來源：中國矯形外科雜志2015年4月第23卷第7期 2015-04-27
作者：第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院關(guān)節(jié)骨病外科 鄒玉明
強(qiáng)直性脊柱炎(AS)是一種以骶髂關(guān)節(jié)和脊柱關(guān)節(jié)等中軸關(guān)節(jié)受累為主的慢性進(jìn)行性炎癥性自身免疫性疾病，其具體病因和發(fā)病機(jī)制目前尚未完全闡釋清楚。在涉及關(guān)節(jié)的各類疾病中，AS僅次于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，發(fā)病率為第二位。典型的AS病理變化從最初的炎癥階段進(jìn)展到骨化強(qiáng)直階段，最終發(fā)生關(guān)節(jié)融合。AS異位骨化涉及BMP、Wnt、Notch和Hedgehog等多條信號通路，各信號通路之間相互聯(lián)系、相互制約，形成一錯綜復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。
目前對于AS炎癥與骨化的關(guān)系沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，主要有以下3種不同觀點(diǎn):①炎癥引發(fā)新骨形成；②炎癥促進(jìn)骨吸收從而抑制骨形成；③炎癥與骨化在一定程度上是兩個(gè)獨(dú)立的過程，沒有直接聯(lián)系。
炎癥引發(fā)新骨形成
眾多研究表明炎癥與新骨形成之間有一定關(guān)聯(lián)，炎癥能夠引發(fā)新骨形成，該過程中腫瘤壞死因子－α(TNF－α)作為AS炎癥細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因子，與Wnt/β－連環(huán)蛋白信號通路和BMP/Smad信號通路共同發(fā)揮重要作用，主要通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞(OB)的骨形成作用，使之大于破骨細(xì)胞(OC)的骨吸收作用，從而導(dǎo)致新骨形成。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)具有誘導(dǎo)軟骨內(nèi)成骨的作用，共有20種亞型，除了BMP－1，其他亞型和轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF－β)等細(xì)胞因子組成TGF－β超家族。
TGF－β與Smad(SmaAndMadHomo-logue)家族蛋白組成TGF－β/Smad信號通路，其中BMP/Smad通路有很強(qiáng)的成骨刺激作用。BMP信號與細(xì)胞表面受體I和II直接結(jié)合形成異聚體，使Smad1、Smad5、Smad8磷酸化，磷酸化的Smad在細(xì)胞核內(nèi)與Smad4形成異二聚體復(fù)合物，調(diào)控靶基因表達(dá)，Smad1和Smad5是該通路中的關(guān)鍵調(diào)控蛋白，也是細(xì)胞向成骨型分化的重要蛋白。有研究表明，通過抑制Smad1和Smad5信號進(jìn)而抑制成骨分化，使BMP信號不能發(fā)揮作用，說明了BMP/Smad通路在成骨中的重要性。BMP信號是OB定向分化所必需的，它們通過Smad信號誘導(dǎo)核心結(jié)合因子α1/成骨特異性轉(zhuǎn)錄因子2(Cbfα1/Runx2)等成骨分化的關(guān)鍵調(diào)控基因的表達(dá)，從而使細(xì)胞向OB分化。
