铁死亡和自噬在骨关节炎发病机制中作用的研究进展

龚梓恒，邱波

武汉大学人民医院骨科，武汉430060

骨关节炎（OA）是中老年人常见的一种退行性关节疾病，典型临床表现为关节疼痛、肿胀和活动受限等，主要病理改变为关节软骨退行性病变、软骨下骨异常重塑和骨赘形成等。作为软骨的唯一细胞成分，软骨细胞衰老和死亡是导致OA发生、发展的重要原因［1］。目前，临床尚无有效方法来阻止、减缓或逆转OA进程，晚期通常采取人工关节置换治疗。因此，迫切需要探索新的治疗方法来改善OA症状和延缓疾病进展。铁死亡是一种独特的细胞死亡方式，其特征是铁依赖性脂质过氧化物过度累积［2］。铁死亡与诸多生物过程密切相关，如铁代谢、多不饱和脂肪酸代谢以及具有抗氧化活性化合物的生物合成等［3］。近年来，越来越多研究证实，铁死亡与OA的发生、发展密切相关。自噬是一种广泛存在于真核细胞、进化上保守的溶酶体依赖的分解代谢过程，负责将受损的细胞器、错误折叠的蛋白及其他大分子物质等运送至溶酶体降解和再利用［4］。自噬对细胞的自我更新和内环境稳态的维持具有至关重要的作用。最近研究表明，自噬在OA病程中被不同程度地触发，提示自噬可能参与OA的发生、发展。因此，深入了解铁死亡和自噬在OA中的作用机制，有可能为OA防治提供新的思路。本文结合文献就铁死亡和自噬在OA发病机制中作用的研究进展作一综述。

1 铁死亡与OA的关系

铁是人体必需的微量元素之一，能够参与一系列重要的生化反应，如血红蛋白合成、电子传递和细胞呼吸等［5］。因此，维持机体内铁稳态对细胞正常的生命活动至关重要。研究证实，铁代谢紊乱与OA的发病机制密切相关。MIAO等［6］研究报道，软骨细胞铁死亡可加速OA进展，铁过载小鼠表现出更多的软骨细胞破坏。LV等［7］研究发现，OA患者滑液中铁含量显著高于正常人，并且其血清铁蛋白水平与膝关节软骨损伤程度呈正相关关系。这些研究表明，体内异常的铁蓄积可能导致细胞凋亡和软骨破坏，从而促进了OA的发生、发展。

1.1 铁死亡 铁死亡是一种铁依赖的非凋亡形式的细胞程序性死亡方式，其特征是铁依赖性脂质过氧化物过度累积［2］。铁死亡本质是谷胱甘肽的耗竭，导致谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）活性下降，无法催化脂质氧化物的还原代谢反应，进而促使铁离子通过芬顿反应启动脂质过氧化，产生活性氧（ROS），最终导致线粒体损伤，触发铁死亡。LIANG等［8］研究认为，胱氨酸/谷氨酸逆转运体能够将细胞内的谷氨酸转运至细胞外，并将细胞外的胱氨酸转运至细胞内，再转化为半胱氨酸，最终合成谷胱甘肽；同时，GPX4能够减少多不饱和脂肪酸脂质过氧化，从而减少ROS积累。JIANG等［9］认为，过量的铁是铁死亡的基础。循环铁以Fe3+形式与转铁蛋白结合，多余的铁以稳定的形式被储存到铁蛋白中而不参与ROS生成反应。因此，控制铁含量或铁代谢是预防铁死亡的重要手段。HASSANNIA等［10］研究发现，铁代谢中的多个蛋白质可参与铁死亡的调节。其中，铁反应元件结合蛋白能够促进铁死亡发生，而磷酸化酶激酶γ2和CDGSH铁硫结构域1则抑制铁死亡的发生。此外，热休克蛋白27通过磷酸化阻断细胞骨架介导的铁吸收，减少脂质ROS产生，从而诱导铁死亡抗性。Egl九同源物1则可上调淋巴特异性解旋酶（LSH）表达，LSH通过影响下游代谢相关基因（如SCD1、GLUT1、FADS2）来抑制脂质ROS产生，从而抑制铁死亡发生。这些研究提示，铁代谢及其相关的信号分子或蛋白对铁死亡具有调节作用。

