中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (21): 3400-3406.doi: 10.12307/2024.082
• 骨与关节综述 bone and joint review • 上一篇 下一篇
肿瘤坏死因子α对骨组织细胞的调节
王 鑫，吾布力卡斯木·米吉提，黄金勇，谢增如
- 新疆医科大学第一附属医院创伤骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830011
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收稿日期:2023-05-27接受日期:2023-07-10出版日期:2024-07-28发布日期:2023-09-28 -
通讯作者:谢增如，主任医师，教授，新疆医科大学第一附属医院创伤骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830011 -
作者简介:王鑫，男，1994 年生，四川省成都市人，新疆医科大学医学在读博士，医师，主要从事骨科方向的研究。 吾布力卡斯木·米吉提，新疆医科大学第一附属医院创伤骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830011 -
基金资助:国家自然科学基金项目(82260409)，项目负责人：谢增如；新疆维吾尔自治区科学技术厅重点项目(2021D01D19)，项目负责人：谢增如；自治区研究生实践创新项目(XJ2023G165)，项目负责人：王鑫
Regulation of bone tissue cells by tumor necrosis factor-alpha
Wang Xin, Wubulikasimu·Mijiti, Huang Jinyong, Xie Zengru
- Department of Orthopedics and Trauma, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830011, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
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Received:2023-05-27Accepted:2023-07-10Online:2024-07-28Published:2023-09-28 -
Contact:Xie Zengru, Chief physician, Professor, Department of Orthopedics and Trauma, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830011, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China -
About author:Wang Xin, Doctoral candidate, Physician, Department of Orthopedics and Trauma, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830011, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China Wubulikasimu·Mijiti, Department of Orthopedics and Trauma, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830011, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China -
Supported by:National Natural Science Foundation of China, No. 82260409 (to XZR); Key Project of Science and Technology Department of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2021D01D19 (to XZR); Postgraduate Practice Innovation Project of the Autonomous Region, No. XJ2023G165 (to WX)
摘要：
文题释义：
肿瘤坏死因子α：属于肿瘤坏死因子超家族成员，早期因其被发现可使肿瘤细胞坏死而得名。包括跨膜型及分泌型，可在单核细胞、巨噬细胞等多种细胞中表达分泌，是一种具有多种生物学效应的炎性细胞因子，广泛参与免疫炎症反应。骨组织：一种坚硬的结缔组织，主要由矿化的骨基质和细胞成分组成，具有支撑和保护的功能。骨基质由有机成分和无机成分构成，比例随年龄增长而改变。细胞成分包括骨祖细胞、成骨细胞、破骨细胞和骨细胞。骨组织细胞间的共同作用使骨组织处于破坏与重构的动态平衡状态。
背景：肿瘤坏死因子α是一种作用广泛的炎性细胞因子，在机体的免疫炎症反应中起重要作用。目前的研究认为，肿瘤坏死因子α对多种骨组织细胞具有显著的生物学效应。
目的：总结肿瘤坏死因子α在成骨及破骨细胞中的表达及作用途径，以进一步阐明肿瘤坏死因子α对骨组织细胞的调控作用。方法：检索截至2023年3月的PubMed及中国知网数据库中的相关文献，中文检索词包括“肿瘤坏死因子α，成骨细胞，破骨细胞，骨细胞，骨祖细胞”；英文检索词包括“TNF-α，osteoblast，osteoclast，osteocyte，osteoprogenitor cell”，并根据研究需要确立相应的标准，对最终所得文献进行筛选，最终纳入77篇文献进行综述。
结果与结论：①肿瘤坏死因子α参与调控了骨祖细胞的募集、增殖与分化，但在特定环境下导致骨祖细胞剥离及死亡。同时通过分泌酶类直接或间接参与骨质吸收。②肿瘤坏死因子α能够通过激活破骨系细胞中相关信号通路，提高环境中炎性因子水平，或在特定环境下直接诱导破骨细胞生成。③肿瘤坏死因子α可通过激活核转录因子κB信号通路，抑制RUNX2和Osterix等转录因子的表达从而抑制成骨分化并诱导成骨细胞的凋亡和坏死性凋亡。④肿瘤坏死因子α通过激活骨细胞中核转录因子κB信号通路，诱导RANKL、SOST及DKK1等细胞因子抑制成骨促进破骨，同时增强骨细胞的凋亡，以及凋亡骨组织周围的骨吸收。⑤综合而言，肿瘤坏死因子α在骨组织中的效应以抑制成骨、促进破骨为主，肿瘤坏死因子α在骨组织细胞中实现生物效应通常依赖于肿瘤坏死因子受体及核转录因子κB信号通路的激活。⑥未来的研究中肿瘤坏死因子α与骨组织周围其他组织细胞类型的交互以及在骨免疫调控中的作用仍值得关注。
https://orcid.org/0000-0001-8537-5300(王鑫)；https://orcid.org/0000-0003-2132-1332(谢增如)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
中图分类号:
引用本文
王 鑫, 吾布力卡斯木·米吉提, 黄金勇, 谢增如. 肿瘤坏死因子α对骨组织细胞的调节[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(21): 3400-3406.
Wang Xin, Wubulikasimu·Mijiti, Huang Jinyong, Xie Zengru. Regulation of bone tissue cells by tumor necrosis factor-alpha[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(21): 3400-3406.
