鐵死亡和自噬在骨關節炎發病機制中作用的研究進展

龔梓恒，邱波

武漢大學人民醫院骨科，武漢430060

骨關節炎（OA）是中老年人常見的一種退行性關節疾病，典型臨床表現為關節疼痛、腫脹和活動受限等，主要病理改變為關節軟骨退行性病變、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致OA發生、發展的重要原因［1］。目前，臨床尚無有效方法來阻止、減緩或逆轉OA進程，晚期通常采取人工關節置換治療。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過氧化物過度累積［2］。鐵死亡與諸多生物過程密切相關，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的發生、發展密切相關。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，負責將受損的細胞器、錯誤折疊的蛋白及其他大分子物質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環境穩態的維持具有至關重要的作用。最近研究表明，自噬在OA病程中被不同程度地觸發，提示自噬可能參與OA的發生、發展。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。本文結合文獻就鐵死亡和自噬在OA發病機制中作用的研究進展作一綜述。

1 鐵死亡與OA的關系

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，如血紅蛋白合成、電子傳遞和細胞呼吸等［5］。因此，維持機體內鐵穩態對細胞正常的生命活動至關重要。研究證實，鐵代謝紊亂與OA的發病機制密切相關。MIAO等［6］研究報道，軟骨細胞鐵死亡可加速OA進展，鐵過載小鼠表現出更多的軟骨細胞破壞。LV等［7］研究發現，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節軟骨損傷程度呈正相關關系。這些研究表明，體內異常的鐵蓄積可能導致細胞凋亡和軟骨破壞，從而促進了OA的發生、發展。

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過氧化物過度累積［2］。鐵死亡本質是谷胱甘肽的耗竭，導致谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）活性下降，無法催化脂質氧化物的還原代謝反應，進而促使鐵離子通過芬頓反應啟動脂質過氧化，產生活性氧（ROS），最終導致線粒體損傷，觸發鐵死亡。LIANG等［8］研究認為，胱氨酸/谷氨酸逆轉運體能夠將細胞內的谷氨酸轉運至細胞外，并將細胞外的胱氨酸轉運至細胞內，再轉化為半胱氨酸，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。循環鐵以Fe3+形式與轉鐵蛋白結合，多余的鐵以穩定的形式被儲存到鐵蛋白中而不參與ROS生成反應。因此，控制鐵含量或鐵代謝是預防鐵死亡的重要手段。HASSANNIA等［10］研究發現，鐵代謝中的多個蛋白質可參與鐵死亡的調節。其中，鐵反應元件結合蛋白能夠促進鐵死亡發生，而磷酸化酶激酶γ2和CDGSH鐵硫結構域1則抑制鐵死亡的發生。此外，熱休克蛋白27通過磷酸化阻斷細胞骨架介導的鐵吸收，減少脂質ROS產生，從而誘導鐵死亡抗性。Egl九同源物1則可上調淋巴特異性解旋酶（LSH）表達，LSH通過影響下游代謝相關基因（如SCD1、GLUT1、FADS2）來抑制脂質ROS產生，從而抑制鐵死亡發生。這些研究提示，鐵代謝及其相關的信號分子或蛋白對鐵死亡具有調節作用。

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和未受損軟骨的關系，發現鐵死亡與OA密切相關，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GPX4表達可增加軟骨細胞對氧化應激的敏感性，并通過MAPK/NF-κB信號通路加劇細胞外基質降解。這表明鐵死亡能夠介導OA的發生，并且GPX4是調控OA進展的關鍵蛋白。GUO等［11］研究發現，IL-1β能夠增加ROS、脂質ROS和脂質過氧化產物丙二醛（MDA）水平，改變軟骨細胞中鐵死亡相關蛋白的表達。經典的鐵死亡抑制劑Fer-1可抑制IL-1β誘導的Ⅱ型膠原蛋白表達減少和基質金屬蛋白酶13表達增加，減輕IL-1β和鐵死亡誘導劑誘導的軟骨細胞毒性，消除ROS、脂質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相關因子2（Nrf2）抗氧化系統激活。這表明在炎癥條件下軟骨細胞會發生鐵死亡，而抑制軟骨細胞鐵死亡可減輕軟骨細胞破壞。因此，關節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］研究發現，蝦青素可通過抑制鐵死亡和調節軟骨細胞線粒體功能來延緩OA進展。在大鼠關節內注射Fer-1和蝦青素可延緩關節軟骨退化和OA進展。抗氧化劑也可通過抑制鐵死亡來緩解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］研究發現，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則可通過調節鐵水平和Nrf2/System Xc-/GPX4軸來預防鐵過載相關的膝關節OA。此外，GONG等［15］研究發現，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MMPs表達。總之，通過干預鐵死亡和調節相關的信號通路，有可能成為治療OA的有效策略。

