PI3K/Akt/mTOR信号通路在骨关节炎中的研究进展

张家红，王茂源

（1. 赣南医学院2019级硕士研究生；2. 赣南医学院第一附属医院康复医学科，江西 赣州 341000）

骨关节炎（Osteoarthritis，OA）又称为退行性关节病、增生性骨关节炎，是一种很常见的中老年人骨骼肌肉疾病。OA 是全球十大致残原因之一，对患者正常生活有重大影响［1］。由于关节软骨的磨损及逐渐丧失，患者会历经关节肿痛、僵硬、畸形和活动受限等，OA 严重影响了患者的生活质量。据估计，全世界有2.4 亿多人患有OA，约10%的老年人因OA 而患有肌肉骨骼残疾，导致无法正常生活［2］。随着骨性关节炎的发病率逐年攀升及其高致残率，有关骨关节炎的病因及治疗的研究受到了越来越多的重视。目前骨关节炎的具体发病机制仍不清楚，既往认为力学机械因素中的关节磨损是主要原因。然而，随着研究的深入，多数学者认为生物化学分子信号通路在骨关节炎疾病发生发展中起关键作用。磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（PI3K/Akt/mTOR）信号转导通路是众多分子信号通路中最经典的信号通路之一，参与多种疾病发生过程，有研究表明其在骨关节炎发生发展中亦发挥重要作用。本文就PI3K/Akt/mTOR 信号通路在骨关节炎中的相关作用机制研究进行综述，为骨关节炎的发病机制研究提供参考和为其治疗提供依据。

1 PI3K/Akt信号通路与骨关节炎

1.1 PI3K/Akt 信号通路概述在众多分子信号通路中，磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）信号转导通路是经典信号通路之一，广泛存在于多种细胞中，在调节细胞生存、增殖、分化、凋亡和代谢等方面发挥重要作用［3］。

P13K广泛存在于各种细胞的细胞质中，兼具有蛋白激酶和磷脂激酶的作用，主要由调节亚基（P85）和催化亚基（P110）组成，其中催化亚基可被酪氨酸激酶受体激活。若细胞膜受到细胞因子、生长因子、激素等多种细胞外因子的刺激，细胞内PI3K 就会被激活。当外界信号与相应受体结合后，会刺激PI3K 调节亚基中的SH2区域，后者可与磷酸化的受体结合，从而募集Akt向胞膜方向移动，而催化亚基则可使细胞膜上的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（Phosphatidylinositol-4，5-bisphosphate，PIP2）磷酸化生成3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇（Phosphatidylinositol 3，4，5-trisphosphate，PIP3）［4］。而PIP3 作为第二信使，可与细胞内Akt 信号蛋白结合，进而将信号传递下去。Akt 是PI3K 重要的直接下游信号分子，存在于胞浆中，也具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性，被称作为蛋白激酶B（Protein kinase B，PKB），其包含PH结构域、催化结构域和调节结构域。磷酸化Akt（P-Akt）通常被认为是PI3K激活的标志。Akt的催化活性中心上的氨基酸序列高度同源于蛋白激酶A（Protein kinase A，PKA）和蛋白激酶C（Protein kinase C，PKC）的活性中心的序列，故也称作PKB［5］。Akt活性中心结构域中的Ser473 和Thr308 磷酸化活化后，可启动多种下游信号分子，由此产生级联反应而发挥效应。

1.2 PI3K/Akt信号通路在OA中的作用

1.2.1 PI3K/Akt信号通路与关节软骨PI3K/Akt

信号通路在骨关节疾病发生机制中一直是研究的热点。软骨细胞作为关节软骨唯一的细胞类型，任何干扰软骨细胞的行为都会影响OA 的发生和进展。有研究表明，骨关节炎模型中的p-Akt 蛋白表达低于假手术组，而紫草素可显著促进骨性关节炎模型大鼠Akt 磷酸化的下调，该研究结果证实紫草素可通过上调PI3K/Akt 信号通路抑制骨关节炎大鼠的炎症和软骨细胞凋亡［6］。最近的证据表明，miRNA 可能通过调节骨和软骨的分化和增殖，最终影响骨和软骨代谢来影响OA 进展，而miRNA-103可通过降低鞘氨醇激酶-1（SPHK1）活性，下调PI3K/Akt通路，促进OA的进展，促进软骨细胞凋亡［7］。高压氧可抑制IL-1β 诱导的髁突软骨细胞的细胞毒性和凋亡，还可降低p-PI3K 和p-Akt 水平，且高压氧可能是通过PI3K/Akt 信号途径保护髁突软骨细胞免受IL-1β诱导的凋亡［8］。OA 的进展与软骨细胞自噬水平密切相关，而PI3K/Akt 是一种经典的调节自噬的信号通路。PI3K/Akt信号通路可通过上调软骨细胞自噬水平对OA诱导的软骨损伤起保护作用［9］。由此可知，PI3K/Akt信号通路对OA软骨细胞具有保护作用。

