单核细胞趋化蛋白-1的形成及其在骨重建中的作用

谭荣雄，蔡杰钦，李健，蒋华生，谭奇超，彭鑫，彭中华综述 魏波，吴强审校

1.广东医科大学，广东 湛江 524000；2.粤北人民医院，广东 韶关 512000

趋化因子属于趋化细胞因子家族，根据趋化因子的一级结构可分为四个亚家族：CXC、CC、C和CX3C[1-2]，趋化因子网络在发育、动态平衡、免疫监测、炎症、抗感染、组织修复以及先天免疫和获得性免疫等方面起着重要作用；包括迟发型超敏反应、动脉粥样硬化、肺纤维化、细菌感染、关节炎和肾脏疾病动脉粥样硬化、癌症和急性髓性白血病在内，各种临床疾病的病理发展都有趋化因子的参与[3-5]。单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1，又称CCL2)是调节单核/巨噬细胞迁移的重要趋化因子，它能募集单核细胞、记忆T细胞、树突状细胞至损伤和感染的组织，这些细胞对末梢循环和组织中的抗病毒免疫应答起着非常重要的作用[6-8]。同时，MCP-1也可表达于软骨细胞、成骨细胞、破骨细胞和滑膜细胞，在骨代谢和OA中发挥作用[9-10]。GRAVES等[11]和VAN DAMME等[12]首次证明MCP-1可以在体外由成骨细胞表达。MCP-1与CC趋化因子受体2(CCR2)结合，CCR2由OCS表达，缺乏CCR2会导致更高的骨量，这强烈表明MCP-1在骨代谢中发挥作用[13]。在上述研究中不难发现，MCP-1作为一种炎症趋化因子不仅可由成骨/破骨细胞产生，同时对骨代谢活动起着至关重要的调节作用，这种调节作用将作为本文综述的重点。

1 单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)与趋化因子受体2(CCR2)

1.1 单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)趋化因子最早于1977年随着分泌的血小板因子4(PF4/CXCL4)的纯化而被鉴定。自那时起，随着对趋化因子研究的逐渐深入，越来越多的趋化因子配体、受体被发现，它们对机体生理代谢、绝大多数疾病的发生发展过程起着举足轻重的调节作用。MCP属于至少由四个成员(MCP-1、-2、-3和-4)组成的家族。然而，在趋化因子家族的众多成员中，MCP1是第一个发现的人类CC趋化因子,位于17号染色体(chr.17，q11.2)，由76个氨基酸组成，大小为13 kDa。MCP1可由内皮细胞、成纤维细胞、上皮细胞、平滑肌细胞、系膜细胞、星形胶质细胞、单核细胞和小胶质细胞等多种细胞类型产生[1]。值得关注的是，MCP1不仅是首个被发现的人类CC趋化因子，而且它还是趋化因子家族中被广泛关注、研究最多的趋化因子之一，它被报道参与了多种生理过程及疾病的发生发展：包括炎症性骨丢失[14]，成骨细胞/破骨细胞表达的调节、迟发型超敏反应、动脉粥样硬化、肺纤维化、细菌感染、关节炎和肾脏疾病动脉粥样硬化和癌症等[15-18]。正因为MCP1参与了众多生理反应过程以及疾病的发生发展过程，所以以MCP1作为预测干预指标进行各种相关疾病的诊断、治疗及预后判断逐渐受到广泛的关注和深入研究，包括：骨质疏松症、弥漫性大B细胞淋巴瘤、前列腺癌，乳腺癌，Schnitzler"s综合征、多发性硬化症、类风湿性关节炎、动脉粥样硬化和胰岛素抵抗糖尿病等[19-23]。

