強直性脊柱炎骨代謝的研究進展

2019-01-06 18:38胡勁濤柴樂任偉凡呂建蘭全仁夫

中國骨質(zhì)疏松雜志 2019年6期

胡勁濤柴樂任偉凡呂建蘭全仁夫

1．浙江中醫(yī)藥大學，浙江杭州310053

2．杭州市蕭山區(qū)中醫(yī)院，浙江杭州311200

強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一種自身免疫功能異常引起的以慢性炎癥性關(guān)節(jié)炎為主要表現(xiàn)的疾病，全球的發(fā)生率為2%～5%。慢性炎癥和病理性骨形成是它的兩個主要病理特點，最先累及骶髂關(guān)節(jié)和脊柱關(guān)節(jié)，腰背部疼痛和脊柱關(guān)節(jié)僵硬是常見的臨床癥狀［1］。進行性脊柱關(guān)節(jié)僵硬引起的脊柱活動障礙是病人最為常見的主訴，因此，AS疾病中脊柱關(guān)節(jié)異常骨增生的病理機制受到廣泛的關(guān)注。但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)在脊柱局部過度骨化的同時伴有系統(tǒng)性的骨丟失，這表明AS病程進展過程不是單一的成骨或破骨異常，而是處于兼有兩者的骨代謝失衡環(huán)境中［2-3］。本文就相關(guān)信號通路、炎癥對AS的骨代謝的影響及AS骨質(zhì)疏松情況進行綜述。

1 Wnt信號通路在AS中的作用

Wnt蛋白是成骨細胞分化過程中的重要調(diào)節(jié)因子，它通過與七通道跨膜G蛋白偶聯(lián)受體［frizzled(Fzd)］或低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6(Lrp5/6)相結(jié)合來激活多種不同細胞內(nèi)信號級聯(lián)，可分為依賴β-catenin的經(jīng)典信號通路和不依賴β-catenin的非經(jīng)典信號通路，兩種通路均被認為在骨代謝中發(fā)揮重要的作用［4-5］。經(jīng)典Wnt信號通路中的蛋白包括Wnt-3a、Wnt10b等。有研究對AS患者血清Wnt-3a的水平進行分析，發(fā)現(xiàn)Wnt-3a水平顯著升高，且與Bath強直性脊柱炎測量指數(shù)(bath ankylosing spondylitis metroloty index，BASMI)、改良的 Stoke 強直性脊柱炎脊柱評分(modified stoke ankylosing spondylitis spine score，mSASSS)癥狀分值密切相關(guān)，在校正年齡、性別、吸煙和 CRP后，Wnt-3a仍是BASMI、mSASSS分值的獨立危險因子，血清Wnt-3a可能可以促進病變部位的骨質(zhì)增生，從而加重患者的強直癥狀［6］。而 β-catenin作為 Wnt經(jīng)典信號通路中的重要分子，目前研究認為其不僅對成骨細胞的分化有影響，而且對破骨細胞前體分化為破骨細胞也發(fā)揮作用。Dickkopf1(Dkk1)是經(jīng)典通路中Wnt蛋白的競爭性抑制蛋白，可與Lrp5/6受體相結(jié)合，抑制Lrp5/6的活性，減少β-catenin的生成，通過阻斷Dkk1可提高成骨細胞中組織非特異性堿性磷酸酶(tissue non-specific alkaline phosphatase，TNAP)的表達［7］。

非經(jīng)典信號通路中的Wnt5a也在AS病程中對骨代謝有影響，阻斷Wnt5a會減少成骨細胞TNAP的活性，因此它可以作為阻斷AS異位骨化的可能治療靶點。但是除了防止異位骨形成，Wnt5a還可能可以減少鄰近骨的吸收，因為成骨細胞來源的Wnt5a會刺激破骨細胞生成［8］。在 Wnt5a和 Ror2缺乏的鼠中，破骨細胞的數(shù)量明顯減少，其中前者表現(xiàn)為骨形成和骨吸收均受損的低骨量表型，后者表現(xiàn)為破骨細胞形成受損、骨形成正常的高骨量表型，Wnt5a-Ror2信號可以調(diào)節(jié)破骨細胞的分化［9］。

