自噬在骨關(guān)節(jié)炎中的研究進展 ①

沈 翀 ，黃泓鈞

(桂林醫(yī)學院附屬醫(yī)院脊柱骨病外科，廣西 桂林 541001)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是一種常見的慢性退行性關(guān)節(jié)疾病，常發(fā)于老年人，其能夠限制患者的活動能力，嚴重影響生活質(zhì)量。隨著人類壽命的延長和老齡化的發(fā)展，發(fā)病率逐漸升高，目前全球OA患者已超過3億人[1]。OA主要累及關(guān)節(jié)軟骨，病理表現(xiàn)為軟骨細胞的數(shù)量變少和軟骨基質(zhì)的分解[2]。軟骨細胞作為軟骨中唯一的細胞類型，雖僅占軟骨總體積的1%，但在維持軟骨的完整性方面起著極其關(guān)鍵的作用。

自噬是真核生物中一種重要的生理機制，能清除細胞內(nèi)老化、受損的生物大分子和細胞器，來維持細胞的正常生物功能。在缺氧、能量缺乏、衰老、機械壓力等應激條件下，自噬可以降解老化、受損的生物大分子和細胞器，獲得能量和物質(zhì)，使細胞適應應激條件來促進細胞活性[3]。自噬在保護骨關(guān)節(jié)炎中的軟骨細胞一樣起到關(guān)鍵作用，它通過清除活性氧和抑制細胞凋亡等調(diào)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎病理變化，從而發(fā)揮軟骨保護功能[4]。Carames等[5]于2010年提出自噬對人和小鼠軟骨細胞的保護功能以來，通過激活自噬來治療骨關(guān)節(jié)炎引起了越來越多研究者的關(guān)注[6]。本文就細胞自噬在骨關(guān)節(jié)炎中的作用進行綜述。

1 自噬在骨關(guān)節(jié)炎調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的作用

骨關(guān)節(jié)炎為非單一病因，是多個因素對易感個體共同作用的結(jié)果，衰老、炎癥、凋亡包含其中，自噬與這些因素構(gòu)成復雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

1.1 衰老

骨關(guān)節(jié)炎與衰老密切相關(guān)，衰老相關(guān)的表型，如組織和細胞再生能力受損、炎癥介質(zhì)表達增加、氧化應激等都可以引起軟骨基質(zhì)和細胞的損傷，促進OA發(fā)展。而自噬缺陷廣泛出現(xiàn)在衰老相關(guān)疾病中[7]。Ni等[8]研究發(fā)現(xiàn)OA軟骨中NLRP3炎性蛋白表達升高，使用NLRP3蛋白抑制劑MCC950可降低炎癥因子、衰老相關(guān)蛋白的表達，同時促進自噬相關(guān)蛋白的表達，而自噬抑制劑3-MA能抵消MCC950的作用，該研究提示了炎癥、衰老和自噬在OA發(fā)展中的交互作用。

1.2 活性氧

活性氧(reactive oxygen species，ROS)是正常生理過程中的產(chǎn)物，在細胞信號傳導和維持組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用[9]。OA軟骨細胞中ROS水平升高，它作為第二信使，阻止基質(zhì)的合成，激活基質(zhì)金屬蛋白酶，導致軟骨降解。而自噬，尤其是線粒體自噬可以消除細胞內(nèi)的衰老線粒體和過氧化物酶體等活性氧來源，從而防止軟骨細胞凋亡，延緩OA的進展[4]。

1.3 凋亡

自噬和凋亡之間存在復雜的相互調(diào)控，兩者能被一些外界刺激同時激活、共用一些調(diào)控分子，而且能互相轉(zhuǎn)化[10]。在OA的早期，自噬作為一種防止細胞死亡的代償性功能被激活。隨著OA的發(fā)展，軟骨細胞異常代謝增加，超過了自噬作用功能的極限，導致凋亡大量出現(xiàn)，同時軟骨出現(xiàn)退化，關(guān)節(jié)功能障礙加重[11]。

