王茜 賈麒鈺 劉澤彪 王鑫 郭建 阿卜杜薩拉木·阿力木江 馬海蓉* 謝增如*

1新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院,新疆 烏魯木齊 830054

2華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院,河北 唐山 063000

1 骨穩(wěn)態(tài)與骨質(zhì)疏松癥

骨穩(wěn)態(tài)是指骨組織通過自身調(diào)節(jié),維持骨形成和骨吸收之間的動態(tài)平衡,以適應(yīng)外界的各種應(yīng)激反應(yīng)。這一過程由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)、成骨細(xì)胞(osteoblasts,OBs)、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞(osteoclasts,OCs)介導(dǎo)[1]。然而,當(dāng)骨形成和骨降解之間的動態(tài)平衡被打破時,就會導(dǎo)致病理情況的發(fā)生。骨質(zhì)疏松癥 (osteoporosis,OP)是一種全身性骨退行性疾病,其最明顯的兩大特征是骨量的逐漸減少和骨力學(xué)性能的顯著退化,最終導(dǎo)致骨脆性增加和骨折的發(fā)生[2]。

近期,中國疾病預(yù)防控制中心與中華醫(yī)學(xué)會骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病分會合作,開展了首次中國居民骨質(zhì)疏松癥流行病學(xué)調(diào)查。結(jié)果顯示,50歲以上人群骨質(zhì)疏松癥患病率為19.2%,65歲以上人群骨質(zhì)疏松癥患病率達(dá)到32.0%[3]。此外,據(jù)相關(guān)研究報道,2015年中國主要用于骨質(zhì)疏松性骨折的醫(yī)療費用為720億元,預(yù)計到2035年將達(dá)到1 320億元,將會給患者家庭和社會造成沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4]。隨著人口老齡化程度的日趨嚴(yán)重,骨質(zhì)疏松癥已成為中國面臨的重要公共健康問題。目前,對于治療OP 的藥物存在治療效果欠佳、副作用明顯、無法改善成骨細(xì)胞增殖分化、難以逆轉(zhuǎn)OP 進(jìn)程等諸多問題[5]。因此,尋找新的治療靶點針對OP進(jìn)行靶向治療以及挽救因OP所致的骨質(zhì)流失不僅具有重大的科學(xué)意義,還存在顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)價值。

2 mTOR、自噬與骨質(zhì)疏松癥的交聯(lián)作用

自噬是真核生物進(jìn)化過程中高度保守的細(xì)胞內(nèi)分解代謝過程,對細(xì)胞內(nèi)受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器加以循環(huán)利用[7]。在生理條件下,自噬促進(jìn)細(xì)胞功能的發(fā)揮,在病理條件下則作為細(xì)胞保護(hù)反應(yīng)發(fā)揮作用自噬過程包括:起始/成核、伸長、成熟、降解四個階段。當(dāng)自噬發(fā)生后,形成一種囊泡結(jié)構(gòu),延伸包裹部分的細(xì)胞質(zhì)形成雙膜小泡,即自噬體。隨后,自噬體與溶酶體膜融合,將運(yùn)送的“貨物”輸送到溶酶體內(nèi)并進(jìn)行降解。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,用于物質(zhì)和能量的合成[8]。研究發(fā)現(xiàn),自噬在維持OBs和OCs的正常生理功能方面起著重要作用。它既能參與到破骨前體細(xì)胞向OCs分化時線粒體活性氧的生成環(huán)節(jié)[9],又可促進(jìn)成骨前體細(xì)胞向OBs分化的過程[10]。

