細(xì)胞自噬在骨關(guān)節(jié)炎中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

樂意，張長(zhǎng)春，周平輝，葉雨辰，張知理，趙春

(蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院骨科，安徽 蚌埠 233000)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)作為影響現(xiàn)代居民生活的慢性、退行性的嚴(yán)重疾病之一，是力學(xué)和生物學(xué)因素共同作用下軟骨細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)、軟骨下骨合成與降解的正常偶聯(lián)失衡導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨異常塑形重建的結(jié)果[1]。其最重要的標(biāo)志就是關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變和關(guān)節(jié)邊緣、軟骨下骨的硬化以及滑膜的炎癥增生等[2]。OA患者，尤其是老年患者在治療后或者未治療后的生活質(zhì)量都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重下降，并且給患者和社會(huì)帶來巨額的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在北美、歐洲及大洋洲一些國(guó)家中，該類疾病的治療費(fèi)用占到了這些國(guó)家全年GDP的1.0%～2.5%[3]。因此，對(duì)于尋找OA新的治療方向具有重要的意義。

1 自噬體的形成過程

細(xì)胞自噬作為細(xì)胞新陳代謝的一種方式，其通過細(xì)胞內(nèi)溶酶體的分解代謝來降解細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的細(xì)胞器、大分子等物質(zhì)，從而產(chǎn)生氨基酸或其他小分子來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞成分的循環(huán)利用[4]。目前，根據(jù)細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)送到溶酶體內(nèi)的方式不同，將細(xì)胞自噬分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬三種類型[5]。廣泛意義上的細(xì)胞自噬是指巨自噬，巨自噬既是三種自噬類型中最為常見也是目前研究最為廣泛的[6]，巨自噬的形態(tài)學(xué)特征是在細(xì)胞電鏡下出現(xiàn)大量雙層膜結(jié)構(gòu)[7]。

自噬體的形成過程是細(xì)胞自噬活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，人類第一次發(fā)現(xiàn)自噬體結(jié)構(gòu)的編碼基因即自噬相關(guān)基因是在酵母中發(fā)現(xiàn)的。研究表明，自噬相關(guān)基因(autophagy related genes，ATG)大約有35種[8]，每一種ATG在自噬體的形成過程中各自通過表達(dá)不同的蛋白質(zhì)來發(fā)揮作用，從而形成最終的自噬體，這也是自噬體活動(dòng)的最重要的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)。不同的蛋白復(fù)合體在自噬的起始過程中扮演重要角色，其中研究的比較多的是雷帕霉素復(fù)合-1(mammalian target of rapamycin，mTOR-1)[9]。在細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)消耗時(shí)，mTOR-1被抑制，從而形成自噬相關(guān)基因ULK1-ATG13-FIP200復(fù)合體(unc-51 like kinase 1-autophagy related genes-fak family kinase interacting protein of 200kDa，ULK1-ATG13-FIP200)復(fù)合體，這一復(fù)合體是自噬活動(dòng)中誘導(dǎo)產(chǎn)生自噬正調(diào)控蛋白復(fù)合體的關(guān)鍵。自噬正調(diào)控蛋白是提高自噬活動(dòng)性的重要調(diào)節(jié)蛋白，ATG5和ATG12通過結(jié)合來控制延長(zhǎng)過程，最后ATG5和ATG12復(fù)合體通過與微管相關(guān)蛋白相連形成微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain3，LC3)即自噬體標(biāo)記蛋白。不溶解的LC3連接到自噬體膜上，這些ATG表達(dá)的蛋白在自噬體形成的各階段中相互作用，共同形成最終的自噬體。自噬體活動(dòng)時(shí)通過與溶酶體融合降解細(xì)胞代謝分解的產(chǎn)物，再重吸收合成新的大分子。其中重要的調(diào)節(jié)因素包括哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路、絲氨酸或者蘇氨酸激酶、P62等。

