自噬在不同類型骨質疏松癥中的研究進展

林雪，田佳，歐陽仁俊，楊曉紅 綜述 胡小華 審校

1.遵義醫科大學，貴州 遵義 563000；2.遵義醫科大學附屬口腔醫院，貴州 遵義 563000

骨骼是一種代謝活躍的組織，在維持穩定的骨代謝平衡中起著重要作用。其中不同類型的細胞發揮著特定的骨骼功能，比如各種干細胞的不斷分化成熟、成骨細胞的礦化、破骨細胞的吞噬等等，它們一起在骨骼大小、形狀和完整性的發展和維持中發揮著至關重要的作用[1]，而一旦骨形成和骨吸收之間的平衡被破壞，則會導致骨骼結構或功能的喪失和骨質疏松癥(osteoporosis，OP)等代謝性疾病。OP是一種以骨量減少和骨組織微結構退化為特征的典型骨代謝性疾病，分為原發性或繼發性OP。原發性OP 通常發生在50 歲以上人群中，與衰老有關，例如女性絕經后雌激素分泌減少導致的絕經后骨質疏松癥(postmenopausal osteoporosis，OPM)。繼發性OP 是由某些醫療條件和藥物引起的，例如長期使用糖皮質激素(GC)引起的糖皮質激素性骨質疏松癥(GIOP)。由于不同類型OP的發病機制和病情進展不盡相同，使得OP 形成的病因機制研究更為復雜。

自噬是一種細胞固有的生存機制，用于清除和回收受損的蛋白質和細胞器，在維持細胞內環境穩定和器官功能方面發揮著重要作用。許多研究表明，在骨組織中自噬參與成骨細胞、骨細胞和破骨細胞的存活、分化和活性，嚴格調控著骨細胞內穩態[2]。而自噬水平的變化是OP 形成的重要原因。通過這種方式，細胞可以克服應激刺激和營養缺乏，并維持骨骼穩態。而異常的自噬水平將打破骨代謝的平衡，并在骨代謝紊亂中起關鍵作用[3]。本文將從自噬在骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)、成骨細胞、破骨細胞等不同骨細胞的生命周期和代謝中的作用及機制等方面去探索自噬與骨代謝平衡的關系，總結不同類型OP 中自噬的變化及其對骨骼生長和內環境穩定功能的意義，討論目前相關途徑的策略、局限性和挑戰，為OP 預防和治療的臨床驗證和應用提供參考。

1 自噬

自噬是由Ashford 等[4]于1962 年通過電鏡首次發現并提出的一種細胞學現象。它通過降解胞質錯誤折疊或聚集的蛋白質、受損的細胞器或大分子，為細胞的穩態和生存提供能量和基礎物質。根據細胞物質轉運途徑的不同，自噬被分為以下三種形式：巨自噬、微自噬、分子伴侶介導的自噬。其中巨自噬是最常見、最主要的自噬形式，因此，未指出特定類型的自噬多為巨自噬。目前，基因篩選出和自噬相關的基因(autophagy-related genes，Atg)已 經 有32 種[5]，其 中Atg5、Atg7、Beclin-1等分子是各種細胞中自噬體形成過程中必不可少的。如今自噬被認為廣泛的參與到各種病理生理學進程，如癌癥、代謝障礙等。

2 自噬在骨穩態中的作用

2.1 自噬與骨髓間充質干細胞 BMSCs作為干細胞的一種，可分化為骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞。而自噬在BMSCs對應激源的反應中被激活，并發揮平衡細胞生存和死亡的細胞保護作用。研究發現，未分化的BMSCs存在高水平的結構性自噬活性，并積累了大量未分化的自噬空泡[6]。而在成骨分化過程中自噬體卻急劇減少了[7]，說明自噬可影響并調控BMSCs增殖、分化等生物學行為。相關研究也證明，自噬在經卵巢切除術(ovariectomy，OVX)的小鼠的骨髓和BMSCs 中均降低，而自噬激動劑雷帕霉素(Rapamycin，RAPA)的治療可挽救雌激素缺乏性OP 小鼠BMSCs的功能并減弱其OP表型[8]。

2.2 自噬與骨細胞 骨細胞是成骨細胞系的終末分化狀態，控制著成骨細胞向骨細胞的轉化過程，在礦物質代謝中起著至關重要的作用。自噬是骨細胞對應激反應的一種生存機制，抑制骨細胞自噬會增加氧化應激，這可能導致骨吸收和形成之間的不平衡[9]。研究發現當骨細胞的自噬能力被抑制后，骨細胞中自噬相關蛋白LC3、Beclin-1 的表達減少，最終導致年齡相關性OP[10]。類似的研究也發現，當對6個月大的小鼠進行條件性敲除骨細胞的Atg7時，會造成骨量下降，并伴有破骨細胞、成骨細胞數量減少，骨形成速率下降。因此推測衰老相關的骨量下降與骨細胞的自噬變化存在密切關系，而激活自噬或許能夠緩解衰老相關的骨喪失[9]。

