类风湿关节炎（RA）患者关节骨质的破坏开始于滑膜和软骨的交接处，此处滑膜增厚，血管和细胞成分显著增多，形成血管翳，侵入软骨，构成血管翳/软骨结合。在RA患者中首次描述骨重吸收是在19世纪，之后由Bromley和Woolley等人在19世纪80年代重新关注，在1998年，Gravallese运用免疫组化和分子技术将RA中破骨细胞（OC）进行了明确详细的定义，OC前体聚集在滑膜-血管翳的交界处，在相关动物模型中也发现了类似的现象。在没有破骨细胞的小鼠中不会出现骨破坏，OC是骨侵蚀发生的关键环节，其骨侵蚀作用主要通过组织蛋白酶K、抗酒石酸酸性磷酸酶（TPAP）、TNF等诱导。研究表明RA患者破骨细胞活性增加并对全身性骨丢失发挥重要作用,并显示RA患者的骨质疏松较健康对照人群增加2倍。通过测定RA患者骨吸收标志物发现其尿中骨吸收标志物升高，提示RA患者OC活性增加、OC在RA骨破坏的重要性。
一、OC与类风湿关节炎
RA是一种以侵蚀性关节炎为主要表现的全身性自身免疫病，影响着全世界1%的人口，高致残率，高死亡率。发病率最高的是北美洲的Chippewa和Pima部落。RA可发生于任何年龄，RA的患病率随着年龄的增长而逐渐增加，以30-50岁为发病的高峰。本病以女性多发，男女患病比例约1:3。我国大陆地区的RA患病率约为0.2%-0.4%。本病表现为以双手和腕关节等小关节受累为主的对称性、持续性多关节炎及滑膜炎。病理表现为关节滑膜的慢性炎症、血管翳形成，并出现关节的软骨和骨破坏，最终可导致关节畸形和功能丧失，可伴随全身关节炎外的表现，如心脏炎、巩膜炎、Felty综合征、脊髓型颈椎病、神经病变、间质性肺疾病、类风湿结节和血管炎，可加速动脉粥样硬化及成为RA的主要死因。正常骨量的维持是成骨细胞（OB）与OC共同作用的结果，OB促进的骨形成与OC导致的骨吸收保持一种平衡状态，骨量才能维持在一个相对稳定状态。RA患者骨代谢的特点是骨吸收增强而骨形成不足。这两者之间的失衡被认为是导致RA患者全身性骨丢失及关节局部骨破坏的主要原因。OC介导骨破坏是通过细胞间相互作用和多种细胞因子调控来实现的，是RA关节破坏的主要原因。
二、OC对骨侵蚀机制
OC来源于造血干细胞，单核-巨噬细胞为其前体细胞经融合形成了巨大多核的OC，是一种直径20-100 μm、含有2-20个细胞核、胞浆富含线粒体、溶酶体、核糖体及高尔基体等细胞器、有伪足和突起的形态不规则的细胞，是体内唯一具有溶解骨组织能力的细胞。骨侵蚀是类风湿关节炎的主要特征，关节骨侵蚀的主要诱因是滑膜炎，细胞因子和自身抗体刺激有骨吸收作用的OC的活化，从而刺激局部骨吸收。成熟的OC通过整合素与细胞外基质蛋白的相互作用，紧贴在骨表面，使OC形成一种特殊的细胞骨架（刷状缘或波状缘），这种细胞骨架在OC与骨之间建立一种孤立的腔隙微环境，通过刷状缘囊泡H+一ATP酶向腔隙输送H+，cl-由刷状膜阴离子通道进入腔隙，使腔隙微环境的pH接近于4-6，这种酸性环境可使钙从骨中溶解，使骨基质中的矿物质松动，并为肌酸激酶（CK）进入腔隙水解有机基质（骨I型胶原等）创造最佳环境。现在已经发现大量促炎症细胞因子对OC影响的证据，促进OC分化或活化的细胞因子：如IL-1、IL-6、IL-8、IL-11、IL-17、TNF-α、Th17细胞等，抑制OC分化或活化的细胞因子：IL-4、IL-10、IL-13、IL-18、IFN-γ、IFN-β；IL-7、IL-12、IL-23。IL-6 和TGF-β具有双重作用，其净效应取决于OC的发育阶段。促炎症细胞因子通过RANK/RANKL/OPG系统，直接或间接作用于OC。
三、OC的信号传导通路