2.1 肿瘤坏死因子α的产生、受体及作用途径 肿瘤坏死因子α基因位于人类的第6号染色体(小家鼠的第17号染色体，褐家鼠的20号染色体)上，该基因由4个外显子和3个内含子组成。肿瘤坏死因子α mRNA翻译后生成相对分子质量27 000的蛋白质，该蛋白与细胞膜紧密结合，称为膜结合肿瘤坏死因子α。膜结合肿瘤坏死因子α通过名为肿瘤坏死因子α 转换酶(TACE)的水解蛋白酶切割后形成相对分子质量17 000的可溶性肿瘤坏死因子α。一般认为膜结合肿瘤坏死因子α以自分泌/旁分泌方式调节生物反应，而可溶性肿瘤坏死因子α通过内分泌方式引起效应[3]。
肿瘤坏死因子α可在全身多种细胞中表达和分泌，具有吞噬功能的单核/巨噬细胞系统是肿瘤坏死因子α的主要来源。部分免疫细胞，如CD4+淋巴细胞、B细胞、肥大细胞及自然杀伤细胞也分泌肿瘤坏死因子α。而在骨组织中，已知成骨细胞及其前体间充质干细胞、破骨细胞及其前体巨噬细胞细胞均可表达肿瘤坏死因子α。
肿瘤坏死因子α可与两种细胞表面肿瘤坏死因子受体结合，即肿瘤坏死因子1型受体和肿瘤坏死因子2型受体。通常认为肿瘤坏死因子1型受体与肿瘤坏死因子α的结合是不可逆的，而肿瘤坏死因子2型受体与肿瘤坏死因子α可以快速的结合及解离。肿瘤坏死因子1型受体可被可溶性和膜结合形式有效激活，而肿瘤坏死因子2型受体主要以膜结合形式激活，与肿瘤坏死因子α亲和力较低。肿瘤坏死因子1型受体的胞质内部分含有死亡结构域，死亡结构域介导细胞毒效应，因此肿瘤坏死因子1型受体主要介导细胞凋亡，参与免疫炎症反应。而肿瘤坏死因子2型受体不含死亡结构域，主要影响细胞的增殖、生存及活化[4-5]。肿瘤坏死因子1型受体与肿瘤坏死因子2型受体的结构域和效应之间存在复杂的相互作用。肿瘤坏死因子1型受体广泛分布于几乎所有种类细胞的胞膜表面，而肿瘤坏死因子2型受体主要表达于在免疫细胞、内皮细胞、神经细胞和各类干细胞表面。目前认为骨细胞、巨噬细胞及破骨细胞同时表达肿瘤坏死因子1型和2型受体，但有关成骨细胞及间充质干细胞是否表达肿瘤坏死因子2型受体仍存争议[4]。相关研究通过对相关受体靶基因进行沉默，发现肿瘤坏死因子2型受体对成骨细胞分化起显著影响[6]，故文章倾向于认为成骨细胞及间充质干细胞同时表达肿瘤坏死因子1型和2型受体。
2.2 肿瘤坏死因子α对骨祖细胞的影响 骨祖细胞也称为前骨母细胞，来源于具有多种分化潜力的间充质干细胞，起源于神经外胚层及中胚层。位于骨皮质内及骨膜下，具有分化为成骨细胞及软骨细胞的能力[7]。近些年来，由于处于成骨分化体系中的细胞缺乏清晰的界限，骨祖细胞在体外模型中的界定也较为模糊，故针对肿瘤坏死因子α对骨祖细胞影响的研究也较少。但就目前已有的文献报道来看，骨祖细胞在肿瘤坏死因子α的影响下偏向于生存抑制、成骨分化抑制及生存促进。
2.2.1 肿瘤坏死因子α调控骨祖细胞的活性与成骨分化 相关研究指出，如在松动假体组织等特定组织环境下，植入物碎片诱导巨噬细胞表达的肿瘤坏死因子α可直接引起骨祖细胞的剥离及死亡[8]。但也有研究指出肿瘤坏死因子α参与了膜内成骨过程中骨祖细胞的募集[9]，或促进骨祖细胞的增殖[10]。此外，虽然既往研究已经提出肿瘤坏死因子α、白细胞介素1β和白细胞介素6等促炎细胞因子均可抑制成骨细胞的分化，但只有肿瘤坏死因子α能够抑制骨祖细胞中的碱性磷酸酶活性，并同时抑制了骨钙素和Runx2的表达，进而减少骨组织基质矿化和胶原合成。上述研究认为肿瘤坏死因子α在炎性细胞因子对骨祖细胞成骨分化抑制中的重要地位[11]。此外，肿瘤坏死因子α还可通过直接调节Wnt和骨形态发生蛋白信号通路，或诱导SOST的自分泌，通过阻碍Wnt和骨形态发生蛋白信号通路的传递来阻碍骨祖细胞的成骨分化过程[12]。
2.2.2 肿瘤坏死因子α促进骨祖细胞参与骨吸收及破骨分化 有研究提出骨组织细胞中除了破骨细胞具有骨吸收能力外，暴露于肿瘤坏死因子α的骨祖细胞也可通过分泌基质金属蛋白酶9,降解骨基质中的胶原蛋白和基质蛋白，主动参与骨吸收过程[13-14]。此效应可能与骨祖细胞中核转录因子κB通路的激活有关[15]。此外，肿瘤坏死因子α 通过刺激骨祖细胞表达核因子κB受体活化因子配体促进破骨细胞分化[16]。
文章总结了肿瘤坏死因子α对骨祖细胞分化的影响研究进展，见表1。
2.3 肿瘤坏死因子α对破骨细胞的影响 肿瘤坏死因子α可通过多种方式作用于破骨及其前体细胞，发挥促破骨效应，主要包括：①增加破骨前体细胞表面促破骨受体的表达；②增强对促破骨细胞因子的敏感性；③激活破骨相关信号通路；④促进成骨系细胞表达促破骨细胞因子；⑤肿瘤坏死因子α与特定种类的细胞因子配合直接促进破骨细胞的生成。破骨细胞作为唯一具有明确骨吸收功能的骨组织细胞，肿瘤坏死因子α的促进效应将使成骨-破骨平衡向破骨方向倾斜。
2.3.1 破骨细胞的分化途径与功能 破骨细胞是骨组织中唯一的一种骨吸收细胞，参与骨组织的改造重塑。早期学界认为，破骨细胞来源于骨髓内的造血干细胞，经造血干细胞-多能祖细胞-髓共同祖细胞-破骨祖细胞的顺序逐步分化，最终破骨祖细胞在细胞因子的作用下融合形成成熟的破骨细胞。最近研究证明，炎症环境下的单核/巨噬细胞也是破骨细胞的重要来源[17]。
2.3.2 肿瘤坏死因子α通过激活相关信号通路促进破骨细胞分化 核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)是激活破骨细胞分化的主要细胞因子。RANKL与肿瘤坏死因子α同属肿瘤坏死因子超家族，RANKL受体核因子κB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)与TNFR同属肿瘤坏死因子受体超家族。包括RANK在内的大多数肿瘤坏死因子受体家族成员与一个称为肿瘤坏死因子受体相关因子的衔接蛋白家族相互作用。当肿瘤坏死因子α与肿瘤坏死因子1型受体结合后，与TRADD、RIP1和肿瘤坏死因子受体相关因子2组合形成蛋白复合物，该复合物激活蛋白激酶复合物IKKs，IKKs随后磷酸化、泛素化并降解IκB蛋白，将核转录因子κB从核转录因子κB/IκB复合物中分离并转移到细胞核内，结合到目标基因启动子区域，启动目标基因的转录[18]。而核转录因子κB信号通路被认为是破骨细胞形成过程中的关键信号通路之一[19]。在已知的肿瘤坏死因子受体相关因子家族成员中，肿瘤坏死因子受体相关因子6在破骨细胞分化中起着关键作用。虽然肿瘤坏死因子1型/2型受体均不衔接肿瘤坏死因子受体相关因子6，但肿瘤坏死因子α诱导肿瘤坏死因子受体相关因子2 信号的表达，肿瘤坏死因子受体相关因子2通过增强 RANK?肿瘤坏死因子受体相关因子6信号通路促进破骨细胞形成[19]。
2.3.3 肿瘤坏死因子α增强RANK/RANKL的表达和效应促进破骨细胞生成 肿瘤坏死因子α可通过环氧合酶/前列腺素 E 途径及促进活化T细胞核因子1/环磷腺苷效应元件结合蛋白与RANKL启动子结合的方式诱导成骨类细胞表达RANKL[20]。此外，当环境内RANKL存在时，肿瘤坏死因子α以剂量依赖性方式增强破骨细胞分化。即使RANKL浓度不足其单独诱导所需浓度的1%，也可以在肿瘤坏死因子α的协助下稳定的进行破骨分化。其机制为肿瘤坏死因子α和RANKL协同激活了应激活化蛋白激酶/c-Jun氨基末端激酶和核转录因子κB信号通路[21-24]。当体内炎症反应严重时，较高浓度的肿瘤坏死因子α通过直接诱导巨噬细胞RANK的表达促进破骨，而在长期慢性的炎症环境中，较低浓度的肿瘤坏死因子α主要通过促使骨髓间充质干细胞等除巨噬细胞以外的细胞分泌RANKL和巨噬细胞集落刺激因子来促进破骨。如果炎症反应逐渐加重，肿瘤坏死因子α浓度增高，则同样促进破骨前体细胞中RANK和集落刺激因子1受体的表达[25]。此时RANKL的表达的增加不再重要，因为正常生理水平的RANKL已经能够导致破骨增加[26-28]。此外，有研究提及肿瘤坏死因子α诱导骨髓间充质干细胞合成RANKL，RANKL也通过激活肿瘤坏死因子α启动子中的 核转录因子κB 位点促进破骨前体细胞中肿瘤坏死因子α mRNA 的转录[29]，提示骨组织中肿瘤坏死因子α与RANKL的表达可能存在相互促进效应，见图3。
