趙 旭 傅志儉
(山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院疼痛科,濟(jì)南250021)
·特約綜述·
自噬在骨性關(guān)節(jié)炎中的研究進(jìn)展*
趙 旭 傅志儉△
(山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院疼痛科,濟(jì)南250021)
骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)以關(guān)節(jié)腫脹和疼痛為主要癥狀,嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量,尋找治療骨性關(guān)節(jié)炎有效藥物成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。目前臨床主要有:口服非甾體類抗炎藥物,關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射玻璃酸鈉等,以緩解疼痛,改善關(guān)節(jié)活動(dòng)度的對癥治療,尚未發(fā)現(xiàn)有效治愈骨性關(guān)節(jié)炎的靶向藥物。骨性關(guān)節(jié)炎的病理表現(xiàn)以滑膜炎和軟骨退變?yōu)橹鳌D壳把芯堪l(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞自噬水平下降是軟骨退變原因之一,可能是治療骨性關(guān)節(jié)炎藥物靶點(diǎn)。該文就自噬定義、相關(guān)信號通路及影響因素,自噬在軟骨細(xì)胞中的作用及骨關(guān)節(jié)炎中自噬等予以綜述,為尋找有效治療骨性關(guān)節(jié)炎藥物提供新的思路。
骨性關(guān)節(jié)炎;軟骨退變;軟骨細(xì)胞;自噬
隨著全球人口老齡化加重,退行性疾病發(fā)病率呈上升趨勢,如骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)。OA以關(guān)節(jié)腫脹和長期慢性疼痛為主要表現(xiàn),嚴(yán)重影響病人的日常生活。目前研究表明OA主要發(fā)病特點(diǎn)是關(guān)節(jié)軟骨退變和慢性炎癥。慢性炎癥主要有IL-1、IL-6和TNF-α促進(jìn)分解的炎癥因子共同參與[1]。關(guān)節(jié)軟骨退變是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制的中心環(huán)節(jié), 主要病理表現(xiàn)是軟骨細(xì)胞的衰老凋亡[2],細(xì)胞外基質(zhì)的降解和增生不良引起軟骨退化,軟骨下的骨硬化導(dǎo)致骨贅形成[3]。因此,維持關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的活性是預(yù)防OA關(guān)鍵因素之一。Cheng NT等[4]研究發(fā)現(xiàn), 在OA動(dòng)物模型中,維持軟骨細(xì)胞的自噬水平可預(yù)防軟骨退變,是維持軟骨細(xì)胞生存的重要方式。
真核細(xì)胞通過溶酶體途徑對胞質(zhì)蛋白和細(xì)胞器進(jìn)行降解以維持生存的過程稱為細(xì)胞自噬(Autophagy)。1956年比利時(shí)科學(xué)家Christian de Duve在新生小鼠腎組織中觀察到細(xì)胞中存在大量膜性結(jié)構(gòu)致密體,其于1963年在首次提出這種現(xiàn)象為自噬。自噬可清除細(xì)胞受損的細(xì)胞器和長效大分子,是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)不可或缺的機(jī)制。已有研究發(fā)現(xiàn)OA的發(fā)生與軟骨細(xì)胞自噬水平下降相關(guān)[5]。因此,提高軟骨細(xì)胞自噬水平可能是OA治療靶點(diǎn)。本文就自噬在骨性關(guān)節(jié)炎中作用機(jī)制予以綜述。
自噬是細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器和分子更新的過程,當(dāng)應(yīng)激時(shí),如能量缺乏、ROS、低氧環(huán)境,保護(hù)細(xì)胞,避免細(xì)胞凋亡,是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和生存的重要方式。自噬過程是由ATG基因(autophagy associated gene,ATG)介導(dǎo)的自噬性結(jié)構(gòu)形成過程,細(xì)胞自噬發(fā)生起始時(shí),胞內(nèi)形成一種稱為自噬泡(phagopore)的囊泡樣結(jié)構(gòu),與需降解的胞質(zhì)成分集結(jié)一起。然后自噬泡隔離膜延伸、包裹、封閉胞漿成分,最終形成一個(gè)雙層膜的結(jié)構(gòu),即自噬體 (autophosome),自噬體與溶酶體結(jié)合形成自噬溶酶體(autopholysome),將包裹的胞質(zhì)成分在溶酶體內(nèi)酶的作用逐步降解,用于細(xì)胞重新利用。
