IL-1與骨質(zhì)疏松研究進(jìn)展

顏廷鑫 王詩(shī)軍 姜俊杰 趙宇馳

煙臺(tái)市煙臺(tái)山醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，山東 煙臺(tái) 264003

骨質(zhì)疏松癥已經(jīng)成為與衰老相關(guān)最重要的疾病之一。隨著人均壽命的延長(zhǎng)，骨質(zhì)疏松逐漸成為全球范圍的主要健康問(wèn)題。骨質(zhì)疏松患者骨骼力量降低，發(fā)生骨折風(fēng)險(xiǎn)大大增加。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，全世界范圍每年發(fā)生骨質(zhì)疏松骨折例數(shù)超過(guò)890萬(wàn)，平均每3秒發(fā)生一例骨質(zhì)疏松骨折[1]。據(jù)世界骨質(zhì)疏松協(xié)會(huì)最新的數(shù)據(jù)顯示，年齡超過(guò)50歲人群中有1/3女性、1/5男性一生中可能經(jīng)歷一次骨質(zhì)疏松骨折。女性發(fā)生率高的原因是由于絕經(jīng)后雌激素水平的降低伴有骨吸收的增加[2-3]，然而，最近的研究顯示，雌激素缺乏可能作用甚微[4]，免疫系統(tǒng)改變則可能是絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的重要因素，其參與方式主要通過(guò)細(xì)胞因子調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的活性[5-6]。調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞的促炎因子，以及免疫系統(tǒng)的激活被認(rèn)為是引起骨質(zhì)疏松的危險(xiǎn)因素[7-8]。白介素-1(IL-1)是免疫系統(tǒng)重要組成部分，作為強(qiáng)有力的破骨細(xì)胞刺激因子，在生理狀態(tài)下以及炎癥性疾病、絕經(jīng)后全身性骨量丟失中均發(fā)揮著重要作用[9-11]。本綜述就IL-1家族，IL-1對(duì)信號(hào)通路、細(xì)胞、動(dòng)物模型骨代謝作用，以及IL-1抑制劑、拮抗劑及其衍生物對(duì)骨代謝的作用，作一簡(jiǎn)單綜述。

1 IL-1β及其激活機(jī)制

IL-1家族包含11種亞型[12]，IL-1α、IL-1β、IL-1受體拮抗劑(IL-1Ra)在慢性炎癥性疾病中發(fā)揮作用恒定。IL-1β激活需要兩步驟，首先是細(xì)胞模式識(shí)別受體例如Toll樣受體(TLRs)的激活，或細(xì)胞死亡后釋放的警報(bào)素因子的釋放，誘導(dǎo)IL-1β mRNA的轉(zhuǎn)錄及翻譯，形成IL-1前體蛋白。隨后，IL-1前體蛋白經(jīng)過(guò)細(xì)胞內(nèi)蛋白酶的切割，形成具有生物活性的IL-1β分子[13-14]。對(duì)IL-1β前體蛋白切割可通過(guò)兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)，其一通常發(fā)生于單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞，依賴炎性復(fù)合體，通過(guò)caspase-1(早期被稱為IL-1轉(zhuǎn)換酶，ICE)實(shí)現(xiàn)。炎性復(fù)合體能夠激活caspase-1，從而將無(wú)活性的IL-1β前體蛋白切割成活性IL-1β[15-16]；其二是中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的IL-1β激活，該機(jī)制不依賴于caspase-1或炎性小體的激活，盡管中性粒細(xì)胞也能通過(guò)機(jī)制一激活I(lǐng)L-1。這些激活I(lǐng)L-1的蛋白酶，被稱為不依賴于炎性復(fù)合體蛋白酶，包括來(lái)源于中性粒細(xì)胞的絲氨酸蛋白酶，特別是蛋白酶-3(也稱為髓母細(xì)胞素)、中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶、組織蛋白酶G、顆粒酶A，其他酶包括糜酶、胰凝乳蛋白酶、金屬蛋白酶甲基多巴A亞族-α、甲基多巴A亞族-β。機(jī)制二能夠保證在充滿中性粒細(xì)胞的炎性組織中，IL-1β被強(qiáng)烈激活。依賴中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的IL-1β釋放在常見(jiàn)的炎癥性疾病具有功能性作用，主要依賴于中性粒的遷移與聚集[17-19]。IL-1α存在細(xì)胞內(nèi)并且能夠結(jié)合在細(xì)胞膜上，例如上皮細(xì)胞，儲(chǔ)存著大量的IL-1α。IL-1α并不是由細(xì)胞分泌，而是當(dāng)細(xì)胞壞死后釋放出來(lái)，例如當(dāng)發(fā)生上皮損傷、心肌梗死、卒中、腫瘤衰變，以及急性腎衰竭時(shí)。因此，IL-α可以認(rèn)為是一種警報(bào)分子，細(xì)胞一旦壞死，立即發(fā)揮作用，通過(guò)與IL-1R1結(jié)合，誘導(dǎo)IL-1β的激活以及如腫瘤壞死因子(TNF)、IL-6的產(chǎn)生啟動(dòng)炎癥反應(yīng)。然而在細(xì)胞凋亡時(shí)，IL-α移入細(xì)胞核內(nèi)，該過(guò)程并不引起炎癥[20]。

