免疫系統在不同類型骨質疏松癥的作用研究進展

李朝霞 張曉峰 徐西林 劉江燕

骨質疏松是一種炎癥性骨異常，主要特征是骨密度( bone mineral density，BMD ) 和骨機械強度降低，骨折發生率增加。這是一個日益嚴重的健康問題，是繼缺血性心臟病、癡呆和肺癌之后第四大負擔沉重的慢性疾病[1]。骨質疏松癥通?？煞譃閮深悾涸l性骨質疏松癥和繼發性骨質疏松癥。原發性骨質疏松癥是最常見的類別，進一步分為Ⅰ 型絕經后骨質疏松癥和 Ⅱ 型老年性骨質疏松癥。生理狀態下，成骨細胞介導的骨形成與破骨細胞介導的骨吸收處于動態平衡狀態稱為骨重塑[2]。骨重塑過程受到雌激素缺乏、衰老、疾病和藥物等因素的影響。骨質疏松癥的發生是由于骨重塑的平衡被打破，骨吸收增加造成骨質流失而導致的[3]。過去的研究建立了一個新的跨學科領域“骨免疫學”，以探索骨骼和免疫系統之間的復雜關系[4]。最近，越來越多的證據表明，先天性和適應性免疫細胞通過產生促炎介質促使骨質疏松癥發生。筆者將介紹免疫細胞與骨重塑之間的關系，從免疫細胞水平上分析不同類型骨質疏松癥的發病機制，為其提供特定的治療靶點。

一、骨重塑與免疫細胞

骨重塑過程包括三個連續階段：破骨細胞介導的吸收；衍生的成骨細胞被募集到骨吸收的位點；成骨細胞介導的形成[5]。因此，成骨細胞和破骨細胞是骨骼重塑的兩個主要參與者。成骨細胞和破骨細胞的活性由免疫細胞分泌的各種可溶性介質調節，包括細胞因子、趨化因子和生長因子[6]。多種促破骨和促成骨介質由影響骨細胞功能的先天性和適應性免疫細胞釋放。不同類型的骨細胞影響免疫細胞的活性，它們之間的相互作用形成復雜的骨微環境。

1. 先天免疫細胞：先天免疫細胞是對宿主內任何入侵病原體的主要反應者，并且是促炎介質的主要生產者，這些介質也是包括骨質疏松癥在內的各種骨骼病理發展的觸發點。巨噬細胞、中性粒細胞和肥大細胞通過產生各種炎癥介質進一步刺激骨質疏松癥的發展。

( 1 ) 巨噬細胞：巨噬細胞來源于破骨細胞等單核細胞譜系，通過識別和消除病原生物來執行免疫和穩態功能。巨噬細胞的重要功能是通過分泌炎癥介質和將抗原呈遞給 T 細胞來募集和激活其它免疫細胞。它們在炎癥期間浸潤組織，在不同的免疫微環境中形成兩種主要極化狀態：促炎 ( M1 ) 和抗炎 ( M2 ) 表型[7]。M1 巨噬細胞被脂多糖 ( lipopolysaccharide，LPS ) 單獨或伴有輔助性 T 細胞 1( helperTcell1，Th1 ) 細胞因子極化，并產生具有促炎作用的細胞因子白細胞介素-1β ( interleukin-1β，IL-1β )、IL-6、IL-12 和腫瘤壞死因子-α ( tumor necrosis factor-α，TNF-α )[8]。M1 巨噬細胞的主要作用是促進具有高水平活性氧 ( reactive oxygen species，ROS ) 和 TNF-α、IL-1β 的破骨細胞形成[9]。M2 巨噬細胞在 Th2 細胞因子的刺激下，通過分泌 IL-10 和轉化生長因子-β ( transforming growth factor-β，TGF-β ) 來發揮抗炎和免疫調節作用。巨噬細胞極化可能有助于成骨細胞分化、骨生成增加以及骨礦化。M1 巨噬細胞可以通過環氧合酶-2 ( cyclooxygenase-2，COX-2 ) - 前列腺素 E2 ( prostaglandin E2，PGE2 ) 途徑促進成骨細胞分化[10]。M2 巨噬細胞具有骨保護作用，通過分化為成熟的成骨細胞來刺激間充質干細胞 ( mesenchymal stem cell，MSC ) 和前體成骨細胞，從而促進骨礦化[11]。另一方面，M2 巨噬細胞具有很高的血管生成潛力，間接促進成骨。M2 巨噬細胞亞群參與凋亡細胞清除，有助于穩態骨更新。M1 / M2 巨噬細胞的可塑性和異質性使它們成為維持骨穩態的關鍵參與者。

