自噬在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松中作用的研究進(jìn)展

王偉舟 郭皓 袁勇

1．昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，云南 昆明650033

2．昆明醫(yī)科大學(xué)，云南昆明650599

3．昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院，云南 昆明650032

骨質(zhì)疏松癥是一種骨組織骨量減低和微結(jié)構(gòu)退化的全身性骨骼疾病，并伴隨著骨脆性增加及骨折的風(fēng)險(xiǎn)增高［1］。造成骨質(zhì)疏松的原因復(fù)雜而多變，常與年齡、性別、種族、激素水平、飲食及藥物副作用等多方面因素有關(guān)［2］。骨質(zhì)疏松癥常見(jiàn)于絕經(jīng)后婦女，由于機(jī)體卵巢功能減退及雌激素水平下降，直接影響了骨骼細(xì)胞的活性并導(dǎo)致骨密度降低［3］。自噬是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制，參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨形成與破骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨吸收的動(dòng)態(tài)平衡，并影響了絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松(postmenopausal osteoporosis，PMOP)的發(fā)生與發(fā)展［4］。本文就自噬在PMOP中發(fā)揮的作用及其影響作一綜述。

1 PMOP

PMOP臨床上常常伴有身高縮短、脊柱畸形等癥狀，已成為絕經(jīng)后婦女骨折風(fēng)險(xiǎn)增加，生活質(zhì)量下降的重要因素［5］。雌激素是體內(nèi)參與骨代謝調(diào)節(jié)的激素之一，骨組織細(xì)胞表面具有雌激素受體，在絕經(jīng)后婦女中，雌激素水平下降直接促進(jìn)了破骨細(xì)胞分化，誘導(dǎo)了骨細(xì)胞凋亡，并使成骨細(xì)胞受到抑制;同時(shí)由骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞分泌調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化的核因子B配體(receptor activator of nuclear factor-B ligand，RANKL)和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)表達(dá)增加、骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)水平降低，進(jìn)一步促進(jìn)了破骨細(xì)胞的分化［1］。此外，在PMOP的發(fā)病中雌激素還能作為一種抗氧化劑起到防止骨質(zhì)疏松的作用，而氧化應(yīng)激是關(guān)鍵性起始因子，活性氧(reactive oxygen species，ROS)則可能是其主要根源［6］。當(dāng)機(jī)體在衰老及雌激素水平下降時(shí)，體內(nèi)清除氧自由基的能力下降，進(jìn)一步導(dǎo)致了ROS的蓄積及線(xiàn)粒體的損傷，并誘導(dǎo)了成骨細(xì)胞及骨細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致骨微結(jié)構(gòu)破壞和骨質(zhì)疏松的發(fā)生［7］。ROS的積累還能增加破骨細(xì)胞及其祖細(xì)胞中的RANKL和M-CSF并抑制叉頭蛋白O(fork head box O Fox D)的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)一步刺激了破骨細(xì)胞祖細(xì)胞的增殖，延長(zhǎng)了破骨細(xì)胞的壽命，增加了骨吸收并使骨量丟失［8］。

2 自噬與PMOP

2.1 自噬的生物學(xué)作用

自噬是一種細(xì)胞對(duì)構(gòu)象錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)和受損的細(xì)胞器等進(jìn)行包裹后，通過(guò)與溶酶體結(jié)合將其降解并再次循環(huán)利用的自我生存機(jī)制，對(duì)于細(xì)胞的存活、分化及維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要［9］。在整個(gè)自噬的過(guò)程中，自噬相關(guān)基因(Atg)及其編碼的蛋白質(zhì)與自噬調(diào)控通路相互構(gòu)建了復(fù)雜的自噬調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)并負(fù)責(zé)細(xì)胞的新陳代謝。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是自噬活性調(diào)節(jié)的關(guān)鍵性分子，它能與幾種蛋白質(zhì)相互作用形成mTORC1復(fù)合物及mTORC2復(fù)合物［10］。在發(fā)生自噬的復(fù)雜機(jī)制過(guò)程中mTORC1能被氨基酸、生長(zhǎng)因子、ROS、炎癥和Wnt信號(hào)等激活，并在溶酶體降解長(zhǎng)壽蛋白和去除受損細(xì)胞器的過(guò)程中起到負(fù)調(diào)節(jié)作用，而mTORC2主要涉及生長(zhǎng)因子信號(hào)的傳導(dǎo)［11，12］。

