鐵死亡和自噬在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機制中作用的研究進展

龔梓恒，邱波

武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科，武漢430060

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是中老年人常見的一種退行性關(guān)節(jié)疾病，典型臨床表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、腫脹和活動受限等，主要病理改變?yōu)殛P(guān)節(jié)軟骨退行性病變、軟骨下骨異常重塑和骨贅形成等。作為軟骨的唯一細胞成分，軟骨細胞衰老和死亡是導(dǎo)致OA發(fā)生、發(fā)展的重要原因［1］。目前，臨床尚無有效方法來阻止、減緩或逆轉(zhuǎn)OA進程，晚期通常采取人工關(guān)節(jié)置換治療。因此，迫切需要探索新的治療方法來改善OA癥狀和延緩疾病進展。鐵死亡是一種獨特的細胞死亡方式，其特征是鐵依賴性脂質(zhì)過氧化物過度累積［2］。鐵死亡與諸多生物過程密切相關(guān)，如鐵代謝、多不飽和脂肪酸代謝以及具有抗氧化活性化合物的生物合成等［3］。近年來，越來越多研究證實，鐵死亡與OA的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。自噬是一種廣泛存在于真核細胞、進化上保守的溶酶體依賴的分解代謝過程，負責(zé)將受損的細胞器、錯誤折疊的蛋白及其他大分子物質(zhì)等運送至溶酶體降解和再利用［4］。自噬對細胞的自我更新和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的維持具有至關(guān)重要的作用。最近研究表明，自噬在OA病程中被不同程度地觸發(fā)，提示自噬可能參與OA的發(fā)生、發(fā)展。因此，深入了解鐵死亡和自噬在OA中的作用機制，有可能為OA防治提供新的思路。本文結(jié)合文獻就鐵死亡和自噬在OA發(fā)病機制中作用的研究進展作一綜述。

1 鐵死亡與OA的關(guān)系

鐵是人體必需的微量元素之一，能夠參與一系列重要的生化反應(yīng)，如血紅蛋白合成、電子傳遞和細胞呼吸等［5］。因此，維持機體內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)對細胞正常的生命活動至關(guān)重要。研究證實，鐵代謝紊亂與OA的發(fā)病機制密切相關(guān)。MIAO等［6］研究報道，軟骨細胞鐵死亡可加速OA進展，鐵過載小鼠表現(xiàn)出更多的軟骨細胞破壞。LV等［7］研究發(fā)現(xiàn)，OA患者滑液中鐵含量顯著高于正常人，并且其血清鐵蛋白水平與膝關(guān)節(jié)軟骨損傷程度呈正相關(guān)關(guān)系。這些研究表明，體內(nèi)異常的鐵蓄積可能導(dǎo)致細胞凋亡和軟骨破壞，從而促進了OA的發(fā)生、發(fā)展。

1.1 鐵死亡 鐵死亡是一種鐵依賴的非凋亡形式的細胞程序性死亡方式，其特征是鐵依賴性脂質(zhì)過氧化物過度累積［2］。鐵死亡本質(zhì)是谷胱甘肽的耗竭，導(dǎo)致谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）活性下降，無法催化脂質(zhì)氧化物的還原代謝反應(yīng)，進而促使鐵離子通過芬頓反應(yīng)啟動脂質(zhì)過氧化，產(chǎn)生活性氧（ROS），最終導(dǎo)致線粒體損傷，觸發(fā)鐵死亡。LIANG等［8］研究認為，胱氨酸/谷氨酸逆轉(zhuǎn)運體能夠?qū)⒓毎麅?nèi)的谷氨酸轉(zhuǎn)運至細胞外，并將細胞外的胱氨酸轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，再轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，最終合成谷胱甘肽；同時，GPX4能夠減少多不飽和脂肪酸脂質(zhì)過氧化，從而減少ROS積累。JIANG等［9］認為，過量的鐵是鐵死亡的基礎(chǔ)。循環(huán)鐵以Fe3+形式與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，多余的鐵以穩(wěn)定的形式被儲存到鐵蛋白中而不參與ROS生成反應(yīng)。因此，控制鐵含量或鐵代謝是預(yù)防鐵死亡的重要手段。HASSANNIA等［10］研究發(fā)現(xiàn)，鐵代謝中的多個蛋白質(zhì)可參與鐵死亡的調(diào)節(jié)。其中，鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白能夠促進鐵死亡發(fā)生，而磷酸化酶激酶γ2和CDGSH鐵硫結(jié)構(gòu)域1則抑制鐵死亡的發(fā)生。此外，熱休克蛋白27通過磷酸化阻斷細胞骨架介導(dǎo)的鐵吸收，減少脂質(zhì)ROS產(chǎn)生，從而誘導(dǎo)鐵死亡抗性。Egl九同源物1則可上調(diào)淋巴特異性解旋酶（LSH）表達，LSH通過影響下游代謝相關(guān)基因（如SCD1、GLUT1、FADS2）來抑制脂質(zhì)ROS產(chǎn)生，從而抑制鐵死亡發(fā)生。這些研究提示，鐵代謝及其相關(guān)的信號分子或蛋白對鐵死亡具有調(diào)節(jié)作用。