( 2 ) 中性粒細胞：中性粒細胞是先天免疫反應的效應物，起源于骨髓中的造血前體，被募集到感染組織中，通過釋放蛋白酶和有毒酶來中和病原體。中性粒細胞在骨愈合的早期階段對骨形成具有保護功能。中性粒細胞可分泌許多促血管生成生長因子和成骨因子，如成纖維細胞生長因子-2 ( fibroblast growth factor 2，FGF-2 ) 、血小板衍生生長因子 ( platelet-derived growth factor，PDGF ) 和TGF-β[12]。Hajishengallis 等[13]認為中性粒細胞可以產生趨化因子來募集促炎細胞，如 Th17 細胞，并抑制 B 淋巴細胞，從而促使炎癥性骨質流失。研究表明活化的中性粒細胞分泌核因子-κB 受體活化因子配體 ( receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL )，有助于破骨細胞的形成和成熟[14]。因此，中性粒細胞可能是骨質疏松癥調節和表現中非常關鍵的參與者。

( 3 ) 肥大細胞：肥大細胞 ( mast cells，MCs ) 來源于骨髓中的造血干細胞，MCs 通過合酶和細胞因子等介質參與骨穩態的調節和骨病的發病。肥大細胞是第一個對入侵的外來實體做出反應的細胞，因為它們存在于組織邊界，可以通過 Toll 樣受體 ( Toll-like receptors，TLR ) 或補體系統等模式識別受體 ( pattern recognition receptor，PRR ) 被病原體相關分子模式 ( pathogen-associated molecular patterns，PAMP ) 激活。肥大細胞在其分泌顆粒中儲存多種預先形成的炎癥介質，包括組胺、TNF-α、IL-6 以及蛋白酶[15]。在關于類風濕關節炎患者 MCs 成骨功能的研究中，Kim等[16]發現 MCs 可以直接刺激破骨細胞的形成或間接產生破壞組織的細胞因子。臨床數據表明，絕經后骨質疏松患者骨髓中的肥大細胞數量增加[17]。

2. 適應性免疫細胞：先天免疫細胞提供了抵御各種病原體的第一道防線，在激活適應性免疫方面也起著至關重要的作用。適應性免疫系統提供了一種多功能的防御手段，并且在通過其記憶反應提供防止相同病原體再次感染的保護方面也起著至關重要的作用。淋巴細胞是適應性免疫系統的主要代表，主要由 B 淋巴細胞和 T 淋巴細胞組成。

( 1 ) T 淋巴細胞 ( T 細胞 )：T 細胞起源于骨髓，主要在胸腺成熟，包括兩個突出的細胞家族：CD4 ( 輔助 ) 和CD8 ( 細胞毒性 ) 組。CD4+T 細胞通過表面受體和分泌細胞因子與其它免疫細胞相互作用，以增加或減少其激活狀態[18]。T 細胞是適應性免疫系統的關鍵介質，在調節骨骼健康方面起著重要作用。根據其細胞因子表達，CD4+T 細胞分為不同的亞群，T 細胞進一步細分為 Th1、Th2、Th9、Th17、Th22 和調節性 T 細胞 ( regulatory T cell，Treg細胞 )[19]。Th1、Th2、Th17 和 Treg 細胞從 Th0 細胞分化為主要效應細胞。Th1 細胞參與細胞介導的對局部炎癥的反應，它們可以分泌主要作用于巨噬細胞以發揮促炎作用的細胞因子。在 IL-12 的誘導下，Th1 細胞產生干擾素-γ( interferon gamma，IFN-γ ) 和 TNF-α，并可以刺激巨噬細胞向 M1 表型極化。由于 IFN-γ 的作用，Th1 細胞可能在破骨形成中發揮雙重作用，IFN-γ 增加泛素連接酶 ( TNF receptor-associated factors，TRAF6 ) 的降解，抑制破骨細胞的形成，又在破骨細胞形成后期促進破骨細胞成熟[20]?；罨?T 淋巴細胞是 TNF-α 和 RANKL 的主要來源，在各種病理狀態和炎癥期間影響骨代謝。據報道，TNF-α 通過增加 RANKL 的表達來增加成骨細胞凋亡并促進破骨細胞形成[21]。Th2 細胞參與體液免疫過程并協助激活 B 細胞，B 細胞起抗炎作用。此外，Th2 細胞的特征在于產生IL-4、IL-5 和 IL-13 來抑制破骨細胞形成，它們還參與巨噬細胞極化到 M2 表型[22]。Th17 細胞通過分泌 IL-1、IL-17、IL-22 和 TNF-α 促炎細胞因子來促進破骨細胞形成[23]。IL-17 可以抑制骨形態發生蛋白 2 ( bone morphogenetic protion-2，BMP-2 ) 誘導的成骨細胞分化，并通過體外核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白 3 ( NOD-like receptor protein 3，NLRP3 ) 炎癥小體途徑誘導成骨細胞焦亡[24]。最近的研究表明，IL-17 可以促進小鼠的成骨細胞分化，進而促進骨再生和重塑[25]。Treg 細胞是具有廣泛免疫抑制和免疫調節作用的細胞亞群，其產生的抗炎細胞因子，包括 IL-10 和 TGF-β，可以抑制體內許多免疫細胞的過度活化和增殖，削弱炎癥反應，維持免疫系統的穩定性。Treg 細胞可以通過表達細胞毒性 T 淋巴細胞相關抗原-4( cytotoxic T lymphocyte associated antigen-4，CTLA-4 ) 去除破骨細胞前體表面的 CD80 / CD86，直接抑制破骨細胞的成熟[23]。Th1 / Th2 和 Th17 / Treg 細胞的平衡對于維持生理狀態下的骨穩態至關重要。一旦致病因素導致 Th1 / Th2和 Th17 / Treg 細胞平衡紊亂，骨重塑過程受到影響，骨質疏松即會發生。