哺乳動物雷帕霉素蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一種高度保守的激酶,是磷脂酰肌醇-3激酶(phosphotylinosital-3 kinase,PI3K)家族中的一員[11],也是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長的控制中樞。其在兩種不同的蛋白質(zhì)復(fù)合體中作為催化亞單位發(fā)揮作用:mTOR復(fù)合體1(mTORC1)和復(fù)合體(mTORC2)[12]。mTOR通過整合多種信號來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成,進(jìn)而影響細(xì)胞的凋亡、生長、自噬等生理過程[13]。研究表明,mTORC1可激活自噬啟動激酶U1k1阻斷AMPK的激活從而抑制分解代謝過程,特別是自噬過程[14]。此外,Martina等[15]學(xué)者發(fā)現(xiàn)mTORC1可通過抑制轉(zhuǎn)錄因子EB(TFEB)的核轉(zhuǎn)位和活性來抑制自噬的發(fā)生。由此可知,mTOR與自噬之間存在著密切的聯(lián)系。

近年來大量研究表明,mTOR與OP的發(fā)生密切相關(guān),且通過自噬途徑發(fā)揮調(diào)控作用[16-18]。mTOR通過整合自噬過程中的上游信號分子,使得mTOR信號通路激活或抑制,從而影響B(tài)MSCs/OBs介導(dǎo)的骨形成、成脂分化、骨細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和OCs介導(dǎo)的骨吸收,進(jìn)而導(dǎo)致骨穩(wěn)態(tài)的改變,促進(jìn)或保護(hù)OP的發(fā)生[16]。目前,mTOR信號在自噬過程中發(fā)揮的多級調(diào)控作用是眾多學(xué)者一致認(rèn)可的。然而,對于mTOR是如何經(jīng)由自噬過程將接收的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至骨穩(wěn)態(tài)過程,從而調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的研究尚處于早期階段。因此,深入了解mTOR通過自噬途徑參與OP進(jìn)展過程中所發(fā)揮的級聯(lián)調(diào)控機(jī)制,能有效地幫助了解OP的發(fā)病機(jī)制,為OP的治療提供更加全面的治療思路,同時也有利于探究新的治療靶點。

3 mTOR通過自噬途徑對骨穩(wěn)態(tài)的作用

3.1 mTOR在成骨細(xì)胞中的調(diào)控作用

正常生理情況下,自噬的水平對于維持OBs的存活至關(guān)重要。體外研究證實,自噬可以抑制氧化應(yīng)激介導(dǎo)的OBs凋亡[19]。多項研究顯示,mTOR信號不僅調(diào)節(jié)OBs的分化,還在OBs或成骨樣細(xì)胞的增殖、凋亡、自噬、能量代謝和多效性功能中起到重要的調(diào)節(jié)作用[16,20]。張森等[21]利用VS-5584抑制劑(PI3K/mTOR激酶抑制劑)對OBs中PI3K/Akt/mTOR信號通路進(jìn)行抑制,發(fā)現(xiàn)OBs中的線粒體功能明顯下降,LC3-II(細(xì)胞自噬標(biāo)志物)蛋白活性增加,增強(qiáng)了OBs的自噬。這表明mTOR在調(diào)節(jié)OBs的自噬水平對于其正常生存至關(guān)重要。Chen等的研究證明[22]骨合成因子Wnt7b通過PI3K-AKT信號激活mTORC1來促進(jìn)成骨分化;而當(dāng)靶向抑制mTORC1信號時,則會阻止Wnt7b誘導(dǎo)ST2細(xì)胞的成骨分化。Xian等[24]發(fā)現(xiàn),胰島素生長因子IGF-1通過激活mTOR信號來促進(jìn)BMSCs的成骨細(xì)胞分化,從而維持適當(dāng)?shù)墓俏⒔Y(jié)構(gòu)和骨密度。類似地,周凡等[18]研究發(fā)現(xiàn),連翹苷可以激活PI3K/AKT/mTOR信號通路,進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞的自噬,并抑制其凋亡。近期研究發(fā)現(xiàn),mTOR/Raptor-S6K1軸通過激活雌激素受體α來調(diào)節(jié)Runx2的表達(dá)促進(jìn)成骨分化[25],表明S6K1是成骨細(xì)胞mTORC1的主要下游調(diào)節(jié)因子,揭示了mTOR/Raptor通過調(diào)節(jié)Runx2表達(dá)促進(jìn)骨形成。

