2.1   白细胞介素3对间充质干细胞的作用   间充质干细胞与白细胞介素3研究的时间脉络图，见图2。"

间充质干细胞具有分化为脂肪细胞、成骨细胞、软骨细胞的能力，参与损伤后的骨再生过程[11]。骨缺损后，趋化因子从骨髓、骨膜、血管壁、肌肉、循环及其他组织招募间充质干细胞，使之迁移至骨损伤部位[12]。间充质干细胞在骨初始阶段形成和维持中起关键作用。软骨内骨化是一种骨愈合机制：间充质干细胞分化为软骨细胞沉积软骨，其钙化后再重塑成骨。膜内骨化是另一种骨愈合机制：间充质干细胞或未分化的成骨细胞直接分化为成骨细胞[13]。成骨细胞在骨骼初始形成、维持骨量和骨折修复中发挥作用。间充质干细胞分泌的多种生物活性分子为成骨细胞发挥作用而创造出良好的骨再生微环境[14]。 白细胞介素3主要由CD4+ T淋巴细胞分泌，通过与造血细胞和其他细胞类型上的特定高亲和力受体结合而发挥其生物学活性[15]。研究发现人类间充质干细胞和成骨细胞在mRNA和蛋白质水平上均表达白细胞介素3受体α(IL-3Rα)。故白细胞介素3会上调成骨细胞特异性基因和转录因子的表达并增强间充质干细胞中的成骨细胞分化[9]。骨形态发生蛋白参与间充质细胞分化为软骨细胞和成骨细胞，及骨祖细胞分化为成骨细胞的过程[13]。骨形态发生蛋白来自骨祖细胞、间充质细胞、成骨细胞和软骨细胞，主要存在于骨细胞外基质中。BARHANPURKAR等[9]使用白细胞介素3中和抗体处理添加白细胞介素3(100 μg/L)的间充质干细胞培养基和对照组，发现抗白细胞介素3中和抗体消除了白细胞介素3对骨形态发生蛋白2合成的刺激作用，表明白细胞介素3通过刺激骨形态发生蛋白2促进成骨细胞分化。Smad1/5/8是骨形态发生蛋白受体的直接下游分子，在骨形态发生蛋白信号转导中起着核心作用，研究发现骨形态发生蛋白2信号激活Smad1/5/8复合物，进而控制成骨细胞基因的转录[16]，而白细胞介素3通过激活Smad1/5/8复合物诱导间充质干细胞中的骨形态发生蛋白2的信号传导。白细胞介素3可以通过JAK2激活STAT途径，而JAK2抑制剂AG490可以显著抑制白细胞介素3对成骨细胞分化的刺激作用，这表明JAK/STAT途径可能参与了白细胞介素3介导的成骨作用[17]。此外，BARHANPURKAR等[9]将羟基磷灰石/磷酸三钙生物移植物植入间充质干细胞中(106 细胞/生物移植物)，并在不存在或存在白细胞介素3(100 μg/L)的情况下在成骨培养基中孵育10 d，然后将这些生物移植物从皮下植入免疫缺损小鼠体内，10周后发现有白细胞介素3移植物小鼠骨基质的合成明显增加且骨钙素沉积增多，这表明白细胞介素3有增强间充质干细胞体内骨增殖的能力。 2.2   白细胞介素3对成骨细胞的作用   骨稳态是由成骨性成骨细胞和吸收骨的破骨细胞之间的相互串扰严格控制的。骨重塑是一个动态过程，其中破骨细胞吸收旧的或受损的骨骼，并用成骨细胞形成的新生骨骼代替。作为骨形成细胞，成骨细胞通过一系列细胞因子的连续作用从间充质前体骨髓系到终末分化为成熟的成骨细胞[18-20]。成骨细胞可以产生细胞外蛋白(如骨钙蛋白、碱性磷酸酶和Ⅰ型胶原蛋白等)参与骨基质的形成，其中Ⅰ型胶原蛋白占骨基质蛋白的90%以上[21]。