C反应蛋白在慢性阻塞性肺疾病合并骨质疏松中的研究进展

李秋钰 包文静

1北京大学第三医院呼吸与危重医学科,北京100191;2内蒙古医科大学,呼和浩特010030

COPD是以持续性气流受限和进行性发展为特征的慢性气道阻塞性疾病。COPD不仅具有肺部的炎症反应,还具有全身的炎症改变。COPD往往合并有肺外表现,即COPD的系统性合并症。COPD及其合并症之间相互影响,在病情发展及预后方面具有重要意义[1]。骨质疏松是COPD最重要的系统性合并症之一,大多数人认为COPD的系统性炎症与骨质疏松相关[2],但其中具体的细胞和分子机制尚不明了。骨保护素/核因子-κB受体活化因子的配体/核因子-κB受体活化因子(OPG/RANKL/RANK)系统在破骨细胞的分化中起到关键作用,对维持骨代谢的稳定性具有重要意义,其中RANKL是促进破骨细胞分化的重要分子。COPD所引发的系统性炎症可能通过RANKL/OPG比例失衡导致骨量减少和骨质疏松。C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)作为COPD的确定性标志物,CRP诱导破骨细胞分化取决于其特定构象,本文对近年来CRP在COPD的合并症骨质疏松中的研究进展综述如下。

1 COPD及其合并症骨质疏松

COPD是一组慢性气道阻塞性疾病的统称,以持续性气流受限和进行性发展为特征,其发病率和病死率近年来呈增加趋势。我国的流行病学调查结果显示,50岁以上的COPD的患病率为13.6%[3]。COPD不仅仅与肺组织的病变有关,还与COPD所引发的全身炎症反应及其系统性合并症有关。COPD常与其他疾病同时存在(合并症);COPD及其合并症之间相互影响,在病情发展及预后方面具有重要意义。骨质疏松是COPD最重要的系统性合并症之一。有研究发现COPD患者的骨质疏松(或骨密度降低)程度与COPD病情和肺气肿程度呈明显相关性[4],提示两者之间具有内在联系,但其细胞和分子机制上不清楚。COPD所引发的全身炎症反应可能与包括骨质疏松症在内的合并症相关。研究显示,全球COPD患者的骨质疏松症患病率为38%,与未患COPD的患者相比,COPD患者患骨质疏松症的可能性几乎高出3倍。近来有研究表明低体质量指数和低肌肉质量与COPD患者患骨质疏松症的可能性增加相关[5]。

2 OPG/RANKL/RANK系统对破骨细胞分化的调控

OPG/RANKL/RANK系统对维持骨代谢的稳定具有重要作用,是骨质疏松发病机制中的关键分子。OPG是一种分泌型糖蛋白,具有可溶性。OPG作为RANKL的假性诱导受体,可以与RANKL进行竞争性结合,从而抑制破骨细胞的发育[6-7]。RANKL为含317个氨基酸的糖蛋白,为肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)家族成员,由2部分构成：膜结合型RANKL和可溶型RANKL。成骨细胞和骨髓基质细胞可分泌和表达OPG和RANKL,不仅只有这两种细胞分泌表达OPG和RANKL,在其他组织中也可检测到他们的存在。RANK作为RANKL的主要受体,存在于破骨细胞等细胞表面,其主要功能是当RANKL在破骨细胞表面与RANK结合后,进一步激活其下游分子,从而促进破骨细胞的分化和成熟,抑制破骨细胞的凋亡。已有研究证实,活化的T淋巴细胞可以表达分泌RANKL,促进破骨细胞成熟,发挥骨吸收功能,进而导致骨质疏松[8]。这一机制将免疫反应与骨质破坏和骨质疏松的发生联系在了一起,为我们提供了重要的研究方向。有研究证实,COPD合并骨密度减低的患者外周血血清RANKL水平以及血清RANKL/OPG比值显著升高与COPD患者骨密度降低明确相关,且同时伴有循环IL-6和TNF-α升高,提示可能是由于COPD引发的系统性炎症通过RANKL/OPG比例失衡而导致骨量减少和骨质疏松[9-12]。外周血血清RANKL的升高可能与Th17细胞有关[13-14]。另有研究证明COPD患者外周血中表达RANKL的中性粒细胞比例明显升高[15],同时COPD患者外周血中活化的中性粒细胞比例升高,活化的中性粒细胞表达RANKL的比例明显高于非活化细胞[15]。上述结果表明,COPD患者循环中的中性粒细胞可能通过表达RANKL参与骨质疏松的发病过程,是将肺部的COPD与系统性合并症骨质疏松联系起来的关键环节之一。破骨细胞主要由RANKL驱动骨髓前体细胞分化而来,可直接介导骨吸收导致骨质疏松。