2 BMP信號通路在AS中的作用

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)信號通路是骨代謝中另一個重要調(diào)控通路。BMP通過與BMP受體(BMPPR)結(jié)合激活Smad1/5/8和MAPK信號通路，促進成骨基因的轉(zhuǎn)錄，從而發(fā)揮骨形成的作用。而Noggin是一種細胞外拮抗BMP的同型二聚體糖蛋白，可與BMP2、4、6、7及生長分化因子5、6結(jié)合，阻止這些蛋白與BMPRP結(jié)合，抑制 BMP的活性［10］。AS患者的骨來源細胞(bone derived cells，BdCs)在刺激向成骨分化后，RUNX2、BMP2的表達要高于健康志愿者，前者BdCs表現(xiàn)出更快的堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、茜素紅(alizarin red，ARS)和羥基磷灰石染色以及更高的ALP活性和ARS定量［11］。與此相似，Xie等［12］收集 AS患者和正常人的骨髓間充質(zhì)干細胞(marrow mesenchymal stem cells，MSCs)，采用成骨培養(yǎng)基孵育，AS-MSCs在第10、14、21天茜素紅染色相比HD-MSCs著色更深，茜素紅定量化分析前者也要高于后者，他們通過檢測成骨基因的表達進一步分析AS-MSCs成骨分化的能力，AS-MSCs中 Runx2、Osterix、OC、AP 在成骨分化期間處于高表達水平，并且發(fā)現(xiàn)BMP2基因在AS-MSCs中表達升高，而 Noggin基因表達下降，BMP2蛋白和Noggin蛋白形成與基因表達結(jié)果相符，因此他們推斷BMP2和Noggin分泌的失衡誘導了AS-MSCs成骨分化異常，促進異位骨化的形成。BMP7被發(fā)現(xiàn)在 AS和類風濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid Arthritis，RA)患者血清中較健康人均要升高，但是在RA患者中BMP7與Runx2、抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP-5b)正相關(guān)，Runx2與骨鈣素N端中分子片段(NMID)負相關(guān);而在 AS患者中 BMP-7與 TRAP-5b負相關(guān)，Runx2卻與NMID正相關(guān)，這與RA中的結(jié)果相反。這表明BMP7升高在兩種疾病中對骨代謝相關(guān)信號通路的激活存在差異，在RA中它們能夠誘導破骨細胞的形成，在AS中卻主要發(fā)揮了抑制破骨細胞形成的作用，這導致了AS疾病過程中的過度骨質(zhì)增生［13］。

3 破骨細胞在AS中的作用

破骨細胞在骨組織中發(fā)揮骨吸收的作用，與成骨細胞的偶聯(lián)作用維持正常骨組織代謝的平衡。大量臨床研究發(fā)現(xiàn)AS患者多伴有不同程度的骨質(zhì)疏松，破骨細胞在 AS中的作用也越來越受到關(guān)注［14-15］。骨轉(zhuǎn)換指標是成骨細胞和破骨細胞分化過程中的產(chǎn)物，可以反映成骨細胞和破骨細胞的狀態(tài)。Yilmaz等［16］分析了AS患者的骨轉(zhuǎn)換指標，其中AS患者和對照組血清ALP、BALP和BGP的水平比較無明顯差異，而反映破骨作用的尿Pyd和Dpyd濃度在AS患者中高于對照組，說明破骨細胞在AS患者機體內(nèi)處于異常活躍的狀態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn)AS患者病灶附近的滑膜組織中存在大量的TRAP陽性單核/多核細胞，在正?；そM織中沒有TRAP陽性表現(xiàn)的細胞出現(xiàn)［17］。雖然病灶周圍起止點以異位新生骨形成為特點，但研究認為破骨細胞形成可能不只是發(fā)揮骨吸收作用，它的產(chǎn)物可能參與了新生骨的形成［18-19］。Slobodin 等［20］試圖闡明破骨細胞的這種作用，他們未觀察到破骨細胞上TGF-β1、Wnt10b和BMP6的表達量與疾病的嚴重程度和影像學AS的進展相關(guān)，這項研究僅是在一個時間點上觀察了破骨細胞基因表達與疾病的關(guān)系，不能說明破骨細胞產(chǎn)物對成骨細胞的長期作用，也難以解釋它們之間的具體相互作用機制。

