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细胞因子与软骨损伤修复

来源:中华风湿病学杂志 作者:徐卫东张春才孟济明 2004-10-13
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摘要: 关节软骨的损伤修复已成为近年来骨科临床基础研究的一个重要课题。关节软骨组织内没有血管和神经,对创伤、炎症的反应是由软骨细胞、滑膜组织分泌的细胞因子所介导的。已知不仅关节软骨内含有多种细胞因子,而且关节软骨细胞能自分泌多种细胞因子,在关节软骨的损伤修复中起着重要的调节作用。现就骨代谢有关的细胞因子综......


  关节软骨的损伤修复已成为近年来骨科临床基础研究的一个重要课题。关节软骨组织内没有血管和神经,对创伤、炎症的反应是由软骨细胞、滑膜组织分泌的细胞因子所介导的。已知不仅关节软骨内含有多种细胞因子,而且关节软骨细胞能自分泌多种细胞因子,在关节软骨的损伤修复中起着重要的调节作用。现就骨代谢有关的细胞因子综述如下。

  1 骨细胞因子的种类、来源及分布

  关节软骨组织内含有多种细胞因子,如成纤维细胞细胞因子(FGF)、转化细胞因子(TGF)、肿瘤坏死因子(TNF)及胰岛素样生长因子(IGF)等。有些细胞因子在骨基质中的含量极为丰富。Villiger等〔1〕实验证明人关节软骨细胞能分泌三种TGF β及IGF。Heine等〔2〕证明,小鼠胚胎软骨有较强的TGF β阳性染色。作者将FGF作用于培养兔关节软骨细胞,常规免疫组化及免疫电镜研究见TGF β染色强阳性。血管内注射细胞因子对软骨和骨的代谢作用很小。骨内其他细胞,如成纤维细胞、骨髓细胞和血源性细胞也可产生多种细胞因子,广泛参与骨的生理病理过程。

  细胞因子由细胞释放后主要贮存在细胞外的基质内,可以是游离的,也可以与基质内的骨胶原蛋白或某些非胶原类蛋白结合,呈无活性状态。多数细胞因子少量由局部释放进入血液循环,分解清除。在某个时期,软骨或骨是某些细胞因子的主要来源,测定血液中这些细胞因子的水平,可以估计骨或软骨的代谢状况。

  2 骨细胞因子的受体、作用机制及活性调控

  细胞因子的生物学活性是由受体介导的。细胞因子在软骨细胞合成分泌后,多为无活性的前体分子,需要经过特异性的激活才发挥作用。

  细胞因子之间存在基因表达及活性的相互调控。TGF β能促进PDGF的mRNA表达和分泌〔3〕。IL-Ⅰ能诱导PDGF的分泌,而PDGF增加IL-Ⅰ受体表达。作者也发现,FGF能促进TGF β mRNA的表达,诱导间质细胞分化成为软骨细胞,增强FGF对软骨细胞的促进增殖、基质合成作用,更加抑制细胞成熟;TGF β也表现出负反馈的调节作用,能抑制Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成。

  细胞因子之间还存在受体水平的调控。胰岛素不影响IGF-Ⅱ型受体的亲和力,但增加Ⅱ型受体的数目,引起受体上调效应。从而Ⅱ型受体与Ⅰ型受体竞争,使胰岛素与Ⅰ型受体结合减少,抑制了胰岛素的作用。IL-1可使TNF受体下调,而INF-γ、FGF却引起TNF受体上调。

  3 细胞因子对软骨代谢及功能的调节作用

  胰岛素样生长因子是骨组织细胞极其重要的局部调节因子之一。一方面通过内分泌、自分泌或旁分泌方式刺激成骨细胞的分化、增殖及基质的形成,促进骨生长与修复;另一方面通过介导作用,调节成骨细胞和破骨细胞的分化形成及其功能活性,在骨改建偶联过程中发挥着重要作用〔4〕。IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ都可明显地促进多种来源的软骨细胞的分裂增殖和软骨基质的合成〔5〕。如果缺乏IGF,将导致严重的软骨生长紊乱〔6〕。软骨增生区生长板内的软骨细胞有丰富的IGF受体,对IGF的促增殖作用反应敏感。实验研究证实血小板衍生生长因子(PDGF)对骨、软骨细胞有作用。Andrew〔7〕采用免疫组化及原位杂交技术检测了骨折后不同时间PDGF的水平,表明在正常骨折愈合中有表达,推测其很可能是骨折愈合过程中的一种重要调节因子。

