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[前沿进展] 骨免疫学在风湿病中的研究进展

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发表于 2016-1-3 19:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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骨免疫学是一门旨在通过探讨免疫系统与骨骼肌肉系统交互作用,进而为人们理解风湿病发病机制提供新视角的学科。20 世纪90 年代末,Horwood 等的研究发现体外活化的T细胞可以通过诱导骨吸收细胞(破骨细胞)分化成熟参与骨量的丢失。

这一标志性的发现使2个看似毫无关联的系统超乎人们想象之外联系在一起。Arron 和Choi于2000 年首次提出了骨免疫学的概念,描述了骨骼肌肉系统与免疫系统细胞之间的相互作用,指出免疫失调可导致骨代谢异常。的确有研究显示慢性免疫活化本身就是SLE、RA 及炎性肠病患者合并大量骨量丢失的***危险因素。

此外特定的感染、自身免疫性疾病或免疫细胞肿瘤也可导致局部骨组织的破坏,这些都充分说明免疫系统可以影响骨骼肌肉系统。免疫系统与骨骼肌肉系统间的相互作用,也使得骨免疫系统逐步被人们重视。

随着骨免疫学的深入研究,定将会为理解抗风湿病药物(包括生物制剂)的作用机制,以及开发治疗风湿病的新型策略提供基础。为此,本文将重点综述近些年骨免疫学在风湿病领域中取得的进展。
近些年,有关风湿病发病机制的研究一直以来都是科学研究领域最为炙手可热的课题之一,析其原因在于风湿病不是一种单一系统受累的疾病,它往往累及2个及以上器官或系统,以致病情复杂,确诊困难,不同病种不同个体的治疗存在异质性。但从病理发生的角度来看,风湿病的不同病种之间也有一定的共性。

首先体现在所有风湿病的病理过程中都包含慢性炎性免疫活化。像RA、SLE 或SS 等,其病变过程中均可见大量自身抗体的产生及适应性免疫细胞在炎症部位的聚集,为此这些疾病也被视为经典的系统性自身免疫病。其中慢性免疫活化也是触发炎性风湿病发病的中心环节。

其次体现在骨骼肌肉系统是所有风湿病受累的靶器官。几乎所有风湿病均可累及骨骼和肌肉系统,且逐步进展的病程致使靶器官功能严重受损,疾病负担增加。

由此看来,慢性免疫活化与骨骼肌肉组织受累联合构成了风湿病的两大特征。因此,为了能够进一步详细理解风湿病的发病机制,将来开发靶向特异性治疗策略,我们有必要搞清楚免疫系统与骨骼肌肉系统之间的相互关系。

1  破骨细胞是关节炎骨侵蚀的触发器

关节周围骨质侵蚀是RA 和银屑病关节炎的主要病理特征。骨质侵蚀是受累关节长期慢性炎症导致局部骨破坏的结局。临床上经常应用这一病理学特性,通过X 线、磁共振及骨骼肌肉超声等影像学技术动态评估骨质侵蚀的程度,不但有助于明确诊断RA,而且可以根据骨质侵蚀程度的变化评判疾病活动度和抗风湿病药物治疗的疗效。

20 世纪80 年代早期的研究发现成熟的破骨细胞存在于RA 受累关节骨侵蚀的局部,提示破骨细胞在骨质破坏中发挥了重要的作用。随后人们分别通过阻断诱导破骨细胞发生的必需分子和破骨细胞特异性敲除的小鼠模型,发现关节局部虽然有滑膜炎症的存在,但始终没有骨质侵蚀的发生,充分证实了破骨细胞在触发炎性骨质侵蚀中的基本作用,也提示破骨细胞是唯一一种能够破坏骨组织降解骨基质的细胞。这些发现清晰地表明破骨细胞是炎性关节结构破坏及骨质侵蚀的关键。

2  炎性骨质侵蚀发生的分子和细胞机制

RA 骨质破坏的发生有着多重复杂机制的参与,但一般说来,主要有两方面的机制促成了炎性关节局部骨质侵蚀的发生。

①破骨细胞前体细胞在关节局部的聚集;破骨细胞前体细胞是一种单核细胞,属于单核/巨噬细胞系。先前的研究提示分化早期的单核前体细胞均具备分化成巨噬细胞、破骨细胞及器官特异性细胞的潜能,但对于已经进入滑膜组织内的单核细胞却是在局部炎症因子提供的特定信号作用下,临时分化成破骨细胞。其中TNF 可以通过诱导单核细胞表面破骨细胞相关受体(OSCAR)的表达直接参与破骨细胞前体细胞向破骨细胞分化成熟过程。

②已进入炎性关节局部的破骨细胞前体细胞受**后分化为破骨细胞,这一过程需要诸多细胞之间的相互作用,尤其是成纤维样滑膜细胞和活化的T 细胞。两类细胞均可在TNF 连同多种炎性细胞因子如IL-1、IL-6、IL-17、IL-21、IL-22、IL-23 等诱导下表达破骨细胞分化成熟所需的基本**因子:NF-κB 受体活化因子(RANKL),进而结合到细胞表面的RANK 受体, 激活NF-κB 和AP-1 信号通路促进破骨细胞的分化成熟。

