自噬在骨質(zhì)疏松與骨穩(wěn)態(tài)中作用的研究進展

張洪宇 劉方煜 范一鳴 李帥 王巖松

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150000

1 骨代謝與骨質(zhì)疏松

骨骼系統(tǒng)的發(fā)育、生長、維持處于動態(tài)平衡狀態(tài)，對機械刺激及激素波動異常敏感。在生物體內(nèi)骨組織通過骨髓間充質(zhì)細胞(bone marrow mesenchymal cell，BMSCs)、成骨細胞、骨細胞、破骨細胞協(xié)同作用不斷地發(fā)生重塑過程。BMSCs具有向成骨、脂肪、軟骨方向分化能力的多能干細胞群。成骨細胞與破骨細胞分別負責骨組織的形成與吸收，骨細胞在骨重塑過程中起著關鍵調(diào)控作用[1]。骨重塑對于微骨折的修復，以及骨骼適應不同的機械刺激維持鈣穩(wěn)態(tài)都非常重要，在這個過程中任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題導致骨吸收多于骨形成量都會造成骨質(zhì)的流失，并且這種情況隨著時間推移會進一步發(fā)展為骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)。OP是全身性骨退行性疾病，其特征是骨量減少與骨力學性能的顯著退化從而導致骨骼脆性增加與骨折的易感性。近年來骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)病率大幅增加，成為許多國家的公共衛(wèi)生問題。預計到2050年骨質(zhì)疏松性骨折在全球范圍內(nèi)將到達630萬[2]。

2 自噬的概述

自噬是真核生物進化中高度保守的細胞內(nèi)物質(zhì)分解代謝物質(zhì)循環(huán)過程[3]，對細胞內(nèi)非必要的蛋白、細胞器以及大分子物質(zhì)加以循壞利用[4]。在缺氧、能量物質(zhì)缺乏及氧化應激時都可誘發(fā)細胞自噬。自噬分為三類：分子伴侶自噬、微自噬和巨自噬。分子伴侶自噬是在分子伴侶蛋白的介導與幫助下直接將胞質(zhì)內(nèi)貨物運送進入溶酶體[5]。在微自噬中，溶酶體膜直接內(nèi)凹包裹小部分胞質(zhì)內(nèi)物質(zhì)進入其內(nèi)部[6]。巨自噬(本文以下簡稱自噬)是3種自噬中被研究最廣泛的，其廣泛存在于從酵母細胞到脊椎動物的一切真核細胞生物中。自噬體形成是巨自噬區(qū)別于其他兩種的顯著特點[7]。在自噬發(fā)生后，一種吞噬體囊泡結(jié)構(gòu)，延長伸展包裹部分細胞質(zhì)形成雙膜小泡稱之為自噬體，隨之其與溶酶體膜融合將運送的貨物運送到溶酶體內(nèi)并對貨物進行降解，然后溶酶體將分解產(chǎn)生的氨基酸脂肪酸等物質(zhì)分泌到胞質(zhì)中進行物質(zhì)與能量的合成[8]，自噬分為起始/成核、伸長、成熟、降解4個過程。在起始階段首先形成單層膜樣吞噬團，吞噬體的形成與成核的發(fā)生與兩個復雜的復合蛋白相關聯(lián)：一種由ULK1/2、Atg13和FIP200組成，另一種叫做Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(PIK3)復合物，由蛋白Beclin-1、Vps15、Vps34、Ambra1和UVRAG等組成[9]。以上復合物與其他一些蛋白共同負責招募與延長吞噬團，Beclin-1是PIK3復合物形成的基礎，所以通常被用作觀察自噬起始標志物[10]。成核之后，吞噬體延長形成自噬體，這個過程由兩個泛素樣蛋白復合體調(diào)控，由Atg3、Atg4、Atg5、Atg7、Atg10、Atg12和Atg16組成。這個系統(tǒng)促進LC3與磷脂-磷脂酰乙醇胺結(jié)合形成LC3Ⅱ，LC3Ⅱ進入自噬體膜參與其延長伸展與關閉[11]，所以LC3Ⅱ是自噬體形成的關鍵，正因如此，LC3Ⅱ被看作成自噬形成的標志性分子。自噬成熟是指自噬體包含的內(nèi)容物與溶酶體融合并使之酸化，自噬最后步驟是內(nèi)容物降解為氨基酸脂肪酸等進行細胞循環(huán)[12]。目前研究報道表明，自噬功能紊亂與許多疾病發(fā)生發(fā)展有關，包括心臟疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥、糖尿病骨骼系統(tǒng)疾病。并且近年來，自噬與骨質(zhì)疏癥的關系成為國內(nèi)外學者研究的熱點與重點。

3 自噬與骨穩(wěn)態(tài)

