强直性脊柱炎骨化机制的研究进展

杨静 田雪梅 雷海桃 吕建春 宁义菲

【摘 要】 强直性脊柱炎是一种主要影响中轴关节的遗传性关节炎，中晚期可能会发生中轴关节的骨化，导致脊柱关节的强直与畸形。遗传基因、炎症、生物力学与强直性脊柱炎骨化的发生机制关系密切，且三者可能相互影响，共同促进骨化的发生。回顾近年来对强直性脊柱炎骨化的研究，发现遗传基因的异常表达可激活骨化通路，进而改变相关骨细胞正常的生理代谢过程，导致骨形成过度；而炎症与骨化是否为2个独立过程虽尚无定论，但一般认为骨与关节附着点的炎症可能加剧了骨化进程；生物力学的异常负荷则会增加相关骨与关节的微损伤，加快炎症进展与软骨骨化。因此，进一步认识强直性脊柱炎骨化的机制，从异常的骨化基因、炎症、生物力学等多角度综合解读强直性脊柱炎患者复杂的骨化机制有望成为未来强直性脊柱炎防治的关键。

【关键词】 强直性脊柱炎；骨化；遗传基因；炎症；生物力学；研究进展；综述

强直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）是一种主要影响中轴关节的遗传性关节炎，其发病与人类白细胞抗原B27（HLA-B27）密切相关［1］。主要临床表现为炎性腰背痛，外周关节、肌肉附着点的炎症以及骨赘形成，持续的炎症使AS患者的非钙化组织继发纤维化和钙化，脊柱由下而上逐渐丧失柔软度，甚至会发展到像“竹节”一样无法弯曲，这种在AS患者中轴关节发生的新骨形成现象被称为骨化。我国AS患病率为0.20%～0.42%，患者HLA-B27阳性率为88.8%～89.4%［2］。除遗传易感外，AS还与环境如地理位置、吸烟、感染以及肠道微生物等因素相关［2-4］。本病病理特征主要为慢性炎症、骨质破坏以及骨化，既往研究多关注炎症所引起的早期炎性症状，治疗也以抗炎为主，而对于后期由于骨化累及脊柱、骶髂关节形成骨赘或骨桥，导致患者致畸甚至致残的研究较少。骨化作为AS重要的病理进程，是影响预后及患者生活质量的关键因素，随着生物医学技术的不断进步和患者对高质量生活的现实要求，仅控制炎症与疼痛已不能满足患者的需求。如何进一步控制骨化的发生与发展，防治因骨桥形成导致的残疾，提高患者的远期生存质量成为当前亟需解决的问题。基于此，为了进一步明确骨化发生机制与其他生物学过程的相关性，本文将从骨化基因的异常表达、炎症与骨化的关系，以及生物力学对骨化的作用3个方面进行论述。

1 骨化基因的异常表达

AS发病与基因密切相关，90%的AS患者HLA-B27呈阳性。HLA-B27家族具有高度遗传多态性，由328个等位基因和231个蛋白质亚型组成，范围从HLA-B27：01到HLA-B27：232，并与AS发病密切相关［2］。虽然HLA-B27与AS易感性明显相关，但CORTES等［5］选取1537例AS患者，使用改良的Stoke强直性脊柱炎脊柱评分（mSASSS）通过颈腰椎的侧位X线片评估放射学严重程度并进行基因分型，研究影像学损伤严重程度的遗传关联，结果并未观察到影像学严重程度与HLA-B27之间的关联。KIM等［6］通过一项横断面调查研究368例HLA-B27阳性AS患者，根据HLA-B27阳性的携带状态进行分层，评估在2个不同时间点收集的临床和放射学参数与组间放射学进展，其结果证明HLA-B27阳性在AS的影像学进展中未发挥作用。以上结果显示，HLA-B27与骨化放射成像严重程度、疾病活动度和功能障碍指标并无确切关联，而是有其他相关AS易感基因或位点在AS骨化过程中发挥作用。

1.1 鼠进行性强直蛋白人類同源物（ANKH） ANKH是小鼠ANK基因的人类同源物，有492个碱基对，是一种多通道跨膜蛋白，可将细胞内焦磷酸盐（PPI）运输到细胞外环，抑制细胞外PPI的积累和矿化。ANKH一旦发生变异会使细胞外PPI水平降低，导致羟基磷灰石结晶形成，引起骨化。实验研究表明，小鼠ANK的抑制通常使细胞外PPI水平过高，使小鼠脊柱僵硬，表现出与人类AS的矿化和骨骼强直症状相类似的表现［7］。而miR-17-5p可以通过直接靶向抑制ANKH基因调节骨化，减少成纤维细胞在AS进展中分化为成骨细胞，减少骨化，缓解骶髂关节炎［8］。Wnt/β-catenin信号传导诱导间充质干细胞分化，正常的ANKH通过抑制Wnt/β-catenin信号通路，降低成纤维细胞活力，提高细胞凋亡水平，阻断间充质干细胞向成骨细胞分化进程，从而抑制成纤维细胞的活力、矿化和骨化，若ANKH异常表达，则作用可能正好相反［9］。

