梁傳財，易鵬，邱波

武漢大學人民醫(yī)院骨關節(jié)外科，武漢430060

骨關節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種退行性關節(jié)疾病，涉及局部軟骨丟失、骨贅、軟骨下骨硬化、滑膜增厚以及關節(jié)周圍韌帶和肌肉的結構改變[1?2]。目前，有研究表明，OA的發(fā)病機制涉及機械應力、炎癥、代謝等因素，導致關節(jié)及周圍組織破壞[3]。衰老、肥胖、關節(jié)錯位、關節(jié)損傷、晶體沉積等因素均與OA的發(fā)生發(fā)展密切相關[3?4]。臨床實踐表明，OA通常會合并代謝性疾病，如糖尿病、脂質代謝異常等，且這些疾病會進一步加速OA的進展[5]。脂質代謝異常在OA進展中的作用逐漸引起了臨床的關注，軟骨細胞脂質代謝異?？梢l(fā)關節(jié)慢性炎癥，導致軟骨細胞降解、自噬異常等病理改變。AMP活化的蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）活化后可改善OA患者軟骨細胞脂質代謝。通過調(diào)節(jié)軟骨細胞脂質代謝酶、自噬功能緩解關節(jié)周圍炎癥，增加線粒體生物化學功能等。過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferatoractivated receptorγ，PPARγ）和過氧化物酶體增殖物 激 活 受 體γ共 激 活 因 子1α（peroxisomal proliferator-activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α）轉錄因子也可通過調(diào)節(jié)脂代謝相關的酶及相關的基因影響骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化和緩解關節(jié)周圍炎癥反應。另外，AMPK與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silent information regulator 1，SIRT1）的激活及互相影響對PPARγ、PGC-1α的信號轉導及生理功能發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。本文通過綜述AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α軸及其相關因子在OA主要病理改變中的作用，旨在為進一步探究OA發(fā)病機制和制定有效治療方案提供理論依據(jù)。

1 脂質代謝在骨關節(jié)炎發(fā)病機制中的作用

研究發(fā)現(xiàn)，OA發(fā)病機制較復雜，如退行性大小關節(jié)磨損、遺傳因素、慢性炎癥、免疫機制、自由基與氧化應激、線粒體功能障礙、糖代謝異常及脂質代謝異常等[6?8]。其中脂質代謝異常是OA的重要發(fā)病機制之一。研究發(fā)現(xiàn)，膽固醇和脂肪酸與關節(jié)軟骨生理病理密切相關[9]。膽固醇在軟骨細胞膜結構中發(fā)揮重要作用。脂肪酸在軟骨中可轉化為類二十烷酸，包括ω-3和ω-6脂肪酸，均是環(huán)氧合酶和脂氧合酶的底物。ω-3脂肪酸的衍生物產(chǎn)物具有抗炎特性，ω-6的衍生物產(chǎn)物有促炎和促血栓形成的作用[10]。ω-6脂肪酸可維持細胞膜的結構和功能，因此，保持ω-6與ω-3比例適當具有重要意義[11]。磷脂對于正常軟骨保護也具有重要作用。磷脂不僅是細胞膜的成分，還是滑液中的關鍵分子，在關節(jié)潤滑中起主要作用，以保護軟骨表面。磷脂酰乙醇胺、磷脂酰膽堿和鞘磷脂是關節(jié)軟骨邊界潤滑劑的主要成分[12]。因此，脂質對于軟骨生理是必不可少的，軟骨細胞脂質代謝改變可導致關節(jié)病理改變。研究證明，ω-3脂肪酸對類風濕關節(jié)炎等炎癥疾病具有有益作用[10]，但在OA中尚鮮見報道。最近一項研究表明，體內(nèi)ω-3脂肪酸的總量與股骨軟骨喪失呈負相關，而ω-6脂肪酸與股骨軟骨喪失無明顯相關性[13]。另外，以富含ω-3脂肪酸的飲食喂養(yǎng)OA動物模型，結果顯示病理評分降低，糖胺聚糖含量增加，變性的Ⅱ型膠原蛋白減少，基質金屬蛋白-2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）活性降低[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠體內(nèi)ω-6和ω-3脂肪酸的比例降低，會延緩OA的進展[15]。因此，ω-3脂肪酸對OA可能具有有益作用。軟骨脂質成分的變化與疾病的嚴重程度相關，在OA晚期，總脂肪酸增加44%[16]。OA患者軟骨中脂質沉積會使體內(nèi)活性氧增加，發(fā)生脂質過氧化[17]，進而導致軟骨降解和OA發(fā)病，其可誘導膠原氧化和裂解及MMP-13的活性降低[18]。因此，抗氧化劑處理不僅可通過減少活性氧治療OA[19]，而且可通過抑制脂質過氧化發(fā)揮作用。目前，軟骨細胞脂質代謝異?？赏ㄟ^以下途徑導致骨關節(jié)炎的病理改變：①促進炎癥反應和血栓形成；②抑制關節(jié)潤滑；③抑制代謝酶活性；④促進軟骨細胞降解；⑤自噬異常。因此，通過改善軟骨脂質代謝異常，不僅可維持OA的正常生理功能，還對延緩OA病理改變有重要意義。