4 炎癥在AS中對骨代謝的影響

炎癥因子是骨代謝過程中的重要影響因子，在骨質(zhì)疏松癥的研究中發(fā)現(xiàn)炎癥反應會激活破骨細胞，加快骨量的流失，但目前在AS患者中關(guān)于炎癥與骨形成的關(guān)系仍存在不同的觀點［21-22］。有研究認為，AS中的炎癥反應發(fā)生的作用與在骨質(zhì)疏松癥中的研究相似，會促進破骨細胞的分化。Perpétuo等［3］分析應用TNFi治療的AS患者破骨分化能力的改變，發(fā)現(xiàn)治療后血清IL-17 A、IL-23和TGF-β水平下降，破骨細胞表面 CSF1R、RANK、NFATc1和ATP6V0D2基因的表達較治療前均有不同程度的下降，說明炎癥因子介導了破骨細胞的分化和成熟。也有研究對抗TNF治療對成骨的影響進行了分析，發(fā)現(xiàn)抗TNF治療會增加Wnt的活性，可能會導致新生骨的形成，這或許是由于TNF的減少使得破骨細胞分化受到抑制，成骨細胞的成骨能力相對增強，導致骨形成增加［6］。機體的炎癥程度越重，骨吸收也相對增加。Yilmaz等［16］研究顯示ESR大于20 mm/h的AS患者相比ESR小于20 mm/h的患者尿Pyd和Dpyd濃度更高，Pyd和Dpyd均是由破骨細胞分泌，可以反映破骨細胞的活躍程度，這提示炎癥程度重的AS患者骨丟失更快，然而未發(fā)現(xiàn)骨轉(zhuǎn)換指標與疾病活動性存在相關(guān)性。

