線(xiàn)粒體質(zhì)量控制在骨性關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞的調(diào)控作用△

鐘聞，黃華，沈彬，斯海波*

（1.四川大學(xué)華西醫(yī)院骨科，四川成都 610041；2.川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科，四川南充 637000）

骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis,OA）是一種以關(guān)節(jié)軟骨退變?yōu)楹诵奶卣鞯年P(guān)節(jié)病，而軟骨退變與軟骨細(xì)胞衰老及其介導(dǎo)的代謝失衡密切相關(guān)，抑制軟骨細(xì)胞衰老或清除衰老軟骨細(xì)胞（senescent chondrocytes,SnCCs）可有效延緩OA 進(jìn)展［1，2］。乙酰化/去乙?；蔷€(xiàn)粒體質(zhì)量控制（mitochondrial quality control,MQC）的核心機(jī)制之一，主要由去乙?；福╯irtuin,SIRT）介導(dǎo)。近年發(fā)現(xiàn)MQC 失衡與OA 軟骨細(xì)胞衰老及軟骨退變密切相關(guān)，主要的線(xiàn)粒體去乙酰化酶SIRT1/3 在正常及OA 軟骨細(xì)胞中存在差異表達(dá)并參與OA 軟骨細(xì)胞MQC 失衡及衰老調(diào)控［3］。本文將從SIRT1/3 及細(xì)胞衰老角度對(duì)MQC 在OA 軟骨細(xì)胞的調(diào)控作用做一綜述，以期為后續(xù)OA 發(fā)病機(jī)制及治療策略研究整理思路和潛在靶點(diǎn)。

1 軟骨細(xì)胞衰老及其介導(dǎo)的代謝失衡是軟骨退變持續(xù)進(jìn)展的重要原因

目前全球OA 患者人數(shù)已超過(guò)3 億，我國(guó)40 歲以上人群中原發(fā)性O(shè)A 的總體患病率已高達(dá)46.3%，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和醫(yī)療負(fù)擔(dān)［4］。雖然OA 的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜且未完全闡明，但軟骨退變的核心作用已得到公認(rèn)。軟骨細(xì)胞是軟骨中唯一的細(xì)胞類(lèi)型，對(duì)軟骨穩(wěn)態(tài)起決定性作用。軟骨細(xì)胞死亡是軟骨退變的關(guān)鍵機(jī)制之一，但部分OA 軟骨細(xì)胞在死亡前先進(jìn)入一種不可逆的生長(zhǎng)停滯伴表型改變、但保持代謝活性的狀態(tài)，稱(chēng)為細(xì)胞衰老［2，5］。Toh 等［6］在OA 病灶周?chē)浌侵邪l(fā)現(xiàn)SnCCs，Xu 等［7］發(fā)現(xiàn)在小鼠關(guān)節(jié)腔注射自體衰老細(xì)胞可誘導(dǎo)OA 樣改變，斯海波等［2］進(jìn)一步證實(shí)了抑制軟骨細(xì)胞衰老，可延緩大鼠OA 進(jìn)展。

SnCCs 雖保持代謝活性，但表現(xiàn)為衰老相關(guān)分泌表型 （senescence- associated secretory phenotype,SASP），伴隨一系列行為改變。由于喪失了對(duì)胰島素樣生長(zhǎng)因子I、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β、骨形態(tài)發(fā)生蛋白6等多種代謝信號(hào)的應(yīng)答，SnCCs 維持及重塑軟骨穩(wěn)態(tài)的能力減弱［2，6，7］。SASP 還可導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)（extra-cellular matrix,ECM）合成減少，而多種炎性因子、基質(zhì)降解酶、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子等分泌增加，促進(jìn)ECM 降解、軟骨下骨硬化和骨贅形成。同時(shí)，SASP 分泌的各種刺激因子可誘導(dǎo)鄰近細(xì)胞衰老并形成惡性循環(huán)，這被認(rèn)為是即使初始刺激因素消除后軟骨細(xì)胞衰老仍然持續(xù)發(fā)生、軟骨退變?nèi)猿掷m(xù)進(jìn)展的重要機(jī)制［2，7］。