2 AMPK對OA軟骨細胞脂質代謝的作用

AMPK是細胞代謝和能量平衡的關鍵調(diào)節(jié)劑，廣泛存在于軟骨細胞中，作為能量傳感器和調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中起重要作用。AMPK及其調(diào)節(jié)性上游激酶絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶11（serine/threonine protein kinase 11，STK11）的活性在老年患有OA大鼠軟骨細胞中均降低[20]。在人OA關節(jié)軟骨細胞中也可觀察到AMPK活性降低[21]，AMPK活性降低與線粒體的生物學功能降低相關[22]。AMPK可通過靶向調(diào)節(jié)PGC-1α及其下游信號分子（如CPT-1、MCAD、PPAR-α、PPARγ等）調(diào)節(jié)脂肪酸氧化代謝[23]。肉毒堿棕櫚?；D移酶（carnitine palmityl transferase 1，CPT1）和中鏈脂肪酰輔酶脫氫酶（medium chain adipoyl coenzyme dehydrogenase，MCAD）是2種負責調(diào)控脂肪酸合成和氧化代謝的關鍵酶，CPT-1和MCAD主要調(diào)控長鏈脂肪酸進入線粒體并影響脂肪酸氧化代謝速率[24]。脂肪酸可通過激活MAPK信號通路引起成骨細胞和軟骨細胞增殖的增強[25]。另外，AMPK可通過對軟骨細胞自噬的調(diào)節(jié)維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，去除非正常細胞器和蛋白[26]。自噬也參與能量代謝，并在脂質代謝中起關鍵作用。自噬在控制膽固醇、硬脂酸等脂質代謝中發(fā)揮主要作用[27]。脂質也參與自噬途徑的形成，如細胞自噬功能失活，脂質會在細胞中積聚[28]。已有研究證明，芳香烴受體（aromatic hydrocarbon receptor，AHR）的激活可以誘導脂質蓄積[29]。研究表明，β?腎上腺素能受體激動劑可通過激活RAB7基因引發(fā)溶酶體降解以誘導脂肪吞噬的激活[30]。另外，在營養(yǎng)不足的情況下，RAB7基因可將自噬小體和溶酶體均引導至脂質表面以協(xié)調(diào)脂肪吞噬[31]。研究發(fā)現(xiàn)，伊曲康唑會干擾膽固醇的運輸，從而抑制自噬中的過程[32]。脂質也可能影響自噬的活性，β細胞中脂肪的快速增加可誘導自噬，而長期脂質過多可抑制自噬[32]。這些結果表明脂質代謝和AMPK及自噬活性密切相關。綜上所述，AMPK活化后直接或間接參與了調(diào)節(jié)軟骨細胞的脂質代謝。

