線粒體自噬在激素性股骨頭壞死發病中的作用及研究進展

張勇杰 曹林忠 萬超超 汪小敏 馬成祥 楊博 楊小瑞 胡康一 尚征亞

【摘 要】 近年研究發現，激素性股骨頭壞死的發生、發展受多機制共同調控，而線粒體自噬紊亂就是其中主要機制之一。線粒體自噬紊亂可導致骨髓間充質干細胞凋亡，成骨細胞骨形成減少，破骨細胞骨吸收增加，及骨內血管內皮修復受阻等，從而誘導激素性股骨頭壞死發生。從分子及細胞層面闡述線粒體自噬的相關機制及其對骨髓間充質干細胞、成骨細胞、破骨細胞與骨內血管內皮細胞的影響，以期為靶向調控線粒體自噬防治激素性股骨頭壞死提供新思路。

【關鍵詞】 激素性股骨頭壞死；線粒體自噬；糖皮質激素；機制；研究進展；綜述

長期或過量使用糖皮質激素是骨細胞代謝失衡、激素性股骨頭壞死（steroid-induced avascular necrosis of the femoral head，SANFH）發病的主要因素［1］。近年來，由于激素在臨床中大量使用，SANFH發病率越來越高，據報道美國每年新增

2萬～3萬例，中國每年新增近20萬例［2］。目前，SANFH治療預后較差，部分患者最終發展為股骨頭塌陷，不得不進行換髖治療；而年輕的SANFH患者不可避免進行二次甚至多次翻修，嚴重降低患者的生活質量，增加家庭負擔［3］。基于大量的動物實驗及臨床試驗，證實SANFH的發生、發展是多種機制共同作用的結果，線粒體自噬是其中主要機制之一。線粒體自噬可以通過影響骨髓間充質干細胞（BMSCs）、成骨細胞、破骨細胞與血管內皮細胞的功能及活性，進而影響SANFH的進

程［4］。因此，深入探討調控線粒體自噬機制及其對BMSCs、成骨細胞、破骨細胞和血管內皮細胞存活與功能的影響，對于防治SANFH尤為必要。

1 線粒體自噬概述與調控

1.1 線粒體自噬概述 自噬是細胞的自我保護機制，也是維持細胞穩態的重要機制，能夠清除降解受損的胞漿內容物，進行物質與能量的再循環，為細胞生存提供能量和適宜的環境［5］。線粒體自噬作為自噬的一種形式，具有清除細胞內衰老及損傷線粒體的作用，包括起始、延長、成熟和融合4個階段。線粒體受到應激后發出信號并形成雙層膜結構的吞噬小泡，吞噬小泡膜延伸聚合為吞噬小體后包裹損傷或衰老的線粒體并與溶酶體融合，經溶酶體內的水解酶降解后，釋放至胞質中參與物質代謝再循環。線粒體自噬作為線粒體質量控制的關鍵環節，是無法修復的受損線粒體走向細胞壞死或細胞凋亡前，維持細胞活性的最后一道防線。然而，不受控制的、過度的線粒體自噬會導致正常線粒體缺乏，三磷酸腺苷水平降低，影響細胞的正常生命活動。

1.2 線粒體自噬的調控 線粒體自噬是多信號通路、多機制共同調控的過程。研究發現，PINK1/Parkin通路是線粒體自噬的主要調控途徑，位于線粒體膜上的蛋白與脂質，如Nip3樣蛋白X（NIX）、Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3（BNIP3）、Fun14結構相關蛋白1（FUNDC1）、雙磷脂酰甘油等對線粒體自噬的調節也具有重要作用［6］。

