免疫系统在不同类型骨质疏松症的作用研究进展

李朝霞 张晓峰 徐西林 刘江燕

骨质疏松是一种炎症性骨异常，主要特征是骨密度( bone mineral density，BMD ) 和骨机械强度降低，骨折发生率增加。这是一个日益严重的健康问题，是继缺血性心脏病、痴呆和肺癌之后第四大负担沉重的慢性疾病[1]。骨质疏松症通常可分为两类：原发性骨质疏松症和继发性骨质疏松症。原发性骨质疏松症是最常见的类别，进一步分为Ⅰ 型绝经后骨质疏松症和 Ⅱ 型老年性骨质疏松症。生理状态下，成骨细胞介导的骨形成与破骨细胞介导的骨吸收处于动态平衡状态称为骨重塑[2]。骨重塑过程受到雌激素缺乏、衰老、疾病和药物等因素的影响。骨质疏松症的发生是由于骨重塑的平衡被打破，骨吸收增加造成骨质流失而导致的[3]。过去的研究建立了一个新的跨学科领域“骨免疫学”，以探索骨骼和免疫系统之间的复杂关系[4]。最近，越来越多的证据表明，先天性和适应性免疫细胞通过产生促炎介质促使骨质疏松症发生。笔者将介绍免疫细胞与骨重塑之间的关系，从免疫细胞水平上分析不同类型骨质疏松症的发病机制，为其提供特定的治疗靶点。

一、骨重塑与免疫细胞

骨重塑过程包括三个连续阶段：破骨细胞介导的吸收；衍生的成骨细胞被募集到骨吸收的位点；成骨细胞介导的形成[5]。因此，成骨细胞和破骨细胞是骨骼重塑的两个主要参与者。成骨细胞和破骨细胞的活性由免疫细胞分泌的各种可溶性介质调节，包括细胞因子、趋化因子和生长因子[6]。多种促破骨和促成骨介质由影响骨细胞功能的先天性和适应性免疫细胞释放。不同类型的骨细胞影响免疫细胞的活性，它们之间的相互作用形成复杂的骨微环境。

1. 先天免疫细胞：先天免疫细胞是对宿主内任何入侵病原体的主要反应者，并且是促炎介质的主要生产者，这些介质也是包括骨质疏松症在内的各种骨骼病理发展的触发点。巨噬细胞、中性粒细胞和肥大细胞通过产生各种炎症介质进一步刺激骨质疏松症的发展。

( 1 ) 巨噬细胞：巨噬细胞来源于破骨细胞等单核细胞谱系，通过识别和消除病原生物来执行免疫和稳态功能。巨噬细胞的重要功能是通过分泌炎症介质和将抗原呈递给 T 细胞来募集和激活其它免疫细胞。它们在炎症期间浸润组织，在不同的免疫微环境中形成两种主要极化状态：促炎 ( M1 ) 和抗炎 ( M2 ) 表型[7]。M1 巨噬细胞被脂多糖 ( lipopolysaccharide，LPS ) 单独或伴有辅助性 T 细胞 1( helperTcell1，Th1 ) 细胞因子极化，并产生具有促炎作用的细胞因子白细胞介素-1β ( interleukin-1β，IL-1β )、IL-6、IL-12 和肿瘤坏死因子-α ( tumor necrosis factor-α，TNF-α )[8]。M1 巨噬细胞的主要作用是促进具有高水平活性氧 ( reactive oxygen species，ROS ) 和 TNF-α、IL-1β 的破骨细胞形成[9]。M2 巨噬细胞在 Th2 细胞因子的刺激下，通过分泌 IL-10 和转化生长因子-β ( transforming growth factor-β，TGF-β ) 来发挥抗炎和免疫调节作用。巨噬细胞极化可能有助于成骨细胞分化、骨生成增加以及骨矿化。M1 巨噬细胞可以通过环氧合酶-2 ( cyclooxygenase-2，COX-2 ) - 前列腺素 E2 ( prostaglandin E2，PGE2 ) 途径促进成骨细胞分化[10]。M2 巨噬细胞具有骨保护作用，通过分化为成熟的成骨细胞来刺激间充质干细胞 ( mesenchymal stem cell，MSC ) 和前体成骨细胞，从而促进骨矿化[11]。另一方面，M2 巨噬细胞具有很高的血管生成潜力，间接促进成骨。M2 巨噬细胞亚群参与凋亡细胞清除，有助于稳态骨更新。M1 / M2 巨噬细胞的可塑性和异质性使它们成为维持骨稳态的关键参与者。