2 自噬與OA的關系

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

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是啟動自噬的關鍵激酶。自噬起始階段包括誘導自噬和形成自噬膜，而自噬膜形成需要自噬前體形成。Beclin1-Vps34復合體是哺乳動物自噬的核心復合物［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則是一個負調節因子，參與調控自噬體功能。自噬誘導后，在ATG14-Vps15-mVps34復合物作用下啟動膜泡成核反應，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蛋白可誘導鑲嵌LC3的自噬體到溶酶體，將其吞噬并清除，而p62與底物結合后會被蛋白水解酶降解［18］。細胞內的微管骨架參與將自噬體運輸到溶酶體的過程，而這個過程需要Rab7、UVRAG等因子參與。MIZUSHIMA等［19］研究發現，Rab7通過與膜泡表面的脂質尾部作用進行定位，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反應，這有助于維持吞噬體的擴展。自噬效應的發生取決于自噬體形成、自噬體與溶酶體融合、后續內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 自噬在細胞內是一種常見的自我保護機制，可幫助細胞在營養匱乏、應激等不利條件下存活。研究表明，自噬與OA的發生、發展密切相關［21］。MUSUMECI等［22］認為，盡管自噬不是一種細胞死亡方式，但其對維持軟骨穩態非常重要。細胞凋亡是一種重要的生理過程，在發育和組織穩態中起著至關重要的作用［23］。自噬能夠參與細胞內生化反應的正向調節，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的發生、發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，自噬誘導劑ULK1、自噬調節劑Beclin1以及微管相關蛋白LC3等調節因子減少甚至丟失。執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大鼠關節軟骨細胞自噬的關系，結果發現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大鼠關節軟骨細胞自噬，減輕炎癥反應。YAN等［14］研究發現，METTL3介導的ATG7 m6A修飾可調節自噬-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；關節內注射靶向滑膜的METTL3 siRNA可抑制關節軟骨細胞衰老，并改善DMM誘導的軟骨破壞。這為OA治療提供了一種潛在的策略。XU等［21］研究發現，SIRT3可通過PI3K/Akt/mTOR信號通路調節軟骨細胞自噬，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中亦發揮重要作用［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鍵性作用。有研究發現，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時間至關重要。此外，P2X7及其下游信號分子也可能成為OA治療的潛在靶點。關節疼痛是OA最主要和最突出的癥狀。NA等［26］研究發現，二甲雙胍通過調節疼痛介質和自噬-溶酶體途徑，減輕碘乙酸鈉誘導的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，調節炎癥反應并誘導自噬體-溶酶體融合表型。LIN等［27］研究發現，JUNB-FBXO21-ERK軸能夠通過抑制自噬而促進OA軟骨退化。結果提示，JUNB-FBXO21-ERK軸通過抑制自噬來調節OA軟骨細胞凋亡和基質代謝，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，自噬在驅動細胞走向鐵死亡方面發揮著重要作用，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的自噬（CMA）。適量自噬已經演變成一種促進生存的反應，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］研究發現，鐵蛋白降解是一個鐵儲存蛋白的自噬過程，依此調節細胞內鐵水平。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合4 500個鐵原子。NCOA4是介導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律振蕩系統，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錄-翻譯的負反饋回路，其中ARNTL和時鐘晝夜節律調節器是驅動生物鐘的核心因子，通過結合啟動子中的E-box基序來調節許多基因的表達。最近發現時鐘自噬是一種選擇性自噬方式，在由Ⅱ型鐵死亡誘導劑（如RSL3、FIN56）誘導的鐵死亡期間降解ARNTL。值得注意的是，HIF-1α水平受到egl-9家族缺氧誘導因子2（EGLN2/PHD1）調節，而EGLN2/PHD1是RSL3誘導的鐵死亡中的一個ARNTL靶基因。除HIF-1α外，內皮PAS結構域蛋白1（EPAS1/HIF2A）在OA中也可調節鐵死亡過程。這些發現表明，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系。

3.3 CMA ZHU等［30］研究發現，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，負責識別胞質蛋白中的KFERQ樣基序，進而參與CMA過程。CMA對GPX4蛋白的降解是一種響應各種鐵死亡激活劑的普遍事件。HSPA5是一種內質網應激相關的分子伴侶，可限制Erastin誘導的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誘導的GPX4降解。HSP90可增加CMA受體溶酶體相關膜蛋白2A的穩定性，進而在鐵死亡過程中增強GPX4的降解。這些發現有助于深入探究鐵死亡過程中GPX4的穩定性。

綜上所述，鐵死亡和自噬在腫瘤和心血管、神經系統疾病等方面已得到廣泛關注，其在骨科領域的研究比較有限。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。