自噬相关调控信号通路在骨重塑中的作用及中医药防治进展

莫亚峰 胡敏利 汤样华 李国松 辛大伟 熊振飞

1.浙江省杭州市萧山区中医院 浙江中医药大学附属江南医院骨科，浙江杭州 311201；2.浙江省萧山医院医共体总院北干分院，浙江杭州 311202

骨不连是骨折后常见的并发症。据文献报道，骨不连的发生率为1.9%～20.0%，具体取决于骨折部位[1]。例如髓内钉固定后股骨干骨不连发生率为8.0%，髓内钉固定后胫骨干不愈合的发生率为4.6%，而且局部软组织损伤也会影响愈合能力[2-3]。骨不连延长了疾病的治疗周期，耽误了患者早期的康复，也造成了不必要的经济负担。我国人口基数庞大，人口老龄化严重，加之近年来随着工业和交通业的发展，骨折发生率呈明显增长趋势。因此，对于骨折患者，防治骨不连的工作刻不容缓。自噬作为人体的自我保护机制，能实现细胞自身的更新，保持一定的自噬水平可有效促进成骨细胞的更新，加速骨重塑，而信号通路作为一种信息传递过程可有效激活自噬。目前影响骨重塑的因素及促进骨重塑相关药物的研究机制尚未完全明确，中医药或可成为一种新型的自噬诱导剂来防治骨不连，本文现将调控自噬的相关信号通路在骨重塑中的作用机制及中医药防治进行综述。现总结如下：

1 自噬对骨重塑的作用机制

成骨细胞、破骨细胞和骨细胞三者之间的协调是骨重塑的关键因素。成骨细胞前体在骨表面分化为成骨细胞，主导骨的形成。破骨细胞则具有特殊的骨质吸收作用，主导骨吸收。有研究表明[4]，在骨折部位修复重塑过程中，自噬扮演着重要的角色，因此激活成骨细胞自噬对骨重塑大有裨益。骨质疏松是骨折发生的重要危险因素，对骨重塑影响颇大，保持成骨细胞适当的自噬，有利于骨的形成，预防骨质疏松性骨折的发生。自噬是真核细胞独有的一种生物降解方式，其主要作用是将异常蛋白质、受损细胞器等进行降解和再循环，以此合成新物质的原料，提供给机体[5]。骨不连的发生，与成骨细胞自噬水平较低存在一定联系，适度诱导自噬可有效促进成骨细胞的增殖更新，进而促进骨重塑。动物实验研究[4]发现，大鼠成骨细胞缺乏自噬的表现为骨形成、骨吸收及骨转换减少，细胞自噬水平降低加速了骨组织的氧化应激，从而影响骨重塑。自噬还具有双向协调性，一方面可以保护细胞，为细胞提供生存所需物质，另一方面也可以通过降解胞内大分子从而诱导细胞凋亡[6]。因此，调控细胞自噬对促进骨重塑将具有重要的研究价值和意义。

2 自噬相关信号通路对骨重塑过程的调节机制

2.1 磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/Akt 激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路PI3K 在自噬相关前体形成时起着重要的调控作用。Akt 激酶是结节性硬化复合症（tuberous sclerosis complex，TSC）抑制蛋白，而TSC 基因为mTOR 的负调控因子[7]。mTOR 复合物（mTOR complex，mTORC）是一种由mTOR 与其他分子组合形成的复合物，可接受并整合多种信号，进行蛋白质或脂质合成，从而调控自噬。朱俊瑾等[8]研究发现在营养缺乏的条件下，mTOR可作为自噬体形成的启动子介导自噬。殷照阳等[9]通过抑制mTOR 来减弱其对下游蛋白的调控作用，诱导细胞自噬，其研究表明雷帕霉素可有效抑制mTOR通路，激活骨折区域细胞自噬，同时与自噬密切相关的蛋白含量明显升高，凋亡蛋白的表达也被抑制，在多重作用下骨重塑能力显著增强。骨折受伤部位常因供血破坏而失去营养支持，处于营养缺乏状态下的细胞自噬功能被激活，使骨折部位快速过渡血肿机化期，进入骨重塑期。在骨重塑期，膜内化骨的完成具有重大意义，在该过程中保持成骨细胞一定的自噬水平，可预防骨不连的发生。