1.2 通過抑制鐵死亡緩解OA MIAO等［6］分析了鐵死亡與人類OA和未受損軟骨的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鐵死亡與OA密切相關(guān)，在OA患者軟骨中GPX4表達顯著低于未受損軟骨。Fer-1、DFO兩種鐵死亡抑制劑均能以一種不依賴于壞死性凋亡的方式抑制OA，這表明在OA中存在鐵死亡。下調(diào)GPX4表達可增加軟骨細胞對氧化應(yīng)激的敏感性，并通過MAPK/NF-κB信號通路加劇細胞外基質(zhì)降解。這表明鐵死亡能夠介導(dǎo)OA的發(fā)生，并且GPX4是調(diào)控OA進展的關(guān)鍵蛋白。GUO等［11］研究發(fā)現(xiàn)，IL-1β能夠增加ROS、脂質(zhì)ROS和脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）水平，改變軟骨細胞中鐵死亡相關(guān)蛋白的表達。經(jīng)典的鐵死亡抑制劑Fer-1可抑制IL-1β誘導(dǎo)的Ⅱ型膠原蛋白表達減少和基質(zhì)金屬蛋白酶13表達增加，減輕IL-1β和鐵死亡誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)的軟骨細胞毒性，消除ROS、脂質(zhì)ROS積累以及MDA增加，改善軟骨細胞OA樣變化，并促進核因子E2相關(guān)因子2（Nrf2）抗氧化系統(tǒng)激活。這表明在炎癥條件下軟骨細胞會發(fā)生鐵死亡，而抑制軟骨細胞鐵死亡可減輕軟骨細胞破壞。因此，關(guān)節(jié)腔注射鐵死亡抑制劑有可能成為一種新的OA治療手段。WANG等［12］研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素可通過抑制鐵死亡和調(diào)節(jié)軟骨細胞線粒體功能來延緩OA進展。在大鼠關(guān)節(jié)內(nèi)注射Fer-1和蝦青素可延緩關(guān)節(jié)軟骨退化和OA進展?？寡趸瘎┮部赏ㄟ^抑制鐵死亡來緩解OA。ZHOU等［13］研究報道，D-甘露糖可通過抑制軟骨細胞鐵死亡來緩解OA進展。YAN等［14］研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可通過抑制軟骨細胞鐵死亡和改善軟骨下骨硬化和血管生成來減輕OA病情嚴重程度。鷹嘴豆芽素A則可通過調(diào)節(jié)鐵水平和Nrf2/System Xc-/GPX4軸來預(yù)防鐵過載相關(guān)的膝關(guān)節(jié)OA。此外，GONG等［15］研究發(fā)現(xiàn)，Cardamonin可通過p53途徑抑制軟骨細胞鐵死亡，從而減輕軟骨細胞炎癥和延緩軟骨退化。鐵過載引起線粒體功能障礙和ROS生成增多，并抑制Ⅱ型膠原蛋白表達和誘導(dǎo)MMPs表達?？傊ㄟ^干預(yù)鐵死亡和調(diào)節(jié)相關(guān)的信號通路，有可能成為治療OA的有效策略。

2 自噬與OA的關(guān)系

自噬是真核細胞中一種高度保守的細胞生物學(xué)行為，是細胞的自體吞噬、消化過程。自噬是維護細胞穩(wěn)態(tài)的一種重要機制，通過清除衰老或破損的細胞器、折疊錯誤或聚集的蛋白質(zhì)，而維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。目前普遍認為，自噬功能障礙與衰老和包括OA在內(nèi)的多種退行性疾病密切相關(guān)。

2.1 自噬 自噬大體分為4個階段：自噬起始→隔離膜和自噬體形成→自噬體與溶酶體融合→自噬體裂解。屬于絲氨酸/蘇氨酸類蛋白激酶的ATG1/ULK1是啟動自噬的關(guān)鍵激酶。自噬起始階段包括誘導(dǎo)自噬和形成自噬膜，而自噬膜形成需要自噬前體形成。Beclin1-Vps34復(fù)合體是哺乳動物自噬的核心復(fù)合物［16］。ATG4參與自噬泡形成，而UVRAG作用于自噬泡成熟及其運輸過程。Rubicon則是一個負調(diào)節(jié)因子，參與調(diào)控自噬體功能。自噬誘導(dǎo)后，在ATG14-Vps15-mVps34復(fù)合物作用下啟動膜泡成核反應(yīng)，形成前自噬體［17］。自噬膜泡進一步擴張并包繞底物，最終形成自噬體。

