PI3K/Akt通路在糖尿病心肌病中的研究進展

黃家喜，鮑翠玉，李 晶

(湖北科技學院1. 藥學院、2. 糖尿病心腦血管病變湖北省重點實驗室，湖北 咸寧 437100)

糖尿病已成為全球范圍內主要慢性疾病之一，其患病率及其并發癥呈現逐年上升的趨勢，嚴重影響居民的健康。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)作為糖尿病主要的并發癥，也是導致糖尿病患者死亡的主要原因。DCM作為一類特異性心臟疾病，其特征在于心室擴張和肥大，早期出現心肌的舒張功能障礙，疾病晚期階段，導致心肌收縮能力以及射血分數降低，最終導致心力衰竭[1]。目前認為多種因素共同促進DCM的病程進展，其中高血糖、胰島素抵抗起著關鍵性作用，心肌能量代謝障礙和內皮細胞損傷，導致心肌重塑、凋亡和纖維化等[2]。DCM的早期階段因缺乏特異性，常與高血壓、動脈粥樣硬化等繼發性心肌損害難以鑒別。磷酯酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol-3 kinase，PI3K)/Akt信號通路作為人體內重要的信號傳導通路，參與調節細胞的增殖、分化、凋亡等生命活動。糖尿病、心血管系統疾病等慢性病與PI3K/Akt通路有著密切的關系[3]，激活PI3K/Akt通路可以改善糖代謝異常，增加胰島素的敏感性，改善能量代謝紊亂，減輕慢性炎癥反應，保護心肌細胞。PI3K/Akt信號通路給治療DCM提供了新的治療靶點，為科學研究提供新的思路。

1 PI3K/Akt信號通路的組成

PI3K/Akt信號通路已成為治療心血管系統疾病和一些代謝性疾病(如2型糖尿病)重要靶點。PI3K是一類催化肌醇與磷酯酰肌醇的脂質激酶，根據其結構特性，分為I類、II類和III類，研究最為廣泛是I類PI3K。某些信號因子激活I類PI3K，產生細胞內重要的第二信使磷脂酰肌醇4，5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-diphosphate，PIP2)和磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸(phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate，PIP3)，再與Akt結合，促進級聯反應繼續傳遞。Akt是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，處于PI3K/Akt途徑的中心環節。

2 PI3K/Akt信號通路的調控因子

2.1 沉默信息調節因子1(silent information regulator 1，Sirt1)Sirt1是一種高度保守的NAD+依賴性脫乙酰酶，是Sirtuins家族中研究最為廣泛的蛋白酶。參與調節機體各種細胞病理生理過程，如維持細胞穩態和細胞存活，以及在心肌缺血/再灌注損傷時，抑制氧化應激和內質網應激。此外，在抗炎、改善胰島素抵抗(insulin resistance，IR)、調節糖脂代謝等方面也發揮著重要的作用[4]。激活Sirt1/PI3K/Akt通路，逆轉IR，改善線粒體能量代謝障礙,抵抗氧化應激[5]。DCM患者常伴隨著血管內皮損傷，保護內皮細胞也可延緩DCM病程進展。Sirt1上調內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)的表達，增加內皮細胞內NO的含量，促進內皮細胞的遷移與增殖，從而保護血管內皮免受氧化應激的損傷[6]。綜上所述，增加心肌細胞內Sirt1蛋白酶含量，促使PI3K/Akt信號通路發揮正向調節功能，可減少心肌損傷與保護心肌。

