无菌性股骨头坏死的免疫学研究进展

无菌性股骨头坏死的免疫学研究进展

赵冯均单玉兴

(吉林大学第一医院二部，吉林长春130021)

关键词〔〕无菌性股骨头坏死(ANFH)；骨免疫学；T细胞；B细胞；RANKL/RANK/OPG系统

中图分类号〔〕R681.8〔文献标识码〕A〔

通讯作者：单玉兴(1965-)，男，教授，医学博士，硕士生导师，主要从事四肢创伤、复杂骨折及各种脊柱疾病的治疗及研究。

第一作者：赵冯均(1985-)，男，在读硕士，主要从事骨科疾病的发病机制研究。

无菌性股骨头坏死(ANFH)病因主要包括创伤性及非创伤性两大类。创伤性因素曾经为该病的首要发病因素，随着人们生活水平的提高，非创伤性因素的比例在逐年增加，成为该疾病发病的主要原因，主要包括激素、酒精、基因因素及其他不明因素。这些因素共同的最终结果是股骨头的有效血液供应的中断，导致骨的活性成分死亡及随后修复的一系列复杂的病理过程〔1〕。相关学说主要包括血液凝滞学说〔2〕，骨髓基质干细胞(BMSC)向脂肪细胞异常分化学说〔3〕，骨细胞凋亡学说〔4〕，骨质疏松学说及脂质代谢紊乱〔5,6〕等学说，他们共同的特点是供应股骨头的重要血管因机械性的原因，管外压迫及血管内血栓栓塞而受到阻断，最终出现骨细胞的坏死。免疫因素在该疾病的发病过程中尚不清楚。自身免疫性疾病，如系统性红斑狼疮，类风湿关节炎等，导致的股骨头坏死可能与一些免疫因素有关，如抗磷脂抗体，免疫复合物等〔7〕。抗磷脂抗体通过作用于血管壁导致血管内血栓形成，导致骨细胞的血供中断，最终出现不可逆转的股骨头坏死。近年来发现的骨保护素(OPG)/核因子(NF)ICB受体活化因子(RANK)配体(RANKL)/RANK系统提供了免疫系统与骨代谢之间的桥梁〔8〕。OPG/RANKL/RANK系统是破骨细胞分化过程的一个重要信号转导通路，而T细胞在OPG/RANKL/RANK系统中发挥着重要的作用。OPG/RANKL/RANK系统，免疫系统及骨骼系统在股骨头坏死发病过程中的重要作用，越来越受到重视，本文现对相关研究做简要综述。

1自身免疫性疾病

自身免疫性疾病是一类具有自身抗体及免疫复合物形成的系统性疾病，这些自身抗体和免疫复合物可导致机体组织的炎症反应。该类疾病不仅可引起局部组织的病变，还可引起机体其他组织的病变，病理过程较复杂，主要涉及主要组织相容恢复合体(MHC)分子，交叉抗原，抗原呈递，补体活化及T细胞，B细胞等的激活及分化。一些学者发现某些自身免疫性疾病如系统性红斑狼疮，类风湿关节炎等经常伴随股骨头坏死的发生〔8〕，可能与抗磷脂抗体及自身免疫复合物形成有关〔7〕，最终变化是导致供应股骨头的血管血流中断，引起骨细胞，骨髓基质细胞的坏死。然而抗磷脂抗体，免疫复合物，T细胞及B细胞是否直接参与了股骨头坏死的发病过程，它们在股骨头坏死的发病过程中有哪些作用尚不清楚。

2OPG/RANKL/RANK系统

2.1OPG自美国Amgen公司研究小组在1997年首次于小鼠小肠cDNA中发现OPG这种新的细胞因子以来〔9〕，很多国内外学者对其进行了进一步的研究。Yasuda等〔10〕在人胚胎肺成纤维细胞的培养基中分离纯化了一种糖蛋白，这种糖蛋白可特异性地抑制破骨细胞的成熟，所以命名为破骨细胞生成抑制因子(OCIF)。经过对比研究发现OCIF与OPG为同一物质，常用名为OPG。OPG广泛存在于机体内的组织，如皮肤、肺、心、肝、胃、肾、脑、甲状腺、骨骼等组织以及单核细胞、树突细胞及B淋巴细胞中，但该细胞因子发挥作用局限在骨骼系统内，具体机制不明〔8〕。研究报道OPG作用于破骨细胞分化较为终末的阶段；OPG基因敲除小鼠破骨细胞数量增多并伴严重的骨质疏松,约60%的动物伴有大动脉钙化；尚有很多动物试验的报道显示OPG具有抑制破骨细胞分化，改善骨质疏松的作用〔11〕。近来发现OPG是内皮细胞存活的重要因子,而且骨质疏松妇女的动脉粥样硬化、脑卒中等疾病的发生率明显升高,提示OPG可能在血管钙化的病理生理中发挥重要作用。供应股骨头血管的重要分支可能也因血管钙化而使血管逐渐缩窄，最终导致血流中断，从而诱发或加重股骨头坏死的病理过程。

