IL-17誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥的作用機制分析

張金磊 孔令俊 韓升龍 孟漢杰 李想 鄧葉龍 王植帥

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730000 2.甘肅省中醫(yī)院,甘肅 蘭州 730050

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一種以骨量減少,骨脆性增加,進而導(dǎo)致全身骨、關(guān)節(jié)及脊柱等部位發(fā)生脆性骨折風(fēng)險增加的一種慢性炎癥性疾病,全球估計約有2億人受到OP的影響,是僅次于缺血性心臟病、癡呆以及肺癌的又一個嚴重的慢性疾病[1]。OP的主要影響人群為中老年人,尤其是絕經(jīng)后婦女。根據(jù)流行病學(xué)研究數(shù)據(jù)顯示,50歲以上的人群中,有超過1/3的女性和1/5男性一生中至少會發(fā)生一次與OP相關(guān)的骨折,這一現(xiàn)象為社會及個人家庭帶來了沉重的經(jīng)濟負擔(dān)[2]。OP的發(fā)生主要是由于骨穩(wěn)態(tài)的破壞,骨穩(wěn)態(tài)是通過平衡成骨細胞(osteoblast,OB)的骨形成作用和破骨細胞(osteoclast,OC)的骨吸收作用得到維持。近年來,國內(nèi)外研究表明,由免疫T淋巴細胞17(T lymphocytes 17,Th17)分泌的炎癥因子白細胞介素-17(interleukin-17,IL-17)能誘導(dǎo)破骨反應(yīng),抑制成骨[3],表明Th17免疫細胞在多種炎癥性和自身免疫性疾病介導(dǎo)的骨性疾病,如OP的發(fā)生與進展過程中起到了重要作用[2,4-5],這一發(fā)現(xiàn)為“骨-免疫”聯(lián)合研究開創(chuàng)了新的思路。

1 IL-17概述

IL-17最早是在1993年首次被科研人員從活化的輔助性T淋巴細胞中發(fā)現(xiàn)的一類炎癥因子譜系,該家族包括6個亞型(IL-17A至IL-17F),其中IL-17A是IL-17族主要的活性亞型。而隨后的研究發(fā)現(xiàn),IL-17經(jīng)上皮細胞、巨噬細胞、中性粒細胞分泌相關(guān)物質(zhì)如RANKL、IL-1β、TNF-α或其他細胞因子刺激下發(fā)揮其致病性,進而在自身免疫性疾病以及腫瘤進展過程中起著重要作用[6-8]。而經(jīng)過近年來在“骨-免疫”領(lǐng)域的深入研究,表明IL-17可通過抑制間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell,MSCs)成骨分化潛能、抑制OB增殖、增強OC分化及骨吸收等作用,介導(dǎo)OP的發(fā)生,證明其在免疫誘導(dǎo)OP中同樣發(fā)揮著重要作用[4]。

2 IL-17對MSCs的影響(圖1)

2.1 IL-17通過相關(guān)蛋白調(diào)控MSCs

MSCs為一類來源于中胚層,具有成骨、成脂分化等多向分化潛能的成體干細胞[9]。轉(zhuǎn)錄因子核因子κB(NF-κB)是炎癥和宿主免疫反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子[10]。IKB激酶(IKK)是一類調(diào)節(jié)NF-κB轉(zhuǎn)錄活性,參與細胞對炎癥的反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑[11]。Chang等[12]研究IL-17介導(dǎo)大鼠MSCs分化實驗發(fā)現(xiàn)IL-17通過提高細胞內(nèi)IKK水平,調(diào)控IKK-NF-κB信號傳導(dǎo),抑制MSCs成骨分化潛力,并減少體內(nèi)骨形成,從而發(fā)揮抗骨形成代謝的作用。而在利用IKK小分子抑制劑(IKKVI)后檢測發(fā)現(xiàn),IKKVI有效地減弱了IL-17對骨礦化的抑制,促進了MSCs介導(dǎo)的大鼠體內(nèi)的骨再生和修復(fù)。Krsti等[13]同樣發(fā)現(xiàn)IL-17A通過增強IKK表達水平,誘導(dǎo)NF-κB因子轉(zhuǎn)錄,激活β-連環(huán)蛋白的泛素化和降解,從而抑制鼠MSCs成骨分化,而抑制IKK-NF-κB能夠極大地增強MSCs介導(dǎo)的體內(nèi)骨形成。通過實驗表明IL-17可有效刺激IKK的表達,抑制MSCs成骨分化,進而抑制骨形成進程。