( 2 ) 中性粒细胞：中性粒细胞是先天免疫反应的效应物，起源于骨髓中的造血前体，被募集到感染组织中，通过释放蛋白酶和有毒酶来中和病原体。中性粒细胞在骨愈合的早期阶段对骨形成具有保护功能。中性粒细胞可分泌许多促血管生成生长因子和成骨因子，如成纤维细胞生长因子-2 ( fibroblast growth factor 2，FGF-2 ) 、血小板衍生生长因子 ( platelet-derived growth factor，PDGF ) 和TGF-β[12]。Hajishengallis 等[13]认为中性粒细胞可以产生趋化因子来募集促炎细胞，如 Th17 细胞，并抑制 B 淋巴细胞，从而促使炎症性骨质流失。研究表明活化的中性粒细胞分泌核因子-κB 受体活化因子配体 ( receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL )，有助于破骨细胞的形成和成熟[14]。因此，中性粒细胞可能是骨质疏松症调节和表现中非常关键的参与者。

( 3 ) 肥大细胞：肥大细胞 ( mast cells，MCs ) 来源于骨髓中的造血干细胞，MCs 通过合酶和细胞因子等介质参与骨稳态的调节和骨病的发病。肥大细胞是第一个对入侵的外来实体做出反应的细胞，因为它们存在于组织边界，可以通过 Toll 样受体 ( Toll-like receptors，TLR ) 或补体系统等模式识别受体 ( pattern recognition receptor，PRR ) 被病原体相关分子模式 ( pathogen-associated molecular patterns，PAMP ) 激活。肥大细胞在其分泌颗粒中储存多种预先形成的炎症介质，包括组胺、TNF-α、IL-6 以及蛋白酶[15]。在关于类风湿关节炎患者 MCs 成骨功能的研究中，Kim等[16]发现 MCs 可以直接刺激破骨细胞的形成或间接产生破坏组织的细胞因子。临床数据表明，绝经后骨质疏松患者骨髓中的肥大细胞数量增加[17]。

2. 适应性免疫细胞：先天免疫细胞提供了抵御各种病原体的第一道防线，在激活适应性免疫方面也起着至关重要的作用。适应性免疫系统提供了一种多功能的防御手段，并且在通过其记忆反应提供防止相同病原体再次感染的保护方面也起着至关重要的作用。淋巴细胞是适应性免疫系统的主要代表，主要由 B 淋巴细胞和 T 淋巴细胞组成。

( 1 ) T 淋巴细胞 ( T 细胞 )：T 细胞起源于骨髓，主要在胸腺成熟，包括两个突出的细胞家族：CD4 ( 辅助 ) 和CD8 ( 细胞毒性 ) 组。CD4+T 细胞通过表面受体和分泌细胞因子与其它免疫细胞相互作用，以增加或减少其激活状态[18]。T 细胞是适应性免疫系统的关键介质，在调节骨骼健康方面起着重要作用。根据其细胞因子表达，CD4+T 细胞分为不同的亚群，T 细胞进一步细分为 Th1、Th2、Th9、Th17、Th22 和调节性 T 细胞 ( regulatory T cell，Treg细胞 )[19]。Th1、Th2、Th17 和 Treg 细胞从 Th0 细胞分化为主要效应细胞。Th1 细胞参与细胞介导的对局部炎症的反应，它们可以分泌主要作用于巨噬细胞以发挥促炎作用的细胞因子。在 IL-12 的诱导下，Th1 细胞产生干扰素-γ( interferon gamma，IFN-γ ) 和 TNF-α，并可以刺激巨噬细胞向 M1 表型极化。由于 IFN-γ 的作用，Th1 细胞可能在破骨形成中发挥双重作用，IFN-γ 增加泛素连接酶 ( TNF receptor-associated factors，TRAF6 ) 的降解，抑制破骨细胞的形成，又在破骨细胞形成后期促进破骨细胞成熟[20]。活化的 T 淋巴细胞是 TNF-α 和 RANKL 的主要来源，在各种病理状态和炎症期间影响骨代谢。据报道，TNF-α 通过增加 RANKL 的表达来增加成骨细胞凋亡并促进破骨细胞形成[21]。Th2 细胞参与体液免疫过程并协助激活 B 细胞，B 细胞起抗炎作用。此外，Th2 细胞的特征在于产生IL-4、IL-5 和 IL-13 来抑制破骨细胞形成，它们还参与巨噬细胞极化到 M2 表型[22]。Th17 细胞通过分泌 IL-1、IL-17、IL-22 和 TNF-α 促炎细胞因子来促进破骨细胞形成[23]。IL-17 可以抑制骨形态发生蛋白 2 ( bone morphogenetic protion-2，BMP-2 ) 诱导的成骨细胞分化，并通过体外核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白 3 ( NOD-like receptor protein 3，NLRP3 ) 炎症小体途径诱导成骨细胞焦亡[24]。最近的研究表明，IL-17 可以促进小鼠的成骨细胞分化，进而促进骨再生和重塑[25]。Treg 细胞是具有广泛免疫抑制和免疫调节作用的细胞亚群，其产生的抗炎细胞因子，包括 IL-10 和 TGF-β，可以抑制体内许多免疫细胞的过度活化和增殖，削弱炎症反应，维持免疫系统的稳定性。Treg 细胞可以通过表达细胞毒性 T 淋巴细胞相关抗原-4( cytotoxic T lymphocyte associated antigen-4，CTLA-4 ) 去除破骨细胞前体表面的 CD80 / CD86，直接抑制破骨细胞的成熟[23]。Th1 / Th2 和 Th17 / Treg 细胞的平衡对于维持生理状态下的骨稳态至关重要。一旦致病因素导致 Th1 / Th2和 Th17 / Treg 细胞平衡紊乱，骨重塑过程受到影响，骨质疏松即会发生。