2.3 自噬與成骨細胞 成骨細胞來源于BMSCs，通過分泌有機基質和羥基磷灰石發揮骨構建者的功能，產生類骨細胞，隨著Ca2+沉積礦化，并伴隨激活的自噬[11]。研究發現自噬體可作為載體，通過胞吐作用將磷灰石晶體分泌到細胞外空間，在體外，ATG7缺乏顯著降低了成骨細胞的礦化，導致骨量的降低[12]。另一項研究發現成骨細胞特異性敲除FIP200(哺乳動物自噬的關鍵成分)導致小鼠骨量減少是由于成骨細胞的終末分化缺陷和骨形成受到抑制。同時，自噬在成骨細胞形成過程中上調，表明FIP200 可能是自噬介導的成骨細胞結節形成和分化的重要調節因子，而用3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine，3-MA)和氯喹(chloroquine，CQ)這兩種自噬抑制劑處理后，堿性磷酸酶陽性細胞的數量減少了，而它的表達活性是成骨細胞分化、成熟一個非常明顯的特征。但這些治療并不影響成骨細胞的早期分化，由此推測自噬參與了成骨細胞的終末分化[13]。

2.4 自噬與破骨細胞 破骨細胞是一種巨大的多核細胞，來源于造血干細胞，由RANKL和巨噬細胞集落刺激因子激活。研究發現，自噬必需的蛋白對破骨細胞褶邊的生成、分泌和骨吸收都很重要，并可通過引導溶酶體與質膜融合來參與溶酶體內容物向細胞外空間的極化分泌，影響破骨細胞的分化、形成過程。而降低自噬性能后，破骨細胞介導的骨吸收被明顯抑制[14]。此外，研究者還發現RAPA 可以減少小鼠體內的破骨細胞數量，并減少關節炎實驗鼠體內的破骨細胞形成和骨吸收[15]。這些結果均提示自噬作為一種保護性機制可以負向調節破骨細胞的形成和活性，并維持其在各種應激狀態下的生存。

3 自噬與骨質疏松癥

3.1 自噬與老年性骨質疏松癥 老年性OP是一種伴隨增齡等因素導致的以骨量低下、骨微結構損壞、骨脆性增加、易發生骨折為特征的全身性骨病。研究發現與健康人相比，來自OP患者的hBMSCs(人來源骨髓間充質干細胞)表現出與衰老相關的表型，并且自噬水平顯著降低[16]。同時，骨質疏松性hBMSCs的成骨潛能顯著降低，而RAPA 可通過自噬激活顯著改善骨丟失。現有研究發現骨細胞中的自噬水平在骨丟失過程中會降低[17]，另一項研究也發現骨細胞中ATG7 基因的缺失會降低6個月大的小鼠的骨量，這類似于衰老對骨骼的影響[9]。而RAPA可激活骨細胞自噬，降低骨細胞凋亡率并緩解骨丟失[18]。另外，特異性Atg5 缺失導致的成骨細胞自噬能力下降也會導致一種類似于年齡相關性低骨量的表型[19]。無獨有偶，另一項研究發現成骨細胞中自噬基因的上調促進了骨形成[20]。通過刪除自噬負調控因子RUBCN/Rubicon基因，產生了自噬在成骨細胞中特異性上調的小鼠，并表現出股骨漸進性骨骼異常。總之，這些觀察結果表明，自噬在骨骼穩態中發揮了重要作用，并表明衰老過程中骨相關細胞自噬活性降低可能是年齡相關骨丟失的主要原因。

3.2 自噬與絕經后骨質疏松 OPM 是最常見的OP，由于絕經后的中老年婦女體內雌激素顯著降低，骨吸收與骨重建的平衡失調，最終導致骨量丟失，故也稱雌激素缺乏性骨質疏松。研究證實經OVX誘導的OP小鼠BMSCs 表現出成骨分化減少、脂肪形成增加，且其骨髓和BMSCs 中的自噬均減少。而RAPA上調自噬可部分挽救內源性BMSCs 的功能并減弱了OPM 表型[8]。雌激素缺乏也會迅速增強破骨細胞生成，使骨小梁表面的骨吸收顯著增加[21]。而破骨細胞中的自噬激活參與了皺褶邊緣的產生和溶酶體內容物的極化分泌，同樣可導致OVX小鼠的快速骨丟失[14]。使用CQ可通過抑制自噬從而減少甲狀旁腺激素和OVX誘導的破骨細胞激活，并防止體內骨丟失[22]。同樣地，在OPM 中，雌激素缺乏可抑制骨細胞自噬增加細胞凋亡，而雌激素治療可提升自噬，并部分提高骨細胞的活力[23]；其也可調控成骨細胞及破骨細胞分化，例如白藜蘆醇可通過調節成骨細胞和破骨細胞的自噬來恢復骨形成和骨吸收的平衡以促進OPM 大鼠中的成骨細胞分化并抑制破骨細胞分化[24]。

