基于PI3K/Akt信號通路預防治療2型糖尿病肌少癥研究進展

張桂仙 袁婭金 熊薇 劉麗俊 周寧娜

(云南中醫藥大學藥理教研室，云南 昆明 650500)

糖尿病(DM)是由高血糖引起的內分泌和代謝紊亂綜合征，具有高發病率和死亡率〔1〕。隨著當代生活水平的提高，肥胖和超重人群比例逐年增加，預計到2030年全世界將有4.39億DM患者，其中90%以上是2型糖尿病(T2DM)〔2〕。肌少癥是T2DM的慢性并發癥之一，表現為各個肌肉肌群質量減少、力量減弱、爆發力差、肌肉功能減退，并影響平衡能力，易致跌倒、骨折，造成日常活動能力下降，甚至造成死亡〔3〕。隨著患T2DM肌少癥的人數逐年上升，25%～50%的老年人(70～80歲)受肌少癥影響，預防、治療T2DM肌少癥將成為醫療行業的一大挑戰〔4〕。磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號通路是生物體內調節葡萄糖轉運、脂質代謝及蛋白質合成的基礎信號通路之一，通過該途徑信號轉導既有利于發揮胰島素對內皮的保護作用，又能很好地調控T2DM代謝紊亂，是T2DM的研究熱點〔5〕。本綜述將基于PI3K/Akt信號通路探討T2DM肌少癥發生的分子機制。

1 T2DM肌少癥發病機制

肌少癥是增齡性骨骼肌質量減少，力量下降，肌肉功能減退，是一個多因素過程，其特征是骨骼肌形態結構和功能的變化〔4,6,7〕。肌纖維占據75%～90%的肌肉空間，是肌肉的基本組成單位，肌纖維根據其收縮性和代謝性分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型肌纖維具有高氧化、低酵解能力，收縮反應慢，不易疲勞，又稱紅肌或慢收縮肌；Ⅱ型肌纖維具有低氧化、高酵解能力，收縮反應快，容易疲勞，又稱白肌或快縮纖維〔8〕。從組織學角度看，肌少癥時肌纖維表現為Ⅱ型肌纖維數量、橫截面積減少〔9〕。與年齡相關的肌肉質量和力量損失的一個主要因素是肌蛋白合成能力的降低〔7,10〕，肌量的大小由肌蛋白合成和水解平衡決定，若肌蛋白合成速率大于水解速率，則肌量增加，肌力增強。相反，則誘發肌肉萎縮、肌力下降，肌肉功能明顯減退。T2DM肌少癥的發病機制與胰島素抵抗(IR)、高血糖狀態導致的慢性炎癥、神經損傷、肌肉細胞線粒體功能障礙等密切相關。

1.1T2DM、IR、肌少癥之間的關系 胰島素是在葡萄糖等刺激下胰島β細胞分泌的蛋白質激素，在降低機體血糖水平的同時促進糖原和蛋白質合成。IR是機體為維持血糖平衡而分泌過多的胰島素，血漿中胰島素水平過高造成機體對胰島素不敏感的現象，是T2DM肌少癥最主要的發病機制之一，并且是T2DM肌少癥發展中最重要的影響因素〔11〕。在成年人體內，骨骼肌占體重的40%～50%，是胰島素介導葡萄糖轉運的靶器官，負責大部分餐后葡萄糖的處理，具有調節葡萄糖代謝和能量穩態的重要作用，肌量大小決定了胰島素對葡萄糖的轉運能力〔12〕。IR導致機體對葡萄糖的攝取利用降低，血糖持續升高，糖原合成降低，造成骨骼肌能量供應不足，肌力下降；同時IR可導致骨骼肌中胰島素介導的PI3K/Akt信號通路傳導障礙造成肌蛋白合成路徑被阻斷，肌量下降〔13〕。