CD8+T 细胞通过分泌各种抗破骨细胞因子来抑制破骨细胞的形成和活性。CD8+T 细胞不仅调节破骨细胞的形成，还通过抑制破骨细胞肌动蛋白环的形成影响破骨细胞成熟[26]。CD8+T 细胞的数量减少或功能下降会导致骨质流失增加，从而导致骨质疏松症。

( 2 ) B 淋巴细胞 ( B 细胞 )：B 细胞来源于骨髓中的多能干细胞，在受到抗原刺激后，分化成浆细胞产生抗体，在血液循环中起免疫清除作用。作为抗原呈递细胞，B 细胞可以直接激活 T 细胞和巨噬细胞，从而起到免疫调节作用[27]。B 细胞也是骨保护素 ( osteoprotegerin，OPG ) 的主要来源，B 细胞可以通过产生 RANKL 来调节破骨细胞形成[28]。此外，B 细胞的作用受 T 细胞亚群的影响。当被Th1 细胞因子激活时，B 细胞可以抑制破骨细胞形成，但在 Th2 细胞因子的刺激下，B 细胞促进破骨细胞形成[29]。但最近的一项研究发现，B 细胞通过激活细胞外信号调节激酶 ( extracellular regulating kinase，ERK ) 和核因子-κB( nuclear factor kappa-B，NF-κB ) 信号通路来抑制成骨细胞分化，从而抑制骨形成[30]。免疫系统和骨骼系统之间存在密不可分的联系，因此在探索疾病机制或制订治疗策略时，必须考虑这两个系统相互依存的概念。

