張楨 陳昊 王雪鵬 朱六龍

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬杭州市第一人民醫(yī)院骨科,浙江 杭州 310006

1 絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松與MHC-Ⅱ的概念

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis,PMOP)是一種主要由雌激素降低引起的骨骼疾病,影響全球數(shù)千萬女性,該病的主要特征為骨強度和骨密度的降低[1]。相較于同齡男性,女性在絕經(jīng)歲后往往更容易因骨質(zhì)疏松導(dǎo)致骨折[2]。既往研究往往聚焦于雌激素降低引起的成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞的相互作用和活躍程度變化、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨與成脂分化失衡,然而骨免疫失衡這一概念逐漸被提起。骨免疫失衡主要是指免疫系統(tǒng)和骨骼系統(tǒng)之間的復(fù)雜串?dāng)_變化誘發(fā)的骨穩(wěn)態(tài)失衡。骨穩(wěn)態(tài)指成骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨吸收之間的平衡,骨穩(wěn)態(tài)的失衡往往會導(dǎo)致骨量的改變,從而誘發(fā)骨質(zhì)疏松癥[3]。

主要的組織相容性復(fù)合體Ⅱ類分子(major histocompatibility complex class Ⅱ molecules,MHC-Ⅱ)由α鏈和β鏈組成,它們均含有有外顯區(qū),其中α1和β1結(jié)構(gòu)域具有參與抗原結(jié)合的功能。MHC-Ⅱ類分子主要在單核巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等抗原呈遞細(xì)胞上表達(dá),可以發(fā)揮一種類似“告示牌”的作用并通過蛋白質(zhì)遞呈途徑參與由T和B淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫反應(yīng),從而發(fā)揮關(guān)鍵作用[4-5]。值得一提的是,MHC-Ⅱ在破骨細(xì)胞前體中高表達(dá),而MHC-Ⅱ類反式激活劑(MHC class Ⅱ trans activators,CIITA)過表達(dá)小鼠模型可誘導(dǎo)嚴(yán)重的自發(fā)性骨質(zhì)疏松癥[6]。因此,進(jìn)一步探索MHC-Ⅱ在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的潛在機理可能有助于絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥靶向藥物的開發(fā)。

2 MHC-Ⅱ介導(dǎo)T和B淋巴細(xì)胞的活化作用

由MHC-Ⅱ介導(dǎo)的T細(xì)胞相關(guān)的適應(yīng)性免疫反應(yīng)和炎癥是一個復(fù)雜的病理過程。在抗原提呈細(xì)胞吞噬例如細(xì)菌、蛋白質(zhì)等細(xì)胞外蛋白后,這些蛋白可被吞噬體包裹在細(xì)胞中。之后細(xì)胞內(nèi)溶酶體將與吞噬體結(jié)合形成吞噬溶酶體,將蛋白質(zhì)水解成短肽。MHC-Ⅱ分子可以監(jiān)測巨噬細(xì)胞中不同蛋白的水解機制,并與經(jīng)消化水解后的短肽結(jié)合,以MHC-抗原復(fù)合物形式轉(zhuǎn)載至抗原提呈細(xì)胞表面,從而參與識別和結(jié)合初始T細(xì)胞和T細(xì)胞記憶細(xì)胞[7]。T細(xì)胞上的抗原特異性T細(xì)胞受體與抗原提呈細(xì)胞上的抗原肽MHC-Ⅱ的相互作用是T細(xì)胞活化的必要階段[8]。當(dāng)MHC-抗原復(fù)合物與T細(xì)胞受體結(jié)合后,可以通過鈣離子信號、磷脂酰肌醇信號和酪氨酸激酶信號等觸發(fā)一系列信號傳遞,從而激活T細(xì)胞,并誘導(dǎo)其分化為輔助性T細(xì)胞 (T helper 1,Th1)、Th2、Th17等不同亞型[9]。Th細(xì)胞又稱CD4+T細(xì)胞,是組成性表達(dá)T細(xì)胞受體(constitutive expression of T cell receptors,TCR)以及CD4分子的T細(xì)胞,其可在B細(xì)胞的活化過程中發(fā)揮雙重作用。Th細(xì)胞首先可通過在表面表達(dá)CD40 L,與B細(xì)胞表面的CD40結(jié)合促進(jìn)B細(xì)胞活化[10]。此外,Th細(xì)胞產(chǎn)生一些細(xì)胞因子,如白細(xì)胞介素-2(interleukin-2,IL-2)、IL-6等可進(jìn)一步促進(jìn)B細(xì)胞活化?；罨腡和B淋巴細(xì)胞可產(chǎn)生干擾素-γ(IFN-γ)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-17A(IL-17A)和核因子-κB(NF-κB)配體(RANKL)的受體激活劑等免疫分子[11]。這些炎癥因子可通過調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥骨重建過程中發(fā)揮了重要作用。由此可見,MHC-Ⅱ分子遞呈途徑在T細(xì)胞和B細(xì)胞激活過程以及隨后的骨重建調(diào)節(jié)過程的多個階段發(fā)揮著起始作用。

