劉偉 宋慧 董鵬

骨免疫學(xué)(osteoimmunology)是一個(gè)交叉學(xué)科，研究范疇是免疫系統(tǒng)與骨骼系統(tǒng)之間的基本相互作用，其內(nèi)容涵蓋骨骼系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的諸多方面。在骨髓中兩個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵細(xì)胞直接相互作用，同時(shí)又通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞因子及其受體等發(fā)生間接聯(lián)系。骨組織構(gòu)成了骨免疫系統(tǒng)。本文將從骨免疫學(xué)概念的產(chǎn)生與發(fā)展、骨免疫學(xué)的關(guān)鍵細(xì)胞和重要信號(hào)通路以及骨免疫系統(tǒng)的細(xì)胞因子等方面介紹骨免疫學(xué)的概況及研究進(jìn)展。

一、骨免疫學(xué)概念的產(chǎn)生與發(fā)展

早在1970年，對(duì)免疫細(xì)胞源性破骨細(xì)胞激活因子的開(kāi)創(chuàng)性研究結(jié)果證實(shí)了骨骼與免疫系統(tǒng)存在著密切聯(lián)系。骨免疫學(xué)的命名用來(lái)強(qiáng)調(diào)兩系統(tǒng)之間密切的相互作用，其概念在2000年前后出現(xiàn)。隨著研究的不斷深入，特別是對(duì)核因子κB受體活化因子/核因子 κB 受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor κB/receptor activator for nuclear factor κB ligand，RANK/RANKL)通路多種免疫功能的發(fā)現(xiàn)，極大促進(jìn)了骨免疫學(xué)的進(jìn)步，為諸多臨床疾病的診治開(kāi)辟了新思路[1]。既往認(rèn)為免疫系統(tǒng)通過(guò)T細(xì)胞、B細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等對(duì)骨骼系統(tǒng)直接作用，或通過(guò)分泌細(xì)胞因子間接影響骨骼系統(tǒng)。近期也有研究者提出，骨免疫作用并不局限于免疫系統(tǒng)對(duì)骨代謝的單向影響，骨細(xì)胞也可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，包括骨祖細(xì)胞在造血干細(xì)胞調(diào)節(jié)中的作用以及成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨與惡性腫瘤之間的動(dòng)態(tài)相互作用，這些也引起了學(xué)者們的關(guān)注[2]。

二、骨免疫學(xué)的關(guān)鍵細(xì)胞

1.T細(xì)胞：T細(xì)胞處于免疫反應(yīng)的相對(duì)中心，由多能骨髓造血干細(xì)胞在胸腺分化成熟而來(lái)。T細(xì)胞分為3種亞型，分別是細(xì)胞毒性T細(xì)胞(cytotoxic T cell，Tc)、輔助性T細(xì)胞(helper T cell，Th)和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell，Treg)。其中Tc主要功能是摧毀病毒感染的宿主細(xì)胞，Th產(chǎn)生多種細(xì)胞因子，Treg阻止過(guò)度活化的免疫反應(yīng)[3]。T細(xì)胞和骨生物學(xué)之間的聯(lián)系很多，各亞型T細(xì)胞都能夠影響骨細(xì)胞，受影響的主要是破骨細(xì)胞。其中，Th17和Treg細(xì)胞的作用尤為重要，它們的特征是表達(dá)白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-17、IL-22、IL-26及干擾素-γ等細(xì)胞因子。這些細(xì)胞因子進(jìn)一步誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)、RANKL及腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)表達(dá)增加，同時(shí)增加破骨細(xì)胞前體中RANK的表達(dá)。所以，能夠產(chǎn)生大量細(xì)胞因子的T細(xì)胞是破骨細(xì)胞成熟的強(qiáng)力誘導(dǎo)劑，在許多骨病發(fā)病機(jī)制中扮演重要角色[4]。