在骨骼的發(fā)育過(guò)程中，mTOR及信號(hào)通路在控制成骨細(xì)胞分化過(guò)程中均發(fā)揮了不同的作用，腺苷酸活化激酶(adenosine monophosphate-actived protein kinase，AMPK)依賴(lài)mTOR產(chǎn)生的早期自噬抑制以及AMPK/Akt/mTOR信號(hào)途徑介導(dǎo)的晚期mTOR活化都是最佳分化途徑所必需的，mTORC1則在成骨細(xì)胞分化晚期通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬活性促進(jìn)細(xì)胞成熟［13，14］。敲除小鼠成骨細(xì)胞自噬相關(guān)基因 FIP200(focal adhesion kinase family interacting protein of 200kD)及Atg7后抑制了自噬，造成了細(xì)胞自噬障礙、氧化應(yīng)激水平增高、成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞生成障礙以及骨量減低［15，16］。同時(shí)，在成骨細(xì)胞分化為骨細(xì)胞期間，早期抑制自噬造成了細(xì)胞質(zhì)成分改變及細(xì)胞形態(tài)成熟障礙并進(jìn)一步影響了骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的生成，造成了骨量減少［17］。此外，自噬相關(guān)蛋白WDFY3基因的敲除增加了破骨細(xì)胞的分化及其活性，而自噬基因的缺失或組織處于缺氧狀態(tài)時(shí)將會(huì)造成破骨細(xì)胞數(shù)量和活性增加、體積增大、核增多等一系列變化［18，19］。

2.2 自噬活性調(diào)節(jié)與PMOP

近幾年研究證實(shí)，自噬作為細(xì)胞的自我保護(hù)機(jī)制，能夠減輕氧化應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞損傷并維持細(xì)胞功能，以延緩或減輕骨量丟失。在PMOP中，隨著年齡的增長(zhǎng)和雌激素水平下降，氧化應(yīng)激造成的ROS蓄積可以損傷細(xì)胞膜、線(xiàn)粒體和轉(zhuǎn)錄因子等細(xì)胞成分，并可進(jìn)一步觸發(fā)自噬來(lái)清除受損成分使細(xì)胞得以存活，但ROS對(duì)線(xiàn)粒體的損傷也可能導(dǎo)致細(xì)胞積累更多ROS，過(guò)度的自噬則可能直接引起細(xì)胞凋亡［20，21］。過(guò)量蓄積的 ROS 還可以通過(guò) Wnt/βcatenin［22］、RANKL/RANK/OPG［23］、JNK/c-Jun［24］、MAPK和PI3K［25］等信號(hào)通路影響核內(nèi)基因表達(dá)，通過(guò)抑制成骨細(xì)胞譜系增殖和活性、抑制骨祖細(xì)胞的成骨分化、刺激破骨細(xì)胞前體細(xì)胞和破骨細(xì)胞的增殖及分化等，最終打破骨吸收和骨形成之間的平衡，引起骨質(zhì)疏松。