3.1 自噬與BMSCs

骨髓或者骨膜襯里的BMCSs具有向軟骨、骨、脂肪細胞分化能力的多能干細胞群?；A水平的自噬是BMSCs經(jīng)歷氧化應激后存活的關鍵因素[13]。抑制自噬會引起B(yǎng)MSCs活性氧的累積與DNA的損傷，而大量的細胞內(nèi)氧化應激又會觸發(fā)自噬的發(fā)生以達到保護細胞的作用，自噬對活性氧的拮抗一定程度上起到了對細胞的保護作用[14]。同時自噬與間充質(zhì)干細胞的干性維持有很大關系，MSCs在干細胞狀態(tài)積累自噬體并在分化的開始將其傳遞給溶酶體，提示自噬相關代謝與MSCs分化存在著密切關系[15]。Qi等[16]研究表明，在OVX小鼠模型中BMSCs成骨分化能力明顯減弱并伴隨著自噬水平的降低。更有意義的是，全身應用雷帕霉素治療后可以減輕BMSCs成骨分化能力減弱趨勢并一定程度上逆轉(zhuǎn)小鼠骨質(zhì)疏松表型。

3.2 自噬與成骨細胞

適當水平的自噬是維持成骨細胞存活的先決條件，體外研究表明自噬可以抑制氧化應激介導的成骨細胞凋亡[17]。敲除自噬相關基因增加了成骨細胞的氧化應激，ROS對成骨細胞造成的損傷可以通過細胞自噬早期啟動得到緩解[18]。此外，自噬對成骨細胞在各種毒性條件刺激下均具有保護作用，高水平的自噬通量降低了暴露于氟化鈉環(huán)境中的成骨細胞凋亡[19]。自噬對于成骨細胞實行生理功能亦有很大的作用，在礦化過程中自噬液泡中磷灰石晶體的發(fā)現(xiàn)是以上觀點的最直接證據(jù)，自噬通量的抑制阻礙了成骨細胞向外輸送礦物質(zhì)[18]。骨細胞靶向敲除ATG7基因小鼠在發(fā)育期與成年期都表現(xiàn)出骨量流失，骨細胞表現(xiàn)出投射減少情況，5月齡基因敲除小鼠骨小梁體積明顯較同齡正常小鼠體積小，證明自噬在成骨細胞分化早期所起到的重要作用[20]。自噬也深度參與機體內(nèi)生物信號介導的成骨分化能力，例如胰島素樣生長因子促進成骨作用是通過AMPK途徑上調(diào)自噬實現(xiàn)的[21]。

3.3 自噬與骨細胞

當成骨細胞與骨基質(zhì)結(jié)合后并最終分化為骨細胞這個過程中，自噬也非常重要。骨細胞是位于礦化骨基質(zhì)分隔間隙中的長壽細胞，其形態(tài)學歸類更接近神經(jīng)元[22]。首先成骨細胞在細胞形態(tài)與成份上經(jīng)歷了一個劇烈的轉(zhuǎn)變成為骨細胞，這需要細胞器的積極循環(huán)。其次礦化環(huán)境下的血液灌注有限，骨細胞處于低氧、相對較低水平營養(yǎng)物質(zhì)環(huán)境中，容易導致細胞內(nèi)活性氧累積[23]。因此在營養(yǎng)分配與利用上需要更加精細與高效。綜合以上內(nèi)容，不難捕捉到自噬與骨細胞穩(wěn)態(tài)的維持與生理功能的實施間的千絲萬縷聯(lián)系。而且有研究報道表明LC3 在成年小鼠骨細胞中高表達，這證明了骨細胞維持基礎水平的自噬活動[24]?；蛱禺惽贸鼳TG7小鼠骨細胞中氧化應激水平升高，并且導致骨量降低骨重塑發(fā)生改變出現(xiàn)骨組織衰老表型[25]。類骨細胞在低氧與能量不足的情況下可以通過上調(diào)自噬水平維持細胞穩(wěn)態(tài)，呈現(xiàn)出與體內(nèi)骨細胞相似的生理改變。甲狀旁腺激素保護骨細胞免于在低劑量糖皮質(zhì)激素環(huán)境中的凋亡與細胞自噬水平提升有關[26]。骨細胞網(wǎng)絡是骨骼組織的機械感應系統(tǒng)。骨細胞依靠其表面伸出的樹突狀突起形成的細胞網(wǎng)絡傳遞、轉(zhuǎn)變外界機械信號。初始纖毛是一種多功能的細胞器，其主要功能之一是機械感應。初始纖毛、自噬活性與許多骨骼疾病有關，最近有人提出他們之間存在著某種聯(lián)系[27]。初始纖毛較短的細胞自噬活性相對較高，相反當自噬水平降低使纖毛變長與增強。兩者之間極有可能存在著負反饋調(diào)節(jié)機制[28]。

