强直性脊柱炎骨代谢的研究进展

胡劲涛 柴乐 任伟凡 吕建兰 全仁夫

1．浙江中医药大学，浙江 杭州310053

2．杭州市萧山区中医院，浙江 杭州311200

强直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一种自身免疫功能异常引起的以慢性炎症性关节炎为主要表现的疾病，全球的发生率为2%～5%。慢性炎症和病理性骨形成是它的两个主要病理特点，最先累及骶髂关节和脊柱关节，腰背部疼痛和脊柱关节僵硬是常见的临床症状［1］。进行性脊柱关节僵硬引起的脊柱活动障碍是病人最为常见的主诉，因此，AS疾病中脊柱关节异常骨增生的病理机制受到广泛的关注。但随着研究的深入，发现在脊柱局部过度骨化的同时伴有系统性的骨丢失，这表明AS病程进展过程不是单一的成骨或破骨异常，而是处于兼有两者的骨代谢失衡环境中［2-3］。本文就相关信号通路、炎症对AS的骨代谢的影响及AS骨质疏松情况进行综述。

1 Wnt信号通路在AS中的作用

Wnt蛋白是成骨细胞分化过程中的重要调节因子，它通过与七通道跨膜G蛋白偶联受体［frizzled(Fzd)］或低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6(Lrp5/6)相结合来激活多种不同细胞内信号级联，可分为依赖β-catenin的经典信号通路和不依赖β-catenin的非经典信号通路，两种通路均被认为在骨代谢中发挥重要的作用［4-5］。经典Wnt信号通路中的蛋白包括Wnt-3a、Wnt10b等。有研究对AS患者血清Wnt-3a的水平进行分析，发现Wnt-3a水平显著升高，且与Bath强直性脊柱炎测量指数(bath ankylosing spondylitis metroloty index，BASMI)、改良的 Stoke 强直性脊柱炎脊柱评分(modified stoke ankylosing spondylitis spine score，mSASSS)症状分值密切相关，在校正年龄、性别、吸烟和 CRP后，Wnt-3a仍是BASMI、mSASSS分值的独立危险因子，血清Wnt-3a可能可以促进病变部位的骨质增生，从而加重患者的强直症状［6］。而 β-catenin作为 Wnt经典信号通路中的重要分子，目前研究认为其不仅对成骨细胞的分化有影响，而且对破骨细胞前体分化为破骨细胞也发挥作用。Dickkopf1(Dkk1)是经典通路中Wnt蛋白的竞争性抑制蛋白，可与Lrp5/6受体相结合，抑制Lrp5/6的活性，减少β-catenin的生成，通过阻断Dkk1可提高成骨细胞中组织非特异性碱性磷酸酶(tissue non-specific alkaline phosphatase，TNAP)的表达［7］。

非经典信号通路中的Wnt5a也在AS病程中对骨代谢有影响，阻断Wnt5a会减少成骨细胞TNAP的活性，因此它可以作为阻断AS异位骨化的可能治疗靶点。但是除了防止异位骨形成，Wnt5a还可能可以减少邻近骨的吸收，因为成骨细胞来源的Wnt5a会刺激破骨细胞生成［8］。在 Wnt5a和 Ror2缺乏的鼠中，破骨细胞的数量明显减少，其中前者表现为骨形成和骨吸收均受损的低骨量表型，后者表现为破骨细胞形成受损、骨形成正常的高骨量表型，Wnt5a-Ror2信号可以调节破骨细胞的分化［9］。

2 BMP信号通路在AS中的作用

骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)信号通路是骨代谢中另一个重要调控通路。BMP通过与BMP受体(BMPPR)结合激活Smad1/5/8和MAPK信号通路，促进成骨基因的转录，从而发挥骨形成的作用。而Noggin是一种细胞外拮抗BMP的同型二聚体糖蛋白，可与BMP2、4、6、7及生长分化因子5、6结合，阻止这些蛋白与BMPRP结合，抑制 BMP的活性［10］。AS患者的骨来源细胞(bone derived cells，BdCs)在刺激向成骨分化后，RUNX2、BMP2的表达要高于健康志愿者，前者BdCs表现出更快的碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、茜素红(alizarin red，ARS)和羟基磷灰石染色以及更高的ALP活性和ARS定量［11］。与此相似，Xie等［12］收集 AS患者和正常人的骨髓间充质干细胞(marrow mesenchymal stem cells，MSCs)，采用成骨培养基孵育，AS-MSCs在第10、14、21天茜素红染色相比HD-MSCs着色更深，茜素红定量化分析前者也要高于后者，他们通过检测成骨基因的表达进一步分析AS-MSCs成骨分化的能力，AS-MSCs中 Runx2、Osterix、OC、AP 在成骨分化期间处于高表达水平，并且发现BMP2基因在AS-MSCs中表达升高，而 Noggin基因表达下降，BMP2蛋白和Noggin蛋白形成与基因表达结果相符，因此他们推断BMP2和Noggin分泌的失衡诱导了AS-MSCs成骨分化异常，促进异位骨化的形成。BMP7被发现在 AS和类风湿关节炎(rheumatoid Arthritis，RA)患者血清中较健康人均要升高，但是在RA患者中BMP7与Runx2、抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP-5b)正相关，Runx2与骨钙素N端中分子片段(NMID)负相关;而在 AS患者中 BMP-7与 TRAP-5b负相关，Runx2却与NMID正相关，这与RA中的结果相反。这表明BMP7升高在两种疾病中对骨代谢相关信号通路的激活存在差异，在RA中它们能够诱导破骨细胞的形成，在AS中却主要发挥了抑制破骨细胞形成的作用，这导致了AS疾病过程中的过度骨质增生［13］。

