徐 偉，劉 達(dá)，王 維，廖冬發(fā)

（西部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，四川成都 610083）

自噬是細(xì)胞降解細(xì)胞內(nèi)成分、產(chǎn)生能量和小分子供細(xì)胞再次使用的過程。自噬對(duì)細(xì)胞耐受外界惡劣環(huán)境刺激（缺氧、饑餓和病原體等）、清除細(xì)胞內(nèi)錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)和受損衰老的細(xì)胞器，以及維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)非常重要[1～3]。自噬功能障礙可導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，包括糖尿病、癌癥、各種神經(jīng)退行性、感染性和炎癥性疾病等[4，5]。關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞處于特殊的低氧環(huán)境中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏，正常的自噬對(duì)于維持軟骨細(xì)胞生存和功能十分重要[6]。大量研究發(fā)現(xiàn)自噬功能障礙可導(dǎo)致OA的發(fā)生，激活自噬可緩解關(guān)節(jié)軟骨退變[7]。鑒于自噬在OA中的重要作用，本文就自噬在OA中的作用和機(jī)制作一綜述。

1 細(xì)胞自噬概述

自噬分為三種類型：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。微自噬是指溶酶體內(nèi)陷將蛋白質(zhì)和小的細(xì)胞器直接封裝到溶酶體中進(jìn)行降解的過程。分子伴侶介導(dǎo)的自噬是熱休克同源蛋白71的復(fù)合物與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合，引導(dǎo)它們到溶酶體中進(jìn)行降解的過程。巨自噬則是具有雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬體包被胞質(zhì)內(nèi)成分后與溶酶體融合進(jìn)行胞內(nèi)物質(zhì)降解的過程[8]。通常所講的自噬是巨自噬，這也是目前自噬領(lǐng)域研究最為深入的，后文中統(tǒng)稱為自噬。在正常生理?xiàng)l件下，細(xì)胞只存在著低水平的基礎(chǔ)自噬維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。當(dāng)細(xì)胞遭受各種生理和病理刺激時(shí)，則誘導(dǎo)細(xì)胞形成大量自噬。自噬根據(jù)其不同階段可以分為起始、延伸、成熟、自噬體與溶酶體融合和降解等幾個(gè)步驟[8]。首先，在各種因素和信號(hào)通路的誘導(dǎo)下，多種自噬相關(guān)蛋白（autophagy-related gene,ATG）被招募到一個(gè)稱為自噬組裝位點(diǎn)的特定亞細(xì)胞位置，形成前自噬體結(jié)構(gòu)，前自噬體結(jié)構(gòu)聚集形成具有杯狀雙層膜結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，稱為吞噬泡或隔離膜。隨后，隔離膜伸長(zhǎng)成一個(gè)球形，包繞部分胞質(zhì)，最終封閉成一個(gè)雙膜囊泡，稱為自噬體，從而將吞噬的胞內(nèi)物質(zhì)作為“自噬貨物”捕獲。在清除大多數(shù)ATG蛋白并沿著微管輸送到溶酶體后，自噬體的外膜與溶酶體膜融合形成自噬性溶酶體。最后溶酶體中的各種酶類物質(zhì)將自噬體包裹的蛋白質(zhì)及細(xì)胞器等降解供細(xì)胞再利用[2]。