2.2 雌激素受体α（estrogen receptor α，ERα）-单磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）-沉默信息调节因子相关酶1（Sirtuin1，Sirt1）信号通路

在AMPK 及Sirt1 的共同调控下，ERα 与配体结合形成的复合体对成骨细胞、破骨细胞的功能有一定的影响[10]。研究表明[10]，ERα 通过增加LKB1 的活性可激活AMPK，而AMPK 又是Sirt1 的激活因子，同时Sirt1 又通过对LKB1 的去乙酰化修饰来提高AMPK的表达水平，两者相互促进可进一步增强成骨细胞自噬的表达。另一方面，AMPK 在骨重塑过程中十分关键。AMPK 可抑制mTORC，从而引发细胞自噬[11]。AMPK 也可促进骨髓间充质干细胞（bone marrow stem cell，BMSC）向成骨细胞分化[12]。在骨重塑期，维持充足的成骨细胞对骨的修复具有重要作用，该通路通过促进成骨细胞自噬、分化来防治骨不连的发生，对于保证骨塑形过程的完成意义非凡。

2.3 核因子κB（nuclear factor，NF-κB）信号通路

NF-κB 是普遍存在于真核细胞中的一种信息传递因子，激活后可进入细胞核，启动或抑制相关基因的转录[13]。当某些因素（如炎症因子、致癌基因等）刺激细胞时，在细胞质中的NF-κB 会被转移到细胞核中，进而参与细胞的自噬、凋亡等[14]。Chang 等[15]研究发现NF-κB 通路可调控细胞自噬，促进成骨细胞分化、矿化。研究表明[15]，NF-κB 信号通路对成骨细胞自噬为负调节机制，抑制该通路介导的反应可有效防止骨量流失，从而加速骨重塑。当骨折发生时，成骨细胞被外界因素刺激，NF-κB 转移入核内，控制自噬的基因被启动，成骨细胞自噬被激活，从而加速骨的重塑。

2.4 核因子受体活化因子配体（receptor activator of NF-κB ligand，RANKL）/核因子受体活化因子（receptor activator of NF-κB，RANK）/骨保护蛋白（osteoprotegerin，OPG）信号通路

由成骨细胞进行表达的RANKL 与破骨细胞表达的RANK 二者结合形成的信号分子被破骨细胞前体所接收，促进前体向破骨细胞分化，但该信号分子活性调控取决于成骨细胞[16]。由于OPG 拥有远强于RANKL 的RANK 亲和性，因此在两者的结合竞争中，RANKL 与RANK 的结合就相对处于劣势，因此引起破骨细胞分化、自噬等反应的信号传导过程被极大地抑制，故其在破骨细胞增殖过程中起着负性调节作用[17]。OPG 通过Akt 激酶/mTOR/ULK1 信号通路诱导自噬来抑制破骨细胞骨吸收[18]。骨髓基质及成骨细胞分泌OPG，保持OPG/RANK 的平衡状态，可防止过度的骨吸收，维持骨代谢的平衡[19]。在骨质重塑过程中，抑制骨吸收与促进骨形成同等重要，两者的相对平衡才能促进骨的迅速修复。

2.5 其他信号通路

影响骨重塑的相关信号通路还存在如Hedgehog信号通路、MAPK 信号通路等，但是其是否能通过调控自噬来促进骨重塑目前尚不明确。

3 中医药的干预作用

在中医阴阳理论认为，骨不连是处于阴阳失和的阶段，因此通过调和阴阳来调控自噬水平，被认为是治疗骨不连的新思路[20]。中医常用来促进骨重塑的补肾法就是使机体达到阴阳平和的有效手段之一。文献报道[21]，补肾类中药及其活性成分可显著促进BMSC的增殖，促进其向成骨细胞分化，同时激活自噬机制，促进骨重塑。在骨折重塑过程中，气血瘀滞也被认为是重要的病机。研究表明[22]，活血行气类中药促进骨重塑的作用与激活自噬的某些信号通路有关联。目前能服务于临床的自噬通路诱导剂有限，因此中医药调节自噬的作用为临床通过药物促进骨重塑提供了新的思路。

