巨噬細(xì)胞在假體周圍骨溶解中作用的研究進(jìn)展▲

廖云健 王亞飛 劉慧敏 于 聰 廉永云 孫 闖

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院骨科，黑龍江省哈爾濱市 150001，電子郵箱：15562646913@163.com)

【提要】 關(guān)節(jié)置換術(shù)后骨溶解與富含巨噬細(xì)胞、細(xì)胞因子及磨損微粒的假體周圍界膜形成有關(guān)。關(guān)節(jié)置換術(shù)后衍生的磨損微粒能刺激巨噬細(xì)胞聚集及極化，并刺激巨噬細(xì)胞釋放腫瘤壞死因子α，后者是參與骨溶解的關(guān)鍵因子。本文就巨噬細(xì)胞在假體周圍骨溶解中作用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

隨著假體材料、固定方法及手術(shù)技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)與成熟，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)正逐漸成為臨床上最有效和最具成本效益的衛(wèi)生保健措施之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過75%的老年髖關(guān)節(jié)置換患者的假體使用年限可超過25年[1]。然而，隨著接受人工關(guān)節(jié)置換患者的年輕化，對(duì)人工關(guān)節(jié)使用壽命提出了更高的要求。因此，了解假體松動(dòng)機(jī)制并延長(zhǎng)假體使用壽命一直備受關(guān)注。目前大多數(shù)人工髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)仍遵循低摩擦力矩原理，主要由金屬髖臼杯與金屬或陶瓷制成的股骨頭和內(nèi)襯組成，而人工膝關(guān)節(jié)主要由超高分子聚乙烯脛骨托盤與高度拋光的金屬股骨部件相連組成。假體壽命主要受手術(shù)技術(shù)、植入物固定模式、假體材質(zhì)、長(zhǎng)期骨重建、骨質(zhì)溶解的影響[2-3]。研究表明，人工關(guān)節(jié)衍生磨損微粒引發(fā)的生物反應(yīng)是導(dǎo)致骨溶解的關(guān)鍵因素[2，4-5]。巨噬細(xì)胞吞噬磨損微粒后釋放一系列細(xì)胞因子及炎性介質(zhì)，誘發(fā)細(xì)胞炎性級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致假體周圍肉芽腫性炎癥；磨損微?？蓪?dǎo)致巨噬細(xì)胞聚集、極化，破骨細(xì)胞增殖、活化，最終促使假體松動(dòng)。

1 磨損微粒及巨噬細(xì)胞與假體周圍骨溶解之間的關(guān)系

1.1 磨損微粒與假體周圍骨溶解的關(guān)系 磨損微粒對(duì)假體周圍骨溶解的發(fā)生、發(fā)展起著重要作用，假體磨損率高的患者更易發(fā)生骨溶解[5-6]。無論假體由何種材質(zhì)制成或采用何種方式固定，隨著關(guān)節(jié)活動(dòng)量的增加必然會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損。不同材質(zhì)的假體產(chǎn)生的磨損微粒不同，主要有陶瓷微粒、骨水泥(polymethyl methacrylate，PMMA)顆粒、超高分子聚乙烯微粒、金屬微粒等。假體周圍骨溶解與微粒形狀、大小、濃度、材質(zhì)關(guān)系密切，直徑0.1～1.0 μm的微粒對(duì)機(jī)體刺激性最強(qiáng)[7]。將不同直徑的PMMA與人類單核細(xì)胞共同培養(yǎng)，結(jié)果顯示，直徑0.8 μm顆粒組中白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1α和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)含量均顯著高于直徑1.5 μm組[7]。說明磨損微粒的大小是影響假體周圍炎癥與溶骨性介質(zhì)的因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，直徑為0.2～10 μm的磨損微?？杀痪奘杉?xì)胞直接吞噬，釋放TNF-α、IL-1、IL-6、前列腺素E2等溶骨性介質(zhì)及破骨細(xì)胞活化因子；而直徑大于10 μm的磨損微粒則被多核異物巨噬細(xì)胞所包裹[8]。

