细胞因子综述

1、骨性关节炎与三种细胞因子白细胞介素 -1(IL-1 、 白细胞介 素 -6(IL-6和肿瘤坏死因子 -(TNF-(综述省中医骨二区 刘岩 指导老师 严大波 万豫尧 刘军 骨性关节炎以中老年人膝关节多见, 主要是关节软骨出现退变及 伴随软内下骨骨质增生。目前,对软骨退变的原因仍然不清楚,虽然 对 OA 关节软骨的退变的原因从不同的角度进行了大量的研究。比 如,软骨下骨骨内高压,软骨酶降解学说,自由基学说,自身免疫反 应学说等。而细胞因子学说是直到八十年代后期才有报道 1, 2,认为 肿瘤坏死因子,白细胞介素 6,白细胞介素 1等细胞因子与软骨下骨 及骨的分解代谢有密切关系,因此它们参与 OA 的

2、发病过程不无可 能。 骨性关节炎以关节软骨的退变为主要病理特征, 关节其它结构 (如 滑膜炎症则参与其病变的进展。正常状态下,关节软骨基质的分解 代谢与合成代谢维持着动态平衡,这一过程可受体内多种蛋白分子 (如生长因子和细胞因子的调控。由于 IL-1、 IL-6和 TNF 是重要 的参与关节滑膜炎性病变及软骨基质降解的细胞因子,而备受关注。 有人用酶联免疫法测定 20例膝关节 OA 患者血清和关节液中肿瘤坏 死因子(TNF-和白细胞介素 6的含量,证明这两种细胞因子参 与了 OA 的发病过程 3。还有学者 4探讨了骨性关节炎患者血清与滑 膜中 IL-1、 IL-6和 TNF-水平变化及关节腔注

3、射透明质酸钠对它的 影响,结果表明治疗前滑膜中 IL-1、 IL-6和 TNF-水平均比血清中 的水平高,说明关节滑膜血管渗出, A 型滑膜细胞(主要为单核巨噬细胞与 T 细胞增值旺盛,产生的 IL-1、 IL-6和 TNF-既作用于 局部,又释放入血。 IL-1、 IL-6和 TNF-均为炎性因子,不但促进 单核巨噬细胞与粒细胞吞噬趋化,释放溶酶、氧自由基、组胺等,还 能诱导 T 细胞和 B 细胞活化,加重免疫损害。关节软骨的组成及代谢特点关节软骨是一种无血管、 神经及淋巴管分布的结缔组织。 由软骨 细胞和细胞外基质组成,软骨细胞约占软骨总容积的 1%,参与基质 的合成与分解。基质由蛋白多糖

4、和胶原纤维及充填于其中的水组成, 其中,胶原占 50%,蛋白多糖占 30%。软骨基质决定了软骨的特性。 关节软骨获取营养首先由滑膜丛将营养物质分泌到清液中, 再由清液 透过基质到软骨细胞。 因此, 凡是影响滑膜及滑液的一切因素都可以 影响关节软骨的营养供给。 滑膜及滑液的生化成份的改变将导致软骨 发生生化方面的改变,以到最后发生软骨的病理改变。同样,软骨病 理及生化方面的改变会通过滑膜及滑液的病理及生化改变反映出来 5。细胞因子的概念及其生理病理作用细胞因子主要是指活化的免疫细胞和某些基质细胞分泌的一种 非特异调节免疫应答和介导炎症反应的小分子蛋白质 , 包括由淋巴细 胞产生的淋巴因子 , 单

5、核 -巨噬细胞产生的单核因子及其他细胞因子 , 如趋化因子、粘附因子、生长因子等 6。目前,人们广泛应用骨性关 节炎的动物模型去获取发病机制。但是,在早期的大量研究中,人们 却忽视了其致炎作用而仅将其列为第二因素, 滑膜炎经常作为实验性骨性关节炎的一个特征。 而现在越来越多的研究工作将建立在生化信 息上的致炎的细胞因子作为研究的中心, 正是这些细胞因子促使软骨 细胞从软骨上降解成蛋白酶。 这样, 蛋白酶抑制剂, 细胞因子抑制剂, 受体阻制抗体和生长 /分化因子被认为是潜在的治疗因子及做为基因 治疗的目标。 尽管还存在一些分歧, IL-1逐渐被认为是骨性关节炎早 期和晚期的关键致炎因子, TNF