除此之外,我们课题组的近期发现趋化因子CXCL16 也可通过促进滑膜成纤维细胞(FLS) 分泌RANKL 进而促进破骨细胞的生成。骨保护素是RANKL 的可溶性诱骗受体,可通过与RANK 竞争性结合RANKL 阻断破骨细胞的发生。提示关节炎局部骨质破坏的发生与骨保护素/RANKL 的表达比例不平衡相关。

在关节炎的动物模型中应用骨保护素阻断RANKL 可减少受累关节骨质破坏的发生,应用RANKL 的人源化抗体(德尼单抗)治疗RA患者的临床试验也提示德尼单抗对于RA 骨质破坏具有一定的保护作用,这些均表明RANKL 在破骨细胞的分化成熟,进而在参与骨质侵蚀过程中发挥着举足轻重的作用。

除RANKL 以外,巨噬细胞集落**因子(M-CSF)也是破骨细胞分化成熟所必需的,它主要负责破骨细胞前体细胞的生存与增殖。在破骨细胞分化成熟及最终发生骨质破坏整个过程中RANKL 与M-CSF 相辅相成,缺一不可。

3  RANKL 在RA中来源于哪些细胞

如上所述,RANKL 参与骨质破坏的作用毋庸置疑, 但接下来的问题是自身免疫反应是如何诱导RANKL表达及随后的破骨细胞分化的呢? 在RA 患者中,RANKL 可以在炎性关节的滑膜细胞及浸润的T 细胞中检测到。

起初人们认为T 细胞来源的RANKL 是驱使RA 发生骨质破坏的主要因素,但体外实验发现在活化的T 细胞与破骨细胞前体细胞共培养条件下,不但没有促进破骨细胞的发生,反而抑制了破骨细胞分化。

相反,滑膜细胞却能够通过共培养体系直接促进破骨细胞的发生。这说明滑膜细胞来源的RANKL 才是RA 致病的主要驱动者,T细胞来源RANKL 的作用往往被T 细胞所分泌的其他具有破骨细胞抑制作用的细胞因子如IFN-γ、IL-4等所掩盖,仅能间接发挥作用。

传统上来说,辅助性T 细胞根据细胞因子分泌种类的不同分为Th1 和Th2 两型,但它们分别可以通过分泌IFN-γ 和IL-4 来抑制破骨细胞的分化过程。随后的研究显示Th17 细胞不仅可以直接**滑膜细胞和成骨细胞分泌RANKL,而且可以通过加剧滑膜局部炎症,间接增加TNF、IL-1 和IL-6 诱导RANKL 分泌的作用。

另有研究显示RA 患者滑液中可以检测到高水平的IL-17,RA 患者滑液中RANKL 的表达水平与IL-23呈正相关,这些均提示Th17-RANKL 轴在RA 骨质破坏发病中起到了关键性的作用。因此靶向抑制Th17 细胞相关的细胞因子,如IL-6、IL-17、IL-23 等也许会成为治疗炎症相关性骨质破坏的经典方案。

4  RANKL 介导哪些信号通路的活化

RANKL 结合到破骨细胞前体细胞表面的RANK 受体后可活化多种信号通路。首先通过招募适配器分子肿瘤坏死因子受体相关因子(TRAF6),活化NF-κB、p38-MAPK 或c-Jun-MAPK 通路。

尽管MAPKs 信号活化后作用的靶基因还没有被证实, 但至少此信号通路通过JNK介导的c-Jun 磷酸化参与了激活蛋白1(AP-1)复合体形成。c-Fos作为AP-1 复合体的另一基本组成单元,是破骨细胞发生的必需分子,它的诱导活化需要NF-κB信号通路的参与。

其次,RANKL可诱导促使破骨细胞分化所需的关键转录因子NFATc1的表达, 这一过程需要依赖于TRAF6-NF-κB和c-Fos通路的活化。NFATc1的进一步自我正反馈进而转位到核内结合到靶基因的启动子区域则依赖于钙调磷酸酶的活化。NFATc1与AP-1等转录因子相互作用可以调控多种破骨细胞相关基因的表达,如组织蛋白酶K,抗酒石酸酸性磷酸酶及降钙素受体等。

此外,本课题组还首次发现RANKL可以作用于JAK2激酶,进而活化STAT3信号通路,其活化位点为727 位的丝氨酸而不是传统思维上705位的酪氨酸。

JAK2特异性抑制剂AG490也的确可以抑制RANKL诱导的这一活化过程, 靶向敲除STAT3的细胞模型证实RANKL诱导的破骨细胞分化过程可以受阻,这均充分表明JAK2/STAT3 通路可以参与RANKL促使破骨细胞分化,但具体的活化机制仍有待进一步深入探讨。

