炎性骨髓微环境影响骨质疏松发生发展的机制研究

杨旭峰 郝彦明 陆轲 何大伟 岳雨珊 李翀*

1.江苏大学，江苏 镇江 212000 2.江苏大学附属昆山医院，昆山市第一人民医院，江苏 昆山 215300

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨量减低和骨结构破坏为特征，并易致骨强度受损甚至发生骨折的疾病[1-2]。此病发生发展受诸多因素影响，如性别、年龄、饮食习惯、性激素及家族史[3]。本病属于慢性增龄性疾患，患病率随年龄增长逐步上升，中国老年人OP患病率为37.7%，且女性患病率比男性高，南方患病率比北方高[4]。另有研究报道2015年我国用于OP性骨折的医疗费用为720亿元，预计到2035年将增至1 320亿元，给家庭及社会造成沉重经济负担[5]。OP已成为我国重大公共卫生问题，防治OP刻不容缓。其发生发展主要与骨吸收、骨形成之间动态失衡有关，主要表现为成骨细胞(osteoblast，OB)凋亡、破骨细胞(osteoclast，OC)过度活化及骨髓(bone marrow，BM)间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)分化异常。近些年研究表明在性别类固醇激素充足的情况下，骨丢失仍在持续发生，说明机体内在的相关衰老机制影响骨生长，而衰老的标志即慢性低度炎症[6]。

目前国内外已开展一定数量研究表明炎性BM微环境对骨具有一定影响，本文将结合已有研究结果，简要阐述炎性BM微环境对OP发生发展的影响机制。

1 炎性BM微环境

BM中含一系列细胞，如MSCs、造血干细胞(haematopoietic stem cells，HSCs)、OB、OC、髓系免疫细胞、淋巴细胞及BM基质细胞[7]，其中MSCs和HSCs是多能干细胞群。MSCs可分化为软骨细胞、BM脂肪细胞及OB[8]，而HSCs可分化为BM系细胞群及淋巴免疫细胞群[9]。这些含有不同功能的细胞及细胞基质共同组成BM微环境。伴随年龄增长，炎症因子不断累积，会改变BM微环境，增加BM促炎性，打破机体内OB与OC间动态平衡，加快OP发展进程。参与此过程的炎症因子主要包括中性粒细胞及巨噬细胞产生的白介素-1(IL-1)、基质细胞分泌的白介素-6(IL-6)、T辅助细胞分泌的白介素-17(IL-17)及巨噬细胞分泌的肿瘤坏死因子(TNF-α)等[10]。但目前有关各炎症因子在不同部位骨骼及不同骨质中的浓度分布尚未开展相关研究。

2 炎性BM微环境对骨细胞的影响

2.1 炎性BM微环境对OC的影响

在炎性BM微环境中，IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α等炎症因子促进OC分化，具体机制见图1。

图1 炎性BM微环境对OC的影响Fig.1 Effect of inflammatory bone marrow microenvironment on osteoclasts

2.1.1IL-1在炎性BM微环境中对OC的影响：Li等[11]及Kitaura 等[12]研究表明IL-1α及IL-1β可与IL-1RI相结合增加BM基质细胞中RANKL表达，提高促OC分化的c-Fos表达，加快其与NFATc1因子结合，继而提高NFATc1相关基因TRAP、CTSK及MMP-9的表达，刺激OC前体分化，活化多核OC，促进OC成熟，加快骨吸收。另外，Sun 等[13]研究表明在适当的BM微环境条件下，IL-1及IL-1RI可激活MITF因子，增加OC特异性基因表达，如OC相关受体(OSCAR)及TRAP，进而促进OC分化成熟。关于IL-1在炎性BM微环境中对OC分化的影响，因每项实验所采用的实验方案存在差异，故研究得到的作用机制会有所不同[14-15]，但有一点可基本明确，即IL-1在此环境中会诱发OC分化成熟，加快骨吸收。