研究發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)傷后新生軟骨內(nèi)逐漸有新生血管長入，隨后新生軟骨開始被含有成熟OB和OC的骨組織逐漸代替，而且骨化區(qū)內(nèi)的OB、OC及周圍組織的新生血管內(nèi)皮細(xì)胞中均有血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)表達(dá)，VEGF是誘導(dǎo)血管生成最有效的細(xì)胞因子，這些說明骨化過程中VEGF可能起到促進(jìn)成骨的作用。眾多研究已證實(shí)AS患者VEGF表達(dá)上調(diào)，與AS病程密切相關(guān)。目前證實(shí)BMP信號在成骨定向分化過程中有重要作用，而在具成骨潛能的干細(xì)胞中BMP又與VEGF互相促進(jìn)表達(dá)。大量研究已證實(shí)TNF－α作為炎癥啟動因子上調(diào)VEGF的表達(dá)，由此可以推測，TNF－α既啟動了AS炎癥，又上調(diào)VEGF的表達(dá)，高表達(dá)的VEGF通過BMP信號的作用(BMP/Smad通路)既成倍放大其自身的表達(dá)，又介導(dǎo)新生軟骨細(xì)胞向OB分化，從而發(fā)揮其在AS骨化中的作用。因此，炎癥可以促進(jìn)AS軟骨內(nèi)骨化。
此外，Wnt信號通路與BMP信號通路在成骨過程中發(fā)揮重要協(xié)同作用。在AS骨形成過程中，早期階段主要由BMP信號通路調(diào)控，在成骨的晚期階段則主要由Wnt信號通路調(diào)控，Wnt/β－連環(huán)蛋白信號通路在AS新骨形成中發(fā)揮重要作用。Daoussis等研究表明，DKK－1作為Wnt蛋白最主要的抑制劑，在AS患者中出現(xiàn)功能失調(diào)而使Wnt信號通路活化，導(dǎo)致新骨形成。Uderhardt等通過骶髂關(guān)節(jié)炎小鼠研究發(fā)現(xiàn)，阻斷DKK－1導(dǎo)致骶髂關(guān)節(jié)處的軟骨細(xì)胞肥大，加速關(guān)節(jié)強(qiáng)直。
此外，研究表明AS患者骨細(xì)胞不表達(dá)sclerostin蛋白(β－連環(huán)蛋白抑制劑)，支持了Wnt/β－連環(huán)蛋白經(jīng)典通路在AS骨化中的作用。Las等通過進(jìn)行性強(qiáng)直小鼠模型(ank/ank)免疫組化顯示，β－連環(huán)蛋白表達(dá)上調(diào)定位于關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞核內(nèi)，提示W(wǎng)nt/β－連環(huán)蛋白信號通路在軟骨細(xì)胞中活化，表明Wnt/β－連環(huán)蛋白信號通路促進(jìn)軟骨內(nèi)骨化，在AS骨化過程中發(fā)揮重要作用。Wnt/β－連環(huán)蛋白經(jīng)典通路途徑為:Wnt蛋白與細(xì)胞膜上受體結(jié)合，在胞質(zhì)內(nèi)信號通路經(jīng)糖原合成激酶、腺瘤性息肉蛋白及β－連環(huán)蛋白，調(diào)節(jié)目標(biāo)基因表達(dá)，最終使間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymalstemcells，MSC)向OB分化。該通路與BMP信號有直接聯(lián)系，其中BMP－2可以上調(diào)β－連環(huán)蛋白表達(dá)。
綜上所述，在AS炎癥促進(jìn)骨化的過程中，TNF－α發(fā)揮重要驅(qū)動作用，再通過BMP信號的成骨作用以及Wnt/β－連環(huán)蛋白信號通路與BMP/Smad信號通路的協(xié)同作用，共同促進(jìn)OB的形成，引起AS骨化。AS骨化過程中除了MSC參與外，還有韌帶成纖維細(xì)胞。成纖維細(xì)胞來源于MSC，具有成骨特性，可以O(shè)B定向分化，MSC可以認(rèn)為是一種原始的成骨祖細(xì)胞。多數(shù)研究表明，成纖維細(xì)胞是AS韌帶骨化發(fā)生的始動細(xì)胞。已有學(xué)者體外培養(yǎng)AS患者棘上韌帶成纖維細(xì)胞，觀察到其基質(zhì)中沉積了大量鈣鹽顆粒，并最終發(fā)展為OB。高根德等發(fā)現(xiàn)，AS的成纖維細(xì)胞內(nèi)膠原和鈣顆粒增多，提示其在AS病理發(fā)展過程中有重要作用。有相關(guān)研究提示，成纖維細(xì)胞在BMP的作用下可以向OB轉(zhuǎn)化，而且單獨(dú)應(yīng)用BMP－2能夠誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞向OB分化。此外，劉宏瀟等發(fā)現(xiàn)AS關(guān)節(jié)囊成纖維細(xì)胞較正常人成纖維細(xì)胞出現(xiàn)過度增殖現(xiàn)象。這些研究提示成纖維細(xì)胞的異常增殖和其向OB分化，可能是AS新骨形成的重要因素。
