基于PI3K/Akt信號通路探討中醫藥干預膝關節骨性關節炎的研究進展

李文廣，謝興文，顧玉彪，黃晉，翟柏宇，王小強，李輝

（1.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省第二人民醫院，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省中醫院，甘肅 蘭州 730050）

膝關節骨性關節炎（KOA）是一種以膝關節滑膜增厚纖維化、關節軟骨退變受損、下肢力線改變、肢體屈曲攣縮為主要病理改變的退行性疾病，是骨科發病率最高的疾病之一［1］。隨著我國經濟社會發展和生活節奏加快，KOA 在肥胖人群和中老年人群中發病率明顯上升，并且該病還呈現發病逐漸年輕化的趨勢［2］?，F階段針對KOA 患者的臨床治療主要以緩解疼痛、控制病情為主要原則，常選用物理治療、藥物治療或外科治療等措施，但存在不同程度的局限性，導致患者預后不佳并且復發率高［3］。據統計，全球膝關節骨性關節炎的總患病率為14.8%～16.2%，在50 歲以上的人群中發病率更是達到49.1%～51.3%，致殘率可達到52.5%～53.6%［4］。國內流行病學研究顯示，中國40 歲以上中老年人膝關節骨關節炎總患病率為17.0%。西醫對于KOA 的治療早期是以口服非甾體抗炎、氨糖類藥物以緩解疼痛、保護軟骨以及進行關節腔封閉治療，晚期則是以人工關節假體置換為主，這類治療具有副作用大、風險高、治療經濟負擔較重以及患者對于治療的耐受性較差等局限性［5］。通過調節磷酸酰肌醇－3 激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinsitol3－kinase/proteinkinase B，PI3K/Akt）信號通路的活性可以對軟骨細胞的增殖、凋亡及免疫應答等產生影響，增強線粒體功能，促進軟骨生長和代謝，在骨骼系統損傷與修復等多種生物學過程中發揮關鍵作用［6］。本文通過探討PI3K/Akt 信號通路及其相關靶點在軟骨細胞代謝中的機制，以及軟骨穩態對疾病的影響，以期為中醫藥防治KOA提供新方向。

1 PI3K/Akt信號通路及軟骨內穩態

1.1 PI3K/Akt信號通路的組成

磷脂酰肌醇3－激酶（phosphoinositide3－kinase，PI3K），是一種位于細胞胞質的脂質激酶，分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。PI3K 可以調控細胞膜的信號轉導、膜轉運和代謝過程，對于絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）和磷脂酰肌醇激酶都具有活性，發揮不可替代的作用［7-8］。除此之外，PI3K 還可以作為細胞外信使參與炎性、過敏等多種反應對細胞的生命活動進行調控［9］。

絲氨酸/蘇氨酸激酶（Akt kinase，Akt；又稱PKB），即Akt 蛋白，亦名蛋白激酶。分子量約57 kDa，分為PKB－α、β、γ 三種亞型且三種亞型，之間的活性和序列性保持高度一致。PH 結構域、催化域和調節域為Akt 蛋白的主要結構組成，是PI3K 下游主要效應分子［10］。通過干預PI3K/Akt 信號通路可以激活Akt蛋白產生相關反應，使之與相應的蛋白底物進行結合，從而對機體產生多種生物學影響，諸如促進調節能量代謝、細胞增殖、抑制細胞凋亡和增強細胞活性等［11］。PI3K/Akt 信號通路的突變會引起人體產生腫瘤、癌癥等多種相關代謝性疾病，它可能引起機體正常生理功能增強或者減弱，還會導致體內惡性細胞的分化及轉移［12］。

