作者：甘肃省中医院创伤骨二科     张进学

在老龄化社会背景下，肌少-骨质疏松症（OS）已构成重大健康挑战，流行病学调查数据揭示，全球65岁以上人群中，肌少症患病率高达10％～27％，而骨质疏松症患者中约30％并发肌肉萎缩，两者病理状态协同导致跌倒风险增加3倍、骨折后死亡率上升50％。近年来研究表明，骨骼肌与骨骼的代谢失衡存在共同的分子基础，其中线粒体损伤引发的线粒体DNA（mtDNA）异常释放及其介导的cGAS-STING通路激活，被认为是连接肌肉萎缩与骨代谢紊乱的核心机制。生理状态下，骨骼肌线粒体通过氧化磷酸化为肌肉收缩供能，并通过自噬维持mtDNA稳定性，然而，在氧化应激、机械损伤或自噬缺陷等病理条件下，mtDNA可逃逸至胞质，作为损伤相关分子模式激活cGAS-STING通路，触发I型干扰素（IFN-α／β）及促炎因子（如IL-6、TNF-α）的级联释放，形成“炎症-线粒体损伤”正反馈环路。这一过程不仅通过STAT1／IRF2通路抑制成肌细胞分化、加速蛋白质降解，还可通过NF-KB／RANKL轴促进破骨细胞活化，同时抑制WNT／β-catenin和BMP2信号介导的成骨分化，最终导致肌肉萎缩与骨量流失的恶性循环。本文系统综述骨骼肌mtDNA释放介导的cGAS-STING通路在肌骨共病中的研究进展，旨在为靶向线粒体-免疫轴新型疗法奠定理论基础。

骨骼肌线粒体mt-DNA释放的机制

氧化应激      氧化应激是骨骼肌线粒体损伤的重要诱因，主要由活性氧（ROS）过度积累引起。在急性运动或病理状态下，线粒体电子传递链功能异常导致ROS生成增加，直接攻击mt-DNA，造成碱基损伤、断裂或突变。例如，SD大鼠模型显示，运动过程中ROS生成呈先升高后降低的趋势，峰值出现在运动120min时，此时线粒体抗氧化系统（如超氧化物歧化酶）可能不足以清除过量ROS，导致mt-DNA损伤累积。宋质银团队发现，氧化应激下受损mt-DNA可通过ATAD3b蛋白介导的线粒体自噬通路选择性清除。若该通路受阻（如ATAD3b表达降低），mt-DNA将因未被有效降解而释放至胞浆，激活cGAS-STING通路。这一机制在meＬas综合征患者中尤为显著，其线粒体自噬缺陷导致突变mt-DNA积累，进一步加剧炎症反应。ROS过量还可导致线粒体内膜脂质过氧化和膜电位崩溃，直接损伤mtDNA并增加线粒体膜通透性。研究表明，衰老骨骼肌中ROS水平升高与位于线粒体内膜的线粒体通透性转换孔（mPTP）开放频率呈正相关，且氧化损伤的mtDNA更易被cGAS识别。而位于线粒体外膜的电压依赖性阴离子通道（VDAC）在ROS的刺激下寡聚化形成大孔径通道，与外膜破裂协同促进mt-DNA释放到胞质。

线粒体自噬缺陷     线粒体自噬是清除受损线粒体的关键机制，其功能缺陷导致异常mt-DNA外泄。在骨骼肌中，PINK1／Parkin通路是主要的线粒体自噬调控途径。当线粒体受损时，PINK1在线粒体外膜积累并招募Parkin，泛素化标记受损线粒体，通过自噬体-溶酶体途径降解。然而，衰老或疾病（如杜氏肌营养不良）会导致骨骼肌中PTEN诱导激酶1（PINK1）、帕金蛋白（Parkin）及自噬相关蛋白7（ATG7）等自噬相关基因表达降低，线粒体自噬能力下降，无法及时清除功能异常的线粒体。受损线粒体持续释放mt-DNA至胞浆，激活cGAS-STING通路，引发慢性炎症和肌骨共病。此外，线粒体自噬受体BNIP3和FUNDC1的活性降低也会加剧这一过程，尤其在低氧或代谢压力条件下。

