IL-1与骨质疏松研究进展

颜廷鑫 王诗军 姜俊杰 赵宇驰

烟台市烟台山医院关节外科，山东 烟台 264003

骨质疏松症已经成为与衰老相关最重要的疾病之一。随着人均寿命的延长，骨质疏松逐渐成为全球范围的主要健康问题。骨质疏松患者骨骼力量降低，发生骨折风险大大增加。据文献报道，全世界范围每年发生骨质疏松骨折例数超过890万，平均每3秒发生一例骨质疏松骨折[1]。据世界骨质疏松协会最新的数据显示，年龄超过50岁人群中有1/3女性、1/5男性一生中可能经历一次骨质疏松骨折。女性发生率高的原因是由于绝经后雌激素水平的降低伴有骨吸收的增加[2-3]，然而，最近的研究显示，雌激素缺乏可能作用甚微[4]，免疫系统改变则可能是绝经后骨质疏松的重要因素，其参与方式主要通过细胞因子调节成骨细胞、破骨细胞的活性[5-6]。调节成骨细胞及破骨细胞的促炎因子，以及免疫系统的激活被认为是引起骨质疏松的危险因素[7-8]。白介素-1(IL-1)是免疫系统重要组成部分，作为强有力的破骨细胞刺激因子，在生理状态下以及炎症性疾病、绝经后全身性骨量丢失中均发挥着重要作用[9-11]。本综述就IL-1家族，IL-1对信号通路、细胞、动物模型骨代谢作用，以及IL-1抑制剂、拮抗剂及其衍生物对骨代谢的作用，作一简单综述。

1 IL-1β及其激活机制

IL-1家族包含11种亚型[12]，IL-1α、IL-1β、IL-1受体拮抗剂(IL-1Ra)在慢性炎症性疾病中发挥作用恒定。IL-1β激活需要两步骤，首先是细胞模式识别受体例如Toll样受体(TLRs)的激活，或细胞死亡后释放的警报素因子的释放，诱导IL-1β mRNA的转录及翻译，形成IL-1前体蛋白。随后，IL-1前体蛋白经过细胞内蛋白酶的切割，形成具有生物活性的IL-1β分子[13-14]。对IL-1β前体蛋白切割可通过两种机制实现，其一通常发生于单核细胞、巨噬细胞，依赖炎性复合体，通过caspase-1(早期被称为IL-1转换酶，ICE)实现。炎性复合体能够激活caspase-1，从而将无活性的IL-1β前体蛋白切割成活性IL-1β[15-16]；其二是中性粒细胞介导的IL-1β激活，该机制不依赖于caspase-1或炎性小体的激活，尽管中性粒细胞也能通过机制一激活IL-1。这些激活IL-1的蛋白酶，被称为不依赖于炎性复合体蛋白酶，包括来源于中性粒细胞的丝氨酸蛋白酶，特别是蛋白酶-3(也称为髓母细胞素)、中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶G、颗粒酶A，其他酶包括糜酶、胰凝乳蛋白酶、金属蛋白酶甲基多巴A亚族-α、甲基多巴A亚族-β。机制二能够保证在充满中性粒细胞的炎性组织中，IL-1β被强烈激活。依赖中性粒细胞介导的IL-1β释放在常见的炎症性疾病具有功能性作用，主要依赖于中性粒的迁移与聚集[17-19]。IL-1α存在细胞内并且能够结合在细胞膜上，例如上皮细胞，储存着大量的IL-1α。IL-1α并不是由细胞分泌，而是当细胞坏死后释放出来，例如当发生上皮损伤、心肌梗死、卒中、肿瘤衰变，以及急性肾衰竭时。因此，IL-α可以认为是一种警报分子，细胞一旦坏死，立即发挥作用，通过与IL-1R1结合，诱导IL-1β的激活以及如肿瘤坏死因子(TNF)、IL-6的产生启动炎症反应。然而在细胞凋亡时，IL-α移入细胞核内，该过程并不引起炎症[20]。

