中药靶向PI3K/Akt/mTOR通路调节自噬在糖尿病肾脏病中的研究进展

陈 婷,刘金彦

(1.济宁医学院临床医学院, 山东 济宁 272067;2.济宁市第一人民医院 肾内科,山东 济宁 272011)

糖尿病肾脏病(diabetic kidney disease,DKD)是肾脏长期暴露于高血糖环境下引起的以足细胞损伤为主的肾脏结构与功能改变的疾病[1]。自噬是足细胞的一种自我保护机制,通过识别并清除受损、衰老的细胞器与生物大分子物质调节细胞分化、生长与代谢,保持自身稳态。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)控制细胞生长、存活和代谢。磷脂酰肌醇激酶(phosphatidyl inositol 3-kinase, PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B, PKB/Akt)信号通路通过激活足细胞自噬,增强其对氧化应激、营养缺乏等恶劣条件的耐受能力,使足细胞寿命得以延长[2]。中药治疗源远流长,其延缓DKD 进展的作用有目共睹,但具体作用机制尚未明确。本文通过对中药靶向PI3K/Akt/mTOR通路调节自噬在DKD中的研究现况进行综述,旨在为DKD的早期干预和药物研发开拓新思路。

1 DKD概述

DKD是糖尿病最常见的并发症之一。据国际糖尿病联合会数据,2021年全球20～79岁人群的糖尿病患病率为10.5%,患病人数为5.366亿,预计到2045年,患病率将上升至12.2%,患病人数将上升至7.832亿[3]。大约35%～40%的1型或2型糖尿病患者最终出现肾脏并发症[4]。高糖环境诱导肾脏内部活性氧产生增多,炎症反应的大量出现使肾脏超微结构发生改变[5]。DKD患者早期无症状,当检测到蛋白尿时,病变通常处于晚期,提示肾功能已经向终末期肾病方向发展[6]。目前,DKD治疗方法有限,临床中形成以降低血糖、控制血压、调节血脂、减少尿蛋白、肾脏替代治疗为中心的治疗体系,在一定程度上减缓了患者肾功能的进一步恶化[7]。

2 自噬程序的启动与执行

自噬程序的启动是一种动态的溶酶体降解过程, 又被称为自噬通量[8]。自噬由细胞损伤、营养缺乏等应激源诱导,通过降解异常蛋白质,重建细胞骨架,清除衰老损伤的细胞器以应对细胞外部复杂环境,与细胞坏死、细胞凋亡共同存在,三者之间既可相互协同又可相互拮抗,是维持细胞生命活动所必需[9]。自噬分为巨噬、伴侣介导的自噬、微自噬三种类型,作用机制各异[10]。巨噬过程包括:吞噬体招募形成双层膜囊泡结构的自噬小体,自噬小体包围胞质成分,溶酶体与自噬小体彼此融合,细菌、病毒等外源性抗原和生长、分化异常的细胞被降解[11]。伴侣介导的自噬借助伴侣蛋白Hsc70特异性识别五肽基序靶蛋白,溶酶体的受体蛋白靶向定位引导目的蛋白进入溶酶体内溶解[12]。当细胞处于营养不良、电解质成分异常等极端环境时,由脂质维持细胞功能运转,微自噬程序启动,经过微自噬内陷、自噬管形成,发生囊泡形成、扩张、破裂和降解等一系列过程,异常免疫复合物被溶酶体降解,降解产物若对细胞生长有益,则被细胞摄取再利用,反之,排出体外[13]。

3 自噬功能异常与足细胞损伤

足细胞附着于肾小囊脏层,从外部包裹肾小球毛细血管,参与构成肾小球初级滤过屏障,诱导上皮细胞完成细胞分化,招募系膜细胞,维持基底膜正常形态与毛细血管管腔内压力,监测并清除肾小囊腔内异常大分子物质和蓄积的免疫复合物,维持肾脏的正常代谢机能[14-15]。足细胞的功能调节依赖于足突的独特结构,此外,足细胞素、紧密连接蛋白1、瞬时受体电位通道和肌动蛋白等多种物质也参与了对足细胞功能活动的生理调节[15]。临床实验表明,无论是应激还是非应激条件下,足细胞中均存在高水平的自噬,细胞内降解系统的稳定性对于足细胞生理功能的维持至关重要[16]。

由于糖尿病患者糖类、脂质代谢紊乱,高糖环境使足细胞自噬受到抑制,活性氧大量蓄积,给足细胞带来不可逆的损伤[17]。持续高糖使内质网先发生应激反应后发生耗竭,足细胞大量凋亡[18]。足细胞足突间隙增宽,微循环障碍,管球反馈机制异常,炎症细胞浸润使肾组织大面积萎缩,肾脏生理功能逐渐丧失,DKD加重[19-20]。

