自噬在不同类型骨质疏松症中的研究进展

林雪，田佳，欧阳仁俊，杨晓红 综述 胡小华 审校

1.遵义医科大学，贵州 遵义 563000；2.遵义医科大学附属口腔医院，贵州 遵义 563000

骨骼是一种代谢活跃的组织，在维持稳定的骨代谢平衡中起着重要作用。其中不同类型的细胞发挥着特定的骨骼功能，比如各种干细胞的不断分化成熟、成骨细胞的矿化、破骨细胞的吞噬等等，它们一起在骨骼大小、形状和完整性的发展和维持中发挥着至关重要的作用[1]，而一旦骨形成和骨吸收之间的平衡被破坏，则会导致骨骼结构或功能的丧失和骨质疏松症(osteoporosis，OP)等代谢性疾病。OP是一种以骨量减少和骨组织微结构退化为特征的典型骨代谢性疾病，分为原发性或继发性OP。原发性OP 通常发生在50 岁以上人群中，与衰老有关，例如女性绝经后雌激素分泌减少导致的绝经后骨质疏松症(postmenopausal osteoporosis，OPM)。继发性OP 是由某些医疗条件和药物引起的，例如长期使用糖皮质激素(GC)引起的糖皮质激素性骨质疏松症(GIOP)。由于不同类型OP的发病机制和病情进展不尽相同，使得OP 形成的病因机制研究更为复杂。

自噬是一种细胞固有的生存机制，用于清除和回收受损的蛋白质和细胞器，在维持细胞内环境稳定和器官功能方面发挥着重要作用。许多研究表明，在骨组织中自噬参与成骨细胞、骨细胞和破骨细胞的存活、分化和活性，严格调控着骨细胞内稳态[2]。而自噬水平的变化是OP 形成的重要原因。通过这种方式，细胞可以克服应激刺激和营养缺乏，并维持骨骼稳态。而异常的自噬水平将打破骨代谢的平衡，并在骨代谢紊乱中起关键作用[3]。本文将从自噬在骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)、成骨细胞、破骨细胞等不同骨细胞的生命周期和代谢中的作用及机制等方面去探索自噬与骨代谢平衡的关系，总结不同类型OP 中自噬的变化及其对骨骼生长和内环境稳定功能的意义，讨论目前相关途径的策略、局限性和挑战，为OP 预防和治疗的临床验证和应用提供参考。

1 自噬

自噬是由Ashford 等[4]于1962 年通过电镜首次发现并提出的一种细胞学现象。它通过降解胞质错误折叠或聚集的蛋白质、受损的细胞器或大分子，为细胞的稳态和生存提供能量和基础物质。根据细胞物质转运途径的不同，自噬被分为以下三种形式：巨自噬、微自噬、分子伴侣介导的自噬。其中巨自噬是最常见、最主要的自噬形式，因此，未指出特定类型的自噬多为巨自噬。目前，基因筛选出和自噬相关的基因(autophagy-related genes，Atg)已 经 有32 种[5]，其 中Atg5、Atg7、Beclin-1等分子是各种细胞中自噬体形成过程中必不可少的。如今自噬被认为广泛的参与到各种病理生理学进程，如癌症、代谢障碍等。

2 自噬在骨稳态中的作用

2.1 自噬与骨髓间充质干细胞 BMSCs作为干细胞的一种，可分化为骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞。而自噬在BMSCs对应激源的反应中被激活，并发挥平衡细胞生存和死亡的细胞保护作用。研究发现，未分化的BMSCs存在高水平的结构性自噬活性，并积累了大量未分化的自噬空泡[6]。而在成骨分化过程中自噬体却急剧减少了[7]，说明自噬可影响并调控BMSCs增殖、分化等生物学行为。相关研究也证明，自噬在经卵巢切除术(ovariectomy，OVX)的小鼠的骨髓和BMSCs 中均降低，而自噬激动剂雷帕霉素(Rapamycin，RAPA)的治疗可挽救雌激素缺乏性OP 小鼠BMSCs的功能并减弱其OP表型[8]。

2.2 自噬与骨细胞 骨细胞是成骨细胞系的终末分化状态，控制着成骨细胞向骨细胞的转化过程，在矿物质代谢中起着至关重要的作用。自噬是骨细胞对应激反应的一种生存机制，抑制骨细胞自噬会增加氧化应激，这可能导致骨吸收和形成之间的不平衡[9]。研究发现当骨细胞的自噬能力被抑制后，骨细胞中自噬相关蛋白LC3、Beclin-1 的表达减少，最终导致年龄相关性OP[10]。类似的研究也发现，当对6个月大的小鼠进行条件性敲除骨细胞的Atg7时，会造成骨量下降，并伴有破骨细胞、成骨细胞数量减少，骨形成速率下降。因此推测衰老相关的骨量下降与骨细胞的自噬变化存在密切关系，而激活自噬或许能够缓解衰老相关的骨丧失[9]。

