细胞自噬在骨关节炎中作用机制的研究进展

乐意，张长春，周平辉，叶雨辰，张知理，赵春

(蚌埠医学院第一附属医院骨科，安徽 蚌埠 233000)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)作为影响现代居民生活的慢性、退行性的严重疾病之一，是力学和生物学因素共同作用下软骨细胞、细胞外基质、软骨下骨合成与降解的正常偶联失衡导致关节软骨异常塑形重建的结果[1]。其最重要的标志就是关节软骨的退行性改变和关节边缘、软骨下骨的硬化以及滑膜的炎症增生等[2]。OA患者，尤其是老年患者在治疗后或者未治疗后的生活质量都会出现严重下降，并且给患者和社会带来巨额的经济负担。根据数据显示，在北美、欧洲及大洋洲一些国家中，该类疾病的治疗费用占到了这些国家全年GDP的1.0%～2.5%[3]。因此，对于寻找OA新的治疗方向具有重要的意义。

1 自噬体的形成过程

细胞自噬作为细胞新陈代谢的一种方式，其通过细胞内溶酶体的分解代谢来降解细胞质内的细胞器、大分子等物质，从而产生氨基酸或其他小分子来实现细胞成分的循环利用[4]。目前，根据细胞物质运送到溶酶体内的方式不同，将细胞自噬分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬三种类型[5]。广泛意义上的细胞自噬是指巨自噬，巨自噬既是三种自噬类型中最为常见也是目前研究最为广泛的[6]，巨自噬的形态学特征是在细胞电镜下出现大量双层膜结构[7]。

自噬体的形成过程是细胞自噬活动的重要环节，人类第一次发现自噬体结构的编码基因即自噬相关基因是在酵母中发现的。研究表明，自噬相关基因(autophagy related genes，ATG)大约有35种[8]，每一种ATG在自噬体的形成过程中各自通过表达不同的蛋白质来发挥作用，从而形成最终的自噬体，这也是自噬体活动的最重要的形态学特点。不同的蛋白复合体在自噬的起始过程中扮演重要角色，其中研究的比较多的是雷帕霉素复合-1(mammalian target of rapamycin，mTOR-1)[9]。在细胞营养消耗时，mTOR-1被抑制，从而形成自噬相关基因ULK1-ATG13-FIP200复合体(unc-51 like kinase 1-autophagy related genes-fak family kinase interacting protein of 200kDa，ULK1-ATG13-FIP200)复合体，这一复合体是自噬活动中诱导产生自噬正调控蛋白复合体的关键。自噬正调控蛋白是提高自噬活动性的重要调节蛋白，ATG5和ATG12通过结合来控制延长过程，最后ATG5和ATG12复合体通过与微管相关蛋白相连形成微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain3，LC3)即自噬体标记蛋白。不溶解的LC3连接到自噬体膜上，这些ATG表达的蛋白在自噬体形成的各阶段中相互作用，共同形成最终的自噬体。自噬体活动时通过与溶酶体融合降解细胞代谢分解的产物，再重吸收合成新的大分子。其中重要的调节因素包括哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路、丝氨酸或者苏氨酸激酶、P62等。

2 OA的病理变化和发病特点

2.1 OA的诊断标准 一般我们将OA分为原发性及继发性，原发性OA指无明显原因的骨关节炎，继发性OA指某些可以加速关节软骨退变的疾病基础上继发的退行性关节病变。临床常见的先天性髋关节发育不良的儿童以及创伤性关节炎也是一种继发性OA。目前临床上对于骨关节炎的患者诊断主要依靠综合患者的病史、临床症状、体征、关节滑液及影像学表现等，典型患者会出现明显的关节软骨退变、软骨下骨质改变等表现，随着影像技术的发展，MRI对于诊断关节软骨及软骨下骨质的变化敏感性较高[10]，但关节镜仍然是较为准确的判断关节软骨损伤的方法。骨关节炎症状有时候是很不典型的，这就需要结合病史、影像学资料和实验室检查综合判断，否则很容易造成患者的漏诊和误诊。

2.2 OA的病理变化 OA被认为是非常复杂的多因素疾病，包括关节软骨、软骨下骨、关节囊、滑膜以及周围肌肉[11]等组织综合参与了OA的病理变化过程。在正常的关节软骨中，软骨细胞以缓慢但连续、周而复始的速度合成和更新基质成分。当发生OA时，初期关节软骨基质内蛋白多糖减少，软骨表面的胶原纤维变性退化，之后随着患者关节活动，软骨表面反复摩擦导致软骨表面破坏，软骨下骨皮质显露，关节间隙变窄；随着疾病发展，软骨细胞新陈代谢加快，软骨间质不断破坏，软骨表面亮白色泽逐渐暗淡，甚至进一步发生软骨软化、剥脱以及碎裂。软骨细胞的破坏导致了关节软骨退行性改变。另外，软骨下骨骨密度发生改变，滑膜血管翳的形成，关节囊增厚和变性，都导致了关节出现纤维性僵硬，关节出现不稳，进而严重影响了关节活动度。在OA的病理过程中既有关节软骨的退行性改变，又有关节形态学的修复、负重表面的重新分布和稳定性的重建，但实际上过度活跃的细胞产生的正常或异常成分反而会加重病情，修复过程并不能与正常软骨组织中的修复过程一样作用，破坏程度远较修复快，从而使关节面逐渐被破坏[12]。