2.1.2IL-6在炎性BM微环境中对OC的影响：IL-6一方面可激活JAK2/STAT3轴，上调RANKL表达[16]，促使OPG分子量相对下调，打破RANKL与OPG间平衡状态；另一方面可增加RANKL受体量，大幅提升OC对RANKL的刺激敏感性。通过上述两方面作用，IL-6加速机体内骨量丢失。同时，IL-6也可直接结合OC上的对应受体，加快骨分解，促进骨吸收[17]。

2.1.3IL-17在炎性BM微环境中对OC的影响：低浓度IL-17可上调OC相关基因表达，启动OC前体，激活RANKL-JNK通路，刺激OB分泌RANKL，并促进RANKL与RANK结合，激活下游JNK信号分子，增强自噬活性，启动自噬通路，间接促进OC分化，加强骨代谢[18-19]。

2.1.4TNF-α在炎性BM微环境中对OC的影响：TNF-α激活NF-kB通路，增加BM基质细胞及OB中M-CSF及RANKL的表达，进而激活OC分化的信号通路，促进OC生成，加快骨吸收[20-21]。

2.2 炎性BM微环境对OB的影响

在炎性BM微环境中，IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α等炎症因子抑制OB分化，具体机制见图2。

图2 炎性BM微环境对OB的影响Fig.2 Effect of inflammatory bone marrow microenvironment on osteoblasts

2.2.1IL-1在炎性BM微环境中对OB的影响：正常的OB分化由WNT/β-catenin通路介导[22]。炎症因子IL-1在BM微环境内累积可增加11β-HSD1表达，进而间接刺激DKK1生成[23]。DKK1是WNT/β-catenin信号通路的可溶性抑制剂，其水平上调会致使配体WNT、单通道跨膜辅受体LRP及七-跨膜信号受体Frizzled组成的异源三聚体复合物量下降，进而抑制WNT/β-catenin通路激活[24]，下调β-catenin表达，降低β-catenin在细胞质内累积量及向细胞核内转移量，减少β-catenin与DNA中TCF/LEF反应元件的结合量，抑制骨形成基因转录，延缓骨形成。同时，DKK1过度表达可致关节炎、多发性BM瘤等疾病发生，进而引起骨损伤，甚至骨丢失[25]。

2.2.2IL-6在炎性BM微环境中对OB的影响：IL-6与SIL-6R或mIL-6R结合导致信号转导分子gp130同源二聚，继而激活两种主要细胞内信号通路，即SHP2/MEK2/ERK和SHP2/PI3K/Akt2，一方面通过JAK/STAT3正调控促进OB分化，另一方面负调控抑制OB分化，但总体以抑制OB分化为主。且IL-6可降低与OB分化相关的ALP、Runx2和骨钙素的表达，进而降低OB骨矿化能力，抑制OB分化[8]。

2.2.3IL-17在炎性BM微环境中对OB的影响：IL-17可上调N-钙粘蛋白表达，进而抑制PTHR1与LRP间交互作用，负调控Wnt信号通路，干扰LRP6功能，抑制OB分化。目前此观点已在基础及临床研究中得以验证。2017年，Mansoori等[26]采用IL-17预处理OB，处理后发现细胞内N-钙粘蛋白、硬化蛋白呈高表达，PTHR1与LRP6间交互作用减弱，SOST表达上调，OB分化减缓。且近年来有相关研究表明骨关节炎患者发生炎症性骨丢失原因之一即因IL-17介导所致Wnt信号通路改变[27]。

2.2.4TNF-α在炎性BM微环境中对OB的影响：Lee等[28]研究表明TNF-α可上调Smurfl表达，抑制BMP-2通路，加快Runx2降解，降低IGF-1、SMADs及Runx2表达，进而抑制OB分化。Chen等[29]通过建立Timp基因敲除小鼠模型开展相关研究，发现TNF-α可通过上调DKK-1表达，阻碍Wnt通路，抑制MSCs分化为OB。另外，Wang等[30]研究表明TNF-α可激活NF-kB信号通路，进而抑制MC3T3-E1细胞成骨分化。

