線粒體動力學與骨相關疾病關系的研究進展

周敏 張曦丹 孫吉宇 李晨 甘雪琦

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫學研究中心 四川大學華西口腔醫院住院醫師規范化培訓基地(口腔修復基地)，四川 成都 610041

線粒體是細胞內的一種形態微小而高度動態的細胞器，它由線粒體外膜、線粒體膜間間隙、線粒體內膜和線粒體基質組成。線粒體通過增殖和系統合成維持細胞的生命活動，線粒體還參與細胞信息傳遞、Ca2+穩態、細胞周期調節和活性氧(reactive oxygen species，ROS)產生等一系列作用[1]。線粒體生物發生、分裂、融合和線粒體自噬的過程統稱為線粒體動力學(mitochondrial dynamics)[2]。線粒體動力學通過調控線粒體形態和重構線粒體網絡，使線粒體的質和量發生改變，以便其能夠快速響應細胞的能量需求[3]，線粒體動力學失衡會導致線粒體數量、形態和功能異常，從而影響細胞功能。近年來，越來越多的研究聚焦于線粒體動力學與骨相關疾病的關系上，如骨修復、骨質疏松和骨關節炎等，因此了解線粒體動力學在骨相關疾病中扮演的角色具有重要意義，故本文擬就線粒體動力學與骨相關疾病的關系研究進展進行綜述。

1 線粒體動力學的分子學基礎

線粒體生物發生是指原有的線粒體分裂產生新生線粒體的過程，由線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)與核基因組協調完成，目前研究較多的分子有Nrf1/2、PGC1α和TFAM等[4-5]。線粒體的質量通過生物發生以及動態融合和分裂的事件來維持，而受損的線粒體則通過分裂和線粒體自噬被分離并清除[6-7]。與線粒體融合相關的主要是線粒體融合蛋白1(MFN1)、線粒體融合蛋白2(MFN2)和視神經萎縮蛋白1(OPA1)3種蛋白；與分裂相關的主要是動力相關蛋白1(Drp1)、線粒體裂變蛋白1(Fis1)和線粒體分裂因子(MFF)[2,8]。當線粒體膜電位(ΔΨm)崩潰后，則通過線粒體的靶向自噬，即線粒體自噬清除受損的線粒體[9]，線粒體自噬主要受PINK1/Parkin 通路調節，Parkin可以降解線粒體蛋白，包括參與融合的MFN1/2和參與裂變的Drp1[10-11]，線粒體自噬是線粒體動力學相關的另一個關鍵過程[12]。

2 線粒體動力學與骨相關疾病

2.1 線粒體動力學與骨損傷修復

許多研究聚焦于線粒體動力學的改變對骨損傷和骨修復的影響。Fan等[13]通過miR-181c處理骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)，發現其可以提高細胞中AMPK與MFN1的水平，從而增強線粒體融合，減少細胞氧化應激的損傷，促進顱面缺損重建。相對應的線粒體分裂調控方面，成體干細胞的標志物Lgr5的過表達可以通過Wnt/ERK信號通路抑制Drp1表達，從而減少BMSCs的線粒體分裂，促進其成骨和骨折愈合[14]。促炎因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)能增加成骨細胞的Drp1表達量1.4倍，使線粒體呈泡狀和碎片化，破壞了線粒體功能，導致成骨功能障礙[15]。從融合或者分裂的單一維度來講，促進線粒體融合可以使細胞快速響應成骨分化過程中能量和物質的需求，有利于骨修復，反之則不然。

在口腔顱頜面骨損傷修復領域，特別是牙周炎狀態下的牙槽骨修復，線粒體動力學的研究得到諸多關注。褪黑素(melatonin，MT)作為抗氧化劑和自由基清除劑[16]，可以通過減少BMSCs線粒體的過度分裂以改善線粒體動力學失衡，減少鎘暴露狀態下大鼠顱骨缺損的不良骨愈合[17]。在牙周炎的牙槽骨丟失機制方面，氯化鈷(CoCl2)可以促進人牙周膜干細胞(hPDLSCs)的Drp1表達，促進線粒體分裂，從而誘導其分裂凋亡[18]，引起牙槽骨的丟失。另一項研究也證實，SIRT3缺乏可通過促進線粒體分裂加重小鼠牙周炎和牙槽骨丟失[19]。基于此，Zhai等[20]合成了一種納米修復劑，通過調節Ca2+進入線粒體增加炎癥下hPDLSCs的線粒體面積和周長，即促進細胞線粒體融合來對抗線粒體動力學失衡，減少SD大鼠牙槽骨丟失。由此可見，引起線粒體動力學改變將影響相關細胞成骨能力，進而影響骨修復。

