mTOR信号通路及其调控的细胞自噬在骨关节炎发病、治疗中作用的研究进展

王梦婷，王雨轩，方樑，张馨元，曾彦绮，周学平

(南京中医药大学，南京210046)

骨关节炎(OA)是最常见的风湿性疾病之一，以关节慢性退行性病变为主,最终可导致关节的慢性疼痛、屈伸不利和功能障碍。软骨细胞作为关节软骨组织中惟一存在的细胞种类，它可以通过维持细胞外基质(ECM)的合成和酶降解之间的动态平衡，从而对关节软骨的结构改变做出应答。自噬作为清除功能障碍性细胞器和大分子的重要细胞稳态机制，在分解代谢和营养应激的情况下增加。在OA软骨退行性病变的初期，软骨细胞中的自噬被激活，保护软骨细胞以应对各种环境变化(如机械压力等)。而随着软骨退变，自噬程度降低，细胞对外界环境的适应能力显著下降，细胞发生损伤，最终导致细胞死亡。多种蛋白激酶和信号通路参与了自噬及其相关过程，其中哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一个重要的自噬抑制蛋白[1]。mTOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，mTOR介导的信号通路与正常软骨的生长发育以及OA的发病、治疗等过程密切相关。现就mTOR信号通路及其调控的细胞自噬在OA发病中的重要作用及其作为潜在治疗靶点的研究进展综述如下。

1 mTOR信号通路及其调控的细胞自噬在OA发病中的作用

近年来，各种研究已经证实了mTOR信号在软骨细胞代谢、关节软骨稳态和OA病理生理学中的关键作用。自噬参与关节软骨退化的过程，软骨细胞自噬的失调可能导致OA的发生。OA中晚期自噬的抑制加速了OA的进程，而激活自噬可以减缓OA的进展。mTOR是自噬的主要负性调节因子，软骨细胞的自噬可通过抑制PI3K/AKT/mTOR通路而被激活[2]。

1.1 mTOR信号通路与自噬在OA软骨保护中的作用机制 Roach等[3]研究发现， Unc-51样激酶1(ULK1)/丝裂原活化蛋白激酶(AMPK)和mTOR信号通路之间的相互作用是自噬调节中的关键步骤，ULK1是上游自噬诱导物。在正常情况下，营养或生长因子的刺激使mTORC1呈高活性状态，可以对ULK1复合物进行负调节，阻止ULK1的活化并破坏ULK1和AMPK之间的相互作用，进而造成自噬的抑制。然而，在葡萄糖饥饿的条件下，AMPK通过直接激活ULK1促进自噬[4～6]。因此，在OA病变初期，软骨细胞中自噬相关蛋白LC3和自噬调节物Beclin-1信使RNA(mRNA)表达增加，自噬增强，保护软骨细胞以应对OA病变早期营养缺乏的环境。然而，在OA病变中后期自噬则表现为抑制。对于这种现象，研究者普遍认为短时间内自噬的增强是对细胞应激的代偿性反应，但当过长的应激反应超过该机制的代偿能力时，细胞发生损伤，不足以激活自噬；而过低的自噬水平会导致软骨细胞中氧自由基过度产生和异常的基因表达，从而损伤细胞。随着软骨细胞死亡增加，再生能力受限，细胞数量减少；软骨细胞的合成代谢活动不足以对抗分解代谢活动，软骨细胞的稳态失衡，进一步引起软骨的退化，最终导致OA的不断进展[7～9]。

此外，Zhang等[10]的研究显示，mTOR特异性缺失的软骨自噬信号传导增加，并且对内侧半月板失稳术(DMM)诱发的不稳定性OA有着显著的保护作用，这种保护作用与关节软骨基质降解、细胞凋亡和滑膜纤维化程度的显著降低有关。研究发现，在mTOR特异性基因敲除的小鼠软骨中，自噬信号的显著增加，抑制了关节软骨的退变并降低了细胞凋亡的程度[1]。可见，自噬对软骨细胞有着显著的保护作用，自噬的激活可以延缓OA的进程。而mTORC1的抑制剂可以通过增强自噬来预防软骨细胞和基质损伤[11]。因此，通过抑制mTOR通路，激活自噬信号，可以显著减轻OA软骨损伤。