以上研究均表明,mTOR是多個骨合成代謝信號下游的共同效應(yīng)器,并且通過自噬途徑對成骨細(xì)胞的增殖和分化發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控功能。然而,盡管越來越多的研究集中于mTOR信號在骨穩(wěn)態(tài)中的作用,并認(rèn)為mTOR信號的調(diào)控可能是OP發(fā)病機(jī)制的潛在因素,但是關(guān)于mTOR上游信號分子的輸入和激活mTOR下游信號通路的相應(yīng)機(jī)制,以及mTORC1與mTORC2在骨穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮著怎樣的調(diào)控功能尚不明確,仍需進(jìn)一步的研究去闡明mTOR在骨穩(wěn)態(tài)中的生物調(diào)控機(jī)制。

3.2 mTOR信號在破骨細(xì)胞分化和骨吸收中的作用

骨吸收是由終末分化的多核細(xì)胞和破骨細(xì)胞完成的,破骨細(xì)胞來自造血祖細(xì)胞,并從單核細(xì)胞分化而來。目前關(guān)于mTOR信號在破骨分化方面的研究進(jìn)展遠(yuǎn)落后于成骨分化方面,所以mTOR信號在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化中的確切作用尚存在一些爭議。Raptor是mTORC1的核心亞基,Zhang等[26]在特異性敲除Raptor的小鼠中發(fā)現(xiàn),其表現(xiàn)為骨質(zhì)減少、骨斷裂增強(qiáng)。進(jìn)一步從該小鼠骨髓來源的巨噬細(xì)胞中提取破骨細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)破骨細(xì)胞的數(shù)量急劇增加。在細(xì)胞分子層面的研究中發(fā)現(xiàn),mTORC1在破骨細(xì)胞中可以負(fù)調(diào)控活化B細(xì)胞的核因子κ-輕鏈增強(qiáng)子(NF-κB)和T細(xì)胞的核因子細(xì)胞質(zhì)1(NFATc1)的表達(dá)。NF-κB和NFATc1是破骨細(xì)胞形成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,這表明mTORC1可以促進(jìn)骨形成,當(dāng)其缺失后可導(dǎo)致破骨細(xì)胞活化增加。Rictor是mTORC2的核心亞基,Liu等[27]發(fā)現(xiàn)在成骨前體中敲除Rictor基因會損害其成骨分化。Sun等[28]發(fā)現(xiàn)敲除Rictor的BMSCs中RANKL的表達(dá)顯著下調(diào),但OPG和M-CSF的表達(dá)均無顯著變化。這表明mTORC2在BMSCs中通過調(diào)節(jié)RANKL的表達(dá)間接調(diào)控破骨細(xì)胞分化。近期一項研究表明[29],激活mTOR可抑制OCs的分化、融合和吸收活性,但會促進(jìn)單核細(xì)胞和分化成熟的OCs的增殖。以上結(jié)論表明,mTOR可能對破骨細(xì)胞的分化具有直接和間接的調(diào)控作用,但是對于mTOR調(diào)控破骨細(xì)胞分化以及增殖的具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究去闡明。

3.3 mTOR在成脂分化中作用

眾所周知,骨穩(wěn)態(tài)是多方面互相協(xié)同發(fā)揮作用的過程。據(jù)報道,過多的骨髓脂肪細(xì)胞產(chǎn)生可能是影響骨骼健康的一個重要的負(fù)面風(fēng)險因素[30],這表明OP可能與骨髓中脂肪組織的增加有關(guān)[31]。許多體外研究證實,脂肪誘導(dǎo)因子抑制成骨;反之,骨誘導(dǎo)因子阻礙脂肪生成[32]。因此,在骨穩(wěn)態(tài)過程中抑制骨髓成脂分化,同時促進(jìn)成骨,可能也是針對OP的一種治療思路。