3 PPARγ對OA軟骨細胞脂代謝的作用

PPARγ是調(diào)節(jié)目標基因的核內(nèi)受體，是一種配體激活的轉錄因子，廣泛表達于心臟、肝臟和骨骼肌等[33]。研究表明，PPARγ也存在于大鼠軟骨細胞原代培養(yǎng)的細胞質中[34]。長鏈多不飽和脂肪酸和代謝產(chǎn)物是核受體PPARγ的配體，可作為骨髓間充質干細胞、成骨細胞和破骨細胞的轉錄因子調(diào)節(jié)脂質代謝[35]。二十五碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）與成骨細胞分化和成熟密切相關，其抗炎作用主要是通過對PPARγ信號的調(diào)整以減少炎性細胞因子白細胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor，TNF-α）和抑制環(huán)氧合酶的活性，減輕OA關節(jié)周圍炎癥反應[36]。另外，ω-6脂肪酸是PPARγ的激活劑，體內(nèi)ω-6/ω-3脂肪酸比例降低會阻止PPARγ激活，從而促進成骨細胞增殖，加快OA關節(jié)組織修復[37]。白色脂肪可合成分泌瘦素（1eptin，LEP），LEP具有多種功能，屬于可溶性膠原超家族成員[38]。PPARγ是LEP信號轉導通路中的重要信號分子，PPARγ可上調(diào)LEP表達。最新一項研究證明，老年人關節(jié)軟骨薄厚程度和血清LEP水平呈負相關，即隨血清LEP水平增高，關節(jié)軟骨厚度減少。PPARγ激動劑羅格列酮可激活肥胖小鼠體內(nèi)的PPARγ受體，同時使LEP體內(nèi)水平下降，而LEP水平較低時可促進關節(jié)軟骨增殖[38]。上述結果表明，激活OA患者PPARγ表達，對OA治療有一定幫助，并可維持關節(jié)軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)和抑制軟骨細胞凋亡。綜上所述，PPARγ可通過脂質代謝的調(diào)節(jié)，影響軟骨細胞的增殖。

4 PGC-1α對OA軟骨細胞脂代謝的作用

PGC-1α為PGC-1家族的一員，為核轉錄輔助激活因子，可與PPARγ共同作用，增強基因轉錄活性[39]。PGC-1α也是軟骨細胞中線粒體生物氧化和代謝的關鍵調(diào)節(jié)劑，對調(diào)節(jié)軟骨細胞能量代謝發(fā)揮重要作用，并與各種關節(jié)退行性疾病相關。在人關節(jié)軟骨中，可檢測肝X受體（liver X receptor，LXR），是一種氧化膽固醇衍生物傳感器，可激活重要基因的轉錄，從而保護細胞免受膽固醇超載的影響[40]。該受體在軟骨細胞分化過程中被調(diào)節(jié)，在OA軟骨中表達下降，導致膽固醇轉運障礙，從而在OA關節(jié)表面大量沉積[41]。PGC-1α可 促 進LXR基 因 轉 錄 表 達[42]，提 示PGC-1α可通過促進LXR基因的表達調(diào)節(jié)軟骨細胞膽固醇代謝穩(wěn)態(tài)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，PGC-1α可通過對MCAD、CPT-1和PPARγ mRNA的表達水平的調(diào)控調(diào)節(jié)骨骼肌脂肪酸氧化代謝[24]。因此，PGC-1α表達上調(diào)可通過上調(diào)LXR基因表達改善OA軟骨膽固醇代謝，表明PGC-1α在OA病理改變中的作用與其調(diào)控OA軟骨膽固醇代謝相關。