无论在体内或体外，调节因子活化T细胞核因子c1（NFATc1）都是促进OC分化的关键调节因子，它诱导产生OC形成的特异性因子，包括：TNF受体相关蛋白（TRAP）、降钙素受体、组织蛋白酶K。核刺激因子受体配体（RANKL）通过两条通路调节NFATc1的活化：NF-κB/AP-1/c-fos和钙离子信号通路。核刺激因子受体（RANK）与RANKL结合，一方面：RANK募集TNF受体相关因子6（TRAF6），活化NF-κB, Jun氨基末端激酶（JNK）, p38, c-fos和AP-1；另一方面：由RANK通过Btk/Tec 通路，以及OC相关受体（OSCAR）和骨髓细胞触发受体2（TREM-2）通过Fc受体γ链（FcRγ）、DAP12（分子量为12 kDa的DNAX活化蛋白）和Syk信号通路,使胞浆内钙活性升高激活钙调节神经酶，促使产生磷脂酶C（PLC）介导细胞内钙的释放,通过这两条通路诱导NFATc1活化,从而促进OC分化。IL-1与IL-1R1结合，紧贴在MYD88（髓系分化的初级反应基因88）和活化IL-1受体蛋白激酶（IRAK）4，通过磷酸化的IRAK2和IRAK1，激活TRAF6；TNF与受体TNFR1结合，紧贴于肿瘤坏死因子受体相关蛋白DD（TRADD），募集RIP-1（反应蛋白受体）和TRAF2，激活NF-κB、JNK 和p38通路，活化NFATc1促进OC形成，TRAF5 和TRAF6通过激活NF-κB、JNK 和p38通路进一步介导活化NFATc1,促进OC形成。IL-6与IL-6R结合，募集2个糖蛋白130(gp130)分子活化信号传感器，通过gp130、基质金属蛋白酶（MMP），激活转录活化因子（STAT）通路和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路（JNK, p38, ERK）,促进OC形成。
四、RA致骨破坏过程中细胞因子对OC的作用
1.RANKL和骨保护素（OPG）
RANKL和OPG在一些激素（如甲状旁腺激素PTH、雌激素、催乳素、糖皮质激素）和生长因子（如TNF-a、IL-1、IL-6、IL-17、PGE）的影响下诱导产生，可表达于OB和基质细胞（SC）。RANK是肿瘤坏死因子（TNF）受体家族（TNFR）的成员,原本被认为是一种膜结合素，在骨重塑复杂的系统中，RANKL和OPG在骨形成与骨吸收之间动态平衡中起重要作用。生理条件下，RANKL主要来源于OB，病理条件下，主要来源于免疫细胞和滑膜成纤维细胞。RANKL与RANK结合后，形成OC前体的受体，相结合后诱导OC的活化与分化。在体外，巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）与RANKL结合可诱导造血干细胞向OC分化。RANKL结合于RANK，完成细胞内信号转导，激活NF-kB或活化JNK，调节基因表达，促进OC前体分化，诱导OC形成。OPG，是RANKL的可溶性诱饵受体，也属于TNF超家族一员，与RANKL特异性结合可抑制RANKL活性、阻止其与RANK结合。实验证明，在小鼠体内，有针对性的破坏RANKL或者RANK诱导产生OC，发现由于OC分化不足而导致骨量增加。相反的，有针对性的破坏OPG，发现骨量减少，这些结果表明RANK/RANKL/OPG通路在OC体内发育及活化的重要作用。
2.OC与M-CSF
M-CSF是诱导OC分化的一个关键因子，由RA患者滑膜成纤维细胞、成骨细胞、巨噬细胞和T细胞分泌。在小鼠模型中证实的，OP小鼠不表达M-CSF的功能，c-fms（M-CSF受体）基因敲除的小鼠表现为OC少，OB增多，在体外，M-CSF调节OC形成的多个步骤：包括前体细胞的增殖、分化和融合，后期阶段的骨吸收，M-CSF 与其受体c-fms结合，激活ERK-Akt通路，从而促进OC的分化与活化。
3. OC与T细胞
在RA患者滑膜中可检测到存在大量T细胞，它是RA发病机制中的一个重要特征，T细胞的激活诱导RANKL高度表达并最终导致OC对骨产生重吸收作用。1999年，Kong和他的同事发现RANKL高度表达于活化T细胞，并直接作用于OC前体细胞，在体外诱导其培养出OC。然而，T细胞可以产生多种细胞因子，包括干扰素γ（IFN-γ）、IL-4、IL-10γ，对OC分化产生抑制作用。原始CD4+T细胞在不同的细胞因子的作用下产生不同的细胞亚群，Th1与Th2是最主要的两种，Th1由IL-12诱导产生，分泌干扰素γ，参与细胞免疫，Th2细胞主要产生IL-4、IL-5、IL-10，有助于体液免疫，RA在过去被认为是Th1与Th2功能平衡紊乱引起的一种疾病。如Th17细胞最近被确定为一个新细胞亚群受体，其特征是产生促细胞因子，包括IL-17、IL-17F、IL-21、IL-22，由IL-6与转化生长因子β（TGF-β）共同作用诱导产生，直接或间接的影响OC形成。
