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破骨细胞在类风湿关节炎致骨破坏病理变化中的作用及其调控
时间:2017-05-18 13:46:11

类风湿关节炎(RA)患者关节骨质的破坏开始于滑膜和软骨的交接处,此处滑膜增厚,血管和细胞成分显著增多,形成血管翳,侵入软骨,构成血管翳/软骨结合。在RA患者中首次描述骨重吸收是在19世纪,之后由BromleyWoolley等人在19世纪80年代重新关注,在1998年,Gravallese运用免疫组化和分子技术将RA中破骨细胞(OC)进行了明确详细的定义,OC前体聚集在滑膜-血管翳的交界处,在相关动物模型中也发现了类似的现象。在没有破骨细胞的小鼠中不会出现骨破坏,OC是骨侵蚀发生的关键环节,其骨侵蚀作用主要通过组织蛋白酶K、抗酒石酸酸性磷酸酶(TPAP)、TNF等诱导。研究表明RA患者破骨细胞活性增加并对全身性骨丢失发挥重要作用,并显示RA患者的骨质疏松较健康对照人群增加2倍。通过测定RA患者骨吸收标志物发现其尿中骨吸收标志物升高,提示RA患者OC活性增加、OCRA骨破坏的重要性。

 

一、OC与类风湿关节炎

 

 RA是一种以侵蚀性关节炎为主要表现的全身性自身免疫病,影响着全世界1%的人口,高致残率,高死亡率。发病率最高的是北美洲的ChippewaPima部落。RA可发生于任何年龄,RA的患病率随着年龄的增长而逐渐增加,以30-50岁为发病的高峰。本病以女性多发,男女患病比例约1:3。我国大陆地区的RA患病率约为0.2%-0.4%。本病表现为以双手和腕关节等小关节受累为主的对称性、持续性多关节炎及滑膜炎。病理表现为关节滑膜的慢性炎症、血管翳形成,并出现关节的软骨和骨破坏,最终可导致关节畸形和功能丧失,可伴随全身关节炎外的表现,如心脏炎、巩膜炎、Felty综合征、脊髓型颈椎病、神经病变、间质性肺疾病、类风湿结节和血管炎,可加速动脉粥样硬化及成为RA的主要死因。正常骨量的维持是成骨细胞(OB)与OC共同作用的结果,OB促进的骨形成与OC导致的骨吸收保持一种平衡状态,骨量才能维持在一个相对稳定状态。RA患者骨代谢的特点是骨吸收增强而骨形成不足。这两者之间的失衡被认为是导致RA患者全身性骨丢失及关节局部骨破坏的主要原因。OC介导骨破坏是通过细胞间相互作用和多种细胞因子调控来实现的,是RA关节破坏的主要原因。

 

二、OC对骨侵蚀机制

 

 OC来源于造血干细胞,单核-巨噬细胞为其前体细胞经融合形成了巨大多核的OC,是一种直径20-100 μm、含有2-20个细胞核、胞浆富含线粒体、溶酶体、核糖体及高尔基体等细胞器、有伪足和突起的形态不规则的细胞,是体内唯一具有溶解骨组织能力的细胞。骨侵蚀是类风湿关节炎的主要特征,关节骨侵蚀的主要诱因是滑膜炎,细胞因子和自身抗体刺激有骨吸收作用的OC的活化,从而刺激局部骨吸收。成熟的OC通过整合素与细胞外基质蛋白的相互作用,紧贴在骨表面,使OC形成一种特殊的细胞骨架(刷状缘或波状缘),这种细胞骨架在OC与骨之间建立一种孤立的腔隙微环境,通过刷状缘囊泡H+ATP酶向腔隙输送H+cl-由刷状膜阴离子通道进入腔隙,使腔隙微环境的pH接近于4-6,这种酸性环境可使钙从骨中溶解,使骨基质中的矿物质松动,并为肌酸激酶(CK)进入腔隙水解有机基质(骨I型胶原等)创造最佳环境。现在已经发现大量促炎症细胞因子对OC影响的证据,促进OC分化或活化的细胞因子:如IL-1IL-6IL-8IL-11IL-17TNF-αTh17细胞等,抑制OC分化或活化的细胞因子:IL-4IL-10IL-13IL-18IFN-γIFN-βIL-7IL-12IL-23IL-6 TGF-β具有双重作用,其净效应取决于OC的发育阶段。促炎症细胞因子通过RANK/RANKL/OPG系统,直接或间接作用于OC

 

三、OC的信号传导通路

 

