骨质疏松相关细胞因子的研究进展

梁 磊，海向军

(西北民族大学少数民族体制与健康重点实验室，甘肃 兰州 730030)

骨质疏松症是由多种原因引起骨吸收大于形成导致的骨量降低，表现为易发生骨骼疼痛和骨折，峰值骨量和多种不同因素导致的骨量流失与OP的发生密切相关。OP患者在骨量降低的初期往往无临床表现，当出现骨骼疼痛、变形或骨折时才发现，延误了防治骨质疏松的最佳时期。流行病学调查结果显示，骨量的丢失已经成为影响中老年人生活质量的重要因素之一。目前，OP的发生机制仍不明确，新近研究认为，调控免疫应答的细胞因子可能参与到了OP中骨的代谢。为进一步梳理骨质疏松与细胞因子的关系，为骨质疏松的预防、治疗提供参考，下面将近期研究热点细胞因子与骨质疏松进行综述。

1 白介素

因最早发现产生于白细胞而得名，除在免疫应答中发挥重要作用外，也参与机体的病理生理反应过程。近年来，白介素中一些如IL-6、IL-17等已经被证实参与了OP中骨量的丢失过程，各白介素家族成员对骨稳定的利弊，及机制如何，将对OP的预防和治疗提供科学证据。

1.1 骨保护因子

成骨细胞是骨形成的主要细胞。研究发现，白介素3（IL-3）的成骨作用大于破骨作用。IL-3通过激活smad1/5/8复合物诱导骨髓间充质干细胞中的骨形成蛋白-2（BMP-2）信号传导，BMP-2信号激ad1/5/8复合物，进而调控成骨细胞基因的转录，同时，IL-3可以通过JAK2/STAT3途径增加成骨作用，使用JAK2抑制剂后，IL-3刺激成骨细胞分化作用明显受到抑制；IL-3还可通过JAK2/STAT5途径和下调金属蛋白酶降低可溶性NF-κB配体的受体活化剂（RANKL）在外周血中的表达，抑制破骨细胞的分化成熟[1-2]。同样，IL-33是新近发现的骨保护因子，同样有成骨和破骨的双重调节作用，影响机制仍不清楚，可能是通过抑制RANKL依赖型破骨细胞的形成，同时可引起抗破骨细胞因子的产生，抑制破骨细胞的分化，虽然发现IL-33可以促进一类破骨前体细胞分化成熟，但其他类型的此类细胞则无反应；对比研究中还发现，IL-33与甲状旁腺素（PTH）和骨形成标记物成正相关，和骨吸收标记物呈负相关，表明IL-33是一种重要的骨保护因子[3]。

1.2 骨吸收因子

破骨细胞是骨吸收的主要功能细胞，与成骨细胞协同维持骨代谢稳定。单纯IL-6诱导后形成的破骨细胞形态较小，在IL-6受体（sIL-6R）和低浓度RANKL参与下，其诱导破骨细胞前体分化的能力显著提升，当RANKL浓度过高时，则表现出抑制作用。IL-6和sIL-6R结合后形成的复合物可激活JAK/STAT3信号通路，促进破骨细胞前体分化，使用JAK/STAT3信号阻断剂后，分化过程明显被抑制，证明IL-6通过JAK/STAT3信号通路和RANKL影响破骨细胞的分化[4-6]；IL-6的过多分泌对成骨具有抑制作用，其可以通过降低β-连环蛋白的活性来减少骨髓间质细胞向成骨细胞的分化，在小鼠动物模型中注射IL-6抗体有助于挽救骨质疏松[7]。方秀统等对因骨质疏松性椎体骨折入院的病人静脉抽血对比研究后发现，骨密度在OP和健康组均表现出女性低于男性的特征；可溶性IL-6（sIL-6）在患病组随骨密度降低而升高，证实IL-6跟骨密度呈负相关[8]。由辅助性T17细胞分泌的IL-17同样参与了骨代谢的过程，IL-17可以直接作用于破骨细胞影响其分化，还可直接作用于成骨细胞，促进RANKL产生，通过RANKL-JNK1途径调控破骨细胞前体的自噬和破骨细胞生成，造成骨量丢失和OP发生。在雌激素缺乏的情况下，IL-17可诱导多种细胞分泌IL-6，IL-6可促进Th17细胞的分化，引起外周血中IL-6水平的增加，形成链式效应，协同产生持续性破骨效应，加重OP程度，使用雌激素处理后，这种诱导能力被抑制，骨丢失情况好转[9-12]。刘连勇等研究后发现，绝经后骨质疏松（PMOP）患者中IL-17、IL-6的表达均明显高于健康人群，IL-17与骨密度呈负相关，同时，IL-6的高水平可诱导IL-17分泌，加重骨量流失，引起POMP发生[13]。

