磨損顆粒誘導的假體周圍骨溶解相關免疫學研究進展

彭 鋰 宋科官

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磨損顆粒誘導的假體周圍骨溶解相關免疫學研究進展

彭 鋰 宋科官

本文綜述了磨損顆粒誘導的假體周圍骨溶解的相關免疫學研究現狀。 筆者廣泛查閱了近年國內外與磨損顆粒誘導的假體周圍骨溶解相關免疫學研究的相關文獻，進行總結分析后發現，在固有免疫應答反應和適應性免疫應答反應中，磨損顆?？梢酝ㄟ^Toll樣受體途徑、NALP3途徑激活和募集假體周圍的巨噬細胞、破骨細胞、淋巴細胞等，并且使這些細胞釋放一系列細胞因子發生從而加速骨溶解的發生。固有免疫和適應性免疫應答均在磨損顆粒誘導的假體周圍骨溶解過程中發揮了重要作用，這為假體周圍骨溶解的機制提供了更廣泛的思路，也為今后的免疫學方面的治療提供了依據。

固有免疫 適應性免疫 骨溶解

無菌性松動引起的假體周圍骨溶解是全髖關節置換術后最嚴重的并發癥之一，因假體磨損而產生的磨損顆粒引起的骨-假體平面間的炎性反應是引起無菌性松動的主要因素[1]。這種炎性反應是由磨損顆粒作用于固有免疫細胞即巨噬細胞所導致的。有文獻表明，磨損顆粒也可以引起適應性免疫反應，有些學者將其稱為“金屬過敏”。但是，經大量研究證實，這種炎性反應主要是由巨噬細胞參與的固有免疫反應所導致的，在這個過程中DAMP和PAMP共同作為第一信使誘導了這種有多種細胞因子參與的炎性反應[2]。

一、固有免疫

1.巨噬細胞：研究表明，巨噬細胞是松動的假體周圍最初聚集于有炎性反應位置的細胞之一[3]。從髖關節翻修患者手術部位取得的假膜組織經切片觀察后可以發現大量吞噬了磨損顆粒的巨噬細胞[4]。巨噬細胞吞噬顆粒后會產生一系列促炎性因子從而影響假體周圍的其他細胞[5]。因此，由于磨損顆粒具有生物學活性并且會引起固有免疫應答，所以磨損顆粒的數量、外形、生產率和抗原性等都對骨溶解發生的程度和時間都有重要意義[6,7]。這些促炎性因子包括IL-1α、 IL-1β、 IL-6、 IL-10、 IL-11、 IL-15、TNF-α、 TGF-β、 GM-CSF、 M-CSF和VEGF。一些更加微小的、未被報道過的細胞因子很有可能也參與了這一炎性反應過程。這些炎性因子的復雜相互作用關系至今尚未被完全闡明。M-CSF等可以直接刺激破骨細胞形成，IL-1、 IL-6、TNF-α可以影響成骨細胞等其他細胞從而間接激活破骨細胞并且刺激巨噬細胞釋放更多的細胞因子。GM-CSF可以參與多核巨細胞的形成，多核巨細胞的功能與破骨細胞相似。

由巨噬細胞、成纖維細胞、和成骨細胞分泌的趨化因子同樣是固有免疫對磨損顆粒的重要應答產物之一[8,9]。在假體發生無菌性松動的過程中，這些由巨噬細胞和骨髓間充質干細胞分泌的趨化因子如IL-8、 MCP-1、 MIP-1α、 CCL17/TARC、 CCL22/MDC等的表達量會在磨損顆粒的刺激下增加。在這些趨化因子的作用下，巨噬細胞和破骨細胞會向假體周圍遷移從而加速骨溶解的發生。MCP-1、 MIP1 (CCL-2)、 MIP-1α (CCL3)等趨化因子表達量的增加已經在從發生假體松動的患者的假體周圍取得的組織中和在不同種類磨損顆粒刺激下的體外培養的巨噬細胞分子生物學分析中得到了證實[10]。與MIP-1α由巨噬細胞分泌不同，在鈦顆粒和PMMA顆粒的刺激下成纖維細胞也會分泌更多的MCP-1。應用UHMWPE和PMMA顆粒負荷下的小鼠模型體外實驗表明，CCR2受體基因敲除或CCR2受體被拮抗后，巨噬細胞遷移明顯受到抑制，阻斷CCR1或CCR2能抑制體外實驗中骨髓間充質干細胞的遷移，阻斷破骨細胞和人成骨細胞的CCL17/TARC和CCL22/MDC及其在破骨細胞前體的同源性受體CCR4會降低破骨細胞前體向骨-假體界面的遷移量[11]。