1.2 趋化因子受体2(CCR2)CCR2是一种7次跨膜的G蛋白偶联受体，能够与CC趋化因子配体2(CC chemokine ligand 2，CCL2)高选择性结合，不仅在炎症反应中发挥重要作用，而且在人类破骨细胞前体细胞中有明显表达[24-26]。此外，MCP-1基因的破坏也会导致单核细胞募集过程的损伤，这与CCR2基因敲除模型有相同的特征。然而，CC趋化因子生物学的一个独特方面是受体和趋化因子之间存在高度的串扰。趋化因子既可以作为同源二聚体，也可以作为具有结构相似趋化因子的异源二聚体，一种特定的趋化因子可以与其他趋化因子和几个主要受体相互作用，如果浓度足够高，还可能与其他非典型受体相互作用[26]；而MCP1是导致单核细胞迁移的信号转导通路中最有效的诱导剂[28]。与MCP1不同的是，CCR2的表达相对局限于某些类型的细胞，且在人类中以两种异构体存在：CCR2A和CCR2B[26]。它们的主要区别在于C-末端尾部的不同。单个核细胞和血管平滑肌细胞表达的主要亚型是CCR2A，而CCR2B则是单核细胞和活化的NK细胞主要表达亚型[1，5]。CCR2A和CCR2B可能激活不同的信号通路，发挥不同的作用。这两种异构体的存在使得激活不同的途径最终产生不同的效果成为可能。例如，CCR2A阳性细胞的MCP1趋化发生在没有Ca2+动员的情况下，但在CCR2B阳性细胞中诱导Ca2+fl UX。有趣的是，CCR2不仅具有促炎作用，而且还兼具抗炎作用。CCR2的促炎作用依赖于APC和T细胞，而抗炎症作用依赖于调节性T细胞中CCR2的表达。

2 骨骼的修复和重建

骨骼的主要功能包括：为身体提供结构性支撑，保护内部器官和调节造血系统。骨骼修复和重塑有助于保持骨骼的完整性，这一过程发生在整个生命过程中[29]。骨修复重建除了促进骨折愈合外，还有助于预防骨的累积性损伤和维持血钙动态平衡的重要作用[30]。骨重建过程主要依赖破骨细胞的骨吸收与成骨细胞的骨形成[31]，这一过程由五个主要步骤共同完成：激活、再吸收、逆转、形成和终止[33]，每个步骤对于保持骨骼完整性和维持矿物质稳态都不可或缺。

3 MCP1通过调节成骨细胞和破骨细胞完成骨重建

CC和CXC趋化因子在骨重建中有明确的作用[28]；MCP-1由成骨细胞分泌，其受体CCR2可在破骨细胞中发现[26]，它是吸引破骨细胞及其前体到骨重建部位的重要信号分子。没有CCR2的情况下破骨细胞和成骨细胞活性将会降低[34]。近年来，越来越多的实验研究对此观点加以了证实，其中备受关注的是CC家族中的MCP1。成骨细胞或破骨细胞表达多种不同的趋化因子，其中成骨细胞是表达MCP-1的主要细胞[27]。有研究证实，成骨细胞可以分泌多种炎症细胞因子，促进破骨细胞的形成，然而在这些因子中，MCP-1对破骨细胞的分化、形成至关重要，MCP-1可以加速破骨细胞前体细胞的募集，并促进破骨细胞的分化、成熟，从而发挥骨吸收功能[35]。YAO等[36]用突变的MCP1蛋白7ND封闭MCP1-CCR2/CCR4配体受体轴，可以减少单核/巨噬细胞在体外的迁移。该团队于2016年小鼠颅骨短期模型中，确定7ND是MCP1蛋白的一个突变型，在N端缺失2~8个氨基酸，是MCP-1的显性负抑制因子。局部给药对骨溶解的发生起到了抑制作用。该实验证实了MCP-1对于破骨细胞的激活起着重要作用，当MCP-1受体被抑制时，破骨细胞活性明显减退。此外，有研究发现在尺骨应力性骨折(SFX)模型中，趋化因子MCP-1在SFX启动后早期重塑过程中受到特异性调控。MCP-1mRNA和蛋白定位于(SFX)附近的成骨细胞。值得注意的是：非炎性骨组织中MCP-1表达很少或不表达[27]。这表明骨折早期的炎症刺激可能引起了成骨细胞表达MCP-1。然而，若是这种炎症刺激并非局限于骨折早期，而是转变成慢性过程，MCP1的长时间持续作用将引起骨吸收大于骨形成；而骨吸收和骨形成之间的任何失衡都会导致代谢性骨病的发生[33]。

骨组织的炎症刺激通常由骨折、感染或者自身的免疫调节功能触发，但有趣的是，包括压力在内的机械应力也可诱导成骨细胞表达趋化因子，导致炎症反应和骨重建。有研究通过野生型小鼠验证了成骨细胞中CXCL2和MCP1的诱导可能在压力作用下起到骨重建的触发作用[37]。MCP1通过对成骨/破骨细胞的调节作用参与骨重建过程，然而，该调节的过程十分错综复杂，目前对于这种调节作用的具体机制尚不十分明确，目前普遍认为与RANK/RANKl/OPG信号转导通路有关。

