骨免疫学对骨质疏松症的调控作用研究进展

王东 常文举 丁海

蚌埠医学院第一附属医院骨科，安徽 蚌埠 233000

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是慢性全身性骨病，主要表现为骨量丢失、骨微结构退化，最终导致骨骼的脆性升高，骨折风险增高。OP包括原发性、继发性和特发性，其中以原发性骨质疏松症的发病率最高。随着我国老龄人数增多，OP患者数量也日益升高，骨质疏松及骨质疏松性骨折已成为严重影响我国人民健康的慢性疾病。本文就骨免疫学因素对骨质疏松症的调控作用进行综述。

1 OPG/RANK/RANKL信号系统与骨质疏松

骨保护素(OPG)、核因子κB受体活化因子(RANK)和核因子κB受体活化因子配体(RANKL)属于TNF及其受体超家族。作为TNF超家族分子，RANKL形成同源三聚体并与其受体结合，RANK和OPG分别作为单体和同源二聚体。表达于破骨前体细胞表面的RANK可以与RAKNL相结合，从而促使破骨细胞分化发育；而OPG竞争结合RANKL，能够抑制破骨细胞分化发育。

RANKL是一种Ⅱ型跨膜蛋白，其羧基末端含有胞外结构域。这个胞外结构域可以被基质金属蛋白酶等酶切割，并以可溶性RANKL的形式释放到胞外环境中。膜结合RANKL和可溶性RANKL都可与RANK结合，但前者似乎比后者更有功能意义[1-2]。RANKL是人类RANKL基因(基因代码：TNFSF11)编码317个氨基酸的糖蛋白，RANKL基因定位于13号染色体(13q14.11)。

RANK是NF-κB信号系统的关键位点，属于TNF受体超家族，人类RANK基因(基因代号：TNFRSF11A)位于第18号染色体(18q21.33)上。RANK表达于破骨前体细胞、成熟破骨细胞和免疫细胞，如树突状细胞(dendritic cells，DC)、巨噬细胞和小胶质细胞。最近的一项研究表明，破骨细胞释放表达RANK的胞外小泡，这些小泡与成骨细胞上的RANKL相互作用，这种相互作用通过RANK-RANKL反向信号促进骨形成[3]。

OPG是RANK配体(RANKL)的诱饵受体同系物，人类OPG基因(基因代码：TNFRSF11B)位于第8号染色体(8q24.12)上，编码401个氨基酸的受体。OPG也属于TNF受体超家族，以可溶性受体的形式运输到胞外，无任何跨膜结构。OPG与RANKL竞争结合RANK，因此，OPG具有调控NF-Κb信号系统的重要作用。

2 免疫细胞与骨质疏松

2.1 T淋巴细胞

T细胞是源于胸腺内的淋巴干细胞分化而成，是RANKL和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor，TNF-α)的主要来源。根据T细胞表面分子的不同，包括CD4+细胞、CD8+细胞及自然杀伤性T细胞。CD4+T细胞称为辅助性T细胞，包括Th1、Th2、Th17和调节性T细胞(regulatory T cells，Tregs)。这些子细胞产生多种细胞因子，具有不同的生物学作用。活化的T细胞作用于骨髓间质细胞及成骨细胞而调节骨的代谢平衡，在骨质疏松发病机制中具有关键作用。雌激素缺乏能诱发T细胞活化，并下调抗氧化途径，以此来增强T细胞的激活和破骨细胞的生成；T细胞缺陷的小鼠切除卵巢后，没有表现出破骨细胞数量增多的情况，而野生型小鼠的破骨细胞数量是前者的两倍[4]。

Th17细胞在与TGF-β等炎症因子结合后而被激活，通过释放IL-17A、IL-17F、IL-22和IL-26对骨代谢产生重大影响。IL-17A可激活NF-κB信号通路，增加破骨细胞的数量和产量。Th17细胞通过在成骨细胞上诱发RANKL表达以此来促使破骨细胞分化成熟。它也能独立产生RANKL，但因为Th17细胞也能产生少量的IFN-γ，这抵消了RANKL的作用，所以Th17不能直接促使破骨细胞生成[5]，但有趣的是，IL-17A能够使破骨细胞前体RANK的表达上调[6]。在骨组织出现细菌感染的情况时，Th17和Th1协同作用，共同限制感染的传播，两者通过促进骨吸收来实现这一作用[7]。这些研究表明，T细胞的功能在很大程度上依赖于所处的环境，即生理或病理条件。另一方面，Treg细胞具有相对精确的抗破骨细胞功能。与野生型小鼠相比，Foxp3+Treg缺陷型小鼠在组织学上表现出更严重的TNFα诱导的关节破坏和全身性的骨丢失，关节中破骨细胞的数量更多[8]。

CD8+T细胞也称为细胞毒性T细胞，通过释放穿孔素和颗粒酶以及激活FAS受体诱导靶细胞凋亡。2017年Savola等[9]对新诊断的类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)患者进行检测，发现20%的患者存在CD8+T细胞体细胞突变，而正常对照组中仅有5%出现该突变。表明CD8+细胞毒性T细胞可能参与了RA。其他研究指出CD8+T细胞参与PTH信号转导，当PTH触发时，Wnt10类前成骨细胞、成骨生长细胞因子会大量增多[10]。有关细胞毒性T细胞参与骨代谢的研究数量较少且相互矛盾，应进一步确定其研究价值。

