AMPK相關(guān)代謝機制在非創(chuàng)傷性股骨頭壞死中的研究進展

陳彥同,周明旺,李盛華,*,胡星榮,劉一飛,趙秋玥,王鵬志,蘇耀輝

(1．甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院,中國甘肅蘭州730000;2．甘肅省中醫(yī)院骨科,中國甘肅蘭州730050)

非創(chuàng)傷性股骨頭壞死(non-traumatic osteonecrosis of the femoral head,NONFH)是常見的骨關(guān)節(jié)疑難病之一,多發(fā)于中青年人群,表現(xiàn)為髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎及后期的股骨頭缺血壞死、負重區(qū)的塌陷等[1]。2012年6月至2013年8月,一項針對中國人群的數(shù)據(jù)調(diào)查顯示國內(nèi)大約有812萬人患有此病[2]。當前,該病雖在病因、發(fā)病機制等方面有了一定的研究進展,但其發(fā)病機制仍未明晰。從分子生物學(xué)角度深入探討其壞死機制,尋找防治措施及治療靶點,是該病研究的熱點之一。腺苷酸活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是細胞內(nèi)主要的能量感受器,對細胞內(nèi)能量及代謝具有調(diào)節(jié)作用,同時AMPK作為脂肪合成轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)激酶,是調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、骨代謝的重要因子之一,能夠調(diào)節(jié)人體脂質(zhì)、骨骼肌等的能量代謝,此外其對血管新生、心肌缺血也具有調(diào)節(jié)作用[3～4]。由此可見,激活或抑制AMPK可能與脂質(zhì)代謝紊亂、骨質(zhì)疏松等誘發(fā)的NONFH密切相關(guān)。

1 AMPK的結(jié)構(gòu)和功能

1.1 AMPK的結(jié)構(gòu)

AMPK 是一種由 3 個亞單位(α、β、γ)組成的三亞單位異源三聚體復(fù)合物,結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,存在于所有真核生物中[5～7]。在3個亞單位中,α亞單位起催化作用,β和γ亞單位具有調(diào)節(jié)作用,每個亞單位均有各自的異構(gòu)體亞型,即 α1、α2、β1、β2、γ1、γ2 和 γ3。α1、γ1 和 γ2 亞型在不同組織中廣泛表達,α2和β1主要在心肌、肝臟和骨骼肌中表達,而γ3僅在骨骼中表達[8]。AMPK信號通路的激活或調(diào)節(jié)需要催化亞基及調(diào)節(jié)亞基的參與,催化亞基及調(diào)節(jié)亞基分別與不同末端的亞單位結(jié)合,其中γ亞基由4個串行重復(fù)的胱硫醚β合酶結(jié)構(gòu)域組成,通過結(jié)合AMP、ADP和ATP調(diào)節(jié)AMPK的活性;α亞基、β亞基及γ3亞基通過與AMPK激動劑或抑制劑結(jié)合,激活或抑制AMPK信號通路。研究報道,5-氨基-4甲酰胺咪唑核糖核苷酸(AICAR)可與AMPK的γ亞基結(jié)合而模擬AMP對AMPK的變構(gòu)激活作用[9];人體中的AMPK在饑餓和缺氧等應(yīng)激狀態(tài)下被激活,通過AMP/ATP比值的變化來調(diào)節(jié)并影響細胞代謝及其活性[10]。由此可以看出AMPK自身的生物學(xué)結(jié)構(gòu)決定了其在人體中的功能。

1.2 AMPK的功能

AMPK的激活是通過直接磷酸化其α亞單位上的Thr-172來完成的。研究發(fā)現(xiàn)AMPK的上游激酶有3種以上,包括肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)、轉(zhuǎn)化生長因子活化激酶1(transforming growth factor-activated kinase 1,TKA1)、鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(calmodulin-dependent protein kinase,CaMK)等[11]。AMPK作為細胞能量代謝的傳感器,可因代謝應(yīng)激引起的細胞AMP/ATP比值上升而激活,隨后抑制消耗ATP的合成代謝途徑,啟動產(chǎn)生ATP的分解代謝途徑。AMPK通過將3個腺嘌呤核苷酸AMP、ADP和ATP競爭性結(jié)合到其γ亞單位的γ1、γ2和γ3三個位點來感知細胞的能量狀態(tài),而γ亞單位又反過來調(diào)節(jié)α亞單位激酶域的活性。目前,對腺嘌呤核苷酸結(jié)合和差異性腺嘌呤核苷酸激活或抑制AMPK活性機制的理解主要源自人們對AMPK在不同活性狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)的解析[7]。