CD8+T 細胞通過分泌各種抗破骨細胞因子來抑制破骨細胞的形成和活性。CD8+T 細胞不僅調節破骨細胞的形成，還通過抑制破骨細胞肌動蛋白環的形成影響破骨細胞成熟[26]。CD8+T 細胞的數量減少或功能下降會導致骨質流失增加，從而導致骨質疏松癥。

( 2 ) B 淋巴細胞 ( B 細胞 )：B 細胞來源于骨髓中的多能干細胞，在受到抗原刺激后，分化成漿細胞產生抗體，在血液循環中起免疫清除作用。作為抗原呈遞細胞，B 細胞可以直接激活 T 細胞和巨噬細胞，從而起到免疫調節作用[27]。B 細胞也是骨保護素 ( osteoprotegerin，OPG ) 的主要來源，B 細胞可以通過產生 RANKL 來調節破骨細胞形成[28]。此外，B 細胞的作用受 T 細胞亞群的影響。當被Th1 細胞因子激活時，B 細胞可以抑制破骨細胞形成，但在 Th2 細胞因子的刺激下，B 細胞促進破骨細胞形成[29]。但最近的一項研究發現，B 細胞通過激活細胞外信號調節激酶 ( extracellular regulating kinase，ERK ) 和核因子-κB( nuclear factor kappa-B，NF-κB ) 信號通路來抑制成骨細胞分化，從而抑制骨形成[30]。免疫系統和骨骼系統之間存在密不可分的聯系，因此在探索疾病機制或制訂治療策略時，必須考慮這兩個系統相互依存的概念。