也有學者認為炎癥在AS病理進展中具有促進異位骨形成的作用。在AS患者血清中培養(yǎng)的細胞相比在健康人血清中培養(yǎng)的細胞ALP染色和ALP活性更高，且 RUNX2、osterix、phospho-C/EBPβ、phospho-ERK、phospho-p38蛋白增加更多，提示血清中的炎癥因子會加速成骨細胞的分化、成熟［10］。白介素和腫瘤壞死因子是廣泛存在于人體內(nèi)各個部位的炎癥調(diào)節(jié)因子，對機體的炎癥狀態(tài)具有重要意義。高濃度的TNF-α被發(fā)現(xiàn)可以誘導骨鈣素大量分泌［17］。Briolay等［7］探索了 TNF-α 通過 Wnt通路對成骨分化的作用，發(fā)現(xiàn)TNF-α可以增加人成骨細胞Wnt10b的水平，但是不能激活經(jīng)典的信號通路，并且Dkk1也不能抑制礦化作用;相反，TNF-a可以刺激Wnt5a的表達，在阻斷Wnt5a后成骨細胞的礦化能力減弱。老年雄性DBA/1鼠可出現(xiàn)自發(fā)性強直性起止點病變，而在免疫系統(tǒng)中腫瘤壞死因子超家族(tumor necrosis factor superfamily，TNFSF)和它的受體與成骨細胞的分化有關(guān)，死亡受體3(death receptor 3，DR3)是 TNFSF 的成員。Collins等［23］分別觀察了野生DBA/1鼠和敲除DR3的DBA/1鼠，野生DBA/1鼠成骨細胞和骨祖細胞均有DR3表達，ALP、骨調(diào)素、礦物沉積較敲除DR3的DBA/1鼠明顯上升，DR3對中軸骨的新生骨形成可能存在影響。IL-32γ是T淋巴細胞分泌的前炎癥因子，先前研究認為它可以調(diào)節(jié)破骨細胞的分化，但Lee等［24］收集了AS、RA和OA患者的滑膜液體和組織，發(fā)現(xiàn)IL-32γ的水平和基因表達在AS患者中要高于RA和OA患者，他們隨后對IL-32γ轉(zhuǎn)基因鼠和野生鼠進行研究，IL-32γ轉(zhuǎn)基因鼠前體細胞上DKK-1的表達下降，而且成骨細胞的分化率要高于野生型鼠，IL-32γ會通過抑制DKK-1增強成骨細胞的分化。上述研究雖然均表明炎癥有促進成骨的作用，但主要集中在細胞和動物實驗中，體外實驗和動物實驗都與人機體的內(nèi)環(huán)境存在差異，難以直接反映人機體自身的疾病變化情況。Bruijnen等［25］為了能夠直觀地觀察人自身的骨骼改變情況，他們采用PET-CT顯示骨組織中18F-fluoride的吸收狀態(tài)，因為18F-fluoride的吸收可以反映成骨細胞的活躍性，結(jié)果顯示對抗TNF治療有反應患者的肋椎關(guān)節(jié)和骶髂關(guān)節(jié)18F-fluoride吸收量較無反應患者明顯降低，抑制TNF因子減少了異位新生骨的形成，說明機體內(nèi)TNF增加會誘導成骨作用。

5 AS中骨質(zhì)疏松的發(fā)生情況及骨折風險

雖然AS中軸骨區(qū)域骨質(zhì)增生導致的椎體融合一直以來都是臨床重要關(guān)注點，但越來越多的臨床研究觀察到AS患者有發(fā)展為骨質(zhì)疏松癥和出現(xiàn)脆性骨折的高風險。這些發(fā)現(xiàn)可能是由于影像學檢查儀器的進步及相關(guān)分析軟件的改良，增加了對骨密度檢測的精確度，從而提高了骨質(zhì)疏松癥的診斷。Pray等［14］通過搜索AS、脆性骨折、骨質(zhì)疏松等相關(guān)關(guān)鍵詞，最終納入22篇符合標準的文獻，結(jié)果顯示AS患者椎體骨折的風險大約是非AS患者的2倍，非椎體骨折(髖關(guān)節(jié)、前臂等部位)的發(fā)生率也是前者高，且前者的腕部、股骨頸和全髖關(guān)節(jié)區(qū)域的BMD明顯低于后者，因此AS患者BMD降低是導致骨折風險升高的重要因素。另一項研究調(diào)查了男性AS患者骨代謝情況，相比正常人，AS患者前臂和髖部BMD更低，并且他們發(fā)現(xiàn)病程時間和年齡與BMD呈反比;TNF-α和IL-6的濃度在骨質(zhì)疏松或骨量減少的患者中要低于骨密度正常的患者，CRP濃度卻未發(fā)現(xiàn)這種關(guān)系，但CRP、TNF-α和IL-6在AS患者中要高于健康對照組，與平均骨密度在AS患者和健康對照組中相反，炎癥反應可能在會加速骨量的丟失，但病程時間長的患者由于疼痛不適導致活動量下降以及老齡化也會加重骨吸收［15］。Arends等［26］通過橫斷面研究調(diào)查了AS患者骨轉(zhuǎn)換指標和維生素D水平，認為sCTX、OC水平的增加和低水平的維生素D對AS骨質(zhì)疏松的病理過程中非常重要。