线粒体动力学与骨相关疾病关系的研究进展

周敏 张曦丹 孙吉宇 李晨 甘雪琦

口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心 四川大学华西口腔医院住院医师规范化培训基地(口腔修复基地)，四川 成都 610041

线粒体是细胞内的一种形态微小而高度动态的细胞器，它由线粒体外膜、线粒体膜间间隙、线粒体内膜和线粒体基质组成。线粒体通过增殖和系统合成维持细胞的生命活动，线粒体还参与细胞信息传递、Ca2+稳态、细胞周期调节和活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生等一系列作用[1]。线粒体生物发生、分裂、融合和线粒体自噬的过程统称为线粒体动力学(mitochondrial dynamics)[2]。线粒体动力学通过调控线粒体形态和重构线粒体网络，使线粒体的质和量发生改变，以便其能够快速响应细胞的能量需求[3]，线粒体动力学失衡会导致线粒体数量、形态和功能异常，从而影响细胞功能。近年来，越来越多的研究聚焦于线粒体动力学与骨相关疾病的关系上，如骨修复、骨质疏松和骨关节炎等，因此了解线粒体动力学在骨相关疾病中扮演的角色具有重要意义，故本文拟就线粒体动力学与骨相关疾病的关系研究进展进行综述。

1 线粒体动力学的分子学基础

线粒体生物发生是指原有的线粒体分裂产生新生线粒体的过程，由线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)与核基因组协调完成，目前研究较多的分子有Nrf1/2、PGC1α和TFAM等[4-5]。线粒体的质量通过生物发生以及动态融合和分裂的事件来维持，而受损的线粒体则通过分裂和线粒体自噬被分离并清除[6-7]。与线粒体融合相关的主要是线粒体融合蛋白1(MFN1)、线粒体融合蛋白2(MFN2)和视神经萎缩蛋白1(OPA1)3种蛋白；与分裂相关的主要是动力相关蛋白1(Drp1)、线粒体裂变蛋白1(Fis1)和线粒体分裂因子(MFF)[2,8]。当线粒体膜电位(ΔΨm)崩溃后，则通过线粒体的靶向自噬，即线粒体自噬清除受损的线粒体[9]，线粒体自噬主要受PINK1/Parkin 通路调节，Parkin可以降解线粒体蛋白，包括参与融合的MFN1/2和参与裂变的Drp1[10-11]，线粒体自噬是线粒体动力学相关的另一个关键过程[12]。

2 线粒体动力学与骨相关疾病

2.1 线粒体动力学与骨损伤修复

许多研究聚焦于线粒体动力学的改变对骨损伤和骨修复的影响。Fan等[13]通过miR-181c处理骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)，发现其可以提高细胞中AMPK与MFN1的水平，从而增强线粒体融合，减少细胞氧化应激的损伤，促进颅面缺损重建。相对应的线粒体分裂调控方面，成体干细胞的标志物Lgr5的过表达可以通过Wnt/ERK信号通路抑制Drp1表达，从而减少BMSCs的线粒体分裂，促进其成骨和骨折愈合[14]。促炎因子肿瘤坏死因子-α(TNF-α)能增加成骨细胞的Drp1表达量1.4倍，使线粒体呈泡状和碎片化，破坏了线粒体功能，导致成骨功能障碍[15]。从融合或者分裂的单一维度来讲，促进线粒体融合可以使细胞快速响应成骨分化过程中能量和物质的需求，有利于骨修复，反之则不然。

在口腔颅颌面骨损伤修复领域，特别是牙周炎状态下的牙槽骨修复，线粒体动力学的研究得到诸多关注。褪黑素(melatonin，MT)作为抗氧化剂和自由基清除剂[16]，可以通过减少BMSCs线粒体的过度分裂以改善线粒体动力学失衡，减少镉暴露状态下大鼠颅骨缺损的不良骨愈合[17]。在牙周炎的牙槽骨丢失机制方面，氯化钴(CoCl2)可以促进人牙周膜干细胞(hPDLSCs)的Drp1表达，促进线粒体分裂，从而诱导其分裂凋亡[18]，引起牙槽骨的丢失。另一项研究也证实，SIRT3缺乏可通过促进线粒体分裂加重小鼠牙周炎和牙槽骨丢失[19]。基于此，Zhai等[20]合成了一种纳米修复剂，通过调节Ca2+进入线粒体增加炎症下hPDLSCs的线粒体面积和周长，即促进细胞线粒体融合来对抗线粒体动力学失衡，减少SD大鼠牙槽骨丢失。由此可见，引起线粒体动力学改变将影响相关细胞成骨能力，进而影响骨修复。

