí)慣、性激素及家族史[3]。本病屬于慢性增齡性疾患，患病率隨年齡增長(zhǎng)逐步上升，中國(guó)老年人OP患病率為37.7%，且女性患病率比男性高，南方患病率比北方高[4]。另有研究報(bào)道2015年我國(guó)用于OP性骨折的醫(yī)療費(fèi)用為720億元，預(yù)計(jì)到2035年將增至1 320億元，給家庭及社會(huì)造成沉重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[5]。OP已成為我國(guó)重大公共衛(wèi)生問(wèn)題，防治OP刻不容緩。其發(fā)生發(fā)展主要與骨吸收、骨形成之間動(dòng)態(tài)失衡有關(guān)，主要表現(xiàn)為成骨細(xì)胞(osteoblast，OB)凋亡、破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)過(guò)度活化及骨髓(bone marrow，BM)間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)分化異常。近些年研究表明在性別類固醇激素充足的情況下，骨丟失仍在持續(xù)發(fā)生，說(shuō)明機(jī)體內(nèi)在的相關(guān)衰老機(jī)制影響骨生長(zhǎng)，而衰老的標(biāo)志即慢性低度炎癥[6]。

目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展一定數(shù)量研究表明炎性BM微環(huán)境對(duì)骨具有一定影響，本文將結(jié)合已有研究結(jié)果，簡(jiǎn)要闡述炎性BM微環(huán)境對(duì)OP發(fā)生發(fā)展的影響機(jī)制。

1 炎性BM微環(huán)境

BM中含一系列細(xì)胞，如MSCs、造血干細(xì)胞(haematopoietic stem cells，HSCs)、OB、OC、髓系免疫細(xì)胞、淋巴細(xì)胞及BM基質(zhì)細(xì)胞[7]，其中MSCs和HSCs是多能干細(xì)胞群。MSCs可分化為軟骨細(xì)胞、BM脂肪細(xì)胞及OB[8]，而HSCs可分化為BM系細(xì)胞群及淋巴免疫細(xì)胞群[9]。這些含有不同功能的細(xì)胞及細(xì)胞基質(zhì)共同組成BM微環(huán)境。伴隨年齡增長(zhǎng)，炎癥因子不斷累積，會(huì)改變BM微環(huán)境，增加BM促炎性，打破機(jī)體內(nèi)OB與OC間動(dòng)態(tài)平衡，加快OP發(fā)展進(jìn)程。參與此過(guò)程的炎癥因子主要包括中性粒細(xì)胞及巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的白介素-1(IL-1)、基質(zhì)細(xì)胞分泌的白介素-6(IL-6)、T輔助細(xì)胞分泌的白介素-17(IL-17)及巨噬細(xì)胞分泌的腫瘤壞死因子(TNF-α)等[10]。但目前有關(guān)各炎癥因子在不同部位骨骼及不同骨質(zhì)中的濃度分布尚未開(kāi)展相關(guān)研究。

2 炎性BM微環(huán)境對(duì)骨細(xì)胞的影響

2.1 炎性BM微環(huán)境對(duì)OC的影響

在炎性BM微環(huán)境中，IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α等炎癥因子促進(jìn)OC分化，具體機(jī)制見(jiàn)圖1。

圖1 炎性BM微環(huán)境對(duì)OC的影響Fig.1 Effect of inflammatory bone marrow microenvironment on osteoclasts

2.1.1IL-1在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OC的影響：Li等[11]及Kitaura 等[12]研究表明IL-1α及IL-1β可與IL-1RI相結(jié)合增加BM基質(zhì)細(xì)胞中RANKL表達(dá)，提高促OC分化的c-Fos表達(dá)，加快其與NFATc1因子結(jié)合，繼而提高NFATc1相關(guān)基因TRAP、CTSK及MMP-9的表達(dá)，刺激OC前體分化，活化多核OC，促進(jìn)OC成熟，加快骨吸收。另外，Sun 等[13]研究表明在適當(dāng)?shù)腂M微環(huán)境條件下，IL-1及IL-1RI可激活MITF因子，增加OC特異性基因表達(dá)，如OC相關(guān)受體(OSCAR)及TRAP，進(jìn)而促進(jìn)OC分化成熟。關(guān)于IL-1在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OC分化的影響，因每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)方案存在差異，故研究得到的作用機(jī)制會(huì)有所不同[14-15]，但有一點(diǎn)可基本明確，即IL-1在此環(huán)境中會(huì)誘發(fā)OC分化成熟，加快骨吸收。

