PI3K/AKT信号通路在2型糖尿病患者种植体骨结合中作用机制的研究进展

董 硕，汤春波

目前我国成人糖尿病患者数量高达1.14亿，且仍在不断增加。与非糖尿病患者相比，糖尿病患者牙齿缺失的风险更高，且糖尿病患者缺牙区牙槽骨常伴不同程度的骨质疏松、骨缺损、骨愈合延迟等病变[1]，愈合时间延迟1.6倍且容易愈合受损[2]。种植义齿因其舒适、美观、咀嚼效率高，已成为缺牙患者首选治疗方案，但糖尿病仍是种植治疗的相对禁忌证。糖尿病是一组由遗传和环境因素相互作用而产生的以慢性高血糖为特征的代谢异常综合征，涉及多个系统和多重机制，现阶段对于糖尿病影响种植体骨结合的确切机制尚未完全阐明。PI3K/AKT信号通路是人体内较为重要的细胞信号通路，它可以促进成骨细胞的增殖和分化，并参与下游核转录因子kappa B(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)受体激活因子和巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor，M-CSF)受体的信号传导。该信号通路在破骨细胞分化和存活以及骨吸收中起重要作用，抑制PI3K/AKT信号通路的活性会削弱破骨细胞骨吸收[3]。同时，PI3K/AKT/mTOR也是响应胰岛素信号传导的经典途径。胰岛素首先与细胞表面受体结合，并通过胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate1，IRS1)激活PI3K-AKT途径，AKT可直接促进葡萄糖的吸收[4]。2型糖尿病的发病机制主要在于不能有效使用胰岛素，同时不能产生足够数量的胰岛素来克服胰岛素抵抗，最终导致相对或绝对胰岛素缺乏。由此可见，PI3K/AKT信号通路在糖尿病和口腔种植体骨结合中均具有重要的调节作用。

1 PI3K/AKT信号通路的概述

1.1 PI3K

磷脂肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)是一种与细胞转化和胰岛素反应相关的脂质激酶，是G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors，GPCRs)和酪氨酸激酶受体(receptor tyrosine kinases，RTKs)的下游效应因子，磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)是一种特殊类型的膜脂，它可以经过可逆的磷酸化生成磷酸肌醇[5]。PI3K是一种由催化亚基p110和调节亚基p85组成的异源二聚体。调节亚基p85可与目标蛋白结合，整合广泛的来自跨膜和细胞内蛋白质的信号，进行构象修饰，从而激活p110亚基[6-7]。p85包括SH2和SH3结构域，SH2区能够催化PI磷酸化，SH3区负责与胰岛素受体底物结合。p85分为5种异构体：p85α、p85β、p55α、p558α及p50。催化亚基p110包括：p110α、p110β、p110δ、p110γ 4种异构体。根据p110结构特点和底物分子差异，主要是序列同源性和脂质底物偏好，将PI3K分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个亚型。

PI3K Ⅰ型因活性多样，研究最为深入。根据所结合的亚基不同，PI3K Ⅰ型分为ⅠA及ⅠB两种亚型：ⅠA型PI3K主要经由RTKs传递信号，催化亚基p110主要是p110α、p110β、p110δ三种，调节亚基主要为p85α；而ⅠB型主要通过连接GPCRs传递信号，催化亚基主要是p110γ，通过与调节蛋白结合介导GPCRsβ、γ亚基对p110的活化[8]。RTK将Ⅰ类PI3Ks吸收到质膜中，解除p85和p110的失活功能，激活蛋白质[9]。

1.2 AKT

被激活的Ⅰ型PI3K使底物磷脂酰肌醇4，5-二磷酸(phosphatidylinositol 4，5-diphosphate，PIP2)磷酸化，形成胞内膜上磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸(phosphatidylinositol 3，4，5-triphosphate，PIP3)，随后招募信号蛋白，包括AKT，即蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)[10]。通过细胞外刺激激活PI3K可以导致几乎所有细胞和组织中AKT的激活。AKT属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，根据丝氨酸/苏氨酸残基的不同，常分为三种亚型(AKT1、AKT2和AKT3)。AKT1广泛表达于多种组织中，AKT2主要在脂肪组织、肝脏等胰岛素敏感组织中表达，AKT3主要在睾丸和大脑中表达。AKT主要包括N端、中间激酶区及C端，氨基端的PH区是高度保守的重要的功能区域[11]。AKT的激活主要通过两个关键的磷酸化过程。首先是磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(phosphoinositol-dependent protein kinase 1，PDK1)磷酸化激酶结构域中的308位苏氨酸，启动了活化过程[12]，紧接着通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物2(mammalian target of rapamycin complex 2，mTORC2)磷酸化羧基末端，调控结构域的473位丝氨酸[13]，从而激活AKT。