1.2 mTOR信号通路与自噬在OA炎症反应中的作用机制 过度的分解代谢活动导致OA进一步加重，这主要是由炎性细胞和炎症介质介导[12]。随着OA的进展，基质金属蛋白酶(MMPs)、聚蛋白多糖酶(ADAMTS)、白介素1β(IL-1β)等因子对软骨细胞造成损害，导致软骨细胞死亡[13～15]。Liu-Bryan 等[16]研究发现，自噬对炎症具有显著的抑制作用，并影响炎性疾病的病理进展。自噬可以通过消除活动期炎症细胞来抑制炎症反应，阻断自噬能增强炎症细胞活性，而刺激自噬则有相反的作用。Xue等[2]在研究中还发现，炎症可以抑制大鼠软骨细胞增殖分化，降低自噬率。

通过抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路可促进关节软骨细胞的自噬，从而减轻大鼠OA的炎症反应[2]。Caramés等[17]研究发现，通过雷帕霉素抑制mTOR信号传导所导致的自噬增加，与关节软骨中ADAMTS-5和IL-1β表达的降低相关。此外，Kapoor等[18]研究也表明，雷帕霉素诱导的自噬的增加，降低了由IL-1β(OA中主要促炎细胞因子)诱导的MMP-13和ADAMTS-5表达。因此，通过药物和特异性基因敲除等手段抑制mTOR，激活自噬，可以降低相关炎症因子的表达，从而缓解OA的炎症反应，进一步降低分解代谢活动[1, 17]。此外，Tchetina 等[19]的研究也指出，OA患者外周血单核细胞中mTOR表达的增加与患者同时患有滑膜炎相关的疾病有关。在mTOR特异性基因敲除的小鼠软骨中，自噬信号的增加降低了滑膜纤维化的程度，一定程度上延缓了OA的进程[1]。

1.3 mTOR信号通路与自噬在OA氧化损伤(线粒体变性)中的作用机制 在OA发病过程中，机体氧化系统和抗氧化系统失衡，活性氧自由基(ROS)和活性氮自由基(RNS)生成过多，破坏软骨细胞DNA，改变能量代谢，最终加快软骨细胞凋亡进程[20～22]。其中，与年龄相关的线粒体变性是引起氧化损伤的主要诱发因素之一[23]。线粒体可以减少ROS对细胞的毒性损伤作用，其提供的能量可以帮助软骨细胞维持稳态，从而更好地维持软骨组织的稳定[8]。因此，线粒体的变性和丢失与软骨细胞衰老和死亡紧密相关。López de Figueroa等[24]研究表明，自噬是维持关节软骨细胞线粒体功能的关键机制。自噬的缺失和线粒体功能障碍，是与衰老相关的软骨退化的特征性表现。

线粒体呼吸链氧化营养物质以产生能量分子ATP。氧化磷酸化过程中ROS的异常产生可能会造成细胞损伤，最终可能导致细胞死亡[25]。López de Figueroa等[24]发现，使用线粒体呼吸链复合物V抑制剂寡霉素诱导人软骨细胞线粒体功能障碍，可以使软骨细胞基础自噬水平降低，说明线粒体呼吸链功能的部分抑制足以破坏细胞自噬。此外，研究发现，24 h内早期激活自噬以应对线粒体功能障碍，在之后的48 h内损伤明显减少[14]。为了进一步确定自噬的激活是否能够保护细胞免受线粒体功能障碍的损伤，López de Figueroa等[24]还评估了寡霉素在mTOR信号传导中的作用；结果发现，寡霉素在人类软骨细胞中以AKT/mTOR依赖性方式降低自噬，这可能导致软骨细胞数量减少并部分解释了OA中软骨降解的原因。因此，mTOR的药理学干预可能会通过激活自噬，保护软骨细胞而阻止软骨退化。这一发现为与衰老相关的肌肉骨骼疾病(如OA)提供了新的治疗策略[24]。