3 CRP与单体CRP(monomeric C-reactive protein,mCRP)的结构与功能区别

CRP是一种典型的人类急性期蛋白,主要由肝脏合成分泌至循环系统中。CRP是首个被发现的人类急性期蛋白和可溶模式识别受体,当机体受到损伤或病菌侵袭感染时其血浆浓度会迅速上升数百乃至上千倍,因而在临床上被广泛用作炎症的非特异性标识。最近的证据表明,CRP不仅作为临床上炎症反应的非特异性标志物,而且有可能作为炎症疾病的潜在诱导因素。CRP在体内存在2种构象：循环天然五聚体CRP和mCRP,不同构象的CRP具有不同的结构和功能活性,而构象的差异是导致前人诸多争议的因素。循环天然五聚体CRP属于五聚体蛋白家族,由5个相同的亚基通过非共价相互作用组装而成。CRP在血液中进行循环,是COPD感染加重,病情恶化的确定性标志物。CRP主要在肝细胞中合成和分解代谢,其在肝细胞中的合成表达,主要通过IL-6在转录水平上进行调节,并且在较小程度上受IL-β和TNF-α的调节[16]。CRP识别面可与磷酸胆碱等配体识别结合,与识别面相对的另一面效应面可与补体C1q和Fcγ受体结合。CRP识别病原体以及补体的后续募集和活化以及对吞噬细胞影响的能力是免疫系统第一道防线的重要组成部分。1983年,Potempa等[17-18]发现并描述,在尿素、螯合钙离子、酸或热条件下,CRP可以不可逆的解离为mCRP。随后的研究发现,多种因素都可造成CRP不可逆的构象变化,比如与受损的细胞膜[19]、淀粉样蛋白聚集体[20]、中性粒细胞外杀菌网络[21]或酸性p H[22]通过相互作用而在发炎组织中形成mCRP。研究认为CRP的解离只在局部发生,在凋亡细胞和活化的血小板上也存在其解离过程[23-26]。随着五聚体结构的解聚,CRP亚基会经历一个自发的不可逆的构象转变,呈现与CRP表位不同的新抗原表位。mCRP表现出新的构象和抗原表位,在这个过程中蛋白质二级结构β折叠减少而α螺旋结构增加,并使位于蛋白质内部的残基暴露出来,能与LDL和补体系统相互作用;特别是C端的198位至206位,被认为是mCRP形成后的新生抗原表位,使得mCRP表现出与原五聚体蛋白不同的生理活性。mCRP具有可以更高效灵活的识别LDL变体[27]、调控补体系统激活[28]和LDL代谢的能力[27];同时笔者在肾脏病领域权威杂志Journal of the American Society of Nephrology上发表一篇研究文章表明,a.a.35-47介导了mCRP与补体H因子的相互作用,补体H因子是替代途径激活的抑制剂,这种相互作用大大增强了补体H因子体外辅助活性,相反针对a.a.35-47的自身抗体可以抑制mCRP的这些行为[29]。同时,mCRP还是多种细胞炎性因子的强刺激分子,并能在短时间内显著上调内皮细胞炎性因子的表达[24,26,30-32]。mCRP很可能代表一种活性增强的 “功能态”CRP异构体。尽管mCRP已被证实具有一定的抗炎潜能,但绝大多数研究表明mCRP具有促炎作用性质并可能有助于预防动脉粥样硬化。CRP存在于血液循环中,mCRP存在于局部的病变炎症组织中。目前为止mCRP的受体尚未完全确定,在人中性粒细胞中mCRP可结合Fcγ-RⅢ(CD16)发挥作用。脂筏是在哺乳动物细胞质膜中普遍存在的特殊膜微域,脂筏中富含胆固醇和鞘脂,在细胞信号转导中起关键作用。有研究确定脂筏为mCRP优先锚定的膜微域[33],在mCRP诱导的促炎应答中发挥重要媒介作用。

