黄烽：炎症与强直性脊柱炎的骨结构破坏

强直性脊柱炎（AS）是一种主要侵犯骶髂关节、脊柱骨突和脊柱旁软组织等中轴结构的慢性、进行性炎性疾病，是脊柱关节病（SpA）中最典型的一种疾病。慢性炎症部位的新骨生成是AS患者影像学结构破坏的标志性特征，也是影响患者机体功能和脊柱活动度的主要因素。该病的另外一个突出特点是患者体内同时存在骨丢失和新骨形成。大量研究揭示，炎症可导致AS患者体内成骨细胞和破骨细胞同时出现异常，是诱发AS骨结构破坏的主要因素，但炎症与骨侵蚀及新骨形成之间的确切关系迄今尚未完全阐明。近来已有多项研究揭示，TNF-α抑制剂治疗AS虽可大大改善患者的临床症状和体征，但其影像学所示的结构破坏（骨赘形成）并未延缓，甚至进一步加重[1-2]。由此看来，炎症与新骨生成之间的关系并非想像的那样简单，现将与AS结构破坏相关的病理过程及相关假说阐述如下。

一、AS骨结构破坏三步曲

AS结构破坏的主要特点是慢性炎症局部新骨生成。AS的炎症通常始于骨和（或）软骨的界面，最常见的初发部位是骶髂关节，进而累及整个脊柱，导致脊柱的侵蚀性结构破坏。这种侵蚀性的结构改变通常发生在疾病早期，不是长期影响患者功能和脊柱活动度的主要原因。对AS患者影响更大的是炎症之后出现的新骨形成过程，它可逐渐导致椎旁韧带钙化、骨桥形成，进而出现脊柱完全或不完全强直及活动受限。因此，新骨生成是AS结构破坏和功能损伤的决定性因素。

在大量研究的基础上，Sieper等[3]将AS的新骨生成过程归纳为3个步骤：①出现急性（活动性）炎症；②炎症导致软骨和骨的侵蚀性结构破坏，最终致骨缺损，纤维组织等疏松的修复性组织填充骨缺损病灶；③病灶中的修复组织骨化，韧带骨赘形成（如果此时炎症消退则骨化过程会更加明显）。其过程前期表现与类风湿性关节炎（RA）的病理过程较为相似。

需要强调的是，新骨生成更易出现在炎症已消退或将消退的部位。AS患者体内的炎症通常是波动性的，可在不同关节之间转移，或同一关节反复出现炎症和炎症消退的转换过程，因此会对修复组织的骨化起到促进作用。与之不同，RA患者的炎症通常是持续性的，且固定存在于特定的关节。二者炎症状态的不同可能是导致结构损伤方式存在差异的重要原因之一。

二、与AS骨结构破坏相关的信号通路

AS的结构破坏涉及多条信号通路的活化，且这些通路之间存在着复杂的相互关联，以下简介几种与AS结构破坏密切相关的途径。

1、NF-κB/NF-κB受体活化因子配基（RANKL）/护骨素（OPG）系统：

研究证实，NF-κB/RANKL信号转导通路对炎性骨丢失过程起着重要的调节作用。在该信号通路的活化过程中，RANKL可与破骨细胞膜上的NF-κB受体活化因子（RANK）结合、激活细胞内NF-κB活化，进而导致破骨细胞分化和炎性骨吸收。

NF-κB/RANKL信号通路的调控：OPG是RANKL的可溶性“诱饵受体”，也是该信号通路的重要抑制因子。它可与RANK竞争性地结合RANKL，干扰RANKL/RANK信号通路的活化，从而抑制破骨细胞的活化。已证实TNF-α是强有力的NF-κB激活剂，可上调RANKL而抑制OPG表达。因此抑制TNF-α可降低破骨细胞的活性，进而减少其介导的骨吸收作用。但芬兰学者Vandooren等[4]发现，TNF-α抑制剂治疗SpA为期12周，虽可显著减轻滑膜炎症，但对滑膜组织切片中NF-κB/RANKL/OPG系统的表达无明显影响，提示在SpA患者中炎症与NF-κB/RANKL/OPG介导的骨侵蚀之间可能存在着“分离现象”。