2.破骨細(xì)胞：骨重建涉及諸多細(xì)胞分化及信號(hào)因子的相互作用，過(guò)程大致可分為3個(gè)階段，包括起始、轉(zhuǎn)換和終止階段。其中，破骨細(xì)胞的分化是整個(gè)骨重建的開(kāi)端。來(lái)源于單核巨噬細(xì)胞系統(tǒng)的破骨細(xì)胞，其分化依賴于M-CSF、RANKL以及免疫球蛋白樣受體誘導(dǎo)的共刺激信號(hào)(如破骨細(xì)胞相關(guān)受體及髓樣細(xì)胞觸發(fā)受體)。激活這些受體會(huì)促使活化T細(xì)胞核因子1(nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1，NFATc1)表達(dá)，NFATc1是破骨細(xì)胞分化的主要轉(zhuǎn)錄因子[5]。抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP)、降鈣素受體、組織蛋白酶K、破骨細(xì)胞相關(guān)受體(osteoclast-associated receptors，OSCAR)、αVβ3整合素、基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)9和樹(shù)突狀細(xì)胞特異性跨膜蛋白(dendritic cell-specific transmembrane protein,DC-STAMP)等細(xì)胞因子都可刺激多種破骨細(xì)胞特異性基因轉(zhuǎn)錄的發(fā)生[6]。破骨細(xì)胞可以分泌組織蛋白酶K，此種功能蛋白可以切割基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(stromal-derived factor-1，SDF1)、骨橋蛋白(osteopontin,OPN)和干細(xì)胞因子(stem cell factor,SCF)，使骨生態(tài)位失去造血干細(xì)胞結(jié)合位點(diǎn)，導(dǎo)致造血干細(xì)胞被動(dòng)員到外周血循環(huán)中，不再保持靜止。因此，破骨細(xì)胞的數(shù)量和活性需要嚴(yán)格調(diào)控，因?yàn)槿魏胃淖兌伎赡軐?dǎo)致造血干細(xì)胞的過(guò)度動(dòng)員[5]。

3.成骨細(xì)胞：成骨細(xì)胞可以產(chǎn)生類骨質(zhì)，是骨形成的主要細(xì)胞。骨髓間充質(zhì)細(xì)胞在胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)等細(xì)胞因子的刺激下，發(fā)生成骨細(xì)胞前體募集并增殖。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)及Wnt信號(hào)通路刺激成骨細(xì)胞進(jìn)一步分化，而硬骨素及Wnt信號(hào)通路拮抗劑可以抑制這種分化。分化成熟的成骨細(xì)胞最終成為骨細(xì)胞[7]。成骨細(xì)胞有助于造血干細(xì)胞和B細(xì)胞的分化。在清除成骨細(xì)胞的小鼠中，因?yàn)槿狈ag2基因?qū)е铝馨妥婕?xì)胞轉(zhuǎn)化受阻，從而不能分化為成熟的B細(xì)胞。這種作用可能與成骨細(xì)胞分泌的對(duì)B細(xì)胞分化至關(guān)重要的2種重要因子IL-7和C-X-C基序趨化因子配體(C-X-C motif chemokine ligand, CXCL)12有關(guān)。

4.骨髓巨噬細(xì)胞：與體內(nèi)其他器官一樣，骨和骨髓存在常駐巨噬細(xì)胞，包括骨髓巨噬細(xì)胞和骨巨噬細(xì)胞。骨巨噬細(xì)胞位于骨面，表型為小鼠含生長(zhǎng)因子樣模體粘液樣激素樣受體(mouse EGF-like module-containing mucin-like hormone receptor-like 1，EMR1，又稱F4/80)陽(yáng)性及TRAP陰性。最近的研究結(jié)果表明，在出生2 d的小鼠顱骨成骨細(xì)胞中可以檢測(cè)到少量分化抗原簇為CD45+F4/80+的骨巨噬細(xì)胞[8]。這一巨噬細(xì)胞亞群與成骨細(xì)胞和巨核細(xì)胞合作，促進(jìn)造血祖細(xì)胞和造血干細(xì)胞的功能。來(lái)自新生顱骨成骨細(xì)胞的高度純化的CD45+F4/80+骨巨噬細(xì)胞可以分化為TRAP陽(yáng)性的破骨細(xì)胞，起到促進(jìn)骨吸收的作用[9]。