2.2 线粒体动力学与骨质疏松症

骨质疏松症作为一种代谢性骨病，其主要原因是骨重塑的不平衡，即成骨细胞与破骨细胞平衡被打破[21]，线粒体动力学在其中发挥重要作用。

线粒体生物发生方面，线粒体酶Mtu1缺乏导致小鼠BMSCs线粒体tRNA的2-硫代尿苷修饰效率降低，进而损害mtDNA的翻译，导致线粒体动力学的失衡，小鼠发生骨质疏松[22]。在线粒体融合与分裂方面，许多研究阐释了骨质疏松症发生发展过程中线粒体动力学发挥的重要作用。如作为可以引起骨质疏松的糖皮质激素，地塞米松被证实可引起BMSCs线粒体动力学紊乱，导致线粒体分裂增加，融合减少，使其成骨分化被抑制[23]。Wang等[24]、Zhu等[25]关注了SOD1G93A基因，发现该基因过表达可以增强骨细胞Drp1表达，降低OPA1表达，意味着该基因过表达促进线粒体分裂，最终使骨质丢失，引起骨质疏松。另一项研究聚焦于糖酵解的关键蛋白PKM2，C3k通过抑制PKM2的表达促进线粒体的融合，从而显著促进BMSCs的成骨分化，体内实验表明C3k显著减轻去卵巢(OVX)大鼠股骨的骨质丢失，证实PKM2是通过线粒体动力学来干预骨质疏松症治疗的靶点[26]。可见，骨质疏松症与相关细胞线粒体的异常分裂联系紧密，逆转这种线粒体动力学异常趋势可能是未来研究的关键。

线粒体自噬作为线粒体动力学的重要组成部分，对线粒体质量控制至关重要。PINK1可触发线粒体选择性自噬并参与线粒体再生[27-28]。Lee等[29]以去卵巢小鼠作为骨质疏松模型，发现PINK1敲除使线粒体动力学相关蛋白表达量降低，线粒体碎片化增加，MicroCT的分析证实PINK1的基因敲除加剧了去卵巢小鼠的骨量丢失。同样，免疫组化染色显示PINK1在骨质疏松患者骨骼中的表达降低，这进一步支持了PINK1在人类骨质疏松症中的实际作用。这些研究为厘清线粒体动力学与成骨分化调控的分子机制提供了新的线索。

破骨细胞中的线粒体动力学同样影响骨质疏松症的发生发展。谷胱甘肽(GSH)是最重要的细胞内ROS清除剂之一，GSH可以通过抑制CREB信号通路来降低OVX小鼠的OCs的线粒体发生，减少OCs的分化，从而改善骨质疏松状况[30]。还有实验[31]发现，MFN2介导的线粒体融合对于破骨细胞(OCs)生成至关重要，靶向敲除OCs的MFN2可以使老龄雌性小鼠(12月龄)骨分析参数相较于对照组明显提升，年龄相关的骨质疏松得到改善。这些研究提示通过靶向抑制破骨细胞形成过程中的线粒体动力学可以减少骨吸收，为骨质疏松的药物干预提供了新视角。

2.3 线粒体动力学与骨关节炎

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是最常见的关节疾病之一，其特征是软骨、骨和周围组织的一系列病理变化，最终导致关节功能障碍，是成年人关节活动受限的最常见原因[32]。线粒体结构完整被认为是软骨细胞正常生存的先决条件，软骨相关疾病如OA中也发现了线粒体功能的缺陷[33]，因而研究线粒体动力学与OA的关系逐渐受到关注。OA的发生发展与氧化应激和衰老软骨细胞(SnCs)的积累有关，内皮素-1(ET-1)过表达导致SnCs数量增加，细胞内的线粒体分裂增加[34]，而MFN2表达增加的衰老和OA软骨细胞中有过度融合的现象[11]，这一线粒体动力学的解偶联现象可以导致软骨损伤。另一项研究中，成纤维细胞生长因子18(FGF18)通过PI3K-AKT信号通路同步增强线粒体融合和分裂，恢复线粒体功能和形态，减少ROS产生，促进软骨细胞增殖和迁移，从而发挥抗骨关节炎的作用[35]。

