徐 伟，刘 达，王 维，廖冬发
（西部战区总医院骨科，四川成都 610083）
自噬是细胞降解细胞内成分、产生能量和小分子供细胞再次使用的过程。自噬对细胞耐受外界恶劣环境刺激（缺氧、饥饿和病原体等）、清除细胞内错误折叠蛋白质和受损衰老的细胞器，以及维持细胞内环境稳态非常重要[1～3]。自噬功能障碍可导致多种疾病的发生，包括糖尿病、癌症、各种神经退行性、感染性和炎症性疾病等[4，5]。关节软骨细胞处于特殊的低氧环境中，营养物质缺乏，正常的自噬对于维持软骨细胞生存和功能十分重要[6]。大量研究发现自噬功能障碍可导致OA的发生，激活自噬可缓解关节软骨退变[7]。鉴于自噬在OA中的重要作用，本文就自噬在OA中的作用和机制作一综述。
自噬分为三种类型：巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。微自噬是指溶酶体内陷将蛋白质和小的细胞器直接封装到溶酶体中进行降解的过程。分子伴侣介导的自噬是热休克同源蛋白71的复合物与特定的蛋白质结合，引导它们到溶酶体中进行降解的过程。巨自噬则是具有双层膜结构的自噬体包被胞质内成分后与溶酶体融合进行胞内物质降解的过程[8]。通常所讲的自噬是巨自噬，这也是目前自噬领域研究最为深入的，后文中统称为自噬。在正常生理条件下，细胞只存在着低水平的基础自噬维持细胞内环境稳定。当细胞遭受各种生理和病理刺激时，则诱导细胞形成大量自噬。自噬根据其不同阶段可以分为起始、延伸、成熟、自噬体与溶酶体融合和降解等几个步骤[8]。首先，在各种因素和信号通路的诱导下，多种自噬相关蛋白（autophagy-related gene,ATG）被招募到一个称为自噬组装位点的特定亚细胞位置，形成前自噬体结构，前自噬体结构聚集形成具有杯状双层膜结构的物质，称为吞噬泡或隔离膜。随后，隔离膜伸长成一个球形，包绕部分胞质，最终封闭成一个双膜囊泡，称为自噬体，从而将吞噬的胞内物质作为“自噬货物”捕获。在清除大多数ATG蛋白并沿着微管输送到溶酶体后，自噬体的外膜与溶酶体膜融合形成自噬性溶酶体。最后溶酶体中的各种酶类物质将自噬体包裹的蛋白质及细胞器等降解供细胞再利用[2]。
多种信号通路和分子参与自噬的调节，其中比较重要的是雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）和腺苷酸激活的蛋白激酶（AMP-actived protein kinase,AMPK）两条通路。mTOR是自噬的负性调控因子，在营养充足的条件下，mTOR通过磷酸化Unc51样自噬激活激酶1（unc-51-like autophagy activating kinase,ULK1）抑制自噬的发生。在饥饿条件下，mTOR信号被抑制，促进自噬的发生。磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K）-AKT（蛋白激酶B）、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases,MAPK） 和 AMPK等多种通路调控mTOR活性[8]。AMPK信号通路则是自噬的正性调控因子。当AMPK激活后，可磷酸化并激活ULK1和Beclin1-VPS34复合物，促进自噬体的诱导形成。其次，AMPK通过磷酸化和抑制mTOR调控相关蛋白（regulatory associated protein of mTOR,RAPTOR）来抑制mTOR，进而激活自噬。最后，AMPK可以激活TSC1/2（tuberous sclerosis complex）复合物活性，抑制mTOR信号，最终激活自噬[1]。此外，沉默信息调节因子1（silent information regulator 1,SIRT1）和 FoxO（forkhead box O）作为AMPK下游的信号分子，已经被证明可以通过去乙酰化 ATG蛋白（如 ATG5、ATG7和 ATG8）或诱导ATG蛋白（如Beclin1）的表达来触发自噬小体的形成,进而激活自噬[9]。