2.2 IL-17通過相關(guān)信號通路調(diào)控MSCs

Wnt信號通路被認為是骨代謝的主要信號通路,也是關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子之一。國內(nèi)外許多研究證明硬骨素(SOST)作為Wnt信號通路的抑制因子,與OP的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),在骨形成調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。抑制SOST表達可有效增加骨量并降低骨折風(fēng)險[14]。Yavropoulou等[15]通過IL-17體外干預(yù)實驗顯示,實驗組細胞在IL-17體外干預(yù)處理下,MSCs細胞SOST表達水平明顯提高,而MSCs成骨分化進程受到抑制,增強了MSCs向脂肪分化的能力。而特異性IL-17阻斷抗體能夠有效改善IL-17誘導(dǎo)SOST而導(dǎo)致的Wnt信號傳導(dǎo)抑制和骨質(zhì)流失[16]。表明IL-17可刺激MSCs的SOST過表達,進而抑制Wnt經(jīng)典信號通路上調(diào)引起的MSCs成骨分化能力。

3 IL-17對OB的作用機制(圖2)

3.1 IL-17通過相關(guān)蛋白調(diào)控OB

OB起源于骨髓中的MSCs,負責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化。已知骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)是一個分泌型信號蛋白,是形成轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)超家族的一個亞群[17],可通過典型BMP/Smad通路和非典型BMP通路調(diào)節(jié)OB分化,在保持骨穩(wěn)態(tài)、促進骨形成和骨折愈合中發(fā)揮作用[18]。而Zhang等[19]通過小鼠原代成骨細胞實驗證實IL-17抑制BMP誘導(dǎo)堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)的活性,而OB分化的相關(guān)標(biāo)志物表達同樣受抑制。相關(guān)實驗驗證了BMP可誘導(dǎo)ALP來刺激OB的分化,而IL-17通過調(diào)控BMP蛋白,抑制BMP誘導(dǎo)OB分化以及骨礦化形成這一途徑,進一步影響OP發(fā)展。

3.2 IL-17通過相關(guān)信號通路調(diào)控OB

Wnt信號通路已被證明可以防止骨質(zhì)流失并提高骨強度[20]。Dickkopf-1(DKK1)與分泌型卷曲相關(guān)蛋白(SFRPs)是兩個Wnt通路常見抑制因子,而IL-17可有效促進二者在細胞內(nèi)表達,進而抑制Wnt信號通路誘導(dǎo)的OB分化水平[21]。Wnt/β-catenin信號通路是成骨分化的重要信號通路之一,而Dickkopf-1(DKK1)是一類Wnt/β-catenin信號的可溶性抑制劑,可以與Wnt配體競爭性與受體結(jié)合,在骨重塑中起著重要作用[22-23]。Morvan等[24]運用DKK1逆轉(zhuǎn)錄病毒,刺激小鼠骨細胞DKK1過表達,導(dǎo)致OB分化能力和ALP的表達水平顯著降低,致使骨礦化結(jié)節(jié)的形成受到抑制。而通過體外細胞實驗表明IL-17聯(lián)合腫瘤壞死因子(TNF)可有效增強OB中的DKK1 mRNA表達,刺激DKK1分泌,競爭性拮抗Wnt/β-catenin信號傳導(dǎo),從而抑制或降低OB分化活性[25]。SFRPs同樣是一類Wnt信號的拮抗因子譜系。有團隊制作敲除SFRP1一個等位基因的大鼠模型[26],以達到降低SFRP1水平的目的,經(jīng)過系統(tǒng)培養(yǎng)后,再檢測大鼠顱骨OB的數(shù)量,結(jié)果顯示與對照組大鼠相比,降低SFRP1水平的實驗組大鼠OB的凋亡數(shù)量減少48%～56%[27-28]。利用IL-17體外刺激實驗可見,IL-17能夠成功誘導(dǎo)Wnt拮抗因子SFRP1的mRNA表達,提高SFRP1產(chǎn)生,進而抑制Wnt信號傳導(dǎo),以致ALP和骨鈣素mRNA表達降低[29],最終使OB分化及骨礦化能力減弱。SFRP1作為Wnt信號通路的拮抗因子,對維持骨穩(wěn)態(tài)有重要影響,而IL-17可有效刺激SFRP1過表達以拮抗Wnt信號通路,最終抑制OB分化和骨形成過程。