2.3 OA的发病特点 软骨细胞通过维持合成与分解代谢的动态平衡来保持软骨细胞外基质的结构和功能的完整性，在OA发病初期，随着软骨细胞外基质结构和功能的完整性被破坏，软骨下骨皮质显露，而机体通过自我修复使骨皮质表面重新覆盖新软骨修补区并延伸至边缘形成骨赘。有研究表明，骨赘形成是骨关节炎的主要病理改变[13]。

OA关节软骨中的蛋白多糖含量下降，导致细胞外间质组成成分的比例和分子链的变化，使得细胞外间质结构的完整性得到破坏，细胞外间质的完整性对于关节软骨来说具有十分重要的作用。

有国外学者研究显示，OA患者关节骨赘中成骨细胞较正常的软骨下骨成骨细胞能产生更多炎症因子，正是这些炎症因子通过信号通路表达炎性蛋白来影响OA的发生和发展[14]。最近研究证实，软骨下骨的病理变化始终贯穿于OA的发生和发展之中，阻断这些炎症蛋白等的表达是研究OA的发生发展甚至是治疗的新途径[15-17]。

3 OA的治疗

OA一般分为保守治疗及手术疗法。保守治疗方案根据受累部位的不同而不同，常见的治疗方法包括适量活动、间断休息以及关节制动，还包括肌力的锻炼、减少关节负荷和非成瘾性止痛药物的应用。手术治疗根据不同部位关节的解剖特点、严重程度和患者的要求而定，常见的手术方法包括关节镜手术、截骨术、软骨成形术、关节清理及融合术和人工关节置换术。各种手术方式有相应的手术指证，本文不再做过多陈述，但手术的最终目的都是为了减轻患者的疼痛、矫正畸形和改善功能。

4 细胞自噬在OA中的调控

4.1 细胞自噬与OA的发生 当病变关节发生OA时，相应的病变关节会出现关节软骨的退行性改变。目前，普遍认为导致关节软骨退化的几个影响因素包括年龄、肥胖、畸形、细胞外基质分解代谢的异常和软骨细胞的凋亡的失能。其中，软骨细胞对保持关节正常的新陈代谢具有重要的作用，它是关节软骨中唯一的细胞形式[18]。随着OA的发展，软骨细胞新陈代谢异常导致合成代谢减少、分解代谢增加、细胞外基质降低，导致软骨细胞出现大量凋亡、软骨退化、关节功能下降。同时伴随着软骨细胞凋亡，大量的基质金属蛋白酶和血小板反应蛋白增加，加重了软骨细胞的分解代谢和软骨的退变。自噬-溶酶体途径主要是负责大分子物质、失活的细胞器及微生物等的降解，这与软骨细胞外基质的降解密切相关[19]。蛋白聚糖作为细胞外基质的重要组成部分，在软骨细胞的增殖与分化中具有十分重要的作用[20-21]。当软骨细胞发生退变时，蛋白聚糖会发生减少，降解蛋白聚糖则需要硫酸酯酶的参与，而激活硫酸酯酶则需要硫酸酯酶修饰因子1(sulfatase-modifying factor 1，SUMF1)的参与[22]。硫酸酯酶活性下降导致的主要后果就是大量硫酸化的底物在溶酶体内堆积[23]，而人类SUMF1的失活会出现严重的骨质破坏。实验研究发现，在活的小鼠关节软骨内，伴随着SUMF1的失活，生长板中能观察到自噬体数量大幅度增加[24]。小鼠内敲除SUMF1表现为严重的侏儒表型，在这些小鼠的原代软骨细胞中，自噬体和溶酶体以及LC3出现了大量的堆积，这些与自噬晚期受抑制的表现相似[25]。

4.2 细胞自噬与细胞凋亡的关系 正常机体细胞自噬水平一般较低，当机体内环境发生改变，细胞自噬在细胞内的活动会发生变化，自噬体含量会增加或者降低。对于细胞自噬和细胞凋亡的关系，多年来研究证明二者之间的关系是很复杂的，但二者均是平衡细胞体内平衡和死亡的基本生理过程，无论自噬体含量增加或降低都会导致细胞异常凋亡，从而使软骨细胞遭到破坏。对于OA患者来说，当软骨细胞出现损伤时，细胞出现凋亡过程从而导致关节软骨的退变和随后的OA发展，而自噬则可以抑制软骨细胞的损伤，从而减轻OA的进展[26]。

