自噬相關調控信號通路在骨重塑中的作用及中醫藥防治進展

莫亞峰 胡敏利 湯樣華 李國松 辛大偉 熊振飛

1.浙江省杭州市蕭山區中醫院 浙江中醫藥大學附屬江南醫院骨科，浙江杭州 311201；2.浙江省蕭山醫院醫共體總院北干分院，浙江杭州 311202

骨不連是骨折后常見的并發癥。據文獻報道，骨不連的發生率為1.9%～20.0%，具體取決于骨折部位[1]。例如髓內釘固定后股骨干骨不連發生率為8.0%，髓內釘固定后脛骨干不愈合的發生率為4.6%，而且局部軟組織損傷也會影響愈合能力[2-3]。骨不連延長了疾病的治療周期，耽誤了患者早期的康復，也造成了不必要的經濟負擔。我國人口基數龐大，人口老齡化嚴重，加之近年來隨著工業和交通業的發展，骨折發生率呈明顯增長趨勢。因此，對于骨折患者，防治骨不連的工作刻不容緩。自噬作為人體的自我保護機制，能實現細胞自身的更新，保持一定的自噬水平可有效促進成骨細胞的更新，加速骨重塑，而信號通路作為一種信息傳遞過程可有效激活自噬。目前影響骨重塑的因素及促進骨重塑相關藥物的研究機制尚未完全明確，中醫藥或可成為一種新型的自噬誘導劑來防治骨不連，本文現將調控自噬的相關信號通路在骨重塑中的作用機制及中醫藥防治進行綜述。現總結如下：

1 自噬對骨重塑的作用機制

成骨細胞、破骨細胞和骨細胞三者之間的協調是骨重塑的關鍵因素。成骨細胞前體在骨表面分化為成骨細胞，主導骨的形成。破骨細胞則具有特殊的骨質吸收作用，主導骨吸收。有研究表明[4]，在骨折部位修復重塑過程中，自噬扮演著重要的角色，因此激活成骨細胞自噬對骨重塑大有裨益。骨質疏松是骨折發生的重要危險因素，對骨重塑影響頗大，保持成骨細胞適當的自噬，有利于骨的形成，預防骨質疏松性骨折的發生。自噬是真核細胞獨有的一種生物降解方式，其主要作用是將異常蛋白質、受損細胞器等進行降解和再循環，以此合成新物質的原料，提供給機體[5]。骨不連的發生，與成骨細胞自噬水平較低存在一定聯系，適度誘導自噬可有效促進成骨細胞的增殖更新，進而促進骨重塑。動物實驗研究[4]發現，大鼠成骨細胞缺乏自噬的表現為骨形成、骨吸收及骨轉換減少，細胞自噬水平降低加速了骨組織的氧化應激，從而影響骨重塑。自噬還具有雙向協調性，一方面可以保護細胞，為細胞提供生存所需物質，另一方面也可以通過降解胞內大分子從而誘導細胞凋亡[6]。因此，調控細胞自噬對促進骨重塑將具有重要的研究價值和意義。

2 自噬相關信號通路對骨重塑過程的調節機制

2.1 磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/Akt 激酶/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號通路PI3K 在自噬相關前體形成時起著重要的調控作用。Akt 激酶是結節性硬化復合癥（tuberous sclerosis complex，TSC）抑制蛋白，而TSC 基因為mTOR 的負調控因子[7]。mTOR 復合物（mTOR complex，mTORC）是一種由mTOR 與其他分子組合形成的復合物，可接受并整合多種信號，進行蛋白質或脂質合成，從而調控自噬。朱俊瑾等[8]研究發現在營養缺乏的條件下，mTOR可作為自噬體形成的啟動子介導自噬。殷照陽等[9]通過抑制mTOR 來減弱其對下游蛋白的調控作用，誘導細胞自噬，其研究表明雷帕霉素可有效抑制mTOR通路，激活骨折區域細胞自噬，同時與自噬密切相關的蛋白含量明顯升高，凋亡蛋白的表達也被抑制，在多重作用下骨重塑能力顯著增強。骨折受傷部位常因供血破壞而失去營養支持，處于營養缺乏狀態下的細胞自噬功能被激活，使骨折部位快速過渡血腫機化期，進入骨重塑期。在骨重塑期，膜內化骨的完成具有重大意義，在該過程中保持成骨細胞一定的自噬水平，可預防骨不連的發生。

