自噬在骨关节炎中的研究进展 ①

沈 翀 ，黄泓钧

(桂林医学院附属医院脊柱骨病外科，广西 桂林 541001)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种常见的慢性退行性关节疾病，常发于老年人，其能够限制患者的活动能力，严重影响生活质量。随着人类寿命的延长和老龄化的发展，发病率逐渐升高，目前全球OA患者已超过3亿人[1]。OA主要累及关节软骨，病理表现为软骨细胞的数量变少和软骨基质的分解[2]。软骨细胞作为软骨中唯一的细胞类型，虽仅占软骨总体积的1%，但在维持软骨的完整性方面起着极其关键的作用。

自噬是真核生物中一种重要的生理机制，能清除细胞内老化、受损的生物大分子和细胞器，来维持细胞的正常生物功能。在缺氧、能量缺乏、衰老、机械压力等应激条件下，自噬可以降解老化、受损的生物大分子和细胞器，获得能量和物质，使细胞适应应激条件来促进细胞活性[3]。自噬在保护骨关节炎中的软骨细胞一样起到关键作用，它通过清除活性氧和抑制细胞凋亡等调节骨关节炎病理变化，从而发挥软骨保护功能[4]。Carames等[5]于2010年提出自噬对人和小鼠软骨细胞的保护功能以来，通过激活自噬来治疗骨关节炎引起了越来越多研究者的关注[6]。本文就细胞自噬在骨关节炎中的作用进行综述。

1 自噬在骨关节炎调控网络中的作用

骨关节炎为非单一病因，是多个因素对易感个体共同作用的结果，衰老、炎症、凋亡包含其中，自噬与这些因素构成复杂的调控网络。

1.1 衰老

骨关节炎与衰老密切相关，衰老相关的表型，如组织和细胞再生能力受损、炎症介质表达增加、氧化应激等都可以引起软骨基质和细胞的损伤，促进OA发展。而自噬缺陷广泛出现在衰老相关疾病中[7]。Ni等[8]研究发现OA软骨中NLRP3炎性蛋白表达升高，使用NLRP3蛋白抑制剂MCC950可降低炎症因子、衰老相关蛋白的表达，同时促进自噬相关蛋白的表达，而自噬抑制剂3-MA能抵消MCC950的作用，该研究提示了炎症、衰老和自噬在OA发展中的交互作用。

1.2 活性氧

活性氧(reactive oxygen species，ROS)是正常生理过程中的产物，在细胞信号传导和维持组织稳态中发挥作用[9]。OA软骨细胞中ROS水平升高，它作为第二信使，阻止基质的合成，激活基质金属蛋白酶，导致软骨降解。而自噬，尤其是线粒体自噬可以消除细胞内的衰老线粒体和过氧化物酶体等活性氧来源，从而防止软骨细胞凋亡，延缓OA的进展[4]。

1.3 凋亡

自噬和凋亡之间存在复杂的相互调控，两者能被一些外界刺激同时激活、共用一些调控分子，而且能互相转化[10]。在OA的早期，自噬作为一种防止细胞死亡的代偿性功能被激活。随着OA的发展，软骨细胞异常代谢增加，超过了自噬作用功能的极限，导致凋亡大量出现，同时软骨出现退化，关节功能障碍加重[11]。

1.4 基质金属蛋白酶

基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase， MMP)能降解细胞外基质中的各种蛋白成分。软骨细胞凋亡的同时，大量MMP-13分泌增加，导致关节软骨的崩解，加剧关节损伤。正常成人软骨细胞也会持续产生一定的MMP-13，但可迅速通过自噬内吞降解去除，维护软骨细胞稳态。在OA里，软骨细胞自噬活性降低，对MMP-13的吞噬能力下降，导致MMP-13的升高，加重OA的发展[12]。

2 自噬在骨关节炎中的作用及机制

2.1 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是PI3K相关蛋白激酶(pten induced putative kinase,PIKK)家族中的一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。PI3K/Akt/mTOR信号通路是自噬主要的负性调控通路和经典的抗凋亡通路[13]。在哺乳动物中，mTOR构成两种不同的复合物 mTORC1和mTORC2，其中mTORC1是ULK1激酶的主要调控因子，抑制mTORC1可提高ULK1激酶的活性，启动自噬。mTOR及其相关分子在软骨细胞增殖、生长和凋亡的调控中起着关键作用，与OA发生变化存在关联[14]。Yang等[15]研究发现，自噬在早期OA中被激活，而在晚期OA中被抑制；予以关节内注射雷帕霉素可抑制大鼠mTORC1从而促进软骨细胞自噬，减少细胞的凋亡，为预防和治疗OA提供了一种新的策略。Bao等[16]也进行了类似实验，结果发现经IL-18处理后，软骨细胞中PI3K/Akt/mTOR通路被激活，炎症和凋亡增强，OA加重，而用雷帕霉素阻碍PI3K/Akt/mTOR通路能够提升软骨细胞的自噬，减少凋亡，从而保护IL-18处理的大鼠软骨细胞。他们提出使用mTOR的选择性抑制剂雷帕霉素可以通过增强自噬治疗骨关节炎。 Xu等[17]研究证明SIRT3分子能够通过抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路促进自噬，过表达SIRT3能抑制IL-1β诱导的炎症、凋亡、线粒体功能障碍和软骨细胞退变，减轻大鼠OA模型的关节损伤，敲除SIRT3则反之，表明SIRT3是一种重要的抗OA因子。Li等[18]发现合适强度的运动可以调节P2X7的表达和激活，P2X7可以通过P2X7/AMPK/mTOR信号轴促进软骨细胞自噬，降解炎症小体NLRP3，减少细胞的焦亡和凋亡，从而对OA防治起到积极的作用。