3 破骨细胞在AS中的作用

破骨细胞在骨组织中发挥骨吸收的作用，与成骨细胞的偶联作用维持正常骨组织代谢的平衡。大量临床研究发现AS患者多伴有不同程度的骨质疏松，破骨细胞在 AS中的作用也越来越受到关注［14-15］。骨转换指标是成骨细胞和破骨细胞分化过程中的产物，可以反映成骨细胞和破骨细胞的状态。Yilmaz等［16］分析了AS患者的骨转换指标，其中AS患者和对照组血清ALP、BALP和BGP的水平比较无明显差异，而反映破骨作用的尿Pyd和Dpyd浓度在AS患者中高于对照组，说明破骨细胞在AS患者机体内处于异常活跃的状态。有研究发现AS患者病灶附近的滑膜组织中存在大量的TRAP阳性单核/多核细胞，在正常滑膜组织中没有TRAP阳性表现的细胞出现［17］。虽然病灶周围起止点以异位新生骨形成为特点，但研究认为破骨细胞形成可能不只是发挥骨吸收作用，它的产物可能参与了新生骨的形成［18-19］。Slobodin 等［20］试图阐明破骨细胞的这种作用，他们未观察到破骨细胞上TGF-β1、Wnt10b和BMP6的表达量与疾病的严重程度和影像学AS的进展相关，这项研究仅是在一个时间点上观察了破骨细胞基因表达与疾病的关系，不能说明破骨细胞产物对成骨细胞的长期作用，也难以解释它们之间的具体相互作用机制。

4 炎症在AS中对骨代谢的影响

炎症因子是骨代谢过程中的重要影响因子，在骨质疏松症的研究中发现炎症反应会激活破骨细胞，加快骨量的流失，但目前在AS患者中关于炎症与骨形成的关系仍存在不同的观点［21-22］。有研究认为，AS中的炎症反应发生的作用与在骨质疏松症中的研究相似，会促进破骨细胞的分化。Perpétuo等［3］分析应用TNFi治疗的AS患者破骨分化能力的改变，发现治疗后血清IL-17 A、IL-23和TGF-β水平下降，破骨细胞表面 CSF1R、RANK、NFATc1和ATP6V0D2基因的表达较治疗前均有不同程度的下降，说明炎症因子介导了破骨细胞的分化和成熟。也有研究对抗TNF治疗对成骨的影响进行了分析，发现抗TNF治疗会增加Wnt的活性，可能会导致新生骨的形成，这或许是由于TNF的减少使得破骨细胞分化受到抑制，成骨细胞的成骨能力相对增强，导致骨形成增加［6］。机体的炎症程度越重，骨吸收也相对增加。Yilmaz等［16］研究显示ESR大于20 mm/h的AS患者相比ESR小于20 mm/h的患者尿Pyd和Dpyd浓度更高，Pyd和Dpyd均是由破骨细胞分泌，可以反映破骨细胞的活跃程度，这提示炎症程度重的AS患者骨丢失更快，然而未发现骨转换指标与疾病活动性存在相关性。