Lories等發(fā)現(xiàn)相對于正�；そM織，脊柱關(guān)節(jié)炎的滑膜組織中促成骨性分化因子BMP－2的表達(dá)水平明顯升高，而BMP－2促進(jìn)成骨祖細(xì)胞向OB分化。徐衛(wèi)東等研究證實(shí)AS患者骶髂關(guān)節(jié)滑膜細(xì)胞參與新骨形成，其分泌的成骨調(diào)節(jié)因子作用于關(guān)節(jié)成纖維細(xì)胞向OB分化，說明AS滑膜炎與新骨形成之間有聯(lián)系。據(jù)此作者認(rèn)為，在AS炎癥環(huán)境中，滑膜細(xì)胞表達(dá)BMP信號，不僅可以作用于MSC，也作用于成纖維細(xì)胞，促進(jìn)其向OB方向轉(zhuǎn)化，是加重AS骨化的重要因素。
綜上所述，炎癥能夠引發(fā)新骨形成，滑膜細(xì)胞由炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)表達(dá)成骨調(diào)節(jié)因子，促進(jìn)AS韌帶骨化，其中TNF－α間接通過BMP信號可能發(fā)揮重要作用。
炎癥與骨化沒有直接聯(lián)系
通常認(rèn)為AS骨化是炎性骨侵蝕后的骨重塑，屬于代償性骨質(zhì)增生，而附著點(diǎn)應(yīng)激假說持相反觀點(diǎn)，該假說認(rèn)為附著點(diǎn)炎癥與新骨形成是兩個(gè)相對獨(dú)立的過程。附著點(diǎn)病變是AS最主要的病理變化。附著點(diǎn)是指韌帶、肌腱、關(guān)節(jié)囊和纖維環(huán)與骨連接的部位。整個(gè)AS附著點(diǎn)病變分為3個(gè)階段:早期炎癥、骨侵蝕和韌帶骨贅(新骨)形成。研究表明TNF－α是觸發(fā)AS“炎癥因子風(fēng)暴”級聯(lián)瀑布效應(yīng)的關(guān)鍵因子之一，它與AS韌帶骨化具有密切聯(lián)系。多項(xiàng)研究證實(shí)，TNF－α阻斷劑可快速緩解大多數(shù)AS病人的臨床癥狀和系統(tǒng)性的炎癥，但在阻斷AS韌帶骨贅形成及影像學(xué)進(jìn)展的療效尚不理想。
如采用依那西普治療AS研究中發(fā)現(xiàn)，阻斷TNF－α不能抑制起止點(diǎn)處新骨形成的發(fā)生，提示炎癥與骨化在一定程度上是兩個(gè)獨(dú)立的過程。附著點(diǎn)應(yīng)激假說認(rèn)為，附著點(diǎn)微損傷和細(xì)胞受力激活BMP信號，一方面引起促炎癥因子的增多，導(dǎo)致炎性淋巴細(xì)胞遷移至附著點(diǎn)而引發(fā)炎癥；另一方面激活間充質(zhì)干細(xì)胞，促進(jìn)新骨形成。后者主要由BMP和Wnt信號通路介導(dǎo)而發(fā)生軟骨內(nèi)骨化。該假說認(rèn)為炎癥與新骨形成在分子機(jī)制上是完全獨(dú)立的，即使在疾病早期阻止炎癥，也并不能阻止后續(xù)的新骨形成。
此外，大量研究支持了炎癥與骨化在一定程度上是兩個(gè)獨(dú)立的過程這一觀點(diǎn)。VanderHeijde等對AS患者接受英夫利西單抗、依那西普、阿達(dá)木單抗治療2年前后的脊柱影像學(xué)積分(mSASSS)進(jìn)行了比較，由于設(shè)立長達(dá)2年的安慰劑組有悖倫理，其對照組取自20世紀(jì)90年代開始的OASIS(AS國際研究中的轉(zhuǎn)歸評價(jià))的長期觀察隊(duì)列，結(jié)果均顯示，影像學(xué)進(jìn)展的平均分在TNF－α拮抗劑組與對照組間無顯著差異。由此可以看出，雖然AS炎癥得到顯著抑制，但TNF－α拮抗劑未能抑制AS的影像學(xué)進(jìn)展。