3 效應(yīng)T淋巴細(xì)胞和B細(xì)胞調(diào)控炎癥因子介導(dǎo)的骨重建

骨重建是一個復(fù)雜的過程,主要包括由破骨細(xì)胞主導(dǎo)的破骨作用(用于清除受損的骨組織)和成骨細(xì)胞主導(dǎo)成骨作用(用于骨形成)[12]。眾所周知,經(jīng)MHC-Ⅱ的活化后T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞往往可以通過分泌各種炎癥因子發(fā)揮調(diào)節(jié)體內(nèi)免疫系統(tǒng)的作用,包括RANKL、TNF-α、IL-17A和IL-17F以及IFN-γ。以上炎癥因子則具有調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的作用,從而發(fā)揮調(diào)控骨代謝和骨重建的功能。

RANKL已被確定為炎癥性骨質(zhì)流失的關(guān)鍵介質(zhì)和骨免疫學(xué)的關(guān)鍵分子之一。活化的T細(xì)胞可以直接產(chǎn)生RANKL,RANKL可進(jìn)一步結(jié)合單核細(xì)胞上的RANK,并通過細(xì)胞內(nèi)NF-κB信號傳導(dǎo)和激活蛋白(AP)-1轉(zhuǎn)錄因子家族誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成[13]。此外,激活的RANK可促進(jìn)腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子(tumor necrosis factor receptor-related factors,TRAFs)的表達(dá),從而導(dǎo)致破骨細(xì)胞分化[14]。TNF-α在骨代謝中也發(fā)揮著重要作用,其可通過直接作用于破骨細(xì)胞前體,以及間接調(diào)控間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生M-CSF和RANKL來影響破骨細(xì)胞的形成[15]。既往研究表明TNF-α還可以通過激活NF-κB和PI3K/Akt信號通路促進(jìn)RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成并且可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞自噬和凋亡,從而破壞骨穩(wěn)態(tài)[16]。IL-17A 是一種主要由Th17細(xì)胞分泌的一種免疫細(xì)胞因子,參與骨重塑的調(diào)節(jié)和骨質(zhì)的破壞。TH17細(xì)胞可通過產(chǎn)生IL-17F促進(jìn)RANKL等破骨分子的作用,對破骨細(xì)胞的分化產(chǎn)生間接刺激作用[17]。IFN-γ也稱為免疫干擾素,在宿主防御中具有重要作用,對破骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用具有兩面性。其可基于對RANKL信號的干擾,產(chǎn)生抑制破骨細(xì)胞分化的效果[18]。IFN-γ還可以刺激破骨細(xì)胞產(chǎn)生超氧化物,導(dǎo)致破骨細(xì)胞凋亡增強。然而,富含IFN-γ的微環(huán)境有利于促進(jìn)成熟的單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞融合分化為破骨細(xì)胞[19]。