ATG基因首次發(fā)現(xiàn)于酵母菌中,與之相對應(yīng)的真核細(xì)胞基因也隨之確定。目前共發(fā)現(xiàn)ATG基因三十余種,其中ATG1、ATG6、ATG8分別對應(yīng)哺乳動(dòng)物的ULK-1、Beclin-1和微管相關(guān)蛋白1輕鏈3 (microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3),是自噬的關(guān)鍵基因。ULK-1是自噬泡形成所必需的,ULK-1激酶的失活會(huì)抑制LC3Ⅱ形成,抑制自噬發(fā)生。其接受自噬中心關(guān)鍵調(diào)控因子哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)的調(diào)節(jié)。能量缺乏時(shí),mTOR受到抑制,mTOR對ULK-1的抑制作用減弱,使得ULK-1活性增強(qiáng),啟動(dòng)自噬[6]。LC3廣泛表達(dá)于哺乳動(dòng)物組織和培養(yǎng)的細(xì)胞的可溶性蛋白中,稱為胞漿型LC3Ⅰ。當(dāng)自噬發(fā)生時(shí),胞漿形式的LC3Ⅰ通過泛素樣酶促反應(yīng)與磷脂酰乙胺醇結(jié)合,轉(zhuǎn)化為磷脂共軛化合物形式的LC3Ⅱ[7],不斷被募集到自噬泡上,對自噬泡的延伸發(fā)揮關(guān)鍵作用[8]。自噬泡不斷延伸并包裹降解底物,最后形成閉合的自噬小體,它是自噬小體的標(biāo)志分子,發(fā)揮監(jiān)控自噬作用[9]。通常將LC3Ⅱ和LC3Ⅰ的比值來評估細(xì)胞自噬水平。Beclin-1基因又叫BECN1基因,是酵母菌ATG6同源體,Beclin-1表達(dá)與自噬水平呈正相關(guān),是自噬的正向調(diào)節(jié)因子。饑餓等條件下可激活JNK通路,激活Bcl-2磷酸化,從而Beclin-1釋放增加,進(jìn)而激活自噬[10]。P62蛋白參與自噬小體的降解,也是自噬過程中選擇性自噬底物,因此在自噬下降時(shí),P62蛋白胞內(nèi)大量堆積。
啟動(dòng)自噬的中心關(guān)鍵分子mTOR可接受上游多個(gè)信號通路變化,調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬水平。mTOR存在mTORC1和mTORC2兩種形式[11],其中mTORC2對自噬誘導(dǎo)藥物雷帕霉素耐受。mTOR的激活可抑制自噬,使磷酸化的ATG13不能與ATG1(ULK1)結(jié)合形成自噬小體,促進(jìn)核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)黏附,從而抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脫落形成自噬體膜[12]。研究發(fā)現(xiàn)mTOR的上調(diào)與 OA軟骨細(xì)胞凋亡、ATG5、Beclin-1和LC3Ⅱ下調(diào)相關(guān)。而特異性基因敲除mTOR的小鼠,與正常小鼠相比軟骨的自噬水平升高,同時(shí)軟骨細(xì)胞凋亡數(shù)量減少[13]。
對于mTOR的調(diào)控受多種因素的影響,其中Ⅰ型和Ⅲ型磷脂酰肌醇3 激酶(phosphatidylinositol 3 kinase, PI3K)均參與自噬調(diào)節(jié)。生長因子可通過胞外細(xì)胞因子受體酪氨酸激酶激活Ⅰ型PI3K,進(jìn)而激活下游蛋白激酶B (Protein Kinase B, Akt)磷酸化,正向調(diào)控mTOR[14],抑制自噬。但是當(dāng)營養(yǎng)和能量缺乏應(yīng)激情況下, PI3K活化的下游的Akt減少,誘導(dǎo)自噬發(fā)生[15]。Ⅲ型PI3K可直接與Beclin-1形成復(fù)合物,促進(jìn)自噬。此外,AMP/ATP比值升高激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK),磷酸化AMPK可直接對mTOR產(chǎn)生負(fù)性調(diào)控,激活自噬[16]。
最近研究發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt/mTOR和AMPK/mTOR通路對自噬的調(diào)節(jié)與活性氧(reactive oxygen species,ROS) 有關(guān)。Li P等[17]在研究肺炎鏈球菌感染A549細(xì)胞,促進(jìn)自噬是通過抑制PI3K/Akt/mTOR通路,并伴隨細(xì)胞內(nèi)ROS增加,加入ROS清除劑后,自噬水平下降??梢娂?xì)胞內(nèi)ROS水平也是調(diào)節(jié)自噬關(guān)鍵因素之一。
自噬具有抑制炎癥激活作用。Saitoh T等[18]在研究自噬與克羅恩病時(shí)發(fā)現(xiàn),ATG16L敲除的克羅恩病小鼠與克羅恩病小鼠相比,外周血IL-1和IL-18明顯增加。在無菌環(huán)境下,自噬可清除異常的細(xì)胞器、蛋白聚集體和胞漿碎片,發(fā)揮內(nèi)源性炎癥激活功能,但研究表明正常生理?xiàng)l件下的自噬可以控制炎癥的激活,一但自噬被阻斷,胞內(nèi)線粒體去極化積累,導(dǎo)致內(nèi)源性炎癥激活劑釋放,激活炎癥發(fā)生。