新近研究表明，p62蛋白可誘導(dǎo)鑲嵌LC3的自噬體到溶酶體，將其吞噬并清除，而p62與底物結(jié)合后會被蛋白水解酶降解［18］。細胞內(nèi)的微管骨架參與將自噬體運輸?shù)饺苊阁w的過程，而這個過程需要Rab7、UVRAG等因子參與。MIZUSHIMA等［19］研究發(fā)現(xiàn)，Rab7通過與膜泡表面的脂質(zhì)尾部作用進行定位，而UVRAG則激活Rab7并將囊泡運送至靶位點。自噬過程通常涉及兩種泛素樣偶聯(lián)反應(yīng)，這有助于維持吞噬體的擴展。自噬效應(yīng)的發(fā)生取決于自噬體形成、自噬體與溶酶體融合、后續(xù)內(nèi)含物的降解和回收等自噬流過程是否完成［20］。

2.2 通過促進自噬緩解OA 自噬在細胞內(nèi)是一種常見的自我保護機制，可幫助細胞在營養(yǎng)匱乏、應(yīng)激等不利條件下存活。研究表明，自噬與OA的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)［21］。MUSUMECI等［22］認為，盡管自噬不是一種細胞死亡方式，但其對維持軟骨穩(wěn)態(tài)非常重要。細胞凋亡是一種重要的生理過程，在發(fā)育和組織穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用［23］。自噬能夠參與細胞內(nèi)生化反應(yīng)的正向調(diào)節(jié)，但在一些情況下也可能是一種非凋亡性程序性細胞死亡方式。因此，自噬在OA的發(fā)生、發(fā)展中可能扮演重要角色，但其作用機制仍需進一步研究。

在OA中，自噬與軟骨細胞凋亡增加有關(guān)，自噬誘導(dǎo)劑ULK1、自噬調(diào)節(jié)劑Beclin1以及微管相關(guān)蛋白LC3等調(diào)節(jié)因子減少甚至丟失。執(zhí)行自噬的過程可能會被NLRP3依賴性Caspase-1切割的白細胞介素所抑制。一些自噬誘導(dǎo)劑對延緩OA進展有著積極作用。XUE等［23］探討了PI3K/Akt/mTOR信號通路與OA大鼠關(guān)節(jié)軟骨細胞自噬的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)炎癥可抑制大鼠軟骨細胞增殖、阻滯細胞周期進程，降低自噬水平；抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路則可促進OA大鼠關(guān)節(jié)軟骨細胞自噬，減輕炎癥反應(yīng)。YAN等［14］研究發(fā)現(xiàn)，METTL3介導(dǎo)的ATG7 m6A修飾可調(diào)節(jié)自噬-GATA4軸，從而促進細胞衰老和OA進展；沉默METTL3可增強自噬并抑制OA-FLS中SASP表達；關(guān)節(jié)內(nèi)注射靶向滑膜的METTL3 siRNA可抑制關(guān)節(jié)軟骨細胞衰老，并改善DMM誘導(dǎo)的軟骨破壞。這為OA治療提供了一種潛在的策略。XU等［21］研究發(fā)現(xiàn)，SIRT3可通過PI3K/Akt/mTOR信號通路調(diào)節(jié)軟骨細胞自噬，改善OA的病理生理過程，證實SIRT3在OA治療中具有一定效果。此外，PINK1、PRKN、BNIP3和MFN2等在OA的線粒體自噬和病理狀態(tài)中亦發(fā)揮重要作用［24］。PINK1-PRKN是目前研究最多的線粒體自噬通路，對軟骨細胞的線粒體自噬激活具有關(guān)鍵性作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在中等強度運動的早期階段，P2X7激活和自噬水平升高能夠延緩OA進展；但在運動后期，P2X7過度激活會導(dǎo)致細胞凋亡增加，從而加速OA進展［25］。這表明在OA治療中運動強度和持續(xù)時間至關(guān)重要。此外，P2X7及其下游信號分子也可能成為OA治療的潛在靶點。關(guān)節(jié)疼痛是OA最主要和最突出的癥狀。NA等［26］研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過調(diào)節(jié)疼痛介質(zhì)和自噬-溶酶體途徑，減輕碘乙酸鈉誘導(dǎo)的OA癥狀，并能減輕軟骨損傷。此外，在OA軟骨細胞中，二甲雙胍還能降低IL-1β刺激的分解代謝因子表達，調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)并誘導(dǎo)自噬體-溶酶體融合表型。LIN等［27］研究發(fā)現(xiàn)，JUNB-FBXO21-ERK軸能夠通過抑制自噬而促進OA軟骨退化。結(jié)果提示，JUNB-FBXO21-ERK軸通過抑制自噬來調(diào)節(jié)OA軟骨細胞凋亡和基質(zhì)代謝，為OA治療提供了新的方向。

