磷脂醯肌醇3-激酶/蛋白激酶B信號通路在糖尿病視網膜病變與動脈粥樣硬化發病機制中的作用

文章來源：中華糖尿病雜誌, 2018,10(5) : 373-376

作者：楊敏 羅向霞 康莉 王振

單位：蘭州甘肅中醫藥大學 甘肅省中醫院眼科 甘肅省慶陽市中醫醫院骨科

本文要點

◆磷脂醯肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）信號通路作為血管內皮生長因子下游眾多信號通路之一，激活後可促進血管內皮細胞的增殖、遷移並抑制其凋亡，同時還可對血管平滑肌細胞、單核細胞、巨噬細胞、血小板等進行調控，與糖尿病視網膜病變（DR）及動脈粥樣硬化（AS）病理過程密切相關

◆探討PI3K/Akt信號通路在DR及AS發病中的關聯性，通過調控PI3K/Akt通路達到防治DR及AS的目的，為以該信號通路作為靶點研究新的治療藥物提供思路

糖尿病視網膜病變（DR）是糖尿病的微血管併發症之一，同時糖尿病又是引發動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）的病因之一，兩者均屬於血管性疾病。磷脂醯肌醇3-激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt）信號通路作為此兩種血管併發症的共同細胞信號傳導通路之一，對疾病的發生髮展發揮了重要作用。持續升高的血糖通過激活PI3K/Akt信號通路,促進多種細胞因子的合成與釋放，同時抑制血管平滑肌細胞遷移，降低血小板黏附，抑制組織因子表達，降低血管內皮細胞凋亡以及促進內皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）的表達；此外，氧化低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，oxLDL）和血管緊張素Ⅱ（angiotensin Ⅱ，AngⅡ）在巨噬細胞中激活PI3K後還可以增加巨噬細胞活性並增強免疫炎症反應，而這些過程均和DR及AS的形成有關。

一、PI3K/Akt信號通路概況

1．PI3K的分型及作用：

PI3K/Akt信號通路不僅在信號傳導調控中起著重要作用，也在多種疾病的各種生物學過程如細胞增殖、凋亡、代謝、運動和血管發生中發揮了介導作用。PI3K具有磷脂醯肌醇激酶和絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶的雙重活性，由催化亞基p110和調節亞基p85組成，根據其結構特點和底物分子的不同，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個家族成員，Ⅰ型PI3K可被細胞表面受體激活，對信號的傳導起主要作用[1]；Ⅱ型PI3K是單體的催化亞基，參與膜轉運的調節，並且越來越多的證據也表明Ⅱ型PI3K在細胞增殖和存活中發揮重要作用[2,3]；Ⅲ型PI3K是在哺乳動物細胞內發現的一種蛋白，與酵母的空泡分選蛋白34分子結構具有同源性。目前對於Ⅲ型PI3K的研究多集中在其參與細胞自噬，細胞新合成分泌型蛋白的分選以及在膜泡轉運中的作用。

2．Akt的分型及作用：

Akt約由480個氨基酸殘基構成，是一種Ser/Thr蛋白激酶，分為Akt1、2和3三種亞型，各個亞型彼此之間關係緊密，共同發揮調控細胞生長、增殖、存活以及代謝的作用。Akt1負責促進細胞的增殖及存活，Akt2主要參與調節胰島素對糖類物質的代謝，而Akt3主要發揮調節細胞大小及數量的作用[4]。Akt作為PI3K信號通路下游的重要靶蛋白，由3個結構域共同組成，即N端PH結構域、中間催化域以及C端調節結構域，其中脂質與蛋白質及蛋白質與蛋白質之間的相互作用由PH結構域進行介導，Ser/Thr殘基磷酸化的催化由中間催化域進行，C端調節域則含有Akt完全活化所必需的磷酸化位點Ser473[5,6]。