  FGF有bFGF和aFGF两种形式,被认为是关节软骨细胞最明显的有丝分裂刺激原和形态原之一,对中胚层来源的细胞包括软骨细胞具有明显的促有丝分裂作用。

  在骨的基质中大量存在FGF,软骨源性细胞因子、软骨诱导因子、软骨肉瘤细胞因子均是FGF的基因表达产物。对培养的软骨细胞,FGF既是有丝分裂原,又是形态原。当局部不加FGF时,关节软骨细胞迅速表现为透明、肥大、钙化或分化为成纤维细胞,失去软骨表现型,合成硫酸软骨素、Ⅱ型胶原的能力大大降低。而加入FGF后,能保持软骨表现型,并且在细胞生长融合时,软骨细胞被基质包围,如同体内软骨组织一样。Kato等〔8〕认为,当软骨细胞生长、分裂活跃时,只有存在FGF,才能保存和维持软骨细胞表现型,甚至将一些已成熟或转化为成纤维细胞的细胞反分化为软骨细胞。

  软骨细胞有一独特的能力即软骨组织通过软骨细胞肥大、透明、成熟以及钙质沉积而骨化,这对骨骼的发育、生长、损伤后的修复是极其重要的。但在关节软骨损伤修复中,过早地钙化以致形成骨赘,导致创伤性骨关节炎。碱性磷酸酶(ALP)是软骨细胞成熟肥大的一个关键指标,在软骨组织中钙沉积等矿化过程中起重要作用。主要基于以下几点:①ALP使焦磷酸盐和ATP失活,而此类物质是磷酸钙晶体沉积生长的生理抑制剂;②ALP水解磷酸酯,提高局部磷酸的浓度;③将ALP从基质中去除,则钙和磷酸的吸收减少;④将ALP的抑制剂左旋咪唑加入培养液,则抑制软骨钙化。FGF是抑制软骨钙化极有效的细胞因子〔8〕。

  在软骨的钙化调节中,蛋白多糖发挥重要的作用。当蛋白多糖含量丰富时,能抑制软骨组织的矿物质沉积和钙化。当关节软骨发生退变、钙化时,蛋白多糖的合成及含量明显下降,这进一步加重了退变性关节炎的发生。而在一些含有FGF非常丰富的组织,如软骨肉瘤、软骨前生长性组织中,始终没有骨化,这也支持了FGF能抑制软骨钙化这一结论。

  胶原是软骨组织中的重要组成成分,对关节软骨发挥特殊的生物力学功能起重要作用。它呈网状结构,由软骨细胞及其他基质成分组成。胶原的破坏、合成降低必然影响软骨组织的结构。作者将从脑中提取的FGF作用于培养兔关节软骨细胞,结果显示FGF能促进关节软骨细胞的增殖、分化及基质合成,但抑制ALP的活性,降低了关节软骨细胞的成熟,维持了细胞的软骨表现型,极大有利于关节软骨损伤后的修复。

  TGF-β家族有20多种同工异构体(isoforms),其中以TGF-β1研究最多,属于具有多种生理功能的多肽细胞因子,参与调节细胞的生长、分化和免疫反应〔9〕。TGF-β在合成初期是一种无活性的大分子复合物,经酸、尿素、蛋白酶及温度升高即被激活。具有生物活性的TGF β,其性质相对稳定,经酸、加热处理不易变性。

  一般认为TGF β对于未分化的细胞是一种促分化细胞因子,诱导间质细胞转化为软骨细胞〔10〕,促进软骨细胞的复制,但对较成熟的软骨细胞则抑制其分化和增殖。对于细胞外基质的钙化,它是一种抑制剂,抑制碱性磷酸酶及骨钙素(osteocalcin)的合成及活性。 Oni〔11〕检测了成人骨折端形成新骨的骨小梁中骨钙素的含量,发现明显增加。从骨组织中分离出的TGF-β1、TGF-β2都可以诱导间充质细胞细胞表达软骨表现型。Guerne等〔5〕实验认为TGF-β是所有有丝分裂刺激原中作用最强的因子,并能被IL-Ⅰ抑制。Kato〔12〕报道TGF β抑制培养中兔关节软骨细胞的终末分化及钙化。Wei等〔13〕检测了各种年龄新西兰兔关节液中TGF β1的水平,发现年龄越小其含量越高,认为TGF β能促进生长和组织愈合。

  细胞因子IL-1、TNF、IFN-γ则对软骨细胞有抑制作用。IL-1、TNF可以抑制软骨细胞的分裂和蛋白多糖的合成。Peter等〔14〕将TNF加入培养兔关节软骨细胞,检测胶原酶的mRNA表达增加。而将其注射兔膝关节腔后,除了其对软骨细胞的直接细胞毒作用外,它还促进胶原酶表达增加,抑制蛋白多糖的合成,使软骨吸收,基质破坏。IL-1和TNF的骨吸收作用在关节炎症及其退行性病变中尤为明显。


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