4 PI3K/Akt/mTOR信号通路基础上的自噬与足细胞损伤

真核生物中,mTOR 可与其他调控蛋白相互作用形成多种复合物,其中,作用相对广泛的是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物(mammalian target of rapamycin complex, mTORC) 1和mTORC2。mTORC1由mTOR、Raptor(mTOR调节相关蛋白)、PRAS40(相对分子质量为40 ku的富脯氨酸的Akt底物)和Deptor(含DEP结构域的mTOR相互作用蛋白)组成,受细胞质氨基酸水平的调节,对能量高度敏感,通过抑制自噬调节细胞周期与代谢[21]。mTORC2的组成成分除了Rictor(对mTOR不敏感的mTOR伴侣蛋白)之外,其他成分与mTORC1大致相同,对能量不敏感,作用于肌动蛋白,参与细胞骨架的构建[22]。

Akt包含氨基端(N端)、中心区域链和羧基端片段(C端)三个结构域[23]。N端结构域可与磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸和磷脂酰肌醇-4, 5-二磷酸等物质相互作用,可被整合素、B细胞受体、T细胞受体、细胞因子受体、G-蛋白偶联的受体(G protein coupled receptor,GPCR)等因子激活[24]。GPCR触发PI3K信号,调节囊泡成核和吞噬体的形成,随后PI3K将其底物磷脂酰肌醇-4, 5-二磷酸转化为第二信使磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸[25]。磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸通过结合Akt的PH区域改变Akt结构,Akt在3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1与调节性Akt共同作用下实现全部激活,下游信号mTOR启动,实现PI3K/Akt/mTOR信号传递,调控端粒酶活性与细胞凋亡程序的启动与执行[26]。一方面PI3K/Akt/mTOR信号在足细胞内部以狭缝隔膜为主要结构的信号传递网络中精确传达,使位于质膜、胞核、胞质中的蛋白质发生磷酸化,肌动蛋白做出应答,进行细胞内部修复[27];另一方面PI3K/Akt/mTOR信号在足细胞内部使细胞凋亡蛋白失活,增加肌肉、脂肪组织对葡萄糖的摄取,达到足细胞内、外环境成分的动态平衡[28](图1)。然而,高糖、高脂条件下,PI3K/Akt/mTOR通路受到抑制,足细胞未能完成自噬与自我修复,细胞骨架重组失败,足细胞降解,滤过屏障受损,大量蛋白流失[29]。

图1 PI3K/Akt/mTOR信号通路与自噬和细胞稳态

5 基于PI3K/Akt/mTOR信号通路介导足细胞自噬的中药靶向治疗

5.1铁皮石斛 有研究采用高糖高脂饮食,腹腔注射低剂量链脲佐菌素(STZ)建立40只雄性大鼠DKD模型,分别给予石斛合剂、格列喹酮、生理盐水灌胃8周,研究发现石斛合剂可抑制DKD大鼠肾组织中PI3K、Akt和mTOR的磷酸化,提高自噬水平,促进足细胞功能改善与滤过屏障修复,使尿白蛋白肌酐比值明显降低[26, 30]。铁皮石斛属于石斛属,是被列入《中国药典》的著名传统药物之一[31]。马丽华团队将铁皮石斛引入DKD的临床治疗,其主要成分多糖、酚类、木质素、生物碱等可有效改善机体糖耐量,提高自噬水平,减轻炎症反应[32],可以通过调节PI3K/ Akt信号通路改善高浓度棕榈酸和高糖诱导的体外培养胰岛细胞的胰岛素抵抗,并可增加胰岛素分泌水平,降低细胞凋亡率,延长足细胞寿命,明显减少尿蛋白定量[33]。临床实践发现铁皮石斛在代谢综合征的改善方面不良反应少,安全性高[34]。

5.2雷公藤多苷 研究发现,不同剂量(低、中、高剂量)的雷公藤多苷(tripterygium wilfordii polyglycosides,TWP)干预均可使小鼠肾脏组织 p-mTOR、p-Akt 蛋白与 mRNA 表达降低,抑制肾脏内细胞表型 PI3K/Akt/ mTOR 信号通路活化,从而使自噬小体数量增加减少终末糖基化产物聚集,使足细胞内的nephrin 和podocin蛋白产生增加保持细胞结构稳定,改善肾脏病理状态[35]。于向慧等[36]通过动物实验证实,TWP可通过抑制PI3K/Akt信号通路抑制热激蛋白(HSP90)的转录和翻译,下游因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活子1α表达减少,抗纤维化作用明显增强。Meta分析表明,TWP用于临床患者,可使患者24 h尿蛋白定量、血尿素氮值降低至30～60 mg/d,药物剂量与24 h尿蛋白定量呈负相关,试验组不良反应发生率虽高于对照组,但症状轻,停药或对症治疗可改善[37]。TWP是治疗DKD的有效药物[38]。