2.2 線粒體動力學與骨質疏松癥

骨質疏松癥作為一種代謝性骨病，其主要原因是骨重塑的不平衡，即成骨細胞與破骨細胞平衡被打破[21]，線粒體動力學在其中發揮重要作用。

線粒體生物發生方面，線粒體酶Mtu1缺乏導致小鼠BMSCs線粒體tRNA的2-硫代尿苷修飾效率降低，進而損害mtDNA的翻譯，導致線粒體動力學的失衡，小鼠發生骨質疏松[22]。在線粒體融合與分裂方面，許多研究闡釋了骨質疏松癥發生發展過程中線粒體動力學發揮的重要作用。如作為可以引起骨質疏松的糖皮質激素，地塞米松被證實可引起BMSCs線粒體動力學紊亂，導致線粒體分裂增加，融合減少，使其成骨分化被抑制[23]。Wang等[24]、Zhu等[25]關注了SOD1G93A基因，發現該基因過表達可以增強骨細胞Drp1表達，降低OPA1表達，意味著該基因過表達促進線粒體分裂，最終使骨質丟失，引起骨質疏松。另一項研究聚焦于糖酵解的關鍵蛋白PKM2，C3k通過抑制PKM2的表達促進線粒體的融合，從而顯著促進BMSCs的成骨分化，體內實驗表明C3k顯著減輕去卵巢(OVX)大鼠股骨的骨質丟失，證實PKM2是通過線粒體動力學來干預骨質疏松癥治療的靶點[26]。可見，骨質疏松癥與相關細胞線粒體的異常分裂聯系緊密，逆轉這種線粒體動力學異常趨勢可能是未來研究的關鍵。

線粒體自噬作為線粒體動力學的重要組成部分，對線粒體質量控制至關重要。PINK1可觸發線粒體選擇性自噬并參與線粒體再生[27-28]。Lee等[29]以去卵巢小鼠作為骨質疏松模型，發現PINK1敲除使線粒體動力學相關蛋白表達量降低，線粒體碎片化增加，MicroCT的分析證實PINK1的基因敲除加劇了去卵巢小鼠的骨量丟失。同樣，免疫組化染色顯示PINK1在骨質疏松患者骨骼中的表達降低，這進一步支持了PINK1在人類骨質疏松癥中的實際作用。這些研究為厘清線粒體動力學與成骨分化調控的分子機制提供了新的線索。

破骨細胞中的線粒體動力學同樣影響骨質疏松癥的發生發展。谷胱甘肽(GSH)是最重要的細胞內ROS清除劑之一，GSH可以通過抑制CREB信號通路來降低OVX小鼠的OCs的線粒體發生，減少OCs的分化，從而改善骨質疏松狀況[30]。還有實驗[31]發現，MFN2介導的線粒體融合對于破骨細胞(OCs)生成至關重要，靶向敲除OCs的MFN2可以使老齡雌性小鼠(12月齡)骨分析參數相較于對照組明顯提升，年齡相關的骨質疏松得到改善。這些研究提示通過靶向抑制破骨細胞形成過程中的線粒體動力學可以減少骨吸收，為骨質疏松的藥物干預提供了新視角。

2.3 線粒體動力學與骨關節炎

骨關節炎(osteoarthritis，OA)是最常見的關節疾病之一，其特征是軟骨、骨和周圍組織的一系列病理變化，最終導致關節功能障礙，是成年人關節活動受限的最常見原因[32]。線粒體結構完整被認為是軟骨細胞正常生存的先決條件，軟骨相關疾病如OA中也發現了線粒體功能的缺陷[33]，因而研究線粒體動力學與OA的關系逐漸受到關注。OA的發生發展與氧化應激和衰老軟骨細胞(SnCs)的積累有關，內皮素-1(ET-1)過表達導致SnCs數量增加，細胞內的線粒體分裂增加[34]，而MFN2表達增加的衰老和OA軟骨細胞中有過度融合的現象[11]，這一線粒體動力學的解偶聯現象可以導致軟骨損傷。另一項研究中，成纖維細胞生長因子18(FGF18)通過PI3K-AKT信號通路同步增強線粒體融合和分裂，恢復線粒體功能和形態，減少ROS產生，促進軟骨細胞增殖和遷移，從而發揮抗骨關節炎的作用[35]。

