中藥調(diào)控膝骨關(guān)節(jié)炎細(xì)胞自噬實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

岳百川 李盛華 盧冠錦 李 毅

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis of the knee，KOA)是一種以膝關(guān)節(jié)疼痛、活動(dòng)受限甚至功能喪失為臨床表現(xiàn)，嚴(yán)重影響中老年人群生活質(zhì)量和心理健康的慢性退行性疾病，臨床病理學(xué)表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨退變、骨質(zhì)增生硬化和滑膜炎癥[1-2]。KOA是發(fā)病率較高的骨關(guān)節(jié)退行性疾病之一，自20世紀(jì)中葉以來(lái)，膝骨關(guān)節(jié)炎的患病率已經(jīng)翻倍[3]。王斌等[4]通過(guò)Meta分析，得出我國(guó)KOA患病率為18%。隨著KOA患病率的逐年升高，人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)這一膝骨關(guān)節(jié)炎的終極治療措施的應(yīng)用也越來(lái)越成熟，但是該手術(shù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)不容忽視。2019年澳大利亞骨科學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)到2030年全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knell replacement，TKR)發(fā)生率將增加276%，與全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(total hip replacement,THR)共造成53.2億澳元的醫(yī)療保健系統(tǒng)的成本壓力[5]。此外，由于受到長(zhǎng)期慢性疼痛和活動(dòng)受限甚至是殘疾的困擾，KOA患者更容易合并出現(xiàn)焦慮、抑郁等心理問(wèn)題[6-7]。因此，對(duì)KOA的早期干預(yù)以減緩病情進(jìn)展，提高患者的生活質(zhì)量尤為重要。近年來(lái)，人們對(duì)自噬在KOA的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用進(jìn)行了深入的研究。中藥復(fù)方具有多組分、多途徑、多靶點(diǎn)的特點(diǎn)，在膝骨關(guān)節(jié)炎的防治中可以起到網(wǎng)絡(luò)化調(diào)控的作用?？梢哉{(diào)控自噬相關(guān)基因和信號(hào)通路，影響相關(guān)蛋白的表達(dá)，對(duì)早中期KOA的治療具有獨(dú)特作用。

1 自噬相關(guān)概述

自噬是細(xì)胞死亡的生物學(xué)途徑之一，對(duì)維持組織和機(jī)體內(nèi)平衡起基礎(chǔ)性作用[8-12]。當(dāng)自噬受到抑制時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡[13]，自噬抑制狀態(tài)參與多種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾患的發(fā)病過(guò)程[14-15]。自噬過(guò)程大致可以分為自噬啟動(dòng)、自噬體成核、自噬小體的形成和延伸、自噬體-溶酶體融合、自噬溶酶體降解五個(gè)階段[16-17]。自噬發(fā)揮著維持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和代謝的重要生物學(xué)功能[18]，營(yíng)養(yǎng)缺乏是自噬的主要啟動(dòng)因素，缺氧和輻射等在自噬啟動(dòng)中的作用也不容忽視[19]。雷帕霉素靶標(biāo)(mammalian target of rapamycin,mTOR)是調(diào)控自噬的核心環(huán)節(jié)，其生物活性受PI3K/AKT信號(hào)通路、MAPK信號(hào)通路和AMPK信號(hào)通路和自噬相關(guān)蛋白(autophagy related protein,ATG)的調(diào)控[20]。自噬相關(guān)蛋白(ATG)在自噬過(guò)程中發(fā)揮著重要調(diào)控作用，目前已知的自噬相關(guān)蛋白有30余種[21]。PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路和AMPK/mTOR信號(hào)通路均與ATG1/ULK1相關(guān)，并控制磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P)的產(chǎn)生[22-23]。而PI3P在自噬形成過(guò)程中起關(guān)鍵作用[24]，可以刺激WIPI2的募集，并加速LC3的脂化[25]。LC3/ATG8家族蛋白脂化后參與子自噬體、自噬溶酶體形成等環(huán)節(jié)，是自噬的標(biāo)志[26]。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming grawth factor β1，TGF-β1)過(guò)度表達(dá)可以降低自噬相關(guān)蛋白LC3-II/I的比例，從而抑制自噬[27]。Deng等[28]通過(guò)制作KOA動(dòng)物模型，并向其膝關(guān)節(jié)內(nèi)注射氯沙坦，達(dá)到過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-γ(peroxisome proliferator activated receptor γ,PPARγ)表達(dá)上調(diào)的效果，同時(shí)通過(guò)滅活TGF-β1信號(hào)通路，有效抑制炎癥反應(yīng)。以前認(rèn)為ATG4蛋白僅參與LC3/ATG8的結(jié)合和解離，最新研究[29]表明ATG4家族蛋白存在獨(dú)立于LC3/GABARAP的脂化系統(tǒng)，即通過(guò)募集含有ATG9A的囊泡促進(jìn)吞噬細(xì)胞的擴(kuò)大。Beclin1是自噬的主要調(diào)節(jié)因子，是Ⅲ類PI3K復(fù)合物的核心成分[30]。新的研究[31]表明VCP/p97可以間接穩(wěn)定Beclin蛋白水平，當(dāng)VCP活性受到抑制時(shí)會(huì)導(dǎo)致PI3P產(chǎn)生減少和早期自噬標(biāo)志物WIPI2和ATG16L1的募集減少。

