mTOR信號通路及其調(diào)控的細胞自噬在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病、治療中作用的研究進展

王夢婷，王雨軒，方樑，張馨元，曾彥綺，周學平

(南京中醫(yī)藥大學，南京210046)

骨關(guān)節(jié)炎(OA)是最常見的風濕性疾病之一，以關(guān)節(jié)慢性退行性病變?yōu)橹?最終可導致關(guān)節(jié)的慢性疼痛、屈伸不利和功能障礙。軟骨細胞作為關(guān)節(jié)軟骨組織中惟一存在的細胞種類，它可以通過維持細胞外基質(zhì)(ECM)的合成和酶降解之間的動態(tài)平衡，從而對關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)改變做出應答。自噬作為清除功能障礙性細胞器和大分子的重要細胞穩(wěn)態(tài)機制，在分解代謝和營養(yǎng)應激的情況下增加。在OA軟骨退行性病變的初期，軟骨細胞中的自噬被激活，保護軟骨細胞以應對各種環(huán)境變化(如機械壓力等)。而隨著軟骨退變，自噬程度降低，細胞對外界環(huán)境的適應能力顯著下降，細胞發(fā)生損傷，最終導致細胞死亡。多種蛋白激酶和信號通路參與了自噬及其相關(guān)過程，其中哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一個重要的自噬抑制蛋白[1]。mTOR是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，mTOR介導的信號通路與正常軟骨的生長發(fā)育以及OA的發(fā)病、治療等過程密切相關(guān)?，F(xiàn)就mTOR信號通路及其調(diào)控的細胞自噬在OA發(fā)病中的重要作用及其作為潛在治療靶點的研究進展綜述如下。

1 mTOR信號通路及其調(diào)控的細胞自噬在OA發(fā)病中的作用

近年來，各種研究已經(jīng)證實了mTOR信號在軟骨細胞代謝、關(guān)節(jié)軟骨穩(wěn)態(tài)和OA病理生理學中的關(guān)鍵作用。自噬參與關(guān)節(jié)軟骨退化的過程，軟骨細胞自噬的失調(diào)可能導致OA的發(fā)生。OA中晚期自噬的抑制加速了OA的進程，而激活自噬可以減緩OA的進展。mTOR是自噬的主要負性調(diào)節(jié)因子，軟骨細胞的自噬可通過抑制PI3K/AKT/mTOR通路而被激活[2]。

1.1 mTOR信號通路與自噬在OA軟骨保護中的作用機制 Roach等[3]研究發(fā)現(xiàn)， Unc-51樣激酶1(ULK1)/絲裂原活化蛋白激酶(AMPK)和mTOR信號通路之間的相互作用是自噬調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵步驟，ULK1是上游自噬誘導物。在正常情況下，營養(yǎng)或生長因子的刺激使mTORC1呈高活性狀態(tài)，可以對ULK1復合物進行負調(diào)節(jié)，阻止ULK1的活化并破壞ULK1和AMPK之間的相互作用，進而造成自噬的抑制。然而，在葡萄糖饑餓的條件下，AMPK通過直接激活ULK1促進自噬[4～6]。因此，在OA病變初期，軟骨細胞中自噬相關(guān)蛋白LC3和自噬調(diào)節(jié)物Beclin-1信使RNA(mRNA)表達增加，自噬增強，保護軟骨細胞以應對OA病變早期營養(yǎng)缺乏的環(huán)境。然而，在OA病變中后期自噬則表現(xiàn)為抑制。對于這種現(xiàn)象，研究者普遍認為短時間內(nèi)自噬的增強是對細胞應激的代償性反應，但當過長的應激反應超過該機制的代償能力時，細胞發(fā)生損傷，不足以激活自噬；而過低的自噬水平會導致軟骨細胞中氧自由基過度產(chǎn)生和異常的基因表達，從而損傷細胞。隨著軟骨細胞死亡增加，再生能力受限，細胞數(shù)量減少；軟骨細胞的合成代謝活動不足以對抗分解代謝活動，軟骨細胞的穩(wěn)態(tài)失衡，進一步引起軟骨的退化，最終導致OA的不斷進展[7～9]。