在PMOP中氧化應(yīng)激能使自噬活性改變并進(jìn)一步導(dǎo)致骨穩(wěn)態(tài)的失衡，因此一些抗氧化劑通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬活性顯示出對(duì)治療或預(yù)防骨質(zhì)疏松癥具有良好的效果。白藜蘆醇是具有代表性的抗氧化劑之一，在卵巢切除(ovariectomized，OVX)后的大鼠中它能夠觸發(fā)自噬并增強(qiáng)成骨細(xì)胞分化，通過(guò)ROS抑制來(lái)減少RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成以抵抗骨吸收［26］。此外，山奈酚作為一種黃酮醇類(lèi)抗氧化物在OVX大鼠中也表現(xiàn)出良好的抗骨質(zhì)疏松效果［27］，它通過(guò)激活 Atg5、beclin-1、SQSTM1/p62和 LC3誘導(dǎo)成骨細(xì)胞自噬體形成，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化及骨礦化，同時(shí)抑制破骨細(xì)胞的骨吸收［28］。茶多酚不僅能對(duì)抗絕經(jīng)后因雌激素缺乏引起的氧化應(yīng)激，還具有保護(hù)溶酶體膜和穩(wěn)定溶酶體酶的能力，它通過(guò)增加beclin-1和LC3的表達(dá)促進(jìn)自噬，對(duì)成骨細(xì)胞的分化、存活及骨礦化起到積極作用，并有效抑制破骨細(xì)胞的形成和分化［29，30］。除了一些植物性抗氧化劑，研究人員還發(fā)現(xiàn)人體自身分泌的褪黑素不僅是一種良好的抗氧化劑，其夜間褪黑激素峰的恢復(fù)對(duì)圍絕經(jīng)期婦女骨骼健康也有積極的影響［31］。褪黑素能通過(guò)抑制ROS產(chǎn)生，增加 MAPK活性，還能通過(guò)ERK通路抑制自噬，提高成骨細(xì)胞增殖活性，對(duì)于破骨細(xì)胞則通過(guò)刺激成骨細(xì)胞成骨作用減少RANKL的釋放而起到間接調(diào)節(jié)作用［32］。

3 自噬與骨形成、骨吸收的關(guān)系

在骨組織內(nèi)，成骨細(xì)胞主導(dǎo)骨礦化形成，破骨細(xì)胞主導(dǎo)骨吸收，骨細(xì)胞參與骨形成、骨吸收和傳導(dǎo)信號(hào)并啟動(dòng)骨微結(jié)構(gòu)的修復(fù)，這三種細(xì)胞類(lèi)型相輔相成，并在骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的改造與破壞中共同完成舊骨的吸收和新骨的生成。自噬參與到成骨細(xì)胞分化、破骨細(xì)胞活性調(diào)節(jié)及骨細(xì)胞的骨改造等方面，并進(jìn)一步影響到骨形成與骨吸收的平衡。

3.1 自噬與成骨細(xì)胞

成骨細(xì)胞由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化而來(lái)，這一過(guò)程需要經(jīng)歷多個(gè)階段的轉(zhuǎn)化，并受到雌激素、細(xì)胞因子和基因表達(dá)等多方面的調(diào)控。轉(zhuǎn)錄因子FOXO3在間充質(zhì)干細(xì)胞中能誘導(dǎo)細(xì)胞的自噬，從而減少成骨細(xì)胞分化過(guò)程中因線(xiàn)粒體呼吸增加而引起的ROS水平增高，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的順利完成［33］。在分化成熟的成骨細(xì)胞中，雌二醇可以直接通過(guò)ERs-ERKmTOR通路顯著增強(qiáng)自噬以減少成骨細(xì)胞凋亡所造成的骨量丟失［34］。這樣的保護(hù)機(jī)制可能與減少ROS的產(chǎn)生、刺激谷胱甘肽還原酶的活性以及降低p66shc磷酸化等有關(guān)［35］。而雌激素水平下降引起的氧化應(yīng)激并造成的成骨細(xì)胞損傷，可以通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激發(fā)的早期自噬得以緩解，這可能是成骨細(xì)胞對(duì)ROS攻擊的保護(hù)性反應(yīng)［36］。Lai等［37］通過(guò)過(guò)氧化氫誘導(dǎo)成骨細(xì)胞自噬水平升高，發(fā)現(xiàn)能顯著提高成骨細(xì)胞成活率，免于因氧化應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡。此外，雷洛昔芬作為一種選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑應(yīng)用于臨床治療PMOP，它能通過(guò)激活A(yù)MPK/ULK1通路提高細(xì)胞自噬水平、促進(jìn)成骨細(xì)胞分化、增加成骨作用并抑制骨吸收［38，39］。在骨形成的過(guò)程中自噬空泡還能作為介質(zhì)幫助成骨細(xì)胞分泌磷灰石晶體至細(xì)胞外參與成骨［40］。這說(shuō)明自噬在維持成骨細(xì)胞功能上是一個(gè)保護(hù)性因素，能起到抗氧化、抗凋亡、參與成骨等功能，對(duì)于抗雌激素缺乏性骨質(zhì)疏松及促進(jìn)骨形成具有積極作用。