机械损伤      机械应力（如剧烈运动或外伤）可直接破坏骨骼肌线粒体结构，导致mt-DNA释放。研究显示，运动过程中骨骼肌承受的机械负荷可能引发mPTP异常开放，线粒体基质肿胀、外膜破裂，mt-DNA逸出至胞浆。此外，机械损伤还可通过激活钙离子信号通路（如ca2＋／caｌpain途径），诱导线粒体膜电位去极化，进一步促进ROS生成和mt-DNA损伤。临床前模型表明，外周动脉疾病患者的骨骼肌因缺血-再灌注损伤导致线粒体自噬受损，mt-DNA释放量显著增加，并通过cGAS-STING通路加剧局部炎症和肌肉萎缩。

cGAS-STING通路的激活与下游炎症级联

信号传导机制     cGAS识别mt-DNA：环鸟苷酸-腺苷酸合成酶（cGAS）是一种胞质DNA传感器，其识别双链DNA（dsDNA）的机制依赖于其独特的结构域，分别为负责合成第二信使cGAMP的催化结构域（NTase）和DNA结合域（Mab21域），Mab21域通过静电相互作用与带负电荷的DNA磷酸骨架结合，形成“液滴状”复合物（LLPS），从而增强DNA结合能力。相较于核DNA，mtDNA因其特有的理化性质更易被胞浆内的cGAS识别并激活，这一差异主要体现在以下两方面：mtDNA未甲基化CpG基序的病原体模拟效应和TFAM介导的长链dsDNA的形成。核DNA在生理状态下通过广泛的CpG位点甲基化修饰避免被免疫系统误识别，而mtDNA缺乏此类表观遗传修饰，其表面富含未甲基化的CpG二核苷酸序列。这种特征与细菌或病毒等病原体DNA高度相似，可被cGAS高效识别为“危险信号”，从而触发天然免疫应答。另外，正常线粒体中，mtDNA与线粒体转录因子a结合形成致密的类核结构，当线粒体损伤时，TFAM与mtDNA共同释放至胞浆。TFAM通过中和DNA磷酸骨架的负电荷，促进mtDNA聚合并形成50～200bp的dsDNA。研究显示，cGAS对dsDNA的激活具有显著的长度依赖性，其有效识别至少需要45bp的DNA片段。mtDNA损伤后产生的片段恰好处于50～200bp。

STING介导的炎症信号网络：cGAS识别线粒体损伤释放的mtDNA后生成2＇3＇-cGAMP，其作为第二信使，与STING蛋白的跨膜结构域结合，触发STING从单体向二聚体及高阶寡聚体转化，活化的STING通过COPii囊泡从内质网转运至内质网-高尔基中间区（ERGIC）和高尔基体，在此招募下TANK结合激酶1（TBK1）促使干扰素调节因子3（IRF3）磷酸化，磷酸化的IRF3二聚化后入核，启动IFN-α／β基因表达诱导和促炎因子分泌。mtDNA中的氧化损伤片段可直接结合nod样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）的LRR结构域，促进NLRP3炎症小体组装及caspase-1激活，进而剪切pro-IL-1β为成熟形式，而STING激活的ROS和k＋外流进一步强化NLRP3活化，形成正反馈环路，放大炎症反应。不仅如此，STING激活后还可通过两种方式促进NF-KB信号：首先其直接招募KB抑制因子激酶（IKK）复合物：STING的c端尾部结合IKKβ，磷酸化iKBα并释放NF-KB，促使其入核诱导IL-6、TNF-α等基因转录。其次为微管动态调控：NF-KB激活诱导微管解聚，阻断STING通过微管运输至溶酶体降解，从而延长STING信号持续时间并增强IL-6分泌。

