AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α轴及其相关因子在骨关节炎脂质代谢中的作用

梁传财，易鹏，邱波

武汉大学人民医院骨关节外科，武汉430060

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种退行性关节疾病，涉及局部软骨丢失、骨赘、软骨下骨硬化、滑膜增厚以及关节周围韧带和肌肉的结构改变[1−2]。目前，有研究表明，OA的发病机制涉及机械应力、炎症、代谢等因素，导致关节及周围组织破坏[3]。衰老、肥胖、关节错位、关节损伤、晶体沉积等因素均与OA的发生发展密切相关[3−4]。临床实践表明，OA通常会合并代谢性疾病，如糖尿病、脂质代谢异常等，且这些疾病会进一步加速OA的进展[5]。脂质代谢异常在OA进展中的作用逐渐引起了临床的关注，软骨细胞脂质代谢异常可引发关节慢性炎症，导致软骨细胞降解、自噬异常等病理改变。AMP活化的蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）活化后可改善OA患者软骨细胞脂质代谢。通过调节软骨细胞脂质代谢酶、自噬功能缓解关节周围炎症，增加线粒体生物化学功能等。过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferatoractivated receptorγ，PPARγ）和过氧化物酶体增殖物 激 活 受 体γ共 激 活 因 子1α（peroxisomal proliferator-activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α）转录因子也可通过调节脂代谢相关的酶及相关的基因影响骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化和缓解关节周围炎症反应。另外，AMPK与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸沉默信息调节因子1（silent information regulator 1，SIRT1）的激活及互相影响对PPARγ、PGC-1α的信号转导及生理功能发挥重要调节作用。本文通过综述AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α轴及其相关因子在OA主要病理改变中的作用，旨在为进一步探究OA发病机制和制定有效治疗方案提供理论依据。

1 脂质代谢在骨关节炎发病机制中的作用

研究发现，OA发病机制较复杂，如退行性大小关节磨损、遗传因素、慢性炎症、免疫机制、自由基与氧化应激、线粒体功能障碍、糖代谢异常及脂质代谢异常等[6−8]。其中脂质代谢异常是OA的重要发病机制之一。研究发现，胆固醇和脂肪酸与关节软骨生理病理密切相关[9]。胆固醇在软骨细胞膜结构中发挥重要作用。脂肪酸在软骨中可转化为类二十烷酸，包括ω-3和ω-6脂肪酸，均是环氧合酶和脂氧合酶的底物。ω-3脂肪酸的衍生物产物具有抗炎特性，ω-6的衍生物产物有促炎和促血栓形成的作用[10]。ω-6脂肪酸可维持细胞膜的结构和功能，因此，保持ω-6与ω-3比例适当具有重要意义[11]。磷脂对于正常软骨保护也具有重要作用。磷脂不仅是细胞膜的成分，还是滑液中的关键分子，在关节润滑中起主要作用，以保护软骨表面。磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱和鞘磷脂是关节软骨边界润滑剂的主要成分[12]。因此，脂质对于软骨生理是必不可少的，软骨细胞脂质代谢改变可导致关节病理改变。研究证明，ω-3脂肪酸对类风湿关节炎等炎症疾病具有有益作用[10]，但在OA中尚鲜见报道。最近一项研究表明，体内ω-3脂肪酸的总量与股骨软骨丧失呈负相关，而ω-6脂肪酸与股骨软骨丧失无明显相关性[13]。另外，以富含ω-3脂肪酸的饮食喂养OA动物模型，结果显示病理评分降低，糖胺聚糖含量增加，变性的Ⅱ型胶原蛋白减少，基质金属蛋白-2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）活性降低[14]。有研究发现，小鼠体内ω-6和ω-3脂肪酸的比例降低，会延缓OA的进展[15]。因此，ω-3脂肪酸对OA可能具有有益作用。软骨脂质成分的变化与疾病的严重程度相关，在OA晚期，总脂肪酸增加44%[16]。OA患者软骨中脂质沉积会使体内活性氧增加，发生脂质过氧化[17]，进而导致软骨降解和OA发病，其可诱导胶原氧化和裂解及MMP-13的活性降低[18]。因此，抗氧化剂处理不仅可通过减少活性氧治疗OA[19]，而且可通过抑制脂质过氧化发挥作用。目前，软骨细胞脂质代谢异常可通过以下途径导致骨关节炎的病理改变：①促进炎症反应和血栓形成；②抑制关节润滑；③抑制代谢酶活性；④促进软骨细胞降解；⑤自噬异常。因此，通过改善软骨脂质代谢异常，不仅可维持OA的正常生理功能，还对延缓OA病理改变有重要意义。