2 IL-1參與骨代謝

文獻(xiàn)中提示一些關(guān)鍵性細(xì)胞因子如巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)[21]、IL-1[22]、NF-κB受體激活配體(RANKL)[23]、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)[24]調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化、激活以及存活。已有學(xué)者對(duì)IL-1在骨代謝方面的影響進(jìn)行了詳細(xì)的介紹[11]。在各種組織中，骨組織對(duì)IL-1最為敏感。20世紀(jì)80年代，文獻(xiàn)已開始報(bào)道IL-1的強(qiáng)大骨吸收活性。與之相反的，IL-1受體拮抗劑，阻斷了這種骨吸收作用[25]。IL-1不僅能夠影響前列腺素E2(PGE2)的合成從而間接影響破骨細(xì)胞的形成，還可直接參與多核破骨細(xì)胞形成。如今已在成熟的破骨細(xì)胞表面發(fā)現(xiàn)了IL-1受體，提示IL-1可直接作用于破骨細(xì)胞[26]。IL-1通過(guò)與受體結(jié)合，激活細(xì)胞內(nèi)多個(gè)信號(hào)通路，從而激活核因子-κB (NF-κB)，上調(diào)多種破骨因子的基因表達(dá)，例如PGE2、RANKL、基質(zhì)金屬蛋白酶等，甚至可通過(guò)自分泌增強(qiáng)自身作用[27-29]。有學(xué)者[10]認(rèn)為IL-1是系統(tǒng)性炎癥疾病骨量丟失的必要條件。TNF被認(rèn)為是RA主要的參與因子，學(xué)者運(yùn)用雜交技術(shù)，評(píng)估TNF對(duì)骨代謝的作用是否需要IL-1的參與，TNF過(guò)度表達(dá)能夠直接引起RANKL表達(dá)升高，也能夠促進(jìn)間充質(zhì)細(xì)胞表達(dá)IL-1以及IL-1受體，進(jìn)而誘導(dǎo)RANKL表達(dá)并直接作用于破骨細(xì)胞使其表達(dá)NF-κB受體激活劑(RANK)，如果阻斷IL-1的作用，TNF引起的骨破壞作用則明顯減弱，提示IL-1在TNF誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成的過(guò)程中起重要的橋梁作用。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)室證據(jù)顯示完全阻斷IL-1β和TNFα的作用，會(huì)導(dǎo)致骨吸收的完全停止[30]。也有學(xué)者[9]認(rèn)為，IL-1在非生理狀態(tài)下，也能調(diào)節(jié)骨代謝，但并非是單純的IL-1水平的升高，IL-1與IL-Ra的比值可能更有意義。通過(guò)IL-1基因敲除小鼠的實(shí)驗(yàn)，指出IL-1不僅能夠通過(guò)刺激成骨細(xì)胞分泌RANKL，而且還能直接作用于骨髓內(nèi)細(xì)胞來(lái)源的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞，促進(jìn)其向破骨細(xì)胞分化[9]。除了IL-1β本身對(duì)成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的作用，IL-1β還能通過(guò)刺激局部骨組織釋放成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子23(FGF23)入血，從而引起全身性的骨量丟失[31]。

此外，IL-1還可參與應(yīng)力調(diào)節(jié)骨吸收過(guò)程的信號(hào)通路，從而影響骨代謝[32]。除了外周血中的IL-1發(fā)揮作用，IL-1還能通過(guò)中樞參與骨代謝的調(diào)節(jié)。IL-1能夠通過(guò)IL-1-副交感系統(tǒng)-骨這一調(diào)節(jié)軸負(fù)向調(diào)節(jié)骨吸收，從而增加骨量的生成，這與外周血中IL-1作用相反[33]。