2 IL-1参与骨代谢

文献中提示一些关键性细胞因子如巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)[21]、IL-1[22]、NF-κB受体激活配体(RANKL)[23]、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)[24]调节破骨细胞的分化、激活以及存活。已有学者对IL-1在骨代谢方面的影响进行了详细的介绍[11]。在各种组织中，骨组织对IL-1最为敏感。20世纪80年代，文献已开始报道IL-1的强大骨吸收活性。与之相反的，IL-1受体拮抗剂，阻断了这种骨吸收作用[25]。IL-1不仅能够影响前列腺素E2(PGE2)的合成从而间接影响破骨细胞的形成，还可直接参与多核破骨细胞形成。如今已在成熟的破骨细胞表面发现了IL-1受体，提示IL-1可直接作用于破骨细胞[26]。IL-1通过与受体结合，激活细胞内多个信号通路，从而激活核因子-κB (NF-κB)，上调多种破骨因子的基因表达，例如PGE2、RANKL、基质金属蛋白酶等，甚至可通过自分泌增强自身作用[27-29]。有学者[10]认为IL-1是系统性炎症疾病骨量丢失的必要条件。TNF被认为是RA主要的参与因子，学者运用杂交技术，评估TNF对骨代谢的作用是否需要IL-1的参与，TNF过度表达能够直接引起RANKL表达升高，也能够促进间充质细胞表达IL-1以及IL-1受体，进而诱导RANKL表达并直接作用于破骨细胞使其表达NF-κB受体激活剂(RANK)，如果阻断IL-1的作用，TNF引起的骨破坏作用则明显减弱，提示IL-1在TNF诱导破骨细胞形成的过程中起重要的桥梁作用。事实上，实验室证据显示完全阻断IL-1β和TNFα的作用，会导致骨吸收的完全停止[30]。也有学者[9]认为，IL-1在非生理状态下，也能调节骨代谢，但并非是单纯的IL-1水平的升高，IL-1与IL-Ra的比值可能更有意义。通过IL-1基因敲除小鼠的实验，指出IL-1不仅能够通过刺激成骨细胞分泌RANKL，而且还能直接作用于骨髓内细胞来源的破骨细胞前体细胞，促进其向破骨细胞分化[9]。除了IL-1β本身对成骨细胞、破骨细胞的作用，IL-1β还能通过刺激局部骨组织释放成纤维细胞生长因子23(FGF23)入血，从而引起全身性的骨量丢失[31]。

此外，IL-1还可参与应力调节骨吸收过程的信号通路，从而影响骨代谢[32]。除了外周血中的IL-1发挥作用，IL-1还能通过中枢参与骨代谢的调节。IL-1能够通过IL-1-副交感系统-骨这一调节轴负向调节骨吸收，从而增加骨量的生成，这与外周血中IL-1作用相反[33]。

3 绝经后炎症状态的改变

骨质疏松因加快的骨重塑过程引起皮质骨骨小梁的吸收，引起骨密度的降低。80%的骨质疏松患者为女性患者，其明显的骨密度下降主要由于绝经期雌激素水平的降低[34]。然而最新的理论认为雌激素缺乏对骨代谢作用甚微，促炎因子例如IL-1β起重要作用[4]。动物实验证实，切除卵巢导致大鼠绝经可引起自发性促炎因子的升高，且与骨密度下降相关。给予IL-1受体拮抗剂能够增加骨密度[30]。缺乏IL-1功能性受体的大鼠绝经后能继续维持骨密度，而野生型大鼠绝经后的骨密度则明显降低，进一步证实IL-1β在雌激素缺乏引起骨量丢失过程中发挥着重要作用[35]。同样，在手术切除卵巢后的女性也发现外周血中IL-1β的释放量自发性的持续升高，且与骨密度降低相关，经过雌激素治疗后，IL-1β经过短暂的升高后又恢复到正常水平，证明IL-1β水平的增加与雌激素缺乏相关，而且在骨吸收过程中起重要作用[34,36]。此外，最新的文献研究正常绝经期后妇女BMD与体内炎性指标的关联性，相比于骨质正常的人群，骨质疏松患者体内的炎性指标C-反应蛋白(CRP)以及细胞因子干扰素α2(IFNα2)、IFN-γ、IL-12p70、IL-33明显升高，体内能够检测出IL-1β、IL-6的人群髋关节骨密度明显低于未检测出IL-1β、IL-6的人群。同样的，能够检测出IL-1β的绝经后女性腰椎骨密度也明显低于那些未检测出IL-β的人群[37]。这些研究结果充分提示IL-β在绝经期后骨质疏松过程中可能发挥着极其重要的作用。

4 抑制IL-1作用对骨代谢的影响

IL-1拮抗剂应用于临床并非用于治疗骨质疏松。类风湿性关节炎是应用IL-1拮抗剂第一种成功的疾病，也是临床使用治疗炎症性疾病的第一类药物。类风性关节炎患者滑膜以及滑液中发现高水平的IL-1β的表达。IL-1受体拮抗剂阿那白滞素在治疗类风湿性关节炎患者的过程中，发现了其对骨、软骨具有保护作用[38]。

