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骨免疫学研究进展

更新时间:2020-07-16 08:23点击:

骨免疫学(osteoimmunology)是一个交叉学科,研究范畴是免疫系统与骨骼系统之间的基本相互作用,其内容涵盖骨骼系统和免疫系统的诸多方面。在骨髓中两个系统的关键细胞直接相互作用,同时又通过转录因子、细胞因子及其受体等发生间接联系。骨组织构成了骨免疫系统。本文将从骨免疫学概念的产生与发展、骨免疫学的关键细胞和重要信号通路以及骨免疫系统的细胞因子等方面介绍骨免疫学的概况及研究进展。
 
一、骨免疫学概念的产生与发展
早在1970年,对免疫细胞源性破骨细胞激活因子的开创性研究结果证实了骨骼与免疫系统存在着密切联系。骨免疫学的命名用来强调两系统之间密切的相互作用,其概念在2000年前后出现。随着研究的不断深入,特别是对核因子κB受体活化因子/核因子 κB 受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor κB/receptor activator for nuclear factor κB ligand,RANK/RANKL)通路多种免疫功能的发现,极大促进了骨免疫学的进步,为诸多临床疾病的诊治开辟了新思路[1]。既往认为免疫系统通过T细胞、B细胞和巨噬细胞等对骨骼系统直接作用,或通过分泌细胞因子间接影响骨骼系统。近期也有研究者提出,骨免疫作用并不局限于免疫系统对骨代谢的单向影响,骨细胞也可以调节免疫系统,包括骨祖细胞在造血干细胞调节中的作用以及成骨细胞介导的骨与恶性肿瘤之间的动态相互作用,这些也引起了学者们的关注[2]。
 
二、骨免疫学的关键细胞
1.T细胞:
T细胞处于免疫反应的相对中心,由多能骨髓造血干细胞在胸腺分化成熟而来。T细胞分为3种亚型,分别是细胞毒性T细胞(cytotoxic T cell,Tc)、辅助性T细胞(helper T cell,Th)和调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)。其中Tc主要功能是摧毁病毒感染的宿主细胞,Th产生多种细胞因子,Treg阻止过度活化的免疫反应[3]。T细胞和骨生物学之间的联系很多,各亚型T细胞都能够影响骨细胞,受影响的主要是破骨细胞。其中,Th17和Treg细胞的作用尤为重要,它们的特征是表达白细胞介素(interleukin,IL)-17、IL-22、IL-26及干扰素-γ等细胞因子。这些细胞因子进一步诱导巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)、RANKL及肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)表达增加,同时增加破骨细胞前体中RANK的表达。所以,能够产生大量细胞因子的T细胞是破骨细胞成熟的强力诱导剂,在许多骨病发病机制中扮演重要角色[4]。
 
2.破骨细胞:
骨重建涉及诸多细胞分化及信号因子的相互作用,过程大致可分为3个阶段,包括起始、转换和终止阶段。其中,破骨细胞的分化是整个骨重建的开端。来源于单核巨噬细胞系统的破骨细胞,其分化依赖于M-CSF、RANKL以及免疫球蛋白样受体诱导的共刺激信号(如破骨细胞相关受体及髓样细胞触发受体)。激活这些受体会促使活化T细胞核因子1(nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1,NFATc1)表达,NFATc1是破骨细胞分化的主要转录因子[5]。抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)、降钙素受体、组织蛋白酶K、破骨细胞相关受体(osteoclast-associated receptors,OSCAR)、αVβ3整合素、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)9和树突状细胞特异性跨膜蛋白(dendritic cell-specific transmembrane protein,DC-STAMP)等细胞因子都可刺激多种破骨细胞特异性基因转录的发生[6]。破骨细胞可以分泌组织蛋白酶K,此种功能蛋白可以切割基质细胞衍生因子-1(stromal-derived factor-1,SDF1)、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)和干细胞因子(stem cell factor,SCF),使骨生态位失去造血干细胞结合位点,导致造血干细胞被动员到外周血循环中,不再保持静止。因此,破骨细胞的数量和活性需要严格调控,因为任何改变都可能导致造血干细胞的过度动员[5]。
 