相反,炎癥也可抑制自噬水平。在OA早期和晚期均有炎癥存在,軟骨、滑膜和軟骨下骨促炎因子表達(dá)增加,推進(jìn)OA關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改變和軟骨退化[19]。研究發(fā)現(xiàn)OA病人外周血單核細(xì)胞mTOR表達(dá)增加與OA炎癥活動(dòng)期相關(guān),IL-1干預(yù)OA軟骨細(xì)胞mTOR表達(dá)增加[13],提示促炎因子抑制自噬。阮麗萍等[9]在觀察骨關(guān)節(jié)炎大鼠模型時(shí),關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞自噬水平降低,Beclin-1和LC3Ⅱ表達(dá)下降,但外周血IL-4、IL-10和TNFα顯著升高,其兩者有相關(guān)性。
綜上所述,正常生理?xiàng)l件下的軟骨細(xì)胞自噬活動(dòng)具有一定抗炎作用,某些促炎因子很可能是軟骨細(xì)胞自噬水平降低原因之一。
關(guān)節(jié)軟骨與其他組織器官不同,不存在血管、神經(jīng)、淋巴組織,其通過來自于滑膜液和軟骨下骨擴(kuò)散至軟骨層的氧氣和營養(yǎng)[20],來合成和更新豐富的細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)[21]。因此維持軟骨細(xì)胞健康狀態(tài)是關(guān)節(jié)軟骨完整性重要因素。
在正常成年關(guān)節(jié)軟骨中,自噬維持軟骨細(xì)胞穩(wěn)態(tài),關(guān)節(jié)軟骨淺表層的軟骨細(xì)胞高表達(dá)beclin-1、ATG5和 LC3Ⅱ[22]。此外,代謝和饑餓應(yīng)激初始階段,軟骨細(xì)胞的自噬也會(huì)增加。因此在關(guān)節(jié)軟骨退變的初始階段,OA的軟骨細(xì)胞LC3Ⅱ、Beclin-1 mRNA表達(dá)增加[23]。在大鼠顳下頜關(guān)節(jié)炎模型中,透射電鏡觀察早期退變的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞,自噬小體增加;伴隨mTOR的活性下降[24],LC3Ⅱ和Beclin-1 的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)均增加。細(xì)胞自噬一過性增加是細(xì)胞對應(yīng)激的代償性反應(yīng),利于細(xì)胞生存,持續(xù)自噬升高,細(xì)胞會(huì)受到損害而凋亡[25]。Carames B等[26]研究發(fā)現(xiàn)在OA病變較輕時(shí),關(guān)節(jié)軟骨中部和深層的自噬相關(guān)mRNA和蛋白ULK1、Beclin-1和LC3Ⅱ表達(dá)較高,關(guān)節(jié)軟骨表層其表達(dá)反而下降[27],考慮表層軟骨細(xì)胞受損較深部時(shí)間長,增加自噬已失代償??傊趹?yīng)激條件下骨骺生長板中軟骨細(xì)胞通過調(diào)節(jié)相關(guān)基因提高自噬,從而實(shí)現(xiàn)降低細(xì)胞代謝,提高能量利用率,使其在惡劣的局部微環(huán)境中生存。
進(jìn)入中晚期的OA,軟骨細(xì)胞自噬下降,細(xì)胞凋亡增加,軟骨退變嚴(yán)重,伴隨ECM合成減少。小鼠膝關(guān)節(jié)炎模型中,ULK1和Beclin-1表達(dá)下降與糖胺多糖的丟失相一致,而凋亡相關(guān)蛋白PARP p85伴隨軟骨退化而表達(dá)增加[27],提示自噬水平的降低不能維持細(xì)胞生存,進(jìn)而細(xì)胞凋亡增加。研究觀察人OA以及小鼠和狗OA模型的軟骨細(xì)胞,mTOR較正常軟骨細(xì)胞均過表達(dá),mTOR的過表達(dá)與軟骨細(xì)胞凋亡增加、自噬調(diào)節(jié)因子ATG3、ATG5、ATG12、ULK1、LC3Ⅱ和Beclin-1的降低密切相關(guān)[13]。
OA的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)有許多因素,包括關(guān)節(jié)損傷、肥胖、遺傳學(xué)、性別和解剖學(xué)因素等,最突出的風(fēng)險(xiǎn)是年齡[28]。2014年的西班牙調(diào)查報(bào)道,超過300萬人診斷為OA,而年齡分布多在60~64歲[29]。軟骨細(xì)胞自噬水平也與年齡相關(guān)。Carames B等[27]還觀察了GFP-LC3轉(zhuǎn)基因的C57BL/6J小鼠,將綠色熒光蛋白GFP融合在LC3上,觀察到老年小鼠與年輕小鼠相比,關(guān)節(jié)軟骨自噬小體數(shù)量和自噬區(qū)域顯著減少,提示自噬的基礎(chǔ)水平也與年齡相關(guān),隨著年齡增加自噬水平降低,從而原發(fā)性O(shè)A多發(fā)于中老年,軟骨細(xì)胞自噬水平下降是重要因素之一[30]。