二、绝经后骨质疏松症

绝经后骨质疏松症 ( postmenopausal osteoporo-sis，PMOP ) 在原发性骨质疏松症中很普遍，经典理论将雌激素缺乏定义为 PMOP 的主要致病因素。绝经后雌激素水平下降会导致骨重塑的平衡被打破，骨吸收增加，进而造成骨质流失并最终导致 PMOP[31]。雌激素可以直接影响骨细胞，增加 MSCs 的成骨分化和成骨细胞成熟，从而促进骨形成；还可以抑制破骨细胞形成并诱导破骨细胞凋亡，从而限制骨吸收。当雌激素在女性体内不足时，这些骨合成代谢和抗破骨细胞作用会降低，导致持续的骨破坏。此外雌激素还和免疫细胞相互作用，导致雌激素缺乏下的慢性低度促炎表型。绝经后患者表现出炎症细胞因子水平升高，包括 IL-1β、IL-6 和 TNF-α[32]。卵巢切除术( ovariectomy，OVX ) 动物实验表明，雌激素缺乏使 M1 极化增强，M2 极化受损。此外，在 RANKL 存在下，M2巨噬细胞可以在没有雌激素保护的情况下分化成破骨细胞[33]。这是通过巨噬细胞上的雌激素受体 α 信号转导介导的。绝经后女性中性粒细胞与淋巴细胞比值增加，与BMD 低有关[34]。体外研究表明，雌激素可以影响中性粒细胞活性、趋化性、细胞凋亡以及 ROS 和一氧化氮 ( NO )的产生[35]。综上，中性粒细胞数量、活性和功能受到雌激素的影响。研究表明肥大细胞在雌激素缺乏时会刺激破骨细胞形成，增加破骨细胞数量[36]。同时在组胺缺乏和阻断组胺受体 H1 的大鼠中发现破骨细胞活性降低，骨含量增加，因此可以使用抗组胺化合物来抑制破骨细胞活性[37]。Treg 细胞在 PMOP 发展中具有骨保护作用，PMOP 患者的Treg 细胞会失去免疫抑制功能并转化为 Th17 细胞[38]。在雌激素缺乏的情况下，T 细胞和骨髓中 B 细胞数量增加，活化的 T 细胞、B 细胞通过产生 RANKL 促进破骨细胞形成，加速骨质流失[39]。研究发现雌激素的缺乏导致肠道Th17 和 TNF + T 细胞通过鞘氨醇-1-磷酸 ( sphingosine-1-phosphate，S1P ) 介导的机制从肠道排出，随后通过趋化受体因子 3 ( CXC-chemokine receptor 3，CXCR3 ) 和趋化因子配体 20 [ chemokine ( C-C motif ) ligand 20，CCL-20 ] 增加它们向骨髓的迁移[40]。一项研究表明，肠道 Th17 细胞的迁移阻断也可以作为骨质疏松症的有效治疗策略[41]。

三、老年性骨质疏松症

老年性骨质疏松症是一种低骨转换疾病。免疫细胞的衰老，一方面促进间充质细胞分化为脂肪细胞，抑制间充质细胞分化为成骨细胞；另一方面促进破骨细胞形成。最近的一项研究发现，衰老的大鼠和小鼠的巨噬细胞和中性粒细胞积聚在骨髓中，衰老巨噬细胞和中性粒细胞通过促进骨髓间充质基质细胞脂肪生成来抑制成骨[42]。除了直接抑制成骨外，衰老的免疫细胞还有助于慢性炎症的发生，从而导致炎症性骨吸收[43]。M1、M2 巨噬细胞极化平衡有利于老年小鼠的促炎 M1 极化表型[44]。衰老小鼠中增加的中性粒细胞通过在衰老过程中释放 TNF-α 来促进慢性炎症[45]。此外，随着人体衰老，T 细胞的功能受损，免疫平衡被破坏，导致低水平的持续慢性炎症，最终导致骨质流失。同时，B 细胞的数量和功能也受到极大的影响，有文献报道，在老年骨髓微环境中观察到 B 细胞显著减少[46]。

四、糖尿病性骨质疏松症

糖尿病性骨质疏松症是一种继发于糖尿病的骨质疏松症。临床数据显示，中国 2 型糖尿病 ( diabetes mellitus type 2，T2DM ) 患者骨质疏松症患病率为 37.8%，是非糖尿病患者的 4～5 倍[47]。糖尿病性骨质疏松症一直是糖尿病最常见的并发症之一，严重影响患者的生活质量。目前的研究指出，葡萄糖 / 胰岛素代谢的损害，晚期糖基化终产物 ( advanced glycation end products，AGEs ) 的积累，骨微血管系统不足和肌肉内分泌功能的改变都可能与糖尿病骨质疏松症的发展有关[48]。随着对糖尿病免疫病理机制研究的深入，免疫细胞的改变被认为是近年来糖尿病骨质疏松症发展的重要因素。高血糖导致免疫细胞数量和功能的改变，促进破骨细胞形成和抑制成骨细胞分化，导致糖尿病骨质疏松症的发展。Zhang 等[9]发现在高葡萄糖环境中，产生过量 ROS 会导致巨噬细胞向 M1 巨噬细胞极化。ROS 是激活促炎信号通路的重要介质，例如丝裂原活化蛋白激酶 ( mitogen-activated protein kinase，MAPK )、信号转导器和转录激活因子 1 ( signal transducer and activator of transcription 1，STAT1 )，信号转导器、STAT6 和 NF-κB 信号转导，可以干扰巨噬细胞分化[49]。过量的葡萄糖可以改变能量代谢，例如糖酵解和线粒体功能障碍增加，产生ROS[50]。此外，Hu 等[51]发现高血糖介导的长非编码 RNA GAS5 变化会影响巨噬细胞极化。中性粒细胞的功能在高葡萄糖条件下受损，导致慢性炎症[52]。同样高血糖可以诱导促炎 Th1 和 Th17 细胞的扩增，并减少 Treg 细胞的数量。B 细胞作为一种必需的抗原呈递细胞，通过调节 T 细胞功能来促进 T2DM 的炎症。Sakowicz-Burkiewicz 等[53]的研究表明，高血糖症会损害 B 细胞的功能，减少免疫球蛋白的产生，导致体液免疫反应的功能障碍。

