周敏 張曦丹 孫吉宇 李晨 甘雪琦

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)基地(口腔修復(fù)基地)，四川 成都 610041

線粒體是細(xì)胞內(nèi)的一種形態(tài)微小而高度動態(tài)的細(xì)胞器，它由線粒體外膜、線粒體膜間間隙、線粒體內(nèi)膜和線粒體基質(zhì)組成。線粒體通過增殖和系統(tǒng)合成維持細(xì)胞的生命活動，線粒體還參與細(xì)胞信息傳遞、Ca2+穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)和活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生等一系列作用[1]。線粒體生物發(fā)生、分裂、融合和線粒體自噬的過程統(tǒng)稱為線粒體動力學(xué)(mitochondrial dynamics)[2]。線粒體動力學(xué)通過調(diào)控線粒體形態(tài)和重構(gòu)線粒體網(wǎng)絡(luò)，使線粒體的質(zhì)和量發(fā)生改變，以便其能夠快速響應(yīng)細(xì)胞的能量需求[3]，線粒體動力學(xué)失衡會導(dǎo)致線粒體數(shù)量、形態(tài)和功能異常，從而影響細(xì)胞功能。近年來，越來越多的研究聚焦于線粒體動力學(xué)與骨相關(guān)疾病的關(guān)系上，如骨修復(fù)、骨質(zhì)疏松和骨關(guān)節(jié)炎等，因此了解線粒體動力學(xué)在骨相關(guān)疾病中扮演的角色具有重要意義，故本文擬就線粒體動力學(xué)與骨相關(guān)疾病的關(guān)系研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 線粒體動力學(xué)的分子學(xué)基礎(chǔ)

線粒體生物發(fā)生是指原有的線粒體分裂產(chǎn)生新生線粒體的過程，由線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)與核基因組協(xié)調(diào)完成，目前研究較多的分子有Nrf1/2、PGC1α和TFAM等[4-5]。線粒體的質(zhì)量通過生物發(fā)生以及動態(tài)融合和分裂的事件來維持，而受損的線粒體則通過分裂和線粒體自噬被分離并清除[6-7]。與線粒體融合相關(guān)的主要是線粒體融合蛋白1(MFN1)、線粒體融合蛋白2(MFN2)和視神經(jīng)萎縮蛋白1(OPA1)3種蛋白；與分裂相關(guān)的主要是動力相關(guān)蛋白1(Drp1)、線粒體裂變蛋白1(Fis1)和線粒體分裂因子(MFF)[2,8]。當(dāng)線粒體膜電位(ΔΨm)崩潰后，則通過線粒體的靶向自噬，即線粒體自噬清除受損的線粒體[9]，線粒體自噬主要受PINK1/Parkin 通路調(diào)節(jié)，Parkin可以降解線粒體蛋白，包括參與融合的MFN1/2和參與裂變的Drp1[10-11]，線粒體自噬是線粒體動力學(xué)相關(guān)的另一個關(guān)鍵過程[12]。

2 線粒體動力學(xué)與骨相關(guān)疾病

2.1 線粒體動力學(xué)與骨損傷修復(fù)

許多研究聚焦于線粒體動力學(xué)的改變對骨損傷和骨修復(fù)的影響。Fan等[13]通過miR-181c處理骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)，發(fā)現(xiàn)其可以提高細(xì)胞中AMPK與MFN1的水平，從而增強(qiáng)線粒體融合，減少細(xì)胞氧化應(yīng)激的損傷，促進(jìn)顱面缺損重建。相對應(yīng)的線粒體分裂調(diào)控方面，成體干細(xì)胞的標(biāo)志物L(fēng)gr5的過表達(dá)可以通過Wnt/ERK信號通路抑制Drp1表達(dá)，從而減少BMSCs的線粒體分裂，促進(jìn)其成骨和骨折愈合[14]。促炎因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)能增加成骨細(xì)胞的Drp1表達(dá)量1.4倍，使線粒體呈泡狀和碎片化，破壞了線粒體功能，導(dǎo)致成骨功能障礙[15]。從融合或者分裂的單一維度來講，促進(jìn)線粒體融合可以使細(xì)胞快速響應(yīng)成骨分化過程中能量和物質(zhì)的需求，有利于骨修復(fù)，反之則不然。