然而有多项研究显示，该条通路能促进炎症反应，从而促进OA 进展。尽管OA 发生发展的具体机理还不完全明了，但越来越清晰的是，软骨组织动态平衡被破坏，相关分子的分解代谢产物在关节中积聚，引起氧化应激和炎症反应。在OA 中，代谢障碍导致的活性氧增加会诱导氧化应激，从而激活PI3K/Akt 和Caspase 途径，抑制基质合成，促进软骨的降解［10］。而抑制PI3K/Akt 信号通路可抑制OA 小鼠骨形成，减轻软骨退变［11］。在姜黄素的研究中，其对Akt 的抑制减少了IL-1β 诱导的软骨细胞基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases，MMP）分泌，且抑制PI3K/Akt通路能减轻软骨退变对内侧半月板失稳的影响［12］。药物ACY-1215能通过激活Caspase途径改变凋亡相关蛋白的表达而促进OA 成骨细胞凋亡，其作用机制可能通过诱导OA 成骨细胞PI3K/Akt途径失活而抑制VEGF的表达，从而影响软骨下骨的血管生成［13］。通过干预膝OA 大鼠模型后发现，右归丸能够上调自噬相关因子如Beclin1 的表达，降低PI3K 和Akt 的表达，抑制关节软骨细胞凋亡而延缓骨关节的退变［14］。抗炎药物黄岑素不仅能显著抑制TNF-α刺激的炎症反应；也能抑制PI3K/Akt通路的激活，从而在OA中发挥保护作用［15］。

目前PI3K/Akt 信号通路在OA 中的作用机制不是很明确，但它作为OA 发生发展中的重要信号通路，有望成为治疗骨关节炎的突破点，因此需要进一步研究PI3K/Akt在软骨内稳态中的作用。

1.2.2 PI3K/Akt信号通路与关节滑膜PI3K/Akt信号通路不仅与OA 关节软骨细胞息息相关，也在滑膜炎中发挥重要作用。炎症细胞因子可以刺激PI3Kδ 的表达，而PI3Kδ 能影响成纤维样滑膜细胞的增殖和迁移，减少PI3Kδ 降低滑膜细胞的炎症水平［16］；同理，PI3Kδ 的缺乏则会降低TNF-α 诱导的滑膜成纤维细胞基质金属酶的表达和Akt 的激活［17］。在关节滑膜细胞增殖和凋亡中，PI3K/Akt 信号通路的异常活化会引起滑膜过度增生，并向软骨和骨组织中浸润生长，诱导血管新生，进而导致骨破坏和关节畸形；同时在实验中发现，PI3K/Akt信号通路异常激活可导致VEGF 增高，促进滑膜血管新生，从而参与滑膜炎症的进程［18］。与正常大鼠相比，OA 大鼠滑膜成纤维细胞PI3K/Akt 通路上调；TNF-α 抑制剂对OA 大鼠IL-1β、IL-17α、PI3K/Akt 通路也有抑制作用，提示TNF-α 抑制可能是通过下调PI3K/Akt信号治疗骨关节炎［19］。另外，蜂窝通信网络因子（cellular communication network factor，CCN）家族中主要的成员CCN3 是一种基质蛋白，在骨骼发育、纤维化和癌症中发挥重要作用。CCN3 可降低IL-1β激活的磷酸化PI3K 和Akt 水平，从而改善炎症，促进自噬，保护OA［20］。由此可见，PI3K/Akt 信号通路亦可促进滑膜炎症，从而促进OA进展。

