胰腺纤维化与糖酵解

叶鋆 曹裕 李兆申 廖专

海军军医大学第一附属医院消化内科，上海市胰腺疾病研究所，上海 200433

【提要】 胰腺纤维化是一种以成纤维细胞活化为主、伴有细胞外基质沉积的慢性进展性的病理过程。胰腺纤维化改变了胰腺的正常结构，影响了胰腺疾病的预后，然而至今仍无有效缓解胰腺纤维化的策略。近年来，纤维化进展伴随成纤维细胞的代谢改变受到越来越多的关注，以代谢为靶点的治疗方案有望成为缓解胰腺纤维化的重要措施。本文以糖酵解为切入点，阐明胰腺纤维化与糖酵解生物学机制及靶向糖酵解途径抗胰腺纤维化治疗的研究进展。

胰腺纤维化是指多种胰腺疾病过程中成纤维细胞活化、细胞外基质异常沉积导致的胰腺慢性病理过程。常发生纤维化的胰腺疾病主要是慢性胰腺炎、胰腺癌相关纤维化。胰腺中的成纤维细胞是导致细胞外基质沉积的主要细胞，其活化和增殖受多种代谢过程的调节。本文就糖酵解在胰腺纤维化中的作用机制和治疗前景做一综述。

糖代谢是生物体所需能量的主要来源，为生物体合成脂质、核酸、蛋白质等生命必需物质提供碳源。糖代谢途径主要有糖酵解、氧化磷酸化、磷酸戊糖途径等。糖酵解是所有生物体进行葡萄糖分解代谢的共同阶段，由糖酵解产生的丙酮酸可转化为乳酸，或转化为乙酰辅酶A进入线粒体参与三羧酸循环。己糖激酶(hexokinase, HK)、磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)和丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解过程中催化不可逆反应的3个限速酶，也是调节糖酵解途径的重要靶点[1]。

纤维化是一种慢性进展性病理变化，其特征是以成纤维细胞活化为主的组织瘢痕形成。Kang等[2]运用代谢组学分析方法对纤维化组织进行代谢谱分析，发现糖酵解中间代谢产物(葡萄糖-6-磷酸、磷酸二羟基丙酮和乳酸)水平增加，表明纤维化组织中糖酵解被激活。Si等[3]运用单细胞转录组技术对纤维化组织进行基因富集分析，发现糖酵解关键酶的表达与纤维化指标COL1a1、FN1和α-SMA等的表达呈正相关，反之阻断糖酵解途径可抑制纤维化指标，表明糖酵解在纤维化的发生发展中具有重要作用。

CP是多种原因引起的胰腺组织和功能不可逆改变的慢性炎症性疾病，在组织学上常伴随纤维化产生。纤维化可使胰腺实质硬化，胰管狭窄、扭曲、扩张，进一步破坏胰腺内外分泌功能，严重影响患者生活质量。研究表明，胰腺纤维化与糖代谢之间关系密切。一项Meta分析显示[4]，长期糖尿病患者重度胰腺纤维化的患病率是健康者的两倍。糖尿病对胰腺纤维化的影响可用影像学进行评估。在一项前瞻性单中心研究中[5]，研究者使用磁共振成像技术对95例糖耐量正常或受损的胰腺疾病患者进行T1加权成像(T1-weighted imaging, T1WI)胰腺扫描。T1WI的T1值越高代表纤维化程度越重。结果显示，2型糖尿病患者的胰腺T1值明显高于无糖尿病和糖尿病前期的患者，而糖尿病前期患者的胰腺T1值明显高于无糖尿病的患者，说明高血糖对胰腺纤维化有促进作用。

胰腺癌是高度恶性的消化系统肿瘤，致密的纤维化基质占肿瘤体积的90%。纤维化基质的来源已得到广泛研究，并且已确定活化的胰腺星状细胞(pancreatic stellate cells，PSC)在胰腺癌的纤维形成中起关键作用[6]。Chen等[7]将胰腺癌相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts，CAFs)与正常成纤维细胞(normal fibroblasts，NFs)分离并进行培养，CAFs表现出更强的葡萄糖吸收及乳酸产生能力。且与NFs相比，CAFs表达更多的丙酮酸激酶同工酶M2(pyruvate kinase isozymes-M2, PKM2)，提示CAFs发生代谢重编程，以PKM2介导的糖酵解水平升高为主。Masamune等[8]敲除PSC中的PKM2后发现，其活化和增殖能力明显下降，且纤维化标志物如vimentin和snail等明显被抑制，说明胰腺癌纤维化的形成也高度依赖糖酵解水平的升高。

目前已发现多条信号通路参与纤维化过程中的糖酵解重编程，如磷脂酰3肌醇羟激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)/Akt信号通路、低氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α)信号通路、TGF-β信号通路等。