2.1.2IL-6在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OC的影響：IL-6一方面可激活JAK2/STAT3軸，上調(diào)RANKL表達(dá)[16]，促使OPG分子量相對(duì)下調(diào)，打破RANKL與OPG間平衡狀態(tài)；另一方面可增加RANKL受體量，大幅提升OC對(duì)RANKL的刺激敏感性。通過(guò)上述兩方面作用，IL-6加速機(jī)體內(nèi)骨量丟失。同時(shí)，IL-6也可直接結(jié)合OC上的對(duì)應(yīng)受體，加快骨分解，促進(jìn)骨吸收[17]。

2.1.3IL-17在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OC的影響：低濃度IL-17可上調(diào)OC相關(guān)基因表達(dá)，啟動(dòng)OC前體，激活RANKL-JNK通路，刺激OB分泌RANKL，并促進(jìn)RANKL與RANK結(jié)合，激活下游JNK信號(hào)分子，增強(qiáng)自噬活性，啟動(dòng)自噬通路，間接促進(jìn)OC分化，加強(qiáng)骨代謝[18-19]。

2.1.4TNF-α在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OC的影響：TNF-α激活NF-kB通路，增加BM基質(zhì)細(xì)胞及OB中M-CSF及RANKL的表達(dá)，進(jìn)而激活OC分化的信號(hào)通路，促進(jìn)OC生成，加快骨吸收[20-21]。

2.2 炎性BM微環(huán)境對(duì)OB的影響

在炎性BM微環(huán)境中，IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α等炎癥因子抑制OB分化，具體機(jī)制見(jiàn)圖2。

圖2 炎性BM微環(huán)境對(duì)OB的影響Fig.2 Effect of inflammatory bone marrow microenvironment on osteoblasts

2.2.1IL-1在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OB的影響：正常的OB分化由WNT/β-catenin通路介導(dǎo)[22]。炎癥因子IL-1在BM微環(huán)境內(nèi)累積可增加11β-HSD1表達(dá)，進(jìn)而間接刺激DKK1生成[23]。DKK1是WNT/β-catenin信號(hào)通路的可溶性抑制劑，其水平上調(diào)會(huì)致使配體WNT、單通道跨膜輔受體LRP及七-跨膜信號(hào)受體Frizzled組成的異源三聚體復(fù)合物量下降，進(jìn)而抑制WNT/β-catenin通路激活[24]，下調(diào)β-catenin表達(dá)，降低β-catenin在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)累積量及向細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移量，減少β-catenin與DNA中TCF/LEF反應(yīng)元件的結(jié)合量，抑制骨形成基因轉(zhuǎn)錄，延緩骨形成。同時(shí)，DKK1過(guò)度表達(dá)可致關(guān)節(jié)炎、多發(fā)性BM瘤等疾病發(fā)生，進(jìn)而引起骨損傷，甚至骨丟失[25]。

2.2.2IL-6在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OB的影響：IL-6與SIL-6R或mIL-6R結(jié)合導(dǎo)致信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子gp130同源二聚，繼而激活兩種主要細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，即SHP2/MEK2/ERK和SHP2/PI3K/Akt2，一方面通過(guò)JAK/STAT3正調(diào)控促進(jìn)OB分化，另一方面負(fù)調(diào)控抑制OB分化，但總體以抑制OB分化為主。且IL-6可降低與OB分化相關(guān)的ALP、Runx2和骨鈣素的表達(dá)，進(jìn)而降低OB骨礦化能力，抑制OB分化[8]。

