巨噬细胞在假体周围骨溶解中作用的研究进展▲

廖云健 王亚飞 刘慧敏 于 聪 廉永云 孙 闯

(哈尔滨医科大学附属第四医院骨科，黑龙江省哈尔滨市 150001，电子邮箱：15562646913@163.com)

【提要】 关节置换术后骨溶解与富含巨噬细胞、细胞因子及磨损微粒的假体周围界膜形成有关。关节置换术后衍生的磨损微粒能刺激巨噬细胞聚集及极化，并刺激巨噬细胞释放肿瘤坏死因子α，后者是参与骨溶解的关键因子。本文就巨噬细胞在假体周围骨溶解中作用的研究进展进行综述。

随着假体材料、固定方法及手术技术的持续改进与成熟，人工关节置换术正逐渐成为临床上最有效和最具成本效益的卫生保健措施之一。据统计，超过75%的老年髋关节置换患者的假体使用年限可超过25年[1]。然而，随着接受人工关节置换患者的年轻化，对人工关节使用寿命提出了更高的要求。因此，了解假体松动机制并延长假体使用寿命一直备受关注。目前大多数人工髋关节设计仍遵循低摩擦力矩原理，主要由金属髋臼杯与金属或陶瓷制成的股骨头和内衬组成，而人工膝关节主要由超高分子聚乙烯胫骨托盘与高度抛光的金属股骨部件相连组成。假体寿命主要受手术技术、植入物固定模式、假体材质、长期骨重建、骨质溶解的影响[2-3]。研究表明，人工关节衍生磨损微粒引发的生物反应是导致骨溶解的关键因素[2，4-5]。巨噬细胞吞噬磨损微粒后释放一系列细胞因子及炎性介质，诱发细胞炎性级联反应，导致假体周围肉芽肿性炎症；磨损微粒可导致巨噬细胞聚集、极化，破骨细胞增殖、活化，最终促使假体松动。

1 磨损微粒及巨噬细胞与假体周围骨溶解之间的关系

1.1 磨损微粒与假体周围骨溶解的关系 磨损微粒对假体周围骨溶解的发生、发展起着重要作用，假体磨损率高的患者更易发生骨溶解[5-6]。无论假体由何种材质制成或采用何种方式固定，随着关节活动量的增加必然会产生不同程度的磨损。不同材质的假体产生的磨损微粒不同，主要有陶瓷微粒、骨水泥(polymethyl methacrylate，PMMA)颗粒、超高分子聚乙烯微粒、金属微粒等。假体周围骨溶解与微粒形状、大小、浓度、材质关系密切，直径0.1～1.0 μm的微粒对机体刺激性最强[7]。将不同直径的PMMA与人类单核细胞共同培养，结果显示，直径0.8 μm颗粒组中白细胞介素(interleukin,IL)-1α和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)含量均显著高于直径1.5 μm组[7]。说明磨损微粒的大小是影响假体周围炎症与溶骨性介质的因素之一。研究发现，直径为0.2～10 μm的磨损微粒可被巨噬细胞直接吞噬，释放TNF-α、IL-1、IL-6、前列腺素E2等溶骨性介质及破骨细胞活化因子；而直径大于10 μm的磨损微粒则被多核异物巨噬细胞所包裹[8]。

1.2 巨噬细胞对磨损微粒的应答 巨噬细胞作为参与机体固有免疫应答的主要细胞，在炎症级联反应起始阶段起主要作用。磨损微粒主要通过两种方式作用于巨噬细胞：(1)受体识别：巨噬细胞表面富含模式识别受体，能识别损伤相关分子模式及病原相关分子模式，如细菌的脂多糖、脂蛋白等。磨损微粒能够像内毒素或脂多糖一样通过二聚作用激活巨噬细胞表面Toll样受体(toll-like receptor，TLR)。研究发现，松动假体周围软组织中TLR表达增高，以TLR-4和TLR-5为主，表明磨损微粒可能参与假体周围骨溶解的病理过程[9]。(2)吞噬：关节活动产生的磨损微粒被纤维蛋白、纤连蛋白、白蛋白、玻连蛋白包裹，巨噬细胞通过清道夫受体、补体受体以及可结晶段受体介导识别磨损微粒表面的黏附蛋白发挥吞噬作用。

1.3 巨噬细胞对机械刺激的反应 尽管磨损微粒在骨溶解中活化巨噬细胞的证据充足，仍有部分专家学者认为，即使无磨损微粒的作用，机械因素仍有可能导致髓腔空洞和假体松动，继而引发假体周围骨溶解[10]。巨噬细胞为机械反应细胞，当出现应力刺激时，单核细胞/巨噬细胞的早期应答基因表达增加，增加TNF-α和巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)受体的分泌[11-13]。体外实验发现，直接使用循环液压刺激原代人巨噬细胞，可升高其IL-1b、IL-6及TNF-α表达水平[11]。研究表明，鼠骨/钛界面间的纤维膜厚度仅随骨/钛界面滑动运动而改变，增加磨损微粒浓度不会改变界膜厚度[14]。Skoglund等[15]分别采用PMMA颗粒、液压及两者联合同时刺激大鼠胫骨，结果显示单独采用液压刺激胫骨的骨溶解更明显。因此认为压力在骨溶解中可能比磨损微粒更重要。