2.3.4 肿瘤坏死因子α通过刺激巨噬细胞集落刺激因子的产生促进破骨细胞生成 肿瘤坏死因子α可刺激成骨细胞及间充质干细胞中巨噬细胞集落刺激因子的产生，巨噬细胞集落刺激因子通过激活破骨前体细胞中PI3K/Akt、ERK MAPKs通路促进破骨分化，是破骨细胞分化和存活的重要因素[30-32]。
巨噬细胞集落刺激因子与前破骨细胞表面的集落刺激因子1受体结合，刺激RANK的表达。肿瘤坏死因子α还可刺激间充质干细胞释放白细胞介素7，白细胞介素7可激活T细胞产生巨噬细胞集落刺激因子[33-34]。
2.3.5 肿瘤坏死因子α参与不依赖RANK/RANKL的破骨细胞分化途径 部分研究发现，在没有RANK/RANKL的情况下，通过添加适当的细胞因子，可以在体外产生具备功能的破骨细胞。KOBAYASHI等[35]发现与巨噬细胞集落刺激因子共培养的骨髓来源巨噬细胞(bone marrow-derived macrophages，BMDM)可在肿瘤坏死因子α诱导下形成抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP) 阳性的巨噬细胞，且这种诱导可被肿瘤坏死因子1型受体/肿瘤坏死因子2型受体抗体阻断，不能被RANKL的可溶性诱饵受体骨保护素和RANK抗体所阻断。当炎性因子白细胞介素1α存在的情况下，肿瘤坏死因子α诱导的破骨细胞可在骨质表面形成吸收坑。KIM等[36]提取了RANK-/RANKL?小鼠的脾细胞，在肿瘤坏死因子α、巨噬细胞集落刺激因子和转化生长因子β 的共同作用下生成了TRAP+单核细胞。继续在培养物内添加白细胞介素1后，细胞具备了吸收骨质的能力。此外，O’BRIEN等[37]发现RANK-小鼠的关节炎模型中仍存在骨侵蚀现象和TRAP+细胞，肿瘤坏死因子α与白细胞介素6共同作用可在不依赖RANK的情况下在体内和体外诱导破骨细胞形成。
文章总结了肿瘤坏死因子α对破骨细胞的调控研究进展，见表2。
2.4 肿瘤坏死因子α对成骨细胞的影响 肿瘤坏死因子α对成骨细胞的作用概括来看包含2种，生存抑制和分化抑制。通过直接促进处于不同分化阶段的成骨细胞发生凋亡及坏死性凋亡发挥直接杀伤作用，效应的强度受到环境及分化程度的影响，分化程度越高的成骨系细胞效应越显著。同时通过激活多种相关信号通路，抑制成骨相关转录因子，抑制成骨系细胞的成骨分化。
2.4.1 成骨细胞的分化途径与功能 成骨细胞在骨组织的生长改建及骨量维持等方面发挥至关重要的作用。成骨细胞能够产生以Ⅰ型胶原蛋白为主的多种骨基质蛋白。骨基质蛋白以未矿化的类骨质形式分泌后，通过磷酸钙的作用以羟基磷灰石的形式累积矿化。成骨细胞来源于具备多分化潜能的间充质干细胞，通过表达转录因子Runx2和成骨细胞特异性转录因子(Osterix)，经骨祖细胞-前成骨细胞转变为成熟的成骨细胞[38]。
2.4.2 肿瘤坏死因子α通过TNFR1/R2调节成骨细胞分化 已知肿瘤坏死因子α显著抑制胎鼠颅顶细胞、MC3T3-E1(clone14)成骨细胞系及人类间充质干细胞的成骨分化。TNFR1是介导肿瘤坏死因子α抑制成骨分化效应的主要受体，因为肿瘤坏死因子1型受体缺陷型间充质干细胞失去了对肿瘤坏死因子α抑制成骨作用的响应。与之相对，野生型或肿瘤坏死因子2型受体缺陷型在与肿瘤坏死因子α共同培养时，出现了矿化结节、碱性磷酸酶及骨钙素表达的不可逆性降低，而肿瘤坏死因子2型受体的存在降低了细胞对肿瘤坏死因子α的敏感性[39]。肿瘤坏死因子1型受体抑制成骨分化的效应可能与其激活核转录因子κB通路抑制转录因子RUNX2和osterix的表达有关，与细胞活力和细胞凋亡无关。
肿瘤坏死因子2型受体在成骨分化中的作用是复杂的，一方面肿瘤坏死因子2型受体可以通过与配体的快速结合/解离提高肿瘤坏死因子1型受体周围肿瘤坏死因子α的浓度，即所谓的“配体浓缩效应”，以此促进肿瘤坏死因子1型受体的表达[40-41]。另一方面，肿瘤坏死因子1型受体和肿瘤坏死因子2型受体作为膜受体也可以通过TACE转化为可溶性形式(sTNFR1和sTNFR2)，sTNFR2可与肿瘤坏死因子1型受体竞争性结合肿瘤坏死因子α。此外，在一定的肿瘤坏死因子α浓度范围内，可能存在一种基于TRAF信号传导复合物亲和力的调节机制，肿瘤坏死因子2型受体充当信号抑制器，减弱或改变同一细胞中肿瘤坏死因子1型受体的效应强度[42-44]。
2.4.3 肿瘤坏死因子α通过降低Runx2的表达抑制成骨细胞分化 Runx2是骨形成中必不可少的转录因子，Runx2敲除(Runx2-/-)的小鼠不能形成骨骼。人类Runx2基因单倍体突变会导致锁骨颅骨发育不全综合征(cleidoc-ranial dysplasia，CCD)。RUNX2可直接激活编码骨基质蛋白的基因，如Ⅰ型胶原α1、骨桥蛋白、整合素结合唾液酸蛋白、骨γ-羧基谷氨酸蛋白2和纤连蛋白1[45]。Runx2诱导其他下游转录因子的表达，例如 Osterix 。Runx2 和 Osterix 的表达使间充质干细胞向骨祖细胞分化，促进碱性磷酸酶和 Ⅰ 型胶原蛋白分泌，最终使细胞转变成熟的成骨细胞。Runx2基因包含2种含有独立引物和启动子(P1，P2)的亚型(MASNS和MRIPV)。较短亚型P2/MRIPV在间充质干细胞的分化早期表达，且表达更具组成性。较长亚型P1/MASNS的表达随间充质干细胞向成骨细胞转化而逐渐增加[46]。GILBERT等[47]发现肿瘤坏死因子α可抑制胎鼠颅顶细胞和MC3T3-E1(clone 14)细胞中Runx2基因启动子的活性，降低mRNA的转录水平和稳定性。其中MRIPV mRNA表达被抑制大于90%，MASNS mRNA被抑制达50%，这说明肿瘤坏死因子α阻断了间充质干细胞向成骨细胞分化的早期进程。肿瘤坏死因子α 介导的 Runx2 抑制依赖于 核转录因子κB，但对 Runx2下游靶标 Osx 的抑制与 核转录因子κB 无关。此外，肿瘤坏死因子α可能通过影响ERK1/2-Runx2信号通路从而抑制牙周膜干细胞的成骨分化[48]。
2.4.4 肿瘤坏死因子α通过IKK/核转录因子κB及核转录因子κB/SMAD信号通路抑制成骨分化 如前文所述，肿瘤坏死因子α与受体结合后激活IKKs，进而激活核转录因子κB信号通路。核转录因子κB通路通过诱导 Smad泛素化调节因子1和2促进β-连环蛋白的泛素化和降解，显著抑制间充质干细胞的成骨分化[49-51]。ELISEEV等[52]通过构建腺病毒载体过度表达mIκB(磷酸化位点突变的IκBα，与核转录因子κB结合牢固)，在人成骨肉瘤细胞Saos2中抑制核转录因子κB的表达。Saos2细胞表达了更高的成骨表型基因，如碱性磷酸酶、Runx2和骨钙素。
骨形态发生蛋白是转化生长因子 β超家族的一个亚群，在生物体内具有广泛功能，是已知最强大的异位骨化诱导剂之一，在体外细胞培养中碱性磷酸酶、甲状旁腺激素受体、Ⅰ型胶原α1和骨钙素的表达，促进包括间充质干细胞在内的多种细胞/细胞系向成骨细胞分化。骨形态发生蛋白与胞膜表面受体结合后磷酸化特异性信号蛋白 Smad1/5/8，磷酸化的 Smad1/5/8与Smad4形成复合物入细胞核，引起下游靶基因的转录。核转录因子κB 的激活通过减弱 Smad1 活性来抑制骨形态发生蛋白2 诱导的成骨细胞分化[53-55]，此外，核转录因子κB p65 亚基可以与细胞核中的 Smad1?Smad5 复合物相互作用并破坏其与靶启动子的结合。使用核转录因子κB拮抗剂阻断肿瘤坏死因子α对核转录因子κB 的激活，可阻止肿瘤坏死因子α抑制 骨形态发生蛋白2诱导的Runx2 mRNA 表达和MC3T3?E1 成骨分化的效应[56-57]。结合前文内容可以发现，核转录因子κB信号通路在肿瘤坏死因子α介导的抗成骨分化作用中处于中心地位，通过阻断核转录因子κB 通路能够抑制肿瘤坏死因子α的抗成骨分化效应，见图3。
