AMPK相关代谢机制在非创伤性股骨头坏死中的研究进展

陈彦同,周明旺,李盛华,*,胡星荣,刘一飞,赵秋玥,王鹏志,苏耀辉

(1．甘肃中医药大学中医临床学院,中国甘肃兰州730000;2．甘肃省中医院骨科,中国甘肃兰州730050)

非创伤性股骨头坏死(non-traumatic osteonecrosis of the femoral head,NONFH)是常见的骨关节疑难病之一,多发于中青年人群,表现为髋关节骨性关节炎及后期的股骨头缺血坏死、负重区的塌陷等[1]。2012年6月至2013年8月,一项针对中国人群的数据调查显示国内大约有812万人患有此病[2]。当前,该病虽在病因、发病机制等方面有了一定的研究进展,但其发病机制仍未明晰。从分子生物学角度深入探讨其坏死机制,寻找防治措施及治疗靶点,是该病研究的热点之一。腺苷酸活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是细胞内主要的能量感受器,对细胞内能量及代谢具有调节作用,同时AMPK作为脂肪合成转录因子调节激酶,是调节脂质代谢、骨代谢的重要因子之一,能够调节人体脂质、骨骼肌等的能量代谢,此外其对血管新生、心肌缺血也具有调节作用[3～4]。由此可见,激活或抑制AMPK可能与脂质代谢紊乱、骨质疏松等诱发的NONFH密切相关。

1 AMPK的结构和功能

1.1 AMPK的结构

AMPK 是一种由 3 个亚单位(α、β、γ)组成的三亚单位异源三聚体复合物,结构较为稳定,存在于所有真核生物中[5～7]。在3个亚单位中,α亚单位起催化作用,β和γ亚单位具有调节作用,每个亚单位均有各自的异构体亚型,即 α1、α2、β1、β2、γ1、γ2 和 γ3。α1、γ1 和 γ2 亚型在不同组织中广泛表达,α2和β1主要在心肌、肝脏和骨骼肌中表达,而γ3仅在骨骼中表达[8]。AMPK信号通路的激活或调节需要催化亚基及调节亚基的参与,催化亚基及调节亚基分别与不同末端的亚单位结合,其中γ亚基由4个串行重复的胱硫醚β合酶结构域组成,通过结合AMP、ADP和ATP调节AMPK的活性;α亚基、β亚基及γ3亚基通过与AMPK激动剂或抑制剂结合,激活或抑制AMPK信号通路。研究报道,5-氨基-4甲酰胺咪唑核糖核苷酸(AICAR)可与AMPK的γ亚基结合而模拟AMP对AMPK的变构激活作用[9];人体中的AMPK在饥饿和缺氧等应激状态下被激活,通过AMP/ATP比值的变化来调节并影响细胞代谢及其活性[10]。由此可以看出AMPK自身的生物学结构决定了其在人体中的功能。

1.2 AMPK的功能

AMPK的激活是通过直接磷酸化其α亚单位上的Thr-172来完成的。研究发现AMPK的上游激酶有3种以上,包括肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)、转化生长因子活化激酶1(transforming growth factor-activated kinase 1,TKA1)、钙调蛋白依赖性蛋白激酶(calmodulin-dependent protein kinase,CaMK)等[11]。AMPK作为细胞能量代谢的传感器,可因代谢应激引起的细胞AMP/ATP比值上升而激活,随后抑制消耗ATP的合成代谢途径,启动产生ATP的分解代谢途径。AMPK通过将3个腺嘌呤核苷酸AMP、ADP和ATP竞争性结合到其γ亚单位的γ1、γ2和γ3三个位点来感知细胞的能量状态,而γ亚单位又反过来调节α亚单位激酶域的活性。目前,对腺嘌呤核苷酸结合和差异性腺嘌呤核苷酸激活或抑制AMPK活性机制的理解主要源自人们对AMPK在不同活性状态下的晶体结构的解析[7]。

研究证实PDX(protectin DX)-AMPK轴对H2O2诱导的血管内皮细胞氧化应激具有保护作用,PDX可显著提高AMPK的磷酸化水平,同时明显减少H2O2诱导的细胞凋亡[12]。另有研究报道,AMPK的激活可增强骨髓间充质干细胞的活性,促进成骨分化,抑制脂肪生成,起到调节骨代谢、脂代谢的作用[13～15]。上游激酶在人体应激状态下激活AMPK,并作用于下游相应的基因来调节人体脂质代谢、骨代谢等代谢性疾病。纤溶酶原激活物抑制剂-1(plasminogen activator inhibitor-1,PAI-1)是AMPK的下游因子之一,其表达水平与肥胖、脂质代谢密切相关,在血栓形成前和脂质代谢异常的状态下,PAI-1水平升高,而AMPK则通过激活或抑制状态调控PAI-1等下游因子,从而作用于NONFH[16]。此外,我们通过KEGG数据库得知AMPK下游调控因子固醇调节元件结合蛋白1c(sterol regulatory element binding protein 1c,SERBP1c)、脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase,FAS)等参与脂质代谢的调节。总的来讲,AMPK特殊的生物学功能及其在生物体能量代谢中的重要调节作用启示我们,基于该信号通路从分子层面研究相关疾病的发病机制,可为相关疾病的靶向治疗提供思路及依据。