此外，OA 早期軟骨損傷程度輕且多局限在軟骨表層區(qū)域，若能盡早修復(fù)，或許可阻止、延遲甚至部分逆轉(zhuǎn)OA 進(jìn)展。結(jié)合細(xì)胞衰老的不可逆性、SASP可誘導(dǎo)衰老惡性循環(huán)等特點(diǎn)，早期抑制軟骨細(xì)胞衰老對(duì)OA 治療或許更有價(jià)值。近年多項(xiàng)研究提示線(xiàn)粒體功能異常參與軟骨細(xì)胞衰老及軟骨退變發(fā)生發(fā)展，為OA 發(fā)病機(jī)制及治療策略探索提供了新的切入點(diǎn)。

2 MQC 失衡是OA 軟骨細(xì)胞衰老的重要特征和潛在誘因

線(xiàn)粒體形態(tài)和功能異常與多種細(xì)胞損傷及包括OA 在內(nèi)的增齡相關(guān)疾病有關(guān)。MQC 是機(jī)體在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的一套完善的線(xiàn)粒體調(diào)控機(jī)制，可對(duì)線(xiàn)粒體的形態(tài)、數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行多維調(diào)控以維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，主要包括氧化應(yīng)激（oxidative stress,OS）、生物發(fā)生、動(dòng)力學(xué)及線(xiàn)粒體自噬等過(guò)程。近年發(fā)現(xiàn)MQC 失衡與OA 軟骨細(xì)胞衰老密切相關(guān)。

2.1 線(xiàn)粒體OS 與軟骨細(xì)胞衰老

線(xiàn)粒體氧化磷酸化過(guò)程是活性氧類(lèi)（reactive oxygen species,ROS）的主要來(lái)源，ROS 過(guò)量產(chǎn)生并超出細(xì)胞抗氧化防御能力可引起OS 損傷，其中衰老相關(guān)異染色質(zhì)堆積觸發(fā)的DNA 損傷反應(yīng)可誘導(dǎo)細(xì)胞衰老并引起細(xì)胞/組織的結(jié)構(gòu)性和功能性損傷［8］。已有研究證實(shí)，退變軟骨組織中有過(guò)量ROS 產(chǎn)生，而且ROS 堆積又可誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞衰老并促進(jìn)OA 進(jìn)展［9］。多種抗氧化酶可清除ROS，其中具有線(xiàn)粒體特異性超氧化物歧化酶2（superoxide dismutase 2,SOD2）不僅是軟骨細(xì)胞內(nèi)清除ROS 的主要抗氧化酶，同時(shí)還可抑制OA 軟骨細(xì)胞衰老［10］，是探索OA 軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體OS 與衰老交互作用的關(guān)鍵靶點(diǎn)之一。

2.2 線(xiàn)粒體生物發(fā)生與軟骨細(xì)胞衰老

線(xiàn)粒體生物發(fā)生是細(xì)胞內(nèi)形成新線(xiàn)粒體的過(guò)程，受核基因和線(xiàn)粒體DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）共同調(diào)控。IL-1β 和TNF-α 可改變mtDNA 的完整性，而mtDNA 損傷會(huì)上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP）水平，并通過(guò)激活OS 誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞衰老及ECM 降解［11］。過(guò)氧化物酶體增殖體激活受體γ 共激活劑1α（peroxisome proliferatoractivated receptor γ coactivator,PGC-1α）是線(xiàn)粒體生物發(fā)生的主要調(diào)控因子，其表達(dá)升高與線(xiàn)粒體生物發(fā)生增加相關(guān)［12］。線(xiàn)粒體生物發(fā)生受損是OA 軟骨細(xì)胞的核心特征之一，而激活PGC1α 可得到明顯改善［13］。同時(shí)，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)線(xiàn)粒體生物發(fā)生與細(xì)胞衰老密切相關(guān)，且受PGC1α 調(diào)控，但不同細(xì)胞/疾病模型間的結(jié)果差異大，甚至相反［14，15］，且在軟骨細(xì)胞中暫無(wú)相關(guān)報(bào)道。