多種信號(hào)通路和分子參與自噬的調(diào)節(jié)，其中比較重要的是雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）和腺苷酸激活的蛋白激酶（AMP-actived protein kinase,AMPK）兩條通路。mTOR是自噬的負(fù)性調(diào)控因子，在營(yíng)養(yǎng)充足的條件下，mTOR通過磷酸化Unc51樣自噬激活激酶1（unc-51-like autophagy activating kinase,ULK1）抑制自噬的發(fā)生。在饑餓條件下，mTOR信號(hào)被抑制，促進(jìn)自噬的發(fā)生。磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K）-AKT（蛋白激酶B）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases,MAPK） 和 AMPK等多種通路調(diào)控mTOR活性[8]。AMPK信號(hào)通路則是自噬的正性調(diào)控因子。當(dāng)AMPK激活后，可磷酸化并激活ULK1和Beclin1-VPS34復(fù)合物，促進(jìn)自噬體的誘導(dǎo)形成。其次，AMPK通過磷酸化和抑制mTOR調(diào)控相關(guān)蛋白（regulatory associated protein of mTOR,RAPTOR）來抑制mTOR，進(jìn)而激活自噬。最后，AMPK可以激活TSC1/2（tuberous sclerosis complex）復(fù)合物活性，抑制mTOR信號(hào)，最終激活自噬[1]。此外，沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silent information regulator 1,SIRT1）和 FoxO（forkhead box O）作為AMPK下游的信號(hào)分子，已經(jīng)被證明可以通過去乙酰化 ATG蛋白（如 ATG5、ATG7和 ATG8）或誘導(dǎo)ATG蛋白（如Beclin1）的表達(dá)來觸發(fā)自噬小體的形成,進(jìn)而激活自噬[9]。

2 自噬相關(guān)蛋白在OA中的表達(dá)

關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞處于特殊的低氧環(huán)境中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏，自噬對(duì)于維持軟骨細(xì)胞生存和功能十分重要。自噬相關(guān)蛋白Beclin1、ULK1和微管相關(guān)蛋白1輕鏈3 （microtubule associated protein 1 light chain 3,LC3）在正常關(guān)節(jié)軟骨中大量表達(dá)，但在OA患者關(guān)節(jié)軟骨和軟骨細(xì)胞中表達(dá)水平顯著降低[10，11]。在OA發(fā)生早期階段，分解代謝壓力可以導(dǎo)致軟骨細(xì)胞自噬增加，OA軟骨細(xì)胞中LC3和Beclin1 mRNA表達(dá)增加[12]。OA發(fā)生早期，短暫增加的自噬是對(duì)細(xì)胞應(yīng)激的一種代償反應(yīng)，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)激超過了這種代償?shù)哪芰r(shí)，軟骨細(xì)胞出現(xiàn)損傷無法啟動(dòng)自噬反應(yīng)可能導(dǎo)致OA的發(fā)展[13，14]。mTOR在人OA軟骨以及小鼠和狗OA軟骨中表達(dá)增加，且mTOR表達(dá)升高的同時(shí)伴隨著軟骨細(xì)胞凋亡增加和自噬關(guān)鍵基因ATG3、ATG5、ATG12 和 LC3 等表達(dá)降低[15]。Carames等[16]采用GFP-LC3轉(zhuǎn)基因小鼠研究發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中自噬體的數(shù)目和大小在老年小鼠中顯著降低，同時(shí)隨著年齡增長(zhǎng)，ATG5和LC3表達(dá)逐漸降低。上訴自噬相關(guān)蛋白在軟骨細(xì)胞中的表達(dá)變化與既往的共識(shí)一致，即基礎(chǔ)自噬活性隨著年齡的增加而降低[17]。

3 自噬功能障礙導(dǎo)致OA發(fā)生的可能機(jī)制

基礎(chǔ)自噬活性隨著年齡的增長(zhǎng)而降低，自噬蛋白水平和活性的降低導(dǎo)致胞內(nèi)受損細(xì)胞器和大分子的積累，進(jìn)而影響軟骨細(xì)胞的存活和分化功能，最終導(dǎo)致老年性O(shè)A的發(fā)生[18]。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物OA模型和人類OA軟骨細(xì)胞中出現(xiàn)線粒體功能障礙[7]。在老年性及內(nèi)側(cè)半月板不穩(wěn)定（destabilization of the medial meniscus,DMM）誘導(dǎo)的小鼠OA模型中，出現(xiàn)軟骨細(xì)胞自噬功能障礙和線粒體功能障礙[13]。抑制軟骨細(xì)胞中Atg5基因可以增加活性氧（reactive oxygen species,ROS）的產(chǎn)生，并誘導(dǎo)線粒體功能障礙[14]。鑒于自噬的細(xì)胞保護(hù)功能之一是清除受損的線粒體和ROS，自噬參與OA過程的可能機(jī)制是自噬功能障礙后受損線粒體堆積，ROS增加引起[7，19]。在 OA中，ROS增加導(dǎo)致軟骨細(xì)胞外基質(zhì)合成抑制，影響細(xì)胞遷移和生長(zhǎng)因子的生物活性，最終導(dǎo)致軟骨細(xì)胞死亡和軟骨退變[7]。ROS誘導(dǎo)的線粒體損傷和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在OA中起關(guān)鍵作用，其可通過誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡進(jìn)而導(dǎo)致OA的發(fā)生[20]。上訴研究結(jié)果表明，自噬功能障礙可能通過介導(dǎo)ROS的產(chǎn)生參與OA的發(fā)生發(fā)展。當(dāng)自噬被激活時(shí)，軟骨細(xì)胞內(nèi)受損的線粒體被移除，細(xì)胞內(nèi)ROS減少，進(jìn)而防止OA的發(fā)生。