2.2.3IL-17在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OB的影響：IL-17可上調(diào)N-鈣粘蛋白表達(dá)，進(jìn)而抑制PTHR1與LRP間交互作用，負(fù)調(diào)控Wnt信號(hào)通路，干擾LRP6功能，抑制OB分化。目前此觀點(diǎn)已在基礎(chǔ)及臨床研究中得以驗(yàn)證。2017年，Mansoori等[26]采用IL-17預(yù)處理OB，處理后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)N-鈣粘蛋白、硬化蛋白呈高表達(dá)，PTHR1與LRP6間交互作用減弱，SOST表達(dá)上調(diào)，OB分化減緩。且近年來(lái)有相關(guān)研究表明骨關(guān)節(jié)炎患者發(fā)生炎癥性骨丟失原因之一即因IL-17介導(dǎo)所致Wnt信號(hào)通路改變[27]。

2.2.4TNF-α在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OB的影響：Lee等[28]研究表明TNF-α可上調(diào)Smurfl表達(dá)，抑制BMP-2通路，加快Runx2降解，降低IGF-1、SMADs及Runx2表達(dá)，進(jìn)而抑制OB分化。Chen等[29]通過(guò)建立Timp基因敲除小鼠模型開(kāi)展相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)TNF-α可通過(guò)上調(diào)DKK-1表達(dá)，阻礙Wnt通路，抑制MSCs分化為OB。另外，Wang等[30]研究表明TNF-α可激活NF-kB信號(hào)通路，進(jìn)而抑制MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化。

但國(guó)內(nèi)外有部分研究者提出了相反觀點(diǎn)。Huang等[31]、Glass等[32]研究表明低濃度的TNF-α具有成骨活性，可通過(guò)上調(diào)Runx2、Osx、ALP及BMP-2水平，促進(jìn)成骨分化。

目前關(guān)于TNF-α在炎性BM微環(huán)境中對(duì)OB的影響尚無(wú)明確定論，但考慮與此炎癥因子的濃度、暴露時(shí)間及細(xì)胞分化程度相關(guān)。

2.3 炎性BM微環(huán)境對(duì)MSCs的影響

在炎性BM微環(huán)境中，IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α等炎癥因子可通過(guò)對(duì)MSCs的影響，干預(yù)機(jī)體成骨及破骨分化進(jìn)程，具體機(jī)制見(jiàn)圖3。

圖3 炎性BM微環(huán)境對(duì)MSCs的影響Fig.3 Effect of inflammatory bone marrow microenvironment on mesenchymal stem cells

2.3.1IL-1在炎性BM微環(huán)境中對(duì)MSCs的影響：在炎性BM微環(huán)境中，IL-1β可刺激MSCs中的IL-1β受體，激活PKCd通路，磷酸化IkB，使NF-kB易位至細(xì)胞核中，激活與MLCK表達(dá)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄通路，改變細(xì)胞骨架，使干細(xì)胞遷移，啟動(dòng)骨修復(fù)進(jìn)程。另外，Lin 等[33]研究表明IL-1β可激活PKCa，磷酸化MEK及ERK，繼而也激活與MLCK表達(dá)相關(guān)的通路，使細(xì)胞骨架發(fā)生改變，促進(jìn)骨修復(fù)。

2.3.2IL-6在炎性BM微環(huán)境中對(duì)MSCs的影響：MSCs可免疫調(diào)節(jié)周圍微環(huán)境，具體表現(xiàn)為MSCs在一定條件下可提高toll樣受體數(shù)量，激活TLR4-NF-kB通路[34]，增加炎癥因子如IL-6的數(shù)量，降低MSCs成骨分化能力[35]，但其中的詳細(xì)機(jī)制尚待進(jìn)一步深入研究。

2.3.3IL-17在炎性BM微環(huán)境中對(duì)MSCs的影響：Al-Mansoori等[36]研究表明IL-17可通過(guò)依賴于活性氧產(chǎn)生的方式刺激hMSC增殖，并誘導(dǎo)hMSCs在OB中運(yùn)動(dòng)、遷移及分化，同時(shí)明顯抑制hMSCs中的脂肪細(xì)胞分化，促進(jìn)脂肪細(xì)胞脂解，增加堿性磷酸酶的表達(dá)，提升骨礦化能力，促進(jìn)成骨分化。同時(shí)，Wang等[37]研究表明TNF-α可輔助IL-17共同調(diào)節(jié)hMSCs，促進(jìn)OB分化。此外，Scheffler等[38]研究表明IL-17可通過(guò)JAK/STAT信號(hào)通路，促進(jìn)瘦素生成，抑制脂肪產(chǎn)生，促進(jìn)成骨。