Lories等通過抑制破骨細(xì)胞完全抑制炎性骨侵蝕后發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)增生仍然存在，抑制破骨細(xì)胞并不能預(yù)防關(guān)節(jié)強(qiáng)直，沒有先前的炎性骨破壞，關(guān)節(jié)強(qiáng)直仍可以由成骨祖細(xì)胞引起。此外，HLA－B27轉(zhuǎn)基因大鼠模型研究表明，骨質(zhì)增生與炎癥和骨破壞同時(shí)發(fā)生。盡管眾多學(xué)者認(rèn)為，長期抗TNF治療可以導(dǎo)致骨質(zhì)增生，這基于由TNF－α驅(qū)動的持續(xù)性的炎癥可通過Wnt信號通路抑制新骨形成這一設(shè)想，且Baraliakos等通過長期臨床觀察發(fā)現(xiàn)，抗TNF治療新骨形成的發(fā)生率并沒有增加。這說明新骨的形成是獨(dú)立的，與炎癥沒有直接聯(lián)系。
最近的研究表明AS炎癥通路可能由除TNF－α之外的細(xì)胞因子介導(dǎo)，比如IL－1和IL－17，其中關(guān)鍵的細(xì)胞因子可以導(dǎo)致骨質(zhì)增生。Sandborn等研究表明，IL－1β能夠通過Wnt－5a通路誘導(dǎo)體外人MSC向OB分化，促進(jìn)骨質(zhì)增生。TNF－α以兩種生物活性形式存在，即26kD的跨膜型(tmTNF－α)和17kD的分泌型(sTNF－α)，后者由TNF－α轉(zhuǎn)化酶(TACE)酶切tmTNF－α胞外段而形成。兩型TNF－α的分子結(jié)構(gòu)、受體親和力以及作用方式均不同，因此，二者的功能不盡相同。van等通過觀察tmTNF轉(zhuǎn)基因小鼠模型發(fā)現(xiàn)sTNF和tmTNF有不同作用，后者選擇性高表達(dá)參與了AS新骨形成。據(jù)此可以認(rèn)為，采用TNF－α阻斷劑對AS骨化無療效而得出炎癥與新骨形成無關(guān)聯(lián)，這樣的研究結(jié)論過于片面。因?yàn)锳S炎癥反應(yīng)與新骨形成都是由眾多細(xì)胞因子和信號通路組成的錯綜復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，AS炎性通路與新骨形成重要通路之間的相互作用尚待進(jìn)一步探索。
炎癥抑制新骨形成
Diarra等認(rèn)為，炎癥促進(jìn)骨吸收從而抑制骨形成。該研究證明持續(xù)的由TNF－α驅(qū)動的炎癥可抑制新骨形成。Heiland等發(fā)現(xiàn)，無骨贅形成的AS患者高表達(dá)DDK－1，提示DDK－1對于AS患者骨質(zhì)增生有抑制作用。Dickkopf(Dkks)蛋白家族有4個(gè)成員，分別為DDK－1、DDK－2、DDK－3和DDK－4，均是分泌性糖蛋白，Wnt蛋白也是一類分泌型糖蛋白，它們之間存在抑制關(guān)系，其中DKK－1是Wnt蛋白最主要的抑制劑。TNF－α可上調(diào)DKK－1，從而抑制Wnt信號通路，阻止代償性骨質(zhì)增生。
此外，TNF－a還能增加核因子－κB(NuclearfactorκB，NF－κB)受體活化因子配體(RANKL)表達(dá)。RANKL與破骨細(xì)胞膜上NF－κB受體活化因子(RANK)結(jié)合，促進(jìn)破骨細(xì)胞形成和骨吸收。Pedersen等發(fā)現(xiàn)，經(jīng)抗TNF－α治療后炎癥消退的患者新骨形成的概率反而增加了，說明TNF－α有抑制新骨形成的作用。NF－κB是一種具有多向性調(diào)節(jié)作用的轉(zhuǎn)錄因子，對細(xì)胞內(nèi)許多基因的表達(dá)起著關(guān)鍵性的調(diào)控作用，可通過多種途徑介導(dǎo)炎性反應(yīng)、免疫應(yīng)答、氧化應(yīng)激及自由基損傷。NF－κB/Rel家族成員有5種，其中，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮主要生理作用的是p65－p50異源二聚體，在靜息狀態(tài)時(shí)，NF－κB的p65亞基與其抑制蛋白IκB結(jié)合形成復(fù)合物，以失活狀態(tài)存在于細(xì)胞漿中，不具有調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的能力。