1.4 基質(zhì)金屬蛋白酶

基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase， MMP)能降解細胞外基質(zhì)中的各種蛋白成分。軟骨細胞凋亡的同時，大量MMP-13分泌增加，導致關(guān)節(jié)軟骨的崩解，加劇關(guān)節(jié)損傷。正常成人軟骨細胞也會持續(xù)產(chǎn)生一定的MMP-13，但可迅速通過自噬內(nèi)吞降解去除，維護軟骨細胞穩(wěn)態(tài)。在OA里，軟骨細胞自噬活性降低，對MMP-13的吞噬能力下降，導致MMP-13的升高，加重OA的發(fā)展[12]。

2 自噬在骨關(guān)節(jié)炎中的作用及機制

2.1 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是PI3K相關(guān)蛋白激酶(pten induced putative kinase,PIKK)家族中的一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。PI3K/Akt/mTOR信號通路是自噬主要的負性調(diào)控通路和經(jīng)典的抗凋亡通路[13]。在哺乳動物中，mTOR構(gòu)成兩種不同的復合物 mTORC1和mTORC2，其中mTORC1是ULK1激酶的主要調(diào)控因子，抑制mTORC1可提高ULK1激酶的活性，啟動自噬。mTOR及其相關(guān)分子在軟骨細胞增殖、生長和凋亡的調(diào)控中起著關(guān)鍵作用，與OA發(fā)生變化存在關(guān)聯(lián)[14]。Yang等[15]研究發(fā)現(xiàn)，自噬在早期OA中被激活，而在晚期OA中被抑制；予以關(guān)節(jié)內(nèi)注射雷帕霉素可抑制大鼠mTORC1從而促進軟骨細胞自噬，減少細胞的凋亡，為預防和治療OA提供了一種新的策略。Bao等[16]也進行了類似實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)IL-18處理后，軟骨細胞中PI3K/Akt/mTOR通路被激活，炎癥和凋亡增強，OA加重，而用雷帕霉素阻礙PI3K/Akt/mTOR通路能夠提升軟骨細胞的自噬，減少凋亡，從而保護IL-18處理的大鼠軟骨細胞。他們提出使用mTOR的選擇性抑制劑雷帕霉素可以通過增強自噬治療骨關(guān)節(jié)炎。 Xu等[17]研究證明SIRT3分子能夠通過抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路促進自噬，過表達SIRT3能抑制IL-1β誘導的炎癥、凋亡、線粒體功能障礙和軟骨細胞退變，減輕大鼠OA模型的關(guān)節(jié)損傷，敲除SIRT3則反之，表明SIRT3是一種重要的抗OA因子。Li等[18]發(fā)現(xiàn)合適強度的運動可以調(diào)節(jié)P2X7的表達和激活，P2X7可以通過P2X7/AMPK/mTOR信號軸促進軟骨細胞自噬，降解炎癥小體NLRP3，減少細胞的焦亡和凋亡，從而對OA防治起到積極的作用。

2.2 腺苷酸活化蛋白激酶

腺苷酸活化蛋白激酶[adenosine 5′-monophos phate(AMP)-activated protein kinase，AMPK]屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是一種高度保守的能量效應傳送器，對細胞內(nèi)ATP水平的變化高度敏感，受應激誘導的表型改變和凋亡[19]。研究證實，OA時AMPK活性降低，進而損害細胞能量穩(wěn)態(tài)，引發(fā)線粒體功能失常、氧化應激、自噬抑制和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激延長等不良事件，最終導致關(guān)節(jié)軟骨變性、滑膜炎癥和軟骨下骨重塑異常，恢復AMPK活性有利于軟骨細胞存活，延緩關(guān)節(jié)OA進展[20]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，高血糖可引起軟骨細胞氧化應激，抑制AMPK信號通路進而阻礙軟骨細胞自噬，但又能通過氧化應激誘導自噬發(fā)生[21]。Lin等[22]發(fā)現(xiàn)d-甘露糖可通過促進AMPK的磷酸化提高細胞增殖、激活自噬、降低細胞凋亡、下調(diào)分解代謝，從而減輕IL-1β對軟骨細胞的損害，提示d-甘露糖具有軟骨保護作用，可作為一種潛在的新型OA治療藥物。Wang等[23]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能在OA模型小鼠的體內(nèi)外增加AMPKa磷酸化水平，上調(diào)SIRT1蛋白表達，增加自噬，減少分解代謝和凋亡，證明二甲雙胍具有治療骨關(guān)節(jié)炎的潛力。

