PI3K/Akt通路在糖尿病心肌病中的研究进展

黄家喜，鲍翠玉，李 晶

(湖北科技学院1. 药学院、2. 糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北 咸宁 437100)

糖尿病已成为全球范围内主要慢性疾病之一，其患病率及其并发症呈现逐年上升的趋势，严重影响居民的健康。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)作为糖尿病主要的并发症，也是导致糖尿病患者死亡的主要原因。DCM作为一类特异性心脏疾病，其特征在于心室扩张和肥大，早期出现心肌的舒张功能障碍，疾病晚期阶段，导致心肌收缩能力以及射血分数降低，最终导致心力衰竭[1]。目前认为多种因素共同促进DCM的病程进展，其中高血糖、胰岛素抵抗起着关键性作用，心肌能量代谢障碍和内皮细胞损伤，导致心肌重塑、凋亡和纤维化等[2]。DCM的早期阶段因缺乏特异性，常与高血压、动脉粥样硬化等继发性心肌损害难以鉴别。磷酯酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol-3 kinase，PI3K)/Akt信号通路作为人体内重要的信号传导通路，参与调节细胞的增殖、分化、凋亡等生命活动。糖尿病、心血管系统疾病等慢性病与PI3K/Akt通路有着密切的关系[3]，激活PI3K/Akt通路可以改善糖代谢异常，增加胰岛素的敏感性，改善能量代谢紊乱，减轻慢性炎症反应，保护心肌细胞。PI3K/Akt信号通路给治疗DCM提供了新的治疗靶点，为科学研究提供新的思路。

1 PI3K/Akt信号通路的组成

PI3K/Akt信号通路已成为治疗心血管系统疾病和一些代谢性疾病(如2型糖尿病)重要靶点。PI3K是一类催化肌醇与磷酯酰肌醇的脂质激酶，根据其结构特性，分为I类、II类和III类，研究最为广泛是I类PI3K。某些信号因子激活I类PI3K，产生细胞内重要的第二信使磷脂酰肌醇4，5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-diphosphate，PIP2)和磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸(phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate，PIP3)，再与Akt结合，促进级联反应继续传递。Akt是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，处于PI3K/Akt途径的中心环节。

2 PI3K/Akt信号通路的调控因子

2.1 沉默信息调节因子1(silent information regulator 1，Sirt1)Sirt1是一种高度保守的NAD+依赖性脱乙酰酶，是Sirtuins家族中研究最为广泛的蛋白酶。参与调节机体各种细胞病理生理过程，如维持细胞稳态和细胞存活，以及在心肌缺血/再灌注损伤时，抑制氧化应激和内质网应激。此外，在抗炎、改善胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)、调节糖脂代谢等方面也发挥着重要的作用[4]。激活Sirt1/PI3K/Akt通路，逆转IR，改善线粒体能量代谢障碍,抵抗氧化应激[5]。DCM患者常伴随着血管内皮损伤，保护内皮细胞也可延缓DCM病程进展。Sirt1上调内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)的表达，增加内皮细胞内NO的含量，促进内皮细胞的迁移与增殖，从而保护血管内皮免受氧化应激的损伤[6]。综上所述，增加心肌细胞内Sirt1蛋白酶含量，促使PI3K/Akt信号通路发挥正向调节功能，可减少心肌损伤与保护心肌。

2.2 同源性磷酸酶-张力蛋白(phosphataseandtensinhomologuedeletedonchromosometen，PTEN)PTEN作为PI3K/Akt通路的上游负性调节因子[7]，具有蛋白磷酸酶和脂性磷酸酶双重活性。由N-端磷酸酶催化结构域和C-端结构域组成，其中N-末端磷酸酶结构域含有共有的PIP2结合基序；C-端结构域包含脂质结合的C2结构域，与PIP3去磷酸化有关，抑制PI3K/Akt通路的活化。IR作为DCM重要的发病机制，诱发机体内能量代谢紊乱，产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)，损害心肌细胞和冠状动脉内皮细胞。PTEN的低表达可促进PI3K/Akt信号通路的激活，增加胰岛素的敏感性，同时增加葡萄糖转运体-4的表达，促进葡萄糖的摄取，逆转IR[8]。抑制PTEN，明显改善机体内的高糖状态，降低慢性炎症反应，达到预防治疗DCM。

2.3 糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β)GSK-3β是PI3K/Akt通路的下游负性调控因子，是一种多功能的丝/苏氨酸蛋白激酶，主要参与调节体内血糖水平，参与糖原的合成。当磷酸化其Tyr216位点，增加GSK-3β的表达活性，而Ser9位点被磷酸化则抑制其活性[9]。当过多糖原沉积在血管内皮、心肌和肝脏内，严重损害细胞及影响器官的正常功能。抑制GSK-3β表达活性，能缓解糖尿病大鼠心肌肥大和心衰的症状，促进胰岛素的生成，抵抗细胞凋亡[10]。抑制GSK-3β的表达活性，成为治疗DCM新的研究方向。