1.2 PTGER4 PTGER4基因编码的蛋白质是G蛋白偶联受体家族的成员，位于染色体5p13.1上，编码产生前列腺素E2（PGE2）受体的E型前列腺素受体4（EP4）亚基，可诱导谷氨酰胺合成酶（GS）介导的腺苷酸环化酶的活化以及随后细胞内胞内环磷酸腺苷的增加，EP4是4种E型前列腺素（EP）受体之一，可激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信号通路，导致糖原合酶激酶-3的磷酸化，EP4受体的信号传导增加可影响成骨细胞和破骨细胞活

性［10-11］。实验研究证实，EP4受体激动剂可以增强培养的鼠颅骨成骨细胞的分化，PGE2 EP4A还增加了骨钙素mRNA水平的表达，增强成骨细胞分化作用［12］，也可以增强家兔腰椎融合模型中骨形态发生蛋白（BMP）-2的骨诱导活性进而加快脊柱融合［13］。在环氧合酶-2（COX-2）基因敲除小鼠实验中，小鼠骨折愈合显著受损，EP4受体可促进骨折愈合，显示了PTGER4在成骨细胞活性中的重要性，而非甾体抗炎药可降低EP4受体的活性，展示其可能对AS具有抗骨化的能力［14］。

1.3 微小RNA（miRNA） miRNA是一种长度为20～22 bp的高度保守的小分子非编码RNA，通过与信使RNA（mRNA）中的3'-末端翻译区域结合调节其稳定性，并通过识别同源序列和干扰转录，翻译或表观遗传过程控制基因表达［15］。Dickkopf-1（DKK-1）是一种分泌蛋白，可阻断Wnt信号向胞内的传递，控制成骨细胞的分化，Wnt蛋白与DKK-1之间的平衡共同维持着骨代谢的稳态，而miR-29a可作为AS的特异性miRNA下调DKK-1表达，通过促进Wnt信号传导促进成骨细胞分化［16］，与之相反，miR-204-5p通过靶向调节Notch2信号通路抑制AS韧带成纤维细胞中Runt相关转录因子2和骨钙素的表达，可中止成纤维细胞向成骨分化的过程［17］。其他研究也证实miRNA可通过影响成骨通路（wnt/β-catenin及BMP/Smads信号通路）与破骨相关机制（破骨细胞）等方面影响AS骨化的发生［18］。

2 炎症与骨化的相互作用

上述多种骨形成相关基因的异常表达，提示AS不仅仅是与脊柱、关节相关的炎性疾病，同时也是一种骨代谢异常性疾病。通常观念会认为炎症会继发钙化和骨形成，并伴有骨质破坏，使脊柱融合，柔韧性丧失而导致强直，但研究表明，包括非甾体抗炎药、肿瘤坏死因子（TNF）抑制剂和白细胞介素（IL）-17抑制剂在内的抗炎治疗并不会减缓AS的影像学骨化进展［19-20］。炎症与骨化的关系仍存在不同的观点，主要是炎症继发骨化与炎症与骨化过程相对独立两个观点的争论，值得进一步探讨。

2.1 炎症影响骨化 传统学术观点认为，AS进程中炎症会影响骨代谢过程，导致成骨细胞与破骨细胞的紊乱，进而引发骨质疏松与骨化。YU等［21］研究证实，AS肌肉附着点炎症导致纤维软骨周围淋巴细胞浸润，使滑膜关节与软骨结合处过度至新骨形成。IL-22在AS患者的关节和组织中升高，可在炎症发生背景下诱导成骨细胞分化和新骨形成［22］。相关影像学研究也证明，AS患者中炎症与新骨形成虽并不完全一致，但MRI成像显示在发生炎癥的锥体边缘更易出现骨硬化或者骨赘形成，抑制脊柱炎症和骨质结构损伤［23］。研究发现，炎症可以促进骨诱导蛋白（Wnt蛋白）的表达，激活Wnt/β-catenin信号通路，使骨突关节强直和脊柱韧带钙化，间接引导附着点处的病理性新骨形

成［24］。SIEPER等［25］在先前研究的基础上将AS骨化的发生归结为以下3步：①骨与关节出现急性炎症；②炎症使软骨和骨发生侵蚀性结构破坏，导致骨质缺损，疏松的纤维修复性组织填充骨缺损病灶；③病灶中的修复组织骨化，韧带骨赘形成。这些情况尤其发生在残留少量炎症的组织中，MRI研究亦表明，炎症侵犯部位骨沉积频率高于没有炎症的区域［26］。上述研究均表明，炎症影响骨化的发生，但随着对骨化相关机制了解的深入，越来越多的研究结果表明，炎症继发骨化的观点并不能完全解释骨化的复杂形成机制。