3.成骨细胞:
成骨细胞可以产生类骨质,是骨形成的主要细胞。骨髓间充质细胞在胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)及转化生长因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)等细胞因子的刺激下,发生成骨细胞前体募集并增殖。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)及Wnt信号通路刺激成骨细胞进一步分化,而硬骨素及Wnt信号通路拮抗剂可以抑制这种分化。分化成熟的成骨细胞最终成为骨细胞[7]。成骨细胞有助于造血干细胞和B细胞的分化。在清除成骨细胞的小鼠中,因为缺乏Rag2基因导致淋巴祖细胞转化受阻,从而不能分化为成熟的B细胞。这种作用可能与成骨细胞分泌的对B细胞分化至关重要的2种重要因子IL-7和C-X-C基序趋化因子配体(C-X-C motif chemokine ligand, CXCL)12有关。
 
4.骨髓巨噬细胞:
与体内其他器官一样,骨和骨髓存在常驻巨噬细胞,包括骨髓巨噬细胞和骨巨噬细胞。骨巨噬细胞位于骨面,表型为小鼠含生长因子样模体粘液样激素样受体(mouse EGF-like module-containing mucin-like hormone receptor-like 1,EMR1,又称F4/80)阳性及TRAP阴性。最近的研究结果表明,在出生2 d的小鼠颅骨成骨细胞中可以检测到少量分化抗原簇为CD45+F4/80+的骨巨噬细胞[8]。这一巨噬细胞亚群与成骨细胞和巨核细胞合作,促进造血祖细胞和造血干细胞的功能。来自新生颅骨成骨细胞的高度纯化的CD45+F4/80+骨巨噬细胞可以分化为TRAP阳性的破骨细胞,起到促进骨吸收的作用[9]。
 
三、骨免疫学的重要信号通路
1.RANKL/RANK/OPG系统:
RANKL主要表达于2种关键细胞——T细胞和破骨细胞。RANKL的主要作用是通过结合RANK,促使前破骨细胞分化为成熟破骨细胞。破骨细胞的分化过程受到骨保护素(osteoprotegerin,OPG)的抑制。这是一个相互促进又相互制约的系统,在骨代谢过程中扮演重要角色。同时,RNAKL/RANK/OPG信号系统也是T细胞与破骨细胞相互联系的重要桥梁。破骨细胞的分化和成熟是骨重建的开端,是骨重建过程中非常关键的步骤。而RANKL/RANK轴在破骨细胞的分化和成熟过程中起重要作用,而这种促进破骨细胞成熟的作用可以被OPG抑制[10]。RANK是RANKL的受体,是一种被肿瘤坏死因子受体超家族成员11a(tumor necrosis factor receptor superfamily member 11a,TNFRSF11a)基因编码的Ⅰ型跨膜蛋白质,与配体结合后组装成功能性三聚体[11]。敲除TNFRSF11或TNFRSF11a基因的小鼠因缺乏破骨细胞表现为严重骨硬化,并伴有牙齿爆发性增长[12]。过度表达RANKL基因的小鼠因破骨细胞的增加出现骨密度持续降低。从进化角度而言,骨骼系统和免疫系统在同步发育过程中势必会共享许多分子,其中RANKL/RANK在骨骼系统的发育及获得性免疫系统的建立过程中均扮演重要角色[13]。淋巴细胞发育过程需要RNAKL/RANK参与;肠道中的RANKL有助于B细胞的募集以及一些生发中心的形成[14]。胸腺髓质上皮细胞(medullary thymic epithelial cells,MTECs)表达RANKL/RANK,是T细胞自身免疫耐受形成的必要通路[13]。树突状细胞是机体最为重要的抗原提呈细胞,RANKL能够以诱导转化生长因子β活化激酶1(transforming growth factor-β activated kinase 1,TAK1)依赖的方式促进树突状细胞的存活。存活的树突状细胞介导持续的免疫反应并使炎症加剧[15]。在多种自身免疫性疾病的发生和发展过程中,RANKL/RANK通路均有参与,例如,类风湿关节炎中活化T细胞所表达的RANKL能够触发破骨细胞分化从而导致骨质破坏[16]。
 