1.2 通过抑制铁死亡缓解OA MIAO等［6］分析了铁死亡与人类OA和未受损软骨的关系，发现铁死亡与OA密切相关，在OA患者软骨中GPX4表达显著低于未受损软骨。Fer-1、DFO两种铁死亡抑制剂均能以一种不依赖于坏死性凋亡的方式抑制OA，这表明在OA中存在铁死亡。下调GPX4表达可增加软骨细胞对氧化应激的敏感性，并通过MAPK/NF-κB信号通路加剧细胞外基质降解。这表明铁死亡能够介导OA的发生，并且GPX4是调控OA进展的关键蛋白。GUO等［11］研究发现，IL-1β能够增加ROS、脂质ROS和脂质过氧化产物丙二醛（MDA）水平，改变软骨细胞中铁死亡相关蛋白的表达。经典的铁死亡抑制剂Fer-1可抑制IL-1β诱导的Ⅱ型胶原蛋白表达减少和基质金属蛋白酶13表达增加，减轻IL-1β和铁死亡诱导剂诱导的软骨细胞毒性，消除ROS、脂质ROS积累以及MDA增加，改善软骨细胞OA样变化，并促进核因子E2相关因子2（Nrf2）抗氧化系统激活。这表明在炎症条件下软骨细胞会发生铁死亡，而抑制软骨细胞铁死亡可减轻软骨细胞破坏。因此，关节腔注射铁死亡抑制剂有可能成为一种新的OA治疗手段。WANG等［12］研究发现，虾青素可通过抑制铁死亡和调节软骨细胞线粒体功能来延缓OA进展。在大鼠关节内注射Fer-1和虾青素可延缓关节软骨退化和OA进展。抗氧化剂也可通过抑制铁死亡来缓解OA。ZHOU等［13］研究报道，D-甘露糖可通过抑制软骨细胞铁死亡来缓解OA进展。YAN等［14］研究发现，二甲双胍可通过抑制软骨细胞铁死亡和改善软骨下骨硬化和血管生成来减轻OA病情严重程度。鹰嘴豆芽素A则可通过调节铁水平和Nrf2/System Xc-/GPX4轴来预防铁过载相关的膝关节OA。此外，GONG等［15］研究发现，Cardamonin可通过p53途径抑制软骨细胞铁死亡，从而减轻软骨细胞炎症和延缓软骨退化。铁过载引起线粒体功能障碍和ROS生成增多，并抑制Ⅱ型胶原蛋白表达和诱导MMPs表达。总之，通过干预铁死亡和调节相关的信号通路，有可能成为治疗OA的有效策略。

2 自噬与OA的关系

自噬是真核细胞中一种高度保守的细胞生物学行为，是细胞的自体吞噬、消化过程。自噬是维护细胞稳态的一种重要机制，通过清除衰老或破损的细胞器、折叠错误或聚集的蛋白质，而维持细胞内环境稳定。目前普遍认为，自噬功能障碍与衰老和包括OA在内的多种退行性疾病密切相关。

2.1 自噬 自噬大体分为4个阶段：自噬起始→隔离膜和自噬体形成→自噬体与溶酶体融合→自噬体裂解。属于丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶的ATG1/ULK1是启动自噬的关键激酶。自噬起始阶段包括诱导自噬和形成自噬膜，而自噬膜形成需要自噬前体形成。Beclin1-Vps34复合体是哺乳动物自噬的核心复合物［16］。ATG4参与自噬泡形成，而UVRAG作用于自噬泡成熟及其运输过程。Rubicon则是一个负调节因子，参与调控自噬体功能。自噬诱导后，在ATG14-Vps15-mVps34复合物作用下启动膜泡成核反应，形成前自噬体［17］。自噬膜泡进一步扩张并包绕底物，最终形成自噬体。