1．PI3K-Akt信号通路：PI3K/Akt信号通路是一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶通路，涉及多种细胞类型的生长和生存，并对细胞糖代谢产生深远影响。PI3K/Akt信号通路可通过3条途径调控糖酵解过程：(1)PI3K/Akt信号通路诱导葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter type 1, GLUT1)的表达，提高细胞中葡萄糖的摄取率。(2)PI3K/Akt调控包括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)在内的几个糖酵解酶的活性促进糖酵解。(3)PI3K/Akt激活下游通路哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)促进糖酵解。CP纤维化主要表现为以PSC活化为主，细胞外基质在胰腺组织中过度沉积[9]。PSC的活化是CP纤维化的关键环节。研究表明[10]，高血糖可通过PI3K-AKT信号通路介导PSC细胞活化并分泌细胞外基质，促进胰腺纤维化。此外，抑制PI3K / AKT / mTOR途径可抑制PSC的活化，延缓胰腺纤维化的进展[11]。

2．HIF-1α信号通路：HIF-1α是缺氧诱导因子1的调节亚基，通过调节参与维持氧稳态的基因而作为低氧应激反应的关键转录因子。近年来，越来越多的研究表明，HIF-1α在组织纤维化中起着重要作用，活化的HIF-1α可与具备促纤维化作用的下游基因结合，例如纤溶酶原激活物抑制物-1(plasminogen activator inhibitor 1, PAI-1)、金属蛋白酶组织抑制剂-1(tissue inhibitor of metalloproteinase-1, TIMP-1)和结缔组织生长因子(connective tissue growth factor, CTGF)，促进组织纤维化进展[12]。此外，HIF-1α还可以通过调控糖酵解参与纤维化的发展，其机制是HIF-1α可激活糖酵解关键酶如HK2、PKM2、丙酮酸脱氢酶激酶1 (pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1)来增加糖酵解作用，进而促进成纤维细胞分化和纤维化进程[13]。

3．TGF-β信号通路： TGF-β信号通路是纤维化的经典通路，多维度、多方面参与了纤维化的形成，而糖代谢与TGF-β信号通路之间可相互调控。研究表明[14]，高血糖通过促进蛋白激酶C依赖的FOS-JUND转录复合物与TGFβ的启动子结合，从而上调TGF-β表达。此外，增强的糖酵解和乳酸生成，可以使细胞外微环境酸化，促进成纤维细胞分化，增加TGF-β分泌[15]。反之，经TGFβ刺激活化后，成纤维细胞葡萄糖消耗增多，糖酵解产物增加，细胞外基质酸化加强，提示成纤维细胞的活化伴随着糖酵解激活[16]。此外，TGF-β还可以通过激活HIF1a诱导PDK1表达，使丙酮酸更多向乳酸转化而非流向线粒体的三羧酸循环。进一步动物实验证实[13]，抑制HIF-1α或PDK1能够减轻纤维化的程度。总之，糖酵解和TGF-β相互促进，形成一个正反馈调节环路，使得纤维化一旦开始就不断进展。

胰腺纤维化的发生主要是胰腺间质组织中成纤维细胞过度激活和以胶原为主要成分的细胞外基质过度沉积。瘢痕相关的成纤维细胞需要消耗大量的能量，糖酵解的增加可迅速为其供应大量ATP[17]；糖酵解的抑制剂，例如2-脱氧葡萄糖(2-deoxyglucose, 2-DG)、3PO(一种PFKFB3的小分子拮抗剂)、3-溴丙酮酸、碘乙酸盐和草氨酸盐等，均可抑制瘢痕相关成纤维细胞的ATP生成，从而抑制成纤维细胞的活化[17]。另一方面，糖酵解还能提供胶原合成的原料，包括氨基酸的生成，胶原的羟基化、糖基化等。糖酵解产生了胶原中最丰富的一类氨基酸——甘氨酸，而靶向抑制细胞内甘氨酸代谢途径可削弱活化过程中TGF-β所介导的胶原合成，阻碍纤维化进展[18]。不仅如此，糖酵解来源的乳酸介导了胶原的羟基化[19]，而胶原的糖基化则需要糖酵解产生的ATP提供能量，利用2-DG抑制糖酵解能够降低胶原的羟基化和糖基化水平，减弱胶原稳定性[20]。由此可见，利用2-DG、3PO、3-溴丙酮酸、碘乙酸盐和草氨酸盐等糖酵解抑制剂将为靶向胰腺纤维化的治疗提供新思路。

尽管有关胰腺纤维化的研究从多角度开展、历经数年，但目前仍无有效预防或逆转纤维化的方法。近年来，纤维化过程中的代谢改变走进人们的视野，纤维化中的代谢机制也受到越来越多的关注，尤其是糖代谢研究全面发展。PI3K-Akt、HIF-1α、TGF-β信号通路参与了纤维化过程中的糖代谢重编程。进一步深化糖代谢在成纤维细胞活化以及细胞外基质沉积中的分子机制研究，寻找治疗靶点，开发临床药物，将是胰腺纤维化疾病研究的重要方向。目前已有部分研究证实利用2-DG、3PO、3-溴丙酮酸、碘乙酸盐和草氨酸盐等糖酵解抑制剂靶向糖酵解途径可改善纤维化，为胰腺纤维化的治疗带来希望。未来仍然需要大量的工作对靶向代谢的抗纤维化药物进行筛选，并研究出最佳剂量、最优组合、给药方法和时机及治疗终点等。

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