6、-也被认为是关节炎早期的致病因 素之一 7。近年来研究发现 8,局部细胞的自 /旁分泌效应对前成骨细 胞的增殖、 分化及成骨细胞和破骨细胞的活动有直接或间接的生理病 理调控作用, 由于这些调控机制的障碍可影响骨代谢及再建过程, 而 使骨形成了骨吸偶联丧失平衡, 导致骨量丢失。 由白细胞产生的骨吸 吸收刺激因子,如白介素 IL 及肿瘤坏死因子 TNF ,均属破骨细胞刺 激因子。这些因子可由多种细胞产生,统称为细胞因子。研究表明, 成骨细胞可以生物合成并分泌多种细胞因子, 它们之间可协调作用增 加骨吸收,尤其在松质骨内,因其局部因子释放增加,不仅增加破骨 细胞及其活性, 也增加与甲状旁腺激素 (P

7、HT 有关骨吸收的敏感性。 通过对骨性关节炎动物模型及临床研究, 进一步证实细胞因子的活性 与软骨破坏及炎症反应的严重程度呈正相关。 而且这些细胞因子的拮 抗物能有效地促进被破坏软骨的修复, 减缓炎症反应的过程及严重程 度 9、 10。骨性关节炎关节组织中细胞因子异常表达及生成白细胞介素 -1(IL-1 :70年代至 80年代初,由白细胞产生的一 些生物流行性物质被定性,其中对 IL-1研究最为深入。 Wood 等到在1983年首先报道了关节炎滑液中有 IL-1存在,并随之发现类风湿性 关节炎和骨性关节炎关节滑液中都可检测到高水平的 IL-1。因此, IL-1的致病作用渐被重视 11、 12。

8、 IL-1有两种,分别称为 IL-1和 IL-1ß,共同作用于同一个受体,发挥类似的生物活性,但其氨基酸 序列仅 1/4有同源性。 IL-1在关节软骨的代谢中有多方面的作用 13, 一方面促进透明软骨型胶原的降解, 一方面促进纤维软骨型胶原的增 生,同时还抑制蛋白聚糖的合成,促进其分解,是介导软骨破坏最直 接的细胞因子。 IL-1与 OA 的关系最先由 Herma 和 Sabiston 发现 13。 他们从 OA 膝关节来源的滑膜中分离出一种软骨分解因子,后来证实 为 IL-1。 OA 滑膜免疫组化染色进一步证实 OA 滑膜中有显著数量的 IL-1存在。而且 OA 滑膜的炎症变化可被

9、 IL-1很好地诱导出来,其 特征为伴单核细胞浸润和纤维化增生的慢性滑膜炎。 OA 软骨组织中 亦有大量 IL-1分布。免疫组化显示,在正常人软骨细胞中, IL-1仅 存在于上层软骨的个别细胞中,但是在 OA 软骨的上半部分细胞及细 胞外基质均可见强阳性的 IL-1和 IL-1ß。OA 软骨中 IL-1介导金属蛋白酶组织抑制因子 -1(tissue inhibitor of metalloproteinases-1,TIMP-1 与金属蛋白酶 (matrix metalloproteinases,MMPs 之间失衡 13,是其引起软骨分解的主要 机制。体外实验证实, IL-1促 MM

10、Ps 合成,抑制 TIMP-1产生,同时 通过胞浆素原激活物(plasmomitogen activator,PA 的分泌,促进 MMPs 的活化,并抑制胞浆素原激活物抑制物(PAI-1的合成 13-15, 导致 OA 中胞浆素和 MMPs 的激活, 进一步加强对软骨破坏作用。 另外,IL-1还有强大的促炎症作用,主要是刺激滑膜细胞合成并释放前列 腺素 E 2(PGE 2引起滑膜炎症和骨的吸收,而且形成的 PGE 2反过来以 进一步加强 IL-1对软骨的分解作用。同进, IL-1介导的 MMPs 的释 放也与滑膜炎有关 13。分离、培养的正常滑膜组织、细胞,只产生微量的 IL-1,一旦受 到脂