研究證實PDX(protectin DX)-AMPK軸對H2O2誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細胞氧化應(yīng)激具有保護作用,PDX可顯著提高AMPK的磷酸化水平,同時明顯減少H2O2誘導(dǎo)的細胞凋亡[12]。另有研究報道,AMPK的激活可增強骨髓間充質(zhì)干細胞的活性,促進成骨分化,抑制脂肪生成,起到調(diào)節(jié)骨代謝、脂代謝的作用[13～15]。上游激酶在人體應(yīng)激狀態(tài)下激活A(yù)MPK,并作用于下游相應(yīng)的基因來調(diào)節(jié)人體脂質(zhì)代謝、骨代謝等代謝性疾病。纖溶酶原激活物抑制劑-1(plasminogen activator inhibitor-1,PAI-1)是AMPK的下游因子之一,其表達水平與肥胖、脂質(zhì)代謝密切相關(guān),在血栓形成前和脂質(zhì)代謝異常的狀態(tài)下,PAI-1水平升高,而AMPK則通過激活或抑制狀態(tài)調(diào)控PAI-1等下游因子,從而作用于NONFH[16]。此外,我們通過KEGG數(shù)據(jù)庫得知AMPK下游調(diào)控因子固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c(sterol regulatory element binding protein 1c,SERBP1c)、脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase,FAS)等參與脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)?？偟膩碇v,AMPK特殊的生物學(xué)功能及其在生物體能量代謝中的重要調(diào)節(jié)作用啟示我們,基于該信號通路從分子層面研究相關(guān)疾病的發(fā)病機制,可為相關(guān)疾病的靶向治療提供思路及依據(jù)。

2 AMPK與脂質(zhì)代謝性NONFH

上游調(diào)控因子激活A(yù)MPK后,通過促進其磷酸化水平進一步誘導(dǎo)脂肪酸的合成和氧化,減少異位脂質(zhì)的積累,并降低血管內(nèi)皮的損傷,提示AMPK是調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的重要因子之一[17]。研究報道,酒精喂養(yǎng)的小鼠肝組織與對照組相比,勻漿上清中的甘油三酯含量居高,且AMPK活性顯著降低[18]。有人應(yīng)用電針治療高脂小鼠,發(fā)現(xiàn)電針可通過AMPK/ACC(acetyl-CoA carboxylase)信號通路減輕與高脂飲食誘導(dǎo)胰島素抵抗相關(guān)的骨骼肌脂代謝紊亂[19],但該研究成果有待進一步開展臨床試驗。AMPK調(diào)節(jié)人體脂質(zhì)代謝的作用已為眾多學(xué)者研究,并且人們通過AMPK信號通路已探索出很多具有前景的疾病治療靶點,這在指導(dǎo)人體多種疾病的防治中起了重要促進作用。早在1969年,有研究者就發(fā)現(xiàn)給兔動脈內(nèi)輸注脂肪可導(dǎo)致股骨頭栓塞性血管阻塞、局灶性骨髓壞死和骨細胞死亡,從而引起股骨頭的壞死[20]?，F(xiàn)今大量流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示NONFH發(fā)生與酒精及類固醇使用引起的血脂代謝關(guān)系密切[21～22]。AMPK作為脂肪合成的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)激酶,可調(diào)節(jié)脂質(zhì)的代謝,維持人體內(nèi)正常的脂質(zhì)水平,同時有研究發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死骨組織中miR-25-5p、miR-135b水平顯著升高與AMPK高激活有關(guān)[23],而AMPK信號通路軸上與脂代謝密切相關(guān)的上下游調(diào)控因子,如脂聯(lián)素(adiponectin,ADPN)、纖溶酶原激活物抑制劑-1(PAI-1)等,與脂代謝引起的NONFH具有相關(guān)性,而且這些因子在AMPK信號通路的不同應(yīng)激狀態(tài)處于不同的表達狀態(tài)(高表達或低表達)[24～25]。綜合分析現(xiàn)有研究可知,AMPK在脂代謝中的作用機制雖在肥胖等疾病中研究較多,但與NONFH相關(guān)的作用機制研究頗少。因此,深入挖掘AMPK相關(guān)信號通路并選取與脂質(zhì)代謝紊亂誘發(fā)NONFH密切相關(guān)的指標及典型樣本,進行信號通路的阻斷、基因敲除,經(jīng)過細胞、動物等離體實驗后進行藥物干預(yù)等在體研究,可能是基于該信號通路來研究NONFH發(fā)病機制的重要方向之一。

