PI3K/AKT信號通路在2型糖尿病患者種植體骨結合中作用機制的研究進展

董 碩，湯春波

目前我國成人糖尿病患者數(shù)量高達1.14億，且仍在不斷增加。與非糖尿病患者相比，糖尿病患者牙齒缺失的風險更高，且糖尿病患者缺牙區(qū)牙槽骨常伴不同程度的骨質(zhì)疏松、骨缺損、骨愈合延遲等病變[1]，愈合時間延遲1.6倍且容易愈合受損[2]。種植義齒因其舒適、美觀、咀嚼效率高，已成為缺牙患者首選治療方案，但糖尿病仍是種植治療的相對禁忌證。糖尿病是一組由遺傳和環(huán)境因素相互作用而產(chǎn)生的以慢性高血糖為特征的代謝異常綜合征，涉及多個系統(tǒng)和多重機制，現(xiàn)階段對于糖尿病影響種植體骨結合的確切機制尚未完全闡明。PI3K/AKT信號通路是人體內(nèi)較為重要的細胞信號通路，它可以促進成骨細胞的增殖和分化，并參與下游核轉錄因子kappa B(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)受體激活因子和巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor，M-CSF)受體的信號傳導。該信號通路在破骨細胞分化和存活以及骨吸收中起重要作用，抑制PI3K/AKT信號通路的活性會削弱破骨細胞骨吸收[3]。同時，PI3K/AKT/mTOR也是響應胰島素信號傳導的經(jīng)典途徑。胰島素首先與細胞表面受體結合，并通過胰島素受體底物1(insulin receptor substrate1，IRS1)激活PI3K-AKT途徑，AKT可直接促進葡萄糖的吸收[4]。2型糖尿病的發(fā)病機制主要在于不能有效使用胰島素，同時不能產(chǎn)生足夠數(shù)量的胰島素來克服胰島素抵抗，最終導致相對或絕對胰島素缺乏。由此可見，PI3K/AKT信號通路在糖尿病和口腔種植體骨結合中均具有重要的調(diào)節(jié)作用。

1 PI3K/AKT信號通路的概述

1.1 PI3K

磷脂肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)是一種與細胞轉化和胰島素反應相關的脂質(zhì)激酶，是G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors，GPCRs)和酪氨酸激酶受體(receptor tyrosine kinases，RTKs)的下游效應因子，磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)是一種特殊類型的膜脂，它可以經(jīng)過可逆的磷酸化生成磷酸肌醇[5]。PI3K是一種由催化亞基p110和調(diào)節(jié)亞基p85組成的異源二聚體。調(diào)節(jié)亞基p85可與目標蛋白結合，整合廣泛的來自跨膜和細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的信號，進行構象修飾，從而激活p110亞基[6-7]。p85包括SH2和SH3結構域，SH2區(qū)能夠催化PI磷酸化，SH3區(qū)負責與胰島素受體底物結合。p85分為5種異構體：p85α、p85β、p55α、p558α及p50。催化亞基p110包括：p110α、p110β、p110δ、p110γ 4種異構體。根據(jù)p110結構特點和底物分子差異，主要是序列同源性和脂質(zhì)底物偏好，將PI3K分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3個亞型。

PI3K Ⅰ型因活性多樣，研究最為深入。根據(jù)所結合的亞基不同，PI3K Ⅰ型分為ⅠA及ⅠB兩種亞型：ⅠA型PI3K主要經(jīng)由RTKs傳遞信號，催化亞基p110主要是p110α、p110β、p110δ三種，調(diào)節(jié)亞基主要為p85α；而ⅠB型主要通過連接GPCRs傳遞信號，催化亞基主要是p110γ，通過與調(diào)節(jié)蛋白結合介導GPCRsβ、γ亞基對p110的活化[8]。RTK將Ⅰ類PI3Ks吸收到質(zhì)膜中，解除p85和p110的失活功能，激活蛋白質(zhì)[9]。

1.2 AKT

被激活的Ⅰ型PI3K使底物磷脂酰肌醇4，5-二磷酸(phosphatidylinositol 4，5-diphosphate，PIP2)磷酸化，形成胞內(nèi)膜上磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸(phosphatidylinositol 3，4，5-triphosphate，PIP3)，隨后招募信號蛋白，包括AKT，即蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)[10]。通過細胞外刺激激活PI3K可以導致幾乎所有細胞和組織中AKT的激活。AKT屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，根據(jù)絲氨酸/蘇氨酸殘基的不同，常分為三種亞型(AKT1、AKT2和AKT3)。AKT1廣泛表達于多種組織中，AKT2主要在脂肪組織、肝臟等胰島素敏感組織中表達，AKT3主要在睪丸和大腦中表達。AKT主要包括N端、中間激酶區(qū)及C端，氨基端的PH區(qū)是高度保守的重要的功能區(qū)域[11]。AKT的激活主要通過兩個關鍵的磷酸化過程。首先是磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(phosphoinositol-dependent protein kinase 1，PDK1)磷酸化激酶結構域中的308位蘇氨酸，啟動了活化過程[12]，緊接著通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物2(mammalian target of rapamycin complex 2，mTORC2)磷酸化羧基末端，調(diào)控結構域的473位絲氨酸[13]，從而激活AKT。