此外，Zhang等[10]的研究顯示，mTOR特異性缺失的軟骨自噬信號傳導增加，并且對內(nèi)側(cè)半月板失穩(wěn)術(shù)(DMM)誘發(fā)的不穩(wěn)定性OA有著顯著的保護作用，這種保護作用與關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)降解、細胞凋亡和滑膜纖維化程度的顯著降低有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，在mTOR特異性基因敲除的小鼠軟骨中，自噬信號的顯著增加，抑制了關(guān)節(jié)軟骨的退變并降低了細胞凋亡的程度[1]?？梢?，自噬對軟骨細胞有著顯著的保護作用，自噬的激活可以延緩OA的進程。而mTORC1的抑制劑可以通過增強自噬來預防軟骨細胞和基質(zhì)損傷[11]。因此，通過抑制mTOR通路，激活自噬信號，可以顯著減輕OA軟骨損傷。

1.2 mTOR信號通路與自噬在OA炎癥反應中的作用機制 過度的分解代謝活動導致OA進一步加重，這主要是由炎性細胞和炎癥介質(zhì)介導[12]。隨著OA的進展，基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)、聚蛋白多糖酶(ADAMTS)、白介素1β(IL-1β)等因子對軟骨細胞造成損害，導致軟骨細胞死亡[13～15]。Liu-Bryan 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，自噬對炎癥具有顯著的抑制作用，并影響炎性疾病的病理進展。自噬可以通過消除活動期炎癥細胞來抑制炎癥反應，阻斷自噬能增強炎癥細胞活性，而刺激自噬則有相反的作用。Xue等[2]在研究中還發(fā)現(xiàn)，炎癥可以抑制大鼠軟骨細胞增殖分化，降低自噬率。

通過抑制PI3K/AKT/mTOR信號通路可促進關(guān)節(jié)軟骨細胞的自噬，從而減輕大鼠OA的炎癥反應[2]。Caramés等[17]研究發(fā)現(xiàn)，通過雷帕霉素抑制mTOR信號傳導所導致的自噬增加，與關(guān)節(jié)軟骨中ADAMTS-5和IL-1β表達的降低相關(guān)。此外，Kapoor等[18]研究也表明，雷帕霉素誘導的自噬的增加，降低了由IL-1β(OA中主要促炎細胞因子)誘導的MMP-13和ADAMTS-5表達。因此，通過藥物和特異性基因敲除等手段抑制mTOR，激活自噬，可以降低相關(guān)炎癥因子的表達，從而緩解OA的炎癥反應，進一步降低分解代謝活動[1, 17]。此外，Tchetina 等[19]的研究也指出，OA患者外周血單核細胞中mTOR表達的增加與患者同時患有滑膜炎相關(guān)的疾病有關(guān)。在mTOR特異性基因敲除的小鼠軟骨中，自噬信號的增加降低了滑膜纖維化的程度，一定程度上延緩了OA的進程[1]。

1.3 mTOR信號通路與自噬在OA氧化損傷(線粒體變性)中的作用機制 在OA發(fā)病過程中，機體氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡，活性氧自由基(ROS)和活性氮自由基(RNS)生成過多，破壞軟骨細胞DNA，改變能量代謝，最終加快軟骨細胞凋亡進程[20～22]。其中，與年齡相關(guān)的線粒體變性是引起氧化損傷的主要誘發(fā)因素之一[23]。線粒體可以減少ROS對細胞的毒性損傷作用，其提供的能量可以幫助軟骨細胞維持穩(wěn)態(tài)，從而更好地維持軟骨組織的穩(wěn)定[8]。因此，線粒體的變性和丟失與軟骨細胞衰老和死亡緊密相關(guān)。López de Figueroa等[24]研究表明，自噬是維持關(guān)節(jié)軟骨細胞線粒體功能的關(guān)鍵機制。自噬的缺失和線粒體功能障礙，是與衰老相關(guān)的軟骨退化的特征性表現(xiàn)。

線粒體呼吸鏈氧化營養(yǎng)物質(zhì)以產(chǎn)生能量分子ATP。氧化磷酸化過程中ROS的異常產(chǎn)生可能會造成細胞損傷，最終可能導致細胞死亡[25]。López de Figueroa等[24]發(fā)現(xiàn)，使用線粒體呼吸鏈復合物V抑制劑寡霉素誘導人軟骨細胞線粒體功能障礙，可以使軟骨細胞基礎自噬水平降低，說明線粒體呼吸鏈功能的部分抑制足以破壞細胞自噬。此外，研究發(fā)現(xiàn)，24 h內(nèi)早期激活自噬以應對線粒體功能障礙，在之后的48 h內(nèi)損傷明顯減少[14]。為了進一步確定自噬的激活是否能夠保護細胞免受線粒體功能障礙的損傷，López de Figueroa等[24]還評估了寡霉素在mTOR信號傳導中的作用；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，寡霉素在人類軟骨細胞中以AKT/mTOR依賴性方式降低自噬，這可能導致軟骨細胞數(shù)量減少并部分解釋了OA中軟骨降解的原因。因此，mTOR的藥理學干預可能會通過激活自噬，保護軟骨細胞而阻止軟骨退化。這一發(fā)現(xiàn)為與衰老相關(guān)的肌肉骨骼疾病(如OA)提供了新的治療策略[24]。

