免疫衰老对骨代谢及骨源性激素分泌的影响研究进展

鲁世金，孙长英

(1.广西中医药大学附属瑞康医院转化医学中心，广西 南宁 530011；2.长治医学院附属和平医院骨科，山西 长治 046000)

随年龄增长而发生的机体免疫系统(包括适应性和先天免疫系统)功能逐渐下降称为免疫衰老。免疫衰老的标志包括幼稚CD4+和CD8+T细胞数量减少、T细胞亚群不平衡以及T细胞受体(T-cell receptors，TCR)谱系和信号传导减少，B细胞生成及抗体产生减少，树突状细胞(dendritic cells，DC)、自然杀伤(natural killer，NK)细胞和衰老的单核细胞/巨噬细胞存在明显的功能缺陷[1]，同时，炎性细胞因子产生增加[2]。炎性细胞因子或免疫细胞的活性可以通过多种复杂的方式影响骨代谢，反过来，骨代谢平衡失调又通过成骨细胞和(或)破骨细胞分泌的偶联细胞因子或骨源性激素影响全身多种组织器官的功能改变，诱发多种衰老相关疾病如2型糖尿病、阿尔茨海默病、心血管疾病、肌肉减少症、骨质疏松症和癌症等[3]。本文就免疫衰老对骨代谢和骨源性激素分泌的影响进行综述，以期为衰老相关疾病的防治提供新的思路和研究靶点。

1 免疫衰老与骨炎性微环境的关系

随着年龄增长，机体免疫功能普遍下降导致免疫衰老，其特征之一是存在慢性低度炎症水平，也称炎性衰老。最常见的免疫衰老理论包括氧化还原应激、线粒体功能障碍、糖化、免疫系统失调、激素变化、表观遗传修饰、细胞端粒损耗和功能障碍等[3]。在慢性炎症的刺激下，相应组织产生的促炎细胞因子水平升高，使免疫系统停滞在低水平激活状态[4]，表现出炎性免疫微环境，对病原体或刺激的应答能力降低，NK细胞的细胞毒活性降低，炎性细胞因子白细胞介素(interleukin，IL)-1、IL-6和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等产生增加[2]。研究证明，绝经后妇女的幼稚T细胞数量减少和记忆T细胞水平增加，T细胞和B细胞数量减少。这说明免疫衰老与骨组织炎性微环境之间相互关联，影响骨代谢和多种组织器官功能。

2 炎性细胞因子在骨代谢中的作用

IL-1、IL-6和TNF-α等炎性细胞因子在年龄和雌激素缺乏相关的骨丢失中都是重要的骨吸收免疫调节因子，同时，这些细胞因子也调节成骨细胞的分化和功能[5]。研究证明，雌激素通过调控IL-1、IL-6、巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor，M-CSF)、核因子κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)和TNF-α等细胞因子维持免疫系统、成骨细胞和破骨细胞之间的复杂平衡[6]，从而影响骨生成与骨破坏之间的平衡。

TNF-α参与炎症诱导的骨破坏[7]。TNF-α可通过上调成骨细胞中RANKL/骨保护素(osteoprotegerin，OPG)的比例，影响RANKL/NF-κB受体活化因子(receptor activator for nuclear factor-κB，RANK)/OPG信号传递，增加破骨细胞前体对RANKL的反应性，促进破骨细胞生成和活化[8]。TNF-α在雌激素缺乏的情况下还可刺激并促进SOST基因表达[9]。硬化蛋白(Sost基因编码的蛋白)通常通过与低密度脂蛋白受体相关蛋白(low density lipoprotein receptor-related protein，LRP)5/6共受体相互作用来抑制Wnt/β-连环蛋白(β-catenin)信号传递[10]，从而抑制骨生成。

TNF-α和IL-6可通过多种机制促进磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)通路的活性，再通过异性蛋白1(specificity protein 1，SP1)影响靶基因活性。SP1沉默也抑制了SP1上游调节因子PI3K和Akt的磷酸化[11]，说明SP1与PI3K/Akt信号传递之间存在一个正反馈环路[12]。因此，一旦炎性衰老启动了PI3K/Akt/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信号传递途径，由SP1参与的正反馈环路就会进一步增强TNF-α等炎性因子对靶细胞线粒体-溶酶体系统的作用，导致细胞凋亡增加。另有研究证明，TNF-α处理的MC3T3-E1细胞中活性氧(reactive oxygen species，ROS)诱导的氧化损伤是通过上调动力蛋白样肽1引起线粒体分裂增加、线粒体功能紊乱和成骨活性降低等[13]。可见，PI3K/Akt/SP1正反馈环路放大信号传递是炎性细胞因子调控骨代谢的重要信号通路之一。