2 PI3K/AKT信號通路在糖尿病中的研究進展

2型糖尿病是一種以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，并伴有心血管疾病、肥胖、微血管病變、腎衰竭等多種并發(fā)癥。以往研究表明，2型糖尿病與胰島素抵抗相關。

2.1 PI3K/AKT信號通路調(diào)節(jié)糖代謝

PI3K激活AKT，AKT通過磷酸化一系列下游底物來調(diào)節(jié)許多過程，包括代謝、增殖、細胞存活和凋亡。激活的AKT2主要在胰島素反應組織中表達，通過介導胰島素誘導的葡萄糖轉運蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)易位到細胞表面來負責調(diào)節(jié)葡萄糖攝取。它還調(diào)節(jié)糖原形式的葡萄糖的儲存。在細胞內(nèi)，AKT通過刺激己糖激酶將葡萄糖轉化為葡萄糖6-磷酸。AKT通過糖酵解調(diào)節(jié)葡萄糖6-磷酸和糖原合成酶激酶3(glucose 6-phosphate and glycogen synthase kinase 3，GSK3)，產(chǎn)生細胞能量，并促進糖原的產(chǎn)生[14]。叉頭框蛋白O1(forkhead box O1，F(xiàn)oxO1)是AKT的主要下游靶點，可影響全身的能量穩(wěn)態(tài)[15]。FoxO1和過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共同激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC1α)協(xié)同調(diào)節(jié)基因表達，以增加糖異生和脂肪酸氧化[16]。另一方面，F(xiàn)oxO1誘導磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶基因的表達，進一步促進糖異生作用。AKT還可直接抑制FoxO1，降低機體內(nèi)葡萄糖水平[17]。除此之外，AKT下游底物GSK3抑制糖原合成酶，促進糖原合成[18]。因此，PI3K/AKT通過FoxO1和GSK3調(diào)控葡萄糖代謝，一定程度上降低機體內(nèi)葡萄糖水平，改善高血糖微環(huán)境，減少氧化應激對細胞造成的損傷。

2.2 胰島素抵抗

胰島素作用于細胞膜表面的胰島素受體后主要通過PI3K/AKT途徑及絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)兩種途徑來控制細胞生長、代謝和存活。其中，PI3K/AKT途徑相關信號蛋白的活化在控制體內(nèi)營養(yǎng)平衡和器官存活中具有重要作用。有證據(jù)指出，胰島細胞中的AKT1激活增加了β細胞質(zhì)量和胰島素產(chǎn)生[19]。AKT信號傳導在胰島素抵抗狀態(tài)的代謝組織中減弱，這是2型糖尿病的基礎，胰島素抵抗有一部分是通過PI3K/AKT信號網(wǎng)絡固有的反饋和串擾機制的慢性激活而發(fā)生的，激活AKT的能力下降會破壞胰島素的關鍵代謝作用[20]。

鑒于不同組織器官的功能及信號系統(tǒng)不同，下面分別從大腦、肝臟、脂肪組織三方面闡述胰島素抵抗與PI3K/AKT信號通路研究進展。

在大腦中，配體激活PI3K/AKT信號通路，抑制下丘腦的食物攝入。該信號還通過調(diào)節(jié)肝臟抑制肝臟內(nèi)葡萄糖的生成，通過調(diào)節(jié)脂肪組織抑制脂肪分解。當配體不能通過血腦屏障，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激發(fā)生時，腦內(nèi)就會發(fā)生胰島素抵抗，導致PI3K/AKT通路受損。大腦胰島素抵抗中PI3K/AKT通路的三種功能受到干擾：第一，胰島素抵抗期間，由于炎癥和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激及蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)活性的增加，胰島素信號被阻斷[21]，PI3K生成PIP3減少；第二，在下丘腦神經(jīng)元中，F(xiàn)oxO1在正常條件下，上調(diào)神經(jīng)肽的表達，下調(diào)阿黑皮素原(proopiomelanocortin，POMC)的表達，而這在胰島素抵抗時被AKT抑制，作為對大腦中胰島素抵抗的反應，F(xiàn)oxO1在POMC神經(jīng)元中的過度表達會導致肥胖和暴食[22]；第三，根據(jù)Ono等[23]的研究，通過激活下丘腦神經(jīng)元中mTOR復合物1下游效應物S6蛋白激酶1(S6 protein kinase-1，S6K1)，可降低IRS1和AKT的刺激，導致肝臟胰島素抵抗，Wang等[24]指出促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)可上調(diào)EPO受體PI3K和磷酸化AKT2，進而改善與糖尿病相關的疾病體內(nèi)和體外認知功能障礙，起到神經(jīng)保護的作用。