2 AMPK与脂质代谢性NONFH

上游调控因子激活AMPK后,通过促进其磷酸化水平进一步诱导脂肪酸的合成和氧化,减少异位脂质的积累,并降低血管内皮的损伤,提示AMPK是调节脂质代谢的重要因子之一[17]。研究报道,酒精喂养的小鼠肝组织与对照组相比,匀浆上清中的甘油三酯含量居高,且AMPK活性显著降低[18]。有人应用电针治疗高脂小鼠,发现电针可通过AMPK/ACC(acetyl-CoA carboxylase)信号通路减轻与高脂饮食诱导胰岛素抵抗相关的骨骼肌脂代谢紊乱[19],但该研究成果有待进一步开展临床试验。AMPK调节人体脂质代谢的作用已为众多学者研究,并且人们通过AMPK信号通路已探索出很多具有前景的疾病治疗靶点,这在指导人体多种疾病的防治中起了重要促进作用。早在1969年,有研究者就发现给兔动脉内输注脂肪可导致股骨头栓塞性血管阻塞、局灶性骨髓坏死和骨细胞死亡,从而引起股骨头的坏死[20]。现今大量流行病学数据显示NONFH发生与酒精及类固醇使用引起的血脂代谢关系密切[21～22]。AMPK作为脂肪合成的转录因子调节激酶,可调节脂质的代谢,维持人体内正常的脂质水平,同时有研究发现股骨头坏死骨组织中miR-25-5p、miR-135b水平显著升高与AMPK高激活有关[23],而AMPK信号通路轴上与脂代谢密切相关的上下游调控因子,如脂联素(adiponectin,ADPN)、纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAI-1)等,与脂代谢引起的NONFH具有相关性,而且这些因子在AMPK信号通路的不同应激状态处于不同的表达状态(高表达或低表达)[24～25]。综合分析现有研究可知,AMPK在脂代谢中的作用机制虽在肥胖等疾病中研究较多,但与NONFH相关的作用机制研究颇少。因此,深入挖掘AMPK相关信号通路并选取与脂质代谢紊乱诱发NONFH密切相关的指标及典型样本,进行信号通路的阻断、基因敲除,经过细胞、动物等离体实验后进行药物干预等在体研究,可能是基于该信号通路来研究NONFH发病机制的重要方向之一。

3 AMPK与骨代谢性NONFH

AMPK的激活或抑制能有效维持成骨细胞(osteoblast,OB)与破骨细胞(osteoclast,OC)间的平衡关系,在骨关节炎、骨质疏松症等骨病的防治中具有重要意义。而股骨头坏死塌陷是由于破骨细胞过度的骨吸收和成骨抑制,故研究成骨与破骨的相关作用机制对NONFH显得尤为重要。同时,软骨作为关节的重要一部分,在髋膝等人体关节中发挥着承重、缓冲、减小摩擦等作用。AMPK参与人体骨代谢,在调节成骨细胞与破骨细胞平衡中起重要作用,并在一定程度上可通过调节骨代谢而影响骨代谢性NONFH的发生。

3.1 AMPK与成骨细胞

成骨细胞是经间充质始祖细胞分化而来的一种能特异性分泌多种生物活性物质的细胞,其影响骨的形成和重建过程。相关研究通过有条件地灭活3周龄小鼠细胞中AMPK的表达,于6个月、18个月时间点分别测定了骨量的相关变化,结果显示6个月时血清钙水平明显下降,18个月时小鼠股骨小梁骨体积和皮质骨厚度显著降低,表明AMPK在维持成骨细胞含量、成年小鼠小梁骨体积、皮质厚度和骨强度中起重要作用[26]。同时有研究证明AMPK活化可能通过诱导自噬来刺激成骨细胞分化和矿化,并认为增强AMPK活化和自噬活性可能是促进成骨细胞生成、骨折愈合的一种潜在的新方法[27]。NONFH常表现为头部骨量的丢失、骨小梁的不连续及负重区因支撑力的下降而发生塌陷。有人评估了来源于股骨粗隆间区和NONFH患者髂嵴的成骨细胞在体外的增殖率和分化能力,并将其与患有髋关节骨性关节炎(osteoarthritis,OA)的患者进行了比较,发现NONFH患者股骨中成骨细胞的复制能力显著降低[28]。另有研究表明,苯并咪唑衍生物991(C991)可激活AMPK信号通路以保护成骨细胞,使其免受地塞米松(dexamethasone,DEX)的伤害[29]。此外,研究表明AMPK是二甲双胍发挥抗糖尿病作用的关键分子,二甲双胍可在体外活化AMPK,诱导成骨细胞分化、骨基质合成和成骨细胞增殖,促进成骨细胞生成,对NONFH具有一定的治疗作用[30];同时,二甲双胍可通过抑制糖原合成酶激酶3β(glycogen synthetase kinase 3β,GSK3β)的活性,促进间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)的成骨细胞分化[31]。综上所述,AMPK促进成骨细胞增殖及对骨细胞的保护作用提示其可能是NONFH潜在的靶点药物研究方向之一。