3.3 自噬與糖皮質激素性骨質疏松 糖皮質激素，如地塞米松(Dex)，作為一種有效的抗炎和自身免疫調節劑，廣泛用于治療自身免疫性疾病和器官移植排斥等。然而，長期使用會導致GIOP，是最常見的繼發性OP。研究證明自噬不僅在BMSCs和成骨細胞分化中扮演重要角色，以對抗GC 誘導的細胞凋亡和骨損失[25-26]，還在破骨細胞中發生作用。Atg7 在單核細胞中對形成皺折邊緣和溶酶體內容物的極化分泌至關重要，與Atg7fl/fl 同窩GIOP 小鼠相比，選擇性缺失Atg7 的Atg7fl/flxLysM-Cre 小鼠的破骨細胞分化受到抑制，而骨丟失和骨質量損傷得到減輕[27]。值得注意的是，還有些研究在證實GC 可以影響細胞自噬的基礎上，進一步發現了這種影響不僅存在劑量依賴性還有時間依賴性。在Han 等[28]的研究中，Dex 以劑量依賴的方式誘導成骨細胞的自噬活性，治療后24 h，Beclin-1和LC3的表達水平隨著Dex劑量的增加而增加。低劑量Dex啟動的自噬活動有利于成骨細胞的存活，而高劑量Dex則加速成骨細胞凋亡[29]。當3-MA抑制自噬時，成骨細胞功能受損；相反，當RAPA 增強自噬時，并觀察到成骨細胞活性改善[28-29]。這些發現表明，在GC存在的情況下，自噬對成骨細胞具有保護作用，但這種保護作用在很大程度上取決于GC 的劑量。此外，在相同濃度下，Dex誘導的自噬量在48 h達到峰值，然后逐漸下降[28]。

3.4 自噬與糖尿病性骨質疏松 糖尿病是一種慢性疾病，通過影響成骨細胞和破骨細胞，破壞骨穩態的動態平衡，從而導致OP[30]。研究發現糖尿病患者的BMSCs的成骨分化和自噬水平降低，而胰島素可緩解此過程，以促進糖尿病大鼠骨缺損的愈合[31]。另外，高糖處理可通過抑制AMPK/mTOR/ULK1 通路降低破骨細胞形成過程中的自噬水平，而增加自噬水平可促進破骨細胞生成[32]。另外，褪黑激素可能通過抑制ERK 信號通路降低成骨細胞中的自噬水平并延緩糖尿病引起的OP[33]。

3.5 自噬與其他類型的骨質疏松癥 自噬還參與其他類型的OP，如藥物性OP(甲狀旁腺激素誘發的OP[22]等)、廢用性OP等等，但相關報道較少，需進一步深入研究。

4 總結

眾所周知，自噬是一把“雙刃劍”，適度水平的自噬對于保護蛋白質和細胞器的完整性是決定性的，而無限制地刺激自噬也會誘導程序性細胞死亡，也就是說過度或低下的自噬水平均可能不利于骨代謝和骨穩態，由此可見，自噬是維持細胞內環境穩定的重要機制，調控自噬水平使之保持在適度范圍內可能成為治療OP 的新方向。另外，現目前以自噬為靶點的臨床應用作為許多疾病的新型藥物引起了人們的關注。但目前還沒有自噬選擇性抑制劑或激活劑可用于干預人類疾病，大多數自噬調節劑對特定種類細胞的靶點特異性較差，而自噬在不同的組織和細胞中的影響是不同的，因此可能會對其他器官造成意想不到的副作用[34]。故下一代自噬誘導劑可以靶向自噬機制本身，使自噬調節劑對骨細胞中的自噬水平做出靈敏、精確、細微的調節，從而避免調節許多其他生物通路抑制劑的副作用。故需對自噬的相關機制加以研究，為進一步指導臨床提供理論依據。

在生理條件下，自噬在維持不同類型骨細胞的正常功能和骨穩態方面發揮著重要作用。在OP 的骨微環境下必然導致自噬功能的改變。自噬在不同類型OP 中的作用不同，可能與發病因素、骨轉歸率和全身代謝有關。激活或抑制自噬的干預措施的治療潛力在科學和臨床上都具有重大意義。值得注意的是，OP被認為是一種受遺傳和非遺傳因素影響的多因素疾病，不同病因OP的自噬機制不同，而目前對于這方面的研究又較少。因此，需要根據不同的OP 類型制定個性化治療方案。