2 mTOR与骨关节炎

2.1 mTOR 概述哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（Mammalian target of rapamycin，mTOR）是一类丝/苏氨酸激酶，具有Ser/Thr 蛋白激酶活性，能磷酸化蛋白底物的Ser/Thr 残基，从而传导信号，发挥生物学效应，如细胞增殖、基因转录等［21］。mTOR 通路受多种细胞信号的调控，包括有丝分裂生长因子、胰岛素、营养素（氨基酸、葡萄糖）、细胞能量水平和应激条件等。细胞内存在mTORC1和mTORC2两种不同的复合体。mTORC1 接受氨基酸、氧及生长因子等的各种刺激，在促进蛋白质合成、脂肪生成、抑制自噬作用和能量代谢等方面发挥重要作用；而mTORC2 则参与了肌动蛋白细胞骨架、细胞存活及代谢等过程。mTOR 信号通路参与了多种疾病发生发展过程，在众多生物学效应中，最经典的是抑制自噬作用。自噬是真核细胞中存在的一种自我保护的防御应激调控机制。自噬可降解功能受损的细胞器或大分子，从而回收原材料以供循环利用，从而实现细胞新陈代谢的需要［22］。作为自噬的门户分子，其在自噬过程中发挥重要作用，是近年基础与临床研究的热点。

2.2 mTOR在OA中的作用

2.2.1 mTOR 与OA软骨近年来，多种研究已证实了mTOR信号通路在软骨细胞代谢和骨关节炎发病中的重要作用。与mTOR密切相关的自噬亦参与了关节软骨退化的过程。ZHANG Y等发现人OA软

骨及实验性OA小鼠模型中mTOR过表达，而软骨细胞凋亡增强和参与自噬诱导的关键基因表达减少，得出mTOR调节自噬途径可能在一定程度上会造成分解和合成代谢失衡，降低软骨保护，最终导致软骨的破坏，而mTOR 特异性缺失的软骨自噬信号增加，对内侧半月板失稳术诱发的OA 有显著的保护作用［23］。可见，适度的自噬是有助于细胞完成自我保护的，而自噬过强或不足不仅不能发挥保护作用，反而会损伤细胞，促进疾病发展。目前研究认为，在OA 病变早期，软骨细胞中的自噬相关蛋白表达增加，自噬增强，可保护软骨细胞以应对早期应激环境。然而，当长时间的应激反应存在时，细胞会发生损伤，不足以激活自噬或自噬受损；而过低的自噬又会导致软骨细胞中活性氧清除不足而损伤细胞。最终，软骨细胞稳态失衡，进一步引起软骨的退化和OA 的不断进展［24-25］。这也说明，软骨细胞mTOR表达增加和自噬功能障碍可能是骨关节炎软骨退化的重要发病机制，这为OA 发病机制及研究药物提供了思路。

2.2.2 mTOR 与OA 滑膜滑膜炎症是OA 病理学中的重要组成部分，其主要是由滑膜细胞、成纤维细胞及巨噬细胞释放炎症细胞因子和分解代谢产物而引起。这些细胞因子如IL-1β、IL-6 和TNF-α等扩散到软骨中，进一步刺激软骨细胞中损伤介质的分泌，从而产生放大炎症效应，导致软骨破坏。作为滑膜的促炎反应调节因子，mTOR 在TNF-α 刺激培养的成纤维样滑膜细胞（Fibroblast-like synoviocytes，FLS）中激活，而mTOR的激活可通过限制激活NF-kB 信号来转移滑膜炎症，从而调节多种促炎细胞因子如IL-6、IL-8、MMP1、MMP3 和前列腺素-过氧化物合成酶2（Ptgs2）的表达［26］。在OA 中，mTOR 抑制剂雷帕霉素可减轻OA 小鼠膝关节滑膜炎和滑膜组织中IL-1β 的水平，这一发现表明，mTOR 可能正向调节OA 相关的炎症反应［27］。然而，滑膜微环境复杂，内含有多种细胞，mTOR 信号在这些细胞中调控作用的确切机制尚不清楚，需要进一步研究。

3 PI3K/Akt/mTOR信号通路与OA

3.1 PI3K/Akt/mTOR 信号通路作为自噬的关键抑制因子，mTOR 通路受PI3K/Akt 上游信号通路的调控［28-29］。磷酸化的Akt 可直接激活mTOR，也可磷酸化结节性硬化症复合体2（TSC2）间接激活

mTOR［30］。具体来说，TSC 包含TSC1 和TSC2 这两个亚单位，TSC2 是mTOR 的负性调节因子。Akt 可使TSC2 失活而抑制TSC1/TSC2 复合物的功能，从而导致mTOR 激活［31］。PI3K/Akt/mTOR 是一个重要且相当复杂的信号通路，目前已发现150 多个蛋白参与此通路。通过这些效应器，PI3K/Akt/mTOR 在许多细胞过程中发挥至关重要的功能，包括细胞周期、炎症、新陈代谢和凋亡。