在肝臟中，向AKT傳遞胰島素信號對抑制肝臟葡萄糖生成和刺激脂質(zhì)合成至關重要。胰島素通過AKT介導的磷酸化和抑制FoxO1來抑制肝細胞中的糖異生，F(xiàn)oxO1在禁食狀態(tài)下留在細胞核中，誘導關鍵的糖異生酶PEPCK和葡萄糖-6-磷酸酶的表達。除此之外，在肝臟特異性缺失AKT1和AKT2的小鼠中，不受控的肝臟葡萄糖生成和胰島素抵抗可以通過FoxO1的共同缺失而逆轉，而這提供了明確的遺傳學證據(jù)，表明抑制FoxO1是AKT在肝臟中的重要功能[25]。

脂肪組織是能量儲存的主要器官。肥胖是2型糖尿病和胰島素抵抗發(fā)生發(fā)展的重要危險因素[26]。體內(nèi)的脂肪酸主要有以下兩種來源：一是甘油三酯通過脂肪分解釋放游離脂肪酸，還可由葡萄糖轉運蛋白攝取糖原轉化生成脂肪酸。除此之外，視網(wǎng)膜母細胞瘤蛋白-1(retinoblastoma protein 1，RB1)和復合物K(compound K，CK)通過抑制脂肪組織中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激誘導的炎癥反應，改善脂肪組織中的IRS1/PI3K/AKT信號傳導，減輕胰島素抵抗[27]。在內(nèi)臟脂肪組織中，MiR-26b可通過抑制其靶基因張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homologue，PTEN)調(diào)節(jié)胰島素刺激的AKT激活，促進胰島素刺激的葡萄糖攝取，并通過PTEN/PI3K/AKT途徑顯著增加胰島素敏感性[28]。

2.3 PI3K/AKT信號通路在糖尿病中的臨床應用

王凌曉等通過對已發(fā)表的RNA測序數(shù)據(jù)的生物信息學分析，探索2型糖尿病影響骨代謝的關鍵基因，結果表明：mpd3、Itga10和rno-mir-207是2型糖尿病骨整合的可能生物標志物。這項研究揭示了2型糖尿病骨代謝紊亂引起的異常骨結合的可能分子機制[3]。另外，Sharma等[29]研究表明：小扁豆提取物可以通過改善糖尿病小鼠骨骼肌 PI3K/AKT途徑的關鍵效應分子IRS、AKT、PI3K和GLUT4的活性，調(diào)節(jié)葡萄糖攝取和穩(wěn)態(tài)，緩解胰島素抵抗。Zheng等[30]研究發(fā)現(xiàn)：紅景天苷通過激活與線粒體相關的AMPK/PI3K/AKT/GSK3β途徑來改善細胞代謝流量，降低血糖和血清胰島素水平，改善胰島素抵抗，從而發(fā)揮抗糖尿病作用。

由上述可知，PI3K/AKT信號通路可改善胰島素抵抗，增加葡萄糖利用率，調(diào)節(jié)脂質(zhì)和葡萄糖代謝平衡，增加胰腺中的胰島素生成。因高糖環(huán)境會顯著促進活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生，ROS會破壞細胞氧化-抗氧化平衡，導致細胞功能障礙和器官損傷。Wang等[31]研究表明：胰島素可通過PI3K/AKT途徑在體外治療減少ROS的產(chǎn)生，改善細胞的氧化應激，減輕細胞功能障礙。

