：骨质疏松症中骨相关细胞自噬的作用及其靶向治疗.docx

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1、最新：骨质疏松症中骨相关细胞自噬的作用及其靶向治疗骨质疏松症是一种常见的代谢性骨疾病，其典型特征是骨量减少和骨折 风险增加。迄今为止，骨质疏松症发生发展的详细分子机制仍有待阐明。自噬是一种主要的分解代谢途径，通过调节骨相关细胞的生理和发育过程 参与维持骨内稳态。本文综述了在骨质疏松症中骨相关细胞自噬参与调节细胞分化、增殖、凋亡等功能的最新研究进并对目前干预自噬防治骨质疏松症的多种方式进行总结，以期为骨质疏松症的治疗提供新思路。关键词骨质疏松症；细胞自噬；信号通路；非编码RNA正文骨质疏松症(osteoporosis , OP )是一种常见的骨骼疾病，给卫生保健 和社会带来巨大负担。其特点是由于

2、绝经、衰老和相关药物不良反应等多 种因素引起的骨量和微结构丧失，导致骨组织退化和骨脆性增加川。一项 基于我国居民0P流行病学调查2结果显示，50岁以上人群0P患病率 为19.2% , 65岁以上人群的患病率则高达32.0 % ,已经成为我国的重要 健康问题之一。0P的发生发展与骨内稳态异常变化息息相关，骨内稳态 主要由骨髓基质细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs ) 分化而来的成骨细胞(osteoblasts,OBs将破骨细胞(osteoclasts, OCs ) 激活同步的复杂机制维持，从而将骨形成与骨吸收耦合起来。在正常情 况下，骨形成与

3、骨吸收的动态平衡使骨代谢保持稳定，当平衡被打破时， 就可能造成骨内稳态异常变化，最终导致0P发生。自噬是一种应激反应 性的分解代谢过程，在维持细胞和组织稳态中起着关键作用。越来越多的 证据表明，自噬与骨稳态之间的重要关联是由BMSCs、OBs、OCs介 导的，自噬在OP发病机制中发挥着重要作用。本文拟对0P与自噬之间 相关关系的研究展开探讨，旨在更好地理解这两个过程之间的相关性，并 总结基于细胞自噬防治0P的不同方式以及面临的挑战。1骨相关细胞自噬与骨质疏松症自噬发生在每个细胞中，是维持细胞活力的基础机制，其过程分为 自噬启动、自噬体延长和成熟、自噬体降解和回收几个阶段，这一动态循 环过程被称

4、为自噬通量，在维持细胞内稳态中发挥重要作用。骨骼功能作 用的发挥需要骨组织的长期稳定，在BMSCs、OBs. OCs协同作用下，骨 组织不断被重塑。骨重塑对于微骨折的修复以及骨骼对不同机械刺激的适 应和钙稳态是必要的，这一过程中的任何不平衡，使骨再吸收超过形成, 都可能导致骨丢失和0P的发生。而自噬与BMSCs、OBs、OCs增殖 分化、功能发挥密切相关，自噬水平的变化关系着骨内稳态的变化，被认 为是0P发病的关键因素。1.1 自噬在BMSCs中的作用BMSCs具有分化为多种骨相关细胞的能力,其异常分化在0P发 病机制中起着关键作用。氧化应激是由活性氧(reactive oxygen spec

5、ies, ROS )过度生成引起的，过度氧化应激造成BMSCs衰老和凋亡, 抑制成骨分化，导致骨形成缺陷7。而提高自噬水平可通过拮抗细胞凋亡 来抑制ROS诱导的细胞死亡,延缓BMSCs衰老,维持其干性。同时， BMSCs分化需要不断增加的能量，自噬降解产物可作为细胞代谢的可选 营养源循环利用。未分化BMSCs存在高水平自噬活性，在早期成骨分化 过程中,BMSCs胞体内也有大量自噬体聚集，表明自噬是BMSCs分化过 程中一个有效能量补给途径9。而老年BMSCs更容易分化为脂肪细胞而 非OBs ,其自噬活性降低，使用自噬抑制剂3-MA可减少BMSCs向OBs 分化和增殖，而激活剂雷帕霉素则可逆转这