2.2 同源性磷酸酶-張力蛋白(phosphataseandtensinhomologuedeletedonchromosometen，PTEN)PTEN作為PI3K/Akt通路的上游負性調節因子[7]，具有蛋白磷酸酶和脂性磷酸酶雙重活性。由N-端磷酸酶催化結構域和C-端結構域組成，其中N-末端磷酸酶結構域含有共有的PIP2結合基序；C-端結構域包含脂質結合的C2結構域，與PIP3去磷酸化有關，抑制PI3K/Akt通路的活化。IR作為DCM重要的發病機制，誘發機體內能量代謝紊亂，產生活性氧(reactive oxygen species，ROS)，損害心肌細胞和冠狀動脈內皮細胞。PTEN的低表達可促進PI3K/Akt信號通路的激活，增加胰島素的敏感性，同時增加葡萄糖轉運體-4的表達，促進葡萄糖的攝取，逆轉IR[8]。抑制PTEN，明顯改善機體內的高糖狀態，降低慢性炎癥反應，達到預防治療DCM。

2.3 糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β)GSK-3β是PI3K/Akt通路的下游負性調控因子，是一種多功能的絲/蘇氨酸蛋白激酶，主要參與調節體內血糖水平，參與糖原的合成。當磷酸化其Tyr216位點，增加GSK-3β的表達活性，而Ser9位點被磷酸化則抑制其活性[9]。當過多糖原沉積在血管內皮、心肌和肝臟內，嚴重損害細胞及影響器官的正常功能。抑制GSK-3β表達活性，能緩解糖尿病大鼠心肌肥大和心衰的癥狀，促進胰島素的生成，抵抗細胞凋亡[10]。抑制GSK-3β的表達活性，成為治療DCM新的研究方向。

2.4 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)mTOR是PI3K/Akt下游的信號分子[11]，在細胞生長、增殖、新陳代謝以及改善心功能方面等有著關鍵性作用。其分為兩個亞型：mTORC1和mTORC2，其中mTORC1參與調節細胞生長增殖和維持細胞內的新陳代謝，通過磷酸化核糖體蛋白S6激酶1(ribosome protein subunit 6 kinase 1，S6K1)，促進mRNA生物合成、核糖體蛋白翻譯、細胞生長和代謝等多種細胞過程；而mTORC2的調節機制尚不明確，推測可能參與葡萄糖攝取，調節糖酵解，抑制肝糖異生。PI3K/Akt/mTOR/S6K1通路的激活可保護心肌，逆轉纖維化，減輕炎癥反應，抑制細胞自噬。此外，還促進細胞生長繁殖，增加蛋白與脂質的合成。適當自噬在細胞穩態的維持和防御機制中起著關鍵性作用，但過度自噬卻能引起細胞的損傷和凋亡。激活PI3K/Akt/mTOR通路能抑制多種凋亡蛋白誘導的細胞自噬[12]，增加mTOR的表達活性，保護心肌細胞的正常生理功能，改善細胞內代謝水平，增強胰島素敏感性等。

3 DCM發病過程中PI3K/Akt信號通路的作用

3.1 調節血糖水平葡萄糖作為人體主要的供能物質，DCM患者體內慢性高血糖，誘發葡萄糖代謝紊亂，導致機體發生氧化應激，產生大量的ROS，引發細胞凋亡，以及組織器官的功能障礙。葡萄糖轉運體(glucose transporter，GLUT)為PI3K/Akt通路的下游信號靶點，激活GLUT增加細胞攝取葡萄糖，降低血漿中葡萄糖的水平，減輕糖脂毒性。在糖尿病大鼠中，觀察到PI3K/Akt信號通路通過抑制GLUT-4向細胞膜異位，從而激活GLUT-4，發揮其生理學活性[13]。

3.2 調節脂質代謝高脂血癥是DCM主要臨床表現。脂代謝異常誘發氧化應激和線粒體功能障礙，引發心臟發生結構和功能的改變，如心肌肥大、心肌細胞的凋亡或壞死，甚至引起心力衰竭和猝死。脂聯素是一種由脂肪細胞產生的血管活性肽，增強胰島素的敏感性和調節葡萄糖代謝，具有抗炎、抗動脈粥樣硬化、抗糖尿病等生物學活性，在高血壓、心力衰竭和動脈粥樣硬化等慢性心血管疾病方面，也具有良好的保護作用。動物實驗表明，糖尿病大鼠體內脂聯素表達降低，PI3K/Akt通路被抑制, 對心肌缺血/再灌注損傷的保護作用減弱或消失[14]。脂聯素通過介導PI3K/Akt通路逆轉IR，限制游離脂肪酸(free fatty acid，FFA)生成，保護心肌功能，維持線粒體膜的穩定性。