1.2.1 PINK1/Parkin信號通路 PINK1/Parkin通路是調控線粒體自噬的關鍵通路，PINK1是靶向連接線粒體，具有感知受損線粒體功能的絲氨酸激酶，由N端線粒體靶向序列（MTS）、α-螺旋跨膜（TM）段與Ser/Thr激酶結構域構成。Parkin由N端泛素樣（UBL）結構域及RING0、RING1、IBR和RING2結構域構成。正常情況下，PINK1中MTS在外膜易位酶的幫助下，易位于線粒體中心基質，并被線粒體處理肽酶（MPP）切割，TM段被早衰蛋白關聯菱形樣蛋白酶（PARL）切割，線粒體膜外PINK1剩余部分分離至胞質進行降解。Parkin的UBL結構域負調控E3-泛素連接酶活性，使Parkin在細胞質中處于靜止狀態。若線粒體功能異常，活性氧水平增加，線粒體膜去極化，部分PINK1未能經MPP與PARL切割，形成同源二聚體并自磷酸化，促進Parkin大量轉位至線粒體外膜，其UBL結構域內的Ser 65激活Parkin，泛素化線粒體膜蛋白與吞噬體的微管相關蛋白輕鏈3（LC3）中LC3-Ⅱ結合，或與含有LC3-Ⅱ結構的p62聚集后與吞噬體結合，促進線粒體自噬［7-8］。

1.2.2 線粒體膜蛋白與線粒體自噬 BNIP3L/NIX是嵌于線粒體外膜上的蛋白，可通過BH3結構域與LC3結合，誘導線粒體自噬［9］。同時，NIX與Parkin依賴的線粒體自噬有關，BNIP3L/NIX可作為Parkin的底物被泛素化，募集LC3接頭蛋白NBR1，將線粒體靶向至吞噬體，介導線粒體自噬。LI等［10］發現，沉默BNIP3L/NIX時，細胞內線粒體吞噬小體數量顯著減少，線粒體數量增多，提示BNIP3L/NIX與線粒體自噬有關。LAMPERT等［11］通過觀察自噬受體在祖細胞中的表達，發現PRKN轉錄僅能夠在0.2%～0.4%的細胞中檢測到，表明在祖細胞內可能存在不依賴Parkin介導的線粒體自噬機制，并進一步證實敲除BNIP3L蛋白后受損線粒體形成增加，線粒體自噬受損，與LI等［10］結論一致。BNIP3作為線粒體膜上的特殊蛋白，在低氧誘導因子1（HIF-1）的調控下，其表達水平升高并通過二聚化形成同源二聚體與LC3反應，介導線粒體自噬。低氧或應激時，其LIR結構附近的Ser17位點與Ser24位點被磷酸化，導致BNIP3與LC3之間作用加強并進一步促進線粒體自噬［12］。此外，BNIP3可以抑制PINK1水解，促使PINK1在線粒體外膜上積累及Parkin線粒體聚集，進而調控線粒體自噬。LIN等［13］發現，通過HIF1A和BNIP3上調后，能夠促進細胞線粒體自噬。FUNDC1也是線粒體外膜蛋白，能夠與LC3結合觸發線粒體自噬。低氧條件時，磷酸甘油酸變位酶5使FUNDC1的Ser13發生去磷酸化，ULK1催化FUNDC1的Ser17磷酸化，促進線粒體自噬。LI等［14］發現，NLRX1的表達降低可促進FUNDC1磷酸化，使其無法與受損線粒體外膜上的自噬信號蛋白NIPSNAP1和NIPSNAP2結合啟動線粒體自噬。以上可見，通過調控線粒體膜蛋白可以有效調節線粒體自噬水平。

1.2.3 線粒體膜脂質與線粒體自噬 線粒體膜脂質也可以介導線粒體自噬的發生。雙磷脂酰甘油通常情況下位于線粒體內膜的脊褶皺處，若線粒體功能發生異常，雙磷脂酰甘油經核苷二磷酸激酶-D介導易位于線粒體外膜，易位后的雙磷脂酰甘油被識別后與位于吞噬小體上LC3的N-端螺旋結構結合，啟動線粒體自噬過程［15-16］。IRIONDO等［17］認為，雙磷脂酰甘油在線粒體自噬中具有重要作

用；并通過實驗發現，LC3A是LC3家族中與雙磷脂酰甘油結合并調控線粒體自噬的主要成員，在雙磷脂酰甘油氧化時，LC3A能夠識別線粒體外膜中氧化的雙磷脂酰甘油，調控線粒體自噬，使其不受凋亡機制的影響，防止凋亡的過度激活，而LC3B隨著氧化與雙磷脂酰甘油的相互作用能力降低。綜上，調控線粒體膜脂質也可作為調節線粒體自噬的重要途徑。