1.2骨骼肌PI3K/Akt信號通路的結構和功能 PI3K由調節亞基 p85和催化亞基p110組成，具有絲氨酸/蘇氨酸(Ser/Thr)激酶和磷脂酰肌醇(PI)激酶的雙重活性〔14〕，有PI3KⅠ、PI3KⅡ、PI3KⅢ三種結構功能不同的類型，PI3KⅠ在信號轉導中發揮最為重要的作用，有PI3KⅠA和PI3KⅠB兩種亞型〔15〕。p85由Src同源結構域(SH)2，SH3及p110與p85相互作用的非編碼區共同構成，SH2具有結合酪氨酸殘基傳導酪氨酸激酶信號的功能〔16〕。Akt是PI3K的下游靶蛋白，也稱PKB，且是Ser/Thr激酶。目前發現的Akt的三種亞型是Akt1，Akt2，Akt3。其中Akt1調節細胞生長和凋亡，能夠磷酸化肌動蛋白相關蛋白palladin表達。Akt2主要表達于脂肪、骨骼肌和肝臟。PI3K/Akt信號通路的激活是通過Ras直接結合P110活化PI3K或與具有絡氨酸殘基的受體蛋白相互作用來實現〔17〕。

PI3K/Akt信號通路是胰島素調節血糖平衡及胰島素樣生長因子(IGF)-1介導肌蛋白合成的關鍵途徑之一，PI3K/Akt信號通路的激活對骨骼肌質量、力量的增加意義重大〔18〕。Akt作為一種主要的生長調節劑，直接激活Akt可促進肌肉肥大，雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是Akt下游的Ser/Thr激酶，參與骨骼肌細胞增殖、生長及肌蛋白合成的各個過程〔19〕。Akt介導的mTOR可通過激活下游的應激蛋白包括充分表征的效應因子S6蛋白激酶(S6K)1，真核翻譯起始因子(eIF)4E，結合蛋白(4E-BP)1等，調節肌肉組織中蛋白質翻譯的起始步驟，加速mRNA翻譯進程，增加蛋白質合成速率，促進肌肉生長〔20,21〕。IGF-1是肌肉生長的正向調節信號及有利刺激因子，可促進骨骼肌蛋白質合成及肌細胞增殖、分化，肌肉質量和力量增加在一定程度上受IGF-1信號傳導的調節，IGF-1結合調節亞基p85的SH2，活化催化亞基p110，磷酸化細胞內PI3K及質膜上PI及絡氨酸激酶或G蛋白耦聯受體(GPCR)，使PIP2向PIP3轉化，誘導Akt活化〔22〕。活化的Akt通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路引起信號傳導的級聯反應，肌蛋白合成速率顯著提高，肌量增加。另外，胰島素與骨骼肌的胰島素受體(InsR)結合后，導致胰島素受體底物(IRS)絡氨酸化，激活PI3K/Akt信號通路，活化Akt，引起Akt下游的葡萄糖轉運蛋白(GLUT)4轉位至細胞內，增加骨骼肌細胞對葡萄糖的攝取利用〔23〕，且活化的Akt從質膜轉移至細胞質、線粒體和細胞核內作用于糖原合成酶(GSK)3，肌糖原合成增加，產生足量的ATP，肌肉供能充足，肌力增強顯著〔24〕。

1.3IR導致PI3K/Akt信號傳導障礙 IGF-1既可激活PI3K/Akt介導的蛋白質合成途徑，又可維持肌肉氧化平衡，對骨骼肌氧化應激具有抑制作用，保護骨骼肌免受氧化損傷〔25〕。有研究表明〔26〕IGF-1抑制骨骼肌細胞氧化應激、維持肌量是通過刺激PI3K/Akt和細胞外調節蛋白激酶(ERK)1/2-絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路發揮作用。胰島素介導的PI3K/Akt信號通路功能障礙可導致骨骼肌的肌量和肌力不足，一方面，發生IR時，IGF-1刺激的PI3K/Akt信號傳導被阻斷，導致下游應激蛋白mTOR和S6K1表達減少，肌蛋白合成下降，肌肉萎縮嚴重〔27〕。轉錄因子FoxO1可激活肌肉萎縮轉錄程序，調控泛素連接酶MuRF1和MAFbx在骨骼肌中的表達(MAFbx和MuRF1兩種基因在不同的肌肉萎縮模型中一致上調〔28〕)，PI3K/Akt信號傳導障礙誘導FoxO1表達增加，肌肉萎縮明顯〔29〕，FoxO1表達增加還可引發細胞自噬，線粒體功能退化造成肌力下降〔30〕。另一方面，PI3K/Akt信號傳導障礙，減弱了胰島素刺激的Akt與底物蛋白AS160結合促進其磷酸化的程度，抑制GLUT4從儲存囊泡向質膜移動〔31〕，血液中葡萄糖含量升高，肌糖原合成減少，肌肉供能不足，肌力下降〔32〕。有研究發現Akt或IRS銜接蛋白的直接敲除可明顯降低胰島素誘導的葡萄糖攝取利用〔33〕。