在口腔顱頜面骨損傷修復(fù)領(lǐng)域，特別是牙周炎狀態(tài)下的牙槽骨修復(fù)，線粒體動力學(xué)的研究得到諸多關(guān)注。褪黑素(melatonin，MT)作為抗氧化劑和自由基清除劑[16]，可以通過減少BMSCs線粒體的過度分裂以改善線粒體動力學(xué)失衡，減少鎘暴露狀態(tài)下大鼠顱骨缺損的不良骨愈合[17]。在牙周炎的牙槽骨丟失機(jī)制方面，氯化鈷(CoCl2)可以促進(jìn)人牙周膜干細(xì)胞(hPDLSCs)的Drp1表達(dá)，促進(jìn)線粒體分裂，從而誘導(dǎo)其分裂凋亡[18]，引起牙槽骨的丟失。另一項研究也證實，SIRT3缺乏可通過促進(jìn)線粒體分裂加重小鼠牙周炎和牙槽骨丟失[19]?；诖?，Zhai等[20]合成了一種納米修復(fù)劑，通過調(diào)節(jié)Ca2+進(jìn)入線粒體增加炎癥下hPDLSCs的線粒體面積和周長，即促進(jìn)細(xì)胞線粒體融合來對抗線粒體動力學(xué)失衡，減少SD大鼠牙槽骨丟失。由此可見，引起線粒體動力學(xué)改變將影響相關(guān)細(xì)胞成骨能力，進(jìn)而影響骨修復(fù)。

2.2 線粒體動力學(xué)與骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥作為一種代謝性骨病，其主要原因是骨重塑的不平衡，即成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞平衡被打破[21]，線粒體動力學(xué)在其中發(fā)揮重要作用。

線粒體生物發(fā)生方面，線粒體酶Mtu1缺乏導(dǎo)致小鼠BMSCs線粒體tRNA的2-硫代尿苷修飾效率降低，進(jìn)而損害mtDNA的翻譯，導(dǎo)致線粒體動力學(xué)的失衡，小鼠發(fā)生骨質(zhì)疏松[22]。在線粒體融合與分裂方面，許多研究闡釋了骨質(zhì)疏松癥發(fā)生發(fā)展過程中線粒體動力學(xué)發(fā)揮的重要作用。如作為可以引起骨質(zhì)疏松的糖皮質(zhì)激素，地塞米松被證實可引起B(yǎng)MSCs線粒體動力學(xué)紊亂，導(dǎo)致線粒體分裂增加，融合減少，使其成骨分化被抑制[23]。Wang等[24]、Zhu等[25]關(guān)注了SOD1G93A基因，發(fā)現(xiàn)該基因過表達(dá)可以增強(qiáng)骨細(xì)胞Drp1表達(dá)，降低OPA1表達(dá)，意味著該基因過表達(dá)促進(jìn)線粒體分裂，最終使骨質(zhì)丟失，引起骨質(zhì)疏松。另一項研究聚焦于糖酵解的關(guān)鍵蛋白PKM2，C3k通過抑制PKM2的表達(dá)促進(jìn)線粒體的融合，從而顯著促進(jìn)BMSCs的成骨分化，體內(nèi)實驗表明C3k顯著減輕去卵巢(OVX)大鼠股骨的骨質(zhì)丟失，證實PKM2是通過線粒體動力學(xué)來干預(yù)骨質(zhì)疏松癥治療的靶點[26]?？梢姡琴|(zhì)疏松癥與相關(guān)細(xì)胞線粒體的異常分裂聯(lián)系緊密，逆轉(zhuǎn)這種線粒體動力學(xué)異常趨勢可能是未來研究的關(guān)鍵。

線粒體自噬作為線粒體動力學(xué)的重要組成部分，對線粒體質(zhì)量控制至關(guān)重要。PINK1可觸發(fā)線粒體選擇性自噬并參與線粒體再生[27-28]。Lee等[29]以去卵巢小鼠作為骨質(zhì)疏松模型，發(fā)現(xiàn)PINK1敲除使線粒體動力學(xué)相關(guān)蛋白表達(dá)量降低，線粒體碎片化增加，MicroCT的分析證實PINK1的基因敲除加劇了去卵巢小鼠的骨量丟失。同樣，免疫組化染色顯示PINK1在骨質(zhì)疏松患者骨骼中的表達(dá)降低，這進(jìn)一步支持了PINK1在人類骨質(zhì)疏松癥中的實際作用。這些研究為厘清線粒體動力學(xué)與成骨分化調(diào)控的分子機(jī)制提供了新的線索。