无论在体内或体外,调节因子活化T细胞核因子c1NFATc1)都是促进OC分化的关键调节因子,它诱导产生OC形成的特异性因子,包括:TNF受体相关蛋白(TRAP)、降钙素受体、组织蛋白酶K。核刺激因子受体配体(RANKL)通过两条通路调节NFATc1的活化:NF-κB/AP-1/c-fos和钙离子信号通路。核刺激因子受体(RANK)与RANKL结合,一方面:RANK募集TNF受体相关因子6TRAF6),活化NF-κB, Jun氨基末端激酶(JNK, p38, c-fosAP-1;另一方面:由RANK通过Btk/Tec 通路,以及OC相关受体(OSCAR)和骨髓细胞触发受体2TREM-2)通过Fc受体γ链(FcRγ)、DAP12(分子量为12 kDaDNAX活化蛋白)和Syk信号通路,使胞浆内钙活性升高激活钙调节神经酶,促使产生磷脂酶CPLC)介导细胞内钙的释放,通过这两条通路诱导NFATc1活化,从而促进OC分化。IL-1IL-1R1结合,紧贴在MYD88(髓系分化的初级反应基因88)和活化IL-1受体蛋白激酶(IRAK4,通过磷酸化的IRAK2IRAK1,激活TRAF6TNF与受体TNFR1结合,紧贴于肿瘤坏死因子受体相关蛋白DDTRADD),募集RIP-1(反应蛋白受体)和TRAF2,激活NF-κBJNK p38通路,活化NFATc1促进OC形成,TRAF5 TRAF6通过激活NF-κBJNK p38通路进一步介导活化NFATc1,促进OC形成。IL-6IL-6R结合,募集2个糖蛋白130(gp130)分子活化信号传感器,通过gp130、基质金属蛋白酶(MMP),激活转录活化因子(STAT)通路和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路(JNK, p38, ERK,促进OC形成。

 

四、RA致骨破坏过程中细胞因子对OC的作用

 

1.RANKL和骨保护素(OPG

RANKLOPG在一些激素(如甲状旁腺激素PTH、雌激素、催乳素、糖皮质激素)和生长因子(如TNF-aIL-1IL-6IL-17PGE)的影响下诱导产生,可表达于OB和基质细胞(SC)。RANK是肿瘤坏死因子(TNF)受体家族(TNFR)的成员,原本被认为是一种膜结合素,在骨重塑复杂的系统中,RANKLOPG在骨形成与骨吸收之间动态平衡中起重要作用。生理条件下,RANKL主要来源于OB,病理条件下,主要来源于免疫细胞和滑膜成纤维细胞。RANKLRANK结合后,形成OC前体的受体,相结合后诱导OC的活化与分化。在体外,巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)与RANKL结合可诱导造血干细胞向OC分化。RANKL结合于RANK,完成细胞内信号转导,激活NF-kB或活化JNK,调节基因表达,促进OC前体分化,诱导OC形成。OPG,是RANKL的可溶性诱饵受体,也属于TNF超家族一员,与RANKL特异性结合可抑制RANKL活性、阻止其与RANK结合。实验证明,在小鼠体内,有针对性的破坏RANKL或者RANK诱导产生OC,发现由于OC分化不足而导致骨量增加。相反的,有针对性的破坏OPG,发现骨量减少,这些结果表明RANK/RANKL/OPG通路在OC体内发育及活化的重要作用。

 

2.OCM-CSF

M-CSF是诱导OC分化的一个关键因子,由RA患者滑膜成纤维细胞、成骨细胞、巨噬细胞和T细胞分泌。在小鼠模型中证实的,OP小鼠不表达M-CSF的功能,c-fmsM-CSF受体)基因敲除的小鼠表现为OC少,OB增多,在体外,M-CSF调节OC形成的多个步骤:包括前体细胞的增殖、分化和融合,后期阶段的骨吸收,M-CSF 与其受体c-fms结合,激活ERK-Akt通路,从而促进OC的分化与活化。

 

3. OCT细胞

RA患者滑膜中可检测到存在大量T细胞,它是RA发病机制中的一个重要特征,T细胞的激活诱导RANKL高度表达并最终导致OC对骨产生重吸收作用。1999年,Kong和他的同事发现RANKL高度表达于活化T细胞,并直接作用于OC前体细胞,在体外诱导其培养出OC。然而,T细胞可以产生多种细胞因子,包括干扰素γIFN-γ)、IL-4IL-10γ,对OC分化产生抑制作用。原始CD4+T细胞在不同的细胞因子的作用下产生不同的细胞亚群,Th1Th2是最主要的两种,Th1IL-12诱导产生,分泌干扰素γ,参与细胞免疫,Th2细胞主要产生IL-4IL-5IL-10,有助于体液免疫,RA在过去被认为是Th1Th2功能平衡紊乱引起的一种疾病。如Th17细胞最近被确定为一个新细胞亚群受体,其特征是产生促细胞因子,包括IL-17IL-17FIL-21IL-22,由IL-6与转化生长因子βTGF-β)共同作用诱导产生,直接或间接的影响OC形成。