1.2 巨噬細(xì)胞對(duì)磨損微粒的應(yīng)答 巨噬細(xì)胞作為參與機(jī)體固有免疫應(yīng)答的主要細(xì)胞，在炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)起始階段起主要作用。磨損微粒主要通過兩種方式作用于巨噬細(xì)胞：(1)受體識(shí)別：巨噬細(xì)胞表面富含模式識(shí)別受體，能識(shí)別損傷相關(guān)分子模式及病原相關(guān)分子模式，如細(xì)菌的脂多糖、脂蛋白等。磨損微粒能夠像內(nèi)毒素或脂多糖一樣通過二聚作用激活巨噬細(xì)胞表面Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)。研究發(fā)現(xiàn)，松動(dòng)假體周圍軟組織中TLR表達(dá)增高，以TLR-4和TLR-5為主，表明磨損微?？赡軈⑴c假體周圍骨溶解的病理過程[9]。(2)吞噬：關(guān)節(jié)活動(dòng)產(chǎn)生的磨損微粒被纖維蛋白、纖連蛋白、白蛋白、玻連蛋白包裹，巨噬細(xì)胞通過清道夫受體、補(bǔ)體受體以及可結(jié)晶段受體介導(dǎo)識(shí)別磨損微粒表面的黏附蛋白發(fā)揮吞噬作用。

1.3 巨噬細(xì)胞對(duì)機(jī)械刺激的反應(yīng) 盡管磨損微粒在骨溶解中活化巨噬細(xì)胞的證據(jù)充足，仍有部分專家學(xué)者認(rèn)為，即使無磨損微粒的作用，機(jī)械因素仍有可能導(dǎo)致髓腔空洞和假體松動(dòng)，繼而引發(fā)假體周圍骨溶解[10]。巨噬細(xì)胞為機(jī)械反應(yīng)細(xì)胞，當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)力刺激時(shí)，單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞的早期應(yīng)答基因表達(dá)增加，增加TNF-α和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)受體的分泌[11-13]。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，直接使用循環(huán)液壓刺激原代人巨噬細(xì)胞，可升高其IL-1b、IL-6及TNF-α表達(dá)水平[11]。研究表明，鼠骨/鈦界面間的纖維膜厚度僅隨骨/鈦界面滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)而改變，增加磨損微粒濃度不會(huì)改變界膜厚度[14]。Skoglund等[15]分別采用PMMA顆粒、液壓及兩者聯(lián)合同時(shí)刺激大鼠脛骨，結(jié)果顯示單獨(dú)采用液壓刺激脛骨的骨溶解更明顯。因此認(rèn)為壓力在骨溶解中可能比磨損微粒更重要。

2 巨噬細(xì)胞與破骨細(xì)胞的關(guān)系

2.1 單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞前體對(duì)破骨細(xì)胞分化的調(diào)節(jié) 破骨細(xì)胞是唯一的骨吸收細(xì)胞，在骨代謝平衡中起重要作用。破骨細(xì)胞來源于單核吞噬細(xì)胞譜系，是具有特定功能的單核巨噬細(xì)胞。破骨細(xì)胞再吸收骨的能力取決于c-src原癌基因的表達(dá)，c-src原癌基因具有特異性調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞吸收骨的能力[16]。Levaot等[17]的研究表明，破骨細(xì)胞從單核細(xì)胞祖細(xì)胞或組織來源的巨噬細(xì)胞體外分化需要與源自骨髓或成骨細(xì)胞的基質(zhì)細(xì)胞物理接觸；此外，M-CSF可通過集落刺激因子受體促進(jìn)破骨細(xì)胞成熟，但單獨(dú)的M-CSF不足以誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體分化成具有骨吸收作用的成熟破骨細(xì)胞。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，破骨細(xì)胞前體在M-CSF和核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor kappaB ligand,RANKL)存在或有可溶性RANKL的基質(zhì)細(xì)胞的情況下才會(huì)分化為破骨細(xì)胞[18]。人工關(guān)節(jié)置換中的骨質(zhì)溶解程度取決于破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的動(dòng)態(tài)平衡。研究發(fā)現(xiàn)，TNF-α及IL-1可刺激成骨細(xì)胞表達(dá)RANKL和M-CSF，這可能是巨噬細(xì)胞衍生細(xì)胞因子刺激破骨細(xì)胞的一種新機(jī)制[19]。目前認(rèn)為破骨細(xì)胞祖細(xì)胞可在M-CSF和RANKL刺激下分化為破骨細(xì)胞，但是對(duì)于TNF-α是否直接刺激骨髓破骨細(xì)胞生成仍然存在爭(zhēng)議。Cao等[20]發(fā)現(xiàn)，在M-CSF存在下，TNF-α可以直接誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體分化成具有骨吸收作用的抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP)多核細(xì)胞。但是趙玉鳴等[21]從鼠骨髓中分離純的單核吞噬細(xì)胞，加入超生理濃度的M-CSF和TNF-α共同培養(yǎng)后并無破骨細(xì)胞形成；然而將單核吞噬細(xì)胞與成骨細(xì)胞共同培養(yǎng)后，從細(xì)胞株中分離出大量成熟破骨細(xì)胞。上述研究提示成骨細(xì)胞在破骨細(xì)胞成熟過程中發(fā)揮著重要作用。