破骨細(xì)胞中的線粒體動力學(xué)同樣影響骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展。谷胱甘肽(GSH)是最重要的細(xì)胞內(nèi)ROS清除劑之一，GSH可以通過抑制CREB信號通路來降低OVX小鼠的OCs的線粒體發(fā)生，減少OCs的分化，從而改善骨質(zhì)疏松狀況[30]。還有實驗[31]發(fā)現(xiàn)，MFN2介導(dǎo)的線粒體融合對于破骨細(xì)胞(OCs)生成至關(guān)重要，靶向敲除OCs的MFN2可以使老齡雌性小鼠(12月齡)骨分析參數(shù)相較于對照組明顯提升，年齡相關(guān)的骨質(zhì)疏松得到改善。這些研究提示通過靶向抑制破骨細(xì)胞形成過程中的線粒體動力學(xué)可以減少骨吸收，為骨質(zhì)疏松的藥物干預(yù)提供了新視角。

2.3 線粒體動力學(xué)與骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是最常見的關(guān)節(jié)疾病之一，其特征是軟骨、骨和周圍組織的一系列病理變化，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)功能障礙，是成年人關(guān)節(jié)活動受限的最常見原因[32]。線粒體結(jié)構(gòu)完整被認(rèn)為是軟骨細(xì)胞正常生存的先決條件，軟骨相關(guān)疾病如OA中也發(fā)現(xiàn)了線粒體功能的缺陷[33]，因而研究線粒體動力學(xué)與OA的關(guān)系逐漸受到關(guān)注。OA的發(fā)生發(fā)展與氧化應(yīng)激和衰老軟骨細(xì)胞(SnCs)的積累有關(guān)，內(nèi)皮素-1(ET-1)過表達(dá)導(dǎo)致SnCs數(shù)量增加，細(xì)胞內(nèi)的線粒體分裂增加[34]，而MFN2表達(dá)增加的衰老和OA軟骨細(xì)胞中有過度融合的現(xiàn)象[11]，這一線粒體動力學(xué)的解偶聯(lián)現(xiàn)象可以導(dǎo)致軟骨損傷。另一項研究中，成纖維細(xì)胞生長因子18(FGF18)通過PI3K-AKT信號通路同步增強(qiáng)線粒體融合和分裂，恢復(fù)線粒體功能和形態(tài)，減少ROS產(chǎn)生，促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖和遷移，從而發(fā)揮抗骨關(guān)節(jié)炎的作用[35]。

軟骨細(xì)胞中，線粒體自噬的失調(diào)也加速了OA的發(fā)展[36-37]。在炎癥應(yīng)激下的軟骨細(xì)胞中，鳶尾素(Irisin)可以增加線粒體的融合而減少線粒體分裂，并且增加線粒體自噬來清除受損的線粒體，以增加炎癥狀態(tài)下軟骨細(xì)胞存活率[38]。Kang等[39]以Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬防止氧化應(yīng)激下終板軟骨細(xì)胞的ROS過度產(chǎn)生、線粒體損傷和凋亡。除了提高線粒體自噬外，適度的機(jī)械應(yīng)力通過增強(qiáng) MFN1/2和OPA1的表達(dá)以及Drp1從細(xì)胞質(zhì)到線粒體的易位來促進(jìn)線粒體動力學(xué)[37]，可以改善軟骨細(xì)胞在OA下的不利凋亡。

單獨使線粒體分裂或者融合增加，這種線粒體動力學(xué)解偶聯(lián)現(xiàn)象可促進(jìn)OA的發(fā)生發(fā)展，由此可見，整體加強(qiáng)線粒體動力學(xué)循環(huán)可能是抗OA的有效途徑之一。

2.4 線粒體動力學(xué)與骨肉瘤

骨肉瘤(osteosarcoma，OS)是兒童和青少年中最常見的骨惡性腫瘤，死亡率相對較高[40]。加速線粒體分裂促進(jìn)OS細(xì)胞凋亡，最近許多研究探索了線粒體動力學(xué)在OS中的作用。