2.4.5 肿瘤坏死因子α促进成骨细胞发生凋亡和坏死性凋亡 肿瘤坏死因子α的促凋亡效应与成骨细胞所处环境及成骨细胞的分化成熟程度密切相关，例如低血清环境下肿瘤坏死因子α的促凋亡效应更加明显[58-60]。肿瘤坏死因子α对成骨细胞凋亡的影响也取决于细胞中的Runx2水平。肿瘤坏死因子α通过肿瘤坏死因子1型受体抑制低Runx2表达的骨祖细胞增殖，促进高Runx2表达的成熟成骨细胞凋亡，差异原因可能是低表达的Runx2下调了细胞凋亡过程中的中枢调节因子Bax的表达，缓解了肿瘤坏死因子α诱导的细胞凋亡[61-62]。此外，有研究提到肿瘤坏死因子α增加了人成骨细胞表面Fas的表达，显著增强Fas介导的成骨细胞凋亡。而通过药物增强成骨细胞的自噬可能对凋亡具有一定缓解作用[63-64]。当肿瘤坏死因子α诱导的细胞凋亡被药物抑制时，肿瘤坏死因子α则会诱导成骨细胞发生坏死性凋亡[65-66]。
文章总结了肿瘤坏死因子α对成骨细胞的调控研究进展，见表3。
2.5 肿瘤坏死因子α对骨细胞的影响 既往对于骨细胞的研究由于缺乏广泛认可的细胞系及相对苛刻的培养条件而面临较多困难。但由于骨细胞在骨组织中的绝对多数及重要的生理功能，使肿瘤坏死因子α对骨细胞的调控作用难以被忽略。在所有已知的炎性细胞因子中，肿瘤坏死因子α对骨细胞的效应是显著的，包括诱导其凋亡引起破骨促进效应，或通过促进骨细胞表达相关细胞因子发挥间接调控效应。 可预见肿瘤坏死因子α对骨细胞的调控作用仍需在后续的研究中不断探索。
2.5.1 骨细胞的的分化途径与功能 骨细胞是骨组织中最丰富的细胞类型(90%-95%)，来源于经历成骨细胞分化的间充质干细胞，外观呈星形/树突状形态。骨基质中的骨细胞通过胞质凸起与相邻的骨细胞构成微小而密集的管隙系统，促进小信号分子，如前列腺素和一氧化氮等炎性因子在细胞间转运传播，从而使骨细胞在炎症调节中发挥重要作用。同样，得益于庞大的数量和表面积，管隙系统内流动的间质液使骨细胞可以感受并传递外界的机械压力，使骨细胞具有机械力传感器的功能。此外，骨细胞还承担至关重要的内分泌及调节其他骨组织细胞生理活动的功能[67]。
2.5.2 肿瘤坏死因子α增强骨细胞中RANKL的表达促进破骨 肿瘤坏死因子α可通过诱导骨细胞中RANKL mRNA的上调促进破骨。将肿瘤坏死因子α处理的骨细胞和肿瘤坏死因子1型受体/肿瘤坏死因子2型受体缺陷的破骨前体细胞共培养，可导致破骨细胞数量显着增加，且此现象可在添加骨保护素后消失，而没有经过肿瘤坏死因子α处理的骨-破骨前体细胞共培养未出现破骨细胞。证明肿瘤坏死因子α通过增强骨细胞中RANKL的表达促进破骨细胞生成，而这一效应是通过激活ERK/JNK/p38 MAPKs和核转录因子κB信号通路实现的[68]。值得一提的是，尽管RANKL可被多种类型细胞表达，但有部分研究指出，骨细胞分泌的RANKL与生理性骨吸收的关系最为密切[69]。
2.5.3 肿瘤坏死因子α增强骨细胞中SOST和DKK1的表达抑制成骨 肿瘤坏死因子α可诱导骨细胞分泌骨硬化素和Dickkopf相关蛋白1。骨硬化素和Dickkopf相关蛋白1 通过抑制Wnt /β-catenin通路对成骨细胞分化和活性的促进作用来减少骨形成，导致广泛性骨质流失，而抑制核转录因子κB信号传导可抑制骨硬化素的分泌[70-71]。
2.5.4 肿瘤坏死因子α增强骨细胞的凋亡及凋亡骨细胞诱导的骨吸收 近年来，肿瘤坏死因子α诱导骨细胞凋亡的现象在众多研究中被提及，其与地塞米松及依托泊苷等常在研究中被用来诱导骨细胞凋亡。成骨细胞和骨细胞等成熟分化的细胞，比骨膜成纤维细胞和周围的骨祖细胞等未成熟细胞，对肿瘤坏死因子α诱导的凋亡更加敏感。施加外界应力可以显著抑制肿瘤坏死因子α诱导的骨细胞凋亡，可能由于骨细胞在应力作用下迅速释放少量一氧化氮抑制了人半胱氨酸蛋白酶3的活性[72-73]。这表明骨细胞凋亡在调节骨重塑过程中的破骨细胞骨吸收效应中起重要作用，尤其是在应力负荷条件下。但有研究提及在无血清培养环境下，肿瘤坏死因子α失去了对小鼠骨样细胞(MLO-Y4)中与凋亡相关半胱天冬酶3/7活性的影响[74]，说明肿瘤坏死因子α的促凋亡效应可能与细胞所处环境相关。
已凋亡的骨细胞可以刺激破骨细胞的生成。KOGIANNI等[75]发现骨细胞凋亡体可诱发破骨细胞生成和骨吸收反应，此类反应的出现不依赖于RANKL，而在体外和体内添加肿瘤坏死因子α中和抗体可显著阻断这一反应，因此抑制骨细胞的凋亡被认为具有治疗骨质丢失/疏松的潜在价值。双膦酸盐和降钙素类药物，以及肿瘤坏死因子受体/配体超家族成员CD40/CD40L，都被报道显著抑制了肿瘤坏死因子α诱导的MLO-Y4细胞的凋亡[76-77]。同时，凋亡的骨细胞促进周围的骨细胞和巨噬细胞分泌多种炎性及生长因子，如 RANKL、肿瘤坏死因子α、白细胞介素1β、白细胞介素6、白细胞介素8和血管内皮生长因子，这些细胞因子均被认为促进了破骨细胞的生成[69]，见图4。
文章总结了肿瘤坏死因子α对骨细胞的调控相关研究进展，见表4。
肿瘤坏死因子α可在全身多种细胞中表达和分泌，具有吞噬功能的单核/巨噬细胞系统是肿瘤坏死因子α的主要来源。部分免疫细胞，如CD4+淋巴细胞、B细胞、肥大细胞及自然杀伤细胞也分泌肿瘤坏死因子α。而在骨组织中，已知成骨细胞及其前体间充质干细胞、破骨细胞及其前体巨噬细胞细胞均可表达肿瘤坏死因子α。
肿瘤坏死因子α可与两种细胞表面肿瘤坏死因子受体结合，即肿瘤坏死因子1型受体和肿瘤坏死因子2型受体。通常认为肿瘤坏死因子1型受体与肿瘤坏死因子α的结合是不可逆的，而肿瘤坏死因子2型受体与肿瘤坏死因子α可以快速的结合及解离。肿瘤坏死因子1型受体可被可溶性和膜结合形式有效激活，而肿瘤坏死因子2型受体主要以膜结合形式激活，与肿瘤坏死因子α亲和力较低。肿瘤坏死因子1型受体的胞质内部分含有死亡结构域，死亡结构域介导细胞毒效应，因此肿瘤坏死因子1型受体主要介导细胞凋亡，参与免疫炎症反应。而肿瘤坏死因子2型受体不含死亡结构域，主要影响细胞的增殖、生存及活化[4-5]。肿瘤坏死因子1型受体与肿瘤坏死因子2型受体的结构域和效应之间存在复杂的相互作用。肿瘤坏死因子1型受体广泛分布于几乎所有种类细胞的胞膜表面，而肿瘤坏死因子2型受体主要表达于在免疫细胞、内皮细胞、神经细胞和各类干细胞表面。目前认为骨细胞、巨噬细胞及破骨细胞同时表达肿瘤坏死因子1型和2型受体，但有关成骨细胞及间充质干细胞是否表达肿瘤坏死因子2型受体仍存争议[4]。相关研究通过对相关受体靶基因进行沉默，发现肿瘤坏死因子2型受体对成骨细胞分化起显著影响[6]，故文章倾向于认为成骨细胞及间充质干细胞同时表达肿瘤坏死因子1型和2型受体。
2.2 肿瘤坏死因子α对骨祖细胞的影响 骨祖细胞也称为前骨母细胞，来源于具有多种分化潜力的间充质干细胞，起源于神经外胚层及中胚层。位于骨皮质内及骨膜下，具有分化为成骨细胞及软骨细胞的能力[7]。近些年来，由于处于成骨分化体系中的细胞缺乏清晰的界限，骨祖细胞在体外模型中的界定也较为模糊，故针对肿瘤坏死因子α对骨祖细胞影响的研究也较少。但就目前已有的文献报道来看，骨祖细胞在肿瘤坏死因子α的影响下偏向于生存抑制、成骨分化抑制及生存促进。