cGAS-STING通路在肌骨共病中的双向调控

肌肉萎缩机制     IFN-β通过STAT1-IRF2通路抑制成肌分化：吕春婉团队研究表明，IFN-β通过激活髓细胞中的STAT1-IRF2通路上调程序性死亡受体1（PD-1）的表达，该机制可能同样适用于成肌细胞。IFN-β通过结合IFNar受体激活JAK-STAT通路，STAT1蛋白的磷酸化（pSTAT1）可直接诱导转录干扰素调节因子2（IRF2），IRF2通过抑制成肌分化关键转录因子myod和myogenin的表达，阻碍肌细胞特异性基因的激活。在c2c12成肌细胞分化模型中，IFN-β处理可减少myod阳性细胞比例达60％，并显著降低肌管融合指数。STAT1的持续激活还可抑制p38／MAPK信号通路，后者是调控成肌细胞分化的核心通路之一。研究表明，p38／MAPK通过磷酸化mef2家族蛋白（如mef2a）促进成肌细胞融合和分化，而IFN-β通过STAT1依赖的机制干扰这一过程。那媛媛团队研究发现，mir-101a／b在成肌细胞分化过程中阶段性上调，通过靶向mef2a抑制p38／MAPK信号，从而发挥“制动”作用。值得注意的是，IFN-β可能通过激活STAT1等上游信号，间接上调mir-101的表达，形成负反馈环路，进一步抑制成肌细胞分化。

IFN-β通过炎症微环境重塑抑制肌生成：IFN-β作为I型干扰素，在慢性炎症或肿瘤微环境中持续激活，可诱导IL-6、TNF-α等促炎因子的释放。这些因子通过激活NF-KB信号，抑制成肌干细胞（如c2c12）的分化潜能，同时促进肌肉纤维化相关基因的表达。IFN-β还可通过上调PD-1在髓细胞中的表达，促进免疫抑制微环境的形成。PD-1的高表达可抑制cd8＋t细胞的抗炎功能，导致肌肉修复所需的免疫支持不足，间接阻碍肌再生。TGF-β信号通路在肌肉再生中同时具有双重作用：早期抑制成肌分化，晚期促进纤维化。研究显示，IFN-β可增强tgf-β的效应，促进成肌细胞向纤维母细胞转化，从而抑制肌管形成并加速纤维瘢痕积累。

TNF-α诱导蛋白降解抑制肌生成：TNF-α与成肌细胞膜上的TNFr1结合后，通过IKK复合物激活NF-KB信号通路。活化的NF-KB进入细胞核，直接上调两类关键e3泛素连接酶的表达，分别为特异性标记肌原纤维结构蛋白murf1和靶向降解调控肌肉生长的转录因子MAFbx／atrogin-1。在脊髓损伤模型中，损伤局部TNF-α浓度升高3倍，导致murf1表达同步增加3倍，肌球蛋白重链的泛素化降解速率提升2.5倍，最终造成肌肉萎缩速率加快50％。TNF-α还可诱导IRS-1（胰岛素受体底物1）的丝氨酸磷酸化（而非正常激活的酪氨酸磷酸化），阻碍其与pi3k结合，导致akt和mTORC1活性降低。mTORC1失活后，核糖体s6激酶（s6k）无法磷酸化，肌肉蛋白翻译效率下降，akt活性降低使foxo蛋白去磷酸化，进入细胞核后直接结合atrogin-1和murf1的启动子，形成“降解-抑制”闭环。研究显示，使用TNF-α中和抗体（如英夫利昔单抗）处理c2c12肌管后，myod表达量回升2倍，蛋白质合成率提高40％，肌管直径增加25％。另外，TNF-α通过激活NADPH氧化酶（NOX2）和诱导线粒体电子传递链漏电子，导致ROS过量产生和线粒体自噬失衡。ROS攻击线粒体内膜脂质，引发膜电位崩溃，进而导致mtDNA泄漏，激活cGAS-STING通路，刺激更多TNF-α和IL-1β分泌；受损线粒体无法被PINK1／Parkin通路有效清除，形成“僵尸线粒体”，持续释放促炎信号，最终形成“炎症-氧化应激-肌肉萎缩”的恶性循环。