除上述因子外，IL-1、IL-2、IL-4等对骨代谢平衡的影响均已被证实，但因白介素成员功能复杂重叠，发生机制仍需深入研究。

2 肿瘤坏死因子-α

肿瘤坏死因子-α（TNF-α）是一类具有直接杀死肿瘤能力的生物因子，具有多项生物学功能，因其对正常细胞无毒而受到青睐。

TNF-α是重要的骨吸收因子，是PMOP发生的罪魁祸首。国外研究发现，绝经后女性TNF-α表达水平升高可在体外促进RANKL依赖性破骨细胞生成。破骨细胞的形成完全由RANKL通过激活核因子-κB介导，TNF-α通过PI3K/Akt通路促进破骨细胞前体的RANKL触发NF-κB活化，抑制PI3K/Akt通路后，NF-κB活化明显降低[14]；在成骨细胞方面，TNF-α对成骨髓间充质干细胞（BMSC）的成骨分化起负性调节作用，TNF-α可诱导miR-23b的过度表达，反过来抑制人BMSC中碱性磷酸酶的表达和钙沉积的形成，其作用机制可能是miR-23b与runx2 3′UTR的结合严重损害了runx2的翻译，而runx2转录因子是成骨细胞形成过程中必不可少的[15]；另外，TNF-α还可通过调节转录因子FoxO1引起骨质疏松症，研究证实FoxO1的减少抑制BMMSCs分化，是BMSC成骨分化所必需的。TNF-α通过激活其下游的NF-jB途径，促进miR-705的转录，并与FoxO1mRNA的3'UTR结合抑制FoxO1蛋白的积累，引起成骨细胞分化障碍，导致OP的发生[16]。除此之外，骨自噬作用的发生也受TNF-α诱导，该过程可保护成骨细胞凋亡，降低骨量流失[17-18]。国内研究发现，SEMAⅢ家族蛋白和其受体参与了TNF-α对骨代谢的调控，在RANKL诱导的破骨细胞生成的过程中，TNF-α可通过JNK信号途径引起SEMA3D的高表达，抑制破骨细胞前体中SEMA3D可使破骨细胞的增值和分化得到有效缓解，同时TNF-α可通过 Wnt/β-catenin信号途径调控 SEMA3B的表达，而SEMA3B的高表达可缓解TNF-α对成骨细胞分化的抑制[19]。国内一些动物PMOP模型体实验证明了TNF-α抑制PMOP中成骨分化[20]。

3 生长因子

3.1 成纤维细胞生长因子

成纤维细胞生长因子 （FGF）与OP关系密切，Osterix是一种新发现的只在发育骨组织中表达的转录因子，研究发现，FGF具有强大的激活Osterix转录因子表达的作用，同时和Wnt/β-Catenin途径在对Osterix的调控上形成叠加作用，促进体内成骨细胞的分化[21]。SK Murali等人研究发现，FGF23/Klotho轴在调节骨矿化的过程中发挥重要作用，骨桥蛋白（OPN）是一种具有促破骨细胞趋化作用的蛋白，FGF23可通过FGF-3受体起作用，抑制成骨细胞中碱性磷酸酶的转录和磷酸生成来间接调节骨桥蛋白的分泌，抑制FGF23活性后所致矿化缺陷由1,25（OH）2D3诱导的焦磷酸产生酶、焦磷酸转运蛋白ANK和OPN上调和FGF23缺乏导致OPN的额外积累共同所致[22]。

3.2 胰岛素样生长因子

由IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ两种，参与骨发育、修复、再生的调节。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ均可诱导骨形成蛋白-9(BMP9)的成骨作用，但因IGF-Ⅱ主要存在于胚胎干细胞中且在成人的高表达可能会造成组织增生，存在临床风险；IGF-Ⅰ对包括肌肉、软骨和骨骼在内的多种组织具有合成代谢作用，IGF-Ⅰ可通过激活经典通路BMP/Smad来增加BMP9诱导BMSC的成骨细胞数量，与BMP9结合时可显著提升BMP/Smad通路的转化活性，发挥成骨作用[23]；除此之外，IGF-Ⅰ可直接诱导BMSC向成骨细胞分化，也可与BMP7结合，发挥更为显著的成骨作用[24]。国内一项对比研究发现，在OP组中IGF-Ⅰ表达浓度明显下降，与骨密度呈正相关，证实了IGF-Ⅰ的骨保护因子作用[25]。这与孙健等人的研究结果一致，但具体机制仍需进一步研究[26]。

3.3 转化生长因子-β

转化生长因子-β (TGF-β)是一类多功能蛋白质，在骨质疏松中作用存在争议。国内一项最近关于老年骨质疏松性骨折和健康人群的对比研究中发现，TGF-β1在病例组中的表达低于健康人，与骨转化指标呈负相关，是影响OP性骨折的重要因素[27]；然而，在PMOP研究中却发现，TGF-β1呈现明显高于健康组的高表达状态，发生机制可能是衰老造成的骨微环境中活性氧增加，降低成骨细胞分化，增加破骨细胞数量，进而释放更多TGF-β1，MSCS衰老导致其分化和增殖能力下降，TGF-β1的不断增高则会导致破骨细胞的募集和激活，当这种作用强于成骨时，TGF-β1不再表现出骨保护作用，引起PMOP发生[28]；而SabrinaEhnert等人在动物模型研究中发现，TGF-β1骨代谢过程中的调控存在时间和浓度的依赖性，在最初低浓度下，TGF-β1可显著促进MSCS向成骨细胞的分化，随着作用时间和作用浓度的增加，导致依赖的Smad2/3蛋白功能丧失，引起成骨作用降低，mRNA分析后发现，成骨作用变为破骨细胞的募集，RANKL分泌增加，骨保护素水平降低，引起OP[29]。

4 结语

细胞因子在人体各项生理活动中发挥重要作用，现代基因和细胞工程技术为发现更多的细胞因子和研究其结构与功能提供了技术条件。OP的发生是一个复杂的过程，其过程是多种因素下的共同结果，除上述已发现的参与骨代谢的细胞因子外，干扰素、集落刺激因子等都可能参与了OP的发生过程，在骨代谢平衡过程中发挥着重要作用。目前以IL-6、TNF-α为靶点的单抗已经药物被允许用于风湿性关节炎（RA）合并OP的治疗，新兴靶点IL-17的单抗药物也已经进入临床试验最后阶段，不仅为OP的治疗开辟了新道路，也对治疗细胞因子相关的其他疾病提供了新的选择。同其他药物一样，长期应用对人体有无副作用仍需值得警惕，这些可能会限制将细胞因子作为靶点的临床药物在疾病治疗当中的应用。