2.2.1 肿瘤坏死因子α调控骨祖细胞的活性与成骨分化 相关研究指出，如在松动假体组织等特定组织环境下，植入物碎片诱导巨噬细胞表达的肿瘤坏死因子α可直接引起骨祖细胞的剥离及死亡[8]。但也有研究指出肿瘤坏死因子α参与了膜内成骨过程中骨祖细胞的募集[9]，或促进骨祖细胞的增殖[10]。此外，虽然既往研究已经提出肿瘤坏死因子α、白细胞介素1β和白细胞介素6等促炎细胞因子均可抑制成骨细胞的分化，但只有肿瘤坏死因子α能够抑制骨祖细胞中的碱性磷酸酶活性，并同时抑制了骨钙素和Runx2的表达，进而减少骨组织基质矿化和胶原合成。上述研究认为肿瘤坏死因子α在炎性细胞因子对骨祖细胞成骨分化抑制中的重要地位[11]。此外，肿瘤坏死因子α还可通过直接调节Wnt和骨形态发生蛋白信号通路，或诱导SOST的自分泌，通过阻碍Wnt和骨形态发生蛋白信号通路的传递来阻碍骨祖细胞的成骨分化过程[12]。
2.2.2 肿瘤坏死因子α促进骨祖细胞参与骨吸收及破骨分化 有研究提出骨组织细胞中除了破骨细胞具有骨吸收能力外，暴露于肿瘤坏死因子α的骨祖细胞也可通过分泌基质金属蛋白酶9,降解骨基质中的胶原蛋白和基质蛋白，主动参与骨吸收过程[13-14]。此效应可能与骨祖细胞中核转录因子κB通路的激活有关[15]。此外，肿瘤坏死因子α 通过刺激骨祖细胞表达核因子κB受体活化因子配体促进破骨细胞分化[16]。
文章总结了肿瘤坏死因子α对骨祖细胞分化的影响研究进展，见表1。
2.3 肿瘤坏死因子α对破骨细胞的影响 肿瘤坏死因子α可通过多种方式作用于破骨及其前体细胞，发挥促破骨效应，主要包括：①增加破骨前体细胞表面促破骨受体的表达；②增强对促破骨细胞因子的敏感性；③激活破骨相关信号通路；④促进成骨系细胞表达促破骨细胞因子；⑤肿瘤坏死因子α与特定种类的细胞因子配合直接促进破骨细胞的生成。破骨细胞作为唯一具有明确骨吸收功能的骨组织细胞，肿瘤坏死因子α的促进效应将使成骨-破骨平衡向破骨方向倾斜。
2.3.1 破骨细胞的分化途径与功能 破骨细胞是骨组织中唯一的一种骨吸收细胞，参与骨组织的改造重塑。早期学界认为，破骨细胞来源于骨髓内的造血干细胞，经造血干细胞-多能祖细胞-髓共同祖细胞-破骨祖细胞的顺序逐步分化，最终破骨祖细胞在细胞因子的作用下融合形成成熟的破骨细胞。最近研究证明，炎症环境下的单核/巨噬细胞也是破骨细胞的重要来源[17]。
2.3.2 肿瘤坏死因子α通过激活相关信号通路促进破骨细胞分化 核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)是激活破骨细胞分化的主要细胞因子。RANKL与肿瘤坏死因子α同属肿瘤坏死因子超家族，RANKL受体核因子κB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)与TNFR同属肿瘤坏死因子受体超家族。包括RANK在内的大多数肿瘤坏死因子受体家族成员与一个称为肿瘤坏死因子受体相关因子的衔接蛋白家族相互作用。当肿瘤坏死因子α与肿瘤坏死因子1型受体结合后，与TRADD、RIP1和肿瘤坏死因子受体相关因子2组合形成蛋白复合物，该复合物激活蛋白激酶复合物IKKs，IKKs随后磷酸化、泛素化并降解IκB蛋白，将核转录因子κB从核转录因子κB/IκB复合物中分离并转移到细胞核内，结合到目标基因启动子区域，启动目标基因的转录[18]。而核转录因子κB信号通路被认为是破骨细胞形成过程中的关键信号通路之一[19]。在已知的肿瘤坏死因子受体相关因子家族成员中，肿瘤坏死因子受体相关因子6在破骨细胞分化中起着关键作用。虽然肿瘤坏死因子1型/2型受体均不衔接肿瘤坏死因子受体相关因子6，但肿瘤坏死因子α诱导肿瘤坏死因子受体相关因子2 信号的表达，肿瘤坏死因子受体相关因子2通过增强 RANK?肿瘤坏死因子受体相关因子6信号通路促进破骨细胞形成[19]。
2.3.3 肿瘤坏死因子α增强RANK/RANKL的表达和效应促进破骨细胞生成 肿瘤坏死因子α可通过环氧合酶/前列腺素 E 途径及促进活化T细胞核因子1/环磷腺苷效应元件结合蛋白与RANKL启动子结合的方式诱导成骨类细胞表达RANKL[20]。此外，当环境内RANKL存在时，肿瘤坏死因子α以剂量依赖性方式增强破骨细胞分化。即使RANKL浓度不足其单独诱导所需浓度的1%，也可以在肿瘤坏死因子α的协助下稳定的进行破骨分化。其机制为肿瘤坏死因子α和RANKL协同激活了应激活化蛋白激酶/c-Jun氨基末端激酶和核转录因子κB信号通路[21-24]。当体内炎症反应严重时，较高浓度的肿瘤坏死因子α通过直接诱导巨噬细胞RANK的表达促进破骨，而在长期慢性的炎症环境中，较低浓度的肿瘤坏死因子α主要通过促使骨髓间充质干细胞等除巨噬细胞以外的细胞分泌RANKL和巨噬细胞集落刺激因子来促进破骨。如果炎症反应逐渐加重，肿瘤坏死因子α浓度增高，则同样促进破骨前体细胞中RANK和集落刺激因子1受体的表达[25]。此时RANKL的表达的增加不再重要，因为正常生理水平的RANKL已经能够导致破骨增加[26-28]。此外，有研究提及肿瘤坏死因子α诱导骨髓间充质干细胞合成RANKL，RANKL也通过激活肿瘤坏死因子α启动子中的 核转录因子κB 位点促进破骨前体细胞中肿瘤坏死因子α mRNA 的转录[29]，提示骨组织中肿瘤坏死因子α与RANKL的表达可能存在相互促进效应，见图3。
2.3.4 肿瘤坏死因子α通过刺激巨噬细胞集落刺激因子的产生促进破骨细胞生成 肿瘤坏死因子α可刺激成骨细胞及间充质干细胞中巨噬细胞集落刺激因子的产生，巨噬细胞集落刺激因子通过激活破骨前体细胞中PI3K/Akt、ERK MAPKs通路促进破骨分化，是破骨细胞分化和存活的重要因素[30-32]。
巨噬细胞集落刺激因子与前破骨细胞表面的集落刺激因子1受体结合，刺激RANK的表达。肿瘤坏死因子α还可刺激间充质干细胞释放白细胞介素7，白细胞介素7可激活T细胞产生巨噬细胞集落刺激因子[33-34]。
2.3.5 肿瘤坏死因子α参与不依赖RANK/RANKL的破骨细胞分化途径 部分研究发现，在没有RANK/RANKL的情况下，通过添加适当的细胞因子，可以在体外产生具备功能的破骨细胞。KOBAYASHI等[35]发现与巨噬细胞集落刺激因子共培养的骨髓来源巨噬细胞(bone marrow-derived macrophages，BMDM)可在肿瘤坏死因子α诱导下形成抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP) 阳性的巨噬细胞，且这种诱导可被肿瘤坏死因子1型受体/肿瘤坏死因子2型受体抗体阻断，不能被RANKL的可溶性诱饵受体骨保护素和RANK抗体所阻断。当炎性因子白细胞介素1α存在的情况下，肿瘤坏死因子α诱导的破骨细胞可在骨质表面形成吸收坑。KIM等[36]提取了RANK-/RANKL?小鼠的脾细胞，在肿瘤坏死因子α、巨噬细胞集落刺激因子和转化生长因子β 的共同作用下生成了TRAP+单核细胞。继续在培养物内添加白细胞介素1后，细胞具备了吸收骨质的能力。此外，O’BRIEN等[37]发现RANK-小鼠的关节炎模型中仍存在骨侵蚀现象和TRAP+细胞，肿瘤坏死因子α与白细胞介素6共同作用可在不依赖RANK的情况下在体内和体外诱导破骨细胞形成。
文章总结了肿瘤坏死因子α对破骨细胞的调控研究进展，见表2。
2.4 肿瘤坏死因子α对成骨细胞的影响 肿瘤坏死因子α对成骨细胞的作用概括来看包含2种，生存抑制和分化抑制。通过直接促进处于不同分化阶段的成骨细胞发生凋亡及坏死性凋亡发挥直接杀伤作用，效应的强度受到环境及分化程度的影响，分化程度越高的成骨系细胞效应越显著。同时通过激活多种相关信号通路，抑制成骨相关转录因子，抑制成骨系细胞的成骨分化。
2.4.1 成骨细胞的分化途径与功能 成骨细胞在骨组织的生长改建及骨量维持等方面发挥至关重要的作用。成骨细胞能够产生以Ⅰ型胶原蛋白为主的多种骨基质蛋白。骨基质蛋白以未矿化的类骨质形式分泌后，通过磷酸钙的作用以羟基磷灰石的形式累积矿化。成骨细胞来源于具备多分化潜能的间充质干细胞，通过表达转录因子Runx2和成骨细胞特异性转录因子(Osterix)，经骨祖细胞-前成骨细胞转变为成熟的成骨细胞[38]。