2 巨噬细胞与破骨细胞的关系

2.1 单核细胞/巨噬细胞前体对破骨细胞分化的调节 破骨细胞是唯一的骨吸收细胞，在骨代谢平衡中起重要作用。破骨细胞来源于单核吞噬细胞谱系，是具有特定功能的单核巨噬细胞。破骨细胞再吸收骨的能力取决于c-src原癌基因的表达，c-src原癌基因具有特异性调节破骨细胞吸收骨的能力[16]。Levaot等[17]的研究表明，破骨细胞从单核细胞祖细胞或组织来源的巨噬细胞体外分化需要与源自骨髓或成骨细胞的基质细胞物理接触；此外，M-CSF可通过集落刺激因子受体促进破骨细胞成熟，但单独的M-CSF不足以诱导破骨细胞前体分化成具有骨吸收作用的成熟破骨细胞。体外实验证实，破骨细胞前体在M-CSF和核因子-κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor kappaB ligand,RANKL)存在或有可溶性RANKL的基质细胞的情况下才会分化为破骨细胞[18]。人工关节置换中的骨质溶解程度取决于破骨细胞与成骨细胞的动态平衡。研究发现，TNF-α及IL-1可刺激成骨细胞表达RANKL和M-CSF，这可能是巨噬细胞衍生细胞因子刺激破骨细胞的一种新机制[19]。目前认为破骨细胞祖细胞可在M-CSF和RANKL刺激下分化为破骨细胞，但是对于TNF-α是否直接刺激骨髓破骨细胞生成仍然存在争议。Cao等[20]发现，在M-CSF存在下，TNF-α可以直接诱导破骨细胞前体分化成具有骨吸收作用的抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP)多核细胞。但是赵玉鸣等[21]从鼠骨髓中分离纯的单核吞噬细胞，加入超生理浓度的M-CSF和TNF-α共同培养后并无破骨细胞形成；然而将单核吞噬细胞与成骨细胞共同培养后，从细胞株中分离出大量成熟破骨细胞。上述研究提示成骨细胞在破骨细胞成熟过程中发挥着重要作用。

以上研究表明，受粒子刺激的巨噬细胞可通过两种途径影响破骨细胞生成，即通过分泌TNF-α/IL-1刺激成骨细胞高表达RANKL和M-CSF激活破骨前体细胞，或通过分泌TNF-α促进RANKL作用从而促进破骨细胞前体的活化、增殖。

2.2 关节置换组织中巨噬细胞向破骨细胞分化 从翻修髋关节周围组织中分离出的巨噬细胞具有分化成破骨细胞的潜能，其表面有破骨细胞特异性标志物TRAP和玻连蛋白受体表达，并且在骨小梁细胞存在的条件下具有骨吸收能力。研究证实，假体周围巨噬细胞衍生形成破骨细胞的过程受骨保护蛋白抑制[22-23]。伍群等[24]通过对关节置换相关的骨质溶解患者评估发现，骨质溶解组织基质中RANKL和核因子-κB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor kappaB,RANK)的mRNA和蛋白质表达水平上调，并且双重染色显示RANKL与RANK阳性细胞特异性结合。因此提出界膜组织中的RANKL可诱导RANK阳性巨噬细胞转化成破骨细胞。

研究表明，从翻修假体周围组织中分离的巨噬细胞可能通过非RANKL依赖途径分化为破骨细胞[25]。在M-CSF和TNF-α存在的条件下，假体周围组织的贴壁细胞群能产生具有骨吸收功能的TRAP 阳性细胞。添加TNFp55受体蛋白抗体后，M-CSF和TNF-α诱导的TRAP阳性细胞数量减少约50%[26]。因此认为TNF-α能直接诱导假膜中的巨噬细胞分化成具有破骨细胞特征的多核巨细胞，其原因可能是假体周围组织的贴壁细胞群在体内被分离前曾接触过RANKL[26]。

3 假体周围骨溶解与巨噬细胞极化的关系

3.1 巨噬细胞极化在骨溶解中的作用 在不同病原相关分子模式和损伤相关分子模式的刺激下，巨噬细胞分化成具有不同功能的表型，即经典活化的M1型巨噬细胞和选择性活化的M2型巨噬细胞。M1型高表达诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)，产生大量一氧化氮，杀灭微生物。M2型不产生一氧化氮但是高表达精氨酸酶1(arginase 1,ARG1)，ARG1代谢生成的鸟氨酸、脯氨酸、多胺类可以促进胶原合成、组织重构和纤维化。