1.4炎癥反應和肌細胞線粒體功能損傷導致PI3K/Akt信號傳導障礙 炎癥反應可加速肌蛋白降解，白細胞介素(IL)-2、腫瘤壞死因子(TNF)-α等是加速肌蛋白降解的重要介質之一，是肌萎縮的重要預測因子。T2DM患者持續高血糖使肌肉中炎癥因子水平顯著升高導致的肌量減少、肌力及肌功能減弱的機制也與PI3K/Akt通路有關〔34〕。IL-6、IL-1、TNF-α誘導細胞信號轉導抑制因子(SOCS)3表達，激活酪氨酸蛋白激酶(JAK)、轉錄激活子(STAT)3，靶向IRS-1抑制PI3K/Akt信號傳導，骨骼肌胰島素介導的Akt/mTOR蛋白質合成途徑受抑制〔35,36〕。炎癥反應還可使骨骼肌中產生過量的肌肉生長抑制素(GDF)-8，是一種肌肉生長負調節因子，T2DM患者骨骼肌中過剩的GDF-8抑制Akt磷酸化，抑制下游應激蛋白mTOR和S6K1表達，肌蛋白合成減少〔37〕。此外，骨骼肌IL-6、IL-1、TNF-α的產生在使PI3K/Akt信號通路傳導障礙的同時激活NF-κB，上調泛素連接酶MuRF1和MAFbx，加快蛋白質的降解速度，肌量顯著下降〔38〕。

肌少癥與氧化應激關系密切，GDF-8的產生也可使肌肉中活性氧(ROS)含量升高，造成骨骼肌氧化應激增強，肌量丟失嚴重〔39,40〕。T2DM患者血糖持續升高，使神經傳導障礙或變慢，血管、神經長期缺氧使肌肉處于放松狀態，造成肌力下降〔41〕。在正常條件下，游離脂肪酸(FFA)通過脂肪酸轉位酶CD36形成長鏈脂肪酸(LCACOA)合成脂質或在線粒體中用于氧化分解，高血糖使肌細胞線粒不足以氧化分解體內過量的FFA〔42〕，骨骼肌中過多的脂質、脂質中間體生成造成PI3K/Akt信號通路損壞，線粒體呼吸鏈壓力加大，蛋白合成減少〔43〕，另外，功能紊亂的線粒體誘導大量ROS產生，激活半胱氨酸蛋白酶(Caspase)-3，肌蛋白降解增加，肌肉萎縮程度加劇〔44〕。

綜上，T2DM患者機體代償性分泌過多胰島素造成IR，IR導致骨骼肌對葡萄糖攝取能力降低及Akt介導的mTOR蛋白質合成過程受抑制，持續升高的血糖造成骨骼肌氧化應激和炎癥反應，產生大量的GDF-8加快肌蛋白降解速度，誘發T2DM肌少癥。 見圖1。