2.2 雌激素受體α（estrogen receptor α，ERα）-單磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）-沉默信息調節因子相關酶1（Sirtuin1，Sirt1）信號通路

在AMPK 及Sirt1 的共同調控下，ERα 與配體結合形成的復合體對成骨細胞、破骨細胞的功能有一定的影響[10]。研究表明[10]，ERα 通過增加LKB1 的活性可激活AMPK，而AMPK 又是Sirt1 的激活因子，同時Sirt1 又通過對LKB1 的去乙酰化修飾來提高AMPK的表達水平，兩者相互促進可進一步增強成骨細胞自噬的表達。另一方面，AMPK 在骨重塑過程中十分關鍵。AMPK 可抑制mTORC，從而引發細胞自噬[11]。AMPK 也可促進骨髓間充質干細胞（bone marrow stem cell，BMSC）向成骨細胞分化[12]。在骨重塑期，維持充足的成骨細胞對骨的修復具有重要作用，該通路通過促進成骨細胞自噬、分化來防治骨不連的發生，對于保證骨塑形過程的完成意義非凡。

2.3 核因子κB（nuclear factor，NF-κB）信號通路

NF-κB 是普遍存在于真核細胞中的一種信息傳遞因子，激活后可進入細胞核，啟動或抑制相關基因的轉錄[13]。當某些因素（如炎癥因子、致癌基因等）刺激細胞時，在細胞質中的NF-κB 會被轉移到細胞核中，進而參與細胞的自噬、凋亡等[14]。Chang 等[15]研究發現NF-κB 通路可調控細胞自噬，促進成骨細胞分化、礦化。研究表明[15]，NF-κB 信號通路對成骨細胞自噬為負調節機制，抑制該通路介導的反應可有效防止骨量流失，從而加速骨重塑。當骨折發生時，成骨細胞被外界因素刺激，NF-κB 轉移入核內，控制自噬的基因被啟動，成骨細胞自噬被激活，從而加速骨的重塑。

2.4 核因子受體活化因子配體（receptor activator of NF-κB ligand，RANKL）/核因子受體活化因子（receptor activator of NF-κB，RANK）/骨保護蛋白（osteoprotegerin，OPG）信號通路

由成骨細胞進行表達的RANKL 與破骨細胞表達的RANK 二者結合形成的信號分子被破骨細胞前體所接收，促進前體向破骨細胞分化，但該信號分子活性調控取決于成骨細胞[16]。由于OPG 擁有遠強于RANKL 的RANK 親和性，因此在兩者的結合競爭中，RANKL 與RANK 的結合就相對處于劣勢，因此引起破骨細胞分化、自噬等反應的信號傳導過程被極大地抑制，故其在破骨細胞增殖過程中起著負性調節作用[17]。OPG 通過Akt 激酶/mTOR/ULK1 信號通路誘導自噬來抑制破骨細胞骨吸收[18]。骨髓基質及成骨細胞分泌OPG，保持OPG/RANK 的平衡狀態，可防止過度的骨吸收，維持骨代謝的平衡[19]。在骨質重塑過程中，抑制骨吸收與促進骨形成同等重要，兩者的相對平衡才能促進骨的迅速修復。

2.5 其他信號通路

影響骨重塑的相關信號通路還存在如Hedgehog信號通路、MAPK 信號通路等，但是其是否能通過調控自噬來促進骨重塑目前尚不明確。

3 中醫藥的干預作用

在中醫陰陽理論認為，骨不連是處于陰陽失和的階段，因此通過調和陰陽來調控自噬水平，被認為是治療骨不連的新思路[20]。中醫常用來促進骨重塑的補腎法就是使機體達到陰陽平和的有效手段之一。文獻報道[21]，補腎類中藥及其活性成分可顯著促進BMSC的增殖，促進其向成骨細胞分化，同時激活自噬機制，促進骨重塑。在骨折重塑過程中，氣血瘀滯也被認為是重要的病機。研究表明[22]，活血行氣類中藥促進骨重塑的作用與激活自噬的某些信號通路有關聯。目前能服務于臨床的自噬通路誘導劑有限，因此中醫藥調節自噬的作用為臨床通過藥物促進骨重塑提供了新的思路。