3 絕經(jīng)后炎癥狀態(tài)的改變

骨質(zhì)疏松因加快的骨重塑過(guò)程引起皮質(zhì)骨骨小梁的吸收，引起骨密度的降低。80%的骨質(zhì)疏松患者為女性患者，其明顯的骨密度下降主要由于絕經(jīng)期雌激素水平的降低[34]。然而最新的理論認(rèn)為雌激素缺乏對(duì)骨代謝作用甚微，促炎因子例如IL-1β起重要作用[4]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，切除卵巢導(dǎo)致大鼠絕經(jīng)可引起自發(fā)性促炎因子的升高，且與骨密度下降相關(guān)。給予IL-1受體拮抗劑能夠增加骨密度[30]。缺乏IL-1功能性受體的大鼠絕經(jīng)后能繼續(xù)維持骨密度，而野生型大鼠絕經(jīng)后的骨密度則明顯降低，進(jìn)一步證實(shí)IL-1β在雌激素缺乏引起骨量丟失過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[35]。同樣，在手術(shù)切除卵巢后的女性也發(fā)現(xiàn)外周血中IL-1β的釋放量自發(fā)性的持續(xù)升高，且與骨密度降低相關(guān)，經(jīng)過(guò)雌激素治療后，IL-1β經(jīng)過(guò)短暫的升高后又恢復(fù)到正常水平，證明IL-1β水平的增加與雌激素缺乏相關(guān)，而且在骨吸收過(guò)程中起重要作用[34,36]。此外，最新的文獻(xiàn)研究正常絕經(jīng)期后婦女BMD與體內(nèi)炎性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，相比于骨質(zhì)正常的人群，骨質(zhì)疏松患者體內(nèi)的炎性指標(biāo)C-反應(yīng)蛋白(CRP)以及細(xì)胞因子干擾素α2(IFNα2)、IFN-γ、IL-12p70、IL-33明顯升高，體內(nèi)能夠檢測(cè)出IL-1β、IL-6的人群髖關(guān)節(jié)骨密度明顯低于未檢測(cè)出IL-1β、IL-6的人群。同樣的，能夠檢測(cè)出IL-1β的絕經(jīng)后女性腰椎骨密度也明顯低于那些未檢測(cè)出IL-β的人群[37]。這些研究結(jié)果充分提示IL-β在絕經(jīng)期后骨質(zhì)疏松過(guò)程中可能發(fā)揮著極其重要的作用。

4 抑制IL-1作用對(duì)骨代謝的影響

IL-1拮抗劑應(yīng)用于臨床并非用于治療骨質(zhì)疏松。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎是應(yīng)用IL-1拮抗劑第一種成功的疾病，也是臨床使用治療炎癥性疾病的第一類藥物。類風(fēng)性關(guān)節(jié)炎患者滑膜以及滑液中發(fā)現(xiàn)高水平的IL-1β的表達(dá)。IL-1受體拮抗劑阿那白滯素在治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了其對(duì)骨、軟骨具有保護(hù)作用[38]。

大黃酸是存在于亞洲草本植物的蒽醌類化合物，大黃酸以及其衍生物被證實(shí)有眾多醫(yī)療作用[39]。衍生物雙醋瑞因，以其拮抗IL-1β的抗炎和軟骨保護(hù)作用被應(yīng)用于骨性關(guān)節(jié)炎的治療[40]。雙醋瑞因治療骨性骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制：抑制IL-1的合成以及活性，既不影響巨噬細(xì)胞前列腺素的合成，也不刺激軟骨細(xì)胞合成前列腺素。在骨性關(guān)節(jié)炎的軟骨以及滑膜細(xì)胞中，雙醋瑞因能夠降低IL-1受體的數(shù)量，以及IL-1? 轉(zhuǎn)換酶(ICE，或者caspase-1)的數(shù)量[41]。其主要產(chǎn)物大黃酸，能夠減弱IL-1?誘導(dǎo)的金屬蛋白酶激活、降低軟骨細(xì)胞產(chǎn)生一氧化氮(NO)[42]。在骨性關(guān)節(jié)炎動(dòng)物模型中，雙醋瑞因?qū)浌腔|(zhì)的退變起保護(hù)作用[42-43]。有研究表明，雙醋瑞因在治療骨性關(guān)節(jié)炎時(shí)，能夠?qū)浌窍鹿瞧鸨Ｗo(hù)作用，雙醋瑞因以及大黃酸以劑量依賴性地減緩IL-1β誘導(dǎo)骨性關(guān)節(jié)炎軟骨下骨產(chǎn)生金屬基質(zhì)蛋白酶(MMP)-13。而對(duì)于破骨細(xì)胞，他們能夠顯著減弱MMP-13、組織蛋白酶K的活性。雙醋瑞因和大黃酸能夠阻斷IL-1β對(duì)破骨細(xì)胞分化的誘導(dǎo)、以及成熟的破骨細(xì)胞存活。大黃酸/雙醋瑞因能夠通過(guò)降低骨吸收因子的合成以及破骨細(xì)胞的生成從而影響骨性關(guān)節(jié)炎患者非正常軟骨下骨的骨代謝[44]。雙醋瑞因可顯著抑制IL-1β誘導(dǎo)的骨吸收陷窩形成，并縮小骨陷窩的面積，除了能夠抑制成骨細(xì)胞膜表達(dá)RANKL，還能促進(jìn)OPG(骨保護(hù)素)表達(dá)，上調(diào)OPG/RANKL比例，這很有可能是雙醋瑞因抑制IL-1β骨破壞的作用機(jī)制之一[45]。

