自噬在不同類型骨質(zhì)疏松癥中的研究進(jìn)展

林雪，田佳，歐陽仁俊，楊曉紅 綜述 胡小華 審校

1.遵義醫(yī)科大學(xué)，貴州 遵義 563000；2.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，貴州 遵義 563000

骨骼是一種代謝活躍的組織，在維持穩(wěn)定的骨代謝平衡中起著重要作用。其中不同類型的細(xì)胞發(fā)揮著特定的骨骼功能，比如各種干細(xì)胞的不斷分化成熟、成骨細(xì)胞的礦化、破骨細(xì)胞的吞噬等等，它們一起在骨骼大小、形狀和完整性的發(fā)展和維持中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]，而一旦骨形成和骨吸收之間的平衡被破壞，則會(huì)導(dǎo)致骨骼結(jié)構(gòu)或功能的喪失和骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)等代謝性疾病。OP是一種以骨量減少和骨組織微結(jié)構(gòu)退化為特征的典型骨代謝性疾病，分為原發(fā)性或繼發(fā)性O(shè)P。原發(fā)性O(shè)P 通常發(fā)生在50 歲以上人群中，與衰老有關(guān)，例如女性絕經(jīng)后雌激素分泌減少導(dǎo)致的絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis，OPM)。繼發(fā)性O(shè)P 是由某些醫(yī)療條件和藥物引起的，例如長期使用糖皮質(zhì)激素(GC)引起的糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松癥(GIOP)。由于不同類型OP的發(fā)病機(jī)制和病情進(jìn)展不盡相同，使得OP 形成的病因機(jī)制研究更為復(fù)雜。

自噬是一種細(xì)胞固有的生存機(jī)制，用于清除和回收受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，在維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和器官功能方面發(fā)揮著重要作用。許多研究表明，在骨組織中自噬參與成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的存活、分化和活性，嚴(yán)格調(diào)控著骨細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[2]。而自噬水平的變化是OP 形成的重要原因。通過這種方式，細(xì)胞可以克服應(yīng)激刺激和營養(yǎng)缺乏，并維持骨骼穩(wěn)態(tài)。而異常的自噬水平將打破骨代謝的平衡，并在骨代謝紊亂中起關(guān)鍵作用[3]。本文將從自噬在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等不同骨細(xì)胞的生命周期和代謝中的作用及機(jī)制等方面去探索自噬與骨代謝平衡的關(guān)系，總結(jié)不同類型OP 中自噬的變化及其對(duì)骨骼生長和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定功能的意義，討論目前相關(guān)途徑的策略、局限性和挑戰(zhàn)，為OP 預(yù)防和治療的臨床驗(yàn)證和應(yīng)用提供參考。

1 自噬

自噬是由Ashford 等[4]于1962 年通過電鏡首次發(fā)現(xiàn)并提出的一種細(xì)胞學(xué)現(xiàn)象。它通過降解胞質(zhì)錯(cuò)誤折疊或聚集的蛋白質(zhì)、受損的細(xì)胞器或大分子，為細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和生存提供能量和基礎(chǔ)物質(zhì)。根據(jù)細(xì)胞物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)途徑的不同，自噬被分為以下三種形式：巨自噬、微自噬、分子伴侶介導(dǎo)的自噬。其中巨自噬是最常見、最主要的自噬形式，因此，未指出特定類型的自噬多為巨自噬。目前，基因篩選出和自噬相關(guān)的基因(autophagy-related genes，Atg)已 經(jīng) 有32 種[5]，其 中Atg5、Atg7、Beclin-1等分子是各種細(xì)胞中自噬體形成過程中必不可少的。如今自噬被認(rèn)為廣泛的參與到各種病理生理學(xué)進(jìn)程，如癌癥、代謝障礙等。

2 自噬在骨穩(wěn)態(tài)中的作用

2.1 自噬與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 BMSCs作為干細(xì)胞的一種，可分化為骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞。而自噬在BMSCs對(duì)應(yīng)激源的反應(yīng)中被激活，并發(fā)揮平衡細(xì)胞生存和死亡的細(xì)胞保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，未分化的BMSCs存在高水平的結(jié)構(gòu)性自噬活性，并積累了大量未分化的自噬空泡[6]。而在成骨分化過程中自噬體卻急劇減少了[7]，說明自噬可影響并調(diào)控BMSCs增殖、分化等生物學(xué)行為。相關(guān)研究也證明，自噬在經(jīng)卵巢切除術(shù)(ovariectomy，OVX)的小鼠的骨髓和BMSCs 中均降低，而自噬激動(dòng)劑雷帕霉素(Rapamycin，RAPA)的治療可挽救雌激素缺乏性O(shè)P 小鼠BMSCs的功能并減弱其OP表型[8]。