2.3 自噬与成骨细胞 成骨细胞来源于BMSCs，通过分泌有机基质和羟基磷灰石发挥骨构建者的功能，产生类骨细胞，随着Ca2+沉积矿化，并伴随激活的自噬[11]。研究发现自噬体可作为载体，通过胞吐作用将磷灰石晶体分泌到细胞外空间，在体外，ATG7缺乏显著降低了成骨细胞的矿化，导致骨量的降低[12]。另一项研究发现成骨细胞特异性敲除FIP200(哺乳动物自噬的关键成分)导致小鼠骨量减少是由于成骨细胞的终末分化缺陷和骨形成受到抑制。同时，自噬在成骨细胞形成过程中上调，表明FIP200 可能是自噬介导的成骨细胞结节形成和分化的重要调节因子，而用3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine，3-MA)和氯喹(chloroquine，CQ)这两种自噬抑制剂处理后，碱性磷酸酶阳性细胞的数量减少了，而它的表达活性是成骨细胞分化、成熟一个非常明显的特征。但这些治疗并不影响成骨细胞的早期分化，由此推测自噬参与了成骨细胞的终末分化[13]。

2.4 自噬与破骨细胞 破骨细胞是一种巨大的多核细胞，来源于造血干细胞，由RANKL和巨噬细胞集落刺激因子激活。研究发现，自噬必需的蛋白对破骨细胞褶边的生成、分泌和骨吸收都很重要，并可通过引导溶酶体与质膜融合来参与溶酶体内容物向细胞外空间的极化分泌，影响破骨细胞的分化、形成过程。而降低自噬性能后，破骨细胞介导的骨吸收被明显抑制[14]。此外，研究者还发现RAPA 可以减少小鼠体内的破骨细胞数量，并减少关节炎实验鼠体内的破骨细胞形成和骨吸收[15]。这些结果均提示自噬作为一种保护性机制可以负向调节破骨细胞的形成和活性，并维持其在各种应激状态下的生存。

3 自噬与骨质疏松症

3.1 自噬与老年性骨质疏松症 老年性OP是一种伴随增龄等因素导致的以骨量低下、骨微结构损坏、骨脆性增加、易发生骨折为特征的全身性骨病。研究发现与健康人相比，来自OP患者的hBMSCs(人来源骨髓间充质干细胞)表现出与衰老相关的表型，并且自噬水平显著降低[16]。同时，骨质疏松性hBMSCs的成骨潜能显著降低，而RAPA 可通过自噬激活显著改善骨丢失。现有研究发现骨细胞中的自噬水平在骨丢失过程中会降低[17]，另一项研究也发现骨细胞中ATG7 基因的缺失会降低6个月大的小鼠的骨量，这类似于衰老对骨骼的影响[9]。而RAPA可激活骨细胞自噬，降低骨细胞凋亡率并缓解骨丢失[18]。另外，特异性Atg5 缺失导致的成骨细胞自噬能力下降也会导致一种类似于年龄相关性低骨量的表型[19]。无独有偶，另一项研究发现成骨细胞中自噬基因的上调促进了骨形成[20]。通过删除自噬负调控因子RUBCN/Rubicon基因，产生了自噬在成骨细胞中特异性上调的小鼠，并表现出股骨渐进性骨骼异常。总之，这些观察结果表明，自噬在骨骼稳态中发挥了重要作用，并表明衰老过程中骨相关细胞自噬活性降低可能是年龄相关骨丢失的主要原因。

3.2 自噬与绝经后骨质疏松 OPM 是最常见的OP，由于绝经后的中老年妇女体内雌激素显著降低，骨吸收与骨重建的平衡失调，最终导致骨量丢失，故也称雌激素缺乏性骨质疏松。研究证实经OVX诱导的OP小鼠BMSCs 表现出成骨分化减少、脂肪形成增加，且其骨髓和BMSCs 中的自噬均减少。而RAPA上调自噬可部分挽救内源性BMSCs 的功能并减弱了OPM 表型[8]。雌激素缺乏也会迅速增强破骨细胞生成，使骨小梁表面的骨吸收显著增加[21]。而破骨细胞中的自噬激活参与了皱褶边缘的产生和溶酶体内容物的极化分泌，同样可导致OVX小鼠的快速骨丢失[14]。使用CQ可通过抑制自噬从而减少甲状旁腺激素和OVX诱导的破骨细胞激活，并防止体内骨丢失[22]。同样地，在OPM 中，雌激素缺乏可抑制骨细胞自噬增加细胞凋亡，而雌激素治疗可提升自噬，并部分提高骨细胞的活力[23]；其也可调控成骨细胞及破骨细胞分化，例如白藜芦醇可通过调节成骨细胞和破骨细胞的自噬来恢复骨形成和骨吸收的平衡以促进OPM 大鼠中的成骨细胞分化并抑制破骨细胞分化[24]。