新近研究表明，p62蛋白可诱导镶嵌LC3的自噬体到溶酶体，将其吞噬并清除，而p62与底物结合后会被蛋白水解酶降解［18］。细胞内的微管骨架参与将自噬体运输到溶酶体的过程，而这个过程需要Rab7、UVRAG等因子参与。MIZUSHIMA等［19］研究发现，Rab7通过与膜泡表面的脂质尾部作用进行定位，而UVRAG则激活Rab7并将囊泡运送至靶位点。自噬过程通常涉及两种泛素样偶联反应，这有助于维持吞噬体的扩展。自噬效应的发生取决于自噬体形成、自噬体与溶酶体融合、后续内含物的降解和回收等自噬流过程是否完成［20］。

2.2 通过促进自噬缓解OA 自噬在细胞内是一种常见的自我保护机制，可帮助细胞在营养匮乏、应激等不利条件下存活。研究表明，自噬与OA的发生、发展密切相关［21］。MUSUMECI等［22］认为，尽管自噬不是一种细胞死亡方式，但其对维持软骨稳态非常重要。细胞凋亡是一种重要的生理过程，在发育和组织稳态中起着至关重要的作用［23］。自噬能够参与细胞内生化反应的正向调节，但在一些情况下也可能是一种非凋亡性程序性细胞死亡方式。因此，自噬在OA的发生、发展中可能扮演重要角色，但其作用机制仍需进一步研究。

在OA中，自噬与软骨细胞凋亡增加有关，自噬诱导剂ULK1、自噬调节剂Beclin1以及微管相关蛋白LC3等调节因子减少甚至丢失。执行自噬的过程可能会被NLRP3依赖性Caspase-1切割的白细胞介素所抑制。一些自噬诱导剂对延缓OA进展有着积极作用。XUE等［23］探讨了PI3K/Akt/mTOR信号通路与OA大鼠关节软骨细胞自噬的关系，结果发现炎症可抑制大鼠软骨细胞增殖、阻滞细胞周期进程，降低自噬水平；抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路则可促进OA大鼠关节软骨细胞自噬，减轻炎症反应。YAN等［14］研究发现，METTL3介导的ATG7 m6A修饰可调节自噬-GATA4轴，从而促进细胞衰老和OA进展；沉默METTL3可增强自噬并抑制OA-FLS中SASP表达；关节内注射靶向滑膜的METTL3 siRNA可抑制关节软骨细胞衰老，并改善DMM诱导的软骨破坏。这为OA治疗提供了一种潜在的策略。XU等［21］研究发现，SIRT3可通过PI3K/Akt/mTOR信号通路调节软骨细胞自噬，改善OA的病理生理过程，证实SIRT3在OA治疗中具有一定效果。此外，PINK1、PRKN、BNIP3和MFN2等在OA的线粒体自噬和病理状态中亦发挥重要作用［24］。PINK1-PRKN是目前研究最多的线粒体自噬通路，对软骨细胞的线粒体自噬激活具有关键性作用。有研究发现，在中等强度运动的早期阶段，P2X7激活和自噬水平升高能够延缓OA进展；但在运动后期，P2X7过度激活会导致细胞凋亡增加，从而加速OA进展［25］。这表明在OA治疗中运动强度和持续时间至关重要。此外，P2X7及其下游信号分子也可能成为OA治疗的潜在靶点。关节疼痛是OA最主要和最突出的症状。NA等［26］研究发现，二甲双胍通过调节疼痛介质和自噬-溶酶体途径，减轻碘乙酸钠诱导的OA症状，并能减轻软骨损伤。此外，在OA软骨细胞中，二甲双胍还能降低IL-1β刺激的分解代谢因子表达，调节炎症反应并诱导自噬体-溶酶体融合表型。LIN等［27］研究发现，JUNB-FBXO21-ERK轴能够通过抑制自噬而促进OA软骨退化。结果提示，JUNB-FBXO21-ERK轴通过抑制自噬来调节OA软骨细胞凋亡和基质代谢，为OA治疗提供了新的方向。