最近，Schett等[5]利用大鼠的佐剂诱发关节炎模型（AIA）和胶原诱发关节炎模型（CIA）探讨了骨赘生成的动态过程。结果发现，在骨赘出现之前，CIA大鼠和AIA大鼠均出现了小的骨侵蚀病灶以及破骨细胞数量增加，提示骨赘形成继发于炎症和骨侵蚀病灶的产生。大鼠发病27d后，骨赘迅速生长。研究人员在大鼠出现炎症和骨侵蚀改变后（诱导关节炎3d后）用TNF-α抑制剂、OPG阻断TNF-α、RANKL作用，结果显示抑制TNF-α和RANKL均不能抑制骨赘形成，提示一旦关节炎所诱发的新骨生成已经启动，骨赘的生长不再依赖炎症和RANKL介导的骨侵蚀。

2、Wnt/β-catenin信号通路及TNF制动假说：

Wnt/β-catenin信号通路是调节关节重塑的关键因素，对软骨细胞再生和骨折修复等过程均起着重要的调节作用。其中，Wnt是一类分泌型糖蛋白，当它与成骨细胞上的受体结合后可促进细胞内β-catenin向核内转移并与相应转录因子结合，调节靶基因转录。β-catenin是Wnt信号通路中的关键结点，对成骨细胞的分化和功能均起着重要的调节作用，抑制间质干细胞中的β-catenin表达可有效阻止成骨细胞的分化。Glass等还证实，编码OPG的opg基因是β-catenin的靶基因之一，因此Wnt/β-catenin途径活化可上调成骨细胞中OPG表达，进而抑制破骨细胞的分化成熟。

①Wnt/β-catenin信号通路的调控：

DKK-1是Wnt/β-catenin信号通路的天然抑制因子，对Wnt介导的骨重塑过程起关键的调节作用，阻断DKK-1可促进新骨生成的过程。有研究报道[6]，长期AS患者血清DKK-1水平明显低于健康对照组，而RA患者血清DKK-1水平是健康对照组的2倍左右，因此DKK-1表达上的差异很可能影响着AS和RA骨结构破坏的方式。

目前认为，DKK-1对骨重塑的影响主要通过两个机制：首先，DKK-1可直接干扰Wnt/β-catenin通路的信号转导过程，抑制Wnt介导的成骨作用；其次，DKK-1与OPG之间可通过反馈作用相互调节，影响破骨细胞的产生及骨吸收过程。Uderhardt等[7]利用小鼠炎性关节炎模型研究发现，以DKK-1的特异性抗体中和小鼠关节内的DKK-1后，小鼠血清OPG水平明显增加，同时小鼠关节局部的破骨细胞数明显减少，骨吸收作用受到抑制。在进一步的研究中，Diarra等先关节内注射OPG-siRNA抑制OPG表达，然后再给小鼠腹腔注射DKK-1，结果发现小鼠的骨赘生成并未受到影响，但破骨细胞介导的骨吸收明显增强，提示DKK-1的抗骨吸收作用可能是由OPG介导的。反过来，OPG也可调节DKK-1表达。研究人员指出，正是OPG与DKK-1之间这种相互调节作用使得DKK-1至少间接影响着骨吸收的过程。

此外还有证据显示，Wnt/β-catenin信号通路与前列腺素的信号通路之间也存在交叉，前列腺素E2（PGE2）可下调DKK-1和硬骨素、上调Wnt通路。

因此，前列腺素抑制剂如非甾类消炎药（NSAIDs）也可抑制Wnt通路，这可以在一定程度上解释为何NSAIDs可抑制新生韧带骨赘的形成。

②TNF制动假说：

目前已证实，TNF-α是DKK-1的主要诱导因子，可通过激活丝裂素活化蛋白激酶p38（MAPKp38）途径诱导dkk1基因转录。而TNF-α抑制剂可有效下调DKK-1表达，进而促进Wnt途径和其他生长因子如骨形态发生蛋白（BMP）-2等介导新骨形成增加。因此，利用TNF-α抑制剂阻断TNF-α的作用虽可抑制骨吸收，但会促进新骨生成。因此，有学者提出了TNF制动假说，认为TNF-α很可能是一种能抑制新骨生成的“分子制动器”。