隨著對骨性關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞自噬下降研究逐漸明了,探索治療OA精確有效的方法成為重任。目前非甾體類抗炎藥、氨基葡萄糖是OA常用口服藥物,關(guān)節(jié)腔內(nèi)臭氧注射治療在臨床已廣泛開展,臨床研究表明30~40 μg/ml醫(yī)用臭氧注射可顯著緩解骨關(guān)節(jié)炎的疼痛[31],在動(dòng)物骨關(guān)節(jié)炎模型中,40 μg/ml醫(yī)用臭氧關(guān)節(jié)腔注射促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)膠原網(wǎng)修復(fù)[32],而醫(yī)用臭氧是否對軟骨細(xì)胞自噬產(chǎn)生影響,仍不清楚。最近提出的雷帕霉素,是一種mTOR抑制劑,直接作用于軟骨細(xì)胞的mTOR,提高細(xì)胞自噬,是潛在治療骨關(guān)節(jié)炎的靶向藥物,也為我們探索治療OA提供新的方向。
[1]姜鵬, 傅志儉. 醫(yī)用臭氧治療膝骨性關(guān)節(jié)炎相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展. 中國疼痛醫(yī)學(xué)雜志, 2015, 21(7):532 ~ 535.
[2]Lahm A, Kasch R, Mrosek E,et al. Semiquantitative analysis of ECM molecules in the different cartilage layers in early and advanced osteoarthritis of the knee joint. Histol Histopathol, 2012, 27(5):609 ~ 615.
[3]劉寧,宋玉文,王文波. 細(xì)胞自噬與退行性骨關(guān)節(jié)疾病. 中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志, 2014, 29(5):517 ~ 518.
[4]Cheng NT, Guo A, Meng H. The protective role of autophagy in experimental osteoarthritis, and the therapeutic effects of Torin 1 on osteoarthritis by activating autophagy.BMC Musculoskelet Disord, 2016, 17:150.
[5]Caramés B, Taniguchi N, Otsuki S,et al. Autophagy is a protective mechanism in normal cartilage, and its agingrelated loss is linked with cell death and osteoarthritis.Arthritis Rheumatism, 2010, 62(3):791 ~ 801.
[6]方夢蝶,劉波,劉偉. 自噬的分子細(xì)胞機(jī)制研究進(jìn)展.中國細(xì)胞生物學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(4):382 ~ 390.
[7]Xue D, Wang Q, Chen Z,et al. 3-Anhydro-6-hydroxyophiobolin A, a fungal sesterterpene from Bipolaris oryzae induced autophagy and promoted the degradation of alpha-synuclein in PC12 cells. Bioorg Med Chem Lett, 2015, 25(7):1464 ~ 1470.
[8]Mizushima N, Yamamoto A, Hatano M,et al. Dissection of autophagosome formation using Apg5-de fi cient mouse embryonic stem cells. J Cell Biol, 2001, 152(4):657 ~ 668.
[9]阮麗萍,劉健,葛瑤,等. 骨關(guān)節(jié)炎大鼠軟骨PI3K/Akt-mTOR及Beclin-1自噬通路的表達(dá)及相關(guān)性分析.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版), 2015, 44(4): 429 ~ 433.
[10]Wei Y, Pattingre S, Sinha S,et al. JNK1-mediated phosphorylation of Bcl-2 regulates starvation-induced autophagy. Mol Cell, 2008, 30(6):678 ~ 688.
[11]Tarantino G, Capone D. Inhibition of the mTOR pathway:a possible protective role in coronary artery disease. Ann Med, 2013, 45(4):348 ~ 356.
