AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α軸及其相關(guān)因子在骨關(guān)節(jié)炎脂質(zhì)代謝中的作用

梁傳財(cái)，易鵬，邱波

武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科，武漢430060

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種退行性關(guān)節(jié)疾病，涉及局部軟骨丟失、骨贅、軟骨下骨硬化、滑膜增厚以及關(guān)節(jié)周圍韌帶和肌肉的結(jié)構(gòu)改變[1?2]。目前，有研究表明，OA的發(fā)病機(jī)制涉及機(jī)械應(yīng)力、炎癥、代謝等因素，導(dǎo)致關(guān)節(jié)及周圍組織破壞[3]。衰老、肥胖、關(guān)節(jié)錯位、關(guān)節(jié)損傷、晶體沉積等因素均與OA的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[3?4]。臨床實(shí)踐表明，OA通常會合并代謝性疾病，如糖尿病、脂質(zhì)代謝異常等，且這些疾病會進(jìn)一步加速OA的進(jìn)展[5]。脂質(zhì)代謝異常在OA進(jìn)展中的作用逐漸引起了臨床的關(guān)注，軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝異?？梢l(fā)關(guān)節(jié)慢性炎癥，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞降解、自噬異常等病理改變。AMP活化的蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）活化后可改善OA患者軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝。通過調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝酶、自噬功能緩解關(guān)節(jié)周圍炎癥，增加線粒體生物化學(xué)功能等。過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferatoractivated receptorγ，PPARγ）和過氧化物酶體增殖物 激 活 受 體γ共 激 活 因 子1α（peroxisomal proliferator-activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α）轉(zhuǎn)錄因子也可通過調(diào)節(jié)脂代謝相關(guān)的酶及相關(guān)的基因影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化和緩解關(guān)節(jié)周圍炎癥反應(yīng)。另外，AMPK與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silent information regulator 1，SIRT1）的激活及互相影響對PPARγ、PGC-1α的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及生理功能發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。本文通過綜述AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α軸及其相關(guān)因子在OA主要病理改變中的作用，旨在為進(jìn)一步探究OA發(fā)病機(jī)制和制定有效治療方案提供理論依據(jù)。

1 脂質(zhì)代謝在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的作用

研究發(fā)現(xiàn)，OA發(fā)病機(jī)制較復(fù)雜，如退行性大小關(guān)節(jié)磨損、遺傳因素、慢性炎癥、免疫機(jī)制、自由基與氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、糖代謝異常及脂質(zhì)代謝異常等[6?8]。其中脂質(zhì)代謝異常是OA的重要發(fā)病機(jī)制之一。研究發(fā)現(xiàn)，膽固醇和脂肪酸與關(guān)節(jié)軟骨生理病理密切相關(guān)[9]。膽固醇在軟骨細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用。脂肪酸在軟骨中可轉(zhuǎn)化為類二十烷酸，包括ω-3和ω-6脂肪酸，均是環(huán)氧合酶和脂氧合酶的底物。ω-3脂肪酸的衍生物產(chǎn)物具有抗炎特性，ω-6的衍生物產(chǎn)物有促炎和促血栓形成的作用[10]。ω-6脂肪酸可維持細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，因此，保持ω-6與ω-3比例適當(dāng)具有重要意義[11]。磷脂對于正常軟骨保護(hù)也具有重要作用。磷脂不僅是細(xì)胞膜的成分，還是滑液中的關(guān)鍵分子，在關(guān)節(jié)潤滑中起主要作用，以保護(hù)軟骨表面。磷脂酰乙醇胺、磷脂酰膽堿和鞘磷脂是關(guān)節(jié)軟骨邊界潤滑劑的主要成分[12]。因此，脂質(zhì)對于軟骨生理是必不可少的，軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝改變可導(dǎo)致關(guān)節(jié)病理改變。研究證明，ω-3脂肪酸對類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等炎癥疾病具有有益作用[10]，但在OA中尚鮮見報(bào)道。最近一項(xiàng)研究表明，體內(nèi)ω-3脂肪酸的總量與股骨軟骨喪失呈負(fù)相關(guān)，而ω-6脂肪酸與股骨軟骨喪失無明顯相關(guān)性[13]。另外，以富含ω-3脂肪酸的飲食喂養(yǎng)OA動物模型，結(jié)果顯示病理評分降低，糖胺聚糖含量增加，變性的Ⅱ型膠原蛋白減少，基質(zhì)金屬蛋白-2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）活性降低[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠體內(nèi)ω-6和ω-3脂肪酸的比例降低，會延緩OA的進(jìn)展[15]。因此，ω-3脂肪酸對OA可能具有有益作用。軟骨脂質(zhì)成分的變化與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)，在OA晚期，總脂肪酸增加44%[16]。OA患者軟骨中脂質(zhì)沉積會使體內(nèi)活性氧增加，發(fā)生脂質(zhì)過氧化[17]，進(jìn)而導(dǎo)致軟骨降解和OA發(fā)病，其可誘導(dǎo)膠原氧化和裂解及MMP-13的活性降低[18]。因此，抗氧化劑處理不僅可通過減少活性氧治療OA[19]，而且可通過抑制脂質(zhì)過氧化發(fā)揮作用。目前，軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝異?？赏ㄟ^以下途徑導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的病理改變：①促進(jìn)炎癥反應(yīng)和血栓形成；②抑制關(guān)節(jié)潤滑；③抑制代謝酶活性；④促進(jìn)軟骨細(xì)胞降解；⑤自噬異常。因此，通過改善軟骨脂質(zhì)代謝異常，不僅可維持OA的正常生理功能，還對延緩OA病理改變有重要意義。