鑒于雌激素缺乏可引起骨質(zhì)疏松，有學(xué)者合成雌激素-大黃酸復(fù)合物，利用大黃酸對(duì)骨羥基灰石的高親和性，該衍生物能夠刺激OPG的分泌，抑制RANKL、IL-6的生成，發(fā)揮了大黃酸以及雌激素的復(fù)合作用，該混合物比雌激素抑制RANKL的作用更強(qiáng)[46]。

上海骨關(guān)節(jié)疾病研究所鄧廉夫團(tuán)隊(duì)合成了多種大黃酸衍生物，其中酰胺類大黃酸衍生物(d6)對(duì)破骨細(xì)胞的形成以及破骨因子表達(dá)有顯著的抑制作用，在RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成的過(guò)程中，該混合物可能是通過(guò)調(diào)節(jié)RANKL/RANK/NFATc1通路而發(fā)揮作用，負(fù)向調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的活性[47]。該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)合成含硫的大黃酸衍生物-硫代酰胺大黃酸(RT)，運(yùn)用硫化物對(duì)成骨細(xì)胞的保護(hù)及促增殖作用，發(fā)現(xiàn)RT能夠在活體動(dòng)物內(nèi)抑制破骨細(xì)胞形成的同時(shí)，還能促進(jìn)成骨細(xì)胞分化并抑制骨破壞，較大黃酸的抑制骨吸收能力更強(qiáng)，同時(shí)還能夠改善骨的生物力學(xué)特性[48]。

此外，還有一些藥物通過(guò)抑制IL-1的作用而發(fā)揮骨保護(hù)作用。IL-1能夠誘導(dǎo)成骨細(xì)胞表達(dá)環(huán)氧化酶-2(COX-2)及膜結(jié)合性前列腺素E2 (PGE2)，促進(jìn)成骨細(xì)胞分泌MMP-2、13，透明質(zhì)酸則能夠抑制IL-1這些作用。而且能夠抑制NF-κB依賴性基因轉(zhuǎn)錄[49]。卞達(dá)明常用于解熱、鎮(zhèn)痛、抗炎。作為一種非甾體抗炎藥物使用，抑制前列腺素的合成，能夠抑制促炎因子的產(chǎn)生。卞達(dá)明可能通過(guò)下調(diào)IKK、ERK 和P38抑制NF-kB、AP-1(激活蛋白-1)，進(jìn)而降低IL-1β 和 NFATc1(活化T細(xì)胞核因子1蛋白)的表達(dá)，抑制破骨細(xì)胞分化以及骨吸收[50]。

最新的文獻(xiàn)研究表明，IL1RN(IL1受體拮抗劑)也可能直接參與骨質(zhì)疏松中成骨細(xì)胞分化過(guò)程。IL-1RN不僅能夠通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性抑制IL-1與受體的結(jié)合從而中斷IL-1下游信號(hào)通路誘導(dǎo)的破骨作用，還能夠直接作用于ITGB3(整合素β3)，激活下游β-連環(huán)素信號(hào)通路，誘導(dǎo)成骨標(biāo)志物的表達(dá)[51]。

綜上所述，IL-1以其促進(jìn)炎癥反應(yīng)、促進(jìn)骨吸收作用參與了炎癥性疾病、絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松以及骨性關(guān)節(jié)炎等骨量丟失的病理過(guò)程，通過(guò)抑制IL-1的作用可緩解或逆轉(zhuǎn)骨吸收的進(jìn)展。但I(xiàn)L-1在眾多病理過(guò)程中發(fā)揮何等程度作用并不明確。僅僅抑制IL-1的作用，并不能完全逆轉(zhuǎn)雌激素缺乏引起的骨量丟失[30]?，F(xiàn)如今，IL-1拮抗劑、IL-1受體拮抗劑抑制骨吸收的研究主要集中在細(xì)胞以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)水平，并未有確切的臨床效果及適用指癥。IL-1、IL-33以及其他小分子蛋白已經(jīng)被學(xué)者視為骨質(zhì)疏松的預(yù)警分子，與其他預(yù)警分子的相互作用機(jī)制不甚明確，但抑制預(yù)警分子也許能夠逆轉(zhuǎn)或緩解骨質(zhì)疏松進(jìn)程[52]。雙醋瑞因等IL-1抑制劑主要用于控制炎癥性關(guān)節(jié)病，保護(hù)軟骨及局部軟骨下骨，抑制炎癥反應(yīng)，能否通過(guò)其抑制骨破壞的作用，用于全身性骨質(zhì)疏松的治療，仍需進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及臨床試驗(yàn)去證實(shí)。