而成骨细胞分泌有机基质是致密的胶原蛋白层，通过平行和正交方式交汇于应力负荷轴，随后通过主动和被动运输以及pH值控制，将极致密的羟基磷灰石基矿物沉积到该基质中使之矿化[22]。 BIRCH等[23]使用反转录聚合酶链反应(PCR)发现成骨细胞可以表达白细胞介素3。此外，骨质疏松症骨折患者外植骨的类似研究也观察到成骨细胞产生白细胞介素3[24]。另一方面，EHRLICH等[25]用白细胞介素3(0.01-10 μg/L)处理原代小鼠和人类骨髓基质细胞，发现白细胞介素3以剂量依赖性方式抑制基础和骨形态发生蛋白2刺激的成骨细胞形成；但白细胞介素3不会抑制成骨细胞分化所需关键转录因子Runx2的表达，并且在加入白细胞介素3后β-catenin途径(Wnt经典信号途径)下游的效应蛋白水平不变。这些表明白细胞介素3通过基础和骨形态发生蛋白2的抑制产生对骨髓基质成骨细胞的影响，而未发现白细胞介素3对Runx2和β-catenin途径的效应。有趣的是，虽然小鼠胚胎成骨细胞前体细胞和小鼠成肌细胞上有白细胞介素3的结合受体IL-3Rα，但是研究发现白细胞介素3不能抑制它们的成骨细胞分化[26]。由于白细胞介素3是重要的调节造血作用的细胞因子，研究者去除人骨髓基质细胞和鼠基质细胞中的CD45+细胞，观察其与白细胞介素3的反应，发现去除CD45+细胞消除了白细胞介素3对成骨细胞的抑制作用，表明白细胞介素3对成骨细胞分化的抑制作用是通过单核细胞/巨噬细胞(CD45造血细胞)间接起作用[25]。此外，研究者将白细胞介素3动员产生的CD34+干细胞放入刺激成骨培养基中，实时定量基因扩增荧光检测系统表达分析发现了早期和成熟的成骨细胞标记物，如Runx2、Osterix、RANKL以及骨细胞标记物SPARC、硬化蛋白的表达[27]。白细胞介素3对成骨细胞的作用机制总结，见表1。"

2.3   白细胞介素3对破骨细胞的作用   破骨细胞是一种大型多核细胞，通过巨噬细胞集落刺激因子和RANKL从单核/巨噬细胞系细胞分化而来。RANKL通过信号受体RANK传递信号。RANKL/RANK信号刺激活化T细胞核因子1调节破骨细胞的形成，并诱导破骨基因表达[4]。破骨细胞代谢失调会导致骨质疏松症的发生。早期的研究表明白细胞介素3刺激破骨细胞生成。HATTERSLEY等[30]将鼠造血细胞与白细胞介素3孵育于塑料盖和骨片上，并检测其对破骨细胞形成的影响，发现白细胞介素3仅诱导破骨细胞的部分成熟，进一步发育则通过其他因子如1，25(OH)2D3增强或完成。MYINT   等[31]使用白细胞介素3(100 ng/d)注射到骨硬化小鼠体内，发现2周后骨髓腔明显扩大，并检测到耐酒石酸酸性磷酸酶(一种破骨细胞的标记酶)阳性细胞与骨髓巨噬细胞数量明显增加，这表明白细胞介素3可以诱导破骨细胞的发育，纠正小鼠骨硬化。此外，在多发性骨髓瘤中，白细胞介素3与巨噬细胞炎性蛋白1α(MIP-1α)或RANKL的联合比单独巨噬细胞炎性蛋白1α或RANKL增强人破骨细胞的形成和骨吸收效果更强[32]。新近研究发现，小鼠钙化骨细胞表达白细胞介素3，进而增加膜结合RANKL表达和产生耐酒石酸磷酸酶阳性单核细胞[33]。 也有研究发现，白细胞介素3对破骨细胞会产生抑制作用。