3．PI3K/Akt信號通路的激活：

通常，PI3K/Akt途徑的激活始於受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）或G蛋白偶聯受體的激活[7]。當配體與其相應的RTK結合時，RTK的細胞內C末端激酶結構域經歷構象改變和自磷酸化，為PI3K的調節亞基提供結合位點。RTK和PI3K調節亞基之間的相互作用逐漸緩解對催化亞單位的抑制作用，引起PI3K的脂質激酶活性升高，PI3K的活化能將磷脂醯肌醇4,5-二磷酸酯[PtdIns(4,5)P2,PIP2]轉化為質膜中磷脂醯肌醇3,4,5-三磷酸[PtdIns(3,4,5)P3,PIP3]，隨後，PIP3結合Akt並將其錨定到質膜後，分別通過磷酸肌醇依賴性激酶-1和哺乳動物雷帕黴素靶蛋白複合物2（mammalian target of rapamycin complex 2，mTORC2）的靶磷酸化Ak308和Ser473殘基的Akt，導致其完全活化，激活的Akt進一步磷酸化下游通路分子，以介導代謝、細胞生長、血管生成、運動和凋亡。

二、PI3K/Akt信號傳導通路與DR的關係

1．PI3K/Akt與視網膜新生血管：

在DR發展過程中，視網膜新生血管形成至關重要，它是DR向增生型DR（proliferative DR，PDR）發展的標誌，並且PDR的病理進程不可逆，一旦發生，將導致大量視網膜新生血管生成[8]。血管內皮細胞生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）/PI3K/Akt信號通路是眾多參與促進內皮細胞增殖、存活，抑制細胞凋亡，促進血管新生過程中一個最為經典的信號通路。糖尿病時低氧和高血糖誘導VEGF過度表達，通過VEGF受體1和2，誘導下游多種信號分子如PI3K/Akt信號通路，該信號傳導通路的激活可加速內皮細胞發生遷移、增殖，形成新生微血管腔，最終形成穩定的血管[9]。另據國外文獻報道，VEGF通過下游PI3K/Akt的信號級聯，可經促凋亡因子途徑抑制細胞凋亡，並分別經PI3K/Akt下游分子mTORC2、叉頭狀轉錄因子O1（forkhead box O1，FoxO1）促進內皮細胞增殖和血管新生[10]。周賽君等[11]在進行高糖體外實驗時發現，由於高糖所引起的缺血缺氧環境可激活加速內皮細胞內信號通路PI3K/Akt中Akt的表達，並使其磷酸化增加，繼而加速新生血管形成。

2．PI3K/Akt與纖維化膜的形成：

PDR是DR的晚期階段，其特徵表現於在玻璃體視網膜界面處的纖維化膜的視網膜前生長，位於視網膜神經感覺層和脈絡膜之間的視網膜色素上皮（retinal pigment epithelium，RPE）細胞形成血-視網膜屏障（blood retinal barrier，BRB），該屏障在視力喪失的病理過程中發揮重要作用。外部BRB的破裂可以激活RPE細胞，啟動其增殖和遷移並分泌細胞外基質分子以延緩PDR。纖維化膜的主要成分是細胞外基質分子，這些基質分子參與纖維化膜的形成和基底膜的增厚，且能與某些細胞類型結合，RPE則與此種細胞類型共同促進纖維化膜的形成。PI3K/Akt信號通路可能是高糖誘導RPE細胞啟動分泌細胞外基質分子的分子機制，且該通路的抑制能顯著降低高糖條件下細胞外基質分子在這些細胞中的表達，因此，PI3K/Akt信號通路可能有助於纖維化膜的形成[12]。

三、PI3K/Akt信號傳導通路與AS的關係

PI3K作為一種重要的調控酶，能催化具有第二信使特徵的脂類衍生物的生成，而這種脂類衍生物又能對AS相關細胞進行調控，例如血管內皮細胞、血管平滑肌細胞、單核細胞、巨噬細胞、血小板等。血管內皮細胞的損傷是AS形成的初始步驟，PI3K/Akt信號通路被激活後，能抑制組織因子在血管內皮細胞中的表達；VEGF/PI3K/Akt的激活，可抑制血管內皮細胞的凋亡。總之，PI3K/Akt信號通路的調控能夠直接影響AS的病理進程。血管平滑肌細胞的增殖、遷移及凋亡與AS的關係密切，PI3K可通過調節此過程影響AS。當單核細胞穿過內皮到達內膜後，進行增殖並轉化為巨噬細胞，脂質被轉化而來的巨噬細胞吞噬後形成泡沫細胞，這是AS的特徵。研究發現，PI3K/Akt信號通路是單核細胞促As的分子基礎，同時LY294002（PI3K抑製劑）能夠對泡沫細胞的形成發揮抑制作用。另有研究發現，PI3K還可以降低血小板的黏附，並且參與Gal-8信號途徑對血小板的激活所引發的血栓形成和炎症反應，最終影響到AS的形成[13]。