3 AMPK與骨代謝性NONFH

AMPK的激活或抑制能有效維持成骨細胞(osteoblast,OB)與破骨細胞(osteoclast,OC)間的平衡關(guān)系,在骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥等骨病的防治中具有重要意義。而股骨頭壞死塌陷是由于破骨細胞過度的骨吸收和成骨抑制,故研究成骨與破骨的相關(guān)作用機制對NONFH顯得尤為重要。同時,軟骨作為關(guān)節(jié)的重要一部分,在髖膝等人體關(guān)節(jié)中發(fā)揮著承重、緩沖、減小摩擦等作用。AMPK參與人體骨代謝,在調(diào)節(jié)成骨細胞與破骨細胞平衡中起重要作用,并在一定程度上可通過調(diào)節(jié)骨代謝而影響骨代謝性NONFH的發(fā)生。

3.1 AMPK與成骨細胞

成骨細胞是經(jīng)間充質(zhì)始祖細胞分化而來的一種能特異性分泌多種生物活性物質(zhì)的細胞,其影響骨的形成和重建過程。相關(guān)研究通過有條件地滅活3周齡小鼠細胞中AMPK的表達,于6個月、18個月時間點分別測定了骨量的相關(guān)變化,結(jié)果顯示6個月時血清鈣水平明顯下降,18個月時小鼠股骨小梁骨體積和皮質(zhì)骨厚度顯著降低,表明AMPK在維持成骨細胞含量、成年小鼠小梁骨體積、皮質(zhì)厚度和骨強度中起重要作用[26]。同時有研究證明AMPK活化可能通過誘導(dǎo)自噬來刺激成骨細胞分化和礦化,并認為增強AMPK活化和自噬活性可能是促進成骨細胞生成、骨折愈合的一種潛在的新方法[27]。NONFH常表現(xiàn)為頭部骨量的丟失、骨小梁的不連續(xù)及負重區(qū)因支撐力的下降而發(fā)生塌陷。有人評估了來源于股骨粗隆間區(qū)和NONFH患者髂嵴的成骨細胞在體外的增殖率和分化能力,并將其與患有髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)的患者進行了比較,發(fā)現(xiàn)NONFH患者股骨中成骨細胞的復(fù)制能力顯著降低[28]。另有研究表明,苯并咪唑衍生物991(C991)可激活A(yù)MPK信號通路以保護成骨細胞,使其免受地塞米松(dexamethasone,DEX)的傷害[29]。此外,研究表明AMPK是二甲雙胍發(fā)揮抗糖尿病作用的關(guān)鍵分子,二甲雙胍可在體外活化AMPK,誘導(dǎo)成骨細胞分化、骨基質(zhì)合成和成骨細胞增殖,促進成骨細胞生成,對NONFH具有一定的治療作用[30];同時,二甲雙胍可通過抑制糖原合成酶激酶3β(glycogen synthetase kinase 3β,GSK3β)的活性,促進間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)的成骨細胞分化[31]。綜上所述,AMPK促進成骨細胞增殖及對骨細胞的保護作用提示其可能是NONFH潛在的靶點藥物研究方向之一。