2.3 線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)與軟骨細(xì)胞衰老

線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)通過(guò)形成高度連通的管狀網(wǎng)絡(luò)并處于高度融合-分裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程多重調(diào)控其形態(tài)、數(shù)量、質(zhì)量及功能［16］。線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)紊亂是線(xiàn)粒體功能障礙和細(xì)胞死亡的重要誘因，目前認(rèn)為線(xiàn)粒體分裂可加速軟骨細(xì)胞死亡，而線(xiàn)粒體融合對(duì)軟骨細(xì)胞起一定保護(hù)作用［17］。具有GTP 酶活性的視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1（optic atrophy protein-1,OPA1）是線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵調(diào)控蛋白，也是線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)紊亂和功能障礙的重要交匯點(diǎn)，其表達(dá)上調(diào)可改善軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)［18］。此外，有研究報(bào)道，OPA1 與細(xì)胞衰老密切相關(guān)［19］，但在OA 軟骨細(xì)胞衰老中暫無(wú)報(bào)道，值得進(jìn)一步探索。

2.4 線(xiàn)粒體自噬與軟骨細(xì)胞衰老

細(xì)胞通過(guò)自噬機(jī)制選擇性地清除損傷線(xiàn)粒體的過(guò)程被稱(chēng)為線(xiàn)粒體自噬，該過(guò)程有利于保持線(xiàn)粒體數(shù)量和質(zhì)量穩(wěn)定以及維持線(xiàn)粒體功能、細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和促細(xì)胞存活。軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體自噬功能失調(diào)與OA 發(fā)生發(fā)展之間的密切關(guān)系已被廣泛證實(shí)［20］。最近兩項(xiàng)研究均報(bào)道激活線(xiàn)粒體自噬可抑制軟骨細(xì)胞衰老［21,22］。PARKIN 是當(dāng)前關(guān)注較多的線(xiàn)粒體自噬調(diào)控因子，在軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體自噬穩(wěn)態(tài)維持中發(fā)揮重要作用［23］。同時(shí)，PARKIN 介導(dǎo)的線(xiàn)粒體自噬激活也可抑制OA 軟骨細(xì)胞衰老［24］，提示PARKIN 是探索軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體自噬與衰老交互作用的重要切入點(diǎn)。

3 SIRT1/3 對(duì)軟骨細(xì)胞MQC 的調(diào)控作用

3.1 SIRT1/3 對(duì)軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體OS 的調(diào)控作用

既往研究證實(shí)乙?；?去乙?；蔷€(xiàn)粒體功能的關(guān)鍵調(diào)控方式之一，SIRT1/3 是最主要的去乙酰化酶，對(duì)細(xì)胞代謝狀態(tài)高度敏感，在翻譯后水平調(diào)控多種線(xiàn)粒體蛋白/酶活性，從而調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體OS。OA 相關(guān)炎癥介質(zhì)抑制軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體氧化磷酸化并促進(jìn)ROS 生成和OS 激活，導(dǎo)致抗氧化酶SOD2 被過(guò)度消耗［25］。SIRT3 可通過(guò)增強(qiáng)SOD2 抗氧化活性并降低線(xiàn)粒體ROS 來(lái)保護(hù)線(xiàn)粒體免受OS 損傷［26］。激活A(yù)MPK-SIRT3 通路也可通過(guò)增強(qiáng)SOD2 活性而降低線(xiàn)粒體OS［27］。同時(shí)，SIRT1 也可抵抗OS 損傷誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞死亡［28］。