4. OC与IL-1
IL-1是细胞增殖和分化的关键炎症因子，由活化巨噬细胞和成纤维细胞产生。大多数慢性炎症性疾病都是通过启动、增强全身自身免疫反应，IL-1高度表达于RA患者中，与RA关节损伤相关的研究最多的是IL-1α和IL-1β，这两种亚型只有24%的氨基酸同源，却以同样的亲和力结合于相同的细胞表面受体，发挥相同的生物学作用，但大多数生物学作用都是通过IL1-R1介导。无论在体内还是体外，IL-1都是一种有效的刺激OC分化或成熟的细胞因子。在缺乏IL-1的关节炎动物模型中，可减少OC分化，增加骨密度、骨小梁质量、皮质厚度；绝经后的妇女因为雌激素的下降，导致IL-1水平的提高，更加容易引起骨量丢失，导致骨质疏松。通过诱导OB/SC合成前列腺素E2（PGE2），PGE2作用于OB/SC，使RANKL表达增加，促进OC生成；IL-1和TNF-α参与激活p38和蛋白激酶，增加SC和OC前体上RANKL的表达，促进OC生成；使OC细胞骨架重排，形成刷状缘或波状缘，构成环状封锁带，活化OC。
5. OC与IL-6
IL-6由成纤维细胞和巨噬细胞大量产生，IL-6受体有跨膜性和可溶性两种形式。跨膜性受体是由80-kDa的链组成，特异性作用IL-6和gp130，这种跨膜形式的受体仅在肝细胞、单核细胞/巨噬细胞、SC和其他的白细胞中表达，而gp130表达于所有的细胞；可溶性受体与IL-6结合，使细胞中的gp130不表达跨膜形式的受体，可溶性受体在血清和关节液中都可检测到。IL-6缺乏的小鼠，可以防止卵巢切除后引起的骨量丢失，骨折延迟愈合与OC生成数量减少有关，IL-6的过度表达会促进OC形成和活化，促进骨的重吸收；在人类TNF转基因小鼠中，IL-6R抑制剂[33]减少了炎性关节中OC的形成，减少骨侵蚀。跨膜形式的受体或者可溶性受体与2个gp130分子与IL-6结合后形成一个复合物，导致酪氨酸激酶磷酸化，激活细胞内信号转导，gp130可作用于STAT和MAPK两条信号转导通路，增加OB中RANKL的表达，促进Th17的诱导分泌IL-17，促进OC活化。
6.OC与TNF
TNF包括TNFα、TNFβ两种亚型，因为几种TNF-α抑制剂对治疗RA的巨大成功，使得它重新受到免疫学家和风湿病学者的关注。TNF由成纤维细胞和巨噬细胞产生，NK细胞、肥大细胞、T和B淋巴细胞也可少量分泌，参与炎症和肿瘤引起的骨量丢失，被认为是骨破坏和OC形成的主要刺激因子；TNF有两种细胞表面受体：肿瘤坏死因子受体Ⅰ型（TNFR1）和Ⅱ型（TNFR2），OC及其前体细胞都有表达这两种受体，TNFR1介导TNF大部分生物化学作用，诱导OC分化，TNFR2抑制OC分化。目前认为，主要是增加OB和SC中RANKL和M-CSF的表达，同时，这两者协同作用增加RANK的表达，促进破骨细胞分化，但是TNF作用于OC是否独立于RANKL信号传导通路依然备受争论。TNF与Wnt信号通路相互作用，TNF是Dkk-1的强诱导剂，Dkk-1 提高血清中RANKL/OPG比值，促进OC形成，在使用TNF抑制剂的RA患者中可以发现血清中Dkk-1水平下降。
7.OC与IL-7
红骨髓基质细胞、胸腺、角质形成细胞、滤泡树突状细胞均可促进IL-7活性，在小鼠和人体中起重要作用；在小鼠中，IL-7作用于B细胞，在人体内，作用于T细胞，IL-7R缺乏会导致T细胞数量减少，在体内和体外均为高效的骨吸收诱导剂。IL-7在去卵巢小鼠中诱导T细胞，增加RANKL和TNF表达，在没有炎症情况下，促进OC形成。在RA患者中可检测到高IL-7水平，由巨噬细胞、内皮细胞和成纤维细胞大量分泌，与CD68+巨噬细胞线性相关。IL-7促进RA患者外周血单核细胞分泌Th1和Th17，以及IL-1a、IL-1b、IL-6、IL-8、MIP-1b，促进T细胞分泌TNF-α和IFN-g增加，这些炎症细胞因子在RA患者骨破坏中起重要作用。