6、一过程10。说明通过调整自 噬，恢复BMSCs成骨分化能力可以有效减少0P患者骨丢失，这为0P 提供了一项潜在治疗策略。1.2 自噬在OBs中的作用OBs来源于BMSCs，其数量或活性失调与0P等骨疾病的病理生理 机制相关，而自噬对OBs各项功能均具有重要影响。一方面，自噬可作为 OBs的细胞保护反应通过降解受损细胞器保护OBs免受细胞毒性刺激。 氧化应激是OBs骨形成受损的重要原因启噬的激活限制OBs内ROS水 平并消除受损线粒体，挽救细胞凋亡11。并且，OBs中的自噬也在酸性 pH 12和炎症环境13等刺激下触发，以防止细胞凋亡。另一方面，自噬 调节OBs参与的骨形成和重塑作用。ATG5、

7、ATG7和Beclin-1是自噬过 程的必需基因，在体外,ATG7和Beclin-1缺乏显著降低OBs矿化14, OBs中ATG5缺失会降低体外矿化能力，并导致体内骨体积减少14-15o同样,另一项研究发现16,沉默ATG5可抑制OBs增殖和分化,并且更 容易受到氧化应激损害，而ATG5过表达增强OBs抗氧化能力，减少细胞 凋亡。这说明自噬介导BMSCs向OBs分化的过程，并且调控OBs活性、 凋亡、增殖、分化以及骨基质矿化，在维持骨微结构和内环境稳定中发挥 重要作用。1.3 自噬在OCs中的作用OCs来源于单核造血系主要受巨噬细胞集落刺激因子(monocyte colony-stimulat

8、ing factor , M-CSF )和核因子kB配体受体激活剂 (receptor activator for nuclear factor-KB ligand , RANKL )调控,两 者在功能性OCs形成中起着关键作用。在破骨前体细胞成为OCs的过程 中,Beclin-1通过自身泛素化促进RANKL刺激OCs进行分化17。OCs 骨吸收功能是通过含有分泌型溶酶体和肌动蛋白环的褶皱缘来实现的。肌 动蛋白环由足小体形成，褶皱缘可以通过分泌组织蛋白酶K(cathepsinK,CTSK)降解骨基质，自噬参与骨吸收过程中肌动蛋白环和褶皱边缘的形成。在表达CTSK的细胞中，Beclin-1敲除会

9、损害OCs功能，导致皮质骨厚度增加170CTSK受ATG5调节，ATG5缺失影响溶酶体关联膜蛋白1进入肌动蛋白环的过程，使得CTSK减少，骨吸收能力受损, 而ATG7敲除同样影响OCs骨吸收功能18。蛋白激酶3( Kindlin-3 , K3 )是足体中必需的接头蛋白，其缺失导致OCs足体环功能障碍，K3可 以与自噬相关基因LC3II相互作用，来调节OCs迁移19。以上表明自噬 相关基因ATG5、ATG7、Beclin-1 x LC3口均参与到OCs活动，对OCs分化、迁移、骨吸收功能起到重要调控作用。2调控自噬治疗骨质疏松症2.1 调控自噬影响骨相关细胞功能2.1.1 调节自噬促进BMSCs

10、成骨分化：BMSCs功能在0P中起着关键作 用，老年BMSCs分化为OBs的能力下降，这种变化导致骨形成减少进而 导致0P ,因此BMSCs的精细调控对维持骨内稳态起着重要作用20。通 过激活自噬促进BMSCs成骨分化有利于骨重塑中骨形成增加，协调成骨 成脂分化平衡。最近的研究21发现，清道夫受体Scara3通过促进Foxol 表达和自噬来促进OVX小鼠骨形成，减少骨髓脂肪积累，并减轻老年小 鼠骨丢失提示通过靶向Scara3来调节脂肪细胞与OBs分化之间的转换, 是骨丢失和骨质疏松的潜在治疗靶点。Vidoni等22研究发现白藜芦醇和 成骨诱导因子通过AMPK/Beclin-1途径协同激活自噬诱