2 線粒體自噬對SANFH的影響

BMSCs、成骨細胞、破骨細胞和血管內皮細胞中線粒體自噬水平異常，引起BMSCs成骨-成脂分化紊亂、成骨細胞骨形成能力與破骨細胞骨吸收能力失衡，以及血管內皮細胞損傷，導致骨穩態破壞和股骨頭微循環障礙，是影響SANFH發病的重要因素。

2.1 線粒體自噬與BMSCs BMSCs是人體內具有成骨和成脂分化潛能的干細胞，其成骨-成脂分化失衡是影響SANFH發病及預后的重要因素。適度的線粒體自噬對于BMSCs的分化與存活意義重大。若線粒體自噬受阻，受損線粒體未能及時清除或線粒體自噬過度，正常線粒體大量降解，均會促使BMSCs衰老、凋亡。FENG等［18］發現，大鼠BMSCs中線粒體自噬增強后，能夠上調干細胞標志物Oct4及Sox2的表達，促進BMSCs的干性特征。張飛等［19］通過觀察p53和Parkin調節線粒體自噬對BMSCs凋亡及骨修復能力的影響，發現BMSCs/Parkin/Shp53組細胞中線粒體自噬能力顯著增強，細胞凋亡率和β-半乳糖甘酶陽性細胞比率最低；XACB/BMSCs/Parkin/Shp53組骨壞死區的新骨組織和骨鈣素水平最高，且12周后骨壞死區完全修復。結果表明，p53和Parkin可以通過調節線粒體自噬防止BMSCs凋亡和衰老，并提高BMSCs對SANFH的修復作用。FAN等［20］發現，BMSCs經H2O2刺激后線粒體自噬能力下降，BMSCs凋亡增加，而增強線粒體自噬能夠保護BMSCs免受氧化應激引起的凋亡。以上可見，線粒體自噬與BMSCs的存活密切相關；若線粒體自噬失常或過度，BMSCs凋亡增加，骨修復能力降低，進而參與SANFH的發生、發展。

2.2 線粒體自噬與成骨細胞 成骨細胞是具有骨形成功能的細胞，對于骨穩態的平衡具有重要意義，影響著SANFH的發病及預后。線粒體自噬對于成骨細胞的存活影響巨大，線粒體是產生活性氧的主要場所。若線粒體自噬失常，受損線粒體未能及時清除，則產生大量活性氧并蓄積于細胞質，進一步損傷線粒體釋放活性氧，形成惡性循環。活性氧可通過抑制PI3K/AKT信號通路與MAPK通路，激活JNK通路與核轉錄因子-κB通路，造成成骨細胞死亡或凋亡［21］。線粒體自噬過度與成骨細胞凋亡也存在密切關系，過度線粒體自噬導致成骨細胞內正常線粒體降解，細胞失去能量來源無法進行正常的生命活動，甚至凋亡。LEE等［22］發現，PINK1基因缺失的去卵巢小鼠成骨細胞中線粒體內穩態破壞，成骨細胞分化受抑制，小鼠骨骼骨量降低，且上調成骨細胞分化過程中PINK1的表達，堿性磷酸酶、骨唾液酸蛋白、骨橋蛋白和骨鈣蛋白等成骨標志物的表達隨之增加。然而，ZHAO等［23］實驗發現，Parkin敲除后，LC3B表達下調，p62表達上調，骨保護素、骨鈣素、Runx-2和堿性磷酸酶等成骨相關標志物水平下降，認為抑制PINK1/Parkin介導的線粒體自噬，能夠增強成骨細胞骨形成能力，線粒體自噬與成骨細胞骨形成呈負相關。總之，線粒體自噬具有雙重作用，線粒體自噬過度或不足均會影響成骨細胞骨形成能力，調控線粒體自噬使其處于動態平衡狀態對維持骨穩態、防治SANFH意義重大。

