基于PI3K/Akt信号通路探讨中医药干预膝关节骨性关节炎的研究进展

李文广，谢兴文，顾玉彪，黄晋，翟柏宇，王小强，李辉

（1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730030；2.甘肃省第二人民医院，甘肃 兰州 730030；3.甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050）

膝关节骨性关节炎（KOA）是一种以膝关节滑膜增厚纤维化、关节软骨退变受损、下肢力线改变、肢体屈曲挛缩为主要病理改变的退行性疾病，是骨科发病率最高的疾病之一［1］。随着我国经济社会发展和生活节奏加快，KOA 在肥胖人群和中老年人群中发病率明显上升，并且该病还呈现发病逐渐年轻化的趋势［2］。现阶段针对KOA 患者的临床治疗主要以缓解疼痛、控制病情为主要原则，常选用物理治疗、药物治疗或外科治疗等措施，但存在不同程度的局限性，导致患者预后不佳并且复发率高［3］。据统计，全球膝关节骨性关节炎的总患病率为14.8%～16.2%，在50 岁以上的人群中发病率更是达到49.1%～51.3%，致残率可达到52.5%～53.6%［4］。国内流行病学研究显示，中国40 岁以上中老年人膝关节骨关节炎总患病率为17.0%。西医对于KOA 的治疗早期是以口服非甾体抗炎、氨糖类药物以缓解疼痛、保护软骨以及进行关节腔封闭治疗，晚期则是以人工关节假体置换为主，这类治疗具有副作用大、风险高、治疗经济负担较重以及患者对于治疗的耐受性较差等局限性［5］。通过调节磷酸酰肌醇－3 激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinsitol3－kinase/proteinkinase B，PI3K/Akt）信号通路的活性可以对软骨细胞的增殖、凋亡及免疫应答等产生影响，增强线粒体功能，促进软骨生长和代谢，在骨骼系统损伤与修复等多种生物学过程中发挥关键作用［6］。本文通过探讨PI3K/Akt 信号通路及其相关靶点在软骨细胞代谢中的机制，以及软骨稳态对疾病的影响，以期为中医药防治KOA提供新方向。

1 PI3K/Akt信号通路及软骨内稳态

1.1 PI3K/Akt信号通路的组成

磷脂酰肌醇3－激酶（phosphoinositide3－kinase，PI3K），是一种位于细胞胞质的脂质激酶，分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。PI3K 可以调控细胞膜的信号转导、膜转运和代谢过程，对于丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）和磷脂酰肌醇激酶都具有活性，发挥不可替代的作用［7-8］。除此之外，PI3K 还可以作为细胞外信使参与炎性、过敏等多种反应对细胞的生命活动进行调控［9］。

丝氨酸/苏氨酸激酶（Akt kinase，Akt；又称PKB），即Akt 蛋白，亦名蛋白激酶。分子量约57 kDa，分为PKB－α、β、γ 三种亚型且三种亚型，之间的活性和序列性保持高度一致。PH 结构域、催化域和调节域为Akt 蛋白的主要结构组成，是PI3K 下游主要效应分子［10］。通过干预PI3K/Akt 信号通路可以激活Akt蛋白产生相关反应，使之与相应的蛋白底物进行结合，从而对机体产生多种生物学影响，诸如促进调节能量代谢、细胞增殖、抑制细胞凋亡和增强细胞活性等［11］。PI3K/Akt 信号通路的突变会引起人体产生肿瘤、癌症等多种相关代谢性疾病，它可能引起机体正常生理功能增强或者减弱，还会导致体内恶性细胞的分化及转移［12］。