5 AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α軸及其相關因子在OA脂質代謝中的作用

SIRT1是Sirtuins家族成員之一，可與多種信號通路及相關因子相互作用，使組蛋白、賴氨酸殘基及轉錄因子去乙?；?，發(fā)揮調(diào)控基因的作用[43]。SIRT1不僅可調(diào)節(jié)細胞新陳代謝，抗衰老、抗凋亡[44]，也是脂質代謝的重要調(diào)節(jié)因子，與AMPK在控制軟骨細胞脂質代謝調(diào)節(jié)中關系密切，共同發(fā)揮重要作用[45]。SIRT1可直接使肝激酶B1脫乙?；?，進而激活AMPK信號通路；同時，AMPK可促進細胞煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的表達，誘導SIRT1激活[46]。有研究表明，抑制SIRT1可上調(diào)膽固醇調(diào)節(jié)元件蛋白2和膽固醇合成限速酶3-羥基3-甲基戊二酸單酰輔酶A基因表達[47];另外，SIRT1可通過對LXRα的賴氨酸K432位點去乙?；蛘{(diào)節(jié)LXRa，進而增強載脂蛋白A1的表達，抑制SIRT1可降低LXRa及其下游靶因子載脂蛋白A1的表達，導致其介導的膽固醇流出減少[48]。此外，AMPK激活可促進SIRT1活性的增加，進而調(diào)節(jié) 關 節(jié) 軟 骨 中PGC-1α的 表 達。PGC-1α與PPARγ相互作用對軟骨細胞脂質代謝相關因子起調(diào)控作用，可促進膽固醇代謝和脂肪酸氧化相關基因的表達，進而調(diào)節(jié)關節(jié)軟骨脂質代謝紊亂[37，40]。

AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α途 徑 在OA軟骨脂質代謝中發(fā)揮重要作用，促進其傳導以緩解OA軟骨細胞脂質代謝紊亂。有研究表明，AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α途徑的激活可逆轉膽固醇在骨關節(jié)炎關節(jié)軟骨面的大量沉積，主要通過上調(diào)LXR的表達，促進軟骨膽固醇轉運發(fā)揮作用[40]。SIRT1激活后可通過抑制PGC-1α乙?；痛龠MPGC-1α活性，進而促進軟骨細胞膽固醇代謝，改善OA軟骨脂質代謝。綜上所述，AMPK與SIRT1的激活及相互作用能介導PPARγ、PGC-1α的信號傳導及生理功能，并在改善軟骨細胞脂質代謝中發(fā)揮重要作用，對OA的發(fā)生發(fā)展起重要調(diào)節(jié)作用。

6 AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α軸及其相關因子在OA其他病理改變中的作用

關節(jié)軟骨中糖基化終產(chǎn)物的積累是OA的主要危險因素，采用糖基化終產(chǎn)物處理關節(jié)軟骨細胞可促進白細胞介素-1β和腫瘤壞死因子表達，進而導致關節(jié)周圍炎癥[52]。有研究發(fā)現(xiàn)，糖基化終產(chǎn)物通過AMPK/SIRT1/PPARγ途徑誘導人關節(jié)軟骨炎癥反應[52]。線粒體生物發(fā)生功能在人OA軟骨細胞中缺乏時會促進軟骨細胞的分解代謝反應，研究證明，激活AMPK/SIRT-1/PGC-1α途徑可逆轉這種分解代謝反應[53]。同型半胱氨酸的表達增加可誘導線粒體功能障礙并引起骨代謝紊亂，高濃度的同型半胱氨酸可抑制AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α途徑，進而促進白細胞介素-1β、環(huán)氧化酶-2和金屬基質蛋白酶-13表達，從而對軟骨細胞產(chǎn)生有害影響[54]。

7 展望

研究表明，AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α軸可調(diào)節(jié)線粒體生物功能，改善細胞能量代謝，防止細胞內(nèi)環(huán)境失調(diào)和死亡的作用；還具有調(diào)節(jié)細胞自噬的功能，防止軟骨細胞損傷和凋亡，進而延緩骨關 節(jié) 炎 的 發(fā) 生 發(fā) 展[21，39]。AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α軸還可對軟骨細胞脂質代謝進行調(diào)節(jié)，改善軟骨細胞周圍慢性炎癥，線粒體生物功能及自噬異常等，從而在骨關節(jié)炎病理改變中發(fā)揮作用。因此，進一步探究AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α軸在骨關節(jié)炎脂質代謝中的作用，明確該軸相關因子的相互作用關系，并通過藥物對其中一個或多個因子進行干預，將有望為防治骨關節(jié)炎提供新的靶點。