2 OA的病理變化和發(fā)病特點(diǎn)

2.1 OA的診斷標(biāo)準(zhǔn) 一般我們將OA分為原發(fā)性及繼發(fā)性，原發(fā)性O(shè)A指無明顯原因的骨關(guān)節(jié)炎，繼發(fā)性O(shè)A指某些可以加速關(guān)節(jié)軟骨退變的疾病基礎(chǔ)上繼發(fā)的退行性關(guān)節(jié)病變。臨床常見的先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的兒童以及創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎也是一種繼發(fā)性O(shè)A。目前臨床上對(duì)于骨關(guān)節(jié)炎的患者診斷主要依靠綜合患者的病史、臨床癥狀、體征、關(guān)節(jié)滑液及影像學(xué)表現(xiàn)等，典型患者會(huì)出現(xiàn)明顯的關(guān)節(jié)軟骨退變、軟骨下骨質(zhì)改變等表現(xiàn)，隨著影像技術(shù)的發(fā)展，MRI對(duì)于診斷關(guān)節(jié)軟骨及軟骨下骨質(zhì)的變化敏感性較高[10]，但關(guān)節(jié)鏡仍然是較為準(zhǔn)確的判斷關(guān)節(jié)軟骨損傷的方法。骨關(guān)節(jié)炎癥狀有時(shí)候是很不典型的，這就需要結(jié)合病史、影像學(xué)資料和實(shí)驗(yàn)室檢查綜合判斷，否則很容易造成患者的漏診和誤診。

2.2 OA的病理變化 OA被認(rèn)為是非常復(fù)雜的多因素疾病，包括關(guān)節(jié)軟骨、軟骨下骨、關(guān)節(jié)囊、滑膜以及周圍肌肉[11]等組織綜合參與了OA的病理變化過程。在正常的關(guān)節(jié)軟骨中，軟骨細(xì)胞以緩慢但連續(xù)、周而復(fù)始的速度合成和更新基質(zhì)成分。當(dāng)發(fā)生OA時(shí)，初期關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)內(nèi)蛋白多糖減少，軟骨表面的膠原纖維變性退化，之后隨著患者關(guān)節(jié)活動(dòng)，軟骨表面反復(fù)摩擦導(dǎo)致軟骨表面破壞，軟骨下骨皮質(zhì)顯露，關(guān)節(jié)間隙變窄；隨著疾病發(fā)展，軟骨細(xì)胞新陳代謝加快，軟骨間質(zhì)不斷破壞，軟骨表面亮白色澤逐漸暗淡，甚至進(jìn)一步發(fā)生軟骨軟化、剝脫以及碎裂。軟骨細(xì)胞的破壞導(dǎo)致了關(guān)節(jié)軟骨退行性改變。另外，軟骨下骨骨密度發(fā)生改變，滑膜血管翳的形成，關(guān)節(jié)囊增厚和變性，都導(dǎo)致了關(guān)節(jié)出現(xiàn)纖維性僵硬，關(guān)節(jié)出現(xiàn)不穩(wěn)，進(jìn)而嚴(yán)重影響了關(guān)節(jié)活動(dòng)度。在OA的病理過程中既有關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變，又有關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)的修復(fù)、負(fù)重表面的重新分布和穩(wěn)定性的重建，但實(shí)際上過度活躍的細(xì)胞產(chǎn)生的正?；虍惓３煞址炊鴷?huì)加重病情，修復(fù)過程并不能與正常軟骨組織中的修復(fù)過程一樣作用，破壞程度遠(yuǎn)較修復(fù)快，從而使關(guān)節(jié)面逐漸被破壞[12]。

2.3 OA的發(fā)病特點(diǎn) 軟骨細(xì)胞通過維持合成與分解代謝的動(dòng)態(tài)平衡來保持軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的完整性，在OA發(fā)病初期，隨著軟骨細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的完整性被破壞，軟骨下骨皮質(zhì)顯露，而機(jī)體通過自我修復(fù)使骨皮質(zhì)表面重新覆蓋新軟骨修補(bǔ)區(qū)并延伸至邊緣形成骨贅。有研究表明，骨贅形成是骨關(guān)節(jié)炎的主要病理改變[13]。