3.2 自噬與破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞是由骨髓巨細(xì)胞分化為前破骨細(xì)胞并相互融合而成的高分化多核巨細(xì)胞，能在細(xì)胞外側(cè)形成刷狀緣并通過(guò)釋放溶酶體酶和HCl等物質(zhì)使骨質(zhì)及膠原降解并形成骨吸收陷窩。目前對(duì)于自噬在破骨細(xì)胞中的作用尚存在爭(zhēng)議。有研究發(fā)現(xiàn)雷帕霉素及其類(lèi)似物作為經(jīng)典的自噬誘導(dǎo)劑在OVX大鼠中通過(guò)對(duì)PFTAIRE1蛋白激酶的上調(diào)及減少組織蛋白酶K的含量，能有效抑制破骨細(xì)胞的形成和活性并預(yù)防骨量丟失約60%［41］。另外鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate，S1P)作為破骨細(xì)胞的化學(xué)誘導(dǎo)物，能與破骨細(xì)胞表面相應(yīng)受體結(jié)合并調(diào)節(jié)mTOR活性降低自噬［4］。而在一項(xiàng)對(duì)絕經(jīng)后婦女外周循環(huán)血S1P的測(cè)量中也證實(shí)S1P含量增高與骨密度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，S1P增強(qiáng)破骨細(xì)胞的生成并導(dǎo)致了骨吸收增加［42］。同時(shí)，二氫青蒿素能抑制RANKL誘導(dǎo)的NF-κB的活性，增加細(xì)胞中ROS的積累并激活自噬程序，使破骨細(xì)胞產(chǎn)生受限，進(jìn)而逆轉(zhuǎn) OVX 小鼠的骨丟失［43，44］。由此推測(cè)，在 PMOP中破骨細(xì)胞自噬水平的增加能抑制其自身的分化及活性，減少骨量丟失。另外的研究則與上述結(jié)論相反，在敲除Atg7的OVX小鼠中，研究者們發(fā)現(xiàn)自噬的抑制對(duì)OVX小鼠的成骨細(xì)胞沒(méi)有影響，反而能抑制破骨細(xì)胞活性并減少骨丟失［45］。同時(shí)，在OVX小鼠中Atg5和Atg7基因的缺失使破骨細(xì)胞刷狀緣產(chǎn)生受阻，使骨吸收陷窩的深度變淺［46］。而使用雷帕霉素則能逆轉(zhuǎn)三氧化二鐵介導(dǎo)的破骨細(xì)胞自噬低活性狀態(tài)，使破骨細(xì)胞數(shù)量及活性顯著增加［47］。破骨細(xì)胞中的自噬相關(guān)基因Beclin-1通過(guò)RANKL也介導(dǎo)了線(xiàn)粒體產(chǎn)生大量ROS并促進(jìn)破骨細(xì)胞分化成熟［48］。這說(shuō)明自噬的抑制或缺失使得破骨細(xì)胞的溶骨功能受限，提高自噬活性則能改善破骨細(xì)胞活性。在對(duì)破骨細(xì)胞的研究中由于使用不同的動(dòng)物模型及干預(yù)措施的差異，以及破骨細(xì)胞來(lái)源的特殊性和其活性受到多種因子的調(diào)節(jié)，自噬在破骨細(xì)胞中發(fā)揮的作用尚不十分明確，仍需進(jìn)一步研究。