最近有研究分析了AS患者的基线期脊柱活动性炎症与2年后韧带骨赘形成之间的关系。结果发现，在基线期MRI显示有椎骨边缘炎症的患者出现新生韧带骨赘的比率为10%，显著高于基线期无炎症者（仅为1.4%），提示新骨生成与炎症关系密切。特别值得注意的是，TNF-α抑制剂治疗后炎症消退的椎体边缘处发生新生韧带骨赘的比率高达27.3%，显著高于在基线期和随访过程中无炎症的椎体边缘（1.7%），表明新骨形成更易出现在炎症已消退的部位。该结果进一步支持了“TNF制动假说”，同时也再次证实了炎症与新骨形成之间的复杂关系。

3、BMP：

BMP属转化生长因子β（TGFβ）超家族的成员，是一种具有高度骨诱导活性的低分子多肽，它可参与骨组织的形成与改建，对骨骼和关节的形成具有重要的调节作用。BMP具有扩散性，可广泛分布在骨基质的胶原纤维、新生骨基质、成骨细胞和骨髓细胞中，是目前发现的唯一能诱导异位成骨（如异位诱导软骨内成骨）的细胞因子，可诱导血管、肌肉和筋膜周围游离的和未分化的间充质细胞以及纤维母细胞，向骨和软骨发生不可逆的分化，从而在皮下及肌肉等非骨骼系统诱导软骨及骨生成。

目前，研究人员至少已发现了20多种BMP，其中BMP-2的成骨作用最强，也是惟一能单独诱导成骨的因子，TNF-α和IL-1等促炎细胞因子均可促进其表达增加。我们的一项研究表明[8]，在活动期AS患者的骶髂关节滑膜组织中BMP-2表达明显增强，而在正常的骶髂关节滑膜组织中BMP-2无表达（P<0.01），提示BMP-2可能在AS患者的病理性成骨过程中发挥一定作用。此外，BMP-7在促进骨修复和骨折愈合方面也具有重要作用。Park等[9]发现AS患者血清BMP-2、BMP-7水平较对照组显著升高，其中BMP-2与AS病情活动指数（BASDAI）相关，BMP-7与脊柱的放射学指数（BASRI-spine）相关，提示血清BMP-7可反映AS患者影像学损伤情况。

BMP的调控：Smads是TGFβ超家族重要的细胞内信号转导分子。目前认为，Smads信号通路是BMPs信号转导中的最重要的通路之一，也是对其研究得比较清楚的通路。当BMP与细胞表面BMP受体结合后，活化的受体可刺激Smads蛋白磷酸化（活化）并向核内转移，调控靶基因转录。noggin是BMP的一种细胞外拮抗剂，可通过与BMPs特异性结合阻止BMPs与细胞表面的受体结合，从而抑制BMPs功能的发挥。据Lories等[10]报道，SpA患者肌腱端标本中磷酸化Smad1和（或）Smad5表达明显增强，提示BMP信号通路已被活化。动物实验也显示，DBA/1小鼠关节强直过程中BMPs表达增加，而BMP拮抗剂——noggin可有效预防和抑制DBA/1小鼠的关节强直。因此，Lories等认为BMP信号途径有可能会成为干预SpA结构损伤的潜在治疗目标。

Lories等认为，在生理状态下，BMP可刺激前体细胞逐步向软骨细胞、肥大软骨细胞和成骨细胞分化，促进软骨内成骨，Wnt途径的活化对这一过程起着重要的促进作用。当局部存在炎症时，TNF-α不仅可刺激BMP途径活化，同时也会上调DKK-1表达，后者反过来会抑制Wnt途径的活化，从而削弱Wnt途径对BMP的支持作用。因此，很可能是TNF-α、BMP和Wnt信号途径之间平衡的变化决定着新骨生成的命运。Ulsamer等还报道，BMPs可激活MAPKp38，通过MAPKp38途径刺激成骨细胞的碱性磷酸酶和骨钙素表达，促进成骨细胞的成骨作用。还有研究发现，Notch信号转导通路可能也参与了BMPs对成骨细胞的调节作用，并且与Smads通路有一定的交叉。

