萬永鮮 徐麗麗 卓乃強 陽運康 魯曉波

西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院，四川 瀘州 646000

原發(fā)性骨質疏松是一類與年齡密切相關的骨骼系統(tǒng)退行性疾病，在人口老齡化的當今社會，其發(fā)病率日益增高。據(jù)流行病學調查顯示，在50歲以上人群中有1/3的女性和1/6的男性均罹患骨質疏松癥[1]。骨質疏松癥是由多因素導致的骨密度和骨質量下降，骨微結構破壞，造成骨脆性增加，從而容易發(fā)生骨折的全身骨代謝疾病[2]。骨折是骨質疏松癥最常見的并發(fā)癥，而老年人骨折后容易因為疼痛和功能障礙失去自理能力。由此導致的高致殘率和高死亡率，使得骨質疏松癥成為一個嚴重的公共健康問題。因此防治骨質疏松癥有著巨大的臨床意義和社會價值。

骨質疏松的發(fā)病機制較為復雜，通常認為與基因、激素水平、營養(yǎng)飲食以及人們的生活習慣密切相關[3]。正常成年人往往會在三十歲左右獲得“骨峰值”，然后在內(nèi)外因素的作用下漸漸丟失骨量[4, 5]。如缺乏體育鍛煉、長期使用類固醇激素治療、雌激素缺乏、罹患慢性代謝系統(tǒng)疾病，以及衰老本身，將最終導致骨質疏松。揭示骨代謝的調控機制，尋找其作用靶點是有效治療骨質疏松的關鍵所在。

近年來越來越多的證據(jù)表明，自噬在維持骨代謝平衡方面發(fā)揮著重要作用，而自噬水平的改變是導致骨質疏松發(fā)病的重要原因[6, 7]。自噬分為巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)以及分子伴侶介導自噬(chaperone-mediated autophagy)，是一種通過清除受損細胞器、蛋白從而維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要生理機制。盡管自噬對骨質疏松癥的調控機制尚不明確，但其作為一種人體干預疾病和調控衰老的手段，自噬對骨代謝的影響與作用正在不斷被揭示。本文主要對巨自噬(下文以“自噬”指代)在骨代謝中的研究進展探討如下：

1 骨代謝概述

圖1 自噬發(fā)生過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of autophagy process

骨是由多種細胞構成的復雜器官，主要包括負責骨形成的成骨細胞、骨吸收的破骨細胞，以及位于成熟骨組織內(nèi)的骨細胞[8]。在正常情況下，破骨細胞與成骨細胞協(xié)同作用，共同維持骨重建與骨吸收平衡。從細胞水平的病理機制而言，成骨和破骨能力間的平衡被破壞，骨吸收占優(yōu)后導致了骨質流失，最終演化為骨質疏松。成骨細胞源于間充質干細胞(mesennchymal stem cell, MSC)，骨髓間充質干細胞作為一種多能干細胞，在向成骨分化時需要誘導因子，如骨形態(tài)誘導蛋白(BMP)、轉化生長因子-β(TGF-β)、Wnt分子、胰島素、甲狀旁腺激素等。這些因子通過激活不同的信號通路從而活化不同轉錄因子，發(fā)揮維護成骨細胞功能的作用。目前研究比較明確的是，當細胞高表達Runx2和Osterix時，MSCs會更傾向于成骨分化[9]。更為重要的是成骨細胞可以產(chǎn)生破骨細胞的調控因子，如起正向調控作用的NF-κB配體的受體激活因子RNAKL，和起負向調控作用的骨保護素(osteoprotegrin, OPG)。而破骨細胞則主要起源于造血細胞源的單核前體細胞，通過融合形成一種直徑20～100 μm，含有多個細胞核，胞漿富含細胞器的不規(guī)則細胞[10]。 如前所述，成骨細胞分泌的巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor, M-CSF)與受體分子c-Fms結合能誘導破骨前體細胞增殖。此外RANKL與NF-κB受體活化因子(RANK)結合，能激活參與誘導破骨細胞形成的主要轉錄因子，如活化T細胞核因子(nuclear factor of activated T-cells, cytoplasmic 1, NFATc1)，該因子與其他轉錄因子相互作用后，可誘導破骨細胞特異性基因(抗酒石酸酸性磷酸酶，降鈣素受體和組織蛋白酶K等)的表達[11]。