在線粒體生物發(fā)生方面，OS細(xì)胞線粒體生物發(fā)生比例更高，其更依賴線粒體的功能，對藥物敏感度更高。鑒于此，Chen等[41]研究發(fā)現(xiàn)，替加環(huán)素可以降低線粒體生物發(fā)生從而抑制OS細(xì)胞的功能，但對正常細(xì)胞線粒體功能影響不大。類似的還有MT也能降低OS細(xì)胞的線粒體生物發(fā)生相關(guān)蛋白表達(dá)，從而抑制OS細(xì)胞的功能[42]，證明線粒體生物發(fā)生是OS治療靶點之一。還有部分研究關(guān)注如何利用線粒體動力學(xué)的失衡來誘導(dǎo)OS細(xì)胞的凋亡。如作為抗癌藥物，2-ME作用OS細(xì)胞8 h即可檢測到Drp1表達(dá)增加，激活了線粒體的分裂并導(dǎo)致下游的內(nèi)源性凋亡，有效地抑制了OS細(xì)胞的生長，其抑制劑Mdivi-1則可以逆轉(zhuǎn)該效應(yīng)[43]。這與Yen等[44]的研究結(jié)論一致，通過Drp1介導(dǎo)的線粒體動力學(xué)失衡來觸發(fā)OS的內(nèi)源性凋亡是未來研究方向之一。

總之，除去大量研究聚焦于線粒體ROS對線粒體相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)源性凋亡的研究之外，與線粒體動力學(xué)相關(guān)的研究正在逐步興起，為OS的病理學(xué)研究和藥物治療提供了新方向。

2.5 線粒體動力學(xué)與其他骨病

某些代謝內(nèi)分泌疾病如糖尿病、皮質(zhì)醇增多癥性骨病和甲狀腺疾病引起的骨關(guān)節(jié)病等，線粒體動力學(xué)在疾病發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮了重要作用。

以糖尿病為例，高葡萄糖會降低前成骨細(xì)胞的遷移潛力和趨化性，這種遷移減少是由于Dyn-2定位異常和Drp1水平降低導(dǎo)致線粒體生物發(fā)生減少[45]，使得成骨細(xì)胞定向移動能力降低，糖尿病患者的成骨能力減弱。此外，高糖環(huán)境可導(dǎo)致BMSCs的線粒體分裂增加，動力學(xué)失衡使線粒體功能紊亂，不利于成骨[46]。在糖尿病口腔種植術(shù)后，植入物周圍形成高血糖的微環(huán)境引起的線粒體功能障礙，會導(dǎo)致一系列并發(fā)癥甚至種植失敗。針對這一情況，Wang等[47]設(shè)計了一種新型鋅-鍶種植體材料，其機(jī)制之一就是通過下調(diào)Drp1表達(dá)來改善線粒體動力學(xué)失衡，增強(qiáng)了高糖狀態(tài)下成骨細(xì)胞的成骨能力，使之具有優(yōu)異的修復(fù)高血糖所致線粒體動態(tài)失衡和功能障礙的性能。此外，線粒體動力學(xué)還在多系統(tǒng)蛋白病[48]和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[49]等骨病中也扮演重要角色。

3 總結(jié)與展望

異常的線粒體動力學(xué)導(dǎo)致細(xì)胞的代謝重編程、功能障礙和內(nèi)源性凋亡。越來越多的文獻(xiàn)表明，多種骨相關(guān)疾病中都觀察到了線粒體動力學(xué)的失衡。線粒體生物發(fā)生為細(xì)胞提供了新生線粒體以補(bǔ)充受損的線粒體，而受損的線粒體則通過線粒體自噬來清除，并為線粒體生物發(fā)生提高原料；線粒體的融合與分裂相關(guān)的蛋白則相互動態(tài)配合，為骨相關(guān)細(xì)胞不同的生命活動提供能量和信號支持。也正是這種動態(tài)平衡的打破，即線粒體動力學(xué)的失衡導(dǎo)致了骨修復(fù)、骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎和骨肉瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展。

線粒體動力學(xué)是治療骨相關(guān)疾病的關(guān)鍵靶點，靶向線粒體動力學(xué)為臨床開發(fā)骨相關(guān)疾病治療的新療法奠定了基礎(chǔ)。針對線粒體動力學(xué)的研究不應(yīng)只關(guān)注于藥物對其中某一個環(huán)節(jié)的作用，而是統(tǒng)籌“平衡”這個概念，在實際應(yīng)用中避免向某一個環(huán)節(jié)過分傾斜。深入探究線粒體動力學(xué)與骨相關(guān)疾病的關(guān)系，將會有助于開發(fā)新的治療藥物與方式，為患者提供安全有效的治療手段。