2 AMPK对OA软骨细胞脂质代谢的作用

AMPK是细胞代谢和能量平衡的关键调节剂，广泛存在于软骨细胞中，作为能量传感器和调节器，在调节细胞内环境稳态中起重要作用。AMPK及其调节性上游激酶丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶11（serine/threonine protein kinase 11，STK11）的活性在老年患有OA大鼠软骨细胞中均降低[20]。在人OA关节软骨细胞中也可观察到AMPK活性降低[21]，AMPK活性降低与线粒体的生物学功能降低相关[22]。AMPK可通过靶向调节PGC-1α及其下游信号分子（如CPT-1、MCAD、PPAR-α、PPARγ等）调节脂肪酸氧化代谢[23]。肉毒碱棕榈酰基转移酶（carnitine palmityl transferase 1，CPT1）和中链脂肪酰辅酶脱氢酶（medium chain adipoyl coenzyme dehydrogenase，MCAD）是2种负责调控脂肪酸合成和氧化代谢的关键酶，CPT-1和MCAD主要调控长链脂肪酸进入线粒体并影响脂肪酸氧化代谢速率[24]。脂肪酸可通过激活MAPK信号通路引起成骨细胞和软骨细胞增殖的增强[25]。另外，AMPK可通过对软骨细胞自噬的调节维持细胞内环境稳态，去除非正常细胞器和蛋白[26]。自噬也参与能量代谢，并在脂质代谢中起关键作用。自噬在控制胆固醇、硬脂酸等脂质代谢中发挥主要作用[27]。脂质也参与自噬途径的形成，如细胞自噬功能失活，脂质会在细胞中积聚[28]。已有研究证明，芳香烃受体（aromatic hydrocarbon receptor，AHR）的激活可以诱导脂质蓄积[29]。研究表明，β⁃肾上腺素能受体激动剂可通过激活RAB7基因引发溶酶体降解以诱导脂肪吞噬的激活[30]。另外，在营养不足的情况下，RAB7基因可将自噬小体和溶酶体均引导至脂质表面以协调脂肪吞噬[31]。研究发现，伊曲康唑会干扰胆固醇的运输，从而抑制自噬中的过程[32]。脂质也可能影响自噬的活性，β细胞中脂肪的快速增加可诱导自噬，而长期脂质过多可抑制自噬[32]。这些结果表明脂质代谢和AMPK及自噬活性密切相关。综上所述，AMPK活化后直接或间接参与了调节软骨细胞的脂质代谢。

3 PPARγ对OA软骨细胞脂代谢的作用

PPARγ是调节目标基因的核内受体，是一种配体激活的转录因子，广泛表达于心脏、肝脏和骨骼肌等[33]。研究表明，PPARγ也存在于大鼠软骨细胞原代培养的细胞质中[34]。长链多不饱和脂肪酸和代谢产物是核受体PPARγ的配体，可作为骨髓间充质干细胞、成骨细胞和破骨细胞的转录因子调节脂质代谢[35]。二十五碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）与成骨细胞分化和成熟密切相关，其抗炎作用主要是通过对PPARγ信号的调整以减少炎性细胞因子白细胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor，TNF-α）和抑制环氧合酶的活性，减轻OA关节周围炎症反应[36]。另外，ω-6脂肪酸是PPARγ的激活剂，体内ω-6/ω-3脂肪酸比例降低会阻止PPARγ激活，从而促进成骨细胞增殖，加快OA关节组织修复[37]。白色脂肪可合成分泌瘦素（1eptin，LEP），LEP具有多种功能，属于可溶性胶原超家族成员[38]。PPARγ是LEP信号转导通路中的重要信号分子，PPARγ可上调LEP表达。最新一项研究证明，老年人关节软骨薄厚程度和血清LEP水平呈负相关，即随血清LEP水平增高，关节软骨厚度减少。PPARγ激动剂罗格列酮可激活肥胖小鼠体内的PPARγ受体，同时使LEP体内水平下降，而LEP水平较低时可促进关节软骨增殖[38]。上述结果表明，激活OA患者PPARγ表达，对OA治疗有一定帮助，并可维持关节软骨内稳态和抑制软骨细胞凋亡。综上所述，PPARγ可通过脂质代谢的调节，影响软骨细胞的增殖。