IL-6家族包括至少3个成员，即IL-6、IL-11和IL-23。IL-6通过影响细胞外信号调节激酶的激酶2(extracellular signal regulated kinase kinase，MEK2)和Akt2表达而减少成骨细胞在体内和体外的分化[14]。另外，IL-6通过非依赖RANKL的机制刺激破骨细胞生成[15]；IL-6还可以与骨祖细胞结合促进破骨细胞生成，且当IL-6过度表达时可导致过度的破骨细胞活性和骨质溶解，影响相关疾病的病理进程，包括类风湿性关节炎、骨质疏松症和骨转移性癌症[14]。

总之，在免疫衰老过程中，破骨细胞活性增强，而成骨细胞生成及其活性发生缺陷。这种缺陷包括骨髓中基质前体数量减少、成骨细胞生成减少、成骨细胞寿命缩短、脂肪生成增加、成骨细胞/骨细胞凋亡增加和激素改变[2]。因此，老年或绝经后妇女发生免疫衰老，形成骨代谢炎性微环境，导致骨重建减弱，骨吸收增加，在骨质疏松等退行性病变的发生过程中起着重要作用。

3 淋巴细胞活性与骨代谢的关系

衰老与免疫功能障碍有关，特别是T细胞缺陷，导致对各种疾病的易感性增加[1]。在骨代谢过程中，破骨细胞的分化和功能受T细胞、B细胞、骨髓基质干细胞及局部骨微环境中的其他破骨细胞调节。这些类型的细胞均可产生细胞因子、趋化因子和激素，刺激或抑制破骨细胞形成和骨吸收活性[16]。因此，淋巴细胞活性与骨代谢有密切联系。

T细胞是适应性免疫的关键组成部分，在全身免疫系统中起关键作用[17]。免疫衰老过程中，T细胞复制衰老的特征在于免疫功能失调、CD28共刺激分子缺失、端粒缩短和炎性细胞因子产生增加。CD28表达降低从根本上改变正常T细胞的功能、存活和增殖[18]，T细胞上共刺激分子CD28的丢失可能与慢性炎症和正常衰老过程有关[19]。细胞毒性CD8+T细胞、CD4+T辅助细胞进一步分化为Th1、Th2、Th17和调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)，其中Th17细胞是诱导破骨细胞分化最多的T细胞，其特征在于细胞因子高表达，包括IL-17A、IL-17F、IL-22、IL-26和IFN-γ[20]。这些细胞可在成骨细胞和基质细胞中诱导M-CSF和RANKL表达[21-22]，产生RANKL和TNF-α，同时在破骨细胞前体中增加RANK表达[23]。所以，T细胞复制衰老是有效的破骨细胞生成诱导剂，这也部分解释了衰老过程中破骨细胞活性增高的机制。

T细胞和B细胞在骨代谢中有重要作用[17]。成骨细胞和B细胞均可产生OPG，调节成骨细胞的生成；而且，T细胞和B细胞还产生RANKL，调节破骨细胞生成[6，24]。研究证实，RANKL可以控制骨再生和重塑，这种作用是通过破骨细胞诱导Treg细胞介导的[25]。最新研究表明，在绝经后骨质丢失过程中，T细胞分泌的细胞因子如TNF-α、IL-1明显增加，CD4+CD25+CD127-Treg细胞水平升高[26]。随年龄增长，Treg细胞的抑制活性逐渐下降，可能与年龄相关的胸腺萎缩或衰老的周围环境有关。

绝经后妇女或经前选择性卵巢切除的妇女B细胞和T细胞产生RANKL增加[27]，T细胞产生TNF-α和RANKL的量显著增加[28]。绝经后妇女体内细胞毒性CD8+T细胞数量与可育妇女相比显著减少[2]，CD3+CD40L+和CD3+CD28+T细胞水平降低[2]。CD40L-CD40相互作用对于T细胞效应子功能和B细胞的最佳抗体反应很重要，并参与骨代谢[29]。T细胞可通过细胞表面受体如CD40L调节成骨细胞[30]。B细胞产生OPG和T细胞调节骨细胞分化的共同作用维持峰值骨量。雌激素缺乏引起表达CD40L的T细胞数量增多，促进基质细胞表达M-CSF和RANKL，并抑制OPG的产生[30]。因此，由CD40L介导的T细胞和基质细胞之间相互作用在成骨细胞生成和破骨细胞生成的平衡失调中起着关键作用。