4 雌激素調(diào)控MHC-Ⅱ介導(dǎo)的T淋巴細(xì)胞活化

雌二醇被證明具有抑制抗原呈遞和共刺激分子表達(dá)的作用,并且卵巢切除導(dǎo)致的雌激素缺乏可誘導(dǎo)MHC-Ⅱ的異常表達(dá)以及抗原呈遞增強[20-21]。經(jīng)免疫熒光染色證明,在OVX小鼠的上皮導(dǎo)管細(xì)胞中,MHC-Ⅱ陽性細(xì)胞率比對照組增長了近50%。另一項研究表明,17β-雌二醇可以降低小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物MHC-Ⅱ的表達(dá)水平,并實現(xiàn)促進(jìn)髓鞘再生的作用[22]。樹突狀細(xì)胞(dendritic cell,DC)是骨髓中一種MHC-Ⅱ類分子高表達(dá)的抗原呈遞細(xì)胞,被認(rèn)為是誘發(fā)骨質(zhì)疏松的潛在因素。大豆黃素因其結(jié)構(gòu)與17β-雌二醇相似,也具有雌激素類似作用。實驗證明其具有抑制樹突狀細(xì)胞的功能成熟以及抑制樹突狀細(xì)胞對T細(xì)胞的同種異體刺激能力的作用[23]。低水平的雌激素可導(dǎo)致樹突狀細(xì)胞擁有更長的存活時間,這將進(jìn)一步增加其在抗原呈遞途徑過程中發(fā)揮的作用[24]。因此,雌激素可能具有通過調(diào)控MHC-Ⅱ介導(dǎo)抗原呈遞途徑從而發(fā)揮調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松的作用。

絕經(jīng)后婦女伴隨著雌激素的降低,可引起骨微環(huán)境發(fā)生炎癥性改變,從而加速骨質(zhì)的流失以及增加發(fā)生骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險。在此過程中,雌激素的缺乏可導(dǎo)致CD4+T細(xì)胞失調(diào),從而誘導(dǎo)微環(huán)境內(nèi)炎癥細(xì)胞因子循環(huán)水平升高,其中RANKL、IFN-γ、IL-17、TNFα和CD40 L增加尤為明顯[25-26]。此外,雌激素缺乏可增加活化T細(xì)胞上表達(dá)的共刺激因子CD40 L數(shù)量,誘導(dǎo)基質(zhì)細(xì)胞上M-CSF和RANKL過表達(dá),下調(diào)骨保護(hù)素(OPG)的產(chǎn)生,最終導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量顯著增加[27-28]。雌激素缺乏刺激還可誘導(dǎo)Th17細(xì)胞分化,增加促破骨細(xì)胞因子,如TNF-a、IL-6和RANKL的表達(dá)水平,最終導(dǎo)致骨質(zhì)流失[29]?？诜a充雌激素可逆轉(zhuǎn)促破骨細(xì)胞因子的變化,并發(fā)揮抑制Th17分化和IL-17產(chǎn)生的作用,從而保護(hù)骨骼健康[30]。T細(xì)胞缺陷可使患有卵巢切除術(shù)(ovariectomy,OVX)的小鼠中骨質(zhì)流失減少的癥狀得到明顯改善[31]。以上結(jié)果表明雌激素可能具有通過調(diào)控T淋巴細(xì)胞功能,從而具有調(diào)節(jié)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的作用。總之,在絕經(jīng)后的婦女中,雌激素缺乏可以通過調(diào)控MHC-Ⅱ介導(dǎo)抗原呈遞途徑誘導(dǎo)T淋巴細(xì)胞功能失調(diào),從而導(dǎo)致T細(xì)胞衍生的炎癥因子分泌紊亂,最終通過促進(jìn)骨吸收等方式導(dǎo)致骨質(zhì)流失和骨質(zhì)疏松癥。