5.3黄芪 姚琼等[39]发现,黄芪能负向调节PI3K/Akt/mTOR信号通路,逆转肾病蛋白的抑制状态,调控足细胞自噬,减少DKD患者的尿蛋白。黄芪能影响转化生长因子β1基因转录,抑制细胞异常增生;其中所含的微量元素可提高谷胱甘肽酶的活性,延缓肾小球硬化;其活性成分使红细胞的变形能力增强可有效改善血供,延长足细胞寿命[40]。有研究对黄芪治疗DKD患者的治疗效果进行观察发现,黄芪可以有效控制血糖,减轻脂质过氧化引起的滤过屏障损伤,具有补中益气、利尿消肿的功效[41]。Fang等[42]对蝉拟青霉发酵黄芪进行初步研究证实,黄芪经过蝉拟青霉固态发酵后的药效得以提高,可解除小鼠足细胞内高糖对同源性磷酸酶张力蛋白的抑制作用,抑制下游PI3K/Akt/mTOR信号通路,将自噬恢复到基础水平;不足的是,蝉拟青霉发酵黄芪尚未引入临床研究,因此需要更多的专家学者进行深入探索。迄今为止,黄芪补肾活血汤、黄芪熟黄散瘀方、黄芪益肾颗粒等以黄芪为主要成分的中药制剂已引入临床使用,对DKD患者肾脏的保护作用已得到广泛认可[43-45]。

5.4三七总皂苷 三七总皂苷(panax notoginseng saponins,PNS)以三七皂苷R1 (notoginsenoside R1, NR1)为主要活性成分,因其具有抗炎、抗菌、抗氧化和抗肿瘤的特性备受关注[45]。Guo等[47]发现PNS调控IRS1/PI3K/Akt信号通路和葡萄糖受体表达,可缓解骨骼肌胰岛素抵抗。有研究通过蛋白印迹分析发现 DKD大鼠的足细胞横膈膜上的跨膜受体分子肾病蛋白和足细胞素表达呈现低水平状态,其血清中肿瘤坏死因子-α等炎症因子分泌增加,PI3K和Akt磷酸化减弱;NR1以剂量依赖性方式提高肾病蛋白和足细胞素,抑制促炎因子的转录,使PI3K/Akt/mTOR信号通路磷酸化进而启动足细胞自噬[48]。NR1还可通过上调α3β1整合素充分改善足细胞间的黏附能力[49]。一项荟萃分析对临床中投入使用的PNS制剂例如血塞通注射液和三七皂苷片等多种药物的疗效进行二次评估,结果表明PNS通过抑制氧化应激引起的足细胞凋亡,优化血脂代谢,有效避免引起DKD恶化的危险因素[50]。

5.5通络地龟汤 Han等[51]特异性敲除DKD大鼠足细胞自噬基因Atg5后,足细胞内发生蛋白聚集、线粒体损伤,足突消失,自噬活性降低;通络地龟汤治疗后自噬标记物微管相关蛋白轻链3-Ⅱ与自噬效应蛋白表达显著增加,mTORC2蛋白表达降低,证实通络地龟汤使得PI3K/Akt/mTOR通路受抑制,使自噬通量增加以延长足细胞寿命。有研究使用通络地龟汤对DKD Ⅳ期患者进行治疗,患者 24 h 尿蛋白定量、血肌酐、尿素氮、空腹血糖及血尿酸均较治疗前降低,估算肾小球滤过率、白蛋白均较治疗前升高,血液及尿液中白介素水平减低,存在于肾脏的炎症小体核苷酸结合寡聚化结构域样受体热蛋白结构域相关蛋白3的表达减少,不良事件仅有轻微腹泻[52-53];此外,通络地龟汤可降低血浆醛固酮水平,提高尿钠排泄率,降低血压变异性[54]。总而言之,通络地龟汤作为一种复合中药制剂,在延长足细胞寿命、保持肾脏滤过屏障稳定、延缓肾脏纤维化方面颇有效果。

6 小结与展望

以PI3K/Akt/mTOR 为轴的信号通路通过激活自噬,可清除病原体及细胞内衰老损伤的细胞器,调节细胞周期与能量代谢,减少氧化应激给足细胞带来的不可逆性损伤,减缓DKD患者的肾功能恶化。中药延缓DKD 进展的作用有目共睹,研究中药靶向PI3K/Akt/mTOR信号通路调节自噬的分子机制和相关作用靶点,实现对疾病精准有效的干预,对指导临床医师合理用药以及药物研发具有举足轻重的意义。