2.4.2 肿瘤坏死因子α通过TNFR1/R2调节成骨细胞分化 已知肿瘤坏死因子α显著抑制胎鼠颅顶细胞、MC3T3-E1(clone14)成骨细胞系及人类间充质干细胞的成骨分化。TNFR1是介导肿瘤坏死因子α抑制成骨分化效应的主要受体，因为肿瘤坏死因子1型受体缺陷型间充质干细胞失去了对肿瘤坏死因子α抑制成骨作用的响应。与之相对，野生型或肿瘤坏死因子2型受体缺陷型在与肿瘤坏死因子α共同培养时，出现了矿化结节、碱性磷酸酶及骨钙素表达的不可逆性降低，而肿瘤坏死因子2型受体的存在降低了细胞对肿瘤坏死因子α的敏感性[39]。肿瘤坏死因子1型受体抑制成骨分化的效应可能与其激活核转录因子κB通路抑制转录因子RUNX2和osterix的表达有关，与细胞活力和细胞凋亡无关。
肿瘤坏死因子2型受体在成骨分化中的作用是复杂的，一方面肿瘤坏死因子2型受体可以通过与配体的快速结合/解离提高肿瘤坏死因子1型受体周围肿瘤坏死因子α的浓度，即所谓的“配体浓缩效应”，以此促进肿瘤坏死因子1型受体的表达[40-41]。另一方面，肿瘤坏死因子1型受体和肿瘤坏死因子2型受体作为膜受体也可以通过TACE转化为可溶性形式(sTNFR1和sTNFR2)，sTNFR2可与肿瘤坏死因子1型受体竞争性结合肿瘤坏死因子α。此外，在一定的肿瘤坏死因子α浓度范围内，可能存在一种基于TRAF信号传导复合物亲和力的调节机制，肿瘤坏死因子2型受体充当信号抑制器，减弱或改变同一细胞中肿瘤坏死因子1型受体的效应强度[42-44]。
2.4.3 肿瘤坏死因子α通过降低Runx2的表达抑制成骨细胞分化 Runx2是骨形成中必不可少的转录因子，Runx2敲除(Runx2-/-)的小鼠不能形成骨骼。人类Runx2基因单倍体突变会导致锁骨颅骨发育不全综合征(cleidoc-ranial dysplasia，CCD)。RUNX2可直接激活编码骨基质蛋白的基因，如Ⅰ型胶原α1、骨桥蛋白、整合素结合唾液酸蛋白、骨γ-羧基谷氨酸蛋白2和纤连蛋白1[45]。Runx2诱导其他下游转录因子的表达，例如 Osterix 。Runx2 和 Osterix 的表达使间充质干细胞向骨祖细胞分化，促进碱性磷酸酶和 Ⅰ 型胶原蛋白分泌，最终使细胞转变成熟的成骨细胞。Runx2基因包含2种含有独立引物和启动子(P1，P2)的亚型(MASNS和MRIPV)。较短亚型P2/MRIPV在间充质干细胞的分化早期表达，且表达更具组成性。较长亚型P1/MASNS的表达随间充质干细胞向成骨细胞转化而逐渐增加[46]。GILBERT等[47]发现肿瘤坏死因子α可抑制胎鼠颅顶细胞和MC3T3-E1(clone 14)细胞中Runx2基因启动子的活性，降低mRNA的转录水平和稳定性。其中MRIPV mRNA表达被抑制大于90%，MASNS mRNA被抑制达50%，这说明肿瘤坏死因子α阻断了间充质干细胞向成骨细胞分化的早期进程。肿瘤坏死因子α 介导的 Runx2 抑制依赖于 核转录因子κB，但对 Runx2下游靶标 Osx 的抑制与 核转录因子κB 无关。此外，肿瘤坏死因子α可能通过影响ERK1/2-Runx2信号通路从而抑制牙周膜干细胞的成骨分化[48]。
2.4.4 肿瘤坏死因子α通过IKK/核转录因子κB及核转录因子κB/SMAD信号通路抑制成骨分化 如前文所述，肿瘤坏死因子α与受体结合后激活IKKs，进而激活核转录因子κB信号通路。核转录因子κB通路通过诱导 Smad泛素化调节因子1和2促进β-连环蛋白的泛素化和降解，显著抑制间充质干细胞的成骨分化[49-51]。ELISEEV等[52]通过构建腺病毒载体过度表达mIκB(磷酸化位点突变的IκBα，与核转录因子κB结合牢固)，在人成骨肉瘤细胞Saos2中抑制核转录因子κB的表达。Saos2细胞表达了更高的成骨表型基因，如碱性磷酸酶、Runx2和骨钙素。
骨形态发生蛋白是转化生长因子 β超家族的一个亚群，在生物体内具有广泛功能，是已知最强大的异位骨化诱导剂之一，在体外细胞培养中碱性磷酸酶、甲状旁腺激素受体、Ⅰ型胶原α1和骨钙素的表达，促进包括间充质干细胞在内的多种细胞/细胞系向成骨细胞分化。骨形态发生蛋白与胞膜表面受体结合后磷酸化特异性信号蛋白 Smad1/5/8，磷酸化的 Smad1/5/8与Smad4形成复合物入细胞核，引起下游靶基因的转录。核转录因子κB 的激活通过减弱 Smad1 活性来抑制骨形态发生蛋白2 诱导的成骨细胞分化[53-55]，此外，核转录因子κB p65 亚基可以与细胞核中的 Smad1?Smad5 复合物相互作用并破坏其与靶启动子的结合。使用核转录因子κB拮抗剂阻断肿瘤坏死因子α对核转录因子κB 的激活，可阻止肿瘤坏死因子α抑制 骨形态发生蛋白2诱导的Runx2 mRNA 表达和MC3T3?E1 成骨分化的效应[56-57]。结合前文内容可以发现，核转录因子κB信号通路在肿瘤坏死因子α介导的抗成骨分化作用中处于中心地位，通过阻断核转录因子κB 通路能够抑制肿瘤坏死因子α的抗成骨分化效应，见图3。
2.4.5 肿瘤坏死因子α促进成骨细胞发生凋亡和坏死性凋亡 肿瘤坏死因子α的促凋亡效应与成骨细胞所处环境及成骨细胞的分化成熟程度密切相关，例如低血清环境下肿瘤坏死因子α的促凋亡效应更加明显[58-60]。肿瘤坏死因子α对成骨细胞凋亡的影响也取决于细胞中的Runx2水平。肿瘤坏死因子α通过肿瘤坏死因子1型受体抑制低Runx2表达的骨祖细胞增殖，促进高Runx2表达的成熟成骨细胞凋亡，差异原因可能是低表达的Runx2下调了细胞凋亡过程中的中枢调节因子Bax的表达，缓解了肿瘤坏死因子α诱导的细胞凋亡[61-62]。此外，有研究提到肿瘤坏死因子α增加了人成骨细胞表面Fas的表达，显著增强Fas介导的成骨细胞凋亡。而通过药物增强成骨细胞的自噬可能对凋亡具有一定缓解作用[63-64]。当肿瘤坏死因子α诱导的细胞凋亡被药物抑制时，肿瘤坏死因子α则会诱导成骨细胞发生坏死性凋亡[65-66]。
文章总结了肿瘤坏死因子α对成骨细胞的调控研究进展，见表3。
2.5 肿瘤坏死因子α对骨细胞的影响 既往对于骨细胞的研究由于缺乏广泛认可的细胞系及相对苛刻的培养条件而面临较多困难。但由于骨细胞在骨组织中的绝对多数及重要的生理功能，使肿瘤坏死因子α对骨细胞的调控作用难以被忽略。在所有已知的炎性细胞因子中，肿瘤坏死因子α对骨细胞的效应是显著的，包括诱导其凋亡引起破骨促进效应，或通过促进骨细胞表达相关细胞因子发挥间接调控效应。 可预见肿瘤坏死因子α对骨细胞的调控作用仍需在后续的研究中不断探索。
2.5.1 骨细胞的的分化途径与功能 骨细胞是骨组织中最丰富的细胞类型(90%-95%)，来源于经历成骨细胞分化的间充质干细胞，外观呈星形/树突状形态。骨基质中的骨细胞通过胞质凸起与相邻的骨细胞构成微小而密集的管隙系统，促进小信号分子，如前列腺素和一氧化氮等炎性因子在细胞间转运传播，从而使骨细胞在炎症调节中发挥重要作用。同样，得益于庞大的数量和表面积，管隙系统内流动的间质液使骨细胞可以感受并传递外界的机械压力，使骨细胞具有机械力传感器的功能。此外，骨细胞还承担至关重要的内分泌及调节其他骨组织细胞生理活动的功能[67]。
2.5.2 肿瘤坏死因子α增强骨细胞中RANKL的表达促进破骨 肿瘤坏死因子α可通过诱导骨细胞中RANKL mRNA的上调促进破骨。将肿瘤坏死因子α处理的骨细胞和肿瘤坏死因子1型受体/肿瘤坏死因子2型受体缺陷的破骨前体细胞共培养，可导致破骨细胞数量显着增加，且此现象可在添加骨保护素后消失，而没有经过肿瘤坏死因子α处理的骨-破骨前体细胞共培养未出现破骨细胞。证明肿瘤坏死因子α通过增强骨细胞中RANKL的表达促进破骨细胞生成，而这一效应是通过激活ERK/JNK/p38 MAPKs和核转录因子κB信号通路实现的[68]。值得一提的是，尽管RANKL可被多种类型细胞表达，但有部分研究指出，骨细胞分泌的RANKL与生理性骨吸收的关系最为密切[69]。