3.2 AMPK與破骨細胞

破骨細胞是一種在骨發(fā)育、生長、修復(fù)、重建過程中起重要作用的具有骨吸收功能的細胞。研究表明,G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體TGR5(bile acid receptor-1)通過AMPK信號通路調(diào)節(jié)破骨細胞生成,對破骨細胞生成有更好的抑制作用,并可進一步增強成骨細胞生成[32]。有研究證實,在骨保護素(osteoprotegerin,OPG)處理下自噬/溶酶體抑制劑氯喹(chloroquine)或雷帕霉素(rapamycin)可通過AMPK/mTOR/p70S6K信號通路降低破骨細胞分化和骨吸收活性,表明自噬在OPG通過AMPK/mTOR/p70S6K信號通路抑制破骨細胞分化和骨吸收中起著關(guān)鍵作用[33]。另有研究發(fā)現(xiàn),尿激酶型纖溶酶原激活劑(urokinase-type plasminogen activator,UPA)通過AMPK途徑抑制脂多糖(lipopoly-saccharide,LPS)炎癥性破骨細胞生成,同時其受體(UPAR)可通過Akt途徑促進這種抑制作用,改善炎癥性疾病引起的骨丟失[34]。此外,葡萄糖和谷氨酰胺也可通過AMPK信號通路對破骨細胞的發(fā)育和骨重吸收產(chǎn)生影響[35]?？偟膩碇v,AMPK作為能量代謝的傳感器和調(diào)節(jié)器,通路調(diào)控破骨細胞在人體內(nèi)的狀態(tài),在維持人體骨微環(huán)境的平衡中發(fā)揮了重要的作用。

3.3 AMPK與軟骨

軟骨主要由結(jié)締組織組成,其中關(guān)節(jié)軟骨位于關(guān)節(jié)接觸面之間,對關(guān)節(jié)的活動具有緩沖、保護等作用。NONFH患者經(jīng)常會出現(xiàn)軟骨磨損破壞,進而引發(fā)局部疼痛、滑膜水腫、炎癥反應(yīng)等。研究發(fā)現(xiàn)AMPK在某些情況下對軟骨具有保護作用,可緩解、治療關(guān)節(jié)炎[36]。有人通過4 h的大鼠循環(huán)拉伸應(yīng)變實驗發(fā)現(xiàn),激活A(yù)MPK和抑制NF-κB p65的核易位可減輕白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)誘導(dǎo)的軟骨細胞損傷[37]。有研究表明,葛根素可通過上調(diào)骨關(guān)節(jié)炎大鼠中的AMPK/增殖物激活受體-γ協(xié)同激活因子信號通路起到保護軟骨、減輕骨關(guān)節(jié)炎等作用[38]。髖關(guān)節(jié)作為人體重要的負重關(guān)節(jié),各種力學(xué)應(yīng)力的改變會造成關(guān)節(jié)軟骨的磨損,進而塌陷,從生物力學(xué)因素角度去研究AMPK對關(guān)節(jié)軟骨的保護作用可能對NONFH具有一定的意義。

4 小結(jié)與展望

從分子生物學(xué)角度深入探究疾病的發(fā)生機制,微觀精準地去認識疾病,進一步研究靶向治療藥物,是近些年來學(xué)者們關(guān)注的熱點。AMPK對能量及代謝物質(zhì)的調(diào)控作用,使其在人體多種疾病中發(fā)揮著重要的調(diào)控功能。其作為調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵因子之一,在脂肪肝、糖尿病、肥胖癥等疾病中的研究較多,但少有在骨病方面的研究,更缺乏從脂代謝水平探討NONFH發(fā)病機制的研究。同時,骨穩(wěn)態(tài)、骨代謝也是NONFH的重要機制之一,AMPK作為調(diào)節(jié)代謝物質(zhì)平衡的重要因子之一,雖有在成骨細胞、破骨細胞等角度的研究,但當前仍存在研究成果欠缺、客觀實驗資料不足等問題。

從結(jié)構(gòu)來看,AMPK的異構(gòu)體亞型α2、β1、γ3存在于骨骼肌中,但其具體含量、分布位置、在骨病中的作用有待進一步研究。此外,AMPK及其上下游調(diào)控因子對人體脂代謝、骨代謝的不同調(diào)控作用在人體能量代謝中的生理功能啟示我們,AMPK可能對代謝性骨病、代謝紊亂性NONFH具有重要調(diào)節(jié)作用。阻斷AMPK相關(guān)信號通路來進一步研究NONFH的相關(guān)發(fā)病機制亦或從生物力學(xué)角度發(fā)掘其與髖關(guān)節(jié)軟骨間的作用機制,可能對NONFH的防治具有重要意義。