白细胞介素3不仅可以调节培养的胚胎小鼠长骨中新近复制的前体细胞中破骨细胞的发育[34]，也会有效抑制在小鼠骨髓培养中产生的含有酒石酸抗性酸性磷酸酶多核细胞的产生(半数效应浓度为每毫升3集落)[35]。KHAPLI等[36]发现白细胞介素3在破骨细胞前体中通过抑制核因子κB的磷酸化和降解来阻止RANKL诱导的核因子κB核易位，从而抑制RANKL诱导的破骨细胞分化。而抗白细胞介素3抗体中和了白细胞介素3对破骨细胞分化的抑制作用，并且白细胞介素3对破骨细胞分化的抑制作用是不可逆的，这表明白细胞介素3抑制破骨细胞主要是通过RANKL来进行的[8]。此外，在小鼠炎性关节炎模型中，白细胞介素3能有效抑制单核/巨噬细胞谱系造血前体中肿瘤坏死因子α诱导的骨吸收，并且白细胞介素3在肿瘤坏死因子α、转化生长因子、转化生长因子β3、白细胞介素6和前列腺素E2等促炎细胞因子存在的情况下，对肿瘤坏死因子α诱导的骨吸收仍然有抑制作用。此外，白细胞介素3阻止了肿瘤坏死因子α诱导的c-fos核易位和AP-1 DNA结合活性，且白细胞介素3预处理可预防由抗Ⅱ型胶原蛋白和脂多糖的混合物诱发的小鼠炎症性关节炎的发展[37]。这些表明白细胞介素3在抑制肿瘤坏死因子α诱导的骨吸收和预防小鼠关节炎症中也起着重要作用。GUPTA等[38]研究了白细胞介素3对健康捐献者和骨质疏松症患者外周血单核细胞培养物中RANKL诱导的人破骨细胞分化和骨吸收的作用和机制，使用外周血单核细胞在巨噬细胞集落刺激因子和RANKL的作用下分化成功能性破骨细胞，并通过αV/β3抗体(23c6)表达和骨吸收来评估其作用强度，结果发现白细胞介素3剂量依赖性地抑制23c6阳性破骨细胞的形成、骨吸收和Ⅰ型胶原的c端末端肽(一种胶原降解产物)的生成。研究者随后分析了白细胞介素3对破骨细胞形成所必需的核因子κB受体激活因子和c-Fms受体以及c-Fos、PU.1、活化T细胞核因子1蛋白和RelB转录因子的影响，发现白细胞介素3在mRNA和蛋白水平上显著抑制c-Fms，并下调PU.1和c-Fos表达。此外，白细胞介素3还抑制了来自骨质疏松个体骨髓细胞的破骨细胞的形成，这或许为骨质疏松提供新的治疗靶点。此外，在一项对人骨髓源性巨噬细胞的研究中，发现白细胞介素3诱导人骨髓源性巨噬细胞中DNA结合/分化抑制剂(Id1)，而Id2在白细胞介素3处理后的骨髓来源巨噬细胞破骨细胞分化过程中持续存在，且活化T细胞核因子1蛋白在Id2缺陷的骨髓来源巨噬细胞中的异位表达完全逆转了白细胞介素3对破骨细胞分化的抑制作用[39]。所以白细胞介素3通过调节c-Fos和Ids抑制破骨细胞分化，并具有抗骨侵蚀的作用。LEE等[8]通过实验进一步发现，白细胞介素3激活信号转导和转录激活因子5(signal transducer and activator of transcription，STAT5)，通过诱导Id基因的表达，抑制RANKL诱导的破骨形成。STAT5缺乏抑制白细胞介素3介导的破骨细胞形成抑制，提示STAT5在白细胞介素3介导破骨细胞分化抑制中发挥关键作用。此外，白细胞介素3诱导的STAT5激活上调了Id1和Id2的表达，这是破骨形成的负调控因子，在STAT5缺陷细胞中Id1或Id2的过表达会逆转被白细胞介素3介导所抑制的破骨细胞发育。所以，STAT5通过激活Id基因及其相关通路，参与了白细胞介素3介导的RANKL诱导所抑制的破骨细胞形成。而在HONG等[40]的研究中，认为白细胞介素3通过促进破骨细胞祖细胞的发育但抑制破骨细胞形成过程而在破骨细胞形成中发挥双重作用，这为白细胞介素3在破骨细胞形成中的作用提供了更好的理解。白细胞介素3对破骨细胞的作用机制总结，见表2。"