圖1 PI3K/Akt信號通路與T2DM肌少癥之間的關系

2 基于PI3K/Akt信號通路預防治療T2DM肌少癥

2.1激活PI3K/Akt信號通路促進蛋白合成 營養、運動、激素替代等可增加肌肉的力量和質量。葉酸是維生素的完全氧化單甘油酯形式，是一種膳食補充劑，肌少癥患者采用葉酸治療增加骨骼肌細胞分化，促進Akt和mTOR的磷酸化，激活4E-BP1和S6K1，加速肌肉生長〔45〕。阻力運動、有氧運動可以減緩肌少癥發生的分子機制可能與骨骼肌PI3K/Akt和AMPK通路的激活有相關性〔46〕。Orr等〔47〕對T2DM肌少癥患者進行太極拳訓練，得出運動訓練如太極拳等可改善老年T2DM肌少癥患者癥狀，提高肌肉力量和質量的分子機制是PI3K及P-Akt2蛋白的上調。以亮氨酸為主的支鏈氨基酸(BCAA)的攝入促進胰島素介導的蛋白質合成的原因是胰島素依賴性mTOR信號通路的激活，因此，高劑量的亮氨酸可能有助于克服肌蛋白合成代謝阻力，具有較強的促胰島素特性，有效維持肌蛋白合成分解平衡〔48〕。Dreyer等〔49〕采用重復肌肉活檢樣本免疫印跡來評估mTOR信號，穩定放射性核素技術測定混合肌肉合成速率(FSR)，發現鍛煉后攝入必需氨基酸mTOR信號通路的激活顯著增強，FSR高于基線，肌蛋白合成速率顯著提高。Latres等〔50〕研究表明PI3K/Akt/mTOR通路需要激活才能發生IGF-1介導的轉錄改變，證明IGF-1/PI3K/Akt通路可以通過阻斷FOXO轉錄因子的核易位，上調泛素連接酶MuRF1和MAFbx，肌蛋白降解速度加快，肌肉萎縮嚴重。有研究表明顆粒蛋白前體(PGRN)可通過激活PI3K/Akt/mTOR通路信號傳導，上調PI3K、Akt、mTOR蛋白濃度，促進C2C12肌管肥大，抑制肌肉萎縮程度〔51〕。Smith等〔52〕研究表明Omega-3不飽和脂肪酸通過激活mTOR-p70s6k信號通路刺激骨骼肌蛋白合成維持肌量。鐘文等〔53〕研究表明參芪復方對T2DM大鼠骨骼肌保護作用的機制與激活IGF-1/PI3K/Akt蛋白質合成途徑相關。陳璇等〔54〕發現白虎二地湯能上調骨骼肌組織的PI3K p85及IRS-1蛋白的表達改善胰島素抵抗指數(HOMA-IR)。

2.2PI3K/Akt信號通路的激活抑制骨骼肌細胞氧化損傷及炎癥反應 PI3K/Akt信號通路的激活有助于抑制T2DM肌少癥患者骨骼肌氧化損傷和炎癥反應。Barazzoni等〔55〕采用胃激素(AG)治療肌少癥患者，發現AG可改善肌少癥患者骨骼肌線粒體氧化能力和Akt磷酸化程度，緩解肌少癥的病程發展。有研究表明有氧訓練導致IGF-1誘導Akt向線粒體移位和聚集，活化骨骼肌PI3K/Akt信號通路，保護骨骼肌線粒體功能，改善肌肉萎縮〔56〕。Brioche等〔57〕對肌少癥大鼠給予生長激素(GH)治療后發現骨骼肌線粒體氧化損傷降低，得出GH替代治療具有明顯的抗氧化作用，可顯著預防肌肉減少的結論。有研究者采用基因芯片、基因敲除等技術阻斷GDF-8傳導途徑，導致肌肉增長加快的分子機制與PI3K/Akt信號通路下游促進蛋白質合成的mTOR和S6K1含量增加有關〔58〕。Murphy等〔59〕抑制小鼠骨骼肌中的GDF-8，IGF-1介導的PI3K/Akt信號通路被激活，顯著改善肌肉萎縮程度。有學者采用黃芩(SR)與黃連(CR)聯合治療高脂及小劑量鏈尿佐菌素誘導的T2DM大鼠，結果發現T2DM大鼠脂質代謝、炎癥反應等被明顯抑制，進一步研究發現SR與CR聯合使用抑制脂質代謝、炎癥反應的分子機制與MAPK/PI3K/Akt信號通路的激活有關〔60〕。

綜上，臨床上治療T2DM肌少癥應從單純降糖外的各個環節進行綜合治療。骨骼肌PI3K/Akt信號通路的激活可抑制肌細胞炎癥反應和氧化應激，增加蛋白質合成速率，緩解肌量丟失。盡管 PI3K/Akt信號通路與T2DM性肌肉萎縮相關的分子機制還未被完全闡明，但為預防治療T2DM肌少癥提供了新思路和研究方向，PI3K/Akt信號通路有望成為開發預防治療T2DM肌少癥新藥的潛在有效靶點。