4 mCRP通过RANKL调节破骨细胞分化

CRP诱导破骨细胞分化取决于其单体构象。有实验证明,在无RANKL存在的条件下,CRP与巨噬细胞仅具有较弱结合能力并且不能驱动破骨细胞分化,而mCRP能与强烈结合并且能够诱导破骨细胞生成基因TRAP的高表达。OPG/RANKL/RANK信号通路系统作为破骨细胞分化过程中的关键信号转导通路。破骨前体细胞或破骨细胞表面的RANK受体可识别并结合RANKL,从而促进破骨细胞的分化和激活,抑制破骨细胞凋亡。为了明确mCRP是否通过RANKL来驱动破骨细胞分化,有实验测定了经mCRP处理的BDMD转录组。结果显示,mCRP虽显著上调多个破骨细胞分化相关基因,但并未诱导RANKL或其激活型受体RANK的表达,提示经典RANKL通路几乎不参与mCRP介导的下游效应,mCRP诱导破骨细胞分化并不依赖于RANKL。事实上,mCRP诱导的破骨细胞分化相关基因的表达谱与RANKL或脂多糖差异明显且激发了不同的信号通路。由于mCRP和RANKL具有不同的作用方式,研究者尝试寻找两者间是否存在交互及发生相互作用的作用方式,结果显示：当单独作用时,RANKL对破骨细胞分化的促进作用显著强于mCRP;但当联合作用时,RANKL的效应似乎完全消失,而仅体现出mCRP的效应。值得注意的是,五聚体CRP主要在炎症病灶组织中转化为mCRP[34](如类风湿关节炎患者的关节滑膜[35]),因此无论是mCRP单独或与RANKL发生相互作用也应主要发生于病理性破骨细胞分化过程中。近期有研究分别得出了CRP促进和阻止抑制破骨细胞分化的相反言论。一项研究报道,CRP通过诱导RANKL的表达促进人外周血单核细胞的破骨细胞分化[36]。CRP还可在RANKL不存在的情况下单独诱导破骨细胞分化。另一项研究报道CRP通过Toll样受体信号通路抑制Raw 264.7细胞中RANKL诱导的破骨细胞分化[37]。考虑到RANKL在病理性破骨细胞分化过程中的主导作用,我们推测mCRP对病理性破骨细胞分化的总效应可能是阻止抑制性的,即病理性破骨细胞分化中mCRP可能是通过拮抗RANKL来对机体产生保护作用。我们推测mCRP通过物理作用进而对RANKL的活性产生了抑制效应,有研究表明mCRP和RANKL之间的物理作用主要是由胆固醇结合固有序列aa35-47(CBS)介导的。

5 应用

虽然mCRP是一种有效的促炎分子,但它也具有抗炎作用[27-28]。因此,mCRP在疾病中的促进或阻止抑制可能与疾病背景和疾病过程有关。事实上已有报道,mCRP在早期动脉粥样硬化形成中具有保护作用[38]。最近,申请者证实mCRP可能通过募集补体旁路途径重要的刹车因子H因子而在狼疮性肾炎中起保护作用,并且针对mCRP重要的肽段aa35-47的自身抗体会消除这种保护效应从而表现出更差的预后反应[29]。值得注意的是,补体激活失调参与动脉粥样硬化和狼疮性肾炎的发生,这可能解释了mCRP对机体的保护作用。然而,在COPD合并骨质疏松患者中,破骨细胞分化失调是一种重要致病机制,因此mCRP可能通过中和RANKL诱导的破骨细胞生成发挥保护作用。由于体外实验显示mCRP可对RANKL诱导的破骨分化产生抑制作用,同时体内实验中通过拟敲除CRP基因,发现实验结果虽然对小鼠骨稳态无影响,但会显著增加脂多糖诱导条件下骨组织炎性浸润和破骨细胞数目,但上述实验均为体外实验,需要在体内进行验证,同时研究者可以在进一步的实验中考虑引入CRP Knock-in动物模型,在CRP基因过表达的情况下是否对骨破坏和炎症状态发挥其保护作用,对CRP基因的作用进行双向验证。

6 前景

通过认识COPD合并骨质疏松患者中RANKL、CRP、mCRP对破骨细胞分化的影响以及他们之间的相互作用,为进一步探索COPD合并骨质疏松的细胞和分子机制提供科学依据。CRP以构象依赖性方式调节病理性破骨细胞的分化。通过认识COPD合并骨质疏松患者中RANKL与CRP、mCRP的关系,知晓CBS能够通过物理结合的方式中和RAKL的活性,可为将来通过免疫分子途径干预或治疗COPD的合并症骨质疏松提供科学依据。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突