2 KOA與自噬

軟骨退變是KOA最主要的臨床病理學(xué)特征。隨著年齡的增長(zhǎng)和OA的進(jìn)展，軟骨中存在軟骨陷窩和細(xì)胞減少，提示軟骨細(xì)胞發(fā)生死亡并參與了OA的發(fā)展[32]。自噬障礙和線粒體受損會(huì)下調(diào)軟骨細(xì)胞的活性[33]，激活自噬可以有效減少軟骨細(xì)胞的凋亡[34]。自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激互為上游，共同調(diào)控細(xì)胞死亡及維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[13]。而當(dāng)自噬受到抑制的時(shí)會(huì)促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激加劇軟骨細(xì)胞凋亡及疾病進(jìn)展[35]。隨著軟骨的逐漸退化，自噬水平也會(huì)隨之降低[36]，形成惡性循環(huán)。吳獻(xiàn)毅[37]的研究發(fā)現(xiàn)Beclin1、LC3A、ULK1在KOA患者關(guān)節(jié)軟骨中高表達(dá)，表明自噬參與KOA的發(fā)病與修復(fù)過(guò)程。

3 中藥復(fù)方及單方調(diào)控KOA自噬水平

中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，膝骨關(guān)節(jié)炎的中醫(yī)證型主要有氣滯血瘀證、寒濕痹阻證、濕熱痹阻證、肝腎虧虛證和氣血虛弱證五個(gè)證型[1-2]，西醫(yī)學(xué)研究表明KOA的發(fā)病與衰老密切相關(guān)，故而肝腎虧虛、筋骨失養(yǎng)是KOA發(fā)病的基本病機(jī)。臨床辨證論治中補(bǔ)益肝腎、強(qiáng)筋壯骨類中藥在大多數(shù)KOA患者中均應(yīng)酌情使用。研究發(fā)現(xiàn)右歸丸、四妙散、補(bǔ)腎活血方、補(bǔ)腎強(qiáng)筋膠囊、消腫止痛合劑等中藥復(fù)方在調(diào)控膝骨關(guān)節(jié)炎細(xì)胞自噬水平方面具有一定優(yōu)勢(shì)[38-42]。顏春魯?shù)萚38]通過(guò)右歸丸干預(yù)KOA模型大鼠，發(fā)現(xiàn)中藥組大鼠軟骨組織中PI3K、p-Akt和p-mTOR蛋白的表達(dá)明顯降低，Beclin1的蛋白表達(dá)明顯升高，說(shuō)明右歸丸提高軟骨細(xì)胞的自噬水平可能是通過(guò)抑制PI3K、pAkt和pmTOR和增強(qiáng)Beclin1的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。沈金明等[39]的研究發(fā)現(xiàn)四妙散能顯著升高LC3的表達(dá)，并導(dǎo)致軟骨凋亡相關(guān)蛋白Fadd、Casp3低表達(dá)，說(shuō)明四妙散科通過(guò)FADD-CASP3途徑激活軟骨細(xì)胞自噬，控制KOA的進(jìn)展。盧巖巖[40]通過(guò)用補(bǔ)腎活血方干預(yù)KOA模型大鼠，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)腎活血方能使ULK1、Beclinl、LC3B、AMPK高表達(dá)，說(shuō)明補(bǔ)腎活血方可能通過(guò)激活自噬AMPK/ULK1信號(hào)通路，抑制mTOR的表達(dá)，發(fā)揮保護(hù)軟骨的作用。彭莎等[41]的研究發(fā)現(xiàn)補(bǔ)腎強(qiáng)筋膠囊可以提高KOA模型組大鼠軟骨組織中Beclin1、LC3B-Ⅱ/Ⅰ、ULK1 mRNA和蛋白表達(dá)，并顯著降低p-mTOR蛋白表達(dá)量，認(rèn)為補(bǔ)腎強(qiáng)筋膠囊可能通過(guò)AMPK/mTOR信號(hào)通路上調(diào)KOA軟骨細(xì)胞自噬。李金鵬等[42]通過(guò)運(yùn)用消腫止痛合劑干預(yù)KOA模型大鼠，發(fā)現(xiàn)消腫止痛合劑在降低IL-6、MMP-3、COX-2、caspase-9、mTOR表達(dá)，上調(diào)LC3、Beclin1、p-AMPK的表達(dá)量方面優(yōu)于硫酸氨基葡萄糖，說(shuō)明消腫止痛合劑可以通過(guò)AMPK/mTOR信號(hào)通路上調(diào)軟骨細(xì)胞的自噬水平，從而促進(jìn)KOA軟骨的修復(fù)。錢哲[43]運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)“肝腎同治”組方調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬是治療KOA的途徑之一。林志東等[44]的研究發(fā)現(xiàn)鹿茸可以上調(diào)細(xì)胞自噬基因的表達(dá)，同時(shí)下調(diào)細(xì)胞凋亡基因的表達(dá)，說(shuō)明鹿茸科可通過(guò)細(xì)胞自噬、細(xì)胞凋亡清除受損的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)，起到維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的作用。