2.4 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)mTOR是PI3K/Akt下游的信号分子[11]，在细胞生长、增殖、新陈代谢以及改善心功能方面等有着关键性作用。其分为两个亚型：mTORC1和mTORC2，其中mTORC1参与调节细胞生长增殖和维持细胞内的新陈代谢，通过磷酸化核糖体蛋白S6激酶1(ribosome protein subunit 6 kinase 1，S6K1)，促进mRNA生物合成、核糖体蛋白翻译、细胞生长和代谢等多种细胞过程；而mTORC2的调节机制尚不明确，推测可能参与葡萄糖摄取，调节糖酵解，抑制肝糖异生。PI3K/Akt/mTOR/S6K1通路的激活可保护心肌，逆转纤维化，减轻炎症反应，抑制细胞自噬。此外，还促进细胞生长繁殖，增加蛋白与脂质的合成。适当自噬在细胞稳态的维持和防御机制中起着关键性作用，但过度自噬却能引起细胞的损伤和凋亡。激活PI3K/Akt/mTOR通路能抑制多种凋亡蛋白诱导的细胞自噬[12]，增加mTOR的表达活性，保护心肌细胞的正常生理功能，改善细胞内代谢水平，增强胰岛素敏感性等。

3 DCM发病过程中PI3K/Akt信号通路的作用

3.1 调节血糖水平葡萄糖作为人体主要的供能物质，DCM患者体内慢性高血糖，诱发葡萄糖代谢紊乱，导致机体发生氧化应激，产生大量的ROS，引发细胞凋亡，以及组织器官的功能障碍。葡萄糖转运体(glucose transporter，GLUT)为PI3K/Akt通路的下游信号靶点，激活GLUT增加细胞摄取葡萄糖，降低血浆中葡萄糖的水平，减轻糖脂毒性。在糖尿病大鼠中，观察到PI3K/Akt信号通路通过抑制GLUT-4向细胞膜异位，从而激活GLUT-4，发挥其生理学活性[13]。

3.2 调节脂质代谢高脂血症是DCM主要临床表现。脂代谢异常诱发氧化应激和线粒体功能障碍，引发心脏发生结构和功能的改变，如心肌肥大、心肌细胞的凋亡或坏死，甚至引起心力衰竭和猝死。脂联素是一种由脂肪细胞产生的血管活性肽，增强胰岛素的敏感性和调节葡萄糖代谢，具有抗炎、抗动脉粥样硬化、抗糖尿病等生物学活性，在高血压、心力衰竭和动脉粥样硬化等慢性心血管疾病方面，也具有良好的保护作用。动物实验表明，糖尿病大鼠体内脂联素表达降低，PI3K/Akt通路被抑制, 对心肌缺血/再灌注损伤的保护作用减弱或消失[14]。脂联素通过介导PI3K/Akt通路逆转IR，限制游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)生成，保护心肌功能，维持线粒体膜的稳定性。

3.3 保护内皮细胞血管内皮结构的完整，对维持机体正常功能起着至关重要的作用。DCM患者中发现冠状动脉血管内皮发生不同程度的损伤，导致心肌的正常供血功能发生严重障碍，在病程发展中起着不可忽视的作用。体内重要血管保护因子NO，具有舒张血管、修复内皮细胞损伤等重要的生理功能。在高脂环境下，PI3K/Akt/eNOS信号通路的表达下调，NO的生成减少，损伤内皮的结构和功能，导致组织器官供血不足[15]。长期糖脂代谢障碍，诱发机体发生氧化应激反应，生成氧化活性产物以及氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein，ox-LDL)，其中ox-LDL沉积于血管内皮细胞，损害内皮的完整性，特别针对冠状动脉的损伤。PI3K/Akt介导过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR)的表达，调节机体物质能量代谢，保护内皮免受ROS和炎症介质的侵害。因此，PI3K/Akt的表达增加，激活eNOS和PPAR,保护血管，预防和治疗心血管疾病。

3.4 减轻炎症反应长期的高糖高脂环境可诱导机体巨噬细胞、平滑肌细胞等产生炎症因子，如白介素-1、核转录因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、肿瘤坏死因子α，它们侵袭内皮细胞，增加其通透性，加重其损伤，诱导心肌细胞发生自噬、凋亡和纤维化等病理过程。长期慢性炎症反应促进IR的发生，加重炎症反应，形成恶性循环。激活IRS/PI3K/Akt通路，可抑制NF-κB的表达，减轻炎症反应，增加胰岛素敏感性，最终抑制高糖对心肌细胞的损伤。

3.5 改善心功能，抵抗纤维化心肌细胞纤维化作为DCM的发病机制之一，引起心肌的正常收缩舒张功能受限，以及心肌重塑，导致患者发生心力衰竭、缺血性心肌病，甚至诱发猝死。DCM的早期，舒张功能障碍和心室重构可能与心肌纤维化有着密切关联，转化生长因子β(transforming growth factor β，TGF-β)参与心肌纤维化过程[16]。心肌纤维化的主要原因是胶原蛋白的异常沉积，特别是Ⅰ型、Ⅲ型胶原蛋白。TGF-β依赖于PI3K/Akt信号通路，增加胶原蛋白和纤维连接蛋白的合成，促进心肌纤维化[17]。TGF-β抑制剂明显减少胶原蛋白的合成，缓解心肌纤维化的病情进展，改善患者心功能，提高其生活质量和水平。

