胰腺纖維化與糖酵解

葉鋆 曹裕 李兆申 廖專

海軍軍醫大學第一附屬醫院消化內科，上海市胰腺疾病研究所，上海 200433

【提要】 胰腺纖維化是一種以成纖維細胞活化為主、伴有細胞外基質沉積的慢性進展性的病理過程。胰腺纖維化改變了胰腺的正常結構，影響了胰腺疾病的預后，然而至今仍無有效緩解胰腺纖維化的策略。近年來，纖維化進展伴隨成纖維細胞的代謝改變受到越來越多的關注，以代謝為靶點的治療方案有望成為緩解胰腺纖維化的重要措施。本文以糖酵解為切入點，闡明胰腺纖維化與糖酵解生物學機制及靶向糖酵解途徑抗胰腺纖維化治療的研究進展。

胰腺纖維化是指多種胰腺疾病過程中成纖維細胞活化、細胞外基質異常沉積導致的胰腺慢性病理過程。常發生纖維化的胰腺疾病主要是慢性胰腺炎、胰腺癌相關纖維化。胰腺中的成纖維細胞是導致細胞外基質沉積的主要細胞，其活化和增殖受多種代謝過程的調節。本文就糖酵解在胰腺纖維化中的作用機制和治療前景做一綜述。

糖代謝是生物體所需能量的主要來源，為生物體合成脂質、核酸、蛋白質等生命必需物質提供碳源。糖代謝途徑主要有糖酵解、氧化磷酸化、磷酸戊糖途徑等。糖酵解是所有生物體進行葡萄糖分解代謝的共同階段，由糖酵解產生的丙酮酸可轉化為乳酸，或轉化為乙酰輔酶A進入線粒體參與三羧酸循環。己糖激酶(hexokinase, HK)、磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)和丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解過程中催化不可逆反應的3個限速酶，也是調節糖酵解途徑的重要靶點[1]。

纖維化是一種慢性進展性病理變化，其特征是以成纖維細胞活化為主的組織瘢痕形成。Kang等[2]運用代謝組學分析方法對纖維化組織進行代謝譜分析，發現糖酵解中間代謝產物(葡萄糖-6-磷酸、磷酸二羥基丙酮和乳酸)水平增加，表明纖維化組織中糖酵解被激活。Si等[3]運用單細胞轉錄組技術對纖維化組織進行基因富集分析，發現糖酵解關鍵酶的表達與纖維化指標COL1a1、FN1和α-SMA等的表達呈正相關，反之阻斷糖酵解途徑可抑制纖維化指標，表明糖酵解在纖維化的發生發展中具有重要作用。

CP是多種原因引起的胰腺組織和功能不可逆改變的慢性炎癥性疾病，在組織學上常伴隨纖維化產生。纖維化可使胰腺實質硬化，胰管狹窄、扭曲、擴張，進一步破壞胰腺內外分泌功能，嚴重影響患者生活質量。研究表明，胰腺纖維化與糖代謝之間關系密切。一項Meta分析顯示[4]，長期糖尿病患者重度胰腺纖維化的患病率是健康者的兩倍。糖尿病對胰腺纖維化的影響可用影像學進行評估。在一項前瞻性單中心研究中[5]，研究者使用磁共振成像技術對95例糖耐量正常或受損的胰腺疾病患者進行T1加權成像(T1-weighted imaging, T1WI)胰腺掃描。T1WI的T1值越高代表纖維化程度越重。結果顯示，2型糖尿病患者的胰腺T1值明顯高于無糖尿病和糖尿病前期的患者，而糖尿病前期患者的胰腺T1值明顯高于無糖尿病的患者，說明高血糖對胰腺纖維化有促進作用。

胰腺癌是高度惡性的消化系統腫瘤，致密的纖維化基質占腫瘤體積的90%。纖維化基質的來源已得到廣泛研究，并且已確定活化的胰腺星狀細胞(pancreatic stellate cells，PSC)在胰腺癌的纖維形成中起關鍵作用[6]。Chen等[7]將胰腺癌相關成纖維細胞(cancer-associated fibroblasts，CAFs)與正常成纖維細胞(normal fibroblasts，NFs)分離并進行培養，CAFs表現出更強的葡萄糖吸收及乳酸產生能力。且與NFs相比，CAFs表達更多的丙酮酸激酶同工酶M2(pyruvate kinase isozymes-M2, PKM2)，提示CAFs發生代謝重編程，以PKM2介導的糖酵解水平升高為主。Masamune等[8]敲除PSC中的PKM2后發現，其活化和增殖能力明顯下降，且纖維化標志物如vimentin和snail等明顯被抑制，說明胰腺癌纖維化的形成也高度依賴糖酵解水平的升高。

目前已發現多條信號通路參與纖維化過程中的糖酵解重編程，如磷脂酰3肌醇羥激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)/Akt信號通路、低氧誘導因子1α(hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α)信號通路、TGF-β信號通路等。