2.5.3 肿瘤坏死因子α增强骨细胞中SOST和DKK1的表达抑制成骨 肿瘤坏死因子α可诱导骨细胞分泌骨硬化素和Dickkopf相关蛋白1。骨硬化素和Dickkopf相关蛋白1 通过抑制Wnt /β-catenin通路对成骨细胞分化和活性的促进作用来减少骨形成，导致广泛性骨质流失，而抑制核转录因子κB信号传导可抑制骨硬化素的分泌[70-71]。
2.5.4 肿瘤坏死因子α增强骨细胞的凋亡及凋亡骨细胞诱导的骨吸收 近年来，肿瘤坏死因子α诱导骨细胞凋亡的现象在众多研究中被提及，其与地塞米松及依托泊苷等常在研究中被用来诱导骨细胞凋亡。成骨细胞和骨细胞等成熟分化的细胞，比骨膜成纤维细胞和周围的骨祖细胞等未成熟细胞，对肿瘤坏死因子α诱导的凋亡更加敏感。施加外界应力可以显著抑制肿瘤坏死因子α诱导的骨细胞凋亡，可能由于骨细胞在应力作用下迅速释放少量一氧化氮抑制了人半胱氨酸蛋白酶3的活性[72-73]。这表明骨细胞凋亡在调节骨重塑过程中的破骨细胞骨吸收效应中起重要作用，尤其是在应力负荷条件下。但有研究提及在无血清培养环境下，肿瘤坏死因子α失去了对小鼠骨样细胞(MLO-Y4)中与凋亡相关半胱天冬酶3/7活性的影响[74]，说明肿瘤坏死因子α的促凋亡效应可能与细胞所处环境相关。
已凋亡的骨细胞可以刺激破骨细胞的生成。KOGIANNI等[75]发现骨细胞凋亡体可诱发破骨细胞生成和骨吸收反应，此类反应的出现不依赖于RANKL，而在体外和体内添加肿瘤坏死因子α中和抗体可显著阻断这一反应，因此抑制骨细胞的凋亡被认为具有治疗骨质丢失/疏松的潜在价值。双膦酸盐和降钙素类药物，以及肿瘤坏死因子受体/配体超家族成员CD40/CD40L，都被报道显著抑制了肿瘤坏死因子α诱导的MLO-Y4细胞的凋亡[76-77]。同时，凋亡的骨细胞促进周围的骨细胞和巨噬细胞分泌多种炎性及生长因子，如 RANKL、肿瘤坏死因子α、白细胞介素1β、白细胞介素6、白细胞介素8和血管内皮生长因子，这些细胞因子均被认为促进了破骨细胞的生成[69]，见图4。
文章总结了肿瘤坏死因子α对骨细胞的调控相关研究进展，见表4。
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骨组织是占人体体质量1/5的矿化结缔组织，具有支撑及保护等多种生理功能。通常意义的骨组织细胞指4种存在于骨组织中的独特细胞类型，即骨祖细胞、成骨细胞、破骨细胞和骨细胞。其中骨祖细胞来源于具有多种分化潜能的间充质干细胞，具有分化为成骨细胞及软骨细胞的潜力。成骨细胞通过分泌骨基质成分并协助骨组织矿化，被认为是骨形成的主要功能细胞。破骨细胞来源于骨髓造血干细胞-破骨祖细胞系及单核细胞，呈多核巨细胞状，负责骨组织的吸收。骨细胞是封闭在骨基质中的终末分化成骨细胞，具有调控骨组织生理代谢的重要作用。骨组织细胞在生理功能上相互影响，共同维持骨组织的正常生理代谢及损伤修复功能[1]。
肿瘤坏死因子α是一种结构相对保守、在多种组织器官及体液中分布广泛的细胞因子，作为最早被认识的细胞因子之一，已知其在炎症反应和病原体免疫等方面具有广泛作用。自本世纪初以来的研究发现，肿瘤坏死因子α可被多种类型骨组织细胞表达，参与调控细胞的生存和分化。肿瘤坏死因子α表达量的异常存在于多种骨关节疾病的内环境改变之中[2]。然而，以往的文献综述通常聚焦于特定病理环境下肿瘤坏死因子α调控部分骨组织细胞类型的生物学效应，缺乏以组织维度的全方面总结。鉴于骨组织细胞间的广泛相互作用，以及骨组织作为整体参与骨质流失及免疫调控的生理特征，有必要将骨组织中全部细胞类型作为整体进行分析。故文章总结目前研究中肿瘤坏死因子α对骨组织细胞的影响，为后续的研究及临床应用提供参考方向。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
肿瘤坏死因子α是一种结构相对保守、在多种组织器官及体液中分布广泛的细胞因子，作为最早被认识的细胞因子之一，已知其在炎症反应和病原体免疫等方面具有广泛作用。自本世纪初以来的研究发现，肿瘤坏死因子α可被多种类型骨组织细胞表达，参与调控细胞的生存和分化。肿瘤坏死因子α表达量的异常存在于多种骨关节疾病的内环境改变之中[2]。然而，以往的文献综述通常聚焦于特定病理环境下肿瘤坏死因子α调控部分骨组织细胞类型的生物学效应，缺乏以组织维度的全方面总结。鉴于骨组织细胞间的广泛相互作用，以及骨组织作为整体参与骨质流失及免疫调控的生理特征，有必要将骨组织中全部细胞类型作为整体进行分析。故文章总结目前研究中肿瘤坏死因子α对骨组织细胞的影响，为后续的研究及临床应用提供参考方向。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
1.1 资料来源
1.1.1 检索人及检索时间 文章全部作者在2023年3月进行检索。
1.1.2 检索文献时限 各数据库建库至2023年3月。
1.1.3 检索数据库 中国知网和PubMed数据库。
1.1.4 检索词 中文检索词为“肿瘤坏死因子α，成骨细胞，破骨细胞，骨细胞，骨祖细胞”；英文检索词为“TNF-α，osteoblast，osteoclast，osteocyte，osteoprogenitor cell”。
1.1.5 检索文献类型 研究原著、综述报告和基础实验等。
1.1.6 手工检索情况 无。
1.2 入组标准
1.2.1 纳入标准 ①符合上述检索标准的文献；②文献类型为正式发表的研究原著或综述。
1.2.2 排除标准 ①重复或与研究内容无关的文献；②观点陈旧，质量不高的文献；③非中、英文文献；④无法获得全文的文献。
1.1.1 检索人及检索时间 文章全部作者在2023年3月进行检索。
1.1.2 检索文献时限 各数据库建库至2023年3月。
1.1.3 检索数据库 中国知网和PubMed数据库。
1.1.4 检索词 中文检索词为“肿瘤坏死因子α，成骨细胞，破骨细胞，骨细胞，骨祖细胞”；英文检索词为“TNF-α，osteoblast，osteoclast，osteocyte，osteoprogenitor cell”。
1.1.5 检索文献类型 研究原著、综述报告和基础实验等。
1.1.6 手工检索情况 无。
1.1.7 检索策略 中英文数据库检索策略，见图1。
1.2 入组标准
1.2.1 纳入标准 ①符合上述检索标准的文献；②文献类型为正式发表的研究原著或综述。
1.2.2 排除标准 ①重复或与研究内容无关的文献；②观点陈旧，质量不高的文献；③非中、英文文献；④无法获得全文的文献。
1.3 文献质量评估及数据的提取 文献筛选与质量评估由所有作者共同分析确认。通过查阅相关数据库最初检索到5 254篇文献，其中PubMed数据库4 809篇、中国知网数据库445篇；阅读题目及摘要后保留148篇，将检索后的文献导入NoteExpress软件，并初步剔除重复文献。通过阅读全文继续筛选符合文章主题的文献，根据纳入标准纳入主题明确，论证可靠，内容相关的文献，并排除证据模糊、内容不清晰的文献，最终共纳入77篇文章，包括中文文献2篇及英文文献75篇。文献筛选流程见图2。
3.1 既往他人在该领域研究的贡献和存在的问题 目前的研究认为，除免疫细胞外，肿瘤坏死因子α可由多种类型细胞表达。在运动系统中，成纤维细胞、滑膜细胞及内皮细胞等非骨组织细胞也是肿瘤坏死因子α的常见来源。目前已有部分研究指出肿瘤坏死因子α与骨关节疾病的病程进展密切相关，然而骨关节疾病中涉及的组织细胞种类繁多，疾病种类与免疫环境有较大差异，缺乏以组织维度对肿瘤坏死因子α的功能进行系统性的总结。
3.2 作者综述区别于他人他篇的特点 骨组织作为占人体体质量1/5的特殊结缔组织，具有特殊的矿化细胞基质，其结构及细胞类型具有一定的独立性与特异性。以组织维度审视肿瘤坏死因子α的影响，有助于进一步理解肿瘤坏死因子α的调控作用，为后续的研究打下基础。文章详细描述了肿瘤坏死因子α对骨组织中经典细胞类型的调节，包括其调节细胞的分泌、信号通路的激活及骨组织细胞间的相互作用，因此选题具有新颖性。