2.2 B淋巴细胞

B细胞称骨髓依赖性淋巴细胞，是由骨髓中的造血干细胞(hematopoietic stem cell，HSC)发育分化形成的，它的发育依赖于HSC中的RANKL、CXCL12和IL-7的表达，研究证明通过提高RANK缺陷小鼠体内RANKL的浓度，小鼠表现出正常的MALT(粘膜相关淋巴)组织发育，但周围淋巴结完全缺失[11]。B细胞本身产生RANKL，以自分泌方式刺激B细胞前体分化成熟，但有研究认为RANKL不需要RANK作为受体来实现这一过程[12]。

HSC微环境中成骨细胞产生的IL-7，依赖哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)信号传递，刺激B细胞分化成熟。灭活成骨细胞中雷帕霉素靶蛋白复合物，骨髓中的B细胞会显著减少，这突出了成骨细胞对B细胞成熟的重要性[13]。有趣的是，非常早期的B细胞祖细胞，在体外用破骨细胞分化因子(osteoclast differentiation factor，ODF)/RANKL和巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)处理时，可能会变成功能齐全的破骨细胞，这就提出了淋巴发育是否可逆的问题[14]。然而，这些发现尚不能在体内复制[15]。记忆B细胞具有巨大的产生RANKL的能力，并能刺激破骨细胞成熟。特别是在类风湿性关节炎患者中，记忆B细胞过度活跃，释放大量RANKL，导致关节破坏[16]，B细胞耗竭疗法可以促使成骨细胞发育成熟，从而抑制RA导致的骨质丢失[17]。在脾脏切除的大鼠骨髓中B细胞数量较高时，也会导致骨质疏松[18]。

3 细胞因子与骨质疏松

免疫细胞分泌的多种细胞因子，一直被认为仅能够调节免疫和血细胞的发育和功能。然而越来越多的研究表明细胞因子对骨代谢与骨细胞的发育有重大影响。多种细胞因子可以直接导致骨质疏松症，如M-CSF、IL-6、IL-17、IL-1和TNF等都可以直接或间接作用于破骨细胞，通过诱导成骨细胞及T细胞产生更多的RANKL，促使破骨细胞分化发育，从而增强骨吸收作用。而干扰素γ(interferon-gamma，IFN-γ)、IL-4和IL-13等能够上调OPG浓度，阻止RANKL与RANK结合，抑制破骨细胞分化，达到抑制骨吸收、促进新骨生长的作用。新发现的Th2细胞因子IL-31、IL-33在骨质疏松中有重要功能。IL-33诱使破骨细胞凋亡同时抑制依赖RANKL的破骨细胞生成，从而防止骨丢失。绝经后骨质疏松患者血清IL-33水平显著低于正常对照组[19]，此研究进一步证实了IL-33的骨保护作用。IL-31能够促使破骨细胞前体细胞分化，促进破骨细胞生成，同时抑制Th2的骨保护作用，加快OP的进展。不同的细胞因子之间存在拮抗或增强的作用，例如TNF-α可以增强IL-17对破骨细胞生成和骨吸收的作用[20]。但IL-35的生物学功能尚有非常大的争议，IL-35和RANKL协同诱导破骨细胞生成，而单一的IL-35对破骨细胞的生成没有明显的影响[21]。可另外一项研究表明，IL-35抑制破骨细胞分化发育[22]。因此，IL-35在破骨细胞形成过程中可能具有破坏和保护双重作用。

M-CSF是正常破骨细胞形成的关键，M-CSF对可以分化为破骨细胞的髓系前体细胞具有重要调控作用，可刺激它们分化成熟的破骨细胞[23]。而且在成熟破骨细胞中，M-CSF增强了RANKL表达，从而增强骨吸收[24]。IL-6的一个主要作用是调节破骨细胞祖细胞分化为成熟破骨细胞，同时上调RANKL的表达，此外IL-6还可通过一种与RANKL无关的机制在体外刺激破骨细胞生长[25]。IL-17是一类相关的细胞因子，是骨质疏松动物模型中发生骨丢失的关键介质。IL-17对破骨细胞前体细胞分化的调控作用引起了争议，有研究发现它对破骨细胞前体细胞分化有促进作用[26]，而另一些研究则发现其具有相反的抑制作用[27]。此外，还有研究表明低水平的IL-17可以诱导破骨细胞前体发生自噬[28]。肿瘤坏死因子包括α、β两型，TNF-α和TNF-β具有类似的生物学活性，都是骨吸收的有力刺激因子。肿瘤坏死因子能刺激缺乏NFκB 抑制蛋白的小鼠破骨发生，这是RANKL介导的刺激破骨发生和骨吸收的关键信号分子[29]。

干扰素γ是一种Ⅱ型干扰素，有多种不同的生物学活性。通过抑制RANKL-RANK信号传导，对破骨细胞的分化有重要的抑制作用[30]，M1巨噬细胞具有抑制破骨细胞生成的能力，而这种能力由其产生的干扰素γ的量所决定[31]。IL-4和IL-13是一组被称为“抑制性细胞因子”的局部作用因子的成员。IL-4和IL-13的作用相似，它们具有调节成骨细胞和血管内皮细胞产生OPG和RANKL的能力。但IL-4对破骨前体细胞分化的抑制作用比IL-13更强[32]。

综上所述，免疫细胞及其产生的细胞因子通过复杂的作用机制促进骨质疏松的发生发展，骨免疫学因素对正常骨代谢平衡至关重要。骨免疫学研究领域中，OPG/RANKL/RANK信号系统的阐明具有里程碑式的意义，基于此通路研发的单克隆抗体——Denosumab在临床治疗中已取得较好的疗效。相信随着骨免疫学相关细胞因子的研究不断深入，更多的骨质疏松治疗靶点将被揭示，为研发骨质疏松治疗药物奠定理论基础。