2.破骨細胞:破骨細胞在骨溶解相關的固有免疫應答過程中發揮了極其重要的作用，它是主要的骨吸收細胞，這一作用主要是由激動RANK-RANKL-OPG通路實現的，RANK-RANKL-OPG通路可以激活一系列的下級信號轉導途徑從而激活破骨細胞，但是無論在病理過程中還是在正常狀態下，這一通路都會和其他通路相互作用從而調整骨動態平衡[12]。研究發現RANK/OPG的比率與骨溶解相關，因此研究者普遍認為RANK/OPG比率升高可導致骨溶解的發生[12]。同時研究表明，RANKL于RANK結合后可激活該通路，但RANKL主要不是由破骨細胞分泌的，這個觀點主要由3個方面證實：①對骨溶解患者假體周圍界膜的組織學檢測中發現中RANKL表達升高，同時界膜組織內有大量巨噬細胞、白細胞和成纖維細胞聚集；②OPG或RANK拮抗劑RANK-Fc與RANKL結合，或敲除RANK基因后可以阻止磨損顆粒誘導的骨溶解的發生；③利用聚乙烯或金屬磨損顆粒構建小鼠骨溶解模型后發現，RANK/OPG比率升高，磨損顆?？纱龠M局部成纖維細胞、成骨細胞表達RANKL。研究結果提示，磨損顆粒通過調節RANK/OPG比率促進破骨細胞產生和調節破骨細胞的活性。巨噬細胞被磨損顆粒激活后可以釋放一系列細胞因子，其中TNF-α在骨溶解過程中發揮了重要作用，有文獻報道TNF-α可以不依賴RANK-RANKL-OPG途徑而促進破骨細胞分化和成熟[13]。

在磨損顆粒的刺激下，破骨細胞會表達一些標志物如抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)和玻連蛋白受體(VNR)，這些標志物會使巨噬細胞定植與骨與軟組織界面上而不會在軟組織與假體界面上。盡管有文獻報道稱巨噬細胞也可以表達這些標志物并進行骨吸收[14]。但是因為它們數量上相對較少并且其個體發育需要破骨細胞的參與，所以巨噬細胞在對假體周圍骨破壞的作用上比破骨細胞小很多，因此，破骨細胞是主要的破壞假體周圍骨組織的細胞。

3.Toll樣受體通路：TLR是一組結構上高度保守的跨膜受體，可作為信號轉導受體。TLR家族的每一個亞型都可以被不同的刺激物激動并針對這一類型的抗原激活免疫反應。例如， TRL2可以介導被鈷鎳合金、聚乙烯等無機物引起的炎性反應。TLR包含的Toll/IL-1受體(IL-1R)(TIR)結構域會啟動炎性信號轉導級聯。被激活的TLR會募集銜接蛋白如髓樣分化因子(MyD88)，Toll/IL-1受體結構域銜接蛋白(TIRAP)，信號分子Trif及Trifold相關銜接分子(TRAM)。MyD88繼而募集IL-1R相關激酶(IRAK-1)和IRAK-4從而使IRAK-1發生IRAK-4依賴的磷酸化。磷酸化的IRAK-1將信號轉導給腫瘤壞死因子受體相關因子6(TRAF-6)銜接蛋白。TRAF-6接下來通過TAK-1依賴的途徑激活IKK復合體，后者被激活后使IκB去磷酸化釋放出NF-κB(P50/P65)。 NF-κB由胞質進入胞核誘導一系列免疫反應相關基因表達[15]。TRL信號轉導也可不依賴MyD88而通過TRIF進行，如TLR3信號轉導途徑就只通過TRIF6作為銜接蛋白進行。盡管是否依賴MyD88作為銜接蛋白都可以激活NF-κB進行核轉運，但研究表明，骨溶解過程中發揮作用的主要是TLR4和TLR2，在磨損顆粒的刺激下這兩個通路主要通過MyD88作為銜接蛋白進行信號轉導[16]。其中TLR4主要被LPS激動而TLR2則被不含LPS的磨損顆粒激動。