[12]葉青,鄭民華. 自噬的分子機(jī)制與病理生理意義.國際病理科學(xué)與臨床雜志, 2007, 27(4): 358 ~ 362.
[13]Zhang Y, Vasheghani F, Li YH,et al. Cartilage-specific deletion of mTOR upregulates autophagy and protects mice from-osteoarthritis. Ann Rheum Dis, 2015, 74(7):1432 ~ 1440.
[14]丁亦含, 李玉峰. mTOR信號通路與自噬、凋亡之間的相互關(guān)系. 現(xiàn)代醫(yī)學(xué), 2015, 6(43):801 ~ 804.
[15]陳松峰,邵增務(wù). 自噬相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究進(jìn)展.國際骨科學(xué)雜志, 2013, 34(4):269 ~ 271.
[16]Mizushima N, Yoshimori T, Ohsumi Y. The role of Atg proteins in autophagosome formation. Annu Rev Cell Dev Biol, 2011, 27:107 ~ 132.
[17]Li P, Shi J, He Q,et al. Streptococcus pneumoniae induces autophagy through the inhibition of the PI3K /Akt/mTOR pathway and ROS hypergeneration in A549 cells. PLoS One, 2015, 10(3):e122753.
[18]Saitoh T, Fujita N, Jang MH,et al. Loss of the autophagy protein Atg16L1 enhances endotoxin-induced IL-1beta production. Nature, 2008, 456(7219): 264 ~ 268.
[19]Kapoor M, Martel-Pelletier J, Lajeunesse D,et al. Role of proin fl ammatory cytokines in the pathophysiology of osteoarthritis. Nat Rev Rheumatol, 2011, 7(1): 33 ~ 42.
[20]Milner PI, Fairfax TP, Browning JA,et al. The effect of O2 tension on pH homeostasis in equine articular chondrocytes. Arthritis Rheum, 2006, 54(11): 3523 ~3532.
[21]Loeser RF. Aging and osteoarthritis: the role of chondrocyte senescence and aging changes in the cartilage matrix. Osteoarthritis Cartilage, 2009, 17(8): 971 ~ 979.
[22]Almonte-Becerril M, Navarro-Garcia F, Gonzalez-Robles A,et al. Cell death of chondrocytes is a combination between apoptosis and autophagy during the pathogenesis of Osteoarthritis within an experimental model. Apoptosis,2010, 15(5):631 ~ 638.
[23]Sasaki H, Takayama K, Matsushita T,et al. Autophagy modulates osteoarthritis-related gene expression in human chondrocytes. Arthritis Rheum, 2012, 64(6):1920 ~ 1928.
[24]Mobasheri A, Matta C, Zakany R,et al. Chondrosenescence: definition, hallmarks and potential role in the pathogenesis of osteoarthritis. Maturitas, 2015, 80(3):237 ~ 244.
[25]Barranco C. Osteoarthritis: Activate autophagy to prevent cartilage degeneration? Nat Rev Rheumatol, 2015, 11(3):127.
[26]Sasaki H, Takayama K, Matsushita T,et al. Autophagy modulates osteoarthritis-related gene expression in human chondrocytes. Arthritis Rheum, 2012, 64(6): 1920 ~ 1928.
[27]Carames B, Taniguchi N, Otsuki S,et al. Autophagy is a protective mechanism in normal cartilage, and its agingrelated loss is linked with cell death and osteoarthritis.Arthritis Rheum, 2010, 62(3):791 ~ 801.
[28]Johnson VL, Hunter DJ. The epidemiology of osteoarthritis. Best Pract Res Clin Rheumatol, 2014, 28(1):5 ~ 15.
[29]Prieto-Alhambra D, Judge A, Javaid MK,et al. Incidence and risk factors for clinically diagnosed knee, hip and hand osteoarthritis: influences of age, gender and osteoarthritis affecting other joints. Ann Rheum Dis,2014, 73(9): 1659 ~ 1664.
[30]Loeser RF, Collins JA, Diekman BO. Ageing and the pathogenesis of osteoarthritis. Nat Rev Rheumatol,2016, 12(7):412 ~ 420.
[31]陳瀟. 探討不同濃度臭氧治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的臨床療效. 中國疼痛醫(yī)學(xué)雜志, 2012, 18(1):57 ~ 58.
[32]岳惠忠,陸巍,沃春新,等. 臭氧對兔骨性關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨膠原影響的實(shí)驗(yàn)研究. 中國疼痛醫(yī)學(xué)雜志,2015, 21(12):899 ~ 902.
10.3969/j.issn.1006-9852.2017.04.001
國家自然科學(xué)基金(81271346)
△通訊作者 zhijian_fu@163.com