OA關(guān)節(jié)軟骨中的蛋白多糖含量下降，導(dǎo)致細(xì)胞外間質(zhì)組成成分的比例和分子鏈的變化，使得細(xì)胞外間質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性得到破壞，細(xì)胞外間質(zhì)的完整性對(duì)于關(guān)節(jié)軟骨來說具有十分重要的作用。

有國(guó)外學(xué)者研究顯示，OA患者關(guān)節(jié)骨贅中成骨細(xì)胞較正常的軟骨下骨成骨細(xì)胞能產(chǎn)生更多炎癥因子，正是這些炎癥因子通過信號(hào)通路表達(dá)炎性蛋白來影響OA的發(fā)生和發(fā)展[14]。最近研究證實(shí)，軟骨下骨的病理變化始終貫穿于OA的發(fā)生和發(fā)展之中，阻斷這些炎癥蛋白等的表達(dá)是研究OA的發(fā)生發(fā)展甚至是治療的新途徑[15-17]。

3 OA的治療

OA一般分為保守治療及手術(shù)療法。保守治療方案根據(jù)受累部位的不同而不同，常見的治療方法包括適量活動(dòng)、間斷休息以及關(guān)節(jié)制動(dòng)，還包括肌力的鍛煉、減少關(guān)節(jié)負(fù)荷和非成癮性止痛藥物的應(yīng)用。手術(shù)治療根據(jù)不同部位關(guān)節(jié)的解剖特點(diǎn)、嚴(yán)重程度和患者的要求而定，常見的手術(shù)方法包括關(guān)節(jié)鏡手術(shù)、截骨術(shù)、軟骨成形術(shù)、關(guān)節(jié)清理及融合術(shù)和人工關(guān)節(jié)置換術(shù)。各種手術(shù)方式有相應(yīng)的手術(shù)指證，本文不再做過多陳述，但手術(shù)的最終目的都是為了減輕患者的疼痛、矯正畸形和改善功能。

4 細(xì)胞自噬在OA中的調(diào)控

4.1 細(xì)胞自噬與OA的發(fā)生 當(dāng)病變關(guān)節(jié)發(fā)生OA時(shí)，相應(yīng)的病變關(guān)節(jié)會(huì)出現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變。目前，普遍認(rèn)為導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨退化的幾個(gè)影響因素包括年齡、肥胖、畸形、細(xì)胞外基質(zhì)分解代謝的異常和軟骨細(xì)胞的凋亡的失能。其中，軟骨細(xì)胞對(duì)保持關(guān)節(jié)正常的新陳代謝具有重要的作用，它是關(guān)節(jié)軟骨中唯一的細(xì)胞形式[18]。隨著OA的發(fā)展，軟骨細(xì)胞新陳代謝異常導(dǎo)致合成代謝減少、分解代謝增加、細(xì)胞外基質(zhì)降低，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞出現(xiàn)大量凋亡、軟骨退化、關(guān)節(jié)功能下降。同時(shí)伴隨著軟骨細(xì)胞凋亡，大量的基質(zhì)金屬蛋白酶和血小板反應(yīng)蛋白增加，加重了軟骨細(xì)胞的分解代謝和軟骨的退變。自噬-溶酶體途徑主要是負(fù)責(zé)大分子物質(zhì)、失活的細(xì)胞器及微生物等的降解，這與軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解密切相關(guān)[19]。蛋白聚糖作為細(xì)胞外基質(zhì)的重要組成部分，在軟骨細(xì)胞的增殖與分化中具有十分重要的作用[20-21]。當(dāng)軟骨細(xì)胞發(fā)生退變時(shí)，蛋白聚糖會(huì)發(fā)生減少，降解蛋白聚糖則需要硫酸酯酶的參與，而激活硫酸酯酶則需要硫酸酯酶修飾因子1(sulfatase-modifying factor 1，SUMF1)的參與[22]。硫酸酯酶活性下降導(dǎo)致的主要后果就是大量硫酸化的底物在溶酶體內(nèi)堆積[23]，而人類SUMF1的失活會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的骨質(zhì)破壞。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在活的小鼠關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)，伴隨著SUMF1的失活，生長(zhǎng)板中能觀察到自噬體數(shù)量大幅度增加[24]。小鼠內(nèi)敲除SUMF1表現(xiàn)為嚴(yán)重的侏儒表型，在這些小鼠的原代軟骨細(xì)胞中，自噬體和溶酶體以及LC3出現(xiàn)了大量的堆積，這些與自噬晚期受抑制的表現(xiàn)相似[25]。