2 AMPK對OA軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝的作用

AMPK是細(xì)胞代謝和能量平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，廣泛存在于軟骨細(xì)胞中，作為能量傳感器和調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中起重要作用。AMPK及其調(diào)節(jié)性上游激酶絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶11（serine/threonine protein kinase 11，STK11）的活性在老年患有OA大鼠軟骨細(xì)胞中均降低[20]。在人OA關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中也可觀察到AMPK活性降低[21]，AMPK活性降低與線粒體的生物學(xué)功能降低相關(guān)[22]。AMPK可通過靶向調(diào)節(jié)PGC-1α及其下游信號分子（如CPT-1、MCAD、PPAR-α、PPARγ等）調(diào)節(jié)脂肪酸氧化代謝[23]。肉毒堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶（carnitine palmityl transferase 1，CPT1）和中鏈脂肪酰輔酶脫氫酶（medium chain adipoyl coenzyme dehydrogenase，MCAD）是2種負(fù)責(zé)調(diào)控脂肪酸合成和氧化代謝的關(guān)鍵酶，CPT-1和MCAD主要調(diào)控長鏈脂肪酸進(jìn)入線粒體并影響脂肪酸氧化代謝速率[24]。脂肪酸可通過激活MAPK信號通路引起成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞增殖的增強(qiáng)[25]。另外，AMPK可通過對軟骨細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，去除非正常細(xì)胞器和蛋白[26]。自噬也參與能量代謝，并在脂質(zhì)代謝中起關(guān)鍵作用。自噬在控制膽固醇、硬脂酸等脂質(zhì)代謝中發(fā)揮主要作用[27]。脂質(zhì)也參與自噬途徑的形成，如細(xì)胞自噬功能失活，脂質(zhì)會在細(xì)胞中積聚[28]。已有研究證明，芳香烴受體（aromatic hydrocarbon receptor，AHR）的激活可以誘導(dǎo)脂質(zhì)蓄積[29]。研究表明，β?腎上腺素能受體激動劑可通過激活RAB7基因引發(fā)溶酶體降解以誘導(dǎo)脂肪吞噬的激活[30]。另外，在營養(yǎng)不足的情況下，RAB7基因可將自噬小體和溶酶體均引導(dǎo)至脂質(zhì)表面以協(xié)調(diào)脂肪吞噬[31]。研究發(fā)現(xiàn)，伊曲康唑會干擾膽固醇的運(yùn)輸，從而抑制自噬中的過程[32]。脂質(zhì)也可能影響自噬的活性，β細(xì)胞中脂肪的快速增加可誘導(dǎo)自噬，而長期脂質(zhì)過多可抑制自噬[32]。這些結(jié)果表明脂質(zhì)代謝和AMPK及自噬活性密切相關(guān)。綜上所述，AMPK活化后直接或間接參與了調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的脂質(zhì)代謝。