目前認為主要參與骨合成代謝的信號傳導通路有MAPK信號傳導通路、Notch信號通路、Wnt/β-catenin信號通路、BMPs信號通路、PPAR-γ信號通路、TGF-β信號通路、Hedgehog信號通路等[12]；而骨吸收代謝則主要受OPG/RANKL/RANK信號通路、TNF-α信號通路、MITF信號通路、過氧化物酶體增殖物激活受體信號通路等調控[13]。由此可見骨骼系統(tǒng)作為一個代謝活躍的器官，受到眾多生長因子和信號通路的調節(jié)。通過多種細胞因子的相互作用，信號通路正負反饋調控，重新恢復成骨與破骨的平衡，是今后預防和治療骨質疏松癥發(fā)生的一個重要思路。

2 自噬概述

巨自噬的一大特征是包含有雙層膜結構組成的自噬體(autophagosome)，自噬體中包被胞漿成分，如折疊錯誤的蛋白，受損的線粒體等，最終與溶酶體融合形成自噬溶酶體(autophagolysosome)，降解其所包裹的內(nèi)容物，以實現(xiàn)細胞內(nèi)在環(huán)境的更新與能量補充[14]。所有細胞中均存在一定程度的基礎自噬，用于維持細胞穩(wěn)定的基本功能。而當細胞收到外界應激，或內(nèi)部營養(yǎng)和能量需求上升時，自噬將被激活[15]。自噬的激活過程主要分為以下四個部分：① 細胞接受到自噬誘導信號后，在胞漿內(nèi)形成一個雙層的“類脂質體”膜結構，該結構被稱為吞噬泡(phagophore)；② Phagophore不斷延伸，在特定信號誘導下將受損蛋白、細胞器等納入，并形成一個密閉的球狀autophagosome，即自噬體。電鏡下自噬體有其特征性結構：一為雙層膜，二是內(nèi)含吞噬的胞漿成分；③ 自噬體形成后，可與細胞內(nèi)的吞噬泡、吞飲泡和內(nèi)體融合(但并不一定發(fā)生)；④ 自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體(autolysosome)，自噬體所包含的內(nèi)容物被溶酶體中的酶降解，其產(chǎn)物(氨基酸、脂肪酸等)又被重新輸送到胞漿中，供細胞重新利用、或被排除細胞外。

與自噬相關的信號通路主要有mTOR信號通路、PI3K/Akt信號通路、ROS信號通路、NF-κB信號通路等[16]。近年來越來越多研究表明，自噬及其相關信號通路在骨骼系統(tǒng)疾病的發(fā)病過程中扮演著重要角色，有望為其治療提供新的思路。

3 自噬對骨代謝的影響

在一般病理條件下，骨吸收和骨形成平衡被打破是骨質疏松癥的根源所在，而自噬在骨代謝相關細胞的退變過程中均起到重要作用[17]。骨細胞是骨基質中的一種長壽細胞，因此隨著年齡增長，骨細胞會比破骨或成骨細胞積累更多的分子水平損害。而自噬可以幫助清除骨細胞內(nèi)損壞的細胞器、蛋白質大分子等，從而減少衰老對骨細胞功能的負面影響[18]；成骨細胞是促進骨形成的關鍵細胞，其自噬活性的降低會導致骨形成減少、骨骼質量下降，并最終導致骨質疏松發(fā)生[19]；破骨細胞主要參與骨質吸收，與成骨細胞的作用相輔相成，有研究報道[20]糖皮質激素可以通過自噬誘導破骨細胞產(chǎn)生，而抑制破骨細胞自噬則可以阻止破骨細胞成熟，減弱骨質疏松的程度。由此可見自噬在各個環(huán)節(jié)均參與了骨的代謝，自噬紊亂導致了成骨和破骨平衡的失調，從而導致了骨質疏松的發(fā)生。

3.1 自噬對骨細胞的影響

骨細胞是一種定居在骨的礦物基質中的長壽細胞，其處于一個缺氧的微環(huán)境中，因此更容易受到氧化應激的影響。研究表明在這種惡劣的微環(huán)境下，自噬激活是保護其生存的一個重要生理機制[21]。體外的一項模擬體內(nèi)環(huán)境的研究表明，在營養(yǎng)剝奪或低氧狀態(tài)下，類骨細胞可以提高自噬水平以抵抗凋亡[22, 23]。此外，在一項鈣離子誘導的應激實驗中發(fā)現(xiàn)，低氧誘導因子(hypoxia-inducing transcription factor, HIF-1)可以作為自噬的調節(jié)劑來應對低氧環(huán)境。低劑量的糖皮質激素可以引起骨細胞的氧化應激，而被激活的自噬作為一種代償機制可以起到明顯的保護作用[24]。