3.2 SIRT1/3 對(duì)軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體生物發(fā)生的調(diào)控作用

OA 軟骨細(xì)胞的SIRT1 表達(dá)較正常軟骨細(xì)胞降低，且與PGC-1α 的乙?；黾佑嘘P(guān)［13］。激活SIRT1/PGC-1α 途徑可促進(jìn)線(xiàn)粒體生物發(fā)生，并逆轉(zhuǎn)OA 軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體功能損傷［13］。軟骨細(xì)胞中的AMPK 在能量缺乏時(shí)通過(guò)磷酸化被激活，然后可促進(jìn)ATP 生成并激活SIRT3［27］。SIRT3 水平在OA 以及IL-1β/TNF-α 干預(yù)的軟骨細(xì)胞中均降低，SIRT3 敲除可引起軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體功能障礙，而SIRT3 激活可保護(hù)軟骨細(xì)胞免受IL-1β/TNF-α 誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體損傷［29,30］。此外，既往研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1/3 均可上調(diào)AMPK 表達(dá)，提示AMPK 和SIRT1/3 具有形成正反饋環(huán)路并調(diào)控軟骨細(xì)胞MQC 的潛力［31］，但具體機(jī)制還需進(jìn)一步探索。

3.3 SIRT1/3 對(duì)軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)的調(diào)控作用

線(xiàn)粒體是一個(gè)動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，可與周?chē)木€(xiàn)粒體融合并分裂成子線(xiàn)粒體。在線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)過(guò)程中，過(guò)度的線(xiàn)粒體碎片化會(huì)導(dǎo)致mtDNA 突變，導(dǎo)致ATP 合成減少、ROS 產(chǎn)生過(guò)多、線(xiàn)粒體膜電位改變等，引起線(xiàn)粒體功能障礙［32］。SIRT3 可以通過(guò)c-Jun N-末端激酶信號(hào)通路激活OPA1 并抑制線(xiàn)粒體外膜蛋白Fis1 表達(dá)［24,33］。SIRT3 激活劑可通過(guò)AMPK-PGC-1α-SIRT3 途徑增加OA 軟骨細(xì)胞中線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵蛋白（如Drp1、Fis1 和MFN2）的表達(dá)［29］。雖然SIRT1 對(duì)軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)的調(diào)控作用已在多種疾病和細(xì)胞模型中被證實(shí)［34］，但在軟骨細(xì)胞中暫無(wú)相關(guān)報(bào)道，值得進(jìn)一步探索。

3.4 SIRT1/3 對(duì)軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體自噬的調(diào)控作用

SIRT1 激活可通過(guò)調(diào)控自噬相關(guān)基因表達(dá)及哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）磷酸化水平觸發(fā)下游自噬相關(guān)級(jí)聯(lián)反應(yīng)及自噬體形成［35］。在軟骨細(xì)胞中，SIRT1 可通過(guò)AMPK/mTOR 信號(hào)通路調(diào)控線(xiàn)粒體自噬［36］。同時(shí)，SIRT3 也可通過(guò)調(diào)控PARKIN 依賴(lài)的線(xiàn)粒體自噬促進(jìn)軟骨細(xì)胞存活［37］。在糖尿病心肌細(xì)胞中，SIRT3 可通過(guò)去乙?；疐oxO3A 激活線(xiàn)粒體自噬，而SIRT3 缺乏可損害線(xiàn)粒體自噬并誘導(dǎo)細(xì)胞衰老［38］，但這在軟骨細(xì)胞中暫無(wú)報(bào)道。因此，SIRT3 是否也可通過(guò)FoxO3APARKIN 軸調(diào)控OA 軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體自噬及衰老也是后續(xù)機(jī)制研究的良好切入點(diǎn)。

4 重塑OA 軟骨細(xì)胞MQC 穩(wěn)態(tài)的潛在策略

MQC 作為維持線(xiàn)粒體及細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的新興機(jī)制，近年證據(jù)表明重塑軟骨細(xì)胞MQC 穩(wěn)態(tài)是抑制OA 的潛在策略。SIRT1/3 是調(diào)控線(xiàn)粒體功能的主要去乙?；?，下面將以此為切入點(diǎn)總結(jié)重塑軟骨細(xì)胞MQC 穩(wěn)態(tài)的潛在策略。