3.3 自噬與骨細(xì)胞

在骨骼發(fā)育的過(guò)程中一部分成骨細(xì)胞經(jīng)過(guò)劇烈的形態(tài)轉(zhuǎn)化后分化成為骨細(xì)胞并埋于骨礦化的基質(zhì)中，之后通過(guò)分泌硬骨素及RANKL等來(lái)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞比例并參與到骨重建修復(fù)中［49］。骨細(xì)胞能通過(guò)提高自噬水平幫助其在分化過(guò)程中完成細(xì)胞形態(tài)的改變和細(xì)胞器的回收儲(chǔ)能，以適應(yīng)相對(duì)缺氧及營(yíng)養(yǎng)缺失的狀態(tài)，自噬的增加也幫助骨細(xì)胞抵御來(lái)自骨基質(zhì)中的氧化應(yīng)激并保持細(xì)胞活力［50］。Yang等［51］在 OVX 大鼠中使用雌激素治療后發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞在雌激素缺失的狀態(tài)下可能因?yàn)檠趸瘧?yīng)激水平的增高導(dǎo)致自噬水平的增加，而恢復(fù)雌激素水平則對(duì)自噬沒(méi)有顯著影響。而更多研究指出抑制骨細(xì)胞自噬導(dǎo)致的骨量下降可能更接近于年齡相關(guān)的骨質(zhì)疏松［15，53］。一項(xiàng)研究比較了在骨質(zhì)疏松的發(fā)生過(guò)程中性激素及年齡對(duì)自噬的影響［52］，發(fā)現(xiàn)了骨細(xì)胞的自噬水平可能更多受年齡及細(xì)胞自身衰老的影響，雌激素對(duì)骨細(xì)胞的自噬起到了負(fù)調(diào)節(jié)作用。而隨著年齡的增長(zhǎng)骨細(xì)胞的自噬水平下降、凋亡增加，導(dǎo)致了局部微環(huán)境及結(jié)構(gòu)的變化并進(jìn)一步使骨組織退化。相比成年大鼠，在老年大鼠的骨細(xì)胞中一些重要的自噬基因如LC3、Beclin-1和Ulk-1表達(dá)出現(xiàn)下降，而與其相應(yīng)的表現(xiàn)是骨細(xì)胞的凋亡和骨密度的下降，自噬增加則對(duì)于骨細(xì)胞延緩衰老、抗凋亡及抗氧化應(yīng)激有一定作用［53］。在PMOP中受到氧化應(yīng)激的影響，骨細(xì)胞自噬活性的上調(diào)可能作為抗骨質(zhì)疏松的反應(yīng)性保護(hù)因素，但隨著年齡的增加，骨細(xì)胞凋亡開(kāi)始增多、自噬水平下降，這進(jìn)一步促進(jìn)了骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

自噬是細(xì)胞生存的重要機(jī)制，也在PMOP中發(fā)揮著不可替代的作用，但對(duì)于目前的研究來(lái)說(shuō)其具體機(jī)制尚不是十分清楚。人體中細(xì)胞的自噬具有普遍性，而對(duì)于PMOP中細(xì)胞自噬水平的改變可能不僅僅簡(jiǎn)單的涉及到雌激素水平下降和氧化應(yīng)激，可能還與機(jī)體隨著年齡增加伴隨的各器官的逐漸衰老和功能下降有關(guān)。在體內(nèi)衰老的開(kāi)始一般都能誘導(dǎo)自噬，但自噬的抑制也能促進(jìn)衰老，這可能是細(xì)胞自噬在抵抗逐步積累的有害物達(dá)到一定限度并嚴(yán)重受損時(shí)，促進(jìn)了細(xì)胞的衰老及凋亡［54］。而在成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞中自噬的下降也可能是細(xì)胞衰老的標(biāo)志之一。因此自噬與衰老為將來(lái)進(jìn)一步研究治療PMOP提供了更加清晰的思路與目標(biāo)。同時(shí)，隨著對(duì)于自噬在骨質(zhì)疏松中所發(fā)揮作用的不斷深入探索和研究，以及不斷發(fā)現(xiàn)的各種激素或藥物對(duì)自噬活性產(chǎn)生的影響，或許能通過(guò)自噬活性的改變保持骨骼細(xì)胞之間的相互平衡并抵御細(xì)胞衰老以達(dá)到預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥的目的，從而降低脆性骨折的發(fā)生概率并改善絕經(jīng)后婦女的生活質(zhì)量。