5 MHC-Ⅱ與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松

靶向調(diào)控MHC-Ⅱ類分子被證明具有調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的活性的作用,并與骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。MHC-Ⅱ類轉(zhuǎn)激活因子(MHC class Ⅱ transactivator,CIITA)是一種專門用于抗原呈遞的主要轉(zhuǎn)錄共激活因子,是MHC-Ⅱ的主要調(diào)節(jié)因子。MHC-Ⅱ和CIITA 在破骨細(xì)胞前體中表達(dá),并在骨質(zhì)疏松小鼠中的表達(dá)水平明顯增強[6]。CIITA過表達(dá)小鼠模型可通過促進(jìn)破骨細(xì)胞數(shù)量增加和體內(nèi)骨吸收作用增強誘導(dǎo)嚴(yán)重的自發(fā)性骨質(zhì)疏松癥。顯微CT掃描結(jié)果表明,在24周齡時,CIITA過表達(dá)小鼠的脛骨骨小梁數(shù)量和骨體積分?jǐn)?shù)相較于野生型小鼠減少了約2/3。此外,在OVX小鼠中,IFN-γ水平升高,而其對CIITA的調(diào)節(jié)具有決定性作用[32]。CIITA的激活可進(jìn)一步誘導(dǎo)MHC-Ⅱ分子的表達(dá),并促進(jìn)了活化的T細(xì)胞增殖[33]。另一方面,跨膜蛋白173(Tmem173)作為一種MHC-Ⅱ抑制劑,對破骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)以及細(xì)胞分化產(chǎn)生明顯的抑制作用[34]。眾所周知,抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)是破骨細(xì)胞中重要的組織化學(xué)標(biāo)志酶,并且在破骨細(xì)胞骨吸收中起重要作用。對經(jīng)RANKL誘導(dǎo)RAW 264.7細(xì)胞同時進(jìn)行Tmem173過表達(dá)處理,轉(zhuǎn)染的細(xì)胞中TRAP活性相較于對照載體轉(zhuǎn)染細(xì)胞相比下調(diào)達(dá)60.4%,而在骨片上產(chǎn)生的吸收坑面積下降了超過70%。作為一種MHC-Ⅱ類分子高表達(dá)的抗原呈遞細(xì)胞,樹突狀細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)在T淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化為效應(yīng)T細(xì)胞的過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,并促進(jìn)例如TNF-a和IL-17等炎癥因子的產(chǎn)生[24]。當(dāng)此調(diào)節(jié)過程被限制后,小鼠體內(nèi)骨質(zhì)流失將得到明顯改善[35]。以上結(jié)果表明MHC-Ⅱ類分子可能在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松發(fā)揮一定作用。盡管MHC-Ⅱ分子與破骨細(xì)胞和骨質(zhì)疏松的直接聯(lián)系的實驗性研究尚未進(jìn)行,但有研究通過生物信息學(xué)進(jìn)行了初步的探索[36]。其表明MHC-Ⅱ分子在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松富集,并推測可能具有通過直接調(diào)節(jié)T細(xì)胞分泌炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生調(diào)控骨穩(wěn)態(tài)的功能。

然而,有研究表明MHC-Ⅱ的缺失卻會對小鼠外周骨骼的發(fā)育產(chǎn)生不利影響。與野生型小鼠相比,MHC-Ⅱ敲除小鼠在多個年齡階段中,其股骨力學(xué)、幾何和成分測量值等指標(biāo)明顯降低,包括了股骨剛度、3-pt彎曲峰值力和礦物質(zhì)質(zhì)量[37]。在小鼠16周齡時,MHC-Ⅱ敲除小鼠的這3項指標(biāo)分別僅僅為野生型小鼠的80%、66%和61%,并且伴隨著體重的降低。盡管其中的潛在機制并未進(jìn)一步探索,但可能與MHC-Ⅱ在機體內(nèi)廣泛的作用機制有關(guān)。因此,MHC-Ⅱ與破骨細(xì)胞和骨質(zhì)疏松的內(nèi)在聯(lián)系和潛在機制需要進(jìn)一步探索。

6 結(jié)論

本文聚焦于MHC-Ⅱ分子在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的潛在聯(lián)系進(jìn)行綜述。雌激素缺乏可促進(jìn)MHC-Ⅱ分子蛋白遞呈途徑,進(jìn)而加劇T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞分泌炎癥因子,最終導(dǎo)致骨穩(wěn)態(tài)失衡(圖1)。盡管本文為揭示絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松發(fā)生的病理機制提供了潛在的治療的方向。然而,MHC-Ⅱ分子蛋白遞呈途徑在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的具體作用機制仍需進(jìn)一步探索。

圖1 雌激素缺乏靶向MHC-Ⅱ分子調(diào)控的骨質(zhì)疏松癥Fig.1 Estrogen deficiency targets major histocompatibility complex Class II molecular-mediated osteoporosis