3.3 保護內皮細胞血管內皮結構的完整，對維持機體正常功能起著至關重要的作用。DCM患者中發現冠狀動脈血管內皮發生不同程度的損傷，導致心肌的正常供血功能發生嚴重障礙，在病程發展中起著不可忽視的作用。體內重要血管保護因子NO，具有舒張血管、修復內皮細胞損傷等重要的生理功能。在高脂環境下，PI3K/Akt/eNOS信號通路的表達下調，NO的生成減少，損傷內皮的結構和功能，導致組織器官供血不足[15]。長期糖脂代謝障礙，誘發機體發生氧化應激反應，生成氧化活性產物以及氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein，ox-LDL)，其中ox-LDL沉積于血管內皮細胞，損害內皮的完整性，特別針對冠狀動脈的損傷。PI3K/Akt介導過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR)的表達，調節機體物質能量代謝，保護內皮免受ROS和炎癥介質的侵害。因此，PI3K/Akt的表達增加，激活eNOS和PPAR,保護血管，預防和治療心血管疾病。

3.4 減輕炎癥反應長期的高糖高脂環境可誘導機體巨噬細胞、平滑肌細胞等產生炎癥因子，如白介素-1、核轉錄因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、腫瘤壞死因子α，它們侵襲內皮細胞，增加其通透性，加重其損傷，誘導心肌細胞發生自噬、凋亡和纖維化等病理過程。長期慢性炎癥反應促進IR的發生，加重炎癥反應，形成惡性循環。激活IRS/PI3K/Akt通路，可抑制NF-κB的表達，減輕炎癥反應，增加胰島素敏感性，最終抑制高糖對心肌細胞的損傷。

3.5 改善心功能，抵抗纖維化心肌細胞纖維化作為DCM的發病機制之一，引起心肌的正常收縮舒張功能受限，以及心肌重塑，導致患者發生心力衰竭、缺血性心肌病，甚至誘發猝死。DCM的早期，舒張功能障礙和心室重構可能與心肌纖維化有著密切關聯，轉化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)參與心肌纖維化過程[16]。心肌纖維化的主要原因是膠原蛋白的異常沉積，特別是Ⅰ型、Ⅲ型膠原蛋白。TGF-β依賴于PI3K/Akt信號通路，增加膠原蛋白和纖維連接蛋白的合成，促進心肌纖維化[17]。TGF-β抑制劑明顯減少膠原蛋白的合成，緩解心肌纖維化的病情進展，改善患者心功能，提高其生活質量和水平。