大黄酸是存在于亚洲草本植物的蒽醌类化合物，大黄酸以及其衍生物被证实有众多医疗作用[39]。衍生物双醋瑞因，以其拮抗IL-1β的抗炎和软骨保护作用被应用于骨性关节炎的治疗[40]。双醋瑞因治疗骨性骨关节炎的机制：抑制IL-1的合成以及活性，既不影响巨噬细胞前列腺素的合成，也不刺激软骨细胞合成前列腺素。在骨性关节炎的软骨以及滑膜细胞中，双醋瑞因能够降低IL-1受体的数量，以及IL-1ß 转换酶(ICE，或者caspase-1)的数量[41]。其主要产物大黄酸，能够减弱IL-1ß诱导的金属蛋白酶激活、降低软骨细胞产生一氧化氮(NO)[42]。在骨性关节炎动物模型中，双醋瑞因对软骨基质的退变起保护作用[42-43]。有研究表明，双醋瑞因在治疗骨性关节炎时，能够对软骨下骨起保护作用，双醋瑞因以及大黄酸以剂量依赖性地减缓IL-1β诱导骨性关节炎软骨下骨产生金属基质蛋白酶(MMP)-13。而对于破骨细胞，他们能够显著减弱MMP-13、组织蛋白酶K的活性。双醋瑞因和大黄酸能够阻断IL-1β对破骨细胞分化的诱导、以及成熟的破骨细胞存活。大黄酸/双醋瑞因能够通过降低骨吸收因子的合成以及破骨细胞的生成从而影响骨性关节炎患者非正常软骨下骨的骨代谢[44]。双醋瑞因可显著抑制IL-1β诱导的骨吸收陷窝形成，并缩小骨陷窝的面积，除了能够抑制成骨细胞膜表达RANKL，还能促进OPG(骨保护素)表达，上调OPG/RANKL比例，这很有可能是双醋瑞因抑制IL-1β骨破坏的作用机制之一[45]。

鉴于雌激素缺乏可引起骨质疏松，有学者合成雌激素-大黄酸复合物，利用大黄酸对骨羟基灰石的高亲和性，该衍生物能够刺激OPG的分泌，抑制RANKL、IL-6的生成，发挥了大黄酸以及雌激素的复合作用，该混合物比雌激素抑制RANKL的作用更强[46]。

上海骨关节疾病研究所邓廉夫团队合成了多种大黄酸衍生物，其中酰胺类大黄酸衍生物(d6)对破骨细胞的形成以及破骨因子表达有显著的抑制作用，在RANKL诱导破骨细胞形成的过程中，该混合物可能是通过调节RANKL/RANK/NFATc1通路而发挥作用，负向调节破骨细胞的活性[47]。该团队还通过合成含硫的大黄酸衍生物-硫代酰胺大黄酸(RT)，运用硫化物对成骨细胞的保护及促增殖作用，发现RT能够在活体动物内抑制破骨细胞形成的同时，还能促进成骨细胞分化并抑制骨破坏，较大黄酸的抑制骨吸收能力更强，同时还能够改善骨的生物力学特性[48]。

此外，还有一些药物通过抑制IL-1的作用而发挥骨保护作用。IL-1能够诱导成骨细胞表达环氧化酶-2(COX-2)及膜结合性前列腺素E2 (PGE2)，促进成骨细胞分泌MMP-2、13，透明质酸则能够抑制IL-1这些作用。而且能够抑制NF-κB依赖性基因转录[49]。卞达明常用于解热、镇痛、抗炎。作为一种非甾体抗炎药物使用，抑制前列腺素的合成，能够抑制促炎因子的产生。卞达明可能通过下调IKK、ERK 和P38抑制NF-kB、AP-1(激活蛋白-1)，进而降低IL-1β 和 NFATc1(活化T细胞核因子1蛋白)的表达，抑制破骨细胞分化以及骨吸收[50]。

最新的文献研究表明，IL1RN(IL1受体拮抗剂)也可能直接参与骨质疏松中成骨细胞分化过程。IL-1RN不仅能够通过竞争性抑制IL-1与受体的结合从而中断IL-1下游信号通路诱导的破骨作用，还能够直接作用于ITGB3(整合素β3)，激活下游β-连环素信号通路，诱导成骨标志物的表达[51]。

综上所述，IL-1以其促进炎症反应、促进骨吸收作用参与了炎症性疾病、绝经后骨质疏松以及骨性关节炎等骨量丢失的病理过程，通过抑制IL-1的作用可缓解或逆转骨吸收的进展。但IL-1在众多病理过程中发挥何等程度作用并不明确。仅仅抑制IL-1的作用，并不能完全逆转雌激素缺乏引起的骨量丢失[30]。现如今，IL-1拮抗剂、IL-1受体拮抗剂抑制骨吸收的研究主要集中在细胞以及动物实验水平，并未有确切的临床效果及适用指症。IL-1、IL-33以及其他小分子蛋白已经被学者视为骨质疏松的预警分子，与其他预警分子的相互作用机制不甚明确，但抑制预警分子也许能够逆转或缓解骨质疏松进程[52]。双醋瑞因等IL-1抑制剂主要用于控制炎症性关节病，保护软骨及局部软骨下骨，抑制炎症反应，能否通过其抑制骨破坏的作用，用于全身性骨质疏松的治疗，仍需进一步的动物实验以及临床试验去证实。