張洪宇 劉方煜 范一鳴 李帥 王巖松

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150000

1 骨代謝與骨質(zhì)疏松

骨骼系統(tǒng)的發(fā)育、生長(zhǎng)、維持處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，對(duì)機(jī)械刺激及激素波動(dòng)異常敏感。在生物體內(nèi)骨組織通過骨髓間充質(zhì)細(xì)胞(bone marrow mesenchymal cell，BMSCs)、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞協(xié)同作用不斷地發(fā)生重塑過程。BMSCs具有向成骨、脂肪、軟骨方向分化能力的多能干細(xì)胞群。成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞分別負(fù)責(zé)骨組織的形成與吸收，骨細(xì)胞在骨重塑過程中起著關(guān)鍵調(diào)控作用[1]。骨重塑對(duì)于微骨折的修復(fù)，以及骨骼適應(yīng)不同的機(jī)械刺激維持鈣穩(wěn)態(tài)都非常重要，在這個(gè)過程中任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題導(dǎo)致骨吸收多于骨形成量都會(huì)造成骨質(zhì)的流失，并且這種情況隨著時(shí)間推移會(huì)進(jìn)一步發(fā)展為骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)。OP是全身性骨退行性疾病，其特征是骨量減少與骨力學(xué)性能的顯著退化從而導(dǎo)致骨骼脆性增加與骨折的易感性。近年來骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)病率大幅增加，成為許多國(guó)家的公共衛(wèi)生問題。預(yù)計(jì)到2050年骨質(zhì)疏松性骨折在全球范圍內(nèi)將到達(dá)630萬[2]。

2 自噬的概述

自噬是真核生物進(jìn)化中高度保守的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)分解代謝物質(zhì)循環(huán)過程[3]，對(duì)細(xì)胞內(nèi)非必要的蛋白、細(xì)胞器以及大分子物質(zhì)加以循壞利用[4]。在缺氧、能量物質(zhì)缺乏及氧化應(yīng)激時(shí)都可誘發(fā)細(xì)胞自噬。自噬分為三類：分子伴侶自噬、微自噬和巨自噬。分子伴侶自噬是在分子伴侶蛋白的介導(dǎo)與幫助下直接將胞質(zhì)內(nèi)貨物運(yùn)送進(jìn)入溶酶體[5]。在微自噬中，溶酶體膜直接內(nèi)凹包裹小部分胞質(zhì)內(nèi)物質(zhì)進(jìn)入其內(nèi)部[6]。巨自噬(本文以下簡(jiǎn)稱自噬)是3種自噬中被研究最廣泛的，其廣泛存在于從酵母細(xì)胞到脊椎動(dòng)物的一切真核細(xì)胞生物中。自噬體形成是巨自噬區(qū)別于其他兩種的顯著特點(diǎn)[7]。在自噬發(fā)生后，一種吞噬體囊泡結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)伸展包裹部分細(xì)胞質(zhì)形成雙膜小泡稱之為自噬體，隨之其與溶酶體膜融合將運(yùn)送的貨物運(yùn)送到溶酶體內(nèi)并對(duì)貨物進(jìn)行降解，然后溶酶體將分解產(chǎn)生的氨基酸脂肪酸等物質(zhì)分泌到胞質(zhì)中進(jìn)行物質(zhì)與能量的合成[8]，自噬分為起始/成核、伸長(zhǎng)、成熟、降解4個(gè)過程。在起始階段首先形成單層膜樣吞噬團(tuán)，吞噬體的形成與成核的發(fā)生與兩個(gè)復(fù)雜的復(fù)合蛋白相關(guān)聯(lián)：一種由ULK1/2、Atg13和FIP200組成，另一種叫做Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(PIK3)復(fù)合物，由蛋白Beclin-1、Vps15、Vps34、Ambra1和UVRAG等組成[9]。以上復(fù)合物與其他一些蛋白共同負(fù)責(zé)招募與延長(zhǎng)吞噬團(tuán)，Beclin-1是PIK3復(fù)合物形成的基礎(chǔ)，所以通常被用作觀察自噬起始標(biāo)志物[10]。成核之后，吞噬體延長(zhǎng)形成自噬體，這個(gè)過程由兩個(gè)泛素樣蛋白復(fù)合體調(diào)控，由Atg3、Atg4、Atg5、Atg7、Atg10、Atg12和Atg16組成。這個(gè)系統(tǒng)促進(jìn)LC3與磷脂-磷脂酰乙醇胺結(jié)合形成LC3Ⅱ，LC3Ⅱ進(jìn)入自噬體膜參與其延長(zhǎng)伸展與關(guān)閉[11]，所以LC3Ⅱ是自噬體形成的關(guān)鍵，正因如此，LC3Ⅱ被看作成自噬形成的標(biāo)志性分子。自噬成熟是指自噬體包含的內(nèi)容物與溶酶體融合并使之酸化，自噬最后步驟是內(nèi)容物降解為氨基酸脂肪酸等進(jìn)行細(xì)胞循環(huán)[12]。目前研究報(bào)道表明，自噬功能紊亂與許多疾病發(fā)生發(fā)展有關(guān)，包括心臟疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥、糖尿病骨骼系統(tǒng)疾病。并且近年來，自噬與骨質(zhì)疏癥的關(guān)系成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