3.6 調節心肌細胞凋亡DCM患者晚期發生心功能障礙主要原因是心肌細胞發生不可逆的凋亡。PI3K/Akt作為人體內重要的促生存的信號通路，研究證實，PI3K/Akt信號通路對心肌細胞凋亡具有抑制作用，促進心肌存活，改善心功能障礙。PI3K/Akt信號通路調節心肌細胞凋亡通過以下幾個方面實現[17]:① 環磷腺苷反應元件連接蛋白和NF-κB可以被Akt激活，致使抗凋亡基因轉錄被激活；② Akt調控細胞凋亡還可以通過調控SAPK/MAPK信號來完成，例如stress activated MAP kinases(SAPKs)如c-Jun氨基端激酶在滲透壓、熱休克、放射等刺激下誘發凋亡；Akt磷酸化可抑制含有1個Akt特異性磷酸化位點的凋亡信號調節激酶1活性，從而啟動JNK和p38 MAPK激酶通路；③ 作為細胞凋亡效應器和啟動者的caspase-9可被Akt磷酸化，從而其活性受到影響，蛋白水解功能降低，凋亡受到抑制；④ 細胞色素C及一些其他促凋亡因子可被Akt封鎖在線粒體內，以保障線粒體完整性的維持，而細胞色素C從線粒體釋放導致的細胞凋亡可被Akt的激活減輕；⑤ 叉頭轉錄因子可以起到促進凋亡基因轉錄的作用，含有被Akt直接磷酸化的序列，FKHRLI、FKHR、AFX是經典的叉頭轉錄因子家族成員，應激狀態下，叉頭轉錄因子被Akt磷酸化，FKHRLI從核內移出，與14-3-3蛋白結合，受到14-3-3蛋白的阻止，入核受阻，堆積在胞質，凋亡基因不能被有效啟動，最終凋亡受到抑制；⑥ 促凋亡分子Bcl-2/Bcl-XL相關的死亡啟動因子(Bcl-2/Bcl-XL associated death promoter，BAD)活性可通過Akt的磷酸化受到抑制。BAD未被磷酸化時，BAD可以直接通過Bcl-2同源域，與Bcl-2家族成員疏水槽結合，其功能受到抑制；BAD被磷酸化時，可通過絲氨酸殘基與細胞質的抗凋亡蛋白緊密結合，Bcl-2/BAD復合物釋放出Bcl-2，誘發抗凋亡效應。可見，Akt的暫時性激活可發揮細胞凋亡抑制效果。Matsui等[18]提出，活性Akt1基因通過腺病毒轉入后，可以明顯地抵抗在低氧環境下的心肌細胞凋亡。據報道[19]，在心肌組織中，腺病毒介導的Akt1基因轉染大鼠可以明顯減輕心肌細胞凋亡，缺血/再灌注損傷后心肌梗死范圍縮小。可見，PI3K/Akt通路的激活可以減輕心肌細胞凋亡，對心肌細胞的存活是有利的，進而還可以緩解心力衰竭。

4 PI3K/Akt信號通路靶向治療進展

絲蘇氨酸激酶抑制劑的研發，為PI3K-Akt通路靶向治療提供了可能性[20]。這一類藥物的優勢在于不引起DNA損傷的信號通路調控作用。在靶向PI3K-Akt信號通路抑制劑的研發中，PI3K抑制劑包括靶向PI3K的催化亞基p110的抑制劑、亞基異構型特異性抑制劑、其他類型的抑制劑如天然產物魚藤素等。Akt抑制劑包括基于脂的抑制劑(如磷脂酰肌醇醚脂、PX-316)，通過高通量篩選化合物庫所得非基于脂的小分子抑制劑，包括API-2、API-59CJ-OMe、吲哚-嘧啶A-443654以及異構體特異性的鐵屎米堿類同系物。在這個研究領域，仍有很多尚未深入研究的化合物，它們作用于該信號通路的各個環節，需要我們全面進一步深入研究。

5 展望

PI3K/Akt信號通路作為體內重要的調節機制，維持機體正常的新陳代謝平衡，調節生長繁殖，同時也參與多種疾病的發生、發展，如代謝性疾病、心血管系統疾病等。DCM是由多種病理因素綜合作用，PI3K/Akt在其病程進展中發揮獨有的優勢，逆轉心肌的損傷，改善心功能。激活PI3K/Akt，抑制FFA的生成，促進葡萄糖轉運入胞和提高其利用率，減輕組織器官的糖脂毒性；同時，能改善線粒體功能障礙，拮抗心肌纖維化，抑制慢性炎癥反應和心肌細胞凋亡。許多研究表明，PI3K/Akt可以作為預防和治療DCM的特異靶點，由此，研發出高特異性的靶向治療藥，降低DCM的發病率和病死率，具有十分重要的臨床意義。