但国内外有部分研究者提出了相反观点。Huang等[31]、Glass等[32]研究表明低浓度的TNF-α具有成骨活性，可通过上调Runx2、Osx、ALP及BMP-2水平，促进成骨分化。

目前关于TNF-α在炎性BM微环境中对OB的影响尚无明确定论，但考虑与此炎症因子的浓度、暴露时间及细胞分化程度相关。

2.3 炎性BM微环境对MSCs的影响

在炎性BM微环境中，IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α等炎症因子可通过对MSCs的影响，干预机体成骨及破骨分化进程，具体机制见图3。

图3 炎性BM微环境对MSCs的影响Fig.3 Effect of inflammatory bone marrow microenvironment on mesenchymal stem cells

2.3.1IL-1在炎性BM微环境中对MSCs的影响：在炎性BM微环境中，IL-1β可刺激MSCs中的IL-1β受体，激活PKCd通路，磷酸化IkB，使NF-kB易位至细胞核中，激活与MLCK表达相关的转录通路，改变细胞骨架，使干细胞迁移，启动骨修复进程。另外，Lin 等[33]研究表明IL-1β可激活PKCa，磷酸化MEK及ERK，继而也激活与MLCK表达相关的通路，使细胞骨架发生改变，促进骨修复。

2.3.2IL-6在炎性BM微环境中对MSCs的影响：MSCs可免疫调节周围微环境，具体表现为MSCs在一定条件下可提高toll样受体数量，激活TLR4-NF-kB通路[34]，增加炎症因子如IL-6的数量，降低MSCs成骨分化能力[35]，但其中的详细机制尚待进一步深入研究。

2.3.3IL-17在炎性BM微环境中对MSCs的影响：Al-Mansoori等[36]研究表明IL-17可通过依赖于活性氧产生的方式刺激hMSC增殖，并诱导hMSCs在OB中运动、迁移及分化，同时明显抑制hMSCs中的脂肪细胞分化，促进脂肪细胞脂解，增加碱性磷酸酶的表达，提升骨矿化能力，促进成骨分化。同时，Wang等[37]研究表明TNF-α可辅助IL-17共同调节hMSCs，促进OB分化。此外，Scheffler等[38]研究表明IL-17可通过JAK/STAT信号通路，促进瘦素生成，抑制脂肪产生，促进成骨。

但目前有关IL-17在炎性BM微环境中对MSCs的影响，有部分研究提出其他观点。Krsti等[39]研究发现IL-17可诱导Wnt拮抗剂分泌卷曲相关蛋白1，并提高此蛋白的mRNA表达，进而抑制大鼠及小鼠颅骨OB前体细胞分化，延缓颅骨再生进程。同时，Goff等[19]研究表明IL-17一方面可通过降低蛋白激酶A活性及缓解SOX9磷酸化进程，进而抑制软骨生成；另一方面可通过增加胶原酶(MMP-1、MMP-13)及基质溶血素(MMP-3)表达，降低其抑制剂(TIMP-2、TIMP-4)及ECM成分(II型胶原、聚集聚糖)表达，进而加快软骨降解。

在炎性BM微环境中，IL-17通过对MSCs的影响，可负向调控软骨分化，但对于成骨分化的作用尚无明确定论。

2.3.4TNF-α在炎性BM微环境中对MSCs的影响：Kuang等[40]研究表明TNF-α水平增高会干扰miR-146a-Smad4轴，引起氧化和内质网应激，激活IRE1/TRAF2/ASK1通路，提高PERK、IRE1A及ATF6的表达，继而激活NF-kB信号通路，诱导炎症反应，降低Runx2及Osterix表达，抑制MSCs成骨分化。同时，Xin 等[41]通过对C57小鼠开展实验研究发现TNF-α会降低成骨相关基因表达，抑制MSCs向OB分化，从动物实验中验证了上述诸项研究的观点。综上所述，在BM微环境中，通过TNF-α诱导的炎症反应对MSCs的影响会抑制成骨分化。