2.2 炎症与骨化过程相对独立 随着骨化与炎症相关性的研究日益深入，研究者发现炎症与骨化并不是直接的因果关系，而是相对独立、互相影响的关系。有研究者观察AS患者经TNF-α治疗后，在随访中发现无论是否出现炎性症状，椎骨边缘都会形成轻重不一的骨赘，TNF-α抑制剂对延缓AS的影像学进展没有显著影响［27］。利用HLA-B27/人β2m双转基因大鼠模型所产生的脊柱关节炎，研究发现骨破坏和骨增殖的存在并不支持炎症消退后修复性重塑［28］。且在运用TNF抑制剂治疗AS患者的研究中，发现早期开始TNF抑制治疗会减缓AS患者的骨化进展，但晚期运用的患者则获益不大，甚至产生相反的作用，提示骨化的发生不仅仅与炎症有因果关系，而且有更深层次的机制影响［29］。以上研究均表明炎症与新骨的形成是相对独立的甚至是同时进行的。基于此，研究者继续探索炎症与骨化之间的关系，分别提出了“附着点应激假说”和“TNF制动学说”。附着点应激假说将肌肉附着点处的微损伤或细胞应激看作疾病的启动开关，进而激活BMP信号通路，使促炎因子急剧增加，引发肌肉附着点炎症，也可由BMP和Wnt信号通路介导而激活间充质干细胞，发生软骨内骨化，促进新骨形成，本学说认为炎症与骨化在分子机制上是独立且同时发生的，早期抑制炎症并不能减轻后续的骨化［30］。“TNF制动学说”则认为TNF-α拮抗剂可以有效抑制DKK-1的表达和破骨细胞的活化及Wnt信号通路和其他生长因子的激活，促进成骨细胞的形成活化，增加新骨的形成，表明TNF-α很可能是抑制新骨形成的一个“分子闸”，而阻断TNF-α不能抑制起止点处新骨形成的发生，提示炎症与骨化在一定程度上是两个独立的过程［31-32］。

3 生物力学对骨化的作用

AS骨化最常发生的部位在骶髂关节和脊柱关节，而这些轴向关节既承受体重带来的压力，又要在身体活动时保持骨盆和躯干的平衡，承受肌腱和韧带顺应其长度拉伸产生张力以及扭转腰背时产生的剪切应力，而肌筋膜组织附着在这些关节上，允许被动和主动张力的传递，提供稳定的支持并帮助控制运动，是重要的生物力学应力部位［33］。当AS患者持续受到相关机械应力影响时，椎体曲度异常，骨盆为保持平衡发生挛缩，膝关节代偿性屈曲，使人体重心前移，长期轴向超负荷会增加骶髂关节和脊柱关节的微损伤，易导致无菌性滑膜炎，加快关节破坏和晚期软骨骨化［34］。研究发现，体力工作型AS患者中，机械应力放大了轴向炎症，并可能对骨骼的形成产生单独的影响，从而加快患者的畸形［35］。低负荷治疗研究表明，通过上调miR-103的表达，抑制机械信号通路并抑制参与骨形成的经典Wnt/β-catenin通路，延缓AS小鼠附着点炎的骨化，证实机械负荷与骨化呈正相关［36］。

究其原因，有学者提出“先天性轴向肌筋膜肌张力过高假说”，轴向肌筋膜张力是一种先天性多态性状，独立于中枢神经系统控制，对稳定平衡有重要贡献。而轴向肌肉紧张，轴向肌筋膜张力过高被假设为一种潜在的过度多态性状，也被称为“弓弦征”，能使慢性生物力学过载，放大肌腱部位的应力［37-38］。另外一些研究者将新骨形成归因为炎症，最初的生物力学负荷可能诱导炎症的发作，从而导致骨质流失。不稳定的骨质又成为新的生物力学压力，进而迫使机体为保持稳定启动骨化机制，促进骨形成［39］。综上，生物力学对骨化具有放大与激活的作用，并为AS患者骨化机制提供了一个解释，但对于生物力学与炎症和新骨形成的关系及机制仍有待研究。

4 小 结

综上所述，不同研究者从多个角度阐述AS骨化的相关机制，发现骨化的发生与遗传基因的异常表达、肌肉附着点炎症以及生物力学关系密切。遗传基因的异常表达激活骨化通路，改变相关骨细胞正常的生理代谢过程，导致过度骨形成，而炎症与骨化是否为两个独立过程虽尚无定论，但骨与关节附着点的炎症可能加剧了骨化进程，生物力学的异常负荷则会增加相关骨与关节的微损伤，加快炎症进展与软骨骨化。然而，目前对于AS骨化研究仍然存在许多问题，一方面，AS并非单基因疾病，在全基因组关联研究中仍然不断发现新的易感基因，而现阶段对于导致骨化基因的研究仍是冰山一角，有限的基因图谱阻碍了下游相关信号通路及分子机制的研究；另一方面，炎症与骨化的关系有极大争议，骨化通路是否与炎症通路或其他理化机制如生物力学之间相关仍然不清楚。这些都提示要从异常的骨化基因以及多角度综合解读AS患者复杂的骨化机制。

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收稿日期：2023-03-15；修回日期：2023-04-27