4 調(diào)控OA進(jìn)展的關(guān)鍵自噬分子和信號(hào)通路

多種信號(hào)通路和分子參與自噬活性的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響OA的發(fā)生發(fā)展，其中比較重要的是mTOR和AMPK兩條通路。小鼠軟骨細(xì)胞特異敲除mTOR可以增加軟骨細(xì)胞自噬活性，顯著降低DMM誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨退變、軟骨細(xì)胞凋亡和滑膜纖維化[15]。小鼠軟骨細(xì)胞特異敲除氧化物酶體增殖物激活受體 （peroxisome proliferator activated receptor γ,PPARγ） 可導(dǎo)致mTOR上調(diào)和自噬活性降低，促進(jìn)軟骨細(xì)胞凋亡，加快DMM誘導(dǎo)的軟骨退變[21]。發(fā)育及DNA損傷反應(yīng)調(diào)節(jié)基因1（regulated in development and DNA damage response,REDD 1）通過抑制mTOR信號(hào)，調(diào)控自噬活性和線粒體生物發(fā)生參與軟骨穩(wěn)態(tài)維持。在老年OA軟骨中REDD1表達(dá)降低，小鼠敲除REDD1后加劇了DMM誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨退變[22]。相反，AMPK信號(hào)可以正向調(diào)節(jié)自噬活性。AMPK活性降低導(dǎo)致自噬功能障礙、線粒體功能受損、ROS生成增多，最終導(dǎo)致OA的發(fā)生[9]。白藜蘆醇可以通過AMPK/mTOR通路激活自噬，小鼠關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射白藜蘆醇可以抑制軟骨細(xì)胞分解代謝，減緩小鼠DMM誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨退變[23]。

FoxO通過調(diào)節(jié)自噬活性和蛋白聚糖4的表達(dá)參與軟骨穩(wěn)態(tài)維持，小鼠軟骨細(xì)胞特異敲除FoxO轉(zhuǎn)錄因子可導(dǎo)致OA的發(fā)生[24]。OA患者膝關(guān)節(jié)半月板FoxO1和FoxO3的表達(dá)較正常對(duì)照組顯著降低，小鼠中敲除FoxO基因?qū)е伦允珊涂寡趸虮磉_(dá)降低，加速DMM誘導(dǎo)的半月板損傷[25]。SIRT1在軟骨穩(wěn)態(tài)維持中發(fā)揮重要作用，軟骨細(xì)胞特異敲除Sirt1基因可以加速小鼠DMM誘導(dǎo)OA和老年性O(shè)A的進(jìn)展[26]。在人軟骨細(xì)胞中，SIRT1通過與ATG7相互作用調(diào)節(jié)自噬活性，參與OA的發(fā)生過程[27]。OA患者和正常老年人軟骨中SIRT1表達(dá)較正常年輕人顯著降低，激活SIRT1通過去乙?；允傻鞍祝˙eclin1、ATG5、ATG7和LC3）增加軟骨細(xì)胞自噬活性[28]。