2.2 自噬與骨細(xì)胞 骨細(xì)胞是成骨細(xì)胞系的終末分化狀態(tài)，控制著成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過程，在礦物質(zhì)代謝中起著至關(guān)重要的作用。自噬是骨細(xì)胞對(duì)應(yīng)激反應(yīng)的一種生存機(jī)制，抑制骨細(xì)胞自噬會(huì)增加氧化應(yīng)激，這可能導(dǎo)致骨吸收和形成之間的不平衡[9]。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)骨細(xì)胞的自噬能力被抑制后，骨細(xì)胞中自噬相關(guān)蛋白LC3、Beclin-1 的表達(dá)減少，最終導(dǎo)致年齡相關(guān)性O(shè)P[10]。類似的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)6個(gè)月大的小鼠進(jìn)行條件性敲除骨細(xì)胞的Atg7時(shí)，會(huì)造成骨量下降，并伴有破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞數(shù)量減少，骨形成速率下降。因此推測(cè)衰老相關(guān)的骨量下降與骨細(xì)胞的自噬變化存在密切關(guān)系，而激活自噬或許能夠緩解衰老相關(guān)的骨喪失[9]。

2.3 自噬與成骨細(xì)胞 成骨細(xì)胞來源于BMSCs，通過分泌有機(jī)基質(zhì)和羥基磷灰石發(fā)揮骨構(gòu)建者的功能，產(chǎn)生類骨細(xì)胞，隨著Ca2+沉積礦化，并伴隨激活的自噬[11]。研究發(fā)現(xiàn)自噬體可作為載體，通過胞吐作用將磷灰石晶體分泌到細(xì)胞外空間，在體外，ATG7缺乏顯著降低了成骨細(xì)胞的礦化，導(dǎo)致骨量的降低[12]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞特異性敲除FIP200(哺乳動(dòng)物自噬的關(guān)鍵成分)導(dǎo)致小鼠骨量減少是由于成骨細(xì)胞的終末分化缺陷和骨形成受到抑制。同時(shí)，自噬在成骨細(xì)胞形成過程中上調(diào)，表明FIP200 可能是自噬介導(dǎo)的成骨細(xì)胞結(jié)節(jié)形成和分化的重要調(diào)節(jié)因子，而用3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine，3-MA)和氯喹(chloroquine，CQ)這兩種自噬抑制劑處理后，堿性磷酸酶陽性細(xì)胞的數(shù)量減少了，而它的表達(dá)活性是成骨細(xì)胞分化、成熟一個(gè)非常明顯的特征。但這些治療并不影響成骨細(xì)胞的早期分化，由此推測(cè)自噬參與了成骨細(xì)胞的終末分化[13]。

2.4 自噬與破骨細(xì)胞 破骨細(xì)胞是一種巨大的多核細(xì)胞，來源于造血干細(xì)胞，由RANKL和巨噬細(xì)胞集落刺激因子激活。研究發(fā)現(xiàn)，自噬必需的蛋白對(duì)破骨細(xì)胞褶邊的生成、分泌和骨吸收都很重要，并可通過引導(dǎo)溶酶體與質(zhì)膜融合來參與溶酶體內(nèi)容物向細(xì)胞外空間的極化分泌，影響破骨細(xì)胞的分化、形成過程。而降低自噬性能后，破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收被明顯抑制[14]。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)RAPA 可以減少小鼠體內(nèi)的破骨細(xì)胞數(shù)量，并減少關(guān)節(jié)炎實(shí)驗(yàn)鼠體內(nèi)的破骨細(xì)胞形成和骨吸收[15]。這些結(jié)果均提示自噬作為一種保護(hù)性機(jī)制可以負(fù)向調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的形成和活性，并維持其在各種應(yīng)激狀態(tài)下的生存。