以上研究表明，受粒子刺激的巨噬細(xì)胞可通過兩種途徑影響破骨細(xì)胞生成，即通過分泌TNF-α/IL-1刺激成骨細(xì)胞高表達(dá)RANKL和M-CSF激活破骨前體細(xì)胞，或通過分泌TNF-α促進(jìn)RANKL作用從而促進(jìn)破骨細(xì)胞前體的活化、增殖。

2.2 關(guān)節(jié)置換組織中巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化 從翻修髖關(guān)節(jié)周圍組織中分離出的巨噬細(xì)胞具有分化成破骨細(xì)胞的潛能，其表面有破骨細(xì)胞特異性標(biāo)志物TRAP和玻連蛋白受體表達(dá)，并且在骨小梁細(xì)胞存在的條件下具有骨吸收能力。研究證實(shí)，假體周圍巨噬細(xì)胞衍生形成破骨細(xì)胞的過程受骨保護(hù)蛋白抑制[22-23]。伍群等[24]通過對(duì)關(guān)節(jié)置換相關(guān)的骨質(zhì)溶解患者評(píng)估發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)溶解組織基質(zhì)中RANKL和核因子-κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor kappaB,RANK)的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)水平上調(diào)，并且雙重染色顯示RANKL與RANK陽性細(xì)胞特異性結(jié)合。因此提出界膜組織中的RANKL可誘導(dǎo)RANK陽性巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化成破骨細(xì)胞。

研究表明，從翻修假體周圍組織中分離的巨噬細(xì)胞可能通過非RANKL依賴途徑分化為破骨細(xì)胞[25]。在M-CSF和TNF-α存在的條件下，假體周圍組織的貼壁細(xì)胞群能產(chǎn)生具有骨吸收功能的TRAP 陽性細(xì)胞。添加TNFp55受體蛋白抗體后，M-CSF和TNF-α誘導(dǎo)的TRAP陽性細(xì)胞數(shù)量減少約50%[26]。因此認(rèn)為TNF-α能直接誘導(dǎo)假膜中的巨噬細(xì)胞分化成具有破骨細(xì)胞特征的多核巨細(xì)胞，其原因可能是假體周圍組織的貼壁細(xì)胞群在體內(nèi)被分離前曾接觸過RANKL[26]。

3 假體周圍骨溶解與巨噬細(xì)胞極化的關(guān)系

3.1 巨噬細(xì)胞極化在骨溶解中的作用 在不同病原相關(guān)分子模式和損傷相關(guān)分子模式的刺激下，巨噬細(xì)胞分化成具有不同功能的表型，即經(jīng)典活化的M1型巨噬細(xì)胞和選擇性活化的M2型巨噬細(xì)胞。M1型高表達(dá)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)，產(chǎn)生大量一氧化氮，殺滅微生物。M2型不產(chǎn)生一氧化氮但是高表達(dá)精氨酸酶1(arginase 1,ARG1)，ARG1代謝生成的鳥氨酸、脯氨酸、多胺類可以促進(jìn)膠原合成、組織重構(gòu)和纖維化。

M1型及M2型巨噬細(xì)胞均參與假體周圍骨溶解的發(fā)生發(fā)展。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PMMA顆粒巨噬細(xì)胞向M1型分化并分泌TNF-α、IL-1、IL-6、iNOS等促炎性細(xì)胞因子及溶骨性介質(zhì)，同時(shí)能產(chǎn)生趨化因子，募集1型輔助性T細(xì)胞(helper T cell 1,Th1)，促進(jìn)強(qiáng)烈的Th1免疫反應(yīng)，其最終的結(jié)果是炎性細(xì)胞的浸潤和破骨活動(dòng)增強(qiáng)[27]。由M1型巨噬細(xì)胞釋放的細(xì)胞因子又能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2型轉(zhuǎn)化并釋放一系列抗炎細(xì)胞因子，如IL-10、IL-4、IL-13和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β等。