3 自噬與鐵死亡在OA中的共同作用

最近研究表明，自噬在驅(qū)動細胞走向鐵死亡方面發(fā)揮著重要作用，特別是選擇性自噬，如鐵蛋白自噬、脂肪自噬、時鐘自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬（CMA）。適量自噬已經(jīng)演變成一種促進生存的反應(yīng)，但過度自噬尤其是選擇性自噬和溶酶體活性受損可能會促進鐵死亡。因此，深入探索鐵死亡與自噬的機制對OA治療具有重要意義。

3.1 NCOA4依賴性鐵蛋白自噬 MANCIAS等［28］研究發(fā)現(xiàn)，鐵蛋白降解是一個鐵儲存蛋白的自噬過程，依此調(diào)節(jié)細胞內(nèi)鐵水平。鐵蛋白是由24個亞基組成的多聚體蛋白，每個鐵蛋白最多可結(jié)合4 500個鐵原子。NCOA4是介導(dǎo)鐵蛋白自噬的貨物受體，NCOA4的C末端能夠與吞噬細胞中鐵蛋白重鏈上的保守表面精氨酸結(jié)合，并在自噬體和自噬溶酶體中釋放出鐵。NCOA4依賴性鐵蛋白自噬通過從鐵蛋白中釋放游離鐵而促進鐵死亡。消耗或抑制NCOA4或ATG蛋白（如ATG3、ATG5、ATG7、ATG13）則會抑制鐵蛋白降解，降低游離鐵水平，進而限制鐵死亡及其氧化損傷。因此，深入探索鐵蛋白降解機制，或可為治療鐵死亡相關(guān)疾病提供新的思路。

3.2 SQSTM1依賴性時鐘自噬 生物鐘是存在于機體的生物節(jié)律振蕩系統(tǒng)，振蕩周期為24 h，對諸多行為和生理過程具有重要意義［29］。生物鐘的振蕩機制依賴于轉(zhuǎn)錄-翻譯的負反饋回路，其中ARNTL和時鐘晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)器是驅(qū)動生物鐘的核心因子，通過結(jié)合啟動子中的E-box基序來調(diào)節(jié)許多基因的表達。最近發(fā)現(xiàn)時鐘自噬是一種選擇性自噬方式，在由Ⅱ型鐵死亡誘導(dǎo)劑（如RSL3、FIN56）誘導(dǎo)的鐵死亡期間降解ARNTL。值得注意的是，HIF-1α水平受到egl-9家族缺氧誘導(dǎo)因子2（EGLN2/PHD1）調(diào)節(jié)，而EGLN2/PHD1是RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡中的一個ARNTL靶基因。除HIF-1α外，內(nèi)皮PAS結(jié)構(gòu)域蛋白1（EPAS1/HIF2A）在OA中也可調(diào)節(jié)鐵死亡過程。這些發(fā)現(xiàn)表明，在探索鐵死亡和細胞凋亡的過程中，需要深入了解生物鐘與鐵死亡的關(guān)系。

3.3 CMA ZHU等［30］研究發(fā)現(xiàn)，CMA是一種選擇性自噬方式，它利用分子伴侶將特定的細胞溶質(zhì)蛋白遞送至溶酶體進行降解。這種自噬是基于對特定氨基酸序列的識別，具有高度選擇性。HSP70家族成員HSPA8/HSC70是一種重要的分子伴侶，負責(zé)識別胞質(zhì)蛋白中的KFERQ樣基序，進而參與CMA過程。CMA對GPX4蛋白的降解是一種響應(yīng)各種鐵死亡激活劑的普遍事件。HSPA5是一種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的分子伴侶，可限制Erastin誘導(dǎo)的GPX4降解，從而防止軟骨細胞鐵死亡。HSPA8依賴性CMA有助于軟骨細胞中Erastin誘導(dǎo)的GPX4降解。HSP90可增加CMA受體溶酶體相關(guān)膜蛋白2A的穩(wěn)定性，進而在鐵死亡過程中增強GPX4的降解。這些發(fā)現(xiàn)有助于深入探究鐵死亡過程中GPX4的穩(wěn)定性。

綜上所述，鐵死亡和自噬在腫瘤和心血管、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等方面已得到廣泛關(guān)注，其在骨科領(lǐng)域的研究比較有限。而抑制鐵死亡或激活自噬在OA的治療中顯示出巨大的潛力，相信隨著進一步研究，最終將被廣泛用于臨床，為OA帶來新的治療策略。