 

4. OCIL-1

IL-1是细胞增殖和分化的关键炎症因子,由活化巨噬细胞和成纤维细胞产生。大多数慢性炎症性疾病都是通过启动、增强全身自身免疫反应,IL-1高度表达于RA患者中,与RA关节损伤相关的研究最多的是IL-1αIL-1β,这两种亚型只有24%的氨基酸同源,却以同样的亲和力结合于相同的细胞表面受体,发挥相同的生物学作用,但大多数生物学作用都是通过IL1-R1介导。无论在体内还是体外,IL-1都是一种有效的刺激OC分化或成熟的细胞因子。在缺乏IL-1的关节炎动物模型中,可减少OC分化,增加骨密度、骨小梁质量、皮质厚度;绝经后的妇女因为雌激素的下降,导致IL-1水平的提高,更加容易引起骨量丢失,导致骨质疏松。通过诱导OB/SC合成前列腺素E2PGE2),PGE2作用于OB/SC,使RANKL表达增加,促进OC生成;IL-1TNF-α参与激活p38和蛋白激酶,增加SCOC前体上RANKL的表达,促进OC生成;使OC细胞骨架重排,形成刷状缘或波状缘,构成环状封锁带,活化OC

 

5. OCIL-6

IL-6由成纤维细胞和巨噬细胞大量产生,IL-6受体有跨膜性和可溶性两种形式。跨膜性受体是由80-kDa的链组成,特异性作用IL-6gp130,这种跨膜形式的受体仅在肝细胞、单核细胞/巨噬细胞、SC和其他的白细胞中表达,而gp130表达于所有的细胞;可溶性受体与IL-6结合,使细胞中的gp130不表达跨膜形式的受体,可溶性受体在血清和关节液中都可检测到。IL-6缺乏的小鼠,可以防止卵巢切除后引起的骨量丢失,骨折延迟愈合与OC生成数量减少有关,IL-6的过度表达会促进OC形成和活化,促进骨的重吸收;在人类TNF转基因小鼠中,IL-6R抑制剂[33]减少了炎性关节中OC的形成,减少骨侵蚀。跨膜形式的受体或者可溶性受体与2gp130分子与IL-6结合后形成一个复合物,导致酪氨酸激酶磷酸化,激活细胞内信号转导,gp130可作用于STATMAPK两条信号转导通路,增加OBRANKL的表达,促进Th17的诱导分泌IL-17,促进OC活化。

 

6.OCTNF

TNF包括TNFαTNFβ两种亚型,因为几种TNF-α抑制剂对治疗RA的巨大成功,使得它重新受到免疫学家和风湿病学者的关注。TNF由成纤维细胞和巨噬细胞产生,NK细胞、肥大细胞、TB淋巴细胞也可少量分泌,参与炎症和肿瘤引起的骨量丢失,被认为是骨破坏和OC形成的主要刺激因子;TNF有两种细胞表面受体:肿瘤坏死因子受体Ⅰ型(TNFR1)和Ⅱ型(TNFR2),OC及其前体细胞都有表达这两种受体,TNFR1介导TNF大部分生物化学作用,诱导OC分化,TNFR2抑制OC分化。目前认为,主要是增加OBSCRANKLM-CSF的表达,同时,这两者协同作用增加RANK的表达,促进破骨细胞分化,但是TNF作用于OC是否独立于RANKL信号传导通路依然备受争论。TNFWnt信号通路相互作用,TNFDkk-1的强诱导剂,Dkk-1 提高血清中RANKL/OPG比值,促进OC形成,在使用TNF抑制剂的RA患者中可以发现血清中Dkk-1水平下降。

  

7.OCIL-7

红骨髓基质细胞、胸腺、角质形成细胞、滤泡树突状细胞均可促进IL-7活性,在小鼠和人体中起重要作用;在小鼠中,IL-7作用于B细胞,在人体内,作用于T细胞,IL-7R缺乏会导致T细胞数量减少,在体内和体外均为高效的骨吸收诱导剂。IL-7在去卵巢小鼠中诱导T细胞,增加RANKLTNF表达,在没有炎症情况下,促进OC形成。在RA患者中可检测到高IL-7水平,由巨噬细胞、内皮细胞和成纤维细胞大量分泌,与CD68+巨噬细胞线性相关。IL-7促进RA患者外周血单核细胞分泌Th1Th17,以及IL-1aIL-1bIL-6IL-8MIP-1b,促进T细胞分泌TNF-αIFN-g增加,这些炎症细胞因子在RA患者骨破坏中起重要作用。