3 自噬與骨質(zhì)疏松癥

3.1 自噬與老年性骨質(zhì)疏松癥 老年性O(shè)P是一種伴隨增齡等因素導(dǎo)致的以骨量低下、骨微結(jié)構(gòu)損壞、骨脆性增加、易發(fā)生骨折為特征的全身性骨病。研究發(fā)現(xiàn)與健康人相比，來自O(shè)P患者的hBMSCs(人來源骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞)表現(xiàn)出與衰老相關(guān)的表型，并且自噬水平顯著降低[16]。同時(shí)，骨質(zhì)疏松性hBMSCs的成骨潛能顯著降低，而RAPA 可通過自噬激活顯著改善骨丟失?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞中的自噬水平在骨丟失過程中會(huì)降低[17]，另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞中ATG7 基因的缺失會(huì)降低6個(gè)月大的小鼠的骨量，這類似于衰老對(duì)骨骼的影響[9]。而RAPA可激活骨細(xì)胞自噬，降低骨細(xì)胞凋亡率并緩解骨丟失[18]。另外，特異性Atg5 缺失導(dǎo)致的成骨細(xì)胞自噬能力下降也會(huì)導(dǎo)致一種類似于年齡相關(guān)性低骨量的表型[19]。無獨(dú)有偶，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞中自噬基因的上調(diào)促進(jìn)了骨形成[20]。通過刪除自噬負(fù)調(diào)控因子RUBCN/Rubicon基因，產(chǎn)生了自噬在成骨細(xì)胞中特異性上調(diào)的小鼠，并表現(xiàn)出股骨漸進(jìn)性骨骼異常。總之，這些觀察結(jié)果表明，自噬在骨骼穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮了重要作用，并表明衰老過程中骨相關(guān)細(xì)胞自噬活性降低可能是年齡相關(guān)骨丟失的主要原因。

3.2 自噬與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松 OPM 是最常見的OP，由于絕經(jīng)后的中老年婦女體內(nèi)雌激素顯著降低，骨吸收與骨重建的平衡失調(diào)，最終導(dǎo)致骨量丟失，故也稱雌激素缺乏性骨質(zhì)疏松。研究證實(shí)經(jīng)OVX誘導(dǎo)的OP小鼠BMSCs 表現(xiàn)出成骨分化減少、脂肪形成增加，且其骨髓和BMSCs 中的自噬均減少。而RAPA上調(diào)自噬可部分挽救內(nèi)源性BMSCs 的功能并減弱了OPM 表型[8]。雌激素缺乏也會(huì)迅速增強(qiáng)破骨細(xì)胞生成，使骨小梁表面的骨吸收顯著增加[21]。而破骨細(xì)胞中的自噬激活參與了皺褶邊緣的產(chǎn)生和溶酶體內(nèi)容物的極化分泌，同樣可導(dǎo)致OVX小鼠的快速骨丟失[14]。使用CQ可通過抑制自噬從而減少甲狀旁腺激素和OVX誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞激活，并防止體內(nèi)骨丟失[22]。同樣地，在OPM 中，雌激素缺乏可抑制骨細(xì)胞自噬增加細(xì)胞凋亡，而雌激素治療可提升自噬，并部分提高骨細(xì)胞的活力[23]；其也可調(diào)控成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞分化，例如白藜蘆醇可通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的自噬來恢復(fù)骨形成和骨吸收的平衡以促進(jìn)OPM 大鼠中的成骨細(xì)胞分化并抑制破骨細(xì)胞分化[24]。

3.3 自噬與糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松 糖皮質(zhì)激素，如地塞米松(Dex)，作為一種有效的抗炎和自身免疫調(diào)節(jié)劑，廣泛用于治療自身免疫性疾病和器官移植排斥等。然而，長期使用會(huì)導(dǎo)致GIOP，是最常見的繼發(fā)性O(shè)P。研究證明自噬不僅在BMSCs和成骨細(xì)胞分化中扮演重要角色，以對(duì)抗GC 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和骨損失[25-26]，還在破骨細(xì)胞中發(fā)生作用。Atg7 在單核細(xì)胞中對(duì)形成皺折邊緣和溶酶體內(nèi)容物的極化分泌至關(guān)重要，與Atg7fl/fl 同窩GIOP 小鼠相比，選擇性缺失Atg7 的Atg7fl/flxLysM-Cre 小鼠的破骨細(xì)胞分化受到抑制，而骨丟失和骨質(zhì)量損傷得到減輕[27]。值得注意的是，還有些研究在證實(shí)GC 可以影響細(xì)胞自噬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了這種影響不僅存在劑量依賴性還有時(shí)間依賴性。在Han 等[28]的研究中，Dex 以劑量依賴的方式誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的自噬活性，治療后24 h，Beclin-1和LC3的表達(dá)水平隨著Dex劑量的增加而增加。低劑量Dex啟動(dòng)的自噬活動(dòng)有利于成骨細(xì)胞的存活，而高劑量Dex則加速成骨細(xì)胞凋亡[29]。當(dāng)3-MA抑制自噬時(shí)，成骨細(xì)胞功能受損；相反，當(dāng)RAPA 增強(qiáng)自噬時(shí)，并觀察到成骨細(xì)胞活性改善[28-29]。這些發(fā)現(xiàn)表明，在GC存在的情況下，自噬對(duì)成骨細(xì)胞具有保護(hù)作用，但這種保護(hù)作用在很大程度上取決于GC 的劑量。此外，在相同濃度下，Dex誘導(dǎo)的自噬量在48 h達(dá)到峰值，然后逐漸下降[28]。