2.2RANKL-OPG结合蛋白自Lacey等〔12〕,Yasuda等〔13〕，Wong等〔14〕在1998年发现RANKL以来，该蛋白已经得到了进一步的研究。RANKL是一种可与OPG结合的氨基酸，许多研究发现体内多种组织及细胞都可表达RANKL，如淋巴组织、骨组织、成骨细胞、软骨细胞，骨髓基质细胞以及激活的T细胞等，但以骨组织及淋巴组织含量较高，这可能是因为RANKL基因表达具有空间特异性。RANKL可促进破骨细胞分化及成熟，抑制破骨细胞的凋亡。Canon等〔15〕的研究显示在伴发溶骨性及成骨性病变的乳腺癌，非小细胞癌的动物模型中RANKL的阻断物RANK-Fc及OPG-Fc可有效地防止骨质流失并延缓肿瘤侵袭骨骼系统； Croucher等〔16〕,Vanderkerken等〔17〕研究多发性骨髓瘤的前模型显示抑制RANKL的表达可以较少骨的溶解，并可以通过降低肿瘤负荷增加生存率。不同组织表达的RANKL可相互影响，如淋巴组织表达的RANKL可直接促进破骨细胞的分化成熟，也可促进成骨细胞及基质细胞表达RANKL,间接促进破骨细胞的成熟〔18〕。但破骨细胞只在骨髓微环境内分化成熟，可能是某些特异性因子通过RANKL/RANK系统影响破骨细胞mRNA的空间特异性表达。另外相关研究显示，细胞因子对RANKL的表达也有一定的影响，白细胞介素(IL)-1,3,6,7,11,15,17和肿瘤坏死因子(TNF)-α可促进成骨细胞表达RANKL，而干扰素，IL-4，5，10，12，13，18等却抑制RANKL的信号转导，从而抑制破骨细胞的成熟。众多细胞因子间既互相拮抗，又互相协同，组成一个复杂的网络〔19~21〕，他们在生理或病理条件下对骨重塑发挥着重要作用。

2.3RANK-RANKL受体RANK为一种位于破骨细胞前体细胞，成熟破骨细胞，乳腺上皮细胞及软骨细胞的跨膜蛋白，属于TNF受体超家族〔22〕。有研究显示RANK 基因敲除的小鼠因缺乏破骨细胞而表现为严重的骨硬化，周围的淋巴结及成熟的T、B细胞液缺乏，胸腺发育正常，可见RANK是参与破骨细胞成熟及分化的重要因子〔8〕。相关研究显示无论是骨髓单核细胞，外周血单核细胞，还是组织中成熟的巨噬细胞，都可在一定条件下，如粒细胞集落刺激因子(O-CSF),1-25-(OH)2-D3 及地塞米松等，通过RANKL/RANK信号转导通路，JNK信号转导通路或其他非RANKL/RANK依赖的信号转导通路转化为破骨细胞。RANK既是RANKL的受体，又是OPG的受体，RANKL和OPG可竞争性结合于RANK受体，促进或抑制破骨细胞的分化，成熟及发挥功能，从而调节骨代谢，参与骨重塑。

2.4RANKL/OPG/RANK稳态的调节RANKL/OPG/RANK系统在生理状态下保持动态平衡。综上，成骨细胞及骨髓基质细胞均可表达RANKL，促进破骨细胞的分化成熟，防止骨硬化的发生；同时还可分泌OPG，抑制破骨细胞的成熟及发挥功能，防止骨吸收过度。Gori等〔22〕的研究显示在机体的发育过程中为保持骨形成与骨吸收两个过程的动态平衡，骨髓基质细胞及为成熟的成骨细胞分泌较多的RANKL，而成熟的成骨细胞则分泌较多的OPG。此外，一些不可逆的自然过程，如女性的绝经，衰老等也可通过降低OPG表达〔23〕，使RANKL表达相对增高，从而导致骨质破坏。在病理状态下，如自身免疫性疾病本身等，可导致机体内免疫复合物的形成，激活体内的免疫反应,使一些炎症因子，如IL-1,3,6,7,11,15,17和TNF-α等分泌增加，促进成骨细胞表达更多的RANKL，而抑制RANKL表达的细胞因子，如干扰素，IL-4，5，10，12，13，18等相对减少，使成熟破骨细胞增多，促进骨质破坏；在治疗自身免疫性疾病的药物中往往含有激素，因此很有可能造成激素使用过量，有研究显示激素可通过内毒素(LPS)激活的Toll样受体(TLR)信号转导通路导致股骨头坏死〔24〕。骨细胞可表达TLR，而TLR可活化TRAF6调节的信号级联反应，如NF-κB等，NF-κB信号通路可促进破骨细胞形成及其骨吸收活性〔25,26〕。因此RANKL/OPG的比例是体内骨吸收与骨形成平衡关系中的一个重要因素。但是目前尚未有相关研究提示RANKL/RANK/OPG系统在股骨头局部的表达水平是否与其他部位一致，股骨头局部的微环境中是否有影响RANKL/RANK/OPG表达的其他因素，需要进行相关的研究以明确上述问题。