软骨细胞中，线粒体自噬的失调也加速了OA的发展[36-37]。在炎症应激下的软骨细胞中，鸢尾素(Irisin)可以增加线粒体的融合而减少线粒体分裂，并且增加线粒体自噬来清除受损的线粒体，以增加炎症状态下软骨细胞存活率[38]。Kang等[39]以Parkin介导的线粒体自噬防止氧化应激下终板软骨细胞的ROS过度产生、线粒体损伤和凋亡。除了提高线粒体自噬外，适度的机械应力通过增强 MFN1/2和OPA1的表达以及Drp1从细胞质到线粒体的易位来促进线粒体动力学[37]，可以改善软骨细胞在OA下的不利凋亡。

单独使线粒体分裂或者融合增加，这种线粒体动力学解偶联现象可促进OA的发生发展，由此可见，整体加强线粒体动力学循环可能是抗OA的有效途径之一。

2.4 线粒体动力学与骨肉瘤

骨肉瘤(osteosarcoma，OS)是儿童和青少年中最常见的骨恶性肿瘤，死亡率相对较高[40]。加速线粒体分裂促进OS细胞凋亡，最近许多研究探索了线粒体动力学在OS中的作用。

在线粒体生物发生方面，OS细胞线粒体生物发生比例更高，其更依赖线粒体的功能，对药物敏感度更高。鉴于此，Chen等[41]研究发现，替加环素可以降低线粒体生物发生从而抑制OS细胞的功能，但对正常细胞线粒体功能影响不大。类似的还有MT也能降低OS细胞的线粒体生物发生相关蛋白表达，从而抑制OS细胞的功能[42]，证明线粒体生物发生是OS治疗靶点之一。还有部分研究关注如何利用线粒体动力学的失衡来诱导OS细胞的凋亡。如作为抗癌药物，2-ME作用OS细胞8 h即可检测到Drp1表达增加，激活了线粒体的分裂并导致下游的内源性凋亡，有效地抑制了OS细胞的生长，其抑制剂Mdivi-1则可以逆转该效应[43]。这与Yen等[44]的研究结论一致，通过Drp1介导的线粒体动力学失衡来触发OS的内源性凋亡是未来研究方向之一。

总之，除去大量研究聚焦于线粒体ROS对线粒体相关的细胞内源性凋亡的研究之外，与线粒体动力学相关的研究正在逐步兴起，为OS的病理学研究和药物治疗提供了新方向。

2.5 线粒体动力学与其他骨病

某些代谢内分泌疾病如糖尿病、皮质醇增多症性骨病和甲状腺疾病引起的骨关节病等，线粒体动力学在疾病发生发展过程中发挥了重要作用。

以糖尿病为例，高葡萄糖会降低前成骨细胞的迁移潜力和趋化性，这种迁移减少是由于Dyn-2定位异常和Drp1水平降低导致线粒体生物发生减少[45]，使得成骨细胞定向移动能力降低，糖尿病患者的成骨能力减弱。此外，高糖环境可导致BMSCs的线粒体分裂增加，动力学失衡使线粒体功能紊乱，不利于成骨[46]。在糖尿病口腔种植术后，植入物周围形成高血糖的微环境引起的线粒体功能障碍，会导致一系列并发症甚至种植失败。针对这一情况，Wang等[47]设计了一种新型锌-锶种植体材料，其机制之一就是通过下调Drp1表达来改善线粒体动力学失衡，增强了高糖状态下成骨细胞的成骨能力，使之具有优异的修复高血糖所致线粒体动态失衡和功能障碍的性能。此外，线粒体动力学还在多系统蛋白病[48]和类风湿性关节炎[49]等骨病中也扮演重要角色。

3 总结与展望

异常的线粒体动力学导致细胞的代谢重编程、功能障碍和内源性凋亡。越来越多的文献表明，多种骨相关疾病中都观察到了线粒体动力学的失衡。线粒体生物发生为细胞提供了新生线粒体以补充受损的线粒体，而受损的线粒体则通过线粒体自噬来清除，并为线粒体生物发生提高原料；线粒体的融合与分裂相关的蛋白则相互动态配合，为骨相关细胞不同的生命活动提供能量和信号支持。也正是这种动态平衡的打破，即线粒体动力学的失衡导致了骨修复、骨质疏松、骨关节炎和骨肉瘤等疾病的发生发展。

线粒体动力学是治疗骨相关疾病的关键靶点，靶向线粒体动力学为临床开发骨相关疾病治疗的新疗法奠定了基础。针对线粒体动力学的研究不应只关注于药物对其中某一个环节的作用，而是统筹“平衡”这个概念，在实际应用中避免向某一个环节过分倾斜。深入探究线粒体动力学与骨相关疾病的关系，将会有助于开发新的治疗药物与方式，为患者提供安全有效的治疗手段。