1.2 PI3K/Akt信號通路對于軟骨內穩態的影響

軟骨內穩態是指細胞外基質的合成與降解達到平衡狀態，這對于維持膝關節軟骨功能有重要的影響。軟骨穩態遭到破壞，會導致相關膠原蛋白和聚集蛋白聚糖的減少，增加基質金屬蛋白酶（MMPs）和具有血栓反應蛋白（ADAMTSs）的去整合素，促進了膝關節骨性關節炎的產生和發展［13］。PI3K/Akt信號通路對于調節軟骨穩態具有十分重要的作用，有研究表明，膝骨關節炎患者膝關節軟骨中PI3K/Akt 的表達明顯低于正常人。其激動劑IGF－1可以激活Akt磷酸化促進合成相關膠原蛋白，還對人軟骨細胞中IL－1β 誘導的NFκB 活化具有抑制作用，從而促進軟骨細胞降解。Akt蛋白的過度表達會使得膝關節軟骨細胞合成蛋白多糖更多，合成細胞基質減少，從而破壞軟骨內穩態［14］。PI3K/Akt 通路不僅對細胞外基質的合成起促進作用，而且對于細胞外基質的分解代謝也會產生影響。PI3K/Akt信號通路激動劑TGF－β能激活PI3K/Akt，通過減少炎癥反應減輕大鼠軟骨細胞損傷，PI3K/Akt 的化學抑制劑可以抑制MMPs32 的天然抑制劑TIMP－3的表達［15］。這表明PI3K/Akt 信號通路介導TGF－β 對細胞外基質分解代謝起抑制作用。有研究發現，激動劑IGF－1 可以激活PI3K 和細胞外信號調節激酶（ERK）促進相關蛋白的表達，抑制細胞外基質的分解［16］。雖然PI3K 可能不參與激動劑IGF－1 誘導的MMP－13 蛋白表達，但瘦素可誘導軟骨細胞MMPs 表達增加，PI3K 和Akt 選擇性抑制劑可顯著降低MMPs表達，減少細胞外基質的分解代謝，從而對關節內軟骨穩態產生影響［17］。

1.3 PI3K/Akt 信號通路在膝骨關節炎形成中的作用機制

KOA 是一種關節軟骨退變引起的漸進性疾病，以膝關節滑膜炎癥、軟骨磨損、下肢力線改變、關節變性為主要病理進程。好發于中老年人，尤其以矮胖體型多見，是骨科疾病中比較常見同時也是很難治療的病種［18-19］。KOA 的發病原因主要是軟骨細胞凋亡引起膝關節軟骨退行性改變，這也是其主要病理特征。PI3K/Akt 信號通路在人體各級結構中均有參與，既包括肉眼可見的器官、組織，也包括細胞和分子。PI3K/Akt信號通路會影響關節軟骨細胞的生長、增殖、分化、遷移和凋亡過程；在膝關節軟骨代謝過程中發揮重要調節作用，影響骨組織及軟骨細胞的生長、代謝和對化學療法的敏感性，從而在KOA 的發病進程中起到調控［20］。細胞凋亡過度，會打破機體原有的穩態平衡，使得軟骨基質合成受到影響而變得不足［15］，通過有效抑制軟骨細胞凋亡可以延緩KOA 疾病的進程，進而緩解患者臨床癥狀。PI3K/Akt信號通路被普遍認為是影響軟骨細胞存活的最主要通路，其具有顯著的“抗凋亡”作用，可以很迅速地將信號由細胞膜傳遞給細胞核，在多種細胞的生長、分化、遷移和凋亡的過程中起到不可替代的作用，調控軟骨細胞的增殖代謝過程，通路下游相關蛋白都對于膝骨關節軟骨凋亡起到關鍵的調節作用［21］。軟骨細胞發生凋亡是由PI3K/Akt 通路下游的Bad 和Caspase 蛋白引起的，這兩種蛋白屬于對膝關節軟骨細胞凋亡起到促進作用的因子；未磷酸化的Bad 和其他成分所組成的同源二聚體，激活Caspases連鎖反應，促進細胞色素C 的進一步釋放，使細胞中線粒體的通透性增強，引起細胞的凋亡［22］。Caspase 蛋白家族可以通過兩類分子發生作用干預細胞凋亡的過程：一是通過起始Caspases因子（例如Caspase－2，8和9），接受胞質上游發出的凋亡信號后，用其激活下游Caspase分子使之活化，Caspase－9 可激活Caspase 家族因子擴大凋亡信號，還可以起到聯系凋亡內外源的作用；二是指激活細胞中效應Caspases 因子（例如Caspase－3，6 等），并使之逐級活化后，進而一系列蛋白質底物發生特異性水解，誘導細胞產生凋亡。綜上所述，磷酸化后的PI3K 蛋白能夠激活下游蛋白Akt 的表達水平，使凋亡前Bad、Caspase－3 等蛋白的表達進一步下調，從而對細胞凋亡起抑制作用［23］。此外PI3K/Akt 還會對軟骨細胞的自噬產生影響，通過降低蛋白中PI3K/Akt 信號通路的活性，促進軟骨細胞產生自噬，從而增強軟骨細胞的活性，延緩細胞的凋亡進程［24-25］。