8. OC与IL-17/IL-32
(1) IL-17是一种促炎细胞因子，在RA病人的滑膜组织中可以检测到它的表达，诱导产生前列腺素、一氧化氮、细胞因子和趋化因子，如IL-6、IL-8、IL-16、基质细胞衍生因子1（SDF-1）、MMP-3、MMP-1。IL-17诱导巨噬细胞和成纤维细胞产生IL-1和TNF，同时与IL-1协同作用，促使滑膜成纤维细胞炎症介质的释放。IL-17对于RA的发病起到非常重要的作用，由TH17辅助细胞和肥大细胞产生，引起局部炎症反应，产生炎症细胞因子，有效的诱导RANKL表达于OC及滑膜成纤维细胞表面，促使OC生成，同时阻断TREG和IL-4对OC的抑制作用。(2) IL-17诱导RA患者滑膜成纤维细胞产生IL-32，通过NF-κB和PI3激酶通路，使IL-32又能促使CD4+ T细胞活化的Th17细胞分泌IL-17，二者协同诱导OC的分化。IL-32是最新发现的一种细胞因子，最先称为自然杀伤细胞转录因子4（NK4），包括4种剪接变异体：IL-32a、IL-32b、IL-32δ和IL-32g。IL-32g是最活跃的亚型，TNF-α和IL-6可刺激其的表达，在IL-1b、IL-18、IFN-g和TNF-α等炎性细胞因子的刺激下，广泛表达于NK细胞、T细胞、上皮细胞和单核细胞，在RA患者滑膜组织中可大量检测出，但不存在于骨关节炎患者中，用人IL-32注射在小鼠膝关节中，会引起关节的肿胀及软骨损伤。在IL-7、IL-12的作用下，IL-32可促进树突状细胞的成熟与分化，以及提高Th1和Th2细胞的应答。这两者协同参与诱导OC生成及功能的调节，IL-17增加OC前体RANK的表达，并增加对RANKL信号的敏感性，增加骨破坏。有研究报道，IL-32比IL-17对OC诱导作用更大。
9.OC与IL-27
IL-27是IL-12家族（还包括IL-12、IL-23、IL-35）中的一员，属于异二聚体细胞因子，它是由EBI3（EBV诱导蛋白3）和p28亚基组成，IL-27受体是由WSX-1亚单位的异二聚体（也称作TCCR，T细胞的细胞因子受体）和gp130信号亚基组成，具有激活和调节免疫反应的作用，通过抑制Th1细胞、Th17和Th2细胞的分化，部分通过诱导IL-10的分泌。ITAM偶联受体与RANKL共同诱导破骨细胞的分化，①IL-27激活Jak-STAT信号传导通路，诱导单核细胞和巨噬细胞分泌STAT1 ，STAT1激活下游具有抑制OC活性的干扰素；②NFATc1是OC的一个关键调节因子，是OC前体成熟与分化的一个至关重要的驱动基因，IL-27下调RANK和TREM-2的表达，抑制NFATc1的表达；③NFATc1的诱导表达依赖于RANKL诱导激活MAPK 和NF-κB通路，IL-27抑制这条通路，并且抑制RANK的表达，抑制破骨细胞前体上ERK、p38 和NF-κB的活化，抑制OC活性，简而言之，作用机制是通过抑制OC前体对RANKL的应答，抑制骨侵蚀。研究发现，IL-27抑制OC活性具有时间及剂量依赖性，是一个强有力的抑制剂，可以在RA患者OC前体早期分化阶段进行靶向治疗。
10.其他
IL-34可提高单核细胞活性和促进巨噬祖细胞形成，其作用独立于M-CSF。类似于M-CSF，IL-34激活ERK信号转导通路，IL-34在缺乏M-CSF的情况下，促使RANKL诱导破骨细胞形成。IL-34激活ERK-Akt通路，促使OC前体向OC分化。
五、结论
关节的骨破坏是类风湿关节炎的特征，与疾病的诊断、治疗及监测相关，骨破坏是一个不可逆的过程，所以在进入终末期阶段前进行积极的干预是非常重要的；研究显示很多的细胞因子和免疫细胞对OC的形成有影响，参与RA发病的免疫细胞通过直接上调RANKL的表达，或者通过促炎症细胞因子的分泌间接的增加RANKL表达，促进OC形成、分化、活化。RA的早期出现骨质疏松，晚期则出现骨破坏。深入了解破骨细胞的病理过程及骨形成和骨吸收机制，监测及干扰促进破骨细胞活化的细胞因子，有助于早期RA的治疗,防止RA病人残疾及减少死亡率。
(来源：中国骨质疏松杂志，陈红梅)