4、骨细胞与硬骨素：

在AS的病理过程中，皮质骨对骨生成作用具有一定的调节作用。但在以往的大量研究中，人们将目光更多地集中在成骨细胞在新骨生成中的关键作用，而忽略了皮质骨的重要组成成分——骨细胞。事实上，骨细胞作为骨的机械应力感受器，不仅可将机械负荷转变为机械信号，还影响着骨的重塑。新近一些研究已开始将骨细胞作为重点研究对象。

硬骨素是一种由骨细胞产生的特异性蛋白质，为硬骨素基因（sost）的蛋白质产物。硬骨素对成骨作用有很强的抑制作用，同时还可促进破骨细胞的活性，因此在调节骨质吸收和新骨生成方面具有重要作用。皮质骨中硬骨素表达降低可启动骨的合成代谢过程、修复骨损伤。Appel等[11]新近发现，AS患者关节周围骨组织的骨细胞中硬骨素表达显著低于RA患者和正常对照组，且患者血清硬骨素水平的降低程度与韧带骨赘形成以及影像学进展情况显著相关，这进一步提示，体内硬骨素水平降低可能促进了AS患者的新骨生成。

硬骨素对新骨生成作用的调节：硬骨素是除DKK-1之外的另一种Wnt通路抑制剂。在体内，硬骨素可选择性地抑制Wnt/β-catenin信号通路，进而抑制成骨细胞的活性、阻断新骨生成的过程。此外，Avsian-Winkler等还发现，硬骨素可通过与BMP受体竞争性结合而减弱BMP途径的信号转导作用，从而抑制BMP介导的成骨作用。

三、AS骨结构破坏新假说：肌腱端应激

肌腱端是指肌腱、韧带、关节囊和筋膜插入骨的部位，包括插入点结构和附着处的骨结构，这些部位的炎症被称为肌腱端炎。最近，英国Leeds大学的McGonagle博士等总结了他们近十年的研究成果，提出肌腱端炎是AS、银屑病关节炎（PsA）等疾病的基本病理改变，在这组疾病的发病机制中处于核心地位。

Benjamin和McGonagle的研究[12]认为，肌腱端不仅仅是一个简单的“连接结构”，而是关节的一个功能部位，应将其视为一个器官——“肌腱端器官”。该器官包括肌腱端及与之相连的组织，如纤维软骨，相邻的肌腱和骨，甚至滑膜。以前认为，滑膜的作用主要就是滋养和润滑骨末端的关节软骨，但现在发现滑膜对肌腱端纤维软骨也具有滋养和润滑的功能。肌腱端与其相邻的滑膜在功能上相互依赖，它们之间的免疫病理关系比我们以前想像得要密切得多，所以应将二者视作一个整体，即“滑膜—肌腱端复合体（SEC）”。这一概念的核心是：肌腱端受到机械性损伤后可触发关节滑膜炎，进而导致关节的退行性病变和SpA，物理应力对正常肌腱端的损伤也可以导致相邻滑膜和骨的炎症反应，这一点与RA的发病机制有很大区别。

动物实验已证实，肌腱端炎的急性炎症过程始自肌腱端周围部位的水肿和广泛的细胞浸润，并扩展至滑膜，进而出现软骨内成骨和关节强直。对人肌腱端的尸检结果也显示，肌腱端炎症可延及邻近的骨并导致广泛的微损伤、血管病变以及骨重建[13]。

McGonagle等应用高分辨率MRI和显微解剖学分析发现，SpA患者的肌腱端上布满了微小的损伤。McGonagle认为，这些微小损伤的产生和修复过程可能介导并参与了SpA的自身免疫反应。因为组织的损伤和修复本身就是一种炎症反应过程，并且修复部位（如肌腱端与骨的界面或邻近纤维软骨的部位）新生血管的形成和血流改变可能会使免疫复合物易于沉积下来，或使机体对受损组织产生自身免疫反应。这些发现为我们提示了一种导致滑膜炎的新机制，并为进一步研究退行性关节病变和SpA提供了新的理论基础。