2 中醫藥干預PI3K/Akt信號通路

2.1 中藥單體

通過查閱相關文獻可以證實，在KOA 的診療中中藥有著確切的療效。目前，越來越多國內外專家開始重視對于中藥單體的相關研究，這也充分表明中藥在KOA治療中發揮顯著的作用。

川芎嗪是一種從川芎中分離出來的具有生物活性的生物堿類物質，有研究使用川芎嗪聯合塞來昔布膠囊進行灌胃給藥，并用蛋白免疫印跡法（Western blot）檢測實驗中各組大鼠關節軟骨組織中的PI3K/Akt 信號通路蛋白表達。結果表明，在實驗組和假手術組中，大鼠關節軟骨組織中相關蛋白表達量高于模型組。證明川芎嗪可以通過刺激軟骨組織中PI3K/Akt 信號通路，使得軟骨組織炎性因子水平降低，從而改善臨床癥狀，延緩關節軟骨病變進程［26］。

研究證明，蛇床子提取物——蛇床子素對膝關節骨性關節炎具有治療作用。實驗研究發現，蛇床子素能夠對大鼠血清中IL－1β、TNF－α 及IL－6 水平進行抑制，表明蛇床子素可通過降低炎癥因子IL－1β、TNF－α 及IL－6 水平來發揮保護KOA 大鼠軟骨組織的作用。蛇床子素可顯著降低PI3K/Akt 信號通路中相關蛋白PI3K、Akt的表達，對該信號通路的活性起到下調作用，抑制軟骨細胞的凋亡，對膝骨關節炎起到很好的治療效果［27］。

丹參有效成分丹酚酸B可以上調PI3K及Akt蛋白的表達，激活PI3K/Akt 通路進而刺激MC3T3－E1 細胞形成［28］。也有研究指出，丹酚酸A能夠通過激活PI3K/Akt信號通路中的Akt蛋白，提升Akt的磷酸化水平，這表明丹酚酸A 可能是通過上調Akt 通路的表達，對缺血的心肌產生保護作用［29］。同時，紫草酸鎂B（MLB）作為丹參中的有效成分，可以誘導Akt 蛋白產生磷酸化，從而提高內皮型一氧化氮合酶磷酸化表達，使得受損大鼠后肢血流供應恢復，解除微循環障礙［30］。

除上述中藥外，芍藥苷、青藤堿、續斷總皂苷、淫羊藿苷、楊梅素等也可以通過干預PI3K/Akt 信號通路，抑制細胞凋亡進程，對膝骨關節炎起治療作用。

2.2 中藥有效部位

杜仲中的主要成分是杜仲多糖、杜仲膠、木脂素類等化合物，這些化合成分可以促進骨髓間充質干細胞增殖分化、誘導成骨細胞增殖促進骨骼代謝，起到修復受損軟骨組織的作用［31］。Western blot（蛋白免疫印跡檢測）結果顯示，大鼠骨組織中p－eNOS 含量上升，同時上調PI3K、Akt 蛋白的磷酸化水平，作為反應PI3K/Akt 信號通路的激活標志物的p－Akt 增高，表明PI3K/Akt 信號通路被干預，對膝關節軟骨細胞的凋亡起到抑制作用［32］。說明杜仲皮水提取物能夠促進KOA 大鼠脛骨組織PI3K、Akt mRNA 的激活，為PI3K/Akt 信號通路磷酸化提供源源不斷的底物，最終實現改善KOA大鼠炎癥、逆轉骨損傷的作用［33］。