3 存在的问题与展望

3.1 存在的问题

3.1.1炎症因子研究种类有限：因炎症因子累积使BM微环境炎性化，进而调节机体成骨及破骨进程。目前大部分研究着眼于IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α对OP发生发展的影响，而其他炎症因子如IL-12、IL-23、IL-27等对OP发生发展的研究尚较少，暂不能全面揭示炎性BM微环境对OP发生发展的影响。

3.1.2炎症因子研究角度有限：目前大部分研究仅是针对某一类炎症因子如IL-1、IL-6、IL-7及TNF-α对OP发生发展的影响，且主要关注某一类炎症因子对某一骨细胞如OB、OC及MSCs的作用机制，而各类炎症因子相结合共同干预OP发生发展的机制研究，及炎症因子所致炎性微环境对分子信号通路、各类炎症因子自身浓度改变及基因多态性影响的综合研究仍较少。

3.1.3炎症因子研究设计类型有限：目前有关炎性BM微环境与OP间的研究，大部分为基于体外细胞或动物模型的实验研究，关于此方向所开展的临床研究数量极为有限，且仅局限于通过回顾性研究发现与OP发生发展相关的炎症因子，前瞻性研究未涉及，对临床诊疗指导作用有限。

3.2 展望

3.2.1拓展炎症因子研究种类：目前有关炎性BM微环境干预OP发生发展的机制研究，主要关注IL-1、IL-6、IL-17及TNF-α对OP的影响，但对于其他炎症因子，如IL-12、IL-23、IL-27对OP发生发展的影响机制尚不明确，待后续通过更为严谨的体外细胞或动物实验予以揭示。同时，可借助大样本回顾性临床研究予以探寻目前尚未关注到但有可能对OP发生发展有影响的炎症因子，并对其作用机制开展深入研究。

3.2.2延伸研究角度：目前大部分研究的关注角度仅为某一炎症因子对OP发生发展机制中的某一类骨细胞或某一条通路的影响，而多种炎症因子协同参与OP发生发展的机制及某一炎症因子对OP发生发展中相关信号通路、细胞因子表达量及基因多态性的综合研究尚较少，仍待开展更为深入且全面的研究。以IL-12为例，其于OP发生发展过程中，既可促进OC分化，亦可抑制OC分化，但何种效应更胜一筹暂不明确，如何调控IL-12于机体内浓度及部位分布更有利于延缓OP发生发展暂未可知，且此因子与IL-1、IL-6、IL-17及TNF-ɑ等诸因子的交互作用机制也尚待进一步深入研究。同时，各炎症因子在不同骨骼部位及不同骨质中的浓度分布也待后续细致研究予以揭示，以便更为明确各炎症因子在OP发生发展中的作用机制。另外，以IL-1为例，其对OC、OB及MSCs均可产生影响，则其对中间某一骨细胞的影响是否会干扰其对另两种细胞的作用也尚未可知，故各炎症因子对OP发生发展的全局整体调控机制仍尚待进一步深入研究。

3.2.3完善研究设计类型：目前有关炎性BM微环境对OP发生发展机制研究的设计类型，主要为基于动物模型或体外细胞的实验研究，此方向上开展的临床研究数量有限，且关注点局限，后续可进一步完善临床研究设计并增加临床研究数量，以期实现基础实验与临床研究间的相贯通，以临床研究设计类型为例，可开展大样本回顾性研究，通过检索既往病历资料建立OP患者炎症因子数据库，探寻炎症因子在OP人群中的全面表现；也可开展前瞻性研究，通过采用药物及饮食干预OP患者体内炎症因子表达，评估OP患者骨密度、血钙、血中维生素D含量等指标的改变。

4 小结

随着近些年来有关炎性BM微环境与OP间关联性研究不断深入，炎性BM微环境可干预机体成骨及破骨进程这一观点已逐渐被广泛接受并认同，相信伴随被研究炎症因子种类的不断拓展、研究角度的不断延伸及研究设计的不断完善，后续必能更为深入地揭示炎性BM微环境在OP发生发展中的作用机制，进而为OP的早期预防、早期诊断及早期治疗提供科学指导。