3.1 中藥提取物

隨著現代實驗技術和研究方法的進步，中藥提取物已被廣泛研究和應用。近些年有大量關于中藥提取物通過某些信號通路促進細胞自噬的實驗研究，如Liu 等[23]實驗發現，在雷帕霉素和PI3K/Akt 激酶抑制劑LY294002 的共同培養下，姜黃素可通過抑制PI3K/Akt激酶/mTOR 途徑誘導凋亡和自噬。Yeh 等[24]研究表明姜黃素調控RANKL/RANK/OPG 通路維持成骨細胞活性，同時抑制破骨細胞活性。姜黃提取物等可抑制NF-κB 通路的激活[25]。丹參酮通過使PI3K/Akt 激酶/mTOR 信號途徑失活，誘導細胞凋亡和自噬[26]。另外，研究發現[22]，活血行氣類中藥不僅可以有效調節RANKL/RANK/OPG 信號通路的紊亂，而且可以通過調節OPG/RANKL 的比值使破骨細胞的生成被有效抑制，同時還可以改善局部血流，為骨小梁的修復提供所需的營養，從而進一步促進骨重塑。以上研究表明，中藥提取物可抑制或激活大量信號通路，而這些通路在骨重塑中具有顯著作用，因此使用中藥提取物可用于防治骨不連。

3.2 中醫復方

中醫復方是在中醫學理論指導下，通過辨證論治確定治則治法后，按照組方原則選取合適藥物，確定劑量，妥善配伍后組成的方劑。四妙勇安湯已經被證明可激活過氧化物酶體增殖物激活受體信號通路來影響自噬[27]，并且研究還發現過氧化物酶體增殖物激活受體信號通路對自噬和成骨細胞均有著不同程度的影響[28]。田濤等[29]的動物實驗表明，二至丸（墨旱蓮，女貞子）可通過上調成骨細胞標志基因表達，增加機體骨量，促進骨重塑；亦可通過下調破骨細胞標志基因表達，抑制骨吸收。該研究通過建立動物骨質疏松模型驗證了二至丸抗骨質流失作用的優越性，提示二至丸可通過降低自噬相關基因表達水平從而抑制破骨細胞的分化，但相關通路調節尚不明確。劉鋅等[30]證實右歸飲具有調節BMSC 自噬的作用，并促使其成骨化，但尚不能確定右歸飲的自噬調控作用與細胞結局之間是否具有因果關系。因復方成分復雜、藥理作用多樣、作用廣泛，故研究難度較大。但是復方的療效卻是不容置疑的，其在縮短骨折病程、促進骨重塑方面療效顯著。

3.3 中醫外治法

中醫外治法包括膏藥敷貼、針灸、按摩、熏洗等。在骨重塑方面，臨床多采用活血類中藥材制成膏藥外敷或中藥液熏洗。但目前關于中醫外治法通過調控自噬來促進骨重塑的研究較少，其具體機制也尚不清晰。

4 小結與展望

自噬在骨重塑過程中的作用已經獲得研究證實，但對其具體作用和相關調節機制的學術觀點尚存在分歧，對調控自噬的相關信號通路尚有待進一步研究。中醫藥現階段雖然在誘導細胞自噬方面已取得了一定的成果，但對誘導細胞自噬的具體中藥有效成分及合適劑量仍待明確，中藥復方和中藥外治是否能通過調控細胞自噬促進骨重塑，也尚有待進一步的探究。未來，需深入研究如何把控自噬的雙向協調能力，使其傾向于對機體有利的一面，同時充分發揮中醫藥在骨重塑治療中的重要作用，為骨不連的治療開辟新的思路和方法。