自噬在骨關節炎中的研究進展 ①

沈 翀 ，黃泓鈞

(桂林醫學院附屬醫院脊柱骨病外科，廣西 桂林 541001)

骨關節炎(osteoarthritis，OA)是一種常見的慢性退行性關節疾病，常發于老年人，其能夠限制患者的活動能力，嚴重影響生活質量。隨著人類壽命的延長和老齡化的發展，發病率逐漸升高，目前全球OA患者已超過3億人[1]。OA主要累及關節軟骨，病理表現為軟骨細胞的數量變少和軟骨基質的分解[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，使細胞適應應激條件來促進細胞活性[3]。自噬在保護骨關節炎中的軟骨細胞一樣起到關鍵作用，它通過清除活性氧和抑制細胞凋亡等調節骨關節炎病理變化，從而發揮軟骨保護功能[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節炎引起了越來越多研究者的關注[6]。本文就細胞自噬在骨關節炎中的作用進行綜述。

1 自噬在骨關節炎調控網絡中的作用

骨關節炎為非單一病因，是多個因素對易感個體共同作用的結果，衰老、炎癥、凋亡包含其中，自噬與這些因素構成復雜的調控網絡。

1.1 衰老

骨關節炎與衰老密切相關，衰老相關的表型，如組織和細胞再生能力受損、炎癥介質表達增加、氧化應激等都可以引起軟骨基質和細胞的損傷，促進OA發展。而自噬缺陷廣泛出現在衰老相關疾病中[7]。Ni等[8]研究發現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、衰老相關蛋白的表達，同時促進自噬相關蛋白的表達，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物，在細胞信號傳導和維持組織穩態中發揮作用[9]。OA軟骨細胞中ROS水平升高，它作為第二信使，阻止基質的合成，激活基質金屬蛋白酶，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控，兩者能被一些外界刺激同時激活、共用一些調控分子，而且能互相轉化[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，同時軟骨出現退化，關節功能障礙加重[11]。

1.4 基質金屬蛋白酶

基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase， MMP)能降解細胞外基質中的各種蛋白成分。軟骨細胞凋亡的同時，大量MMP-13分泌增加，導致關節軟骨的崩解，加劇關節損傷。正常成人軟骨細胞也會持續產生一定的MMP-13，但可迅速通過自噬內吞降解去除，維護軟骨細胞穩態。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的發展[12]。

2 自噬在骨關節炎中的作用及機制

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控通路和經典的抗凋亡通路[13]。在哺乳動物中，mTOR構成兩種不同的復合物 mTORC1和mTORC2，其中mTORC1是ULK1激酶的主要調控因子，抑制mTORC1可提高ULK1激酶的活性，啟動自噬。mTOR及其相關分子在軟骨細胞增殖、生長和凋亡的調控中起著關鍵作用，與OA發生變化存在關聯[14]。Yang等[15]研究發現，自噬在早期OA中被激活，而在晚期OA中被抑制；予以關節內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，結果發現經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節炎。 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模型的關節損傷，敲除SIRT3則反之，表明SIRT3是一種重要的抗OA因子。Li等[18]發現合適強度的運動可以調節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態，引發線粒體功能失常、氧化應激、自噬抑制和內質網應激延長等不良事件，最終導致關節軟骨變性、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，延緩關節OA進展[20]。近年來研究發現，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生[21]。Lin等[22]發現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]發現二甲雙胍能在OA模型小鼠的體內外增加AMPKa磷酸化水平，上調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節炎的潛力。

2.3 NF-κB信號通路

NF-κB是炎癥反應的重要介質和免疫調節的關鍵因素，調節多種炎癥和免疫反應的相關代謝變化，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]發現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]發現，土木香內酯可通過抑制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控RNA，參與基因表達的轉錄后調控，影響幾乎所有的疾病和發育過程[28]。近年研究發現多個miRNAs，如miR-140-5p、miR-140-3p、miR-146a等與OA的發生發展有關[29]。此外，Cai等[30]研究發現，miR-27a在OA軟骨和IL-1β處理的關節軟骨細胞中表達上調，miR-27a靶向PI3K基因的3′末端，可直接下調PI3K的表達，降低IL-1β處理的關節軟骨細胞的自噬，增加其凋亡，證實了miR-27a是機體正常細胞中PI3K/Akt/mTOR軸的調控因子，參與OA的發病機制。Li等[31]發現OA軟骨組織中miR-375表達上調，ATG2B表達下調，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，促進內質網應激，轉染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相關癥狀。Wu等[32]發現，髕下脂肪墊間充質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′-端非翻譯區結合，抑制mTOR信號通路，是髕下脂肪墊間充質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和損傷的細胞器維持細胞穩態，抑制軟骨細胞凋亡，減緩骨關節炎的發生與發展。在OA的發病機制中，自噬與活性氧、細胞衰老、凋亡等共同構成OA的調控網絡。自噬有mTOR、AMPK等多個調控靶點，盡管其在OA發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。