3 自噬與骨穩(wěn)態(tài)

3.1 自噬與BMSCs

骨髓或者骨膜襯里的BMCSs具有向軟骨、骨、脂肪細(xì)胞分化能力的多能干細(xì)胞群?；A(chǔ)水平的自噬是BMSCs經(jīng)歷氧化應(yīng)激后存活的關(guān)鍵因素[13]。抑制自噬會(huì)引起B(yǎng)MSCs活性氧的累積與DNA的損傷，而大量的細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激又會(huì)觸發(fā)自噬的發(fā)生以達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的作用，自噬對(duì)活性氧的拮抗一定程度上起到了對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用[14]。同時(shí)自噬與間充質(zhì)干細(xì)胞的干性維持有很大關(guān)系，MSCs在干細(xì)胞狀態(tài)積累自噬體并在分化的開始將其傳遞給溶酶體，提示自噬相關(guān)代謝與MSCs分化存在著密切關(guān)系[15]。Qi等[16]研究表明，在OVX小鼠模型中BMSCs成骨分化能力明顯減弱并伴隨著自噬水平的降低。更有意義的是，全身應(yīng)用雷帕霉素治療后可以減輕BMSCs成骨分化能力減弱趨勢(shì)并一定程度上逆轉(zhuǎn)小鼠骨質(zhì)疏松表型。

3.2 自噬與成骨細(xì)胞

適當(dāng)水平的自噬是維持成骨細(xì)胞存活的先決條件，體外研究表明自噬可以抑制氧化應(yīng)激介導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡[17]。敲除自噬相關(guān)基因增加了成骨細(xì)胞的氧化應(yīng)激，ROS對(duì)成骨細(xì)胞造成的損傷可以通過細(xì)胞自噬早期啟動(dòng)得到緩解[18]。此外，自噬對(duì)成骨細(xì)胞在各種毒性條件刺激下均具有保護(hù)作用，高水平的自噬通量降低了暴露于氟化鈉環(huán)境中的成骨細(xì)胞凋亡[19]。自噬對(duì)于成骨細(xì)胞實(shí)行生理功能亦有很大的作用，在礦化過程中自噬液泡中磷灰石晶體的發(fā)現(xiàn)是以上觀點(diǎn)的最直接證據(jù)，自噬通量的抑制阻礙了成骨細(xì)胞向外輸送礦物質(zhì)[18]。骨細(xì)胞靶向敲除ATG7基因小鼠在發(fā)育期與成年期都表現(xiàn)出骨量流失，骨細(xì)胞表現(xiàn)出投射減少情況，5月齡基因敲除小鼠骨小梁體積明顯較同齡正常小鼠體積小，證明自噬在成骨細(xì)胞分化早期所起到的重要作用[20]。自噬也深度參與機(jī)體內(nèi)生物信號(hào)介導(dǎo)的成骨分化能力，例如胰島素樣生長(zhǎng)因子促進(jìn)成骨作用是通過AMPK途徑上調(diào)自噬實(shí)現(xiàn)的[21]。