2.3 NF-κB信號通路

NF-κB是炎癥反應的重要介質(zhì)和免疫調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素，調(diào)節(jié)多種炎癥和免疫反應的相關(guān)代謝變化，其炎癥反應信號通路與自噬信號通路有重疊部分，它的激活除了能減輕炎癥、抗凋亡外，還有激發(fā)自噬的機體適應機制[24]。Feng等[25]證明，抑制NF-κB通路能通過激活軟骨細胞自噬，減少細胞凋亡來保護正常細胞。Lee等[26]發(fā)現(xiàn)抗氧化劑飛燕草素可通過激活Nrf2和NF-κB信號通路，促進自噬，維持其細胞內(nèi)氧化還原平衡和減少凋亡來減少活性氧對軟骨細胞的損害。Pei等[27]發(fā)現(xiàn)，土木香內(nèi)酯可通過抑制STAT3和NF-κB信號通路，增加自噬，減輕IL-1β的炎癥反應，緩解軟骨的變性。

2.4 微型核糖核酸

微型核糖核酸(microRNAs，miRNAs)是一種小型非編碼單鏈調(diào)控RNA，參與基因表達的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，影響幾乎所有的疾病和發(fā)育過程[28]。近年研究發(fā)現(xiàn)多個miRNAs，如miR-140-5p、miR-140-3p、miR-146a等與OA的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[29]。此外，Cai等[30]研究發(fā)現(xiàn)，miR-27a在OA軟骨和IL-1β處理的關(guān)節(jié)軟骨細胞中表達上調(diào)，miR-27a靶向PI3K基因的3′末端，可直接下調(diào)PI3K的表達，降低IL-1β處理的關(guān)節(jié)軟骨細胞的自噬，增加其凋亡，證實了miR-27a是機體正常細胞中PI3K/Akt/mTOR軸的調(diào)控因子，參與OA的發(fā)病機制。Li等[31]發(fā)現(xiàn)OA軟骨組織中miR-375表達上調(diào)，ATG2B表達下調(diào)，miR-375可以靶向ATG2B 的3′端并抑制其在軟骨細胞中的表達，進而抑制自噬，促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，轉(zhuǎn)染miR-375模擬物后軟骨細胞的凋亡率增加，而抑制miR-375可以緩解OA相關(guān)癥狀。Wu等[32]發(fā)現(xiàn)，髕下脂肪墊間充質(zhì)干細胞來源的外泌體可以增強軟骨細胞自噬水平，抑制細胞凋亡，減輕OA嚴重程度，并進一步證明外泌體中的miR-100-5p與mTOR的3′-端非翻譯區(qū)結(jié)合，抑制mTOR信號通路，是髕下脂肪墊間充質(zhì)干細胞來源的外泌體治療OA的機理。

3 展望

綜上所述，自噬能通過清理有害物質(zhì)和損傷的細胞器維持細胞穩(wěn)態(tài)，抑制軟骨細胞凋亡，減緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展。在OA的發(fā)病機制中，自噬與活性氧、細胞衰老、凋亡等共同構(gòu)成OA的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。自噬有mTOR、AMPK等多個調(diào)控靶點，盡管其在OA發(fā)病機制中的作用還沒完全被詮釋，但自噬作為OA的治療靶點仍具有廣闊的前景，有望為臨床提供新的治療方案。