3.4 自噬與破骨細胞

破骨細胞是造血干細胞來源的多核巨細胞，巨噬細胞集落刺激因子與破骨細胞分化因子調(diào)控共同調(diào)節(jié)其形成。單核細胞趨化因子使單核細胞分化為TRAP和CTSK陽性的破骨前體細胞[29]。ATG-7基因敲除的破骨細胞TRAP與CTSK表達增加，提示自噬參與調(diào)控破骨細胞前體的形成。Beclin-1蛋白能促進活性氧的積累與NFATc1基因的表達，以非自噬形式參與RANKL誘導破骨細胞形成[30]。自噬亦可參與低氧、微重力介導的破骨細胞形成過程[31]。TRAE3抑制破骨細胞分化也受自噬調(diào)控，應用自噬抑制劑可以增加TRAF3的表達從而抑制破骨細胞形成[32]。自噬誘導TRAF3的降解對破骨細胞的成熟有重要意義。靶向基因敲除破骨細胞ATG5能提升OVX小鼠骨量，說明自噬在年齡相關性激素缺乏導致骨量下降中的作用[33]。張倩等[34]研究表明白藜蘆醇通過改變自噬水平對破骨細胞分化形成影響。

4 自噬與骨質(zhì)疏松發(fā)生的關系

骨量在個體生長發(fā)育的早期開始積累并在成年早期達到峰值，之后男性與女性的骨量都開始不同程度的丟失[35]。骨量流失的基本生物學機制是骨形成-吸收平衡向破骨測傾斜[36]。自噬與多種先天性或者獲得性骨疾病有所關聯(lián)，如自噬基因表達紊亂引起破骨細胞自噬紊亂導致PD[37]，自噬的過度激活與顱縫過早閉合有關[38]。最近一項基于全基因組關聯(lián)研究數(shù)據(jù)的路徑分析結(jié)果表明，自噬相關基因變異與腕骨礦化密度改變相關[39]。衰老是骨質(zhì)疏松形成的主要原因已經(jīng)被大多數(shù)專家學者所認同[40]，年老骨質(zhì)疏松的患者骨組織各細胞自噬水平均有所下降[41]，且在破骨細胞與骨細胞這類終末分化細胞中這種現(xiàn)象更為明顯。因此衰老過程中自噬活性的下調(diào)可能是衰老相關骨質(zhì)疏松癥的直接原因之一。衰老引起的全身炎癥水平上調(diào)對骨量的維持亦帶來許多負面影響，包括抑制成骨細胞礦化與分化。以及破骨細胞活性的異常激活，炎癥信號因子尤其TNF-α影響成骨的部分作用是通過影響細胞自噬實現(xiàn)的[42]。絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松的主要原因是雌激素分泌不足，在OVX大鼠模型中，骨細胞的自噬水平明顯降低，且應用自噬激活劑后可以緩解OVX骨質(zhì)疏松表型[43]。長期低劑量糖皮質(zhì)激素治療是繼發(fā)性骨質(zhì)疏松的一個主要原因，大量研究表明糖皮質(zhì)激素通過影響骨組織各細胞成分自噬代謝紊亂引起骨質(zhì)疏松[33]。綜合目前國內(nèi)外關于自噬與骨質(zhì)疏松癥的研究，在此筆者對兩者的關系進行總結(jié)如下：衰老、長期糖皮質(zhì)激素作用、絕經(jīng)期婦雌激素降低、長期營養(yǎng)物質(zhì)缺乏都會導致骨組織細胞內(nèi)氧化應激的增加導致成骨細胞，骨細胞凋亡，骨髓間充質(zhì)干細胞分化功能降低，與不同程度的破骨細胞功能降低，從而引起骨量降低最后形成骨質(zhì)疏松。機體維持適當?shù)淖允伤绞敲鎸σ陨弦蛩匾餜OS累積的關鍵保護因素。但是從細胞分子層面上升到宏觀組織與機體時，自噬水平的高低與骨質(zhì)疏松形成的因果關系就顯得不是很清晰，一些研究提示提高細胞自噬水平促進破骨作用和骨吸收，自噬與OP呈正相關，因而采取抑制細胞自噬可能成為治療或預防OP的新方法。然而，亦有一部分研究得出了相反的結(jié)論，自噬水平的降低可能導致OP的發(fā)生，指出自噬與OP呈負相關。這種矛盾性雖然為科研工作帶來一定的困惑與挑戰(zhàn)，但是更為研究自噬與骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展關系提供新的思路，應用不同研究方法與技術手段去探明二者關系或者尋求一個平衡點，為將來在臨床上治愈骨質(zhì)疏松癥提供一個可能性的調(diào)節(jié)靶點。

綜上所述，自噬與骨穩(wěn)態(tài)的維持與骨質(zhì)疏松的發(fā)生存在著必然的聯(lián)系，靶向調(diào)節(jié)骨組織細胞自噬水平可以作為一種前瞻性治療骨質(zhì)疏松的新方法，或許可顯著逆轉(zhuǎn)臨床年齡相關性疾病的骨丟失。然而，在不同的細胞微環(huán)境中，自噬的準確調(diào)控仍需要足夠的臨床證據(jù)。未來的研究應該集中在年齡相關性骨質(zhì)流失的細胞自噬機制上，以尋求新的靶點達到臨床上治愈年齡相關的骨質(zhì)疏癥。