1．PI3K-Akt信號通路：PI3K/Akt信號通路是一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶通路，涉及多種細胞類型的生長和生存，并對細胞糖代謝產生深遠影響。PI3K/Akt信號通路可通過3條途徑調控糖酵解過程：(1)PI3K/Akt信號通路誘導葡萄糖轉運蛋白1(glucose transporter type 1, GLUT1)的表達，提高細胞中葡萄糖的攝取率。(2)PI3K/Akt調控包括HK2 、PFK、6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶-3(6-phosphate fructose-2-kinase/fructose-2, 6-bisphosphatase-3，PFKFB3)在內的幾個糖酵解酶的活性促進糖酵解。(3)PI3K/Akt激活下游通路哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)促進糖酵解。CP纖維化主要表現為以PSC活化為主，細胞外基質在胰腺組織中過度沉積[9]。PSC的活化是CP纖維化的關鍵環節。研究表明[10]，高血糖可通過PI3K-AKT信號通路介導PSC細胞活化并分泌細胞外基質，促進胰腺纖維化。此外，抑制PI3K / AKT / mTOR途徑可抑制PSC的活化，延緩胰腺纖維化的進展[11]。

2．HIF-1α信號通路：HIF-1α是缺氧誘導因子1的調節亞基，通過調節參與維持氧穩態的基因而作為低氧應激反應的關鍵轉錄因子。近年來，越來越多的研究表明，HIF-1α在組織纖維化中起著重要作用，活化的HIF-1α可與具備促纖維化作用的下游基因結合，例如纖溶酶原激活物抑制物-1(plasminogen activator inhibitor 1, PAI-1)、金屬蛋白酶組織抑制劑-1(tissue inhibitor of metalloproteinase-1, TIMP-1)和結締組織生長因子(connective tissue growth factor, CTGF)，促進組織纖維化進展[12]。此外，HIF-1α還可以通過調控糖酵解參與纖維化的發展，其機制是HIF-1α可激活糖酵解關鍵酶如HK2、PKM2、丙酮酸脫氫酶激酶1 (pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1)來增加糖酵解作用，進而促進成纖維細胞分化和纖維化進程[13]。

3．TGF-β信號通路： TGF-β信號通路是纖維化的經典通路，多維度、多方面參與了纖維化的形成，而糖代謝與TGF-β信號通路之間可相互調控。研究表明[14]，高血糖通過促進蛋白激酶C依賴的FOS-JUND轉錄復合物與TGFβ的啟動子結合，從而上調TGF-β表達。此外，增強的糖酵解和乳酸生成，可以使細胞外微環境酸化，促進成纖維細胞分化，增加TGF-β分泌[15]。反之，經TGFβ刺激活化后，成纖維細胞葡萄糖消耗增多，糖酵解產物增加，細胞外基質酸化加強，提示成纖維細胞的活化伴隨著糖酵解激活[16]。此外，TGF-β還可以通過激活HIF1a誘導PDK1表達，使丙酮酸更多向乳酸轉化而非流向線粒體的三羧酸循環。進一步動物實驗證實[13]，抑制HIF-1α或PDK1能夠減輕纖維化的程度。總之，糖酵解和TGF-β相互促進，形成一個正反饋調節環路，使得纖維化一旦開始就不斷進展。

胰腺纖維化的發生主要是胰腺間質組織中成纖維細胞過度激活和以膠原為主要成分的細胞外基質過度沉積。瘢痕相關的成纖維細胞需要消耗大量的能量，糖酵解的增加可迅速為其供應大量ATP[17]；糖酵解的抑制劑，例如2-脫氧葡萄糖(2-deoxyglucose, 2-DG)、3PO(一種PFKFB3的小分子拮抗劑)、3-溴丙酮酸、碘乙酸鹽和草氨酸鹽等，均可抑制瘢痕相關成纖維細胞的ATP生成，從而抑制成纖維細胞的活化[17]。另一方面，糖酵解還能提供膠原合成的原料，包括氨基酸的生成，膠原的羥基化、糖基化等。糖酵解產生了膠原中最豐富的一類氨基酸——甘氨酸，而靶向抑制細胞內甘氨酸代謝途徑可削弱活化過程中TGF-β所介導的膠原合成，阻礙纖維化進展[18]。不僅如此，糖酵解來源的乳酸介導了膠原的羥基化[19]，而膠原的糖基化則需要糖酵解產生的ATP提供能量，利用2-DG抑制糖酵解能夠降低膠原的羥基化和糖基化水平，減弱膠原穩定性[20]。由此可見，利用2-DG、3PO、3-溴丙酮酸、碘乙酸鹽和草氨酸鹽等糖酵解抑制劑將為靶向胰腺纖維化的治療提供新思路。

盡管有關胰腺纖維化的研究從多角度開展、歷經數年，但目前仍無有效預防或逆轉纖維化的方法。近年來，纖維化過程中的代謝改變走進人們的視野，纖維化中的代謝機制也受到越來越多的關注，尤其是糖代謝研究全面發展。PI3K-Akt、HIF-1α、TGF-β信號通路參與了纖維化過程中的糖代謝重編程。進一步深化糖代謝在成纖維細胞活化以及細胞外基質沉積中的分子機制研究，尋找治療靶點，開發臨床藥物，將是胰腺纖維化疾病研究的重要方向。目前已有部分研究證實利用2-DG、3PO、3-溴丙酮酸、碘乙酸鹽和草氨酸鹽等糖酵解抑制劑靶向糖酵解途徑可改善纖維化，為胰腺纖維化的治療帶來希望。未來仍然需要大量的工作對靶向代謝的抗纖維化藥物進行篩選，并研究出最佳劑量、最優組合、給藥方法和時機及治療終點等。

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