3T、B细胞

相关报道显示〔18〕，T细胞对成骨细胞和破骨细胞的刺激和抑制作用与T细胞亚群，细胞因子和局部因素密切相关。淋巴系统中活化的T细胞，主要是记忆性T细胞可产生RANKL。因此，激活的免疫反应可通过抗原提成作用于T细胞，使记忆性T细胞产生增加，从而使RANKL表达增加，进一步影响骨代谢。T细胞亚群，如Th1,Th17等，都可表达RANKL，而Th17表达更多的RANKL，还可通过分泌细胞因子间接促进RANKL表达。

CD4+FOXP3+T细胞中存在一类细胞亚群，即调节性T细胞，可通过免疫调节作用维持免疫系统平衡。它通过细胞毒T淋巴细胞相关抗原(CTLA)-4与破骨细胞前体中的B7-1和B7-2结合，抑制破骨细胞形成从而抑制骨质破坏。同时该类细胞还可产生还可产生IL-4，IL-10，转化生长因子(TGF)-β等，这些细胞因子兼有抗炎及抑制破骨细胞的作用〔18〕。

目前针对B细胞在骨骼系统中的研究较少。有研究显示B细胞也可表达RANKL，OPG等。但B细胞的作用主要是表达OPG，抑制破骨细胞分化及成熟。Manabe等〔27〕的研究显示，未成熟的B细胞可在两种破骨细胞生成因子巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)和RANKL的作用下分化为破骨细胞样细胞；Calvani等〔28〕的研究显示克隆性增殖的B细胞是潜在的破骨细胞祖细胞，它们可在骨髓瘤的微环境下表达抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)，这种酶可促进B细胞转化为破骨细胞样细胞。然而是否还存在其他的微环境可使B细胞转化为破骨细胞样细胞尚不清楚。研究显示CD86+B细胞以及CD27-CD95+B细胞在强直性脊柱炎患者的外周血中较正常人明显增高，CD38+B细胞及CD95+B细胞与强直性脊柱炎疾病活动指数呈正相关，CD27-及CD95+CD19+B细胞与类风湿因子呈负相关,用美洛昔康治疗1个月后，CD86+B细胞以及CD27-CD95+B细胞数量增多〔29〕。由此可见，B细胞可能在骨关节疾病的发病过程中起一定的作用，但局部组织的病理变化及其发生的机制尚未明确。

可见，淋巴系统中的T、B细胞均可表达RANKL ，但它们对破骨细胞的作用取决于机体内的免疫水平，如果免疫系统过度激活，如持续的抗原刺激，则RANKL表达相对增高，使破骨细胞分化成熟增多，促进骨质破坏；一般状态下，随着免疫系统的激活，体内的致敏抗原及免疫复合物被清除,记忆性T细胞依赖的RANKL逐渐减少，调节性T细胞及B细胞对破骨细胞的抑制作用相对增强，使骨吸收与骨破坏逐渐达到平衡。B细胞还可在某些特定的微环境下转化为破骨细胞样细胞或者促进破骨细胞的分化成熟，促进骨质吸收。但T、B细胞是否在股骨头局部组织中直接起作用，它们是否激活了某些信号转导途径，它们与骨髓基质，骨细胞及脂肪细胞存在哪种关联， 需要进一步的研究。

4骨免疫学

Arron等〔30〕首次提出了骨免疫学的基本概念，描述了骨骼系统与免疫系统之间的关系,免疫失调可导致骨代谢异常。其中的两个重要支点是RANKL和激活的T细胞。

OPG/RANKL/RANK系统是联系免疫系统与骨代谢的桥梁。在骨重建与骨塑形中的成骨细胞和破骨细胞直接调节骨重塑,也与免疫细胞和免疫细胞分泌的细胞因子联系密切,不仅体现在共同的起源,而且可通过RANKL/RANK/OPG系统直接或间接作用于骨分化,刺激和抑制作用与免疫细胞亚群、细胞因子和局部微环境因素等有关。

综上，目前的骨免疫学研究针对的是整个骨骼系统与免疫系统，骨调节与免疫系统的调节存在多种机制，包括骨髓微环境及全身免疫系统的变化，而且它们之间的关系错综复杂。但是骨关节局部病变，如股骨头坏死，可能还与其周围的组织存在联系，目前关于股骨头坏死的病因最终都归结于供应有效股骨头的重要血管的中断，但原发于股骨头局部组织的病变尚未得到深入确切的研究。自身免疫性疾病，RANKL/OPG/RANK，激活的T细胞，B细胞，T细胞的某些亚群如滤泡辅助性T细胞以及脂肪细胞等，这些因素都可参与股骨头组局部组织的病变，因此需要进一步研究股骨头局部组织的病理变化，并探讨其发生的分子机制及其与免疫系统的关系。

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〔2014-10-25修回〕

(编辑苑云杰/张慧)