4.NALP3通路：NALP3是一種存在于巨噬細胞胞漿中的受體蛋白，其主要功能是介導促炎性因子前體裂解為可從巨噬細胞分泌出的成熟體。近幾年有文獻報道了NALP3炎性體參與了在磨損顆粒誘導的假體周圍骨溶解過程。NALP3被磨損顆粒激活后發生構象改變而后通過和PYD的相互作用與其銜接蛋白ASC16結合，由此形成的復合體通過CARD結構域募集caspase-1前體[17,18]。然后caspase-1前體裂解成為具有活性的caspase-1，caspase-1可以使促炎性因子如IL-1β、IL-18前體等成熟從而發揮促炎性作用，加快骨溶解過程。已有文獻證實抑制caspase功能后骨溶解顯著受到抑制[19]。

二、適應性免疫

淋巴細胞在“金屬過敏”的過程中發揮了重要作用。許多研究在假體周圍的組織中發現了T型和B型淋巴細胞。與磨損顆粒誘導的免疫反應相關的T細胞亞型主要是是輔助T細胞(TH)而不是Tc或Ts細胞。在參與適應性免疫的TH細胞中，TH1細胞占主導地位，因為研究發現了大量由TH1誘導的細胞因子如IFN-γ和IL-2，此外，相對少量的IL-17、fractalkine趨化因子和CD40也說明TH17可能參與其中。有研究者認為，TH細胞可以募集巨噬細胞，所以如IFN-γ、IL-2和TNF-α表達量的增加并不能說明TH1細胞參與了骨溶解相關的適應性免疫過程。但是經過對組織學的mRNA檢測后確定這些由TH1細胞分泌的細胞因子的表達量的確增加了[20]。進一步研究表明，巨噬細胞和淋巴細胞可以通過共同的受體和細胞因子如IL-15、IL-15R和IL-2、IL-2R而相互作用。這些TH細胞參與的反應被認為是Ⅳ型遲發型超敏反應(DTH)。對磨損顆粒的遲發型超敏反應是一種由細胞介導的慢速適應性免疫應答。金屬抗原敏感化并激活DTH相關的T細胞，使其釋放多種細胞因子而募集激活的巨噬細胞，如釋放MCAF促進單核細胞趨化向發生DTH的部位，IFN-γ和TNF-β作用于內皮細胞而促進巨噬細胞等遷移，MIF使巨噬細胞定殖在發生DTH的部位。被激活的巨噬細胞會表達更多的第2型主要組織相容性復合體(class Ⅱ MHC)和IL-2，從而激活更多的DTH相關T細胞，這些DTH反應相關T細胞又會激活和募集更多的巨噬細胞，這樣就使得假體周圍的炎性反應愈加嚴重。這種不間斷的DTH反應會造成廣泛的組織損傷從而導致假體的提前松動，淋巴細胞轉化試驗和皮膚過敏試驗是唯一可以預測和診斷個體是否會發生針對磨損顆粒的廣泛免疫反應的途徑。

三、展 望

綜上所述，固有免疫和適應性免疫均在磨損顆粒誘導的假體周圍骨溶解過程中起到了重要作用，Toll樣受體通路和NALP3通路均參與了相關的信號轉導，巨噬細胞、破骨細胞、淋巴細胞等及其釋放的粗言行因子和趨化因子縮短了關節假體的使用年限。近年來雖然有研究通過抑制免疫反應過程中的重要因子、蛋白，如TLR拮抗劑及MyDD8基因敲除等在抑制骨溶解方面取得了一定效果，但具體機制有待于進一步研究，這也會成為未來的一個主要研究方向。

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(修回日期：2015-02-20)

國家自然科學基金資助項目(81170386)

150001 哈爾濱醫科大學附屬第一臨床醫學院骨外科

R684

A DOI 10.11969/j.issn.1673-548X.2015.10.004

2014-12-22)