总之，老年或绝经后妇女发生免疫衰老，T、B细胞功能发生改变，通过释放细胞因子调控相关信号通路，影响破骨细胞和成骨细胞的分化与增殖，这是原发性骨质疏松症发生的重要机制之一。

4 DC细胞活性与骨代谢的关系

骨质疏松症与浆细胞样DC百分比降低和天然Treg细胞升高有关[2]。RANKL/RANK相互作用也调节T细胞-DC间的信号传导，DC还可以通过M-CSF诱导破骨细胞生成[31]。研究证实，绝经后妇女的激素变化可能影响免疫细胞如浆细胞样DC的功能。雌激素可能调节Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)通路的关键信号分子，或涉及其细胞内运输及蛋白水解。骨质疏松女性和骨量减少女性CD3+CD28+淋巴细胞的浆细胞样DC水平较低[2]。可见，DC细胞的数量和活性改变可能影响骨代谢，但其具体机制尚待进一步研究。

5 NK细胞活性与骨代谢的关系

NK细胞和自然杀伤T(natural killer T，NKT)细胞在调节先天性和适应性免疫应答中起重要作用，其细胞毒性可有效杀死受感染细胞或肿瘤细胞。研究证明，NK和NKT细胞数量和活性的改变与年龄有关[2]。与其他淋巴细胞一样，NK细胞在骨稳态的调节中起作用[17]，NK细胞通过产生RANKL来增强破骨细胞的形成，影响骨吸收[32]。然而，目前对NK、NKT细胞在骨代谢中的作用尚不清楚。

6 中性粒细胞活性与骨代谢的关系

研究证明，中性粒细胞在骨代谢中起作用，特别是在炎症引起的骨丢失中发挥重要作用[33]。中性粒细胞通常是第1个迁移到损伤部位的细胞类型[34]，其可以分泌许多趋化因子、细胞因子和小分子作为免疫调节因子，例如：通过分泌CC趋化因子配体(CC chemokine ligand，CCL)-2和CCL20募集Th17细胞[33]，导致骨质流失；另外，活化的中性粒细胞在炎症部位表达RANKL，参与破骨细胞生成，从而增加类风湿性关节炎相关性骨溶解[34]。可见，中性粒细胞主要在炎性骨丢失中发挥重要作用，但在免疫衰老引起的慢性炎性微环境中的作用机制尚不清楚。

7 线粒体-溶酶体系统与骨代谢的关系

线粒体是具有可变形状的双膜细胞器，维持分裂和融合之间的超微结构动态平衡，其功能受代谢条件、发育阶段和环境刺激的影响[35]。线粒体能量代谢的减少可能与各种衰老表型相关，包括骨质疏松症[36]。另外，一些调控线粒体-溶酶体系统的因子也在骨代谢中发挥重要作用，如转录因子EB(transcription factor EB，TFEB)不仅调控溶酶体活性，也调节成骨细胞分化。通过使用小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)的基因敲低实验，与对照细胞相比，TFEB敲低导致成骨细胞分化显著降低。相反，与对照细胞相比，TFEB过表达导致显著增强的成骨细胞生成。通过分析下游效应分子，发现TFEB基因敲低引起活化转录因子4(transcription factor 4，ATF4)和CCAAT /增强子结合蛋白同源蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein，CHOP)显著上调，这二者均是成骨细胞生成的必需因素。相反，TFEB过表达通过降低ATF4和CHOP表达而促进成骨细胞分化。提示，TFEB调节成骨细胞分化与ATF4/CHOP依赖性信号传递有密切关系[37]。由此可知，调控线粒体-溶酶体系统功能的基因不仅具有调节细胞能量的作用，还通过相关信号传递调控骨代谢，但其具体机制尚有待进一步研究。