三、骨免疫學(xué)的重要信號(hào)通路

1.RANKL/RANK/OPG系統(tǒng)：RANKL主要表達(dá)于2種關(guān)鍵細(xì)胞——T細(xì)胞和破骨細(xì)胞。RANKL的主要作用是通過(guò)結(jié)合RANK，促使前破骨細(xì)胞分化為成熟破骨細(xì)胞。破骨細(xì)胞的分化過(guò)程受到骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)的抑制。這是一個(gè)相互促進(jìn)又相互制約的系統(tǒng)，在骨代謝過(guò)程中扮演重要角色。同時(shí)，RNAKL/RANK/OPG信號(hào)系統(tǒng)也是T細(xì)胞與破骨細(xì)胞相互聯(lián)系的重要橋梁。破骨細(xì)胞的分化和成熟是骨重建的開(kāi)端，是骨重建過(guò)程中非常關(guān)鍵的步驟。而RANKL/RANK軸在破骨細(xì)胞的分化和成熟過(guò)程中起重要作用，而這種促進(jìn)破骨細(xì)胞成熟的作用可以被OPG抑制[10]。RANK是RANKL的受體，是一種被腫瘤壞死因子受體超家族成員11a(tumor necrosis factor receptor superfamily member 11a,TNFRSF11a)基因編碼的Ⅰ型跨膜蛋白質(zhì)，與配體結(jié)合后組裝成功能性三聚體[11]。敲除TNFRSF11或TNFRSF11a基因的小鼠因缺乏破骨細(xì)胞表現(xiàn)為嚴(yán)重骨硬化，并伴有牙齒爆發(fā)性增長(zhǎng)[12]。過(guò)度表達(dá)RANKL基因的小鼠因破骨細(xì)胞的增加出現(xiàn)骨密度持續(xù)降低。從進(jìn)化角度而言，骨骼系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)在同步發(fā)育過(guò)程中勢(shì)必會(huì)共享許多分子，其中RANKL/RANK在骨骼系統(tǒng)的發(fā)育及獲得性免疫系統(tǒng)的建立過(guò)程中均扮演重要角色[13]。淋巴細(xì)胞發(fā)育過(guò)程需要RNAKL/RANK參與；腸道中的RANKL有助于B細(xì)胞的募集以及一些生發(fā)中心的形成[14]。胸腺髓質(zhì)上皮細(xì)胞(medullary thymic epithelial cells,MTECs)表達(dá)RANKL/RANK，是T細(xì)胞自身免疫耐受形成的必要通路[13]。樹(shù)突狀細(xì)胞是機(jī)體最為重要的抗原提呈細(xì)胞，RANKL能夠以誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β活化激酶1(transforming growth factor-β activated kinase 1，TAK1)依賴的方式促進(jìn)樹(shù)突狀細(xì)胞的存活。存活的樹(shù)突狀細(xì)胞介導(dǎo)持續(xù)的免疫反應(yīng)并使炎癥加劇[15]。在多種自身免疫性疾病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中，RANKL/RANK通路均有參與，例如，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎中活化T細(xì)胞所表達(dá)的RANKL能夠觸發(fā)破骨細(xì)胞分化從而導(dǎo)致骨質(zhì)破壞[16]。

2.S1P-S1PR1信號(hào)通路：多效性鞘磷脂代謝產(chǎn)物鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate，S1P)及其同源受體鞘氨醇-1-磷酸受體-1(sphingosine-1-phosphate receptor 1，S1PR1)因其對(duì)免疫系統(tǒng)和骨重塑的調(diào)節(jié)作用而被認(rèn)為是骨免疫學(xué)中的關(guān)鍵角色。S1P-S1PR1信號(hào)通路可在骨重塑過(guò)程中直接靶向調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化，同時(shí)，對(duì)適應(yīng)性免疫細(xì)胞(T細(xì)胞亞群)和先天免疫細(xì)胞(巨噬細(xì)胞)的功能也有調(diào)節(jié)作用。S1P-S1PR1信號(hào)通路可能參與維持生理?xiàng)l件下的連續(xù)骨轉(zhuǎn)換，同時(shí)導(dǎo)致炎癥過(guò)程中骨畸形的發(fā)生[17]