2 PI3K/AKT信号通路在糖尿病中的研究进展

2型糖尿病是一种以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，并伴有心血管疾病、肥胖、微血管病变、肾衰竭等多种并发症。以往研究表明，2型糖尿病与胰岛素抵抗相关。

2.1 PI3K/AKT信号通路调节糖代谢

PI3K激活AKT，AKT通过磷酸化一系列下游底物来调节许多过程，包括代谢、增殖、细胞存活和凋亡。激活的AKT2主要在胰岛素反应组织中表达，通过介导胰岛素诱导的葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)易位到细胞表面来负责调节葡萄糖摄取。它还调节糖原形式的葡萄糖的储存。在细胞内，AKT通过刺激己糖激酶将葡萄糖转化为葡萄糖6-磷酸。AKT通过糖酵解调节葡萄糖6-磷酸和糖原合成酶激酶3(glucose 6-phosphate and glycogen synthase kinase 3，GSK3)，产生细胞能量，并促进糖原的产生[14]。叉头框蛋白O1(forkhead box O1，FoxO1)是AKT的主要下游靶点，可影响全身的能量稳态[15]。FoxO1和过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共同激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC1α)协同调节基因表达，以增加糖异生和脂肪酸氧化[16]。另一方面，FoxO1诱导磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶基因的表达，进一步促进糖异生作用。AKT还可直接抑制FoxO1，降低机体内葡萄糖水平[17]。除此之外，AKT下游底物GSK3抑制糖原合成酶，促进糖原合成[18]。因此，PI3K/AKT通过FoxO1和GSK3调控葡萄糖代谢，一定程度上降低机体内葡萄糖水平，改善高血糖微环境，减少氧化应激对细胞造成的损伤。

2.2 胰岛素抵抗

胰岛素作用于细胞膜表面的胰岛素受体后主要通过PI3K/AKT途径及丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)两种途径来控制细胞生长、代谢和存活。其中，PI3K/AKT途径相关信号蛋白的活化在控制体内营养平衡和器官存活中具有重要作用。有证据指出，胰岛细胞中的AKT1激活增加了β细胞质量和胰岛素产生[19]。AKT信号传导在胰岛素抵抗状态的代谢组织中减弱，这是2型糖尿病的基础，胰岛素抵抗有一部分是通过PI3K/AKT信号网络固有的反馈和串扰机制的慢性激活而发生的，激活AKT的能力下降会破坏胰岛素的关键代谢作用[20]。

鉴于不同组织器官的功能及信号系统不同，下面分别从大脑、肝脏、脂肪组织三方面阐述胰岛素抵抗与PI3K/AKT信号通路研究进展。

在大脑中，配体激活PI3K/AKT信号通路，抑制下丘脑的食物摄入。该信号还通过调节肝脏抑制肝脏内葡萄糖的生成，通过调节脂肪组织抑制脂肪分解。当配体不能通过血脑屏障，内质网应激发生时，脑内就会发生胰岛素抵抗，导致PI3K/AKT通路受损。大脑胰岛素抵抗中PI3K/AKT通路的三种功能受到干扰：第一，胰岛素抵抗期间，由于炎症和内质网应激及蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)活性的增加，胰岛素信号被阻断[21]，PI3K生成PIP3减少；第二，在下丘脑神经元中，FoxO1在正常条件下，上调神经肽的表达，下调阿黑皮素原(proopiomelanocortin，POMC)的表达，而这在胰岛素抵抗时被AKT抑制，作为对大脑中胰岛素抵抗的反应，FoxO1在POMC神经元中的过度表达会导致肥胖和暴食[22]；第三，根据Ono等[23]的研究，通过激活下丘脑神经元中mTOR复合物1下游效应物S6蛋白激酶1(S6 protein kinase-1，S6K1)，可降低IRS1和AKT的刺激，导致肝脏胰岛素抵抗，Wang等[24]指出促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)可上调EPO受体PI3K和磷酸化AKT2，进而改善与糖尿病相关的疾病体内和体外认知功能障碍，起到神经保护的作用。