二、絕經后骨質疏松癥

絕經后骨質疏松癥 ( postmenopausal osteoporo-sis，PMOP ) 在原發性骨質疏松癥中很普遍，經典理論將雌激素缺乏定義為 PMOP 的主要致病因素。絕經后雌激素水平下降會導致骨重塑的平衡被打破，骨吸收增加，進而造成骨質流失并最終導致 PMOP[31]。雌激素可以直接影響骨細胞，增加 MSCs 的成骨分化和成骨細胞成熟，從而促進骨形成；還可以抑制破骨細胞形成并誘導破骨細胞凋亡，從而限制骨吸收。當雌激素在女性體內不足時，這些骨合成代謝和抗破骨細胞作用會降低，導致持續的骨破壞。此外雌激素還和免疫細胞相互作用，導致雌激素缺乏下的慢性低度促炎表型。絕經后患者表現出炎癥細胞因子水平升高，包括 IL-1β、IL-6 和 TNF-α[32]。卵巢切除術( ovariectomy，OVX ) 動物實驗表明，雌激素缺乏使 M1 極化增強，M2 極化受損。此外，在 RANKL 存在下，M2巨噬細胞可以在沒有雌激素保護的情況下分化成破骨細胞[33]。這是通過巨噬細胞上的雌激素受體 α 信號轉導介導的。絕經后女性中性粒細胞與淋巴細胞比值增加，與BMD 低有關[34]。體外研究表明，雌激素可以影響中性粒細胞活性、趨化性、細胞凋亡以及 ROS 和一氧化氮 ( NO )的產生[35]。綜上，中性粒細胞數量、活性和功能受到雌激素的影響。研究表明肥大細胞在雌激素缺乏時會刺激破骨細胞形成，增加破骨細胞數量[36]。同時在組胺缺乏和阻斷組胺受體 H1 的大鼠中發現破骨細胞活性降低，骨含量增加，因此可以使用抗組胺化合物來抑制破骨細胞活性[37]。Treg 細胞在 PMOP 發展中具有骨保護作用，PMOP 患者的Treg 細胞會失去免疫抑制功能并轉化為 Th17 細胞[38]。在雌激素缺乏的情況下，T 細胞和骨髓中 B 細胞數量增加，活化的 T 細胞、B 細胞通過產生 RANKL 促進破骨細胞形成，加速骨質流失[39]。研究發現雌激素的缺乏導致腸道Th17 和 TNF + T 細胞通過鞘氨醇-1-磷酸 ( sphingosine-1-phosphate，S1P ) 介導的機制從腸道排出，隨后通過趨化受體因子 3 ( CXC-chemokine receptor 3，CXCR3 ) 和趨化因子配體 20 [ chemokine ( C-C motif ) ligand 20，CCL-20 ] 增加它們向骨髓的遷移[40]。一項研究表明，腸道 Th17 細胞的遷移阻斷也可以作為骨質疏松癥的有效治療策略[41]。

三、老年性骨質疏松癥

老年性骨質疏松癥是一種低骨轉換疾病。免疫細胞的衰老，一方面促進間充質細胞分化為脂肪細胞，抑制間充質細胞分化為成骨細胞；另一方面促進破骨細胞形成。最近的一項研究發現，衰老的大鼠和小鼠的巨噬細胞和中性粒細胞積聚在骨髓中，衰老巨噬細胞和中性粒細胞通過促進骨髓間充質基質細胞脂肪生成來抑制成骨[42]。除了直接抑制成骨外，衰老的免疫細胞還有助于慢性炎癥的發生，從而導致炎癥性骨吸收[43]。M1、M2 巨噬細胞極化平衡有利于老年小鼠的促炎 M1 極化表型[44]。衰老小鼠中增加的中性粒細胞通過在衰老過程中釋放 TNF-α 來促進慢性炎癥[45]。此外，隨著人體衰老，T 細胞的功能受損，免疫平衡被破壞，導致低水平的持續慢性炎癥，最終導致骨質流失。同時，B 細胞的數量和功能也受到極大的影響，有文獻報道，在老年骨髓微環境中觀察到 B 細胞顯著減少[46]。

四、糖尿病性骨質疏松癥

糖尿病性骨質疏松癥是一種繼發于糖尿病的骨質疏松癥。臨床數據顯示，中國 2 型糖尿病 ( diabetes mellitus type 2，T2DM ) 患者骨質疏松癥患病率為 37.8%，是非糖尿病患者的 4～5 倍[47]。糖尿病性骨質疏松癥一直是糖尿病最常見的并發癥之一，嚴重影響患者的生活質量。目前的研究指出，葡萄糖 / 胰島素代謝的損害，晚期糖基化終產物 ( advanced glycation end products，AGEs ) 的積累，骨微血管系統不足和肌肉內分泌功能的改變都可能與糖尿病骨質疏松癥的發展有關[48]。隨著對糖尿病免疫病理機制研究的深入，免疫細胞的改變被認為是近年來糖尿病骨質疏松癥發展的重要因素。高血糖導致免疫細胞數量和功能的改變，促進破骨細胞形成和抑制成骨細胞分化，導致糖尿病骨質疏松癥的發展。Zhang 等[9]發現在高葡萄糖環境中，產生過量 ROS 會導致巨噬細胞向 M1 巨噬細胞極化。ROS 是激活促炎信號通路的重要介質，例如絲裂原活化蛋白激酶 ( mitogen-activated protein kinase，MAPK )、信號轉導器和轉錄激活因子 1 ( signal transducer and activator of transcription 1，STAT1 )，信號轉導器、STAT6 和 NF-κB 信號轉導，可以干擾巨噬細胞分化[49]。過量的葡萄糖可以改變能量代謝，例如糖酵解和線粒體功能障礙增加，產生ROS[50]。此外，Hu 等[51]發現高血糖介導的長非編碼 RNA GAS5 變化會影響巨噬細胞極化。中性粒細胞的功能在高葡萄糖條件下受損，導致慢性炎癥[52]。同樣高血糖可以誘導促炎 Th1 和 Th17 細胞的擴增，并減少 Treg 細胞的數量。B 細胞作為一種必需的抗原呈遞細胞，通過調節 T 細胞功能來促進 T2DM 的炎癥。Sakowicz-Burkiewicz 等[53]的研究表明，高血糖癥會損害 B 細胞的功能，減少免疫球蛋白的產生，導致體液免疫反應的功能障礙。