2 mTOR信号通路作为靶点调控的细胞自噬在OA治疗中的潜在作用

近几十年来的临床前研究显示，在使用mTOR抑制剂或特异性敲除mTOR基因的动物模型中，OA的严重程度显著降低，使mTOR作为OA的治疗靶点而被广泛研究。通过mTOR调节软骨细胞凋亡从而治疗OA是具有前景的。然而，mTOR信号通路作为治疗靶点的意义仍不止于此。随着研究的不断深入，研究者发现通过药物抑制mTOR通路从而增强自噬，在软骨退化过程中可以起到软骨保护作用，这使得OA的临床症状得到显著改善。因此，通过mTOR信号通路调节自噬可作为OA潜在的治疗靶点[11, 26]。

mTOR信号通路的抑制剂雷帕霉素已经作为抗癌、免疫抑制的有效方法而受到广泛关注。研究发现，雷帕霉素可以在很多细胞类型中诱导自噬。研究者在体外和小鼠模型上测试了雷帕霉素的软骨保护作用，观察到软骨退行性病变的严重程度显著降低，滑膜炎也随之减轻，软骨细胞完整性得以维持，ADAMTS-5、MMP、IL-1β等指标显著下降。诸多实验结果表明，雷帕霉素可以通过激活自噬，部分缓解外伤导致的软骨损伤和实验性OA的严重性[11, 18, 27]。但是，目前雷帕霉素对OA患者的作用仍然有待评估。此外，一个限制雷帕霉素长期使用的重要原因，就是它的免疫抑制效应。注射雷帕霉素会导致很多不良反应，包括腹泻、体质量减轻、蛋白尿、贫血、过敏以及引起血清胆固醇和甘油三酯增高等。然而，目前更新、更安全的雷帕霉素类似物如Torin1的研发，使得运用mTOR阻断剂增强自噬治疗OA的临床可行性大大增加。研究表明，关节腔内注射Torin1显著降低了关节软骨退化程度，使实验动物体内自噬标志物的表达显著增加，而MMP-13和血管内皮生长因子表达减少。更重要的是，在关节腔内注射Torin1时，雷帕霉素的不良反应并没有出现，预示着关节腔内注射Torin1可能是临床上治疗OA的可选方式[28]。此外，尚有研究发现关节腔内注射白藜芦醇可以通过调控AMPK/mTOR信号通路的方式增强软骨细胞自噬，延缓关节软骨退行性病变[29]。

目前，临床上治疗关节退行性关节炎、骨质增生等病症的常用药物如氨基葡萄糖(GlcN)同样可以通过阻断mTOR通路增强软骨细胞自噬，治疗老年性OA以及椎间盘退行性病变。此外，还有一些分子可以作为潜在的治疗靶点，如DNA损伤应答调节因子1等，有待进一步的研究。

综上所述，mTOR信号通路及其调控的细胞自噬通过减少细胞死亡、抑制炎症反应和氧化应激等活动来减缓OA的进程，在OA发病机制中发挥着关键的作用。既往的研究发现，单一的抑制MMP或促炎因子的药物往往不能改变OA的整体病情，而调控影响细胞稳态机制失常的关键因素如自噬，则可以通过改变软骨细胞的基因表达，阻止细胞死亡和ECM破坏。因此，通过mTOR信号通路调节细胞自噬可以作为OA潜在的治疗靶点，一些临床前研究也为此提供了理论支持。通过药物(如雷帕霉素)、基因敲除等途径抑制mTOR信号通路激活自噬，从而减轻OA，已经在实验中得到证实。但是，目前雷帕霉素等药物制剂对OA的临床作用仍然有待评估。期待通过对这一治疗靶点的深入研究，为OA提供更有效的治疗手段。