1.2 PI3K/Akt信号通路对于软骨内稳态的影响

软骨内稳态是指细胞外基质的合成与降解达到平衡状态，这对于维持膝关节软骨功能有重要的影响。软骨稳态遭到破坏，会导致相关胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的减少，增加基质金属蛋白酶（MMPs）和具有血栓反应蛋白（ADAMTSs）的去整合素，促进了膝关节骨性关节炎的产生和发展［13］。PI3K/Akt信号通路对于调节软骨稳态具有十分重要的作用，有研究表明，膝骨关节炎患者膝关节软骨中PI3K/Akt 的表达明显低于正常人。其激动剂IGF－1可以激活Akt磷酸化促进合成相关胶原蛋白，还对人软骨细胞中IL－1β 诱导的NFκB 活化具有抑制作用，从而促进软骨细胞降解。Akt蛋白的过度表达会使得膝关节软骨细胞合成蛋白多糖更多，合成细胞基质减少，从而破坏软骨内稳态［14］。PI3K/Akt 通路不仅对细胞外基质的合成起促进作用，而且对于细胞外基质的分解代谢也会产生影响。PI3K/Akt信号通路激动剂TGF－β能激活PI3K/Akt，通过减少炎症反应减轻大鼠软骨细胞损伤，PI3K/Akt 的化学抑制剂可以抑制MMPs32 的天然抑制剂TIMP－3的表达［15］。这表明PI3K/Akt 信号通路介导TGF－β 对细胞外基质分解代谢起抑制作用。有研究发现，激动剂IGF－1 可以激活PI3K 和细胞外信号调节激酶（ERK）促进相关蛋白的表达，抑制细胞外基质的分解［16］。虽然PI3K 可能不参与激动剂IGF－1 诱导的MMP－13 蛋白表达，但瘦素可诱导软骨细胞MMPs 表达增加，PI3K 和Akt 选择性抑制剂可显著降低MMPs表达，减少细胞外基质的分解代谢，从而对关节内软骨稳态产生影响［17］。

1.3 PI3K/Akt 信号通路在膝骨关节炎形成中的作用机制

KOA 是一种关节软骨退变引起的渐进性疾病，以膝关节滑膜炎症、软骨磨损、下肢力线改变、关节变性为主要病理进程。好发于中老年人，尤其以矮胖体型多见，是骨科疾病中比较常见同时也是很难治疗的病种［18-19］。KOA 的发病原因主要是软骨细胞凋亡引起膝关节软骨退行性改变，这也是其主要病理特征。PI3K/Akt 信号通路在人体各级结构中均有参与，既包括肉眼可见的器官、组织，也包括细胞和分子。PI3K/Akt信号通路会影响关节软骨细胞的生长、增殖、分化、迁移和凋亡过程；在膝关节软骨代谢过程中发挥重要调节作用，影响骨组织及软骨细胞的生长、代谢和对化学疗法的敏感性，从而在KOA 的发病进程中起到调控［20］。细胞凋亡过度，会打破机体原有的稳态平衡，使得软骨基质合成受到影响而变得不足［15］，通过有效抑制软骨细胞凋亡可以延缓KOA 疾病的进程，进而缓解患者临床症状。PI3K/Akt信号通路被普遍认为是影响软骨细胞存活的最主要通路，其具有显著的“抗凋亡”作用，可以很迅速地将信号由细胞膜传递给细胞核，在多种细胞的生长、分化、迁移和凋亡的过程中起到不可替代的作用，调控软骨细胞的增殖代谢过程，通路下游相关蛋白都对于膝骨关节软骨凋亡起到关键的调节作用［21］。软骨细胞发生凋亡是由PI3K/Akt 通路下游的Bad 和Caspase 蛋白引起的，这两种蛋白属于对膝关节软骨细胞凋亡起到促进作用的因子；未磷酸化的Bad 和其他成分所组成的同源二聚体，激活Caspases连锁反应，促进细胞色素C 的进一步释放，使细胞中线粒体的通透性增强，引起细胞的凋亡［22］。Caspase 蛋白家族可以通过两类分子发生作用干预细胞凋亡的过程：一是通过起始Caspases因子（例如Caspase－2，8和9），接受胞质上游发出的凋亡信号后，用其激活下游Caspase分子使之活化，Caspase－9 可激活Caspase 家族因子扩大凋亡信号，还可以起到联系凋亡内外源的作用；二是指激活细胞中效应Caspases 因子（例如Caspase－3，6 等），并使之逐级活化后，进而一系列蛋白质底物发生特异性水解，诱导细胞产生凋亡。综上所述，磷酸化后的PI3K 蛋白能够激活下游蛋白Akt 的表达水平，使凋亡前Bad、Caspase－3 等蛋白的表达进一步下调，从而对细胞凋亡起抑制作用［23］。此外PI3K/Akt 还会对软骨细胞的自噬产生影响，通过降低蛋白中PI3K/Akt 信号通路的活性，促进软骨细胞产生自噬，从而增强软骨细胞的活性，延缓细胞的凋亡进程［24-25］。