3.2 AMPK与破骨细胞

破骨细胞是一种在骨发育、生长、修复、重建过程中起重要作用的具有骨吸收功能的细胞。研究表明,G蛋白偶联胆汁酸受体TGR5(bile acid receptor-1)通过AMPK信号通路调节破骨细胞生成,对破骨细胞生成有更好的抑制作用,并可进一步增强成骨细胞生成[32]。有研究证实,在骨保护素(osteoprotegerin,OPG)处理下自噬/溶酶体抑制剂氯喹(chloroquine)或雷帕霉素(rapamycin)可通过AMPK/mTOR/p70S6K信号通路降低破骨细胞分化和骨吸收活性,表明自噬在OPG通过AMPK/mTOR/p70S6K信号通路抑制破骨细胞分化和骨吸收中起着关键作用[33]。另有研究发现,尿激酶型纤溶酶原激活剂(urokinase-type plasminogen activator,UPA)通过AMPK途径抑制脂多糖(lipopoly-saccharide,LPS)炎症性破骨细胞生成,同时其受体(UPAR)可通过Akt途径促进这种抑制作用,改善炎症性疾病引起的骨丢失[34]。此外,葡萄糖和谷氨酰胺也可通过AMPK信号通路对破骨细胞的发育和骨重吸收产生影响[35]。总的来讲,AMPK作为能量代谢的传感器和调节器,通路调控破骨细胞在人体内的状态,在维持人体骨微环境的平衡中发挥了重要的作用。

3.3 AMPK与软骨

软骨主要由结缔组织组成,其中关节软骨位于关节接触面之间,对关节的活动具有缓冲、保护等作用。NONFH患者经常会出现软骨磨损破坏,进而引发局部疼痛、滑膜水肿、炎症反应等。研究发现AMPK在某些情况下对软骨具有保护作用,可缓解、治疗关节炎[36]。有人通过4 h的大鼠循环拉伸应变实验发现,激活AMPK和抑制NF-κB p65的核易位可减轻白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)诱导的软骨细胞损伤[37]。有研究表明,葛根素可通过上调骨关节炎大鼠中的AMPK/增殖物激活受体-γ协同激活因子信号通路起到保护软骨、减轻骨关节炎等作用[38]。髋关节作为人体重要的负重关节,各种力学应力的改变会造成关节软骨的磨损,进而塌陷,从生物力学因素角度去研究AMPK对关节软骨的保护作用可能对NONFH具有一定的意义。

4 小结与展望

从分子生物学角度深入探究疾病的发生机制,微观精准地去认识疾病,进一步研究靶向治疗药物,是近些年来学者们关注的热点。AMPK对能量及代谢物质的调控作用,使其在人体多种疾病中发挥着重要的调控功能。其作为调节脂质代谢的关键因子之一,在脂肪肝、糖尿病、肥胖症等疾病中的研究较多,但少有在骨病方面的研究,更缺乏从脂代谢水平探讨NONFH发病机制的研究。同时,骨稳态、骨代谢也是NONFH的重要机制之一,AMPK作为调节代谢物质平衡的重要因子之一,虽有在成骨细胞、破骨细胞等角度的研究,但当前仍存在研究成果欠缺、客观实验资料不足等问题。

从结构来看,AMPK的异构体亚型α2、β1、γ3存在于骨骼肌中,但其具体含量、分布位置、在骨病中的作用有待进一步研究。此外,AMPK及其上下游调控因子对人体脂代谢、骨代谢的不同调控作用在人体能量代谢中的生理功能启示我们,AMPK可能对代谢性骨病、代谢紊乱性NONFH具有重要调节作用。阻断AMPK相关信号通路来进一步研究NONFH的相关发病机制亦或从生物力学角度发掘其与髋关节软骨间的作用机制,可能对NONFH的防治具有重要意义。