3 自噬与铁死亡在OA中的共同作用

最近研究表明，自噬在驱动细胞走向铁死亡方面发挥着重要作用，特别是选择性自噬，如铁蛋白自噬、脂肪自噬、时钟自噬和分子伴侣介导的自噬（CMA）。适量自噬已经演变成一种促进生存的反应，但过度自噬尤其是选择性自噬和溶酶体活性受损可能会促进铁死亡。因此，深入探索铁死亡与自噬的机制对OA治疗具有重要意义。

3.1 NCOA4依赖性铁蛋白自噬 MANCIAS等［28］研究发现，铁蛋白降解是一个铁储存蛋白的自噬过程，依此调节细胞内铁水平。铁蛋白是由24个亚基组成的多聚体蛋白，每个铁蛋白最多可结合4 500个铁原子。NCOA4是介导铁蛋白自噬的货物受体，NCOA4的C末端能够与吞噬细胞中铁蛋白重链上的保守表面精氨酸结合，并在自噬体和自噬溶酶体中释放出铁。NCOA4依赖性铁蛋白自噬通过从铁蛋白中释放游离铁而促进铁死亡。消耗或抑制NCOA4或ATG蛋白（如ATG3、ATG5、ATG7、ATG13）则会抑制铁蛋白降解，降低游离铁水平，进而限制铁死亡及其氧化损伤。因此，深入探索铁蛋白降解机制，或可为治疗铁死亡相关疾病提供新的思路。

3.2 SQSTM1依赖性时钟自噬 生物钟是存在于机体的生物节律振荡系统，振荡周期为24 h，对诸多行为和生理过程具有重要意义［29］。生物钟的振荡机制依赖于转录-翻译的负反馈回路，其中ARNTL和时钟昼夜节律调节器是驱动生物钟的核心因子，通过结合启动子中的E-box基序来调节许多基因的表达。最近发现时钟自噬是一种选择性自噬方式，在由Ⅱ型铁死亡诱导剂（如RSL3、FIN56）诱导的铁死亡期间降解ARNTL。值得注意的是，HIF-1α水平受到egl-9家族缺氧诱导因子2（EGLN2/PHD1）调节，而EGLN2/PHD1是RSL3诱导的铁死亡中的一个ARNTL靶基因。除HIF-1α外，内皮PAS结构域蛋白1（EPAS1/HIF2A）在OA中也可调节铁死亡过程。这些发现表明，在探索铁死亡和细胞凋亡的过程中，需要深入了解生物钟与铁死亡的关系。

3.3 CMA ZHU等［30］研究发现，CMA是一种选择性自噬方式，它利用分子伴侣将特定的细胞溶质蛋白递送至溶酶体进行降解。这种自噬是基于对特定氨基酸序列的识别，具有高度选择性。HSP70家族成员HSPA8/HSC70是一种重要的分子伴侣，负责识别胞质蛋白中的KFERQ样基序，进而参与CMA过程。CMA对GPX4蛋白的降解是一种响应各种铁死亡激活剂的普遍事件。HSPA5是一种内质网应激相关的分子伴侣，可限制Erastin诱导的GPX4降解，从而防止软骨细胞铁死亡。HSPA8依赖性CMA有助于软骨细胞中Erastin诱导的GPX4降解。HSP90可增加CMA受体溶酶体相关膜蛋白2A的稳定性，进而在铁死亡过程中增强GPX4的降解。这些发现有助于深入探究铁死亡过程中GPX4的稳定性。

综上所述，铁死亡和自噬在肿瘤和心血管、神经系统疾病等方面已得到广泛关注，其在骨科领域的研究比较有限。而抑制铁死亡或激活自噬在OA的治疗中显示出巨大的潜力，相信随着进一步研究，最终将被广泛用于临床，为OA带来新的治疗策略。