2.4   白细胞介素3对血管化的作用   在哺乳动物骨骼系统中，成骨和血管生成在骨生长、骨再生及骨重塑中的骨稳态中密切相关[46]。大多数哺乳动物的骨骼是通过软骨内骨化而发育的，该过程取决于各种细胞类型的协调增殖、分化和相互作用，但最终依赖于成骨细胞谱系细胞进行骨基质的实际合成和矿化[47]。而软骨内骨形成需要新生血管的帮助，而血管生成主要由内皮细胞释放的血管内皮生长因子进行调   控[48]。白细胞介素3是一种造血生长因子，刺激骨髓祖细胞增殖并分化为不同类型的血细胞，这一特性表明其可用于疾病后的骨髓重建以及骨折后的血管再生。通过在无血清限定条件下使用高通量筛选方法，证明造血干细胞因子如白细胞介素3是人类血管形成和成熟所必需的。通过使用来自胚胎鹌鹑血管的不同来源内皮细胞也证实了这一结论，这些内皮细胞同样在造血细胞因子的作用下萌发并形成血管；相反，使用已知的促血管生成因子如血管内皮细胞生长因子、纤维母细胞生长因子和血管生成素却未能出现上述结果。并且，在处理的人类内皮细胞条件下，形态发生试验中添加血管内皮细胞生长因子和纤维母细胞生长因子时，在3D矩阵中单独或联合使用时，都不会刺激管的形态发生或发芽；然而，在形态发生前添加血管内皮细胞生长因子、纤维母细胞生长因子或两者联合作为内皮细胞启动步骤，可显著增强人或胚胎鹌鹑内皮细胞的形态发生，来响应造血干细胞因子白细胞介素3的效应[49]。因此，血管内皮细胞生长因子和纤维母细胞生长因子影响内皮细胞管的形态发生主要是通过上调造血细胞因子受体IL-3Rα的上游作用，进而控制下游血管形态发生。此外，DENTELLI等[50]向严重免疫缺陷(SCID)小鼠注射含有平滑肌细胞和白细胞介素3或碱性成纤维细胞生长因子的人工基底膜凝胶，发现白细胞介素3处理的平滑肌细胞中条件培养基刺激了内皮细胞的迁移，而平滑肌细胞的迁移不受白细胞介素3刺激的内皮细胞条件培养基影响，但它阻止转化生长因子β活性显著增强，因此，白细胞介素3通过增加转化生长因子β活性影响内皮细胞介导的平滑肌细胞募集。 研究发现血小板生成素可以刺激造血干细胞中的血管内皮细胞生长因子的产生[51]。HATTORI等[52]发现血管内皮生长因子和血管生成素通过募集造血干细胞来发挥作用。研究表明白细胞介素3参与造血祖细胞/干细胞以及成熟造血细胞的存活，增殖和分化[15，29]。此外，白细胞介素3支持在体外多次分裂后的干细胞长期多系再生活性的维持[53]。而在干细胞研究中，白细胞介素3可以促进造血干细胞种群(包括CD34+ c-kit+)的存活，并且体外培养和表型研究发现白细胞介素3可增加CD34+ c-kit+和Ly6A-GFP+ c-kit+等造血干细胞的增殖[54]。这些都表明白细胞介素3可以通过影响造血干细胞，进而促进其对血管内皮细胞生长因子的释放，促进成骨过程中的血管化进程。 白细胞介素3在血管化中的作用，见图3。"