3 PPARγ對OA軟骨細(xì)胞脂代謝的作用

PPARγ是調(diào)節(jié)目標(biāo)基因的核內(nèi)受體，是一種配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，廣泛表達(dá)于心臟、肝臟和骨骼肌等[33]。研究表明，PPARγ也存在于大鼠軟骨細(xì)胞原代培養(yǎng)的細(xì)胞質(zhì)中[34]。長鏈多不飽和脂肪酸和代謝產(chǎn)物是核受體PPARγ的配體，可作為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝[35]。二十五碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）與成骨細(xì)胞分化和成熟密切相關(guān)，其抗炎作用主要是通過對PPARγ信號的調(diào)整以減少炎性細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor，TNF-α）和抑制環(huán)氧合酶的活性，減輕OA關(guān)節(jié)周圍炎癥反應(yīng)[36]。另外，ω-6脂肪酸是PPARγ的激活劑，體內(nèi)ω-6/ω-3脂肪酸比例降低會阻止PPARγ激活，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，加快OA關(guān)節(jié)組織修復(fù)[37]。白色脂肪可合成分泌瘦素（1eptin，LEP），LEP具有多種功能，屬于可溶性膠原超家族成員[38]。PPARγ是LEP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的重要信號分子，PPARγ可上調(diào)LEP表達(dá)。最新一項(xiàng)研究證明，老年人關(guān)節(jié)軟骨薄厚程度和血清LEP水平呈負(fù)相關(guān)，即隨血清LEP水平增高，關(guān)節(jié)軟骨厚度減少。PPARγ激動劑羅格列酮可激活肥胖小鼠體內(nèi)的PPARγ受體，同時(shí)使LEP體內(nèi)水平下降，而LEP水平較低時(shí)可促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨增殖[38]。上述結(jié)果表明，激活OA患者PPARγ表達(dá)，對OA治療有一定幫助，并可維持關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)和抑制軟骨細(xì)胞凋亡。綜上所述，PPARγ可通過脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)，影響軟骨細(xì)胞的增殖。

4 PGC-1α對OA軟骨細(xì)胞脂代謝的作用

PGC-1α為PGC-1家族的一員，為核轉(zhuǎn)錄輔助激活因子，可與PPARγ共同作用，增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄活性[39]。PGC-1α也是軟骨細(xì)胞中線粒體生物氧化和代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，對調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞能量代謝發(fā)揮重要作用，并與各種關(guān)節(jié)退行性疾病相關(guān)。在人關(guān)節(jié)軟骨中，可檢測肝X受體（liver X receptor，LXR），是一種氧化膽固醇衍生物傳感器，可激活重要基因的轉(zhuǎn)錄，從而保護(hù)細(xì)胞免受膽固醇超載的影響[40]。該受體在軟骨細(xì)胞分化過程中被調(diào)節(jié)，在OA軟骨中表達(dá)下降，導(dǎo)致膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，從而在OA關(guān)節(jié)表面大量沉積[41]。PGC-1α可 促 進(jìn)LXR基 因 轉(zhuǎn) 錄 表 達(dá)[42]，提 示PGC-1α可通過促進(jìn)LXR基因的表達(dá)調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞膽固醇代謝穩(wěn)態(tài)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，PGC-1α可通過對MCAD、CPT-1和PPARγ mRNA的表達(dá)水平的調(diào)控調(diào)節(jié)骨骼肌脂肪酸氧化代謝[24]。因此，PGC-1α表達(dá)上調(diào)可通過上調(diào)LXR基因表達(dá)改善OA軟骨膽固醇代謝，表明PGC-1α在OA病理改變中的作用與其調(diào)控OA軟骨膽固醇代謝相關(guān)。