3.3 自噬與骨細(xì)胞

當(dāng)成骨細(xì)胞與骨基質(zhì)結(jié)合后并最終分化為骨細(xì)胞這個(gè)過程中，自噬也非常重要。骨細(xì)胞是位于礦化骨基質(zhì)分隔間隙中的長(zhǎng)壽細(xì)胞，其形態(tài)學(xué)歸類更接近神經(jīng)元[22]。首先成骨細(xì)胞在細(xì)胞形態(tài)與成份上經(jīng)歷了一個(gè)劇烈的轉(zhuǎn)變成為骨細(xì)胞，這需要細(xì)胞器的積極循環(huán)。其次礦化環(huán)境下的血液灌注有限，骨細(xì)胞處于低氧、相對(duì)較低水平營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)環(huán)境中，容易導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧累積[23]。因此在營(yíng)養(yǎng)分配與利用上需要更加精細(xì)與高效。綜合以上內(nèi)容，不難捕捉到自噬與骨細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的維持與生理功能的實(shí)施間的千絲萬縷聯(lián)系。而且有研究報(bào)道表明LC3 在成年小鼠骨細(xì)胞中高表達(dá)，這證明了骨細(xì)胞維持基礎(chǔ)水平的自噬活動(dòng)[24]?；蛱禺惽贸鼳TG7小鼠骨細(xì)胞中氧化應(yīng)激水平升高，并且導(dǎo)致骨量降低骨重塑發(fā)生改變出現(xiàn)骨組織衰老表型[25]。類骨細(xì)胞在低氧與能量不足的情況下可以通過上調(diào)自噬水平維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，呈現(xiàn)出與體內(nèi)骨細(xì)胞相似的生理改變。甲狀旁腺激素保護(hù)骨細(xì)胞免于在低劑量糖皮質(zhì)激素環(huán)境中的凋亡與細(xì)胞自噬水平提升有關(guān)[26]。骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)是骨骼組織的機(jī)械感應(yīng)系統(tǒng)。骨細(xì)胞依靠其表面伸出的樹突狀突起形成的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)傳遞、轉(zhuǎn)變外界機(jī)械信號(hào)。初始纖毛是一種多功能的細(xì)胞器，其主要功能之一是機(jī)械感應(yīng)。初始纖毛、自噬活性與許多骨骼疾病有關(guān)，最近有人提出他們之間存在著某種聯(lián)系[27]。初始纖毛較短的細(xì)胞自噬活性相對(duì)較高，相反當(dāng)自噬水平降低使纖毛變長(zhǎng)與增強(qiáng)。兩者之間極有可能存在著負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制[28]。

3.4 自噬與破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞是造血干細(xì)胞來源的多核巨細(xì)胞，巨噬細(xì)胞集落刺激因子與破骨細(xì)胞分化因子調(diào)控共同調(diào)節(jié)其形成。單核細(xì)胞趨化因子使單核細(xì)胞分化為TRAP和CTSK陽性的破骨前體細(xì)胞[29]。ATG-7基因敲除的破骨細(xì)胞TRAP與CTSK表達(dá)增加，提示自噬參與調(diào)控破骨細(xì)胞前體的形成。Beclin-1蛋白能促進(jìn)活性氧的積累與NFATc1基因的表達(dá)，以非自噬形式參與RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成[30]。自噬亦可參與低氧、微重力介導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成過程[31]。TRAE3抑制破骨細(xì)胞分化也受自噬調(diào)控，應(yīng)用自噬抑制劑可以增加TRAF3的表達(dá)從而抑制破骨細(xì)胞形成[32]。自噬誘導(dǎo)TRAF3的降解對(duì)破骨細(xì)胞的成熟有重要意義。靶向基因敲除破骨細(xì)胞ATG5能提升OVX小鼠骨量，說明自噬在年齡相關(guān)性激素缺乏導(dǎo)致骨量下降中的作用[33]。張倩等[34]研究表明白藜蘆醇通過改變自噬水平對(duì)破骨細(xì)胞分化形成影響。