3.3 IL-17通過相關(guān)基因調(diào)控OB

Runx2是調(diào)節(jié)OB分化和激活重要的轉(zhuǎn)錄因子,研究表明IL-17可有效抑制Runx2 mRNA的表達水平[19],抑制Runx2基因啟動子的啟動,干擾Runx2的轉(zhuǎn)錄和表達,從而降低OB分化水平[30]。環(huán)氧合酶-2(COX2)可改善OB凋亡情況,而IL-17刺激可降低COX2 mRNA水平,減少COX2轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致骨折愈合延遲[31]。而Almansour等[32]研究仙人掌乙酸乙酯提取物在治療關(guān)節(jié)炎(CIA)中的抗關(guān)節(jié)炎及骨保護潛力實驗中,檢測實驗組小鼠相關(guān)指標(biāo)可見仙人掌乙酸乙酯提取物處理后的小鼠體內(nèi)IL-17炎性細胞因子水平較對照組有所降低,而COX2 mRNA水平呈上升趨勢,進而改善了COX2表達,刺激成骨分化,也側(cè)面證明了IL-17是影響COX2 mRNA表達的重要細胞因子。各項研究證明,IL-17通過作用于Runx2、COX2等細胞因子基因,影響其表達,可有效起到抑制OB分化水平,從而加速OP進展。

4 IL-17對OC的作用機制(圖3)

4.1 IL-17通過相關(guān)信號通路調(diào)控OC

OC起源于血系單核-巨噬細胞系統(tǒng),是一種特殊的終末分化細胞,是骨吸收的主要功能細胞。ERK/mTOR信號通路是通過調(diào)控自噬進程影響骨代謝的重要信號通路。自噬是一種溶酶體降解過程,可以促進OC增殖、分化以及抑制OC凋亡。有研究顯示,IL-17可通過調(diào)節(jié)ERK/mTOR 信號途徑,誘導(dǎo)OC分化[3]。ERK是MAPK信號通路的關(guān)鍵成分,ERK活化可刺激MSCs成骨分化,而在IL-17的作用下可有效降低ERK水平,進而抑制MSCs成骨,促進OC的分化[3,33]。Aoki等[34]證明自噬活性與OC增殖、分化及存活率呈正相關(guān),而mTOR是自噬途徑的負調(diào)控因子,其激活可有效抑制自噬進程,降低OC的分化與壽命[35]。而Guo等[36]檢測IL-17A抑制劑處理的小鼠體內(nèi)mTOR表達明顯增加。而Zhou等[37]研究也發(fā)現(xiàn)IL-17A可有效降低mTOR的表達活性而使OC分化能力和活性水平得到提升。一系列研究證明了IL-17作用于ERK/mTOR信號途徑促進OC增殖分化。

4.2 IL-17通過相關(guān)蛋白調(diào)控OC

Beclin-1是響應(yīng)自噬活性的關(guān)鍵蛋白,具有調(diào)節(jié)自噬、抗凋亡的作用,在OC形成中起到重要影響。Arai等[38]通過探索自噬與OC分化之間機制實驗,發(fā)現(xiàn)TRAF6介導(dǎo)的Beclin-1對于RANKL刺激破骨細胞分化是不可或缺的。Beclin-1是通過誘導(dǎo)自噬體與溶酶體結(jié)合來促進自噬體的形成[39]。研究表明OC的形成是可通過Beclin-1的上調(diào)而得到促進[40]。有學(xué)者分別以0.01、0.1、1.0 ng/mL濃度IL-17處理小鼠,檢測到處理后小鼠TRAP陽性多核OC數(shù)量以及骨吸收陷窩面積較對照組均有明顯增加,而通過蛋白質(zhì)印跡法檢測自噬相關(guān)蛋白Beclin-1,顯示其表達水平較對照組均有不同程度上調(diào)[41]。實驗證明IL-17可促進Beclin-1自噬關(guān)鍵蛋白表達,增強OC的骨吸收作用及破骨前體細胞向OC轉(zhuǎn)化能力。