核受體過氧化物酶體增殖物激活受體γ (PPARγ)是一種重要的轉(zhuǎn)錄因子。研究表明,mTORC1在PPARγ介導(dǎo)的脂肪形成中起關(guān)鍵作用。當(dāng)OBs靶向過表達(dá)PPARγ時,小鼠的骨量顯著減少,同時成脂分化增加。此外,體內(nèi)研究也證實了這一觀點,當(dāng)成骨細(xì)胞特異性過表達(dá)PPARγ時,可以負(fù)性調(diào)節(jié)雄性小鼠的骨量,并加速雌性小鼠雌激素缺乏相關(guān)的骨質(zhì)流失[33]。另外,Sun等[34]在靶向敲除PPARγ的小鼠中觀察到骨小梁數(shù)增加,并在體外實驗中發(fā)現(xiàn)MSCs和OBs中內(nèi)源性 PPARγ可抑制mTOR信號通路下游因子S6k活性,導(dǎo)致成骨分化降低。這表明PPARγ可以通過直接和間接調(diào)控成骨分化和骨形成,其中直接調(diào)控涉及mTOR途徑的PPARγ調(diào)節(jié),而間接途徑依則賴于脂肪生成的調(diào)節(jié)。

因此,基于mTOR信號在骨重建過程中的重要調(diào)控作用,開發(fā)針對mTOR靶點的藥物對于OP以及OP性骨折的患者的治療有著重大意義。

4 mTOR在骨質(zhì)疏松癥中的治療潛力

如今,mTOR在骨骼生長和發(fā)育過程中的作用逐漸進(jìn)入研究學(xué)者的視野。Shen等[35]對近年來的眾多類型的臨床證據(jù)進(jìn)行整理發(fā)現(xiàn),mTOR信號是各種疾病的新治療靶點,如乳腺癌、結(jié)節(jié)性硬化癥、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等。Tchetina等[36]在臨床前研究中發(fā)現(xiàn)mTOR信號與骨丟失相關(guān),在絕經(jīng)后OP患者中發(fā)現(xiàn)自噬蛋白相關(guān)基因上調(diào)以及mTOR的下調(diào)。依維莫司(BOLERO-2)[37]是一種口服mTOR靶標(biāo)抑制劑,用于治療雌激素受體陽性乳腺癌的臨床III期藥物。Gnant等[38]在一項探索性分析中發(fā)現(xiàn),BOLERO-2可以抑制骨轉(zhuǎn)換水平,并降低乳腺癌骨轉(zhuǎn)移的發(fā)生率,提示mTOR是骨骼調(diào)控的重要靶點。

綜上所述,mTOR信號是調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的重要靶點。本文綜述了近年來mTOR信號在成骨、成脂以及破骨分化介導(dǎo)的骨穩(wěn)態(tài)中的作用,強(qiáng)調(diào)mTOR信號在骨穩(wěn)態(tài)中所發(fā)揮的調(diào)控作用。此外,mTOR與自噬密切相連,通過介導(dǎo)IGF、Wnt和BMP信號通路深度參與骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié),從而發(fā)揮調(diào)控BMSCs的成骨、成脂分化以及調(diào)節(jié)骨吸收的功能(圖1)。因此,全面了解mTOR信號通過自噬途徑在OP中的調(diào)控機(jī)制,探索在自噬過程中觸發(fā)mTOR信號的上、下游效應(yīng)物,并進(jìn)一步闡明其在介導(dǎo)骨穩(wěn)態(tài)過程中mTOR復(fù)合體的生理或病理功能,對于精準(zhǔn)開發(fā)預(yù)防和治療OP的藥物具有重大科學(xué)意義和社會價值,這也必然是未來一段時間內(nèi)的熱點科學(xué)問題。

圖1 mTOR信號分子轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