8 偶联细胞因子与骨代谢的关系

在骨重建过程中，以时间和空间协同的方式将骨吸收与骨形成联系起来的过程称为偶联。研究表明，一些破骨细胞来源的偶联细胞因子可以调节成骨细胞的增殖和分化，也可以通过调节造血干细胞龛的微环境，反馈调节破骨细胞的活性[38]。KIM等[39]研究证明，破骨细胞来源的偶联细胞因子Slit轴突导向因子配体3(slit guidance ligand 3,SLIT3)不仅通过激活β-catenin来刺激成骨细胞迁移和增殖，还通过自分泌方式抑制破骨细胞分化而抑制骨吸收，可见，SLIT3通过同步刺激骨形成和抑制骨吸收而发挥骨保护作用。研究表明，破骨细胞不仅是骨吸收细胞，还可以分泌细胞因子影响其他细胞活性[40]，包括调节成骨细胞功能[41]。因此，偶联细胞因子的变化可以通过影响成骨细胞和破骨细胞活性而调节骨代谢，这是近年研究骨代谢的热点之一。

9 免疫衰老对骨源性激素分泌的影响

骨骼是一种动态的结缔组织，对运动系统、钙稳态和造血功能非常重要，然而，骨骼的作用不仅是结构性骨架，也是一个内分泌器官，其调节多种代谢过程。由成骨细胞分泌的激素包括骨钙素(osteocalcin，OCN)、成纤维细胞生长因子23(fibroblast growth factor 23，FGF23)和脂质运载蛋白2(lipocalin 2，LCN2)等[42]。至少有2种骨源性激素可以调控糖和能量代谢，包括 OCN和LCN2。OCN可以刺激胰腺β-细胞分泌胰岛素，这有利于在运动过程中刺激肌肉利用葡萄糖和脂肪酸的代谢提供能量。另外，OCN还可以调节男性性腺内分泌活动[43]。LCN2也可以诱导胰岛素分泌，改善机体的葡萄糖耐量和胰岛素敏感性，维持葡萄糖稳态[44]；LCN2还可以通过激活大脑中抑制食欲的信号来影响能量代谢，LCN2这种功能的机制之一是其与下丘脑室旁核和下丘脑腹内侧神经元中的黑皮质素4受体(melanocortin 4 receptor，MC4R)结合，激活MC4R依赖性抑制食欲的信号传递[45-46]。因此，骨骼不仅具有结构性骨架的功能，还是重要的内分泌器官，可以通过分泌骨源性激素来调控能量代谢和男性生殖功能。

FGF-23是成骨细胞和骨细胞分泌的另一种骨源性激素，其激活肾小管中的成纤维细胞生长因子受体(fibroblast growth factor receptor，FGFR)/α-Klotho复合物，调节磷酸盐的重吸收、1，25-二羟基维生素D的产生和分解代谢以及抗衰老激素α-Klotho的表达[47]。此外，还发现硬化蛋白、IL-11和LCN2是骨衍生的体液因子[48]。

衰老抑制因子α-Klotho与FGFR结合，增强FGFR与FGF23结合，发挥调节矿物质离子和维生素D稳态的作用。这种辅助受体的作用和机制尚不清楚。CHEN等[49]提出了1：1：1三元复合物的原子结构，其由α-Klotho的脱落细胞外结构域、FGFR1c配体结合结构域和FGF23组成。在该复合物中，α-Klotho通过其D3结构域连接FGFR1c，通过其C端尾部连接FGF23，从而实现FGF23-FGFR1c稳定结合而发挥FGF23的生理功能。由此可知，骨骼通过分泌骨源性激素而调节钙、磷等矿物质代谢和维生素D的活性，反过来调节骨代谢。

可见，随着年龄增长，免疫衰老影响骨代谢的同时，间接影响了骨源性激素的分泌，引起全身多器官系统代谢的紊乱，这一复杂的调控机制将是研究衰老与骨代谢相互关系的热点。

10 结语

骨不仅具有动态的结构性骨架的作用，而且是机体最大的内分泌器官。骨代谢是一个非常复杂的过程，与钙稳态、能量代谢、造血功能和生殖功能等多种生理功能有密切联系。骨组织通过分泌骨源性激素而调控胰腺、肌肉、神经系统和生殖系统等多种组织和器官的功能。因此，免疫衰老不仅影响骨代谢，也影响全身多组织器官的功能，与人体组织器官的衰老密不可分。随着对骨免疫衰老机制研究的进展，有望揭开免疫衰老与人体全身多器官衰老的关系，为多种衰老相关疾病提供新的理论基础和治疗靶点。