M1型及M2型巨噬细胞均参与假体周围骨溶解的发生发展。体外实验发现，PMMA颗粒巨噬细胞向M1型分化并分泌TNF-α、IL-1、IL-6、iNOS等促炎性细胞因子及溶骨性介质，同时能产生趋化因子，募集1型辅助性T细胞(helper T cell 1,Th1)，促进强烈的Th1免疫反应，其最终的结果是炎性细胞的浸润和破骨活动增强[27]。由M1型巨噬细胞释放的细胞因子又能诱导巨噬细胞向M2型转化并释放一系列抗炎细胞因子，如IL-10、IL-4、IL-13和转化生长因子β等。

3.2 假体周围巨噬细胞的极化状态 目前尚无证据直接证实假体周围巨噬细胞的极化状态，现有研究多是通过极化巨噬细胞的相关标记物推断、假设得出的。有学者认为，假体周围巨噬细胞极化状态与巨噬细胞表观遗传学调控有关[27]。也有学者认为，巨噬细胞极化状态可能受假体周围局部微环境的调控，动态转变成不同的表型[4]。体外实验发现，将小鼠巨噬细胞与PMMA微粒共同培养后得到M1型巨噬细胞，添加IL-4继续培养后发现M1型巨噬细胞转化为M2型巨噬细胞，而仅受IL-4刺激的未分化巨噬细胞不会分化为M2型巨噬细胞[28]。在翻修假体周围组织中M1型巨噬细胞占所有巨噬细胞的比例高于初次手术的患者，并且M1/M2比例明显增高[29]。有证据表明，磨损微粒能诱导原始巨噬细胞极化为M1型巨噬细胞，并释放TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-23等促炎因子[30-31]。Koulouvaris等[32]采用实时定量聚合酶链式反应法检测松动的假体周围M2型巨噬细胞相关标记物时发现，M2型巨噬细胞相关标记物几丁质酶1和CC趋化因子配体18的表达增加，而M1型巨噬细胞相关标记物表达无明显变化，提示在骨溶解的结束阶段以M2巨噬细胞的活化为主。目前巨噬细胞在假体周围的极化状态仍存在争议，多数学者认为在假体周围骨溶解发生起始及发展阶段以M1型巨噬细胞极化为主，而在终末阶段以M2型巨噬细胞极化为主。

3.3 巨噬细胞极化与骨溶解的防治 巨噬细胞极化可能是除磨损微粒外引起假体周围骨溶解的又一重要原因。不同表型的巨噬细胞具有不同的功能，M1型巨噬细胞倾向释放溶骨性介质，促进假体周围炎症发展；M2型巨噬细胞具有抗炎、促进组织修复和机体恢复的作用。因此通过合理手段调控巨噬细胞极化可能是减轻假体周围炎症、抑制骨溶解的方法之一。研究发现，IL-4能抑制PMMA颗粒、脂多糖对小鼠单核巨噬细胞的刺激，减少巨噬细胞分泌IL-1、IL-6、TNF-α、M-CSF、iNOS等促炎性细胞因子，降低M1/M2型巨噬细胞比值；去除IL-4因素后M1/M2比值升高，骨溶解现象增强[33]。也有研究报道，IL-10能将巨噬细胞分化为M2型巨噬细胞，甚至能实现M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞的转换[34]。IL-10对巨噬细胞极化状态的影响可能与其对Janus激酶/信号转导子和转录激活子(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription,JAK/STAT)1和核因子κB p65信号通路的抑制和对JAK/STAT3信号通路的增强有关[35]。综上研究表明，通过IL-4、IL-10调节巨噬细胞极化状态，可能成为抑制假体周围骨溶解的一种有效方法。

4 结 论

在固定良好的稳定植入物中，磨损微粒是假体晚期无菌性松动的驱动因素。磨损微粒可激活假体周围组织中的巨噬细胞并产生一系列细胞因子和其他炎症介质。目前的证据表明巨噬细胞衍生的TNF-α是骨溶解发展中的关键因子。TNF-α可以增加成骨细胞RANKL和M-CSF的表达，并能诱导巨噬细胞向破骨细胞转化。RANKL和M-CSF是导致破骨细胞前体扩增和分化成成熟破骨细胞的必需因子。假体周围巨噬细胞表型和功能处于动态平衡中，不同的环境刺激物可触发巨噬细胞向不同的方向极化产生M1及(或)M2型巨噬细胞。当M1型巨噬细胞占优势时促炎因子释放，溶骨活动增强；当M2型巨噬细胞占优势时溶骨活动被抑制，利于骨形成。了解巨噬细胞在假体周围骨溶解中的作用机制及假体周围巨噬细胞极化状态，将有利于为临床防治假体松动提供新思路。