IL-17诱导骨质疏松症的作用机制分析

张金磊 孔令俊 韩升龙 孟汉杰 李想 邓叶龙 王植帅

1.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000 2.甘肃省中医院,甘肃 兰州 730050

骨质疏松症(osteoporosis,OP)是一种以骨量减少,骨脆性增加,进而导致全身骨、关节及脊柱等部位发生脆性骨折风险增加的一种慢性炎症性疾病,全球估计约有2亿人受到OP的影响,是仅次于缺血性心脏病、痴呆以及肺癌的又一个严重的慢性疾病[1]。OP的主要影响人群为中老年人,尤其是绝经后妇女。根据流行病学研究数据显示,50岁以上的人群中,有超过1/3的女性和1/5男性一生中至少会发生一次与OP相关的骨折,这一现象为社会及个人家庭带来了沉重的经济负担[2]。OP的发生主要是由于骨稳态的破坏,骨稳态是通过平衡成骨细胞(osteoblast,OB)的骨形成作用和破骨细胞(osteoclast,OC)的骨吸收作用得到维持。近年来,国内外研究表明,由免疫T淋巴细胞17(T lymphocytes 17,Th17)分泌的炎症因子白细胞介素-17(interleukin-17,IL-17)能诱导破骨反应,抑制成骨[3],表明Th17免疫细胞在多种炎症性和自身免疫性疾病介导的骨性疾病,如OP的发生与进展过程中起到了重要作用[2,4-5],这一发现为“骨-免疫”联合研究开创了新的思路。

1 IL-17概述

IL-17最早是在1993年首次被科研人员从活化的辅助性T淋巴细胞中发现的一类炎症因子谱系,该家族包括6个亚型(IL-17A至IL-17F),其中IL-17A是IL-17族主要的活性亚型。而随后的研究发现,IL-17经上皮细胞、巨噬细胞、中性粒细胞分泌相关物质如RANKL、IL-1β、TNF-α或其他细胞因子刺激下发挥其致病性,进而在自身免疫性疾病以及肿瘤进展过程中起着重要作用[6-8]。而经过近年来在“骨-免疫”领域的深入研究,表明IL-17可通过抑制间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSCs)成骨分化潜能、抑制OB增殖、增强OC分化及骨吸收等作用,介导OP的发生,证明其在免疫诱导OP中同样发挥着重要作用[4]。

2 IL-17对MSCs的影响(图1)

2.1 IL-17通过相关蛋白调控MSCs

MSCs为一类来源于中胚层,具有成骨、成脂分化等多向分化潜能的成体干细胞[9]。转录因子核因子κB(NF-κB)是炎症和宿主免疫反应的重要调节因子[10]。IKB激酶(IKK)是一类调节NF-κB转录活性,参与细胞对炎症的反应的关键调节剂[11]。Chang等[12]研究IL-17介导大鼠MSCs分化实验发现IL-17通过提高细胞内IKK水平,调控IKK-NF-κB信号传导,抑制MSCs成骨分化潜力,并减少体内骨形成,从而发挥抗骨形成代谢的作用。而在利用IKK小分子抑制剂(IKKVI)后检测发现,IKKVI有效地减弱了IL-17对骨矿化的抑制,促进了MSCs介导的大鼠体内的骨再生和修复。Krsti等[13]同样发现IL-17A通过增强IKK表达水平,诱导NF-κB因子转录,激活β-连环蛋白的泛素化和降解,从而抑制鼠MSCs成骨分化,而抑制IKK-NF-κB能够极大地增强MSCs介导的体内骨形成。通过实验表明IL-17可有效刺激IKK的表达,抑制MSCs成骨分化,进而抑制骨形成进程。

2.2 IL-17通过相关信号通路调控MSCs

Wnt信号通路被认为是骨代谢的主要信号通路,也是关键的调节因子之一。国内外许多研究证明硬骨素(SOST)作为Wnt信号通路的抑制因子,与OP的发生、发展密切相关,在骨形成调节中起关键作用。抑制SOST表达可有效增加骨量并降低骨折风险[14]。Yavropoulou等[15]通过IL-17体外干预实验显示,实验组细胞在IL-17体外干预处理下,MSCs细胞SOST表达水平明显提高,而MSCs成骨分化进程受到抑制,增强了MSCs向脂肪分化的能力。而特异性IL-17阻断抗体能够有效改善IL-17诱导SOST而导致的Wnt信号传导抑制和骨质流失[16]。表明IL-17可刺激MSCs的SOST过表达,进而抑制Wnt经典信号通路上调引起的MSCs成骨分化能力。