此外，在AS的疾病發展過程中，活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的過度生成起關鍵作用，ox-LDL是AS發病機制中非常重要的危險因素，其通過誘導內皮細胞損傷，後激活眾多細胞信號通路（例如PI3K/Akt信號通路），使ROS生成過多，促進AS的形成[14,15,16]。

四、PI3K/Akt信號通路與DR和AS的發病關係

1．血管內皮功能障礙（endothelial dysfunction，ED）和eNOS：

血管內皮是一種惰性半透性單細胞層，可將血管平滑肌細胞與循環血液進行機械分離，可獨立產生具有激動作用和拮抗作用的物質，並在血液循環中釋放，通過調節血流和血壓維持血管組織體內平衡[17]。各種致病因素導致內皮細胞產生的鬆弛劑和收縮因子之間的平衡被打破，這種病理狀態被定義為ED。ED被認為是AS解剖學改變出現之前的最早表現，同時ED與DR發展過程中伴隨的微血管病變密切相關[18]。一氧化氮（nitric oxide，NO）是一種具有多種調節活性的因子，在內皮細胞中，eNOS將其底物L-精氨酸氧化成L-瓜氨酸和NO，這是內皮細胞中NO的主要來源[19]。當eNOS被激活時，其產生擴散到血管平滑肌的NO能維持正常內皮細胞的生理功能，並通過激活可溶性鳥苷酸環化酶增加細胞內環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）濃度，從而在血管擴張，抑制血小板和單核細胞黏附中起作用[20]，同時NO還能防止ox-LDL的產生，並有效抑制血管平滑肌細胞增殖、遷移和細胞外基質的合成等作用共同抑制AS病理形成和發展。ED病理狀態下，eNOS活性降低，內皮介導的NO合成障礙，導致血管痙攣、異常收縮、血栓形成及血管增生，其不僅是AS形成之前的一個早期表現，同時在AS的發展過程中也起著極為重要的作用。另外，糖尿病患者其視網膜微血管內皮細胞eNOS活性降低，導致生理含量的NO生成不足，從而引發內皮細胞凋亡及視網膜血流量降低，這與糖尿病微血管病變的發生、發展相關。此外，視網膜中eNOS的表達降低能夠破壞BRB，同時引起視網膜缺氧和血管緊張度異常，導致VEGF誘導血管滲透性的增加。

2．PI3K/Akt/eNOS：

研究發現，PI3K/Akt/eNOS信號通路參與細胞生長，增殖，分化，運動，能量儲存和代謝[21]，PI3K激活導致Akt的磷酸化，其可通過磷酸化激活其下游靶蛋白，然後調節內皮細胞的增殖、分化、凋亡和遷移，其中，被激活的PI3K/Akt通過調節Ser1177上的eNOS的磷酸化，並與內皮細胞表面受體結合激活eNOS，後催化L-精氨酸脫氨基產生NO[22]，而NO是一個與炎症反應、氧化應激和細胞增殖密切相關的信使分子[23]，能夠抑制平滑肌細胞增殖和血小板聚集，也能抑制組織因子，即凝血因子Ⅲ在內皮細胞中的表達。ED與PI3K/Akt/eNOS通路的抑制有關，當各種因素致使PI3K/Akt/eNOS信號通路異常，引起eNOS基因表達降低，則其介導的維持生理功能的NO生成不足，而內皮素的釋放卻反而增加，NO與內皮素之間的平衡被打破，引起血管收縮，血管平滑肌細胞增生，血管重塑和機能障礙等，這種血管的病理改變與DR及AS的形成密切相關。另一方面，低氧、高血糖、ox-LDL、AngⅡ等又能激活PI3K/Akt信號通路，來影響DR及AS的病程進展。當PI3K/Akt/eNOS信號通路被激活，eNOS表達增強，其介導的NO生成量則上升，而過量的NO使視網膜的局部血流量增加，視網膜小動脈及小靜脈血流速度下降，引發視網膜血管功能發生異常，使用NO抑製劑可使視網膜血流及血管通透性恢復正常[24]。過量的NO還可以與超氧化物陰離子反應併產生強氧化過氧亞硝酸根陰離子（ONOO-），進一步導致脂質過氧化和對內皮細胞的直接損傷。可見，在DR以及AS的整個病理過程中，涉及非常複雜的細胞信號轉導途徑，而特定途徑只能在發病周期的一定時期內被激活，而在不同時間點激活的相同途徑可能像"雙刃劍"一樣，通過對不同細胞產生不同作用，促進或抑制病程進展，而PI3K/AKT途徑只是這兩種疾病發病機制中的一種途徑。