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]属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是一种高度保守的能量效应传送器，对细胞内ATP水平的变化高度敏感，受应激诱导的表型改变和凋亡[19]。研究证实，OA时AMPK活性降低，进而损害细胞能量稳态，引发线粒体功能失常、氧化应激、自噬抑制和内质网应激延长等不良事件，最终导致关节软骨变性、滑膜炎症和软骨下骨重塑异常，恢复AMPK活性有利于软骨细胞存活，延缓关节OA进展[20]。近年来研究发现，高血糖可引起软骨细胞氧化应激，抑制AMPK信号通路进而阻碍软骨细胞自噬，但又能通过氧化应激诱导自噬发生[21]。Lin等[22]发现d-甘露糖可通过促进AMPK的磷酸化提高细胞增殖、激活自噬、降低细胞凋亡、下调分解代谢，从而减轻IL-1β对软骨细胞的损害，提示d-甘露糖具有软骨保护作用，可作为一种潜在的新型OA治疗药物。Wang等[23]发现二甲双胍能在OA模型小鼠的体内外增加AMPKa磷酸化水平，上调SIRT1蛋白表达，增加自噬，减少分解代谢和凋亡，证明二甲双胍具有治疗骨关节炎的潜力。

2.3 NF-κB信号通路

NF-κB是炎症反应的重要介质和免疫调节的关键因素，调节多种炎症和免疫反应的相关代谢变化，其炎症反应信号通路与自噬信号通路有重叠部分，它的激活除了能减轻炎症、抗凋亡外，还有激发自噬的机体适应机制[24]。Feng等[25]证明，抑制NF-κB通路能通过激活软骨细胞自噬，减少细胞凋亡来保护正常细胞。Lee等[26]发现抗氧化剂飞燕草素可通过激活Nrf2和NF-κB信号通路，促进自噬，维持其细胞内氧化还原平衡和减少凋亡来减少活性氧对软骨细胞的损害。Pei等[27]发现，土木香内酯可通过抑制STAT3和NF-κB信号通路，增加自噬，减轻IL-1β的炎症反应，缓解软骨的变性。

2.4 微型核糖核酸

微型核糖核酸(microRNAs，miRNAs)是一种小型非编码单链调控RNA，参与基因表达的转录后调控，影响几乎所有的疾病和发育过程[28]。近年研究发现多个miRNAs，如miR-140-5p、miR-140-3p、miR-146a等与OA的发生发展有关[29]。此外，Cai等[30]研究发现，miR-27a在OA软骨和IL-1β处理的关节软骨细胞中表达上调，miR-27a靶向PI3K基因的3′末端，可直接下调PI3K的表达，降低IL-1β处理的关节软骨细胞的自噬，增加其凋亡，证实了miR-27a是机体正常细胞中PI3K/Akt/mTOR轴的调控因子，参与OA的发病机制。Li等[31]发现OA软骨组织中miR-375表达上调，ATG2B表达下调，miR-375可以靶向ATG2B 的3′端并抑制其在软骨细胞中的表达，进而抑制自噬，促进内质网应激，转染miR-375模拟物后软骨细胞的凋亡率增加，而抑制miR-375可以缓解OA相关症状。Wu等[32]发现，髌下脂肪垫间充质干细胞来源的外泌体可以增强软骨细胞自噬水平，抑制细胞凋亡，减轻OA严重程度，并进一步证明外泌体中的miR-100-5p与mTOR的3′-端非翻译区结合，抑制mTOR信号通路，是髌下脂肪垫间充质干细胞来源的外泌体治疗OA的机理。

3 展望

综上所述，自噬能通过清理有害物质和损伤的细胞器维持细胞稳态，抑制软骨细胞凋亡，减缓骨关节炎的发生与发展。在OA的发病机制中，自噬与活性氧、细胞衰老、凋亡等共同构成OA的调控网络。自噬有mTOR、AMPK等多个调控靶点，尽管其在OA发病机制中的作用还没完全被诠释，但自噬作为OA的治疗靶点仍具有广阔的前景，有望为临床提供新的治疗方案。