11、多糖(LPS 刺激, IL-1的分泌量则显著增加,而骨性关节炎滑 膜细胞, 在列丝裂原或其它因素刺激时, 其上清液中始终可检测出较 高水平的 IL-1, 基中以 IL-1为主。 应用免疫组织化学技术显示, IL-1主要分布于骨关节炎滑膜的衬里层细胞、 软骨与血管翳交界处。 血 管周围淋巴样组织聚集处, 几乎无 IL-1着色反应 11、 12, 这与在类风 关中 IL-1主要见于浸润的血管周围有所不同。 提示类风关和骨性关 节炎参与分泌 IL-1的细胞,受到刺激后分泌 IL-1的过程和机制存有 差异 16。 这种异同性还体现在体外培养的骨关节炎滑膜细胞分泌 IL-1的能力低于类风关滑膜细胞,但两

12、者都可产生高水平的 TNF-,当 单克隆抗体加入培养基时, 类风关滑膜细胞产生 IL-1的能力被降低, 而骨性关节炎滑膜细胞产生 IL-1的能力无变化。 1995年 Van lent研究表现 IL-1峰值出现于关节炎早期而 TNF 峰值出现于晚期,这表 明它们在关节炎不同时期所起的作用于不同 17。正常软骨细胞可见有 IL-1mRNA 的表达,体外培养的正常软骨细 胞只产生少量的 IL-1, LPS 可刺激其分泌量。 而免疫组织化学染色却 发现,只有极少的正常软骨细胞呈现 IL-1阳性反应,这些阳性细胞 仅位于软骨表层。在骨性关节炎软骨组织中,中、上层细胞及基质皆呈 IL-1强阳性反应,说明骨

13、性关节炎时可能存在有某些因素刺激并 加速了 IL-1的转录后过程 18。在骨性关节炎骨赘组织中, IL-1mRNA 表达局限于骨赘膜内成骨处活跃的成骨细胞, 但呈散在的, 并出现于 成骨细胞生活周期的特殊阶段。 骨赘软骨内成骨过程中, 各种类型的 软骨细胞 都未见有 IL-1mRNA 表达 17。 提示软骨细胞 是 IL-1的又 一来源,并且 IL-1直接参与了骨性关节炎病理性增生过程。由于缺乏骨关节炎早期诊断依据,因此对 IL-1异常出现于关节 组织,是骨性关节病变的原因还是病变进展的结果,目前尚不清楚。 白细胞介素 6(IL-6 :又称 B 细胞分化因子,其作用与 B 细胞 功能相关联,在

14、 RA 相关的自身免疫中起调节作用,不直接影响 MMPs 的合成。正常人滑膜免疫组化测不出 IL-6,但在 OA 滑膜衬里细胞及 浸润的单核细胞中可以检测到其存在 31。其在 OA 中的作用尚不十分 明确。在体外实验中 13, IL-6可刺激正常软骨及滑膜细胞前列腺素 和胶原酶的产生,增加 RA 滑膜的成纤维细胞对 IL-1刺激的 MMPs 反 应 19,并推测这一现象也可能适于 OA 。在有成骨细胞和骨髓造血细 胞存在时, IL-6与可溶性 IL-6受体 (sIL-6R 可促进破骨细胞 (OCL 的形成, OCL 在 RA 和 OA 均存在,二者无显著差异,且抗 sIL-6R 抗 体可阻断这

15、一过程 19。骨性关节炎滑液中可检测出 IL-6,早期动物 模型几乎全部滑液标本含有高水平的 IL-620。培养的不同类型的关 节炎症滑膜细胞都见有 IL-6mRNA 表达, 其上清液亦可检测出 IL-6样 活性物质,分泌能力可因 IL-1、 TNF-存在而提高 12。但不同来 源的滑膜细胞对 LPS 刺激的敏感性及分泌 IL-6的动力学不同,骨性关节炎滑膜细胞低于类风关 21。体外软骨细胞可自发地释放 IL-6, 亦随 IL-6和 TNF 的刺激而增高,并存在时间、剂量依赖关系 22。 有人测量了骨性关节炎时滑膜细胞和滑液中的 IL-6,发现其水平和 活性均明显升高且能被 IL-1及 TNF

16、 所诱导。研究表明滑膜细胞是一 潜在的 IL-6资源, IL-6诱导了杂交瘤浆细胞的增殖和免疫球蛋白及 急性期蛋白的合成,且 IL-6的合成能被滑膜细胞所调节。进一步的 研究结果表明 IL-1、 TNF-、 IL-6及基质溶解素活性在骨性关节炎 的人类或动物的软骨细胞中增高,同时和 TNF-刺激蛋白酵素的释 放和酷蛋白酵素在软骨细胞的合成。但 IL-6对基质溶解素本身没有 作用甚至抑制了 IL-1的作用,这也说明细胞因子在调节软骨破坏 及修复机制中起决定性作用 20。骨性关节炎滑膜组织中, IL-6的存在部位与 IL-1、 TNF 相似 16:在骨性关节炎骨赘处,前成骨细胞(骨生成细胞 、新分