2 中医药干预PI3K/Akt信号通路

2.1 中药单体

通过查阅相关文献可以证实，在KOA 的诊疗中中药有着确切的疗效。目前，越来越多国内外专家开始重视对于中药单体的相关研究，这也充分表明中药在KOA治疗中发挥显著的作用。

川芎嗪是一种从川芎中分离出来的具有生物活性的生物碱类物质，有研究使用川芎嗪联合塞来昔布胶囊进行灌胃给药，并用蛋白免疫印迹法（Western blot）检测实验中各组大鼠关节软骨组织中的PI3K/Akt 信号通路蛋白表达。结果表明，在实验组和假手术组中，大鼠关节软骨组织中相关蛋白表达量高于模型组。证明川芎嗪可以通过刺激软骨组织中PI3K/Akt 信号通路，使得软骨组织炎性因子水平降低，从而改善临床症状，延缓关节软骨病变进程［26］。

研究证明，蛇床子提取物——蛇床子素对膝关节骨性关节炎具有治疗作用。实验研究发现，蛇床子素能够对大鼠血清中IL－1β、TNF－α 及IL－6 水平进行抑制，表明蛇床子素可通过降低炎症因子IL－1β、TNF－α 及IL－6 水平来发挥保护KOA 大鼠软骨组织的作用。蛇床子素可显著降低PI3K/Akt 信号通路中相关蛋白PI3K、Akt的表达，对该信号通路的活性起到下调作用，抑制软骨细胞的凋亡，对膝骨关节炎起到很好的治疗效果［27］。

丹参有效成分丹酚酸B可以上调PI3K及Akt蛋白的表达，激活PI3K/Akt 通路进而刺激MC3T3－E1 细胞形成［28］。也有研究指出，丹酚酸A能够通过激活PI3K/Akt信号通路中的Akt蛋白，提升Akt的磷酸化水平，这表明丹酚酸A 可能是通过上调Akt 通路的表达，对缺血的心肌产生保护作用［29］。同时，紫草酸镁B（MLB）作为丹参中的有效成分，可以诱导Akt 蛋白产生磷酸化，从而提高内皮型一氧化氮合酶磷酸化表达，使得受损大鼠后肢血流供应恢复，解除微循环障碍［30］。

除上述中药外，芍药苷、青藤碱、续断总皂苷、淫羊藿苷、杨梅素等也可以通过干预PI3K/Akt 信号通路，抑制细胞凋亡进程，对膝骨关节炎起治疗作用。

2.2 中药有效部位

杜仲中的主要成分是杜仲多糖、杜仲胶、木脂素类等化合物，这些化合成分可以促进骨髓间充质干细胞增殖分化、诱导成骨细胞增殖促进骨骼代谢，起到修复受损软骨组织的作用［31］。Western blot（蛋白免疫印迹检测）结果显示，大鼠骨组织中p－eNOS 含量上升，同时上调PI3K、Akt 蛋白的磷酸化水平，作为反应PI3K/Akt 信号通路的激活标志物的p－Akt 增高，表明PI3K/Akt 信号通路被干预，对膝关节软骨细胞的凋亡起到抑制作用［32］。说明杜仲皮水提取物能够促进KOA 大鼠胫骨组织PI3K、Akt mRNA 的激活，为PI3K/Akt 信号通路磷酸化提供源源不断的底物，最终实现改善KOA大鼠炎症、逆转骨损伤的作用［33］。