2.3 線粒體自噬與破骨細胞 破骨細胞是人體內唯一具有骨吸收功能的細胞，在骨的修復與重建中發揮著重要作用，與SANFH發生、發展密切相關。雖然線粒體自噬與破骨細胞之間的作用機制尚未十分明確，但大量研究已經證實破骨細胞增殖分化與線粒體自噬存在密切關系，線粒體自噬激活一方面能夠增強破骨細胞骨吸收能力，一方面可以影響破骨細胞存活。ZHENG等［24］證實，線粒體自噬在破骨細胞骨吸收及存活過程中發揮著重要作用，破骨細胞骨吸收及降解過程中會釋放溶酶體，激活骨吸收蛋白的表達而降解骨質，并誘導自噬標志蛋白LC3定位于破骨細胞褶皺邊緣，促進破骨細胞發生自噬性死亡。祝震亞等［25］發現，骨質疏松大鼠骨量丟失增加，破骨細胞存活率升高，而破骨細胞中線粒體自噬形成的溶酶體及吞噬體增多，PINK1/Parkin信號通路激活，認為線粒體自噬激活可導致大鼠破骨細胞存活數量增加。AOKI等［26］發現，給予小鼠自噬抑制劑氯喹二磷酸7 d后，小鼠血清中抗酒石酸酸性磷酸酶-5b活性降低，結果表明，通過抑制線粒體自噬可以有效地降低破骨細胞骨吸收能力。以上可見，調控破骨細胞內線粒體自噬是抑制破骨細胞骨吸收活性及存活的潛在機制，也是防治SANFH的重要途徑。

2.4 線粒體自噬與血管內皮細胞 血管內皮細胞損傷是影響SANFH發病的重要因素，血管內皮損傷后會引起血栓形成及血液外滲，升高骨內壓，導致股骨頭發生缺血性壞死。細胞內線粒體功能障礙，三磷酸腺苷生成減少，活性氧水平上升是血管內皮損傷的重要原因［27］。通過激活PINK1/Parkin信號通路，過表達FUNDC1等相關蛋白，調控線粒體自噬可以促進血管內皮細胞修復。ZHENG等［28］發現，氧化低密度脂蛋白能降低血管內皮細胞線粒體膜電位，升高細胞內活性氧水平，導致線粒體通透性過渡孔開放，線粒體自噬功能受損，通過過表達Opa1促進線粒體自噬能恢復內皮細胞活力并減少細胞凋亡。XI等［29］發現，經燈盞花素處理后內皮細胞活性增加，細胞內PINK1、Parkin、LC3Ⅱ和自噬相關基因5表達上調，p62表達下調，表明通過應用燈盞花素上調PINK1/Parkin信號通路，促進線粒體自噬，可以保護血管內皮細胞。ZHU等［30］發現，線粒體自噬受阻，受損線粒體積累是血管內皮損傷的重要原因。通過上調PINK1/Parkin通路介導的線粒體自噬，減少線粒體活性氧的產生，可以有效避免血管內皮細胞凋亡，與XI等［29］研究結果一致。綜上，血管內皮損傷是SANFH的病理改變之一，影響SANFH的發生、發展進程，通過調控線粒體自噬可以促進受損血管內皮的修復，避免血栓形成及血液外滲，防止股骨頭發生缺血性壞死。

3 小結與展望

線粒體自噬是受損線粒體經融合、蛋白折疊等過程仍無法修復時，維持細胞活性的最后一道防線。線粒體自噬調控機制異常復雜，除經典的PINK1/Parkin信號通路介導外，還受線粒體膜蛋白及脂質，如NIX、BNIP3、FUNDC1及雙磷脂酰甘油等物質的調控。隨著對線粒體自噬研究的不斷深入，發現線粒體自噬與SANFH的發生、發展密切相關。線粒體自噬異常可以影響BMSCs、成骨細胞、破骨細胞及血管內皮細胞的功能與活性，導致骨代謝失衡和骨內微循環障礙，進而影響SANFH的發病及預后。本文對線粒體自噬的相關機制及其對BMSCs、成骨細胞、破骨細胞和血管內皮細胞存活與功能的影響進行闡述、總結，為防治SANFH提供新的思路。

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收稿日期：2023-05-24；修回日期：2023-06-29