但目前有關(guān)IL-17在炎性BM微環(huán)境中對(duì)MSCs的影響，有部分研究提出其他觀點(diǎn)。Krsti等[39]研究發(fā)現(xiàn)IL-17可誘導(dǎo)Wnt拮抗劑分泌卷曲相關(guān)蛋白1，并提高此蛋白的mRNA表達(dá)，進(jìn)而抑制大鼠及小鼠顱骨OB前體細(xì)胞分化，延緩顱骨再生進(jìn)程。同時(shí)，Goff等[19]研究表明IL-17一方面可通過(guò)降低蛋白激酶A活性及緩解SOX9磷酸化進(jìn)程，進(jìn)而抑制軟骨生成；另一方面可通過(guò)增加膠原酶(MMP-1、MMP-13)及基質(zhì)溶血素(MMP-3)表達(dá)，降低其抑制劑(TIMP-2、TIMP-4)及ECM成分(II型膠原、聚集聚糖)表達(dá)，進(jìn)而加快軟骨降解。

在炎性BM微環(huán)境中，IL-17通過(guò)對(duì)MSCs的影響，可負(fù)向調(diào)控軟骨分化，但對(duì)于成骨分化的作用尚無(wú)明確定論。

2.3.4TNF-α在炎性BM微環(huán)境中對(duì)MSCs的影響：Kuang等[40]研究表明TNF-α水平增高會(huì)干擾miR-146a-Smad4軸，引起氧化和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，激活I(lǐng)RE1/TRAF2/ASK1通路，提高PERK、IRE1A及ATF6的表達(dá)，繼而激活NF-kB信號(hào)通路，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，降低Runx2及Osterix表達(dá)，抑制MSCs成骨分化。同時(shí)，Xin 等[41]通過(guò)對(duì)C57小鼠開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)TNF-α?xí)档统晒窍嚓P(guān)基因表達(dá)，抑制MSCs向OB分化，從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了上述諸項(xiàng)研究的觀點(diǎn)。綜上所述，在BM微環(huán)境中，通過(guò)TNF-α誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)對(duì)MSCs的影響會(huì)抑制成骨分化。

3 存在的問(wèn)題與展望

3.1 存在的問(wèn)題

3.1.1炎癥因子研究種類有限：因炎癥因子累積使BM微環(huán)境炎性化，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)體成骨及破骨進(jìn)程。目前大部分研究著眼于IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α對(duì)OP發(fā)生發(fā)展的影響，而其他炎癥因子如IL-12、IL-23、IL-27等對(duì)OP發(fā)生發(fā)展的研究尚較少，暫不能全面揭示炎性BM微環(huán)境對(duì)OP發(fā)生發(fā)展的影響。

3.1.2炎癥因子研究角度有限：目前大部分研究?jī)H是針對(duì)某一類炎癥因子如IL-1、IL-6、IL-7及TNF-α對(duì)OP發(fā)生發(fā)展的影響，且主要關(guān)注某一類炎癥因子對(duì)某一骨細(xì)胞如OB、OC及MSCs的作用機(jī)制，而各類炎癥因子相結(jié)合共同干預(yù)OP發(fā)生發(fā)展的機(jī)制研究，及炎癥因子所致炎性微環(huán)境對(duì)分子信號(hào)通路、各類炎癥因子自身濃度改變及基因多態(tài)性影響的綜合研究仍較少。

3.1.3炎癥因子研究設(shè)計(jì)類型有限：目前有關(guān)炎性BM微環(huán)境與OP間的研究，大部分為基于體外細(xì)胞或動(dòng)物模型的實(shí)驗(yàn)研究，關(guān)于此方向所開(kāi)展的臨床研究數(shù)量極為有限，且僅局限于通過(guò)回顧性研究發(fā)現(xiàn)與OP發(fā)生發(fā)展相關(guān)的炎癥因子，前瞻性研究未涉及，對(duì)臨床診療指導(dǎo)作用有限。