3.6 调节心肌细胞凋亡DCM患者晚期发生心功能障碍主要原因是心肌细胞发生不可逆的凋亡。PI3K/Akt作为人体内重要的促生存的信号通路，研究证实，PI3K/Akt信号通路对心肌细胞凋亡具有抑制作用，促进心肌存活，改善心功能障碍。PI3K/Akt信号通路调节心肌细胞凋亡通过以下几个方面实现[17]:① 环磷腺苷反应元件连接蛋白和NF-κB可以被Akt激活，致使抗凋亡基因转录被激活；② Akt调控细胞凋亡还可以通过调控SAPK/MAPK信号来完成，例如stress activated MAP kinases(SAPKs)如c-Jun氨基端激酶在渗透压、热休克、放射等刺激下诱发凋亡；Akt磷酸化可抑制含有1个Akt特异性磷酸化位点的凋亡信号调节激酶1活性，从而启动JNK和p38 MAPK激酶通路；③ 作为细胞凋亡效应器和启动者的caspase-9可被Akt磷酸化，从而其活性受到影响，蛋白水解功能降低，凋亡受到抑制；④ 细胞色素C及一些其他促凋亡因子可被Akt封锁在线粒体内，以保障线粒体完整性的维持，而细胞色素C从线粒体释放导致的细胞凋亡可被Akt的激活减轻；⑤ 叉头转录因子可以起到促进凋亡基因转录的作用，含有被Akt直接磷酸化的序列，FKHRLI、FKHR、AFX是经典的叉头转录因子家族成员，应激状态下，叉头转录因子被Akt磷酸化，FKHRLI从核内移出，与14-3-3蛋白结合，受到14-3-3蛋白的阻止，入核受阻，堆积在胞质，凋亡基因不能被有效启动，最终凋亡受到抑制；⑥ 促凋亡分子Bcl-2/Bcl-XL相关的死亡启动因子(Bcl-2/Bcl-XL associated death promoter，BAD)活性可通过Akt的磷酸化受到抑制。BAD未被磷酸化时，BAD可以直接通过Bcl-2同源域，与Bcl-2家族成员疏水槽结合，其功能受到抑制；BAD被磷酸化时，可通过丝氨酸残基与细胞质的抗凋亡蛋白紧密结合，Bcl-2/BAD复合物释放出Bcl-2，诱发抗凋亡效应。可见，Akt的暂时性激活可发挥细胞凋亡抑制效果。Matsui等[18]提出，活性Akt1基因通过腺病毒转入后，可以明显地抵抗在低氧环境下的心肌细胞凋亡。据报道[19]，在心肌组织中，腺病毒介导的Akt1基因转染大鼠可以明显减轻心肌细胞凋亡，缺血/再灌注损伤后心肌梗死范围缩小。可见，PI3K/Akt通路的激活可以减轻心肌细胞凋亡，对心肌细胞的存活是有利的，进而还可以缓解心力衰竭。

4 PI3K/Akt信号通路靶向治疗进展

丝苏氨酸激酶抑制剂的研发，为PI3K-Akt通路靶向治疗提供了可能性[20]。这一类药物的优势在于不引起DNA损伤的信号通路调控作用。在靶向PI3K-Akt信号通路抑制剂的研发中，PI3K抑制剂包括靶向PI3K的催化亚基p110的抑制剂、亚基异构型特异性抑制剂、其他类型的抑制剂如天然产物鱼藤素等。Akt抑制剂包括基于脂的抑制剂(如磷脂酰肌醇醚脂、PX-316)，通过高通量筛选化合物库所得非基于脂的小分子抑制剂，包括API-2、API-59CJ-OMe、吲哚-嘧啶A-443654以及异构体特异性的铁屎米碱类同系物。在这个研究领域，仍有很多尚未深入研究的化合物，它们作用于该信号通路的各个环节，需要我们全面进一步深入研究。

5 展望

PI3K/Akt信号通路作为体内重要的调节机制，维持机体正常的新陈代谢平衡，调节生长繁殖，同时也参与多种疾病的发生、发展，如代谢性疾病、心血管系统疾病等。DCM是由多种病理因素综合作用，PI3K/Akt在其病程进展中发挥独有的优势，逆转心肌的损伤，改善心功能。激活PI3K/Akt，抑制FFA的生成，促进葡萄糖转运入胞和提高其利用率，减轻组织器官的糖脂毒性；同时，能改善线粒体功能障碍，拮抗心肌纤维化，抑制慢性炎症反应和心肌细胞凋亡。许多研究表明，PI3K/Akt可以作为预防和治疗DCM的特异靶点，由此，研发出高特异性的靶向治疗药，降低DCM的发病率和病死率，具有十分重要的临床意义。