3 IL-17对OB的作用机制(图2)

3.1 IL-17通过相关蛋白调控OB

OB起源于骨髓中的MSCs,负责骨基质的合成、分泌和矿化。已知骨形态发生蛋白(BMP)是一个分泌型信号蛋白,是形成转化生长因子β(TGF-β)超家族的一个亚群[17],可通过典型BMP/Smad通路和非典型BMP通路调节OB分化,在保持骨稳态、促进骨形成和骨折愈合中发挥作用[18]。而Zhang等[19]通过小鼠原代成骨细胞实验证实IL-17抑制BMP诱导碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)的活性,而OB分化的相关标志物表达同样受抑制。相关实验验证了BMP可诱导ALP来刺激OB的分化,而IL-17通过调控BMP蛋白,抑制BMP诱导OB分化以及骨矿化形成这一途径,进一步影响OP发展。

3.2 IL-17通过相关信号通路调控OB

Wnt信号通路已被证明可以防止骨质流失并提高骨强度[20]。Dickkopf-1(DKK1)与分泌型卷曲相关蛋白(SFRPs)是两个Wnt通路常见抑制因子,而IL-17可有效促进二者在细胞内表达,进而抑制Wnt信号通路诱导的OB分化水平[21]。Wnt/β-catenin信号通路是成骨分化的重要信号通路之一,而Dickkopf-1(DKK1)是一类Wnt/β-catenin信号的可溶性抑制剂,可以与Wnt配体竞争性与受体结合,在骨重塑中起着重要作用[22-23]。Morvan等[24]运用DKK1逆转录病毒,刺激小鼠骨细胞DKK1过表达,导致OB分化能力和ALP的表达水平显著降低,致使骨矿化结节的形成受到抑制。而通过体外细胞实验表明IL-17联合肿瘤坏死因子(TNF)可有效增强OB中的DKK1 mRNA表达,刺激DKK1分泌,竞争性拮抗Wnt/β-catenin信号传导,从而抑制或降低OB分化活性[25]。SFRPs同样是一类Wnt信号的拮抗因子谱系。有团队制作敲除SFRP1一个等位基因的大鼠模型[26],以达到降低SFRP1水平的目的,经过系统培养后,再检测大鼠颅骨OB的数量,结果显示与对照组大鼠相比,降低SFRP1水平的实验组大鼠OB的凋亡数量减少48%～56%[27-28]。利用IL-17体外刺激实验可见,IL-17能够成功诱导Wnt拮抗因子SFRP1的mRNA表达,提高SFRP1产生,进而抑制Wnt信号传导,以致ALP和骨钙素mRNA表达降低[29],最终使OB分化及骨矿化能力减弱。SFRP1作为Wnt信号通路的拮抗因子,对维持骨稳态有重要影响,而IL-17可有效刺激SFRP1过表达以拮抗Wnt信号通路,最终抑制OB分化和骨形成过程。

3.3 IL-17通过相关基因调控OB

Runx2是调节OB分化和激活重要的转录因子,研究表明IL-17可有效抑制Runx2 mRNA的表达水平[19],抑制Runx2基因启动子的启动,干扰Runx2的转录和表达,从而降低OB分化水平[30]。环氧合酶-2(COX2)可改善OB凋亡情况,而IL-17刺激可降低COX2 mRNA水平,减少COX2转录,导致骨折愈合延迟[31]。而Almansour等[32]研究仙人掌乙酸乙酯提取物在治疗关节炎(CIA)中的抗关节炎及骨保护潜力实验中,检测实验组小鼠相关指标可见仙人掌乙酸乙酯提取物处理后的小鼠体内IL-17炎性细胞因子水平较对照组有所降低,而COX2 mRNA水平呈上升趋势,进而改善了COX2表达,刺激成骨分化,也侧面证明了IL-17是影响COX2 mRNA表达的重要细胞因子。各项研究证明,IL-17通过作用于Runx2、COX2等细胞因子基因,影响其表达,可有效起到抑制OB分化水平,从而加速OP进展。

4 IL-17对OC的作用机制(图3)

4.1 IL-17通过相关信号通路调控OC

OC起源于血系单核-巨噬细胞系统,是一种特殊的终末分化细胞,是骨吸收的主要功能细胞。ERK/mTOR信号通路是通过调控自噬进程影响骨代谢的重要信号通路。自噬是一种溶酶体降解过程,可以促进OC增殖、分化以及抑制OC凋亡。有研究显示,IL-17可通过调节ERK/mTOR 信号途径,诱导OC分化[3]。ERK是MAPK信号通路的关键成分,ERK活化可刺激MSCs成骨分化,而在IL-17的作用下可有效降低ERK水平,进而抑制MSCs成骨,促进OC的分化[3,33]。Aoki等[34]证明自噬活性与OC增殖、分化及存活率呈正相关,而mTOR是自噬途径的负调控因子,其激活可有效抑制自噬进程,降低OC的分化与寿命[35]。而Guo等[36]检测IL-17A抑制剂处理的小鼠体内mTOR表达明显增加。而Zhou等[37]研究也发现IL-17A可有效降低mTOR的表达活性而使OC分化能力和活性水平得到提升。一系列研究证明了IL-17作用于ERK/mTOR信号途径促进OC增殖分化。