4.2 細(xì)胞自噬與細(xì)胞凋亡的關(guān)系 正常機(jī)體細(xì)胞自噬水平一般較低，當(dāng)機(jī)體內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變，細(xì)胞自噬在細(xì)胞內(nèi)的活動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，自噬體含量會(huì)增加或者降低。對(duì)于細(xì)胞自噬和細(xì)胞凋亡的關(guān)系，多年來研究證明二者之間的關(guān)系是很復(fù)雜的，但二者均是平衡細(xì)胞體內(nèi)平衡和死亡的基本生理過程，無論自噬體含量增加或降低都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞異常凋亡，從而使軟骨細(xì)胞遭到破壞。對(duì)于OA患者來說，當(dāng)軟骨細(xì)胞出現(xiàn)損傷時(shí)，細(xì)胞出現(xiàn)凋亡過程從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的退變和隨后的OA發(fā)展，而自噬則可以抑制軟骨細(xì)胞的損傷，從而減輕OA的進(jìn)展[26]。

4.3 自噬的調(diào)控 研究證實(shí)，細(xì)胞自噬可以通過哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)、自噬正調(diào)控蛋白復(fù)合體(Beclin-1)、沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator，SIR-1)為主的多種信號(hào)途徑來進(jìn)行調(diào)控[27-31]。

4.3.1 自噬負(fù)調(diào)控分子 研究表明mTOR參與自噬形成的全部過程，它作為提供能量代謝信號(hào)的感受器，是反映細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的重要信號(hào)分子，通過抑制mTOR的合成或者其他影響mTOR含量下降的因素，均會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞自噬活動(dòng)的增加[27]，普遍認(rèn)為mTOR是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖以及自噬等上游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的匯合點(diǎn)。研究表明，mTOR可分為對(duì)雷帕霉素敏感的mTORC1和不敏感的mTORC2，mTORC1是調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的主要蛋白，而且mTORC1的活性受細(xì)胞對(duì)氨基酸攝入水平和細(xì)胞能量狀態(tài)的影響。研究還發(fā)現(xiàn)在OA的小鼠模型中給予雷帕霉素抑制mTORC1可促進(jìn)細(xì)胞自噬基因LC3的表達(dá)，從而顯著降低OA的表達(dá)水平，增強(qiáng)自噬活性[28]。

4.3.2 自噬正調(diào)控分子 自噬正調(diào)控蛋白復(fù)合體(Beclin-1)作為ATG家族一員對(duì)自噬調(diào)節(jié)具有重要作用，Beclin-1在細(xì)胞內(nèi)各種細(xì)胞器表面形成蛋白復(fù)合體，包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體以及核膜，這一蛋白復(fù)合體在這些地方開始參與自噬體的構(gòu)成[29]。磷脂酰肌醇3-激酶c3(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3Kc3)和磷脂酰肌醇3-激酶R4(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3KR4)分別有激活酶和調(diào)節(jié)活性作用?？棺贤饩€相關(guān)蛋白和ATG14L能使beclin-1局限于自噬體和晚期內(nèi)體內(nèi)。ATG14L也可以使自噬相關(guān)基因(Unc-51 like kinase 1，ULK1)磷酸化，提高PI3K在復(fù)合體中的活性[30]。細(xì)胞自噬相關(guān)正性調(diào)節(jié)蛋白1(activating molecule in BECN1-regulated autophagy protein 1，AMBRA1)通過使ULK1泛素化引起ULK1二聚化并提高其活性。Beclin-1復(fù)合體的PI3K激活能是IP3含量增加，而IP3通過與其受體結(jié)合提高細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平，從而使鈣調(diào)蛋白激酶激酶2(calmodulin-dependent protein kinase kinase 2，CaMKK2)激活，然后CaMKK2磷酸化激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)。AMPK是產(chǎn)生自噬體的重要激活酶。實(shí)驗(yàn)研究表明AMPK能使mTORC1中的骨架蛋白磷酸化從而抑制mTOR的功能活性[31]，提高自噬水平。