3.2 自噬對成骨細胞的影響

當成骨細胞進入骨基質后，轉化成骨細胞的過程中自噬發(fā)揮著重要作用。在這一轉化過程中，成骨細胞在形態(tài)上會發(fā)生明顯改變，同時內(nèi)在細胞器的大小和數(shù)目也會發(fā)生變化。已有研究證實在成骨細胞向骨細胞轉化的過程中，細胞內(nèi)的自噬水平明顯提高[25]。其潛在的原因在于激活的自噬為細胞提供了更高效的細胞器更新以及額外的營養(yǎng)能量支持，同時胞漿中的肌動蛋白變得更為豐富，以此來適應基質中的低氧微環(huán)境。事實上，研究也證實自噬的標記物LC3在骨細胞中表達比在成骨細胞中明顯提高，意味著自噬水平更高。此外，體外細胞學研究表明通過藥物抑制自噬后，成骨細胞內(nèi)的氧化應激水平會提高，從而誘導細胞發(fā)生凋亡；而激活自噬可以明顯抑制由氧化應激所引起的凋亡[26]。同樣雌激素可以通過提高自噬從而抑制成骨細胞的凋亡[27]。

3.3 自噬對破骨細胞的影響

近年來，越來越多的研究證明自噬相關蛋白參與了破骨細胞的分化、形成過程。有證據(jù)表明當加入了自噬的一種特異性抑制劑Bafilomycin后，破骨細胞介導的骨吸收被明顯抑制[28]。在一項老鼠的動物實驗中，人為的將P62基因突變后，老鼠表現(xiàn)出與Paget’s病類似的癥狀，即過度的骨轉化容易發(fā)生骨折[28]。此外，在糖皮質激素作用介導的低氧和氧化應激作用下，在破骨形成的過程中自噬水平始終高表達[29]。這些結果均提示了自噬作為一種保護性機制可以促進破骨細胞形成，以及維持其在各種應激狀態(tài)下的生存。

3.4 自噬與骨質疏松關系

最新的一項動物研究表明，在單核細胞中通過氯喹或選擇性的敲除自噬相關基因(Atg7)，降低自噬后可以抑制破骨細胞形成從而減少骨量丟失[30]。相對應的，高劑量的糖皮質激素處理可以降低LC3陽性的成骨細胞，從而減弱成骨活性。而采用硬化骨蛋白(sclerostin)抗體治療后，可以通過激活自噬從而減少由糖皮質激素所誘導的骨流失[31]。由此可見自噬對于骨量的維持非常重要。為了進一步驗證其作用，通過敲除大鼠成骨細胞中的FIP200基因(介導自噬體形成的關鍵基因)后發(fā)現(xiàn)，這些實驗大鼠非常容易罹患骨量減少或骨質疏松。但對于老年大鼠，通過喂飼自噬的激動劑雷帕霉素，可以顯著減輕其骨質疏松的癥狀。

這些研究在動物實驗層面均有力地證明了自噬不足與骨質疏松發(fā)病之間的關系。但在人體研究而言，這方面的證據(jù)還十分有限。在一項納入984名志愿者的基因芯片掃描研究中發(fā)現(xiàn)，自噬相關的調控基因是唯一與橈骨遠端骨密度存在統(tǒng)計學意義相關性的指標。這一結果也暗示自噬信號通路在人類骨質疏松發(fā)病機制中或許發(fā)揮著至關重要的作用[32]。

圖2 自噬與骨代謝關系示意圖Fig.2 The relationship between autophagy and bone metabolism

4 小結

綜上所述，在體外與動物實驗中已充分證實了自噬與骨代謝之間的關系，即自噬的紊亂會引起成骨和破骨平衡失調，從而導致骨質疏松。在今后的研究中，需要進一步在人體中明確自噬在骨質疏松發(fā)病機制中的作用，以期找到新的治療靶點，為骨質疏松癥的治療提供新的思路。