3.1 中药提取物

随着现代实验技术和研究方法的进步，中药提取物已被广泛研究和应用。近些年有大量关于中药提取物通过某些信号通路促进细胞自噬的实验研究，如Liu 等[23]实验发现，在雷帕霉素和PI3K/Akt 激酶抑制剂LY294002 的共同培养下，姜黄素可通过抑制PI3K/Akt激酶/mTOR 途径诱导凋亡和自噬。Yeh 等[24]研究表明姜黄素调控RANKL/RANK/OPG 通路维持成骨细胞活性，同时抑制破骨细胞活性。姜黄提取物等可抑制NF-κB 通路的激活[25]。丹参酮通过使PI3K/Akt 激酶/mTOR 信号途径失活，诱导细胞凋亡和自噬[26]。另外，研究发现[22]，活血行气类中药不仅可以有效调节RANKL/RANK/OPG 信号通路的紊乱，而且可以通过调节OPG/RANKL 的比值使破骨细胞的生成被有效抑制，同时还可以改善局部血流，为骨小梁的修复提供所需的营养，从而进一步促进骨重塑。以上研究表明，中药提取物可抑制或激活大量信号通路，而这些通路在骨重塑中具有显著作用，因此使用中药提取物可用于防治骨不连。

3.2 中医复方

中医复方是在中医学理论指导下，通过辨证论治确定治则治法后，按照组方原则选取合适药物，确定剂量，妥善配伍后组成的方剂。四妙勇安汤已经被证明可激活过氧化物酶体增殖物激活受体信号通路来影响自噬[27]，并且研究还发现过氧化物酶体增殖物激活受体信号通路对自噬和成骨细胞均有着不同程度的影响[28]。田涛等[29]的动物实验表明，二至丸（墨旱莲，女贞子）可通过上调成骨细胞标志基因表达，增加机体骨量，促进骨重塑；亦可通过下调破骨细胞标志基因表达，抑制骨吸收。该研究通过建立动物骨质疏松模型验证了二至丸抗骨质流失作用的优越性，提示二至丸可通过降低自噬相关基因表达水平从而抑制破骨细胞的分化，但相关通路调节尚不明确。刘锌等[30]证实右归饮具有调节BMSC 自噬的作用，并促使其成骨化，但尚不能确定右归饮的自噬调控作用与细胞结局之间是否具有因果关系。因复方成分复杂、药理作用多样、作用广泛，故研究难度较大。但是复方的疗效却是不容置疑的，其在缩短骨折病程、促进骨重塑方面疗效显著。

3.3 中医外治法

中医外治法包括膏药敷贴、针灸、按摩、熏洗等。在骨重塑方面，临床多采用活血类中药材制成膏药外敷或中药液熏洗。但目前关于中医外治法通过调控自噬来促进骨重塑的研究较少，其具体机制也尚不清晰。

4 小结与展望

自噬在骨重塑过程中的作用已经获得研究证实，但对其具体作用和相关调节机制的学术观点尚存在分歧，对调控自噬的相关信号通路尚有待进一步研究。中医药现阶段虽然在诱导细胞自噬方面已取得了一定的成果，但对诱导细胞自噬的具体中药有效成分及合适剂量仍待明确，中药复方和中药外治是否能通过调控细胞自噬促进骨重塑，也尚有待进一步的探究。未来，需深入研究如何把控自噬的双向协调能力，使其倾向于对机体有利的一面，同时充分发挥中医药在骨重塑治疗中的重要作用，为骨不连的治疗开辟新的思路和方法。