17、化的以及分 泌基质的成骨细胞有 IL-6mRNA 表达,而扁平型和非活跃成骨细胞则 缺乏或较低; 在成软骨细胞和软骨细胞中 , 无 IL-6mRNA 表达或很弱。 IL-6mRNA 的表达与基质细胞和成骨细胞分化密切相关。 Farahat 曾测 定关节滑液中产生的 IL-1、 IL-1、 IL-6、 TNF-和上皮生长因 子,证实骨性关节炎患者高于正常对照组。总之, IL-6在 OA 的关节中有双重作用 31, 既促进分解, 与 MMPs 活性相关 15,又促进修复和再生。肿瘤坏死因子 -(TNF- :主要来源于单核巨噬细胞系统 , 其 作用与 IL-1类似 . 在软骨组织中 ,TNF-选择性

18、地抑制软骨胶原的产生 , 抑制蛋白聚糖的合成 , 同时促其降解 , 与 OA 软骨破坏及滑膜炎有 一定关系 23。 TNF-在 OA 病人的滑液中较少见 , 仅少数 OA 病人的滑 液中可测出 TNF-。 OA 软骨免疫组化染色也仅偶尔测出痕量的 TNF-31。 OA 动物模型中 15, OA软骨免疫组化染色其基质及细胞中 TNF-及受体均呈现阳性反应, 且强度与范围和 OA 严重程度相平行。 TNF-与 OA 患者多数 MMPs 活性无明显相关。 但在体外, TNF-与培养的 OA 软骨细胞胶原酶 -3的表达有剂量依赖性关系 23。 TNF 对骨组织上 的生物学效应的研究始于 Bertoli

19、ni 等 (1986年 的实验。 对 TNF 在 骨性关节炎和类风关节发生中的作用, 80年代后期才受到重视。约 有 50%骨性关节炎患者的滑液中可检测不到高水平的 TNF ,主要以 TNF 的形式存在。动物实验表明,骨关节炎早期的滑液中可检测出 高水平 TNF ,其检出率高于人类 28。体外骨性关节炎滑膜组织及分离 培养的骨性关节炎滑膜细胞、滑液中单核细胞可自发分泌高水平的 TNF ,并因刺激因素的存在而增加,但关节滑液中 TNF 含量常低于这 一水平,可能与病程、药物治疗、样本的贮存、检测方法及存在 TNF 抑制因子等到有关。在骨关节炎中, TNF 分布部位与 IL-1相似,主要见于滑膜组

20、织 的衬里细胞层、软骨与滑膜组织的血管翳及少量软骨组织 12、 16、 24。 与 IL-1一样, TNF 与骨性关节炎发生的因果关系尚不甚明了。 TNF 水平的升高除刺激因素作用外, TNF-mRNA 表达及生成过程的 失控, 亦可能性是造成成体内局部性或系统性 TNF 增高乃至发生关节 破坏病变的原因之一。细胞因子在骨性关节炎发病中的作用一般认为骨性关节炎滑膜炎症是继发的, 但滑膜炎症亦可由细胞 因子所诱发,如往正常动物关节腔内注射重组 IL-1(rIL-1 ,可诱 发以单核细胞、纤维渗出为特征的慢性滑膜炎,并且当 IL-1与 TNF 联合应用于关节腔内注射时,可引起滑膜炎的急性和破坏性反

21、应。 进一步实验发现, IL-1刺激滑膜细胞粘附分子(ICAM-1的表达, 使滑膜细胞与浸润性炎性细胞反应增强 25, 从而造成关节软骨生存的 恶劣环境。 纤维结合素则会导致局部不利因素的进一步加重, 并直接 参与诱发软骨细胞表型表达改变及软骨降解 26。IL-1还可促使软骨细胞分泌 PGE 2,参与关节炎症反应,刺激骨 吸收及调节免疫应答反应, 以及刺激成骨细胞样细胞增殖, 导致关节 骨增生性变化 11。但 IL-1对关节软骨细胞代谢的干扰作用主要表现 为抑制透明软骨特征性、型胶原蛋白的合成,促进、型胶原 蛋白的合成,而使软骨细胞变性,抑制软骨细胞合成,蛋白多糖和细 胞增殖。 这种干扰和抑制