4.3.3 自噬的第3種調(diào)控分子 沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator，SIR-1)與各種細(xì)胞代謝相關(guān)性疾病如糖尿病、腫瘤、炎癥等的發(fā)病關(guān)系密切[32]，是沉默信息調(diào)節(jié)因子2的哺乳動(dòng)物同系物，現(xiàn)已被發(fā)現(xiàn)是OA發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[33]。?？〉萚34]實(shí)驗(yàn)人員釆用免疫組化分析三組模型(老年組、OA組和青年組)中SIR-1的表達(dá)情況，結(jié)果顯示：老年組和OA炎組蛋白均過低表達(dá)，通過釆用的激動(dòng)劑和抑制劑改變軟骨細(xì)胞內(nèi)源性的活性，再利用去乙酰化活性檢測(cè)試劑盒檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)在SIR-1活性被抑制時(shí)，青年組軟骨細(xì)胞自噬能力出現(xiàn)明顯減弱。當(dāng)SIR-1活性增強(qiáng)時(shí)，骨關(guān)節(jié)炎組自噬能力出現(xiàn)了明顯減弱，但老年組軟骨細(xì)胞自噬能力反而出現(xiàn)明顯增強(qiáng)。自噬在軟骨細(xì)胞中發(fā)揮兩種不同的作用，在軟骨退變前期可通過細(xì)胞自噬作用使損傷的細(xì)胞再修復(fù)，起到一種自噬性保護(hù)作用。隨著軟骨進(jìn)一步退變，自噬能力隨之出現(xiàn)減弱，軟骨修復(fù)能力也伴隨著出現(xiàn)下降。在OA炎晚期患者中，軟骨細(xì)胞內(nèi)自噬可能啟動(dòng)了自噬性死亡機(jī)制，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞死亡加劇了軟骨破壞。整個(gè)過程中細(xì)胞自噬均參與了軟骨細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)，在OA早期軟骨退變不明顯時(shí)通過調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬水平能夠延緩軟骨老化；而在OA晚期通過減少軟骨細(xì)胞自噬性死亡同樣能夠阻礙軟骨細(xì)胞大面積凋亡，防止出現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)一步破壞。

5 結(jié) 論

目前OA的治療對(duì)于患者來說需要負(fù)擔(dān)的成本仍然很高，而且遠(yuǎn)期療效也很不樂觀，因此對(duì)于細(xì)胞自噬活動(dòng)的研究就有著十分重要的意義。隨著對(duì)細(xì)胞自噬活動(dòng)研究的深入，自噬活動(dòng)對(duì)于OA患者軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝等方面的研究認(rèn)識(shí)逐漸開始清晰，這為治療OA甚至是類似于OA的軟骨細(xì)胞疾病提供了新的思路。期待全世界的各位學(xué)者通過對(duì)自噬體及其活動(dòng)的更加深入的研究，系統(tǒng)闡明如何調(diào)節(jié)自噬活動(dòng)來探索可能對(duì)治療骨關(guān)節(jié)炎有效的新方法。但是自噬體含量持續(xù)增加是否會(huì)對(duì)軟骨細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)有積極的作用，這還需要具體的實(shí)驗(yàn)探索，單一的自噬體調(diào)節(jié)對(duì)OA的治療能否起決定性作用仍需要我們?nèi)ミM(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。