在总结了大量研究的基础上，Lories等[14]提出了一种关于炎症与SpA关节强直之间关系的新假说，该假说认为生物力学因素导致的肌腱端微小损伤和“肌腱端应激反应”是关节强直的初始诱因，进而肌腱端细胞的活化触发局部组织的急性炎症及组织修复过程。在大多数情况下，这一过程不会引起严重后果，机体可很快恢复原来的稳态；但在病理状态下，如果患者存在SpA的易感因素（如HLA-B27阳性、感染及炎性肠病等）、体内TNF-α水平较高，这种急性的炎症反应可能会转变为慢性炎症，并通过BMP和Wnt等途径介导的成骨作用刺激炎症部位的新骨生成和关节强直。

四、抑制炎症是否能减轻AS骨结构破坏

与炎症密切相关的骨赘和韧带骨赘是导致AS患者关节结构破坏和活动受限的重要因素，但TNF-α抑制剂并不能阻止AS的新骨生成，反而使炎症消退处的新骨生成进一步加重，正是这一矛盾促使人们开始重新审视炎症与新骨生成之间的关系。

目前普遍认可的观点是，TNF-α在AS的新骨生成中的作用较为复杂，它既可触发BMP、Wnt等与骨生成相关的信号途径活化，也能诱导炎症部位的DKK-1表达上调，抑制成骨作用。值得关注的是，对AS的组织病理学研究发现，一旦炎症已经启动，中轴骨骼炎症部位即会出现软骨和骨的损伤及新骨生成，并且如果慢性炎症病灶已存在，TNF-α抑制剂不能阻止AS中慢性病灶的骨化。DBA/1小鼠SpA模型所示的依那西普不能阻止关节强直的发生，以及临床研究所示的TNF-α抑制剂治疗2年对AS患者影像学损伤无明显影响，均支持这一观点。

最近有学者指出，如果TNF-α抑制剂等强效抗炎制剂能够阻止新的炎性病灶的产生，可能会对AS患者的长期影像学进展起到抑制作用。据德国一项长达7年的小样本（20例）回顾性研究报道，依那西普可有效改善AS的临床症状并延缓影像学进展，特别是AS早期使用依那西普治疗可使病情完全缓解，几年内无复发征象。当然这还只是初步的研究结果，要解决上述疑问还需要更长期的、大样本临床研究。关于TNF-α抑制剂对“尚未出现广泛脊柱炎症病灶的早期AS患者”骨结构保护的效果如何，值得期待。

除TNF-α外，另一种重要的促炎细胞因子——骨桥蛋白（OPN）最近也吸引了不少风湿病专家的目光。OPN是最早从骨基质中分离出的一种分泌型磷酸化糖蛋白，广泛存在于骨、肾、肌肉和膀胱等多种组织中。成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞、巨噬细胞、活化的T淋巴细胞、滑膜细胞和血管内皮细胞等均可分泌OPN，进而在骨吸收、骨重塑及动脉粥样硬化等病理过程中发挥一定作用。

目前认为，OPN具有黏附蛋白和促炎细胞因子双重特性，IL-1和TNF-α等炎性介导均可诱导其表达。作为黏附蛋白，OPN可结合于细胞表面及骨组织的羟基磷灰石基质，介导细胞与细胞、细胞与基质间的相互作用，对骨吸收和骨重塑过程均有调节作用。作为促炎细胞因子，它可通过诱导单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）和巨噬细胞炎性蛋白-1β（MIP-1β）等趋化因子促进白细胞向炎症部位迁移。既往关于RA的临床研究已发现，RA患者滑膜组织中有OPNmRNA表达，并且主要分布在侵入关节软骨的血管翳上。动物研究进一步证实，OPN基因缺陷小鼠具有明显的抵抗胶原诱发关节炎的能力，提示OPN在炎性关节炎发病中可能具有重要作用。