3.4 自噬與糖尿病性骨質(zhì)疏松 糖尿病是一種慢性疾病，通過影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，破壞骨穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)平衡，從而導(dǎo)致OP[30]。研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的BMSCs的成骨分化和自噬水平降低，而胰島素可緩解此過程，以促進(jìn)糖尿病大鼠骨缺損的愈合[31]。另外，高糖處理可通過抑制AMPK/mTOR/ULK1 通路降低破骨細(xì)胞形成過程中的自噬水平，而增加自噬水平可促進(jìn)破骨細(xì)胞生成[32]。另外，褪黑激素可能通過抑制ERK 信號(hào)通路降低成骨細(xì)胞中的自噬水平并延緩糖尿病引起的OP[33]。

3.5 自噬與其他類型的骨質(zhì)疏松癥 自噬還參與其他類型的OP，如藥物性O(shè)P(甲狀旁腺激素誘發(fā)的OP[22]等)、廢用性O(shè)P等等，但相關(guān)報(bào)道較少，需進(jìn)一步深入研究。

4 總結(jié)

眾所周知，自噬是一把“雙刃劍”，適度水平的自噬對(duì)于保護(hù)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的完整性是決定性的，而無限制地刺激自噬也會(huì)誘導(dǎo)程序性細(xì)胞死亡，也就是說過度或低下的自噬水平均可能不利于骨代謝和骨穩(wěn)態(tài)，由此可見，自噬是維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的重要機(jī)制，調(diào)控自噬水平使之保持在適度范圍內(nèi)可能成為治療OP 的新方向。另外，現(xiàn)目前以自噬為靶點(diǎn)的臨床應(yīng)用作為許多疾病的新型藥物引起了人們的關(guān)注。但目前還沒有自噬選擇性抑制劑或激活劑可用于干預(yù)人類疾病，大多數(shù)自噬調(diào)節(jié)劑對(duì)特定種類細(xì)胞的靶點(diǎn)特異性較差，而自噬在不同的組織和細(xì)胞中的影響是不同的，因此可能會(huì)對(duì)其他器官造成意想不到的副作用[34]。故下一代自噬誘導(dǎo)劑可以靶向自噬機(jī)制本身，使自噬調(diào)節(jié)劑對(duì)骨細(xì)胞中的自噬水平做出靈敏、精確、細(xì)微的調(diào)節(jié)，從而避免調(diào)節(jié)許多其他生物通路抑制劑的副作用。故需對(duì)自噬的相關(guān)機(jī)制加以研究，為進(jìn)一步指導(dǎo)臨床提供理論依據(jù)。

在生理?xiàng)l件下，自噬在維持不同類型骨細(xì)胞的正常功能和骨穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用。在OP 的骨微環(huán)境下必然導(dǎo)致自噬功能的改變。自噬在不同類型OP 中的作用不同，可能與發(fā)病因素、骨轉(zhuǎn)歸率和全身代謝有關(guān)。激活或抑制自噬的干預(yù)措施的治療潛力在科學(xué)和臨床上都具有重大意義。值得注意的是，OP被認(rèn)為是一種受遺傳和非遺傳因素影響的多因素疾病，不同病因OP的自噬機(jī)制不同，而目前對(duì)于這方面的研究又較少。因此，需要根據(jù)不同的OP 類型制定個(gè)性化治療方案。