4.3 自噬的调控 研究证实，细胞自噬可以通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)、自噬正调控蛋白复合体(Beclin-1)、沉默信息调节因子1(silent information regulator，SIR-1)为主的多种信号途径来进行调控[27-31]。

4.3.1 自噬负调控分子 研究表明mTOR参与自噬形成的全部过程，它作为提供能量代谢信号的感受器，是反映细胞的营养状态的重要信号分子，通过抑制mTOR的合成或者其他影响mTOR含量下降的因素，均会导致关节软骨细胞自噬活动的增加[27]，普遍认为mTOR是调节细胞生长、增殖以及自噬等上游信号转导通路的汇合点。研究表明，mTOR可分为对雷帕霉素敏感的mTORC1和不敏感的mTORC2，mTORC1是调节细胞自噬的主要蛋白，而且mTORC1的活性受细胞对氨基酸摄入水平和细胞能量状态的影响。研究还发现在OA的小鼠模型中给予雷帕霉素抑制mTORC1可促进细胞自噬基因LC3的表达，从而显著降低OA的表达水平，增强自噬活性[28]。

4.3.2 自噬正调控分子 自噬正调控蛋白复合体(Beclin-1)作为ATG家族一员对自噬调节具有重要作用，Beclin-1在细胞内各种细胞器表面形成蛋白复合体，包括内质网、线粒体以及核膜，这一蛋白复合体在这些地方开始参与自噬体的构成[29]。磷脂酰肌醇3-激酶c3(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3Kc3)和磷脂酰肌醇3-激酶R4(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3KR4)分别有激活酶和调节活性作用。抗紫外线相关蛋白和ATG14L能使beclin-1局限于自噬体和晚期内体内。ATG14L也可以使自噬相关基因(Unc-51 like kinase 1，ULK1)磷酸化，提高PI3K在复合体中的活性[30]。细胞自噬相关正性调节蛋白1(activating molecule in BECN1-regulated autophagy protein 1，AMBRA1)通过使ULK1泛素化引起ULK1二聚化并提高其活性。Beclin-1复合体的PI3K激活能是IP3含量增加，而IP3通过与其受体结合提高细胞内钙离子水平，从而使钙调蛋白激酶激酶2(calmodulin-dependent protein kinase kinase 2，CaMKK2)激活，然后CaMKK2磷酸化激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)。AMPK是产生自噬体的重要激活酶。实验研究表明AMPK能使mTORC1中的骨架蛋白磷酸化从而抑制mTOR的功能活性[31]，提高自噬水平。

4.3.3 自噬的第3种调控分子 沉默信息调节因子1(silent information regulator，SIR-1)与各种细胞代谢相关性疾病如糖尿病、肿瘤、炎症等的发病关系密切[32]，是沉默信息调节因子2的哺乳动物同系物，现已被发现是OA发病机制中的关键调节因子[33]。常俊等[34]实验人员釆用免疫组化分析三组模型(老年组、OA组和青年组)中SIR-1的表达情况，结果显示：老年组和OA炎组蛋白均过低表达，通过釆用的激动剂和抑制剂改变软骨细胞内源性的活性，再利用去乙酰化活性检测试剂盒检测时发现在SIR-1活性被抑制时，青年组软骨细胞自噬能力出现明显减弱。当SIR-1活性增强时，骨关节炎组自噬能力出现了明显减弱，但老年组软骨细胞自噬能力反而出现明显增强。自噬在软骨细胞中发挥两种不同的作用，在软骨退变前期可通过细胞自噬作用使损伤的细胞再修复，起到一种自噬性保护作用。随着软骨进一步退变，自噬能力随之出现减弱，软骨修复能力也伴随着出现下降。在OA炎晚期患者中，软骨细胞内自噬可能启动了自噬性死亡机制，导致软骨细胞死亡加剧了软骨破坏。整个过程中细胞自噬均参与了软骨细胞代谢调节，在OA早期软骨退变不明显时通过调节细胞自噬水平能够延缓软骨老化；而在OA晚期通过减少软骨细胞自噬性死亡同样能够阻碍软骨细胞大面积凋亡，防止出现关节软骨进一步破坏。

5 结 论

目前OA的治疗对于患者来说需要负担的成本仍然很高，而且远期疗效也很不乐观，因此对于细胞自噬活动的研究就有着十分重要的意义。随着对细胞自噬活动研究的深入，自噬活动对于OA患者软骨细胞的生长、代谢等方面的研究认识逐渐开始清晰，这为治疗OA甚至是类似于OA的软骨细胞疾病提供了新的思路。期待全世界的各位学者通过对自噬体及其活动的更加深入的研究，系统阐明如何调节自噬活动来探索可能对治疗骨关节炎有效的新方法。但是自噬体含量持续增加是否会对软骨细胞的内环境稳态有积极的作用，这还需要具体的实验探索，单一的自噬体调节对OA的治疗能否起决定性作用仍需要我们去进一步的实验研究。