3.3 自噬与糖皮质激素性骨质疏松 糖皮质激素，如地塞米松(Dex)，作为一种有效的抗炎和自身免疫调节剂，广泛用于治疗自身免疫性疾病和器官移植排斥等。然而，长期使用会导致GIOP，是最常见的继发性OP。研究证明自噬不仅在BMSCs和成骨细胞分化中扮演重要角色，以对抗GC 诱导的细胞凋亡和骨损失[25-26]，还在破骨细胞中发生作用。Atg7 在单核细胞中对形成皱折边缘和溶酶体内容物的极化分泌至关重要，与Atg7fl/fl 同窝GIOP 小鼠相比，选择性缺失Atg7 的Atg7fl/flxLysM-Cre 小鼠的破骨细胞分化受到抑制，而骨丢失和骨质量损伤得到减轻[27]。值得注意的是，还有些研究在证实GC 可以影响细胞自噬的基础上，进一步发现了这种影响不仅存在剂量依赖性还有时间依赖性。在Han 等[28]的研究中，Dex 以剂量依赖的方式诱导成骨细胞的自噬活性，治疗后24 h，Beclin-1和LC3的表达水平随着Dex剂量的增加而增加。低剂量Dex启动的自噬活动有利于成骨细胞的存活，而高剂量Dex则加速成骨细胞凋亡[29]。当3-MA抑制自噬时，成骨细胞功能受损；相反，当RAPA 增强自噬时，并观察到成骨细胞活性改善[28-29]。这些发现表明，在GC存在的情况下，自噬对成骨细胞具有保护作用，但这种保护作用在很大程度上取决于GC 的剂量。此外，在相同浓度下，Dex诱导的自噬量在48 h达到峰值，然后逐渐下降[28]。

3.4 自噬与糖尿病性骨质疏松 糖尿病是一种慢性疾病，通过影响成骨细胞和破骨细胞，破坏骨稳态的动态平衡，从而导致OP[30]。研究发现糖尿病患者的BMSCs的成骨分化和自噬水平降低，而胰岛素可缓解此过程，以促进糖尿病大鼠骨缺损的愈合[31]。另外，高糖处理可通过抑制AMPK/mTOR/ULK1 通路降低破骨细胞形成过程中的自噬水平，而增加自噬水平可促进破骨细胞生成[32]。另外，褪黑激素可能通过抑制ERK 信号通路降低成骨细胞中的自噬水平并延缓糖尿病引起的OP[33]。

3.5 自噬与其他类型的骨质疏松症 自噬还参与其他类型的OP，如药物性OP(甲状旁腺激素诱发的OP[22]等)、废用性OP等等，但相关报道较少，需进一步深入研究。

4 总结

众所周知，自噬是一把“双刃剑”，适度水平的自噬对于保护蛋白质和细胞器的完整性是决定性的，而无限制地刺激自噬也会诱导程序性细胞死亡，也就是说过度或低下的自噬水平均可能不利于骨代谢和骨稳态，由此可见，自噬是维持细胞内环境稳定的重要机制，调控自噬水平使之保持在适度范围内可能成为治疗OP 的新方向。另外，现目前以自噬为靶点的临床应用作为许多疾病的新型药物引起了人们的关注。但目前还没有自噬选择性抑制剂或激活剂可用于干预人类疾病，大多数自噬调节剂对特定种类细胞的靶点特异性较差，而自噬在不同的组织和细胞中的影响是不同的，因此可能会对其他器官造成意想不到的副作用[34]。故下一代自噬诱导剂可以靶向自噬机制本身，使自噬调节剂对骨细胞中的自噬水平做出灵敏、精确、细微的调节，从而避免调节许多其他生物通路抑制剂的副作用。故需对自噬的相关机制加以研究，为进一步指导临床提供理论依据。

在生理条件下，自噬在维持不同类型骨细胞的正常功能和骨稳态方面发挥着重要作用。在OP 的骨微环境下必然导致自噬功能的改变。自噬在不同类型OP 中的作用不同，可能与发病因素、骨转归率和全身代谢有关。激活或抑制自噬的干预措施的治疗潜力在科学和临床上都具有重大意义。值得注意的是，OP被认为是一种受遗传和非遗传因素影响的多因素疾病，不同病因OP的自噬机制不同，而目前对于这方面的研究又较少。因此，需要根据不同的OP 类型制定个性化治疗方案。