4 MCP-1通过RANKL信号转导参与骨重建

控制破骨细胞性骨吸收和成骨细胞骨形成的关键信号通路是核因子受体激活剂RANK/RANK配体/骨保护素(OPG)和规范的Wnt信号。κB受体激活剂(RANK)/RANK配体(RANKL)/骨保护素(OPG)是控制破骨细胞性骨吸收和成骨细胞骨形成的关键信号通路[33]。

成骨细胞和成骨细胞表达MCP-1可能有助于RANKL的破骨细胞募集[38]。在这种吸收活动之后，成骨细胞的数量和活性增加，导致骨量的净增加。破骨前细胞和成骨细胞之间的直接接触对于破骨细胞的形成是必要的；当MCP-1在体内靠近骨骼时，单核细胞浸润增加[40]，因此，吸引接近成骨细胞的单核/巨噬细胞谱系的细胞对于促进破骨细胞成熟至关重要[39]。

单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)可被GMCSF深深抑制。加入MCP-1可逆转GM-CSF对破骨细胞形成的抑制作用，恢复骨吸收表型。当通过NFATc1的RANKL信号被环孢素A阻断时，MCP-1和RANTES的表达均下调。同时，基因表达研究表明，GM-CSF治疗引起MCP-1的有效下调。外源性MCP-1的加入逆转了GM-CSF介导的破骨细胞形成抑制，使真正的多核骨吸收破骨细胞得以恢复。这些结果提示RANKL对MCP-1和RANTES的诱导是破骨细胞分化的重要组成部分，提供作用于破骨细胞的自分泌信号和作用于破骨细胞前体的旁分泌信号，通过促进融合来加速破骨细胞的分化[16]。

此外，对钙磷代谢以及骨代谢起重要调节作用的甲状旁腺素(PTH)，也可通过RANKL的表达来影响破骨细胞的活性，而MCP-1的表达是破骨细胞和巨噬细胞募集、破骨细胞形成以及与PTH合成代谢相关的骨吸收所必需的[16]。单核细胞趋化蛋白-1在骨微环境中的浓度可能局部增加，以旁分泌的方式将单核细胞和破骨前细胞吸引到骨表面附近。PTH通过刺激RANKL和M-CSF的表达间接影响破骨细胞的成熟和功能[41-42]。间歇性PTH刺激RANKL是一过性事件[41，43]，和MCP-1的表达与RANKL的表达平行。MCP-1由成骨细胞系的细胞在甲状旁腺素刺激下分泌，对单核细胞和破骨前细胞的募集是必需的，并有助于成熟破骨细胞的形成。破骨细胞活性的短暂增加会导致随后骨形成的增加，从而导致骨量的净增加。MCP-1的缺失消除了甲状旁腺素诱导的破骨细胞形成和骨吸收[38]。除PTH外，雌激素也被确定降低了成骨细胞中RANKL的表达，增加了护骨素的产生[6]。

另有研究表明，制瘤素M(OSM)影响成骨细胞的活性、迁移和侵袭。这种影响也与MCP-1有关，但这种调节作用并非通过RANKL实现，而是通过调节Akt磷酸化水平和MMP-1、MMP-2的活化来实现[29]。

5 结语

趋化因子家族成员众多且功能非常复杂，诱导迁移，特别是白细胞的迁移，是它的主要生物学目的，但它的作用远远不止于此。MCP1被发现已经多年，且受到了广泛的研究，但是其在骨代谢与重建过程中的确切生物学机制却尚未十分明确，目前大多数观点认为CCR2是MCP1的主要受体，而MCP1对成骨细胞/破骨细胞活性的调节主要是通过RANKL信号调节实现的。然而，MCP1对骨重建的调节作用是否存在剂量依赖性以及时效依赖性？趋化因子之间是否存在协同或拮抗作用？其他信号转导通路是否也参与了MCP1对骨代谢的调节？MCP1是否通过刺激骨髓间充质干细胞的成骨分化影响骨重建过程？等诸多问题仍有待解决。