胰腺纖維化與糖酵解

葉鋆 曹裕 李兆申 廖專

海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院消化內(nèi)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(xì)胞活化為主、伴有細(xì)胞外基質(zhì)沉積的慢性進(jìn)展性的病理過程。胰腺纖維化改變了胰腺的正常結(jié)構(gòu)，影響了胰腺疾病的預(yù)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(jìn)展伴隨成纖維細(xì)胞的代謝改變受到越來越多的關(guān)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(xué)機(jī)制及靶向糖酵解途徑抗胰腺纖維化治療的研究進(jìn)展。

胰腺纖維化是指多種胰腺疾病過程中成纖維細(xì)胞活化、細(xì)胞外基質(zhì)異常沉積導(dǎo)致的胰腺慢性病理過程。常發(fā)生纖維化的胰腺疾病主要是慢性胰腺炎、胰腺癌相關(guān)纖維化。胰腺中的成纖維細(xì)胞是導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)沉積的主要細(xì)胞，其活化和增殖受多種代謝過程的調(diào)節(jié)。本文就糖酵解在胰腺纖維化中的作用機(jī)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(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)等生命必需物質(zhì)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(jìn)行葡萄糖分解代謝的共同階段，由糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸可轉(zhuǎn)化為乳酸，或轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A進(jìn)入線粒體參與三羧酸循環(huán)。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(yīng)的3個限速酶，也是調(diào)節(jié)糖酵解途徑的重要靶點[1]。

纖維化是一種慢性進(jìn)展性病理變化，其特征是以成纖維細(xì)胞活化為主的組織瘢痕形成。Kang等[2]運(yùn)用代謝組學(xué)分析方法對纖維化組織進(jìn)行代謝譜分析，發(fā)現(xiàn)糖酵解中間代謝產(chǎn)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(yùn)用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對纖維化組織進(jìn)行基因富集分析，發(fā)現(xiàn)糖酵解關(guān)鍵酶的表達(dá)與纖維化指標(biāo)COL1a1、FN1和α-SMA等的表達(dá)呈正相關(guān)，反之阻斷糖酵解途徑可抑制纖維化指標(biāo)，表明糖酵解在纖維化的發(fā)生發(fā)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(xué)上常伴隨纖維化產(chǎn)生。纖維化可使胰腺實質(zhì)硬化，胰管狹窄、扭曲、擴(kuò)張，進(jìn)一步破壞胰腺內(nèi)外分泌功能，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。研究表明，胰腺纖維化與糖代謝之間關(guān)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(xué)進(jìn)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(shù)對95例糖耐量正?；蚴軗p的胰腺疾病患者進(jìn)行T1加權(quán)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(jié)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(jìn)作用。

胰腺癌是高度惡性的消化系統(tǒng)腫瘤，致密的纖維化基質(zhì)占腫瘤體積的90%。纖維化基質(zhì)的來源已得到廣泛研究，并且已確定活化的胰腺星狀細(xì)胞(pancreatic stellate cells，PSC)在胰腺癌的纖維形成中起關(guān)鍵作用[6]。Chen等[7]將胰腺癌相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer-associated fibroblasts，CAFs)與正常成纖維細(xì)胞(normal fibroblasts，NFs)分離并進(jìn)行培養(yǎng)，CAFs表現(xiàn)出更強(qiáng)的葡萄糖吸收及乳酸產(chǎn)生能力。且與NFs相比，CAFs表達(dá)更多的丙酮酸激酶同工酶M2(pyruvate kinase isozymes-M2, PKM2)，提示CAFs發(fā)生代謝重編程，以PKM2介導(dǎo)的糖酵解水平升高為主。Masamune等[8]敲除PSC中的PKM2后發(fā)現(xiàn)，其活化和增殖能力明顯下降，且纖維化標(biāo)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(xì)胞類型的生長和生存，并對細(xì)胞糖代謝產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。PI3K/Akt信號通路可通過3條途徑調(diào)控糖酵解過程：(1)PI3K/Akt信號通路誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(glucose transporter type 1, GLUT1)的表達(dá)，提高細(xì)胞中葡萄糖的攝取率。(2)PI3K/Akt調(diào)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(nèi)的幾個糖酵解酶的活性促進(jìn)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(jìn)糖酵解。CP纖維化主要表現(xiàn)為以PSC活化為主，細(xì)胞外基質(zhì)在胰腺組織中過度沉積[9]。PSC的活化是CP纖維化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究表明[10]，高血糖可通過PI3K-AKT信號通路介導(dǎo)PSC細(xì)胞活化并分泌細(xì)胞外基質(zhì)，促進(jìn)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(jìn)展[11]。