3.2 假體周圍巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài) 目前尚無證據(jù)直接證實(shí)假體周圍巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài)，現(xiàn)有研究多是通過極化巨噬細(xì)胞的相關(guān)標(biāo)記物推斷、假設(shè)得出的。有學(xué)者認(rèn)為，假體周圍巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)與巨噬細(xì)胞表觀遺傳學(xué)調(diào)控有關(guān)[27]。也有學(xué)者認(rèn)為，巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)可能受假體周圍局部微環(huán)境的調(diào)控，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變成不同的表型[4]。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將小鼠巨噬細(xì)胞與PMMA微粒共同培養(yǎng)后得到M1型巨噬細(xì)胞，添加IL-4繼續(xù)培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)M1型巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化為M2型巨噬細(xì)胞，而僅受IL-4刺激的未分化巨噬細(xì)胞不會(huì)分化為M2型巨噬細(xì)胞[28]。在翻修假體周圍組織中M1型巨噬細(xì)胞占所有巨噬細(xì)胞的比例高于初次手術(shù)的患者，并且M1/M2比例明顯增高[29]。有證據(jù)表明，磨損微粒能誘導(dǎo)原始巨噬細(xì)胞極化為M1型巨噬細(xì)胞，并釋放TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-23等促炎因子[30-31]。Koulouvaris等[32]采用實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法檢測(cè)松動(dòng)的假體周圍M2型巨噬細(xì)胞相關(guān)標(biāo)記物時(shí)發(fā)現(xiàn)，M2型巨噬細(xì)胞相關(guān)標(biāo)記物幾丁質(zhì)酶1和CC趨化因子配體18的表達(dá)增加，而M1型巨噬細(xì)胞相關(guān)標(biāo)記物表達(dá)無明顯變化，提示在骨溶解的結(jié)束階段以M2巨噬細(xì)胞的活化為主。目前巨噬細(xì)胞在假體周圍的極化狀態(tài)仍存在爭(zhēng)議，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為在假體周圍骨溶解發(fā)生起始及發(fā)展階段以M1型巨噬細(xì)胞極化為主，而在終末階段以M2型巨噬細(xì)胞極化為主。

3.3 巨噬細(xì)胞極化與骨溶解的防治 巨噬細(xì)胞極化可能是除磨損微粒外引起假體周圍骨溶解的又一重要原因。不同表型的巨噬細(xì)胞具有不同的功能，M1型巨噬細(xì)胞傾向釋放溶骨性介質(zhì)，促進(jìn)假體周圍炎癥發(fā)展；M2型巨噬細(xì)胞具有抗炎、促進(jìn)組織修復(fù)和機(jī)體恢復(fù)的作用。因此通過合理手段調(diào)控巨噬細(xì)胞極化可能是減輕假體周圍炎癥、抑制骨溶解的方法之一。研究發(fā)現(xiàn)，IL-4能抑制PMMA顆粒、脂多糖對(duì)小鼠單核巨噬細(xì)胞的刺激，減少巨噬細(xì)胞分泌IL-1、IL-6、TNF-α、M-CSF、iNOS等促炎性細(xì)胞因子，降低M1/M2型巨噬細(xì)胞比值；去除IL-4因素后M1/M2比值升高，骨溶解現(xiàn)象增強(qiáng)[33]。也有研究報(bào)道，IL-10能將巨噬細(xì)胞分化為M2型巨噬細(xì)胞，甚至能實(shí)現(xiàn)M1型巨噬細(xì)胞向M2型巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)換[34]。IL-10對(duì)巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)的影響可能與其對(duì)Janus激酶/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription,JAK/STAT)1和核因子κB p65信號(hào)通路的抑制和對(duì)JAK/STAT3信號(hào)通路的增強(qiáng)有關(guān)[35]。綜上研究表明，通過IL-4、IL-10調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)，可能成為抑制假體周圍骨溶解的一種有效方法。

4 結(jié) 論

在固定良好的穩(wěn)定植入物中，磨損微粒是假體晚期無菌性松動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因素。磨損微粒可激活假體周圍組織中的巨噬細(xì)胞并產(chǎn)生一系列細(xì)胞因子和其他炎癥介質(zhì)。目前的證據(jù)表明巨噬細(xì)胞衍生的TNF-α是骨溶解發(fā)展中的關(guān)鍵因子。TNF-α可以增加成骨細(xì)胞RANKL和M-CSF的表達(dá)，并能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化。RANKL和M-CSF是導(dǎo)致破骨細(xì)胞前體擴(kuò)增和分化成成熟破骨細(xì)胞的必需因子。假體周圍巨噬細(xì)胞表型和功能處于動(dòng)態(tài)平衡中，不同的環(huán)境刺激物可觸發(fā)巨噬細(xì)胞向不同的方向極化產(chǎn)生M1及(或)M2型巨噬細(xì)胞。當(dāng)M1型巨噬細(xì)胞占優(yōu)勢(shì)時(shí)促炎因子釋放，溶骨活動(dòng)增強(qiáng)；當(dāng)M2型巨噬細(xì)胞占優(yōu)勢(shì)時(shí)溶骨活動(dòng)被抑制，利于骨形成。了解巨噬細(xì)胞在假體周圍骨溶解中的作用機(jī)制及假體周圍巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)，將有利于為臨床防治假體松動(dòng)提供新思路。