 

8. OCIL-17/IL-32

 (1) IL-17是一种促炎细胞因子,在RA病人的滑膜组织中可以检测到它的表达,诱导产生前列腺素、一氧化氮、细胞因子和趋化因子,如IL-6IL-8IL-16、基质细胞衍生因子1SDF-1)、MMP-3MMP-1IL-17诱导巨噬细胞和成纤维细胞产生IL-1TNF,同时与IL-1协同作用,促使滑膜成纤维细胞炎症介质的释放。IL-17对于RA的发病起到非常重要的作用,由TH17辅助细胞和肥大细胞产生,引起局部炎症反应,产生炎症细胞因子,有效的诱导RANKL表达于OC及滑膜成纤维细胞表面,促使OC生成,同时阻断TREGIL-4OC的抑制作用。(2) IL-17诱导RA患者滑膜成纤维细胞产生IL-32,通过NF-κBPI3激酶通路,使IL-32又能促使CD4+ T细胞活化的Th17细胞分泌IL-17,二者协同诱导OC的分化。IL-32是最新发现的一种细胞因子,最先称为自然杀伤细胞转录因子4NK4),包括4种剪接变异体:IL-32aIL-32bIL-32δIL-32gIL-32g是最活跃的亚型,TNF-αIL-6可刺激其的表达,在IL-1bIL-18IFN-gTNF-α等炎性细胞因子的刺激下,广泛表达于NK细胞、T细胞、上皮细胞和单核细胞,在RA患者滑膜组织中可大量检测出,但不存在于骨关节炎患者中,用人IL-32注射在小鼠膝关节中,会引起关节的肿胀及软骨损伤。在IL-7IL-12的作用下,IL-32可促进树突状细胞的成熟与分化,以及提高Th1Th2细胞的应答。这两者协同参与诱导OC生成及功能的调节,IL-17增加OC前体RANK的表达,并增加对RANKL信号的敏感性,增加骨破坏。有研究报道,IL-32IL-17OC诱导作用更大。

 

9.OCIL-27

IL-27IL-12家族(还包括IL-12IL-23IL-35)中的一员,属于异二聚体细胞因子,它是由EBI3EBV诱导蛋白3)和p28亚基组成,IL-27受体是由WSX-1亚单位的异二聚体(也称作TCCRT细胞的细胞因子受体)和gp130信号亚基组成,具有激活和调节免疫反应的作用,通过抑制Th1细胞、Th17Th2细胞的分化,部分通过诱导IL-10的分泌。ITAM偶联受体与RANKL共同诱导破骨细胞的分化,①IL-27激活Jak-STAT信号传导通路,诱导单核细胞和巨噬细胞分泌STAT1 STAT1激活下游具有抑制OC活性的干扰素;②NFATc1OC的一个关键调节因子,是OC前体成熟与分化的一个至关重要的驱动基因,IL-27下调RANKTREM-2的表达,抑制NFATc1的表达;③NFATc1的诱导表达依赖于RANKL诱导激活MAPK NF-κB通路,IL-27抑制这条通路,并且抑制RANK的表达,抑制破骨细胞前体上ERKp38 NF-κB的活化,抑制OC活性,简而言之,作用机制是通过抑制OC前体对RANKL的应答,抑制骨侵蚀。研究发现,IL-27抑制OC活性具有时间及剂量依赖性,是一个强有力的抑制剂,可以在RA患者OC前体早期分化阶段进行靶向治疗。

 

10.其他

 IL-34可提高单核细胞活性和促进巨噬祖细胞形成,其作用独立于M-CSF。类似于M-CSFIL-34激活ERK信号转导通路,IL-34在缺乏M-CSF的情况下,促使RANKL诱导破骨细胞形成。IL-34激活ERK-Akt通路,促使OC前体向OC分化。

 

五、结论

 

关节的骨破坏是类风湿关节炎的特征,与疾病的诊断、治疗及监测相关,骨破坏是一个不可逆的过程,所以在进入终末期阶段前进行积极的干预是非常重要的;研究显示很多的细胞因子和免疫细胞对OC的形成有影响,参与RA发病的免疫细胞通过直接上调RANKL的表达,或者通过促炎症细胞因子的分泌间接的增加RANKL表达,促进OC形成、分化、活化。RA的早期出现骨质疏松,晚期则出现骨破坏。深入了解破骨细胞的病理过程及骨形成和骨吸收机制,监测及干扰促进破骨细胞活化的细胞因子,有助于早期RA的治疗,防止RA病人残疾及减少死亡率。

 

(来源:中国骨质疏松杂志,陈红梅)

 

 

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