在此要特别指出，Choi等[15]的新近研究报道，AS患者血浆中OPN水平显著高于年龄和性别相匹配的健康对照组，并与骨生成标志物碱性磷酸酶、骨钙素以及骨吸收标志物I型胶原C末端肽显著相关，但与AS的病情活动度并不相关。而TNF-α抑制剂虽可有效改善患者的炎症状态，但对血浆OPN水平及骨代谢标志物均无明显影响。这提示OPN与AS骨重塑之间的关系较炎症更为密切，有可能成为调节AS骨重塑过程的潜在靶点，关于这方面的进一步研究成果同样值得期待。

本文作者为中国人民解放军总医院（301医院）风湿科主任医师、教授黄烽。

参考文献：

[1] RUDWALEIT M, LISTING J, BRANDT J, et al. Prediction of a major clinical response (BASDAI 50) to tumour necrosis factor alpha blockers in ankylosing spondylitis[J]. Ann Rheum Dis,2004,63:665-670.

[2] HAIBEL H, RUDWALEIT M, LISTING J, et al. Efficacy of adalimumab in the treatment of axial spondylarthritis without radiographically defined sacroiliitis: results of a twelve-week randomized, double-blind, placebo-controlled trial followed by an open-label extension up to week fifty-two[J]. Arthritis Rheum,2008,58:1981-1991.

[3] SIEPER J, APPEL H, BRAUN J, et al. Critical appraisal of assessment of structural damage in ankylosing spondylitis: implications for treatment outcomes[J]. Arthritis Rheum,2008,58:649-656.

[4] VANDOOREN B, CANTAERT T, NOORDENBOS T, et al. The abundant synovial expression of the RANK/RANKL/Osteoprotegerin system in peripheral spondylarthritis is partially disconnected from inflammation[J]. Arthritis Rheum,2008,58:718-729.

[5] SCHETT G, STOLINA M, DWYER D, et al. Tumor necrosis factor alpha and RANKL blockade cannot halt bony spur formation in experimental inflammatory arthritis[J]. Arthritis Rheum,2009,60:2644-2654.

[6] DIARRA D, STOLINA M, POLZER K, et al. Dickkopf-1 is a master regulator of joint remodeling[J]. Nat Med,2007,13:156-163.

[7] UDERHARDT S, DIARRA D, KATZENBEISSER J, et al. Blockade of Dickkopf (DKK)-1 induces fusion of sacroiliac joints[J]. Ann Rheum Dis,2010,69:592-597.

[8] 李建明, 初同伟, 周跃. BMP-2和bFGF在强直性脊柱炎活动期骶髂关节滑膜组织中的表达[J]. 第三军医大学学报,2008,30:251-253.

[9] PARK MC, PARK YB, LEE SK. Relationship of bone morphogenetic proteins to disease activity and radiographic damage in patients with ankylosing spondylitis[J]. Scand J Rheumatol,2008,37:200-204.

[10] LORIES RJ, DERESE I, LUYTEN FP. Modulation of bone morphogenetic protein signaling inhibits the onset and progression of ankylosing enthesitis[J]. J Clin Invest,2005,115:1571-1579.

[11] APPEL H, RUIZ-HEILAND G, LISTING J, et al. Altered skeletal expression of sclerostin and its link to radiographic progression in ankylosing spondylitis[J]. Arthritis Rheum,2009,60:3257-3262.

[12] BENJAMIN M, MCGONAGLE D. The enthesis organ concept and its relevance to the spondyloarthropathies[J]. Adv Exp Med Biol,2009,649:57-70.

[13] BENJAMIN M, TOUMI H, SUZUKI D, et al. Microdamage and altered vascularity at the enthesis-bone interface provides an anatomic explanation for bone involvement in the HLA-B27-associated spondylarthritides and aillied disorders[J]. Arthritis Rheum,2007,56:224-233.

[14] LORIES RJ, LUYTEN FP, DE VLAM K. Progress in spondylarthritis.Mechanisms of new bone formation in spondyloarthritis[J]. Arthritis Res Ther,2009,11:221.

[15] CHOI ST, KIM JH, KANG EJ, et al. Osteopontin might be involved in bone remodelling rather than in inflammation in ankylosing spondylitis[J]. Rheumatology(Oxford),2008,47:1775-1779.