3.2 PI3K/Akt/mTOR 与骨关节炎PI3K/Akt/mTOR 信号通路是关节组织正常代谢所必需的，也参与了OA 的发生发展，尤其是在软骨细胞的自噬与凋亡方面［32］。序列相似性3A（FAM3A）家族是一种线粒体蛋白，在细胞适应应激和细胞存活中起重要作用。FAM3A可激活IL-1β处理的软骨细胞中的PI3K/Akt/mTOR 信号通路，用特异性抑制剂LY294002 阻断PI3K/Ak/mTOR 信号通路后减少了FAM3A 对软骨细胞凋亡的影响，提示PI3K/Akt/mTOR 信号通路在OA 发展中对软骨细胞具有保护作用［33］。OA 中的潜在调节因子具有结构域(plant homeodomain，PHD)和环指结构域的泛素样蛋白1（Uhrf1）可通过PI3K/Akt/mTOR 信号通路增强细胞自噬，从而保护软骨细胞免受凋亡的影响［34］。然而目前存在争议的是，也有学者发现该条信号通路能抑制自噬，增加凋亡与炎症，从而促进OA 进展。虎杖苷通过抑制PI3K/Akt/mTOR 信号通路激活软骨细胞的自噬通量，从而保护软骨细胞免受退变［35］。莫罗尼苷可降低软骨细胞LC3形成，提高Akt和mTOR的活性，而PI3K/Akt 可通过mTOR 抑制自噬，说明PI3K/Akt/mTOR 信号转导通路参与了莫罗尼苷对软骨细胞的自噬调控［36］。OA 关键过程是炎症，其具有抑制大鼠软骨细胞增殖，降低自噬水平的作用；而抑制PI3K/Akt/mTOR 信号通路可促进OA 大鼠关节软骨细胞自噬，减轻炎症反应［37］。在探讨自噬前γ-氨基丁酸受体相关蛋白（GABARAP）对OA大鼠骨髓间充质干细胞来源软骨细胞治疗作用的影响中，分化软骨细胞（DCs）＋GABARAP治疗也上调了自噬途径的介体，抑制了PI3K/Akt/mTOR途径，减少了软骨细胞凋亡和炎症反应［38］。在研究青藤碱对膝OA 兔模型的膝关节软骨自噬因子Atg-5/12、LC3-Ⅱ及Beclin-1 的表达变化以及相关信号通路的影响中，发现青藤碱能通过抑制通路PI3K/Akt/mTOR 活性及上调软骨自噬水平而保护关节软骨［39］。另外，研究揭示miR-4262 能通过调节细胞活力、细胞凋亡、细胞自噬和基质合成促进OA 的发生和发展，而上调miR-4262 可激活TNF-α 处理的软骨细胞PI3K/Akt/mTOR 信号通路，故推测该通路在促OA进展中发挥重要作用［40］。

PI3K/Akt/mTOR 信号通路是一个复杂的通路，有多个调节因子，更重要的是，这种信号对OA 的发展至关重要。目前的研究证据表明：以该通路为靶点或许是一种可行的治疗方法，然而，单纯激活或抑制PI3K/Akt/mTOR 信号来防治OA 可能是一把双刃剑。因此，有必要阐明该通路在OA 不同病理生理阶段中的具体分子作用机制，这样基于PI3K/Akt/mTOR的OA治疗可能会变得更安全有效。

4 结 语

尽管近些年来研究者们对OA 发病机制的认识有所进展，但仍然没有有效的治疗方法可预防或延缓OA 的发展。骨关节炎的治疗及软骨损伤修复仍然是现在临床面临的一个大难题。考虑到PI3K/Akt/mTOR 信号通路在OA 中的重要作用，它可为OA 的治疗提供有前途的靶点。目前，基于PI3K/Akt/mTOR 信号的OA 干预策略可分为两大类：（1）抑制PI3K/Akt/mTOR 信号可通过恢复软骨内稳态、增强自噬和抑制炎症反应来减轻OA 关节损伤。（2）PI3K/Akt/mTOR 信号通路的激活可能通过减少细胞凋亡、促进软骨细胞增殖而发挥抗炎作用。因此，需要对这些细胞过程进行更详细的研究，以阐明它们与PI3K/Akt/mTOR 信号的联系。随着PI3K/Akt/mTOR 信号通路在骨关节炎中的作用研究越来越多，从分子信号通路途径研究骨关节炎的发病机制也越来越深入，发掘信号通路中的关键环节和关键因子，从而阻断骨关节炎的发生发展，对于骨关节炎的研究进展和治疗具有重大意义。