五、通過調控PI3K/Akt信號通路防治DR和AS

在DR和AS的整個疾病發展過程中，存在眾多共同的發病機制和病理改變，例如糖基化終末產物的堆積、氧化應激、炎症反應、ED以及新生血管生成等。其中氧化應激、炎症反應、ED以及新生血管生成都涉及PI3K/Akt信號通路的參與。PI3K/Akt通路及其上下游分子的激活或抑制通過在疾病的不同階段或對不同組織細胞產生效應，可促進亦可抑制疾病的發展。各種致病因素作用於機體組織，引起組織的損傷和修復同時存在，而這兩種因素之間的失衡（太過或者不及），都會引發機體的各種病理改變。DR和AS的疾病早期，均存在血管內皮功能的障礙，內皮細胞PI3K/Akt/eNOS信號通路被抑制，導致一系列的血管功能異常，隨著疾病的發展，NO的含量顯著下降，其對PI3K/Akt信號通路的抑制作用減弱甚至消失，又致使PI3K/Akt信號通路被激活，適量的NO能夠對DR和AS的病程發展起到部分抑制作用，但過量的NO則又會對內皮細胞產生直接的損害，並導致新生血管的過度生成。因此在DR和AS的不同發展階段，通過激活或者抑制PI3K/Akt信號通路，能夠防治ED，炎症反應和新生血管的生成等。目前針對PI3K/Akt信號通路進行調控治療DR和AS的藥物還主要處於試驗或者臨床研究階段，且主要的研究對象為人冠狀動脈內皮細胞（human coronary artery endothelial cells，HCAEC）、人心臟微血管內皮細胞（human cardiac microvascular endothelial cells，HCMEC）和人臍靜脈內皮細胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVEC）。例如，Li等[25]的研究表明微小RNA-138（microRNA-138，miR-138）能夠通過抑制PI3K/Akt/eNOS信號通路來緩解HCAEC的損傷和炎症反應。Yang等[26]選擇未處理的HCMEC作為對照組，研究探討了miR-126通過激活PI3K/Akt/eNOS信號通路保護HCMEC免受缺氧/再氧化誘導的損傷和炎症反應。Liu等[27]的研究證實薑黃酚（6-Gin）通過激活PI3K/Akt/eNOS信號通路能夠減弱高糖誘導的HUVEC的損傷，其發現為6-Gin預防和治療由糖尿病引起的血管病變提供了新的潛力。還有相關文獻報道，新型植物雌激素Gypenoside XVⅡ（GP-17）通過雌激素受體α介導的PI3K/Akt途徑可增加抗凋亡蛋白和抗氧化蛋白表達，抑制ox-LDL誘導的HUVEC損傷發揮其治療AS的作用[16]。

綜上所述，PI3K/Akt信號通路不僅與DR和AS的發病密切相關，且對其進行調控可有效控制ED、炎症反應及新生血管生成過程。由於DR和AS的病理過程非常複雜，發揮重要作用的PI3K/Akt信號通路的異常可產生多方面的作用，研究其在不同疾病階段對不同組織細胞產生的不同作用，並對其進行精準選擇性激活或抑制，最終對疾病的各種病理改變進行有效地改善和治療，是我們未來應該努力的方向。

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