骨代谢失衡机制

促进破骨细胞分化     机械应力或炎症刺激导致线粒体损伤，释放mtDNA至胞浆，激活cGAS-STING通路。mtDNA不仅直接刺激破骨细胞分化，还通过STING-TBK1-IRF3轴诱导自噬相关基因（如LC3b），促进破骨细胞分泌性溶酶体的成熟，增强骨吸收能力。细胞内的cGAS-STING信号通路被激活，启动两个关键的下游信号兵IRF3和NF-KB，这两个信号兵直接进入细胞核，指挥细胞大量生产“炎症信使”如IL-6、TNF-α和IFN-β等，这些信使会被释放到周围环境中。IL-6直接作用于破骨前体细胞表面的IL-6受体，启动细胞内的JAK-STAT3通路，由此激活RANKL作为“招募信号”，当破骨前体细胞通过rank受体接收到RANKL的信号后，就会开始分化成破骨细胞。TNF-α则是直接按住破骨前体细胞的“启动按钮”（TNF受体），激活两条生产线———NF-KB和MAPK通路。这两条生产线直接作用于细胞核使其分泌组织蛋白酶k（CTSK）和破骨细胞的标志性蛋白———抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP），CTSK和TRAP通过降解I型胶原及水解骨基质中的磷酸钙，促进骨矿物质溶解并吸收。cGAS-STING激活还可显著增加基质金属蛋白酶（MMP13）和ADAMTS5的表达。这些酶通过分解骨基质中的Ⅱ型胶原和蛋白聚糖，暴露骨矿物质表面，为破骨细胞附着和骨吸收创造微环境。

抑制成骨细胞分化      当cGAS-STING通路被激活，不仅会触发I型干扰素（IFN-α／β）的分泌，这些干扰素结合到成骨细胞表面的干扰素受体，激活JAK-STAT1信号通路。活化的STAT1蛋白会进入细胞核，直接抑制成骨分化的两个关键基因———负责启动成骨基因的runx2和协助runx2完成骨基质的合成OSterix，阻止它们的表达，使其无法正常合成骨基质。临床数据证实，用IFN-β处理人成骨细胞后，反映早期分化的ALP活性降低60％，反映成熟骨形成矿化结节减少75％，直接导致骨形成能力瘫痪。而且，炎症因子TNF-α和IL-6也会大量释放，形成“敌我不分”的炎症战场，从多角度压制成骨细胞。首先，TNF-α通过结合TNFr受体，激活NF-KB信号，诱导WNT通路抑制剂DKK1的表达，阻断WNT／β-catenin通路，阻止β-catenin蛋白进入细胞核。β-catenin本是成骨细胞的“加速器”，能促进骨钙素OCN、BSP等骨基质蛋白的合成，一旦被抑制，成骨细胞分化直接被“踩刹车”；其次，IL-6结合受体后激活STAT3通路，磷酸化的STAT3会抢占能刺激成骨前体细胞增殖分化的BMP2信号通路的关键节点（如SMAD1／5），干扰BMP2诱导的成骨分化。cGAS-STING激活后，线粒体产生过量ROS，直接攻击成骨前体细胞，导致DNA断裂，触发细胞周期停滞，抑制成骨前体细胞的增殖。ROS还可以激活凋亡执行酶半胱天冬酶3（caspase-3），实验显示其活性增加2.3倍，导致成骨前体细胞“自杀式死亡”。最终，成骨细胞前体数量锐减，骨修复能力崩溃。动物实验显示，STING基因敲除小鼠的骨形成率比正常小鼠高28％，证明阻断这一通路能显著改善骨合成。

小结

本研究深入剖析了骨骼肌mtDNA经氧化应激、自噬缺陷、机械损伤三机制激活cGAS-STING通路，并进一步明晰该通路通过干扰素信号抑制成肌细胞分化，以及通过促炎因子网络破坏骨代谢平衡的双向调控机制共同影响OS的形成与发展。但现存问题不容忽视，如mtDNA释放与自噬／凋亡信号交互不明，STING抑制剂、cGAMP降解酶在肌骨组织递送效率低且可能干扰抗感染免疫，不同病理状态下cGAS-STING通路激活阈值差异大，个体化治疗策略亟待建立。未来研究应着重探索该通路在肌骨微环境的时空特异性调控与代谢重编程交互，挖掘靶向干预转化潜力，开发组织特异性STING调控剂并借助纳米载体精准递送，同时评估运动和机械保护预防mtDNA泄漏效果，借多学科协作与临床转化突破肌骨共病治疗瓶颈，为老龄化社会健康管理探寻新方案。

来源：中国骨质疏松杂志2026年6月第32卷第6期