也有学者认为炎症在AS病理进展中具有促进异位骨形成的作用。在AS患者血清中培养的细胞相比在健康人血清中培养的细胞ALP染色和ALP活性更高，且 RUNX2、osterix、phospho-C/EBPβ、phospho-ERK、phospho-p38蛋白增加更多，提示血清中的炎症因子会加速成骨细胞的分化、成熟［10］。白介素和肿瘤坏死因子是广泛存在于人体内各个部位的炎症调节因子，对机体的炎症状态具有重要意义。高浓度的TNF-α被发现可以诱导骨钙素大量分泌［17］。Briolay等［7］探索了 TNF-α 通过 Wnt通路对成骨分化的作用，发现TNF-α可以增加人成骨细胞Wnt10b的水平，但是不能激活经典的信号通路，并且Dkk1也不能抑制矿化作用;相反，TNF-a可以刺激Wnt5a的表达，在阻断Wnt5a后成骨细胞的矿化能力减弱。老年雄性DBA/1鼠可出现自发性强直性起止点病变，而在免疫系统中肿瘤坏死因子超家族(tumor necrosis factor superfamily，TNFSF)和它的受体与成骨细胞的分化有关，死亡受体3(death receptor 3，DR3)是 TNFSF 的成员。Collins等［23］分别观察了野生DBA/1鼠和敲除DR3的DBA/1鼠，野生DBA/1鼠成骨细胞和骨祖细胞均有DR3表达，ALP、骨调素、矿物沉积较敲除DR3的DBA/1鼠明显上升，DR3对中轴骨的新生骨形成可能存在影响。IL-32γ是T淋巴细胞分泌的前炎症因子，先前研究认为它可以调节破骨细胞的分化，但Lee等［24］收集了AS、RA和OA患者的滑膜液体和组织，发现IL-32γ的水平和基因表达在AS患者中要高于RA和OA患者，他们随后对IL-32γ转基因鼠和野生鼠进行研究，IL-32γ转基因鼠前体细胞上DKK-1的表达下降，而且成骨细胞的分化率要高于野生型鼠，IL-32γ会通过抑制DKK-1增强成骨细胞的分化。上述研究虽然均表明炎症有促进成骨的作用，但主要集中在细胞和动物实验中，体外实验和动物实验都与人机体的内环境存在差异，难以直接反映人机体自身的疾病变化情况。Bruijnen等［25］为了能够直观地观察人自身的骨骼改变情况，他们采用PET-CT显示骨组织中18F-fluoride的吸收状态，因为18F-fluoride的吸收可以反映成骨细胞的活跃性，结果显示对抗TNF治疗有反应患者的肋椎关节和骶髂关节18F-fluoride吸收量较无反应患者明显降低，抑制TNF因子减少了异位新生骨的形成，说明机体内TNF增加会诱导成骨作用。

5 AS中骨质疏松的发生情况及骨折风险

虽然AS中轴骨区域骨质增生导致的椎体融合一直以来都是临床重要关注点，但越来越多的临床研究观察到AS患者有发展为骨质疏松症和出现脆性骨折的高风险。这些发现可能是由于影像学检查仪器的进步及相关分析软件的改良，增加了对骨密度检测的精确度，从而提高了骨质疏松症的诊断。Pray等［14］通过搜索AS、脆性骨折、骨质疏松等相关关键词，最终纳入22篇符合标准的文献，结果显示AS患者椎体骨折的风险大约是非AS患者的2倍，非椎体骨折(髋关节、前臂等部位)的发生率也是前者高，且前者的腕部、股骨颈和全髋关节区域的BMD明显低于后者，因此AS患者BMD降低是导致骨折风险升高的重要因素。另一项研究调查了男性AS患者骨代谢情况，相比正常人，AS患者前臂和髋部BMD更低，并且他们发现病程时间和年龄与BMD呈反比;TNF-α和IL-6的浓度在骨质疏松或骨量减少的患者中要低于骨密度正常的患者，CRP浓度却未发现这种关系，但CRP、TNF-α和IL-6在AS患者中要高于健康对照组，与平均骨密度在AS患者和健康对照组中相反，炎症反应可能在会加速骨量的丢失，但病程时间长的患者由于疼痛不适导致活动量下降以及老龄化也会加重骨吸收［15］。Arends等［26］通过横断面研究调查了AS患者骨转换指标和维生素D水平，认为sCTX、OC水平的增加和低水平的维生素D对AS骨质疏松的病理过程中非常重要。

AS是一种全身、系统的免疫性疾病，虽然导致AS患者脊柱关节及其他关节僵硬、活动受限的最主要病理机制是骨质增生引起的关节融合，但与此同时也伴随着全身的骨量丢失，导致骨质疏松的发生。虽然目前研究发现AS疾病中涉及的骨代谢信号通路和炎症状态在成骨和破骨细胞的分化中均存在作用，但大多数研究均是着重于描述单独的成骨或破骨机制，未能明确阐明它们是如何在引起脊柱周围骨质增生的同时导致全身骨量丢失的具体作用机制。AS病理过程中炎症因子是否在不同的部位发挥不同的作用，如何在控制新生骨形成的同时减少骨质疏松发生的风险，这些问题仍需要得到进一步的探索研究。