4.2 IL-17通过相关蛋白调控OC

Beclin-1是响应自噬活性的关键蛋白,具有调节自噬、抗凋亡的作用,在OC形成中起到重要影响。Arai等[38]通过探索自噬与OC分化之间机制实验,发现TRAF6介导的Beclin-1对于RANKL刺激破骨细胞分化是不可或缺的。Beclin-1是通过诱导自噬体与溶酶体结合来促进自噬体的形成[39]。研究表明OC的形成是可通过Beclin-1的上调而得到促进[40]。有学者分别以0.01、0.1、1.0 ng/mL浓度IL-17处理小鼠,检测到处理后小鼠TRAP阳性多核OC数量以及骨吸收陷窝面积较对照组均有明显增加,而通过蛋白质印迹法检测自噬相关蛋白Beclin-1,显示其表达水平较对照组均有不同程度上调[41]。实验证明IL-17可促进Beclin-1自噬关键蛋白表达,增强OC的骨吸收作用及破骨前体细胞向OC转化能力。

4.3 IL-17协同RANKL诱导OC分化

IL-17具有促炎作用,但单独存在时的活性差,常需要联合其他相关细胞因子而发挥作用[42]。几乎所有IL-17A和IL-17F诱导基因能力都依赖于相关因子激活。而核因子-κB受体活化因子配体(RANKL)是由骨细胞、滑膜成纤维细胞、T细胞、B细胞、单核细胞和巨噬细胞等多类相关细胞产生的一种通过作用于细胞膜受体RANK,具有刺激OC分化成熟的细胞因子[43],RANKL与其特异性受体RANK之间的相互作用决定了OC与单核细胞前体的区分以及成熟OC的活化[44]。Gravallese等[45]研究发现,在IL-17的作用下,能够刺激RANKL表达,同时上调破骨细胞祖细胞、OC表面的RANK活性,促进RANKL与RANK的结合,而RANKL通过RANK信号诱导激活核因子κB的产生,激活NF-κB通路,刺激OC及其前体活化,并介导破骨前体细胞向OC分化[46-47]。IL-17与RANKL的联合作用是诱导OC分化的重要过程。

4.4 IL-17与雌激素缺乏诱导OC骨吸收作用

OP一个重要侵袭对象为绝经后的妇女,是因绝经后妇女卵巢功能下降导致雌激素(Estrogen,E)水平降低而出现骨质流失加速。现代医学研究表明,雌激素水平下降可导致相关免疫细胞功能活动异常,而免疫系统与骨代谢过程息息相关。雌激素缺乏可能导致机体出现慢性低炎症环境以及促进淋巴细胞和单核细胞的增殖分化,使T细胞寿命增加[48],进而导致如IL-7、IL-15和IL-17等细胞因子水平的提高[1,43]。骨保护素(osteoprotegerin,OPG)是由OB谱系细胞分泌的RANKL拮抗因子,可通过与特异性受体RANK竞争性结合,抑制RANKL作用[49-50],由上文可知RANKL可诱导IL-17刺激破骨细胞前体向OC分化,故RANKL/OPG之比是确定骨代谢的关键[51]。雌激素缺乏诱导的IL-17增加可导致内环境RANKL水平增加,而雌激素不足却抑制OB的OPG产生,进而提高机体内RANKL/OPG比值,表现出促进骨吸收的效果[43-44]。雌激素缺乏使机体IL-17水平提高,抑制OPG表达及其功能活性,间接诱导RANKL产生,使RANKL/OPG比值增加,增强OC的骨吸收作用。

5 总结与展望

总之,IL-17是通过作用于MSCs、OB、OC等相关细胞过程,起到调控OP进展的一类炎症细胞因子。根据国内外研究表明,IL-17能够抑制MSCs成骨分化,抑制OB相关功能及分化增殖,促进OC分化增殖,从而刺激OP进展过程。通过研究IL-17在OP的作用机制,分析相关免疫细胞、免疫过程对于OP的影响,为今后二者联合治疗OP提供新的思路。当然,对于IL-17在OP中的作用机制还需进一步具体研究。期望今后可有更多研究成果,为今后的研究及临床诊治提供一个有价值的依据。