5 AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α軸及其相關(guān)因子在OA脂質(zhì)代謝中的作用

SIRT1是Sirtuins家族成員之一，可與多種信號通路及相關(guān)因子相互作用，使組蛋白、賴氨酸殘基及轉(zhuǎn)錄因子去乙酰化，發(fā)揮調(diào)控基因的作用[43]。SIRT1不僅可調(diào)節(jié)細(xì)胞新陳代謝，抗衰老、抗凋亡[44]，也是脂質(zhì)代謝的重要調(diào)節(jié)因子，與AMPK在控制軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝調(diào)節(jié)中關(guān)系密切，共同發(fā)揮重要作用[45]。SIRT1可直接使肝激酶B1脫乙?；?，進(jìn)而激活A(yù)MPK信號通路；同時(shí)，AMPK可促進(jìn)細(xì)胞煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的表達(dá)，誘導(dǎo)SIRT1激活[46]。有研究表明，抑制SIRT1可上調(diào)膽固醇調(diào)節(jié)元件蛋白2和膽固醇合成限速酶3-羥基3-甲基戊二酸單酰輔酶A基因表達(dá)[47];另外，SIRT1可通過對LXRα的賴氨酸K432位點(diǎn)去乙?；蛘{(diào)節(jié)LXRa，進(jìn)而增強(qiáng)載脂蛋白A1的表達(dá)，抑制SIRT1可降低LXRa及其下游靶因子載脂蛋白A1的表達(dá)，導(dǎo)致其介導(dǎo)的膽固醇流出減少[48]。此外，AMPK激活可促進(jìn)SIRT1活性的增加，進(jìn)而調(diào)節(jié) 關(guān) 節(jié) 軟 骨 中PGC-1α的 表 達(dá)。PGC-1α與PPARγ相互作用對軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝相關(guān)因子起調(diào)控作用，可促進(jìn)膽固醇代謝和脂肪酸氧化相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨脂質(zhì)代謝紊亂[37，40]。

AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α途 徑 在OA軟骨脂質(zhì)代謝中發(fā)揮重要作用，促進(jìn)其傳導(dǎo)以緩解OA軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝紊亂。有研究表明，AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α途徑的激活可逆轉(zhuǎn)膽固醇在骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨面的大量沉積，主要通過上調(diào)LXR的表達(dá)，促進(jìn)軟骨膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)揮作用[40]。SIRT1激活后可通過抑制PGC-1α乙酰化和促進(jìn)PGC-1α活性，進(jìn)而促進(jìn)軟骨細(xì)胞膽固醇代謝，改善OA軟骨脂質(zhì)代謝。綜上所述，AMPK與SIRT1的激活及相互作用能介導(dǎo)PPARγ、PGC-1α的信號傳導(dǎo)及生理功能，并在改善軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝中發(fā)揮重要作用，對OA的發(fā)生發(fā)展起重要調(diào)節(jié)作用。

6 AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α軸及其相關(guān)因子在OA其他病理改變中的作用

關(guān)節(jié)軟骨中糖基化終產(chǎn)物的積累是OA的主要危險(xiǎn)因素，采用糖基化終產(chǎn)物處理關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞可促進(jìn)白細(xì)胞介素-1β和腫瘤壞死因子表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)節(jié)周圍炎癥[52]。有研究發(fā)現(xiàn)，糖基化終產(chǎn)物通過AMPK/SIRT1/PPARγ途徑誘導(dǎo)人關(guān)節(jié)軟骨炎癥反應(yīng)[52]。線粒體生物發(fā)生功能在人OA軟骨細(xì)胞中缺乏時(shí)會促進(jìn)軟骨細(xì)胞的分解代謝反應(yīng)，研究證明，激活A(yù)MPK/SIRT-1/PGC-1α途徑可逆轉(zhuǎn)這種分解代謝反應(yīng)[53]。同型半胱氨酸的表達(dá)增加可誘導(dǎo)線粒體功能障礙并引起骨代謝紊亂，高濃度的同型半胱氨酸可抑制AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α途徑，進(jìn)而促進(jìn)白細(xì)胞介素-1β、環(huán)氧化酶-2和金屬基質(zhì)蛋白酶-13表達(dá)，從而對軟骨細(xì)胞產(chǎn)生有害影響[54]。

7 展望

研究表明，AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α軸可調(diào)節(jié)線粒體生物功能，改善細(xì)胞能量代謝，防止細(xì)胞內(nèi)環(huán)境失調(diào)和死亡的作用；還具有調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的功能，防止軟骨細(xì)胞損傷和凋亡，進(jìn)而延緩骨關(guān) 節(jié) 炎 的 發(fā) 生 發(fā) 展[21，39]。AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α軸還可對軟骨細(xì)胞脂質(zhì)代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)，改善軟骨細(xì)胞周圍慢性炎癥，線粒體生物功能及自噬異常等，從而在骨關(guān)節(jié)炎病理改變中發(fā)揮作用。因此，進(jìn)一步探究AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α軸在骨關(guān)節(jié)炎脂質(zhì)代謝中的作用，明確該軸相關(guān)因子的相互作用關(guān)系，并通過藥物對其中一個(gè)或多個(gè)因子進(jìn)行干預(yù)，將有望為防治骨關(guān)節(jié)炎提供新的靶點(diǎn)。