2．HIF-1α信號通路：HIF-1α是缺氧誘導(dǎo)因子1的調(diào)節(jié)亞基，通過調(diào)節(jié)參與維持氧穩(wěn)態(tài)的基因而作為低氧應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor, CTGF)，促進(jìn)組織纖維化進(jìn)展[12]。此外，HIF-1α還可以通過調(diào)控糖酵解參與纖維化的發(fā)展，其機(jī)制是HIF-1α可激活糖酵解關(guān)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(jìn)而促進(jìn)成纖維細(xì)胞分化和纖維化進(jìn)程[13]。

3．TGF-β信號通路： TGF-β信號通路是纖維化的經(jīng)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(diào)控。研究表明[14]，高血糖通過促進(jìn)蛋白激酶C依賴的FOS-JUND轉(zhuǎn)錄復(fù)合物與TGFβ的啟動子結(jié)合，從而上調(diào)TGF-β表達(dá)。此外，增強(qiáng)的糖酵解和乳酸生成，可以使細(xì)胞外微環(huán)境酸化，促進(jìn)成纖維細(xì)胞分化，增加TGF-β分泌[15]。反之，經(jīng)TGFβ刺激活化后，成纖維細(xì)胞葡萄糖消耗增多，糖酵解產(chǎn)物增加，細(xì)胞外基質(zhì)酸化加強(qiáng)，提示成纖維細(xì)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(dǎo)PDK1表達(dá)，使丙酮酸更多向乳酸轉(zhuǎn)化而非流向線粒體的三羧酸循環(huán)。進(jìn)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?？傊?，糖酵解和TGF-β相互促進(jìn)，形成一個正反饋調(diào)節(jié)環(huán)路，使得纖維化一旦開始就不斷進(jìn)展。

胰腺纖維化的發(fā)生主要是胰腺間質(zhì)組織中成纖維細(xì)胞過度激活和以膠原為主要成分的細(xì)胞外基質(zhì)過度沉積。瘢痕相關(guān)的成纖維細(xì)胞需要消耗大量的能量，糖酵解的增加可迅速為其供應(yīng)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(guān)成纖維細(xì)胞的ATP生成，從而抑制成纖維細(xì)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(chǎn)生了膠原中最豐富的一類氨基酸——甘氨酸，而靶向抑制細(xì)胞內(nèi)甘氨酸代謝途徑可削弱活化過程中TGF-β所介導(dǎo)的膠原合成，阻礙纖維化進(jìn)展[18]。不僅如此，糖酵解來源的乳酸介導(dǎo)了膠原的羥基化[19]，而膠原的糖基化則需要糖酵解產(chǎn)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(wěn)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(guān)胰腺纖維化的研究從多角度開展、歷經(jīng)數(shù)年，但目前仍無有效預(yù)防或逆轉(zhuǎn)纖維化的方法。近年來，纖維化過程中的代謝改變走進(jìn)人們的視野，纖維化中的代謝機(jī)制也受到越來越多的關(guān)注，尤其是糖代謝研究全面發(fā)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(jìn)一步深化糖代謝在成纖維細(xì)胞活化以及細(xì)胞外基質(zhì)沉積中的分子機(jī)制研究，尋找治療靶點，開發(fā)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(jìn)行篩選，并研究出最佳劑量、最優(yōu)組合、給藥方法和時機(jī)及治療終點等。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突