有藥理學研究發現，中藥牛膝治療膝骨關節炎的主要成分是牛膝總皂苷、牛膝多糖、黃酮類及微量元素，這些成分主要起到消炎、抗氧化以及軟骨修復等治療作用［34］。有學者通過網絡藥理學研究KEGG 通路富集分析發現，牛膝中的有效成分可以通過上調PI3K/Akt 信號通路的表達，使其發揮有抗軟骨細胞凋亡和抗自噬作用［35-36］，從而減緩關節軟骨的退化；有研究通過篩選牛膝影響白介素－17 相關的信號通路，發現PI3K/Akt 信號通路可以通過腫瘤壞死因子－α 對膝關節骨性關節炎產生影響［37］。使用腫瘤壞死因子－α 抑制劑治療后，顯著降低滑膜成纖維細胞中炎性細胞因子的表達。這一現象從側面證實，抑制PI3K/Akt 信號通路的表達，可能有助于減輕膝骨關節炎的炎癥反應，從而為膝骨關節炎的治療提供新的思路［38］。

2.3 中藥復方

中醫方劑應用于治療KOA 歷史悠久，盡管對不同證型的患者所采取的中藥組方不一致，但就總體效果而言，中醫藥治療KOA效果顯著。

右歸丸能夠對PI3K/Akt 信號通路中PI3K 和Akt蛋白的表達進行抑制，延緩軟骨細胞的凋亡進程，還可以抑制白介素類炎性反應因子來降低KOA 的炎性癥狀，從而對膝骨關節炎起到治療作用［39］。廖建青等研究發現，中藥復方骨痹合劑通過影響PI3K/Akt 信號通路的活性，促進細胞產生自噬，抑制相關蛋白的表達，減少膝關節軟骨細胞的凋亡，延緩膝骨關節炎的疾病進程［40］。何曉瑾等通過動物實驗驗證，骨痹方可以通過影響PI3K/Akt 信號通路的激活并且增強Akt 蛋白的活化程度，降低Bax 表達，增強下游Bcl－2 蛋白的活性，因此可以改善膝關節病理組織形態，保護膝關節軟骨功能［41］。另外，獨活寄生湯、鹿角膠丸、當歸補血湯等方劑，皆能通過干預PI3K/Akt 信號通路，影響膝關節軟骨細胞的凋亡。

3 小結及展望

PI3K/Akt 信號通路是KOA 發病機制中一種重要的信號傳導途徑，它對于人體膝關節軟骨細胞的凋亡及關節軟骨內穩態的調控起到關鍵的干預作用，從而在膝骨關節炎治療中起到重要作用。然而通過PI3K/Akt 單一通路，對于治療具有很大局限性，它往往和WNT通路、MAPK通路、NF－κB通路共同起作用。

眾多學者通過動物實驗驗證和網絡藥理學研究發現，中藥單體和復方治療對于可以通過激活PI3K/Akt信號通路，干預下游相關基因和蛋白的表達，來調控膝關節軟骨細胞的增殖和凋亡進程，影響關節內穩態來治療膝骨關節炎。但是對于復方中哪種藥物起主要治療作用及治療機制研究依然有待完善。以PI3K/Akt通路為切入點，更多KOA 治療手段將會被應用，PI3K/Akt 通路也能夠為臨床新藥的研發提供更多思路及重要靶點。

相信隨著相關研究的進一步深入以及中醫藥臨床治療和實驗研究的進一步深化，更多的中醫藥治療方法和作用機制將進一步得到明確。