11、导人牙龈间充质 干细胞的成骨分化，表明自噬调节是促进人牙龈间充质干细胞成骨分化的 重要手段。2.1.2 调节OBs自噬促进骨基质矿化：OBs参与的矿化过程是骨组织发育 和代谢中的重要步骤，骨矿化程度也决定了骨的抗压缩能力的强弱，矿化 异常可导致0P等多种疾病。恢复OBs自噬水平可以消除错误折叠的骨基 质蛋白，提高钙磷结晶运输效率，促进矿化基质产生。最近，一些药物被 证明用于调节OBs的自噬水平来促进骨基质矿化。例如，熊果苗可改善地 塞米松(dexamethasone , Dex)诱导的小鼠OP ,通过激活自噬促进OBs 分化和矿化，抑制骨吸收，促进骨形成23。硅酸盐纳米粒子C2S NPs 通过

12、激活自噬，进而触发wnt/p-catenin通路来促进OBs分化和矿化能 力24。2.13 调节OCs自噬抑制骨吸收：由于OCs数量和活性增加，OCs骨吸 收增强，导致骨结构受损和骨量降低，这是0P等骨疾病的共同特征，因 此调整自噬抑制OCs分化和骨吸收可能是防治骨丢失的有效手段。例如， 丹参-葛根能够通过调节自噬和氧化应激介导的OCs分化来改善OP25e 熊果酸能够通过抑制自噬介导的OCs分化，改善骨小梁结构恶化，降低 血清OCs特异性细胞因子表达，对卵巢切除术（OVX ）大鼠骨质疏松有 明显的保护作用,并减轻肾脏损害26。2.14 4延缓细胞衰老、抑制细胞凋亡：衰老是生物体不可避免的，但是

13、通 过延缓衰老、预防和治疗某些衰老相关疾病如衰老性0P ,是完全可行的。 在衰老细胞中观察到自噬水平下降和溶酶体功能障碍，因此，药物干预自 噬可能是一种前瞻性抗细胞衰老的方法。例如在衰老骨组织中，雷帕霉素通 过激活骨细胞自噬,减少年龄相关的骨细胞凋亡，使骨吸收和骨形成达到平 衡27。同样，激活自噬以维持骨相关细胞活性和防止凋亡是治疗0P的 有效方法。例如芍药昔能够通过调节Akt/mTOR/自噬信号通路片卬制Dex 诱导的OBs凋亡，促进细胞活力和骨代谢28。2.2 调控自噬相关信号通路2.2.1 PI3K/Akt/mTOR信号通路:PI3K/Akt/mTOR信号通路与细胞生长、 增殖、寿命等直

14、接相关，目前该通路在0P中调控自噬的研究最为深入， 但仍存在一些疑惑和矛盾。一方面，部分研究29通过抑制 PI3K/Akt/mTOR ,诱导自噬介导BMSCs向OBs分化，促进OBs增殖和 矿化，减轻骨细胞凋亡。例如在阿尔茨海默病和0P相关性研究30中发 现，阿尔茨海默病典型病理产物淀粉样蛋白-3 -42作为外部刺激直接抑制 BMSCs增殖，而抑制Akt/mTOR通路激活自噬可逆转这一效果。另一方 面，也有研究31发现糖皮质激素通过抑制PI3K/Akt/mTOR通路诱导体 内OCs自噬增强从而导致骨丢失，而激活该通路则可逆转OCs自噬。这 反映出三个问题：一是自噬在OCs中的作用仍不完全明确；

15、二是应该选 择抑制该通路诱导自噬从而促进成骨，还是激活该通路抑制自噬从而减轻 骨丢失；三是如何调节特定细胞自噬并将这些可行性转化为临床。2.2.2 NF-kB信号通路：NF-kB蛋白由p65和p50亚单位构成二聚体， 并与抑制蛋白IkB结合构成三聚体复合物而处于失活状态，当刺激因素激 活NF-kB后,磷酸化IKK0亚基，IkB被置换出来并受到蛋白酶体降解，从 而活化NF-kB并使其易位进入细胞核。被激活的NF-kB信号通路可以促 进OCs形成与活化，从而增加骨吸收32,而NF-kB的失活促进OBs体 外分化和体内骨形成33。NF-kB亦是典型促炎信号通路，有研究发现34 m3游离脂肪酸通过增强