4.3 IL-17協(xié)同RANKL誘導(dǎo)OC分化

IL-17具有促炎作用,但單獨存在時的活性差,常需要聯(lián)合其他相關(guān)細胞因子而發(fā)揮作用[42]。幾乎所有IL-17A和IL-17F誘導(dǎo)基因能力都依賴于相關(guān)因子激活。而核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)是由骨細胞、滑膜成纖維細胞、T細胞、B細胞、單核細胞和巨噬細胞等多類相關(guān)細胞產(chǎn)生的一種通過作用于細胞膜受體RANK,具有刺激OC分化成熟的細胞因子[43],RANKL與其特異性受體RANK之間的相互作用決定了OC與單核細胞前體的區(qū)分以及成熟OC的活化[44]。Gravallese等[45]研究發(fā)現(xiàn),在IL-17的作用下,能夠刺激RANKL表達,同時上調(diào)破骨細胞祖細胞、OC表面的RANK活性,促進RANKL與RANK的結(jié)合,而RANKL通過RANK信號誘導(dǎo)激活核因子κB的產(chǎn)生,激活NF-κB通路,刺激OC及其前體活化,并介導(dǎo)破骨前體細胞向OC分化[46-47]。IL-17與RANKL的聯(lián)合作用是誘導(dǎo)OC分化的重要過程。

4.4 IL-17與雌激素缺乏誘導(dǎo)OC骨吸收作用

OP一個重要侵襲對象為絕經(jīng)后的婦女,是因絕經(jīng)后婦女卵巢功能下降導(dǎo)致雌激素(Estrogen,E)水平降低而出現(xiàn)骨質(zhì)流失加速?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明,雌激素水平下降可導(dǎo)致相關(guān)免疫細胞功能活動異常,而免疫系統(tǒng)與骨代謝過程息息相關(guān)。雌激素缺乏可能導(dǎo)致機體出現(xiàn)慢性低炎癥環(huán)境以及促進淋巴細胞和單核細胞的增殖分化,使T細胞壽命增加[48],進而導(dǎo)致如IL-7、IL-15和IL-17等細胞因子水平的提高[1,43]。骨保護素(osteoprotegerin,OPG)是由OB譜系細胞分泌的RANKL拮抗因子,可通過與特異性受體RANK競爭性結(jié)合,抑制RANKL作用[49-50],由上文可知RANKL可誘導(dǎo)IL-17刺激破骨細胞前體向OC分化,故RANKL/OPG之比是確定骨代謝的關(guān)鍵[51]。雌激素缺乏誘導(dǎo)的IL-17增加可導(dǎo)致內(nèi)環(huán)境RANKL水平增加,而雌激素不足卻抑制OB的OPG產(chǎn)生,進而提高機體內(nèi)RANKL/OPG比值,表現(xiàn)出促進骨吸收的效果[43-44]。雌激素缺乏使機體IL-17水平提高,抑制OPG表達及其功能活性,間接誘導(dǎo)RANKL產(chǎn)生,使RANKL/OPG比值增加,增強OC的骨吸收作用。

5 總結(jié)與展望

總之,IL-17是通過作用于MSCs、OB、OC等相關(guān)細胞過程,起到調(diào)控OP進展的一類炎癥細胞因子。根據(jù)國內(nèi)外研究表明,IL-17能夠抑制MSCs成骨分化,抑制OB相關(guān)功能及分化增殖,促進OC分化增殖,從而刺激OP進展過程。通過研究IL-17在OP的作用機制,分析相關(guān)免疫細胞、免疫過程對于OP的影響,為今后二者聯(lián)合治療OP提供新的思路。當(dāng)然,對于IL-17在OP中的作用機制還需進一步具體研究。期望今后可有更多研究成果,為今后的研究及臨床診治提供一個有價值的依據(jù)。