有药理学研究发现，中药牛膝治疗膝骨关节炎的主要成分是牛膝总皂苷、牛膝多糖、黄酮类及微量元素，这些成分主要起到消炎、抗氧化以及软骨修复等治疗作用［34］。有学者通过网络药理学研究KEGG 通路富集分析发现，牛膝中的有效成分可以通过上调PI3K/Akt 信号通路的表达，使其发挥有抗软骨细胞凋亡和抗自噬作用［35-36］，从而减缓关节软骨的退化；有研究通过筛选牛膝影响白介素－17 相关的信号通路，发现PI3K/Akt 信号通路可以通过肿瘤坏死因子－α 对膝关节骨性关节炎产生影响［37］。使用肿瘤坏死因子－α 抑制剂治疗后，显著降低滑膜成纤维细胞中炎性细胞因子的表达。这一现象从侧面证实，抑制PI3K/Akt 信号通路的表达，可能有助于减轻膝骨关节炎的炎症反应，从而为膝骨关节炎的治疗提供新的思路［38］。

2.3 中药复方

中医方剂应用于治疗KOA 历史悠久，尽管对不同证型的患者所采取的中药组方不一致，但就总体效果而言，中医药治疗KOA效果显著。

右归丸能够对PI3K/Akt 信号通路中PI3K 和Akt蛋白的表达进行抑制，延缓软骨细胞的凋亡进程，还可以抑制白介素类炎性反应因子来降低KOA 的炎性症状，从而对膝骨关节炎起到治疗作用［39］。廖建青等研究发现，中药复方骨痹合剂通过影响PI3K/Akt 信号通路的活性，促进细胞产生自噬，抑制相关蛋白的表达，减少膝关节软骨细胞的凋亡，延缓膝骨关节炎的疾病进程［40］。何晓瑾等通过动物实验验证，骨痹方可以通过影响PI3K/Akt 信号通路的激活并且增强Akt 蛋白的活化程度，降低Bax 表达，增强下游Bcl－2 蛋白的活性，因此可以改善膝关节病理组织形态，保护膝关节软骨功能［41］。另外，独活寄生汤、鹿角胶丸、当归补血汤等方剂，皆能通过干预PI3K/Akt 信号通路，影响膝关节软骨细胞的凋亡。

3 小结及展望

PI3K/Akt 信号通路是KOA 发病机制中一种重要的信号传导途径，它对于人体膝关节软骨细胞的凋亡及关节软骨内稳态的调控起到关键的干预作用，从而在膝骨关节炎治疗中起到重要作用。然而通过PI3K/Akt 单一通路，对于治疗具有很大局限性，它往往和WNT通路、MAPK通路、NF－κB通路共同起作用。

众多学者通过动物实验验证和网络药理学研究发现，中药单体和复方治疗对于可以通过激活PI3K/Akt信号通路，干预下游相关基因和蛋白的表达，来调控膝关节软骨细胞的增殖和凋亡进程，影响关节内稳态来治疗膝骨关节炎。但是对于复方中哪种药物起主要治疗作用及治疗机制研究依然有待完善。以PI3K/Akt通路为切入点，更多KOA 治疗手段将会被应用，PI3K/Akt 通路也能够为临床新药的研发提供更多思路及重要靶点。

相信随着相关研究的进一步深入以及中医药临床治疗和实验研究的进一步深化，更多的中医药治疗方法和作用机制将进一步得到明确。