3.2 展望

3.2.1拓展炎癥因子研究種類：目前有關(guān)炎性BM微環(huán)境干預(yù)OP發(fā)生發(fā)展的機(jī)制研究，主要關(guān)注IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α對(duì)OP的影響，但對(duì)于其他炎癥因子，如IL-12、IL-23、IL-27對(duì)OP發(fā)生發(fā)展的影響機(jī)制尚不明確，待后續(xù)通過(guò)更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捏w外細(xì)胞或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)予以揭示。同時(shí)，可借助大樣本回顧性臨床研究予以探尋目前尚未關(guān)注到但有可能對(duì)OP發(fā)生發(fā)展有影響的炎癥因子，并對(duì)其作用機(jī)制開(kāi)展深入研究。

3.2.2延伸研究角度：目前大部分研究的關(guān)注角度僅為某一炎癥因子對(duì)OP發(fā)生發(fā)展機(jī)制中的某一類骨細(xì)胞或某一條通路的影響，而多種炎癥因子協(xié)同參與OP發(fā)生發(fā)展的機(jī)制及某一炎癥因子對(duì)OP發(fā)生發(fā)展中相關(guān)信號(hào)通路、細(xì)胞因子表達(dá)量及基因多態(tài)性的綜合研究尚較少，仍待開(kāi)展更為深入且全面的研究。以IL-12為例，其于OP發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，既可促進(jìn)OC分化，亦可抑制OC分化，但何種效應(yīng)更勝一籌暫不明確，如何調(diào)控IL-12于機(jī)體內(nèi)濃度及部位分布更有利于延緩OP發(fā)生發(fā)展暫未可知，且此因子與IL-1、IL-6、IL-17及TNF-ɑ等諸因子的交互作用機(jī)制也尚待進(jìn)一步深入研究。同時(shí)，各炎癥因子在不同骨骼部位及不同骨質(zhì)中的濃度分布也待后續(xù)細(xì)致研究予以揭示，以便更為明確各炎癥因子在OP發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制。另外，以IL-1為例，其對(duì)OC、OB及MSCs均可產(chǎn)生影響，則其對(duì)中間某一骨細(xì)胞的影響是否會(huì)干擾其對(duì)另兩種細(xì)胞的作用也尚未可知，故各炎癥因子對(duì)OP發(fā)生發(fā)展的全局整體調(diào)控機(jī)制仍尚待進(jìn)一步深入研究。

3.2.3完善研究設(shè)計(jì)類型：目前有關(guān)炎性BM微環(huán)境對(duì)OP發(fā)生發(fā)展機(jī)制研究的設(shè)計(jì)類型，主要為基于動(dòng)物模型或體外細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)研究，此方向上開(kāi)展的臨床研究數(shù)量有限，且關(guān)注點(diǎn)局限，后續(xù)可進(jìn)一步完善臨床研究設(shè)計(jì)并增加臨床研究數(shù)量，以期實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與臨床研究間的相貫通，以臨床研究設(shè)計(jì)類型為例，可開(kāi)展大樣本回顧性研究，通過(guò)檢索既往病歷資料建立OP患者炎癥因子數(shù)據(jù)庫(kù)，探尋炎癥因子在OP人群中的全面表現(xiàn)；也可開(kāi)展前瞻性研究，通過(guò)采用藥物及飲食干預(yù)OP患者體內(nèi)炎癥因子表達(dá)，評(píng)估OP患者骨密度、血鈣、血中維生素D含量等指標(biāo)的改變。

4 小結(jié)

隨著近些年來(lái)有關(guān)炎性BM微環(huán)境與OP間關(guān)聯(lián)性研究不斷深入，炎性BM微環(huán)境可干預(yù)機(jī)體成骨及破骨進(jìn)程這一觀點(diǎn)已逐漸被廣泛接受并認(rèn)同，相信伴隨被研究炎癥因子種類的不斷拓展、研究角度的不斷延伸及研究設(shè)計(jì)的不斷完善，后續(xù)必能更為深入地揭示炎性BM微環(huán)境在OP發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制，進(jìn)而為OP的早期預(yù)防、早期診斷及早期治療提供科學(xué)指導(dǎo)。