4.1 基于SIRT1 的OA 軟骨細(xì)胞MQC 穩(wěn)態(tài)重塑策略

大量研究表明靶向調(diào)控SIRT1 是重塑OA 軟骨細(xì)胞MQC 穩(wěn)態(tài)、抑制軟骨細(xì)胞衰老及延緩OA 進(jìn)展的潛在策略。比如，槲皮素通過(guò)AMPK/SIRT1 通路減少軟骨細(xì)胞內(nèi)ROS 堆積及恢復(fù)線(xiàn)粒體膜電位，保護(hù)線(xiàn)粒體功能、抑制軟骨細(xì)胞衰老并延緩OA 進(jìn)展［39］；17β-雌二醇通過(guò)SIRT1 介導(dǎo)的AMPK/mTOR通路增強(qiáng)軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體自噬，維持軟骨穩(wěn)態(tài)及抑制OA［36］；花椒毒素通過(guò)SIRT1/NF-κB 軸在OA 軟骨中發(fā)揮抗炎和抗OS 作用［40］。同時(shí)，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21 可通過(guò)SIRT1/mTOR 通路延緩OA 軟骨細(xì)胞衰老、凋亡及ECM 降解［41］，葡萄籽原花青素可通過(guò)DPP4-SIRT1 途徑抑制軟骨細(xì)胞衰老和凋亡并延緩OA 進(jìn)展［42］，水飛薊素可通過(guò)SIRT1 途徑修復(fù)軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體活性并延緩軟骨細(xì)胞衰老［43］。

4.2 基于SIRT3 的OA 軟骨細(xì)胞MQC 穩(wěn)態(tài)重塑策略

軟骨細(xì)胞SIRT3 缺乏與OA 發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，直接上調(diào)SIRT3 可通過(guò)AMPK 途徑抑制OA 軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體OS、激活線(xiàn)粒體自噬并改善mtDNA 的完整性和功能［27］。同時(shí)，多種藥物、分子及基因可通過(guò)SIRT3 調(diào)控軟骨細(xì)胞MQC 及衰老。比如，SIRT3 激活劑二氫楊梅素可維持軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體穩(wěn)態(tài)并抵抗軟骨退化［29］、二甲雙胍可通過(guò)SIRT3 介導(dǎo)的PINK1/PARKIN 依賴(lài)性線(xiàn)粒體自噬途徑抑制IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體OS 和OA 炎性改變［44］、circFAM160A2可通過(guò)靶向調(diào)控SIRT3 促進(jìn)軟骨細(xì)胞線(xiàn)粒體穩(wěn)定并減少細(xì)胞凋亡［45］。同時(shí)，泛素特異性蛋白酶3 可通過(guò)SIRT3 抑制IL-1β 介導(dǎo)的軟骨細(xì)胞衰老［46］。因此，靶向調(diào)控SIRT3 也是重塑OA 軟骨細(xì)胞MQC 穩(wěn)態(tài)及抑制軟骨細(xì)胞衰老的重要策略。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，軟骨細(xì)胞衰老及其介導(dǎo)的代謝失衡是軟骨退變持續(xù)發(fā)生的重要原因之一，而MQC 失衡是OA 軟骨細(xì)胞衰老的重要特征和潛在誘因。SIRT1/3是調(diào)控軟骨細(xì)胞MQC 的主要去乙?；?，也是重塑OA 軟骨細(xì)胞MQC 穩(wěn)態(tài)、抑制軟骨細(xì)胞衰老及延緩OA 進(jìn)展的重要靶點(diǎn)。本文雖然從SIRT1/3 及細(xì)胞衰老角度總結(jié)了MQC 在OA 軟骨細(xì)胞的關(guān)鍵調(diào)控作用，但涉及具體機(jī)制仍遠(yuǎn)未闡明，后續(xù)深入研究這些問(wèn)題將有助于豐富OA 發(fā)病機(jī)制理論并為OA 治療策略研究提供了新的思路和靶點(diǎn)。

利益沖突在課題研究和文章撰寫(xiě)過(guò)程中不存在利益沖突；課題經(jīng)費(fèi)沒(méi)有影響文章觀點(diǎn)。

作者貢獻(xiàn)聲明鐘聞、黃華：文獻(xiàn)檢索、資料歸納整理和文章撰寫(xiě)；沈彬、斯海波：綜述設(shè)計(jì)及邏輯把控。