22、作用往往比促进软骨的降解作用在骨关节炎 发生过程中显得更为重要 27。 IL-1对关节软骨的降解作用主要表现 为促进软骨细胞合成与分泌金属蛋白酶, 并提高软骨基质中溶解蛋白 分子酶类的活性 32。细胞核 ONCO 基因(c-Fos 、 c-Jun 和 c-Myc 蛋 白产物亦可作为调节因子,通过 IL-1诱导金属蛋白酶基因表达,产 生软骨组织的内部降解。 IL-1还可促使软骨细胞分泌 PGE 2,参与关 节炎症反应, 刺激骨吸收及调节免疫应答反应, 以及刺激成骨细胞样 细胞增殖,导致关节骨增生性变化 11。IL-6是一种多功能的细胞因子, 已知有多种免疫学功能, 软骨细 胞膜有两种 IL-6受

23、体 (IL-6R mRNA 表达, 关节内局部性高水平 IL-6在骨关节炎中的作用, 或许与其影响软骨细胞增殖、 软骨损伤的反应 性,以及增强关节炎性反应和增加由 IL-1诱导的金属蛋白酶的分泌 有关。在骨关节炎和类风关关节滑液中, P 物质与 IL-6水平的增高有显 著相关性, 也许在炎性关节疾病的发生中, IL-6与神经肽类物质起着 同样的重要作用 34。骨性关节炎早期动物模型的滑液中 TNF-明显增高,但未发现 有 IL-1和 IL-1抑制因子存在 28。这一现象提示, TNF-和 IL-1可 能出现于骨性关节炎不同阶段, 并表现有不同的阶段性作用, 或骨性 关节炎的不同阶段, 以某种细

24、胞因子占优势。 深入探索这一过程的发 生、发展,则有助于指导骨关节炎的早期防治。生长因子像胰岛素样生长因子 -1、转变生长因子 -和细胞因子 IL-1, IL-6及转变生长因子 -在内环境稳定及关节软骨降解中扮演重 要角色。 IL-1能够促使水解蛋白酶的生成而抑制 aggrecan 的合成, 于 是直接导致了软骨的降解。 TNF-的作用也大致相同,而 IL-6对软 骨细胞的作用至今人们了解的还不多 29。 有人从 OA 及 RA 患者中得 到的关于致炎细胞因子诱导成纤维细胞的滑膜细胞中的信使核糖核 酸表达的调节能力下降 30。骨性关节炎时细胞因子参与了软骨的破坏及修复以及炎症反应 的证据已相当

25、充分, 而且已发现在骨性关节炎动物模型中用细胞因子(5:595 11PelletierJP,FaureMP,DibattistaJAetal.AmJPathol,1993;142(1:95-105 12MillerVE,RogersK,MuirdenKD.RheumatolInt,1993;13(2:77-82 13Pelletier JP,DiBattistaJA,Routhley p,etal.Cytokines and inflammation in cartilage degradation.Rheum Dis Clin North Am,1993,19:545-568 14 Lotz

26、 M,Blanco FJ,von Kempis J,et al. Cytokine regulation of chondrocyte function.J Rheumatol,1995,43(Suppl:104-108 15Neidel J,Sihulze M,Sova L,et al .P Rractical significance of cytokine detemination in joint fluid in patients with arthroses or rheumatoid arthritis.Z Orthop Ihre Grenzgeb,1996,134:381-38

27、5. 16FarahatMN,YanniG,PostonRetal.AnnRheum Dis,1993;52(7:870-875 17 Van Lent PLEM,Van De Loo FAJ,Holthusen AEM et al.J Rheumatol,1995:22(12:2250 18TikuK,Thakker-VariasS,RamachandrulaAetal.CellImmunol,1992;140 (1:1-20 19Kotake S,Sato K,Kim KJ,et al.Inerleukin-6 and soluble interleukin-6 receptors in the synovial fluids from rheumatoid arthritis patients are responsible for osteoclast-like cell formation.J Bone Miner Res,1996,4:77-84. 20Shinmei M,Masuda K,Kikuchi T et al.J Rheumaetol,1991;18(Suppl 27:89 21 Falus A,Lakatos T,Smolen J.Scand J Rheumatol, 1992;21(3:116-119 12 22 Guneher