3 PI3K/AKT信號通路在種植體骨結合過程中的研究進展

3.1 PI3K/AKT信號通路激活利于成骨細胞分化

Kawamura等[32]指出，PI3K/AKT途徑及其下游靶點是骨吸收和骨形成的關鍵調(diào)節(jié)因子，研究顯示：α-硫辛酸可通過調(diào)節(jié)PI3K/AKT途徑抑制高糖誘導的ROS產(chǎn)生，減輕細胞的氧化損傷，并刺激細胞的增殖、成骨分化和礦化[33]。頜骨中的骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是骨組織構建的重要內(nèi)源性干細胞來源，在骨缺損修復過程中，BMSCs通過增殖并分化為成骨細胞，分泌骨組織再生所需的相關細胞外基質(zhì)和活性因子。其功能調(diào)控涉及到轉錄水平和轉錄后水平，由細胞外環(huán)境的機械刺激和信號分子精確調(diào)控[34]。動物實驗顯示高糖情況下種植體周圍BMSCs的功能受損、成骨分化能力下降是導致種植體骨結合不良的關鍵因素[35]，那么，高糖環(huán)境下如何促進成骨細胞分化是保證種植體骨結合的關鍵。目前認為，PI3K/AKT信號通路也是成骨細胞分化、增殖過程中的重要通路，同時，AKT的磷酸化水平也可以作為衡量成骨細胞分化的重要指標。AKT是成骨細胞和破骨細胞中一個重要調(diào)節(jié)因子，Zhang等[36]在體外成功培養(yǎng)大鼠成骨細胞后，用PI3K特異性抑制劑LY294002 觀察PI3K在其中的作用，顯示PI3K抑制劑明顯抑制了細胞的生長、凋亡，誘發(fā)了成骨細胞的功能紊亂，并伴有AKT的失活。這表明在大鼠成骨細胞中PI3K特異性抑制劑LY294002可降低AKT磷酸化水平，通過調(diào)節(jié)AKT通路，使大鼠成骨細胞失活后引起細胞的凋亡，由此證明PI3K/AKT通路可調(diào)節(jié)成骨細胞的分化與增殖。

3.2 PI3K/AKT信號通路促進血管生成和骨結合

PI3K/AKT通路參與血管張力調(diào)節(jié)、血管生成、黏附控制和白細胞向血管壁募集等典型內(nèi)皮功能。在內(nèi)皮細胞中，磷酸肌醇3-激酶在幾種受體的下游被激活，包括GPCRs(如趨化因子受體)、酪氨酸激酶(如血管內(nèi)皮生長因子受體)、整合素和死亡受體。反過來，磷酸肌醇3-激酶信號通路通過磷酸化內(nèi)皮一氧化氮合酶促進一氧化氮釋放，促進血管生成、內(nèi)皮祖細胞的募集和增強細胞活力[37]。血管重塑的特征是血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)激活，導致基質(zhì)沉積，細胞因子分泌和細胞增殖到損傷區(qū)域。PI3K/AKT是VSMC中mTOR的上游激活劑，高度增殖的新內(nèi)膜VSMC，類似于胚胎VSMC，表現(xiàn)出AKT和mTOR的高構成性表達[38]。

激活PI3K/AKT信號通路可以促進血管內(nèi)皮細胞的生成，改善種植體周圍的血供，以增強種植體的骨結合。在骨骼發(fā)育和愈合中，一些生長因子是由損傷的牙槽骨血管中的血小板外滲釋放出來的，例如血小板衍生生長因子、轉化生長因子β、成纖維細胞生長因子和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)。以往研究顯示，VEGF是重要的血管生成調(diào)節(jié)因子，對成骨至關重要，并且是組織傷口愈合所必需的[39]。AKT信號傳導網(wǎng)絡在血管生成和血管重塑中起重要作用，VEGF激活AKT1刺激內(nèi)皮細胞增殖、遷移和存活[40]。這與控制血管張力的內(nèi)皮一氧化氮合酶是內(nèi)皮細胞中AKT1特異性底物的發(fā)現(xiàn)一致[41]。除此之外，Martins等[42]研究指出：富含鈦的培養(yǎng)基通過上調(diào)內(nèi)皮細胞中的PI3K/AKT信號傳導以維持其血管生成表型。目前研究表明：PI3K/AKT信號通路參與改善高糖下的成骨分化，這在臨床應用中有一定的體現(xiàn)。Ma等[43]指出：格列美脲通過激活內(nèi)皮一氧化氮合酶可以在高糖下誘成骨分化，此種生物學行為主要依賴于高葡萄糖微環(huán)境中的PI3K/AKT信號通路。另外，Ying等[44]研究發(fā)現(xiàn)：水飛薊賓可通過抗氧化作用和PI3K/AKT通路的調(diào)節(jié)來減弱高糖介導的人BMSCs功能障礙。由此可見高糖情況下，PI3K/AKT信號通路的參與有利于成骨分化。

4 展 望

2型糖尿病是一組代謝異常綜合征，特征在于靶組織中的胰島素抵抗和慢性高血糖。目前對糖尿病影響種植體骨結合的確切機制尚未完全闡明。PI3K-AKT信號通路與代謝密切相關，通過分別研究PI3K/ALT信號通路在糖尿病和口腔種植體骨結合過程中的作用機制，以此為突破點探索2型糖尿病患者種植體骨結合過程中相關的關鍵失調(diào)信號介質(zhì)以及細胞功能重建的潛在靶點，為研發(fā)臨床可應用的小分子試劑及新靶點介導的骨組織再生及臨床轉化研究奠定理論基礎，有望為糖尿病患者骨缺損的臨床治療提供新的研發(fā)線索，具有重要的臨床意義與應用價值。