再次,RANK及破骨细胞相关受体(OSCAR、TREM-2)可协同活化钙离子信号,通过磷酸化适配器分子DAP12的免疫受体酪氨酸活化结构域,进而激活脾酪氨酸激酶(Syk)信号诱导磷脂酶C的活化,最终释放钙离子增强前述NFATc1调节的目的基因转录,参与破骨细胞的分化成熟。总之以上信号通路不是彼此孤立地发挥作用,而是在RANKL诱导破骨细胞分化过程中起着相辅相成的作用。

5  骨细胞的免疫调节作用

骨髓作为原始的淋巴器官,主要由大量的造血干细胞(HSCs),记忆性B 细胞和其他B 系细胞组成。这些造血细胞与成骨细胞、破骨细胞等骨细胞共享骨髓微环境,因此骨细胞能够发挥免疫调节作用也不足为奇。众多研究提示骨细胞主要是通过调节骨髓造血干细胞微环境进而控制造血干细胞(HSCs)的命运来参与免疫调节。

Calvi等的研究发现成骨细胞内过表达甲状旁腺激素不仅促进成骨细胞的增殖而且可以上调Notch信号配体蛋白Jag-1的表达,提示Notch信号可以增加造血干细胞的数量。相反却有研究显示Notch信号和Jag-1并不是维持造血干细胞数量所必须的。

另有研究显示成骨细胞表达的血管生成素-1可以通过活化造血干细胞表面的受体促进HSCs 与微环境的紧密结合, 使其始终处于静止状态,但此结论也不断接受后续研究的挑战,至今仍无定论。有关破骨细胞参与免疫调节的研究相对甚少,研究提示破骨细胞可通过影响HSC微环境来调控HSC的动员、浆细胞的生存以及抗原提呈过程,但均需要进一步证实。

6  风湿病骨形成的骨免疫学特性

炎性关节病具备不同的关节病变受累结局,这在风湿病中的体现淋漓尽致。RA是一种纯正的以关节侵蚀破坏为主的风湿病,而AS却是一种骨质侵蚀与骨赘形成同在,且以骨赘形成为主的风湿病。同样是炎性关节病,受累关节却有着完全不一样的结局。

因此风湿病中的骨赘形成也是一个值得探讨的话题。近期的研究提示炎症可以抑制骨形成过程。TNF-α作为RA的主要炎性因子之一, 可通过上调Wnt蛋白抑制因子DDK-1的表达,负向调控Wnt信号通路参与阻止骨赘形成的过程。

Wnt信号是促使间质细胞前体细胞向成骨细胞分化成熟的关键因素,它也可以通过上调骨保护素的表达来阻止破骨细胞的发生。因此影响Wnt蛋白与其抑制因子之间的平衡是打破骨代谢稳态的关键。低水平的Wnt活性导致骨形成受阻、骨破坏增加,相反高水平的Wnt活性使骨形成增加、骨破坏受阻。

RA的病理发生过程就是以前者的骨质破坏为主这样一种状态,而银屑病关节炎、AS、骨关节炎等却是以后者的沿着关节或椎间隙的骨赘形成为主。此外有研究发现抗TNF-α治疗不能阻止骨赘的形成也提示这是完全不同的2种状态。

肌腱附着点、椎体的边缘以及关节软骨附近的骨膜处因富含纤维软骨,再加上机械牵拉等相应的触发因素,成为了最易形成骨赘的地方。其骨发生方式主要是软骨内成骨,相关的分子机制近几年也取得了一定的进展。

除了Wnt蛋白结合到间充质细胞表面的相应受体LRP5/6,使β-连环蛋白转位至核内活化骨形成相关基因以外,骨形成蛋白(BMP)活化的Smad3信号也在骨赘形成中起着关键的作用。

与此同时,Wnt 蛋白上调OPG 的表达, 进而抑制RANKL/RANK信号轴的作用,阻止了骨吸收的发生。因此,炎性关节病受累关节的发病结局取决于骨形成因子Wnt 和BMP与骨吸收因子RANKL 和TNF-α之间的平衡。

7  总结与展望

骨免疫学是一门始于关节炎骨质病变相关机制研究的新兴学科,它的出现为人们更为深入地理解关节炎骨质破坏或骨赘形成的发病机制提出了新的视角。RANKL是骨免疫学科研究中最为重要也是迄今为止研究最为透彻的分子, 未来的几年让我们拭目以待人源化抗RANKL的单克隆抗体的临床疗效。

近些年骨免疫学的研究进展为人们更好地理解抗风湿病药物如TNF 抑制剂等的作用方式和作用机制打下了基础,同时也为我们靶向治疗风湿病提出了新的选择。遗憾的是有关骨细胞调控免疫细胞的研究蓝图尚未明朗,不过通过靶向药物抑制骨细胞的功能,进而间接影响免疫反应的实验研究,也许会给我们带来新的发现。

届时,相信骨骼肌肉系统和免疫系统的称呼将不再是科学的,一种新的系统骨免疫系统将由此诞生。总而言之,骨免疫学的深入探讨将使更多学科的临床或基础研究从中受益。

中华风湿病学杂志2015年6月18卷6期                  文章作者:李常虹 刘湘源


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