當(dāng)受胞外信號刺激時(shí)，通過一個(gè)或多個(gè)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，激活一系列激酶，使IκB降解，p65－p50活化并從胞質(zhì)異位到胞核，與核內(nèi)相應(yīng)基因上的κB位點(diǎn)特異性結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達(dá)。NF－κB過度激活會導(dǎo)致多種基因，如促炎細(xì)胞因子、趨化因子、黏附分子、免疫受體、氧化應(yīng)激相關(guān)酶、轉(zhuǎn)錄因子等高表達(dá)。一系列自身免疫性疾病及炎癥性疾病，如炎癥性腸病(IBD)、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(RA)、骨關(guān)節(jié)炎(OA)和血清陰性脊柱關(guān)節(jié)病(SpA)與NF－κB的異�；罨嘘P(guān)。
目前直接描述NF－κB的活化在AS病程中作用的研究很少。但已有研究發(fā)現(xiàn)NF－κB在AS患者滑膜T細(xì)胞中呈活化狀態(tài)。Eggert等研究發(fā)現(xiàn)，在有效的TNF－α拮抗劑治療后，AS患者白介素(IL)－6、CRP(C－反應(yīng)蛋白)以及p65DNA結(jié)合水平均下降，提示NF－κB在AS患者中呈現(xiàn)活化狀態(tài)。一系列研究表明，與其他炎性關(guān)節(jié)病相似，AS嚴(yán)重炎癥環(huán)境下，NF－κB異�；罨�。研究表明TNF－α是觸發(fā)AS“炎癥因子風(fēng)暴”級聯(lián)瀑布效應(yīng)的關(guān)鍵因子之一，同時(shí)也是NF－κB活化的主要驅(qū)動者，上游的TNF－α和NF－κB信號通路之間存在正反饋機(jī)制。
眾多研究表明，炎癥伴隨促炎細(xì)胞因子過度表達(dá)抑制成骨分化與骨形成過程。Chang等通過體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，抑制NF－κB信號通路不僅能夠控制炎癥，還有助于成骨分化與骨再生，提示NF－κB可以作為控制炎癥，同時(shí)促進(jìn)骨再生的新靶點(diǎn)；該研究同時(shí)揭示了在MSC成骨分化過程中存在Wnt信號通路與NF－κB信號通路交聯(lián)，即NF－κB通過降解β－catenin抑制MSC成骨分化，β－catenin與NF－κB活化存在抑制關(guān)系。
綜上所述，可以推測，NF－κB炎性通路的失活趨勢與AS晚期患者炎癥的下降趨勢甚至消失相一致，而NF－κB的失活有助于β－catenin的表達(dá)，從而促進(jìn)AS骨化，提示在AS病程中，抑制炎癥可能促進(jìn)晚期骨化過程，支持炎癥抑制新骨形成的觀點(diǎn)。
總結(jié)與展望
炎癥和骨化是AS發(fā)病進(jìn)程中的兩個(gè)過程，以上研究在不同的側(cè)面獲得不同的結(jié)果�；谀壳暗淖C據(jù)，作者認(rèn)為炎癥與骨化有一定的關(guān)聯(lián)，AS炎癥信號通路與骨化信號通路之間存在著交叉點(diǎn)相互作用。目前AS發(fā)病機(jī)制的探索集中于基因組學(xué)研究，而進(jìn)一步深入探究AS炎癥信號通路、骨化信號通路以及兩者之間的相互作用，將有助于揭示AS炎癥與新骨形成的關(guān)系，從而進(jìn)一步了解AS的發(fā)病機(jī)制，因此，蛋白質(zhì)組學(xué)研究可能為AS發(fā)病機(jī)制的探索開辟新的廣闊的前景。