4 自噬與骨質(zhì)疏松發(fā)生的關(guān)系

骨量在個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育的早期開始積累并在成年早期達(dá)到峰值，之后男性與女性的骨量都開始不同程度的丟失[35]。骨量流失的基本生物學(xué)機(jī)制是骨形成-吸收平衡向破骨測(cè)傾斜[36]。自噬與多種先天性或者獲得性骨疾病有所關(guān)聯(lián)，如自噬基因表達(dá)紊亂引起破骨細(xì)胞自噬紊亂導(dǎo)致PD[37]，自噬的過度激活與顱縫過早閉合有關(guān)[38]。最近一項(xiàng)基于全基因組關(guān)聯(lián)研究數(shù)據(jù)的路徑分析結(jié)果表明，自噬相關(guān)基因變異與腕骨礦化密度改變相關(guān)[39]。衰老是骨質(zhì)疏松形成的主要原因已經(jīng)被大多數(shù)專家學(xué)者所認(rèn)同[40]，年老骨質(zhì)疏松的患者骨組織各細(xì)胞自噬水平均有所下降[41]，且在破骨細(xì)胞與骨細(xì)胞這類終末分化細(xì)胞中這種現(xiàn)象更為明顯。因此衰老過程中自噬活性的下調(diào)可能是衰老相關(guān)骨質(zhì)疏松癥的直接原因之一。衰老引起的全身炎癥水平上調(diào)對(duì)骨量的維持亦帶來許多負(fù)面影響，包括抑制成骨細(xì)胞礦化與分化。以及破骨細(xì)胞活性的異常激活，炎癥信號(hào)因子尤其TNF-α影響成骨的部分作用是通過影響細(xì)胞自噬實(shí)現(xiàn)的[42]。絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松的主要原因是雌激素分泌不足，在OVX大鼠模型中，骨細(xì)胞的自噬水平明顯降低，且應(yīng)用自噬激活劑后可以緩解OVX骨質(zhì)疏松表型[43]。長(zhǎng)期低劑量糖皮質(zhì)激素治療是繼發(fā)性骨質(zhì)疏松的一個(gè)主要原因，大量研究表明糖皮質(zhì)激素通過影響骨組織各細(xì)胞成分自噬代謝紊亂引起骨質(zhì)疏松[33]。綜合目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于自噬與骨質(zhì)疏松癥的研究，在此筆者對(duì)兩者的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)如下：衰老、長(zhǎng)期糖皮質(zhì)激素作用、絕經(jīng)期婦雌激素降低、長(zhǎng)期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏都會(huì)導(dǎo)致骨組織細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的增加導(dǎo)致成骨細(xì)胞，骨細(xì)胞凋亡，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化功能降低，與不同程度的破骨細(xì)胞功能降低，從而引起骨量降低最后形成骨質(zhì)疏松。機(jī)體維持適當(dāng)?shù)淖允伤绞敲鎸?duì)以上因素引起ROS累積的關(guān)鍵保護(hù)因素。但是從細(xì)胞分子層面上升到宏觀組織與機(jī)體時(shí)，自噬水平的高低與骨質(zhì)疏松形成的因果關(guān)系就顯得不是很清晰，一些研究提示提高細(xì)胞自噬水平促進(jìn)破骨作用和骨吸收，自噬與OP呈正相關(guān)，因而采取抑制細(xì)胞自噬可能成為治療或預(yù)防OP的新方法。然而，亦有一部分研究得出了相反的結(jié)論，自噬水平的降低可能導(dǎo)致OP的發(fā)生，指出自噬與OP呈負(fù)相關(guān)。這種矛盾性雖然為科研工作帶來一定的困惑與挑戰(zhàn)，但是更為研究自噬與骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展關(guān)系提供新的思路，應(yīng)用不同研究方法與技術(shù)手段去探明二者關(guān)系或者尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，為將來在臨床上治愈骨質(zhì)疏松癥提供一個(gè)可能性的調(diào)節(jié)靶點(diǎn)。

綜上所述，自噬與骨穩(wěn)態(tài)的維持與骨質(zhì)疏松的發(fā)生存在著必然的聯(lián)系，靶向調(diào)節(jié)骨組織細(xì)胞自噬水平可以作為一種前瞻性治療骨質(zhì)疏松的新方法，或許可顯著逆轉(zhuǎn)臨床年齡相關(guān)性疾病的骨丟失。然而，在不同的細(xì)胞微環(huán)境中，自噬的準(zhǔn)確調(diào)控仍需要足夠的臨床證據(jù)。未來的研究應(yīng)該集中在年齡相關(guān)性骨質(zhì)流失的細(xì)胞自噬機(jī)制上，以尋求新的靶點(diǎn)達(dá)到臨床上治愈年齡相關(guān)的骨質(zhì)疏癥。