2 mTOR信號通路作為靶點調(diào)控的細胞自噬在OA治療中的潛在作用

近幾十年來的臨床前研究顯示，在使用mTOR抑制劑或特異性敲除mTOR基因的動物模型中，OA的嚴重程度顯著降低，使mTOR作為OA的治療靶點而被廣泛研究。通過mTOR調(diào)節(jié)軟骨細胞凋亡從而治療OA是具有前景的。然而，mTOR信號通路作為治療靶點的意義仍不止于此。隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)通過藥物抑制mTOR通路從而增強自噬，在軟骨退化過程中可以起到軟骨保護作用，這使得OA的臨床癥狀得到顯著改善。因此，通過mTOR信號通路調(diào)節(jié)自噬可作為OA潛在的治療靶點[11, 26]。

mTOR信號通路的抑制劑雷帕霉素已經(jīng)作為抗癌、免疫抑制的有效方法而受到廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素可以在很多細胞類型中誘導自噬。研究者在體外和小鼠模型上測試了雷帕霉素的軟骨保護作用，觀察到軟骨退行性病變的嚴重程度顯著降低，滑膜炎也隨之減輕，軟骨細胞完整性得以維持，ADAMTS-5、MMP、IL-1β等指標顯著下降。諸多實驗結(jié)果表明，雷帕霉素可以通過激活自噬，部分緩解外傷導致的軟骨損傷和實驗性OA的嚴重性[11, 18, 27]。但是，目前雷帕霉素對OA患者的作用仍然有待評估。此外，一個限制雷帕霉素長期使用的重要原因，就是它的免疫抑制效應。注射雷帕霉素會導致很多不良反應，包括腹瀉、體質(zhì)量減輕、蛋白尿、貧血、過敏以及引起血清膽固醇和甘油三酯增高等。然而，目前更新、更安全的雷帕霉素類似物如Torin1的研發(fā)，使得運用mTOR阻斷劑增強自噬治療OA的臨床可行性大大增加。研究表明，關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射Torin1顯著降低了關(guān)節(jié)軟骨退化程度，使實驗動物體內(nèi)自噬標志物的表達顯著增加，而MMP-13和血管內(nèi)皮生長因子表達減少。更重要的是，在關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射Torin1時，雷帕霉素的不良反應并沒有出現(xiàn)，預示著關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射Torin1可能是臨床上治療OA的可選方式[28]。此外，尚有研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射白藜蘆醇可以通過調(diào)控AMPK/mTOR信號通路的方式增強軟骨細胞自噬，延緩關(guān)節(jié)軟骨退行性病變[29]。

目前，臨床上治療關(guān)節(jié)退行性關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)增生等病癥的常用藥物如氨基葡萄糖(GlcN)同樣可以通過阻斷mTOR通路增強軟骨細胞自噬，治療老年性OA以及椎間盤退行性病變。此外，還有一些分子可以作為潛在的治療靶點，如DNA損傷應答調(diào)節(jié)因子1等，有待進一步的研究。

綜上所述，mTOR信號通路及其調(diào)控的細胞自噬通過減少細胞死亡、抑制炎癥反應和氧化應激等活動來減緩OA的進程，在OA發(fā)病機制中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。既往的研究發(fā)現(xiàn)，單一的抑制MMP或促炎因子的藥物往往不能改變OA的整體病情，而調(diào)控影響細胞穩(wěn)態(tài)機制失常的關(guān)鍵因素如自噬，則可以通過改變軟骨細胞的基因表達，阻止細胞死亡和ECM破壞。因此，通過mTOR信號通路調(diào)節(jié)細胞自噬可以作為OA潛在的治療靶點，一些臨床前研究也為此提供了理論支持。通過藥物(如雷帕霉素)、基因敲除等途徑抑制mTOR信號通路激活自噬，從而減輕OA，已經(jīng)在實驗中得到證實。但是，目前雷帕霉素等藥物制劑對OA的臨床作用仍然有待評估。期待通過對這一治療靶點的深入研究，為OA提供更有效的治療手段。