軟骨細(xì)胞處于特殊的低氧環(huán)境中，缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor,HIF）介導(dǎo)軟骨細(xì)胞適應(yīng)這種低氧環(huán)境。HIF1通過磷酸化AMPK，進(jìn)而抑制mTOR信號(hào)，最終增強(qiáng)缺氧條件下軟骨細(xì)胞的自噬活性[29]。抑制HIF1α降解可促進(jìn)線粒體自噬，減少缺氧條件下軟骨細(xì)胞的凋亡和衰老，并可緩解DMM誘導(dǎo)的小鼠軟骨退變[30]。與HIF1α相反，HIF2α可以抑制軟骨細(xì)胞自噬水平，促進(jìn)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解[7]。

5 靶向自噬通路治療OA的藥物

自噬在OA發(fā)病中發(fā)揮重要作用，已成為OA治療的新靶點(diǎn)。多種調(diào)節(jié)自噬活性藥物被用于OA的治療。雷帕霉素（rapamycin）是一種抗真菌和免疫抑制劑，可以特異性地抑制mTOR信號(hào)。小鼠腹腔內(nèi)和關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射rapamycin后可以顯著抑制mTOR信號(hào)，激活軟骨細(xì)胞自噬，減輕DMM誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨退變[31，32]。其他藥物如異歐前胡素和Torin 1也可以通過抑制mTOR通路激活自噬，維持關(guān)節(jié)軟骨穩(wěn)態(tài)，減輕關(guān)節(jié)軟骨退變[33，34]。

許多小分子化合物和天然植物成分通過激活A(yù)MPK在OA中發(fā)揮保護(hù)作用。如小檗堿、槲皮素和白藜蘆醇等天然植物成分通過激活A(yù)MPK信號(hào)，減輕軟骨細(xì)胞氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙，從而緩解DMM誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨退變[9]。白藜蘆醇也可通過激活SIRT1延緩OA的進(jìn)展[35]。二甲雙胍是臨床治療糖尿病的一線藥物，關(guān)節(jié)內(nèi)注射二甲雙胍可以激活A(yù)MPK信號(hào)，緩解DMM誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨退變[36，37]。

其他靶向自噬用于治療OA的藥物，如海藻糖可以激活線粒體自噬，恢復(fù)小鼠軟骨細(xì)胞中因氧化應(yīng)激導(dǎo)致的自噬功能障礙，保護(hù)軟骨細(xì)胞免于凋亡，緩解DMM導(dǎo)致的關(guān)節(jié)軟骨退變[38]。轉(zhuǎn)錄因子EB（transcription factor EB,TFEB）通過啟動(dòng)多個(gè)自噬關(guān)鍵基因的表達(dá)參與自噬的調(diào)節(jié)過程，被認(rèn)為是調(diào)控自噬活性的關(guān)鍵分子，小鼠關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射TFEB過表達(dá)慢病毒載體，可緩解DMM誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨退變，抑制軟骨細(xì)胞的凋亡和衰老，增強(qiáng)自噬活性，提示TFEB是治療OA的潛在靶點(diǎn)[39]。一些傳統(tǒng)的中藥也可以靶向自噬治療OA，如透骨消痛膠囊可以通過促進(jìn)軟骨細(xì)胞自噬，進(jìn)而保護(hù)軟骨細(xì)胞[40]。

綜上所述，自噬功能障礙是OA發(fā)生發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)因素，激活自噬可以緩解OA軟骨退變。鑒于自噬在OA發(fā)病中的重要作用，靶向自噬通路為OA治療提供了新的方向。尤其是局部靶向藥物遞送，如關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射自噬激活藥物，成為OA治療的新熱點(diǎn)。值得注意的是，OA發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，自噬并不是決定OA發(fā)展的唯一因素。OA進(jìn)展是整體性的，與自噬、衰老和凋亡密切相關(guān)。目前認(rèn)為自噬作為一種適應(yīng)性反應(yīng)可以減少OA早期軟骨細(xì)胞死亡，但隨著OA的進(jìn)展，過度自噬也可能導(dǎo)致軟骨細(xì)胞死亡。在臨床應(yīng)用調(diào)控自噬活性藥物治療OA之前，需要對(duì)自噬、衰老和凋亡的相互關(guān)系及其在OA中的作用進(jìn)行全面的研究。