16、自噬降解炎性复合物从而减轻炎症，也可抑制 NF-kB活化来阻止炎症启动，提示NF-kB、自噬与炎症之间存在着潜在的 相互联系。2.2.3 MAPK信号通路:MAPK信号通路包含4条分支路线 即ERK、JNK、 p38和ERK5。MAPK/ERK通路正调节自噬,通过提高自噬保护氧化应激 下的骨细胞35,并参与破骨前体细胞增殖和0cs凋亡36。MAPK/JNK 通路常与RANKL信号通路交联，参与OCs形成、分化、凋亡过程37。 MAPK/p38通路则对OCs分化和骨吸收起调控作用38。目前对于 MAPK/ERK5通路研究相对匮乏，但明确的是M-CSF可通过诱导ERK5 磷酸化来参与OCs分化过程

17、39。MAPK通路参与0P中自噬的作用机制 复杂，在许多研究中仍存在争议，如ERK信号通路对BMSCs成骨分化起 正向40还是负向41作用仍然存疑，而且MAPK通路分支功能广泛，多 条通路之间交联机制仍未清晰，因此要思考如何在多条通路中起到特异性 调控作用。2.2.4 其他信号通路：除上述信号通路外，AMPK信号通路42、 Hedgehog信号通路43、Wnt/p-catenin信号通路44等均介导自噬参 与骨内稳态调节，各信号通路间交联复杂，其潜在作用机制仍需不断研究。2.3 非编码RNA调控自噬非编码 RNA ( ncRNA )包括 miRNA. IncRNA 和 circRNA 等，在

18、细胞增殖、分化、凋亡和自噬等过程中起着重要调节作用。Jin等45基于 Ilumina深度测序技术鉴定了 260个circRNA、70个IncRNA和13个 miRNA在绝经后0P患者和健康对照组中差异表达。自噬和miRNA、 IncRNA、circRNA都参与骨代谢，而为了挖掘ncRNA与自噬相互关系在 0P中的治疗作用，需要分析两者之间的交互作用对骨稳态的影响。有关 miRNA与自噬在0P中的关系多体现在miRNA对自噬相关因子或信号通 路的调控作用。例如，miRNA-20a可通过靶向RAW264.7细胞中HIF-1 a显著下调自噬标志物(LC3、p62、Atg5、Atg12s Atg7、B

19、eclin-1 等)， 这是缺氧诱导的OCs分化的关键机制46。miRNA-378通过影响 PI3K/Akt通路降低OBs活力和矿化能力47。IncRNA和circRNA都可 以通过直接与miRNA结合而影响OP进程，并与自噬密切相关，但目前 有关circRNA和IncRNA的研究还比较表浅。Ji等48研究发现,circRNA 002682通过miRNA-188-3p靶向上调Beclin-1介导的自噬,从而促进OBs分化。Wu等49研究发现，IncRNA ZFAS1通过上调miRNA-499 上调EPHA5表达从而抑制BMSCs成骨分化，且ZFAS1敲除会促进成骨 分化，抑制脂肪分化，促进细胞

20、自噬，抑制细胞衰老，表明 ZFAS1/miR-499/EPHA5途径可能在BMSCs成骨和成脂之间的相关转换 中起重要作用。ncRNA在骨组织中的生物学作用至关重要，针对其与自 噬的相互作用来治疗0P在临床中的应用潜力无疑是巨大的，ncRNA/自 噬模拟物或ncRNA/自噬抑制剂的研发可能是有效预防骨丢失的治疗方法。 3讨论与展望自噬在0P中扮演着复杂的角色，在不同类型、程度的0P中，自 噬的抑制或激活程度、功能均不同。调节自噬的方式也是复杂多样的，从 自噬影响不同骨相关细胞的功能、自噬相关信号通路的信息传递、非编码 RNA与自噬的相互作用等多种方式均能使合适的自噬水平参与骨内稳态 调节，进一步影响0P发生发展。但显然多种方式又是互相交联的，特异 性靶向调节而不影响其他细胞过程仍然存在挑战。骨重塑过程是动态的， 自噬也是动态的，提示需要更好的监测自噬与0P的动态关系。这无疑是 困难的，但对于加快推进分子机制的研究和药物的研发具有极大的指导意 义。