四、骨免疫學(xué)的細(xì)胞因子

1.促進(jìn)骨吸收的細(xì)胞因子：這類細(xì)胞因子大多是通過(guò)增加破骨細(xì)胞活性導(dǎo)致骨質(zhì)破壞，例如,IL-6、IL-17、IL-1和TNF等均直接或間接作用于破骨細(xì)胞[18]。有研究結(jié)果表明，非感染性炎性關(guān)節(jié)炎患者成纖維樣滑膜細(xì)胞通過(guò)表達(dá)IL-6調(diào)節(jié)Th17細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Foxp3的表達(dá)，而Foxp3可以誘導(dǎo)破骨細(xì)胞成熟[19]。TNF可以上調(diào)RANKL的表達(dá)，從而使更多破骨細(xì)胞被激活[20]。IL-17是Th17產(chǎn)生的一類細(xì)胞因子，參與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、強(qiáng)直性脊柱炎及銀屑病關(guān)節(jié)炎等諸多炎性關(guān)節(jié)炎的病理過(guò)程[21]。IL-17可以通過(guò)促進(jìn)IL-6的產(chǎn)生介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，還可以誘導(dǎo)樹(shù)突狀細(xì)胞或巨噬細(xì)胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶從而導(dǎo)致軟骨破壞，同時(shí)還可以促進(jìn)成骨細(xì)胞表達(dá)RANKL，從而激活破骨細(xì)胞，直接導(dǎo)致骨質(zhì)破壞[20]。

2.抑制骨吸收的細(xì)胞因子：這類細(xì)胞因子如干擾素γ、IL-4和IL-13等，通過(guò)上調(diào)OPG抑制RANKL的形成，起到抑制骨質(zhì)破壞、促進(jìn)新骨形成的作用[18]。干擾素γ是抑制破骨細(xì)胞的細(xì)胞因子，能夠阻止破骨細(xì)胞分化成熟，其機(jī)制是與RANK競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合并誘導(dǎo)其降解[22]。IL-4和IL-13可以通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄活化因子6(signal transducers and activators of transcription 6, STAT6)通路上調(diào)OPG表達(dá)，從而抑制骨破壞[23]。

3.炎性因子—干擾素-γ：干擾素-γ在先天和適應(yīng)性免疫反應(yīng)以及炎癥調(diào)節(jié)中起到關(guān)鍵作用。免疫系統(tǒng)的多種細(xì)胞(T細(xì)胞、B細(xì)胞、NK細(xì)胞、單核細(xì)胞或巨噬細(xì)胞以及樹(shù)突狀細(xì)胞)都可以產(chǎn)生干擾素-γ。在骨骼系統(tǒng)中，干擾素-γ既影響成骨細(xì)胞又影響破骨細(xì)胞。干擾素-γ增加成骨分化相關(guān)基因runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2,Runx2)和鋅指結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子Osterix成骨細(xì)胞分化基因的表達(dá)，敲除干擾素-γ受體可導(dǎo)致小鼠成骨細(xì)胞分化減少。有不少證據(jù)表明，干擾素-γ可以抑制破骨細(xì)胞分化。干擾素-γ通過(guò)降低受體c-Fms的表達(dá)來(lái)抵消M-CSF對(duì)破骨細(xì)胞前體的影響，最終導(dǎo)致RANK陽(yáng)性的前破骨細(xì)胞減少。此外，干擾素-γ通過(guò)促進(jìn)腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6)的降解抑制C-Jun氨基末端激酶(C-Jun NH2-terminal kinase,JNK )和核因子κB(nuclear factor kappa B,NFκB)的下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，同時(shí)通過(guò)激活Fas-FasL介導(dǎo)的死亡信號(hào)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡[24]。

五、小結(jié)

目前，骨免疫學(xué)研究發(fā)展迅速。T細(xì)胞與破骨細(xì)胞關(guān)系的建立標(biāo)志著骨免疫學(xué)的開(kāi)端，RANKL/RANK/OPG信號(hào)通路是連接骨骼系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)的重要紐帶，多種細(xì)胞因子及受體通過(guò)調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的功能參與骨代謝。骨免疫學(xué)涉及骨骼和免疫兩大復(fù)雜系統(tǒng)，骨免疫學(xué)研究的進(jìn)展將促進(jìn)骨骼肌肉系統(tǒng)相關(guān)疾病的診治。