关节软骨细胞处于特殊的低氧环境中，营养物质缺乏，自噬对于维持软骨细胞生存和功能十分重要。自噬相关蛋白Beclin1、ULK1和微管相关蛋白1轻链3 （microtubule associated protein 1 light chain 3,LC3）在正常关节软骨中大量表达，但在OA患者关节软骨和软骨细胞中表达水平显著降低[10，11]。在OA发生早期阶段，分解代谢压力可以导致软骨细胞自噬增加，OA软骨细胞中LC3和Beclin1 mRNA表达增加[12]。OA发生早期，短暂增加的自噬是对细胞应激的一种代偿反应，当长时间的应激超过了这种代偿的能力时，软骨细胞出现损伤无法启动自噬反应可能导致OA的发展[13，14]。mTOR在人OA软骨以及小鼠和狗OA软骨中表达增加，且mTOR表达升高的同时伴随着软骨细胞凋亡增加和自噬关键基因ATG3、ATG5、ATG12 和 LC3 等表达降低[15]。Carames等[16]采用GFP-LC3转基因小鼠研究发现，膝关节软骨细胞中自噬体的数目和大小在老年小鼠中显著降低，同时随着年龄增长，ATG5和LC3表达逐渐降低。上诉自噬相关蛋白在软骨细胞中的表达变化与既往的共识一致，即基础自噬活性随着年龄的增加而降低[17]。
基础自噬活性随着年龄的增长而降低，自噬蛋白水平和活性的降低导致胞内受损细胞器和大分子的积累，进而影响软骨细胞的存活和分化功能，最终导致老年性OA的发生[18]。多项研究发现在动物OA模型和人类OA软骨细胞中出现线粒体功能障碍[7]。在老年性及内侧半月板不稳定（destabilization of the medial meniscus,DMM）诱导的小鼠OA模型中，出现软骨细胞自噬功能障碍和线粒体功能障碍[13]。抑制软骨细胞中Atg5基因可以增加活性氧（reactive oxygen species,ROS）的产生，并诱导线粒体功能障碍[14]。鉴于自噬的细胞保护功能之一是清除受损的线粒体和ROS，自噬参与OA过程的可能机制是自噬功能障碍后受损线粒体堆积，ROS增加引起[7，19]。在 OA中，ROS增加导致软骨细胞外基质合成抑制，影响细胞迁移和生长因子的生物活性，最终导致软骨细胞死亡和软骨退变[7]。ROS诱导的线粒体损伤和内质网应激在OA中起关键作用，其可通过诱导软骨细胞凋亡进而导致OA的发生[20]。上诉研究结果表明，自噬功能障碍可能通过介导ROS的产生参与OA的发生发展。当自噬被激活时，软骨细胞内受损的线粒体被移除，细胞内ROS减少，进而防止OA的发生。
多种信号通路和分子参与自噬活性的调节，进而影响OA的发生发展，其中比较重要的是mTOR和AMPK两条通路。小鼠软骨细胞特异敲除mTOR可以增加软骨细胞自噬活性，显著降低DMM诱导的关节软骨退变、软骨细胞凋亡和滑膜纤维化[15]。小鼠软骨细胞特异敲除氧化物酶体增殖物激活受体 （peroxisome proliferator activated receptor γ,PPARγ） 可导致mTOR上调和自噬活性降低，促进软骨细胞凋亡，加快DMM诱导的软骨退变[21]。发育及DNA损伤反应调节基因1（regulated in development and DNA damage response,REDD 1）通过抑制mTOR信号，调控自噬活性和线粒体生物发生参与软骨稳态维持。在老年OA软骨中REDD1表达降低，小鼠敲除REDD1后加剧了DMM诱导的关节软骨退变[22]。相反，AMPK信号可以正向调节自噬活性。AMPK活性降低导致自噬功能障碍、线粒体功能受损、ROS生成增多，最终导致OA的发生[9]。白藜芦醇可以通过AMPK/mTOR通路激活自噬，小鼠关节腔内注射白藜芦醇可以抑制软骨细胞分解代谢，减缓小鼠DMM诱导的关节软骨退变[23]。