軟骨細胞中，線粒體自噬的失調也加速了OA的發展[36-37]。在炎癥應激下的軟骨細胞中，鳶尾素(Irisin)可以增加線粒體的融合而減少線粒體分裂，并且增加線粒體自噬來清除受損的線粒體，以增加炎癥狀態下軟骨細胞存活率[38]。Kang等[39]以Parkin介導的線粒體自噬防止氧化應激下終板軟骨細胞的ROS過度產生、線粒體損傷和凋亡。除了提高線粒體自噬外，適度的機械應力通過增強 MFN1/2和OPA1的表達以及Drp1從細胞質到線粒體的易位來促進線粒體動力學[37]，可以改善軟骨細胞在OA下的不利凋亡。

單獨使線粒體分裂或者融合增加，這種線粒體動力學解偶聯現象可促進OA的發生發展，由此可見，整體加強線粒體動力學循環可能是抗OA的有效途徑之一。

2.4 線粒體動力學與骨肉瘤

骨肉瘤(osteosarcoma，OS)是兒童和青少年中最常見的骨惡性腫瘤，死亡率相對較高[40]。加速線粒體分裂促進OS細胞凋亡，最近許多研究探索了線粒體動力學在OS中的作用。

在線粒體生物發生方面，OS細胞線粒體生物發生比例更高，其更依賴線粒體的功能，對藥物敏感度更高。鑒于此，Chen等[41]研究發現，替加環素可以降低線粒體生物發生從而抑制OS細胞的功能，但對正常細胞線粒體功能影響不大。類似的還有MT也能降低OS細胞的線粒體生物發生相關蛋白表達，從而抑制OS細胞的功能[42]，證明線粒體生物發生是OS治療靶點之一。還有部分研究關注如何利用線粒體動力學的失衡來誘導OS細胞的凋亡。如作為抗癌藥物，2-ME作用OS細胞8 h即可檢測到Drp1表達增加，激活了線粒體的分裂并導致下游的內源性凋亡，有效地抑制了OS細胞的生長，其抑制劑Mdivi-1則可以逆轉該效應[43]。這與Yen等[44]的研究結論一致，通過Drp1介導的線粒體動力學失衡來觸發OS的內源性凋亡是未來研究方向之一。

總之，除去大量研究聚焦于線粒體ROS對線粒體相關的細胞內源性凋亡的研究之外，與線粒體動力學相關的研究正在逐步興起，為OS的病理學研究和藥物治療提供了新方向。

2.5 線粒體動力學與其他骨病

某些代謝內分泌疾病如糖尿病、皮質醇增多癥性骨病和甲狀腺疾病引起的骨關節病等，線粒體動力學在疾病發生發展過程中發揮了重要作用。

以糖尿病為例，高葡萄糖會降低前成骨細胞的遷移潛力和趨化性，這種遷移減少是由于Dyn-2定位異常和Drp1水平降低導致線粒體生物發生減少[45]，使得成骨細胞定向移動能力降低，糖尿病患者的成骨能力減弱。此外，高糖環境可導致BMSCs的線粒體分裂增加，動力學失衡使線粒體功能紊亂，不利于成骨[46]。在糖尿病口腔種植術后，植入物周圍形成高血糖的微環境引起的線粒體功能障礙，會導致一系列并發癥甚至種植失敗。針對這一情況，Wang等[47]設計了一種新型鋅-鍶種植體材料，其機制之一就是通過下調Drp1表達來改善線粒體動力學失衡，增強了高糖狀態下成骨細胞的成骨能力，使之具有優異的修復高血糖所致線粒體動態失衡和功能障礙的性能。此外，線粒體動力學還在多系統蛋白病[48]和類風濕性關節炎[49]等骨病中也扮演重要角色。

3 總結與展望

異常的線粒體動力學導致細胞的代謝重編程、功能障礙和內源性凋亡。越來越多的文獻表明，多種骨相關疾病中都觀察到了線粒體動力學的失衡。線粒體生物發生為細胞提供了新生線粒體以補充受損的線粒體，而受損的線粒體則通過線粒體自噬來清除，并為線粒體生物發生提高原料；線粒體的融合與分裂相關的蛋白則相互動態配合，為骨相關細胞不同的生命活動提供能量和信號支持。也正是這種動態平衡的打破，即線粒體動力學的失衡導致了骨修復、骨質疏松、骨關節炎和骨肉瘤等疾病的發生發展。

線粒體動力學是治療骨相關疾病的關鍵靶點，靶向線粒體動力學為臨床開發骨相關疾病治療的新療法奠定了基礎。針對線粒體動力學的研究不應只關注于藥物對其中某一個環節的作用，而是統籌“平衡”這個概念，在實際應用中避免向某一個環節過分傾斜。深入探究線粒體動力學與骨相關疾病的關系，將會有助于開發新的治療藥物與方式，為患者提供安全有效的治療手段。