雖然目前在中藥干預(yù)KOA軟骨自噬方面進(jìn)行了較多的研究，但是受限于中藥復(fù)方成分復(fù)雜的原因?qū)е聦?duì)于機(jī)制的深入研究較為困難，也不能排除中藥通過(guò)其他途徑干預(yù)軟骨細(xì)胞自噬，仍然需要進(jìn)一步創(chuàng)新中醫(yī)藥研究方法。

4 中藥單體調(diào)控KOA自噬水平

隨著生物信息學(xué)尤其是網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的發(fā)展，為人們通過(guò)已發(fā)表文獻(xiàn)中篩選中藥有效成分和靶點(diǎn)信息提供了便捷的途徑。中藥單體以其成分單一、便于研究的特點(diǎn)被大量應(yīng)用于KOA防治的基礎(chǔ)研究和臨床研究。研究[45-46]表明，淫羊藿苷能顯著上調(diào)Beclin1、LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ、ULK1、FIP200、ATG13蛋白的表達(dá)進(jìn)而影響自噬水平。青藤堿是一種主要存在于中藥青風(fēng)藤的生物堿，具有抗炎鎮(zhèn)痛等多種生物學(xué)作用[47]。鄭潔等[48]觀察不同劑量的青藤堿干預(yù)KOA兔關(guān)節(jié)軟骨自噬水平，發(fā)現(xiàn)青藤堿能顯著下調(diào)關(guān)節(jié)軟骨中Atg-5、Atg-12的mRNA表達(dá)和Beclin-1、LC3-Ⅱ的表達(dá)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)青藤堿能顯著上調(diào)PI3K/akt/mTOR信號(hào)通路中PI3K、akt和mTOR的表達(dá)，說(shuō)明青藤堿通過(guò)抑制PI3K/akt/mTOR信號(hào)通路，上調(diào)KOA兔關(guān)節(jié)軟骨自噬水平。商連斌等[49]通過(guò)檢測(cè)續(xù)斷總皂苷干預(yù)的KOA模型大鼠，發(fā)現(xiàn)續(xù)斷總皂苷組大鼠軟骨組織中p-PI3K、P-akt、p-mTOR的表達(dá)水平顯著降低，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)該組大鼠軟骨病理?yè)p傷較輕，說(shuō)明續(xù)斷總皂苷可抑制PI3K/akt/mTOR信號(hào)通路，上調(diào)軟骨細(xì)胞自噬水平保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨；另一項(xiàng)研究[50]通過(guò)檢測(cè)續(xù)斷總皂苷干預(yù)KOA模型大鼠軟骨組織中Atg3、Atg4、Atg7表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)三者均顯著降低，進(jìn)一步證實(shí)了續(xù)斷總皂苷可以激活軟骨細(xì)胞自噬保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨。

5 小結(jié)與展望

自噬是維持關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要生物學(xué)機(jī)制之一，自噬活性降低則不能及時(shí)清除受損的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)，導(dǎo)致軟骨修復(fù)缺乏必要的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量，使軟骨細(xì)胞減少，最終軟骨退變。

目前尚未開(kāi)發(fā)出調(diào)控軟骨自噬扭轉(zhuǎn)KOA進(jìn)展的藥物，中醫(yī)藥具有多成分、多靶點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)。辨證用藥是中醫(yī)藥創(chuàng)新發(fā)展的核心，今后的研究中既不能放棄中藥復(fù)方網(wǎng)絡(luò)化調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，又要借助中藥單體的研究幫助明確其作用機(jī)制。未來(lái)應(yīng)該堅(jiān)持創(chuàng)新中醫(yī)藥科研方法，讓現(xiàn)代分子生物學(xué)理論更好地契合中醫(yī)藥理論。充分發(fā)揮中藥尤其是中藥復(fù)方干預(yù)KOA軟骨自噬的優(yōu)勢(shì)，以期為中醫(yī)藥防治KOA提供理論依據(jù)和研究方向。