五、治疗药物中的免疫系统

目前，各种药物正被用于治疗骨质疏松症。这些治疗剂进一步分为两类：通过抑制破骨细胞 ( osteoclast cells，OCs ) 活性来减少骨吸收的抗吸收药物，通过刺激成骨细胞 ( osteoblast cells，OBs ) 功能增强骨形成的骨合成代谢化合物。抗再吸收药物包括地诺单抗、双膦酸盐( bisphosphonates，BPs )、激素、降钙素、维生素 D 和钙补充剂。骨合成代谢药物包括雷奈酸锶、特立帕肽和最近可用的罗莫珠单抗。BPs 是骨质疏松症的一线疗法。BPs 包括阿仑膦酸钠、利塞膦酸钠、伊班膦酸和唑来膦酸，可降低 PMOP 导致椎体骨折的风险。除了对破骨细胞活性的抑制作用，它还表现出免疫调节潜力，其中 BPs 治疗降低了 PMOP 患者的 IL-6、IL-17、IL-23 和 IFN-γ 细胞因子水平，同时还诱导 IL-4、IL-10、TGF-β 细胞因子显著增强[54]。综上，BPs 可能通过调节其标志性细胞因子来影响调节性 B 细胞 ( regulatory B cells，Breg ) / Treg / Th17 的平衡。Denosumab 是一种人单克隆抗体，可阻止 RANKL 与其 RANK 受体在 OCs 前体上相互作用，从而抑制 OCs 的成熟和功能活性。除 OCs 前体外，RANK 受体也在单核细胞、巨噬细胞和 DCs 上表达；RANKL 在免疫系统的发展中起着至关重要的作用，这构成了在地诺单抗治疗患者中观察到严重感染风险增加的原因。特立帕肽是甲状旁腺激素 ( parathyroid hormone，PTH ) 的重组片段，具有强大的骨合成代谢潜力，除了通过 OBs 诱导骨形成外，还导致小鼠和人类 Treg 细胞数量增加 2～3 倍[55]。这些研究进一步强调了免疫系统在维持骨骼稳态方面的重要性。

六、结论

综上所述，笔者主要探讨了先天性和适应性免疫细胞在不同病理条件下如何影响骨重塑过程，为骨质疏松症提供了新的见解。免疫细胞在雌激素缺乏、免疫衰老和糖尿病等不同致病因素影响下发挥着多种作用。许多免疫细胞被证明通过包括 OPG / RANKL，炎症细胞因子 ( 如 IL-6和 TNF-α ) 以及免疫细胞分泌的其它介质在内的因子直接或间接影响骨细胞。IL-6 可以通过增加 RANKL 的表达来诱导 OCs 分化，也可以通过调节 NF-κB 途径直接抑制破骨形成，在骨代谢平衡中发挥着至关重要的作用。MSC 通过细胞接触依赖性或旁分泌机制调节免疫应答，诱导巨噬细胞从 M1 到 M2 表型的转变，巨噬细胞向 M2 表型的极化可诱导成骨细胞分化并增加骨矿化。免疫细胞也调节OCs、OBs、MSC 等骨效应细胞，导致骨分解代谢和骨合成代谢反应选择性地与松质骨或密质骨结合。当骨折发生时，血肿形成的同时释放大量炎症因子，中性粒细胞、巨噬细胞、T 细胞、B 细胞等免疫细胞在骨折发生后相继进入到骨再生微环境中，促进成骨细胞与破骨细胞分化、增殖并调节其功能。

骨免疫学作为一个独立的现代生物学领域，其发展为开发抑制各种炎症性骨病的新策略提供了新的期望。由于免疫系统失调导致的骨重塑缺陷使各种骨骼疾病有所增加。通过调节或干扰不同的炎症途径，直接抑制破骨细胞的形成和恢复成骨细胞的功能，为治疗炎症性骨质流失提供一种替代和有益的方法。