3.3 综述的局限性 肿瘤坏死因子α作为经典的促炎细胞因子，其在骨组织及骨关节疾病中的调控作用仍在不断探索。如前文所述，肿瘤坏死因子α可由多种类型细胞表达，在特定疾病的发病及发展过程中通常与多种独立于骨组织外的致病因素共同作用。为了能够具体表述肿瘤坏死因子α对骨组织的调控，故文章未按照特定疾病进行分类阐述。由于不同的骨关节疾病具有特异的生理病理环境，在相应疾病中，肿瘤坏死因子α的调控作用也有所不同，因此后续有必要结合具体疾病进行更具有针对性的总结。
3.4 综述的重要意义 通常意义的骨组织细胞由骨祖细胞、成骨细胞、破骨细胞及骨细胞构成。从总体来看，肿瘤坏死因子α在骨组织细胞中的作用以促进破骨及抑制成骨为主。间充质干细胞-骨祖细胞-成骨细胞-骨细胞被认为是成骨细胞系分化的经典路径，位于该分化路径上的细胞并不存在清晰的种类界限。然而，根据现有文献描述，肿瘤坏死因子α几乎对成骨分化路径上的所有细胞类型均具有分化抑制效果，同时降低其生存能力。与之相对，肿瘤坏死因子α可通过多种效应促进破骨细胞的生存及分化，诱导骨细胞的破骨效应。正因肿瘤坏死因子α在破骨促进方面的效应明确且突出，因此将肿瘤坏死因子α作为抑制靶点的治疗已开始应用于临床，其在各类引起骨质流失的炎症性骨病，如骨关节炎、类风湿性关节炎、牙周炎和骨质疏松症中的运用受到广泛关注。但其临床效应仍值得更多验证。
虽然目前学界对肿瘤坏死因子α在骨组织中的调控作用已有了初步了解，但其在真实生理及病理环境下的调控作用仍有大量待完善之处。首先，肿瘤坏死因子α除了能够直接调控细胞的生理活动外，还负责在一定范围诱导多种类型的细胞间信息传递，对肿瘤坏死因子α调节效应的判断必须考虑到不同细胞间效应叠加而形成的综合效应。生理环境下肿瘤坏死因子α常与其他炎性因子协同发挥效应。除细胞因子外，骨组织受到的调控信号多种多样，例如应力负荷及神经信息传递。肿瘤坏死因子α在叠加其他调控信号时的综合效应仍有待探索。作为广泛分布且效应广泛的细胞因子，当肿瘤坏死因子α的作用遭到抑制，骨组织中的免疫效应可能发生预料之外的改变，因此在选择进行抗肿瘤坏死因子α治疗时需更加谨慎。另外，广义的骨组织细胞包含更多的细胞类型，例如骨髓腔、骨膜下或骨组织内脉管系统中的内皮细胞、血细胞、成纤维细胞及网状细胞等，这些独特的骨组织周围结构，以及骨组织内部及周围的非特异性细胞共同参与了生理环境下复杂调控网络的构建。肿瘤坏死因子α在此网络及特定组织环境下的交互作用仍值得持续关注。
3.5 课题专家组对未来的建议 最新的研究指出，除了运动及保护功能外，骨骼也可作为免疫器官参与对全身其他器官的功能调节。骨组织与全身免疫系统的相互作用引出了“骨免疫学”的全新研究领域。作为一种效应广泛的细胞因子，肿瘤坏死因子α必然在骨组织的免疫调控功能中扮演重要角色，其在特定疾病骨免疫学背景中的意义值得进一步探索。因此，未来继续关注以肿瘤坏死因子α为代表的单一炎性因子对骨组织的调控作用仍具有重要意义。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
3.2 作者综述区别于他人他篇的特点 骨组织作为占人体体质量1/5的特殊结缔组织，具有特殊的矿化细胞基质，其结构及细胞类型具有一定的独立性与特异性。以组织维度审视肿瘤坏死因子α的影响，有助于进一步理解肿瘤坏死因子α的调控作用，为后续的研究打下基础。文章详细描述了肿瘤坏死因子α对骨组织中经典细胞类型的调节，包括其调节细胞的分泌、信号通路的激活及骨组织细胞间的相互作用，因此选题具有新颖性。
3.3 综述的局限性 肿瘤坏死因子α作为经典的促炎细胞因子，其在骨组织及骨关节疾病中的调控作用仍在不断探索。如前文所述，肿瘤坏死因子α可由多种类型细胞表达，在特定疾病的发病及发展过程中通常与多种独立于骨组织外的致病因素共同作用。为了能够具体表述肿瘤坏死因子α对骨组织的调控，故文章未按照特定疾病进行分类阐述。由于不同的骨关节疾病具有特异的生理病理环境，在相应疾病中，肿瘤坏死因子α的调控作用也有所不同，因此后续有必要结合具体疾病进行更具有针对性的总结。
3.4 综述的重要意义 通常意义的骨组织细胞由骨祖细胞、成骨细胞、破骨细胞及骨细胞构成。从总体来看，肿瘤坏死因子α在骨组织细胞中的作用以促进破骨及抑制成骨为主。间充质干细胞-骨祖细胞-成骨细胞-骨细胞被认为是成骨细胞系分化的经典路径，位于该分化路径上的细胞并不存在清晰的种类界限。然而，根据现有文献描述，肿瘤坏死因子α几乎对成骨分化路径上的所有细胞类型均具有分化抑制效果，同时降低其生存能力。与之相对，肿瘤坏死因子α可通过多种效应促进破骨细胞的生存及分化，诱导骨细胞的破骨效应。正因肿瘤坏死因子α在破骨促进方面的效应明确且突出，因此将肿瘤坏死因子α作为抑制靶点的治疗已开始应用于临床，其在各类引起骨质流失的炎症性骨病，如骨关节炎、类风湿性关节炎、牙周炎和骨质疏松症中的运用受到广泛关注。但其临床效应仍值得更多验证。
虽然目前学界对肿瘤坏死因子α在骨组织中的调控作用已有了初步了解，但其在真实生理及病理环境下的调控作用仍有大量待完善之处。首先，肿瘤坏死因子α除了能够直接调控细胞的生理活动外，还负责在一定范围诱导多种类型的细胞间信息传递，对肿瘤坏死因子α调节效应的判断必须考虑到不同细胞间效应叠加而形成的综合效应。生理环境下肿瘤坏死因子α常与其他炎性因子协同发挥效应。除细胞因子外，骨组织受到的调控信号多种多样，例如应力负荷及神经信息传递。肿瘤坏死因子α在叠加其他调控信号时的综合效应仍有待探索。作为广泛分布且效应广泛的细胞因子，当肿瘤坏死因子α的作用遭到抑制，骨组织中的免疫效应可能发生预料之外的改变，因此在选择进行抗肿瘤坏死因子α治疗时需更加谨慎。另外，广义的骨组织细胞包含更多的细胞类型，例如骨髓腔、骨膜下或骨组织内脉管系统中的内皮细胞、血细胞、成纤维细胞及网状细胞等，这些独特的骨组织周围结构，以及骨组织内部及周围的非特异性细胞共同参与了生理环境下复杂调控网络的构建。肿瘤坏死因子α在此网络及特定组织环境下的交互作用仍值得持续关注。
3.5 课题专家组对未来的建议 最新的研究指出，除了运动及保护功能外，骨骼也可作为免疫器官参与对全身其他器官的功能调节。骨组织与全身免疫系统的相互作用引出了“骨免疫学”的全新研究领域。作为一种效应广泛的细胞因子，肿瘤坏死因子α必然在骨组织的免疫调控功能中扮演重要角色，其在特定疾病骨免疫学背景中的意义值得进一步探索。因此，未来继续关注以肿瘤坏死因子α为代表的单一炎性因子对骨组织的调控作用仍具有重要意义。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
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文题释义：
肿瘤坏死因子α：属于肿瘤坏死因子超家族成员，早期因其被发现可使肿瘤细胞坏死而得名。包括跨膜型及分泌型，可在单核细胞、巨噬细胞等多种细胞中表达分泌，是一种具有多种生物学效应的炎性细胞因子，广泛参与免疫炎症反应。骨组织：一种坚硬的结缔组织，主要由矿化的骨基质和细胞成分组成，具有支撑和保护的功能。骨基质由有机成分和无机成分构成，比例随年龄增长而改变。细胞成分包括骨祖细胞、成骨细胞、破骨细胞和骨细胞。骨组织细胞间的共同作用使骨组织处于破坏与重构的动态平衡状态。
骨组织是占人体体质量1/5的结缔组织，具有特殊的矿化细胞基质，以及特异性的细胞种类。肿瘤坏死因子α是一种具有广泛生物学效应的炎性细胞因子，可被多种细胞类型表达，以旁分泌或自分泌等形式发挥调控功能。近年来的研究提及骨组织细胞的生存、分化等生理活动同样受到肿瘤坏死因子α的调控，但目前以单一组织维度维度总结肿瘤坏死因子α对骨组织细胞影响的研究较少。文章详细描述了肿瘤坏死因子α对骨组织细胞的调节，包括其调节细胞的分泌、分化及骨组织细胞间的相互作用。
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