4 PGC-1α对OA软骨细胞脂代谢的作用

PGC-1α为PGC-1家族的一员，为核转录辅助激活因子，可与PPARγ共同作用，增强基因转录活性[39]。PGC-1α也是软骨细胞中线粒体生物氧化和代谢的关键调节剂，对调节软骨细胞能量代谢发挥重要作用，并与各种关节退行性疾病相关。在人关节软骨中，可检测肝X受体（liver X receptor，LXR），是一种氧化胆固醇衍生物传感器，可激活重要基因的转录，从而保护细胞免受胆固醇超载的影响[40]。该受体在软骨细胞分化过程中被调节，在OA软骨中表达下降，导致胆固醇转运障碍，从而在OA关节表面大量沉积[41]。PGC-1α可 促 进LXR基 因 转 录 表 达[42]，提 示PGC-1α可通过促进LXR基因的表达调节软骨细胞胆固醇代谢稳态。此外，研究还发现，PGC-1α可通过对MCAD、CPT-1和PPARγ mRNA的表达水平的调控调节骨骼肌脂肪酸氧化代谢[24]。因此，PGC-1α表达上调可通过上调LXR基因表达改善OA软骨胆固醇代谢，表明PGC-1α在OA病理改变中的作用与其调控OA软骨胆固醇代谢相关。

5 AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α轴及其相关因子在OA脂质代谢中的作用

SIRT1是Sirtuins家族成员之一，可与多种信号通路及相关因子相互作用，使组蛋白、赖氨酸残基及转录因子去乙酰化，发挥调控基因的作用[43]。SIRT1不仅可调节细胞新陈代谢，抗衰老、抗凋亡[44]，也是脂质代谢的重要调节因子，与AMPK在控制软骨细胞脂质代谢调节中关系密切，共同发挥重要作用[45]。SIRT1可直接使肝激酶B1脱乙酰化，进而激活AMPK信号通路；同时，AMPK可促进细胞烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的表达，诱导SIRT1激活[46]。有研究表明，抑制SIRT1可上调胆固醇调节元件蛋白2和胆固醇合成限速酶3-羟基3-甲基戊二酸单酰辅酶A基因表达[47];另外，SIRT1可通过对LXRα的赖氨酸K432位点去乙酰化正向调节LXRa，进而增强载脂蛋白A1的表达，抑制SIRT1可降低LXRa及其下游靶因子载脂蛋白A1的表达，导致其介导的胆固醇流出减少[48]。此外，AMPK激活可促进SIRT1活性的增加，进而调节 关 节 软 骨 中PGC-1α的 表 达。PGC-1α与PPARγ相互作用对软骨细胞脂质代谢相关因子起调控作用，可促进胆固醇代谢和脂肪酸氧化相关基因的表达，进而调节关节软骨脂质代谢紊乱[37，40]。

AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α途 径 在OA软骨脂质代谢中发挥重要作用，促进其传导以缓解OA软骨细胞脂质代谢紊乱。有研究表明，AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α途径的激活可逆转胆固醇在骨关节炎关节软骨面的大量沉积，主要通过上调LXR的表达，促进软骨胆固醇转运发挥作用[40]。SIRT1激活后可通过抑制PGC-1α乙酰化和促进PGC-1α活性，进而促进软骨细胞胆固醇代谢，改善OA软骨脂质代谢。综上所述，AMPK与SIRT1的激活及相互作用能介导PPARγ、PGC-1α的信号传导及生理功能，并在改善软骨细胞脂质代谢中发挥重要作用，对OA的发生发展起重要调节作用。

6 AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α轴及其相关因子在OA其他病理改变中的作用

关节软骨中糖基化终产物的积累是OA的主要危险因素，采用糖基化终产物处理关节软骨细胞可促进白细胞介素-1β和肿瘤坏死因子表达，进而导致关节周围炎症[52]。有研究发现，糖基化终产物通过AMPK/SIRT1/PPARγ途径诱导人关节软骨炎症反应[52]。线粒体生物发生功能在人OA软骨细胞中缺乏时会促进软骨细胞的分解代谢反应，研究证明，激活AMPK/SIRT-1/PGC-1α途径可逆转这种分解代谢反应[53]。同型半胱氨酸的表达增加可诱导线粒体功能障碍并引起骨代谢紊乱，高浓度的同型半胱氨酸可抑制AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α途径，进而促进白细胞介素-1β、环氧化酶-2和金属基质蛋白酶-13表达，从而对软骨细胞产生有害影响[54]。

7 展望

研究表明，AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α轴可调节线粒体生物功能，改善细胞能量代谢，防止细胞内环境失调和死亡的作用；还具有调节细胞自噬的功能，防止软骨细胞损伤和凋亡，进而延缓骨关 节 炎 的 发 生 发 展[21，39]。AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC-1α轴还可对软骨细胞脂质代谢进行调节，改善软骨细胞周围慢性炎症，线粒体生物功能及自噬异常等，从而在骨关节炎病理改变中发挥作用。因此，进一步探究AMPK/SIRT1/PPARγ/PGC1α轴在骨关节炎脂质代谢中的作用，明确该轴相关因子的相互作用关系，并通过药物对其中一个或多个因子进行干预，将有望为防治骨关节炎提供新的靶点。