2.S1P-S1PR1信号通路:
多效性鞘磷脂代谢产物鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)及其同源受体鞘氨醇-1-磷酸受体-1(sphingosine-1-phosphate receptor 1,S1PR1)因其对免疫系统和骨重塑的调节作用而被认为是骨免疫学中的关键角色。S1P-S1PR1信号通路可在骨重塑过程中直接靶向调节破骨细胞的分化,同时,对适应性免疫细胞(T细胞亚群)和先天免疫细胞(巨噬细胞)的功能也有调节作用。S1P-S1PR1信号通路可能参与维持生理条件下的连续骨转换,同时导致炎症过程中骨畸形的发生[17]
 
四、骨免疫学的细胞因子
1.促进骨吸收的细胞因子:
这类细胞因子大多是通过增加破骨细胞活性导致骨质破坏,例如,IL-6、IL-17、IL-1和TNF等均直接或间接作用于破骨细胞[18]。有研究结果表明,非感染性炎性关节炎患者成纤维样滑膜细胞通过表达IL-6调节Th17细胞转录因子Foxp3的表达,而Foxp3可以诱导破骨细胞成熟[19]。TNF可以上调RANKL的表达,从而使更多破骨细胞被激活[20]。IL-17是Th17产生的一类细胞因子,参与类风湿关节炎、强直性脊柱炎及银屑病关节炎等诸多炎性关节炎的病理过程[21]。IL-17可以通过促进IL-6的产生介导炎症反应,还可以诱导树突状细胞或巨噬细胞分泌基质金属蛋白酶从而导致软骨破坏,同时还可以促进成骨细胞表达RANKL,从而激活破骨细胞,直接导致骨质破坏[20]。
 
2.抑制骨吸收的细胞因子:
这类细胞因子如干扰素γ、IL- 4和IL-13等,通过上调OPG抑制RANKL的形成,起到抑制骨质破坏、促进新骨形成的作用[18]。干扰素γ是抑制破骨细胞的细胞因子,能够阻止破骨细胞分化成熟,其机制是与RANK竞争性结合并诱导其降解[22]。IL- 4和IL-13可以通过信号传导和转录活化因子6(signal transducers and activators of transcription 6, STAT6)通路上调OPG表达,从而抑制骨破坏[23]。
 
3.炎性因子—干扰素-γ:
干扰素-γ在先天和适应性免疫反应以及炎症调节中起到关键作用。免疫系统的多种细胞(T细胞、B细胞、NK细胞、单核细胞或巨噬细胞以及树突状细胞)都可以产生干扰素-γ。在骨骼系统中,干扰素-γ既影响成骨细胞又影响破骨细胞。干扰素-γ增加成骨分化相关基因runt相关转录因子2(runt-related transcription factor 2,Runx2)和锌指结构转录因子Osterix成骨细胞分化基因的表达,敲除干扰素-γ受体可导致小鼠成骨细胞分化减少。有不少证据表明,干扰素-γ可以抑制破骨细胞分化。干扰素-γ通过降低受体c-Fms的表达来抵消M-CSF对破骨细胞前体的影响,最终导致RANK阳性的前破骨细胞减少。此外,干扰素-γ通过促进肿瘤坏死因子受体相关因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6)的降解抑制C-Jun氨基末端激酶(C-Jun NH2-terminal kinase,JNK )和核因子κB(nuclear factor kappa B,NFκB)的下游信号转导,同时通过激活Fas-FasL介导的死亡信号诱导破骨细胞凋亡[24]。
 
五、小结
目前,骨免疫学研究发展迅速。T细胞与破骨细胞关系的建立标志着骨免疫学的开端,RANKL/RANK/OPG信号通路是连接骨骼系统与免疫系统的重要纽带,多种细胞因子及受体通过调节破骨细胞和成骨细胞的功能参与骨代谢。骨免疫学涉及骨骼和免疫两大复杂系统,骨免疫学研究的进展将促进骨骼肌肉系统相关疾病的诊治。
 
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