五、治療藥物中的免疫系統

目前，各種藥物正被用于治療骨質疏松癥。這些治療劑進一步分為兩類：通過抑制破骨細胞 ( osteoclast cells，OCs ) 活性來減少骨吸收的抗吸收藥物，通過刺激成骨細胞 ( osteoblast cells，OBs ) 功能增強骨形成的骨合成代謝化合物?？乖傥账幬锇ǖ刂Z單抗、雙膦酸鹽( bisphosphonates，BPs )、激素、降鈣素、維生素 D 和鈣補充劑。骨合成代謝藥物包括雷奈酸鍶、特立帕肽和最近可用的羅莫珠單抗。BPs 是骨質疏松癥的一線療法。BPs 包括阿侖膦酸鈉、利塞膦酸鈉、伊班膦酸和唑來膦酸，可降低 PMOP 導致椎體骨折的風險。除了對破骨細胞活性的抑制作用，它還表現出免疫調節潛力，其中 BPs 治療降低了 PMOP 患者的 IL-6、IL-17、IL-23 和 IFN-γ 細胞因子水平，同時還誘導 IL-4、IL-10、TGF-β 細胞因子顯著增強[54]。綜上，BPs 可能通過調節其標志性細胞因子來影響調節性 B 細胞 ( regulatory B cells，Breg ) / Treg / Th17 的平衡。Denosumab 是一種人單克隆抗體，可阻止 RANKL 與其 RANK 受體在 OCs 前體上相互作用，從而抑制 OCs 的成熟和功能活性。除 OCs 前體外，RANK 受體也在單核細胞、巨噬細胞和 DCs 上表達；RANKL 在免疫系統的發展中起著至關重要的作用，這構成了在地諾單抗治療患者中觀察到嚴重感染風險增加的原因。特立帕肽是甲狀旁腺激素 ( parathyroid hormone，PTH ) 的重組片段，具有強大的骨合成代謝潛力，除了通過 OBs 誘導骨形成外，還導致小鼠和人類 Treg 細胞數量增加 2～3 倍[55]。這些研究進一步強調了免疫系統在維持骨骼穩態方面的重要性。

六、結論

綜上所述，筆者主要探討了先天性和適應性免疫細胞在不同病理條件下如何影響骨重塑過程，為骨質疏松癥提供了新的見解。免疫細胞在雌激素缺乏、免疫衰老和糖尿病等不同致病因素影響下發揮著多種作用。許多免疫細胞被證明通過包括 OPG / RANKL，炎癥細胞因子 ( 如 IL-6和 TNF-α ) 以及免疫細胞分泌的其它介質在內的因子直接或間接影響骨細胞。IL-6 可以通過增加 RANKL 的表達來誘導 OCs 分化，也可以通過調節 NF-κB 途徑直接抑制破骨形成，在骨代謝平衡中發揮著至關重要的作用。MSC 通過細胞接觸依賴性或旁分泌機制調節免疫應答，誘導巨噬細胞從 M1 到 M2 表型的轉變，巨噬細胞向 M2 表型的極化可誘導成骨細胞分化并增加骨礦化。免疫細胞也調節OCs、OBs、MSC 等骨效應細胞，導致骨分解代謝和骨合成代謝反應選擇性地與松質骨或密質骨結合。當骨折發生時，血腫形成的同時釋放大量炎癥因子，中性粒細胞、巨噬細胞、T 細胞、B 細胞等免疫細胞在骨折發生后相繼進入到骨再生微環境中，促進成骨細胞與破骨細胞分化、增殖并調節其功能。

骨免疫學作為一個獨立的現代生物學領域，其發展為開發抑制各種炎癥性骨病的新策略提供了新的期望。由于免疫系統失調導致的骨重塑缺陷使各種骨骼疾病有所增加。通過調節或干擾不同的炎癥途徑，直接抑制破骨細胞的形成和恢復成骨細胞的功能，為治療炎癥性骨質流失提供一種替代和有益的方法。