FoxO通过调节自噬活性和蛋白聚糖4的表达参与软骨稳态维持，小鼠软骨细胞特异敲除FoxO转录因子可导致OA的发生[24]。OA患者膝关节半月板FoxO1和FoxO3的表达较正常对照组显著降低，小鼠中敲除FoxO基因导致自噬和抗氧化基因表达降低，加速DMM诱导的半月板损伤[25]。SIRT1在软骨稳态维持中发挥重要作用，软骨细胞特异敲除Sirt1基因可以加速小鼠DMM诱导OA和老年性OA的进展[26]。在人软骨细胞中，SIRT1通过与ATG7相互作用调节自噬活性，参与OA的发生过程[27]。OA患者和正常老年人软骨中SIRT1表达较正常年轻人显著降低，激活SIRT1通过去乙酰化自噬蛋白（Beclin1、ATG5、ATG7和LC3）增加软骨细胞自噬活性[28]。
软骨细胞处于特殊的低氧环境中，缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor,HIF）介导软骨细胞适应这种低氧环境。HIF1通过磷酸化AMPK，进而抑制mTOR信号，最终增强缺氧条件下软骨细胞的自噬活性[29]。抑制HIF1α降解可促进线粒体自噬，减少缺氧条件下软骨细胞的凋亡和衰老，并可缓解DMM诱导的小鼠软骨退变[30]。与HIF1α相反，HIF2α可以抑制软骨细胞自噬水平，促进软骨细胞外基质的降解[7]。
自噬在OA发病中发挥重要作用，已成为OA治疗的新靶点。多种调节自噬活性药物被用于OA的治疗。雷帕霉素（rapamycin）是一种抗真菌和免疫抑制剂，可以特异性地抑制mTOR信号。小鼠腹腔内和关节腔内注射rapamycin后可以显著抑制mTOR信号，激活软骨细胞自噬，减轻DMM诱导的关节软骨退变[31，32]。其他药物如异欧前胡素和Torin 1也可以通过抑制mTOR通路激活自噬，维持关节软骨稳态，减轻关节软骨退变[33，34]。
许多小分子化合物和天然植物成分通过激活AMPK在OA中发挥保护作用。如小檗碱、槲皮素和白藜芦醇等天然植物成分通过激活AMPK信号，减轻软骨细胞氧化应激和线粒体功能障碍，从而缓解DMM诱导的关节软骨退变[9]。白藜芦醇也可通过激活SIRT1延缓OA的进展[35]。二甲双胍是临床治疗糖尿病的一线药物，关节内注射二甲双胍可以激活AMPK信号，缓解DMM诱导的关节软骨退变[36，37]。
其他靶向自噬用于治疗OA的药物，如海藻糖可以激活线粒体自噬，恢复小鼠软骨细胞中因氧化应激导致的自噬功能障碍，保护软骨细胞免于凋亡，缓解DMM导致的关节软骨退变[38]。转录因子EB（transcription factor EB,TFEB）通过启动多个自噬关键基因的表达参与自噬的调节过程，被认为是调控自噬活性的关键分子，小鼠关节腔内注射TFEB过表达慢病毒载体，可缓解DMM诱导的关节软骨退变，抑制软骨细胞的凋亡和衰老，增强自噬活性，提示TFEB是治疗OA的潜在靶点[39]。一些传统的中药也可以靶向自噬治疗OA，如透骨消痛胶囊可以通过促进软骨细胞自噬，进而保护软骨细胞[40]。
综上所述，自噬功能障碍是OA发生发展的重要驱动因素，激活自噬可以缓解OA软骨退变。鉴于自噬在OA发病中的重要作用，靶向自噬通路为OA治疗提供了新的方向。尤其是局部靶向药物递送，如关节腔内注射自噬激活药物，成为OA治疗的新热点。值得注意的是，OA发病机制复杂，自噬并不是决定OA发展的唯一因素。OA进展是整体性的，与自噬、衰老和凋亡密切相关。目前认为自噬作为一种适应性反应可以减少OA早期软骨细胞死亡，但随着OA的进展，过度自噬也可能导致软骨细胞死亡。在临床应用调控自噬活性药物治疗OA之前，需要对自噬、衰老和凋亡的相互关系及其在OA中的作用进行全面的研究。
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