在肝脏中，向AKT传递胰岛素信号对抑制肝脏葡萄糖生成和刺激脂质合成至关重要。胰岛素通过AKT介导的磷酸化和抑制FoxO1来抑制肝细胞中的糖异生，FoxO1在禁食状态下留在细胞核中，诱导关键的糖异生酶PEPCK和葡萄糖-6-磷酸酶的表达。除此之外，在肝脏特异性缺失AKT1和AKT2的小鼠中，不受控的肝脏葡萄糖生成和胰岛素抵抗可以通过FoxO1的共同缺失而逆转，而这提供了明确的遗传学证据，表明抑制FoxO1是AKT在肝脏中的重要功能[25]。

脂肪组织是能量储存的主要器官。肥胖是2型糖尿病和胰岛素抵抗发生发展的重要危险因素[26]。体内的脂肪酸主要有以下两种来源：一是甘油三酯通过脂肪分解释放游离脂肪酸，还可由葡萄糖转运蛋白摄取糖原转化生成脂肪酸。除此之外，视网膜母细胞瘤蛋白-1(retinoblastoma protein 1，RB1)和复合物K(compound K，CK)通过抑制脂肪组织中内质网应激诱导的炎症反应，改善脂肪组织中的IRS1/PI3K/AKT信号传导，减轻胰岛素抵抗[27]。在内脏脂肪组织中，MiR-26b可通过抑制其靶基因张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homologue，PTEN)调节胰岛素刺激的AKT激活，促进胰岛素刺激的葡萄糖摄取，并通过PTEN/PI3K/AKT途径显著增加胰岛素敏感性[28]。

2.3 PI3K/AKT信号通路在糖尿病中的临床应用

王凌晓等通过对已发表的RNA测序数据的生物信息学分析，探索2型糖尿病影响骨代谢的关键基因，结果表明：mpd3、Itga10和rno-mir-207是2型糖尿病骨整合的可能生物标志物。这项研究揭示了2型糖尿病骨代谢紊乱引起的异常骨结合的可能分子机制[3]。另外，Sharma等[29]研究表明：小扁豆提取物可以通过改善糖尿病小鼠骨骼肌 PI3K/AKT途径的关键效应分子IRS、AKT、PI3K和GLUT4的活性，调节葡萄糖摄取和稳态，缓解胰岛素抵抗。Zheng等[30]研究发现：红景天苷通过激活与线粒体相关的AMPK/PI3K/AKT/GSK3β途径来改善细胞代谢流量，降低血糖和血清胰岛素水平，改善胰岛素抵抗，从而发挥抗糖尿病作用。

由上述可知，PI3K/AKT信号通路可改善胰岛素抵抗，增加葡萄糖利用率，调节脂质和葡萄糖代谢平衡，增加胰腺中的胰岛素生成。因高糖环境会显著促进活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生，ROS会破坏细胞氧化-抗氧化平衡，导致细胞功能障碍和器官损伤。Wang等[31]研究表明：胰岛素可通过PI3K/AKT途径在体外治疗减少ROS的产生，改善细胞的氧化应激，减轻细胞功能障碍。

3 PI3K/AKT信号通路在种植体骨结合过程中的研究进展

3.1 PI3K/AKT信号通路激活利于成骨细胞分化

Kawamura等[32]指出，PI3K/AKT途径及其下游靶点是骨吸收和骨形成的关键调节因子，研究显示：α-硫辛酸可通过调节PI3K/AKT途径抑制高糖诱导的ROS产生，减轻细胞的氧化损伤，并刺激细胞的增殖、成骨分化和矿化[33]。颌骨中的骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是骨组织构建的重要内源性干细胞来源，在骨缺损修复过程中，BMSCs通过增殖并分化为成骨细胞，分泌骨组织再生所需的相关细胞外基质和活性因子。其功能调控涉及到转录水平和转录后水平，由细胞外环境的机械刺激和信号分子精确调控[34]。动物实验显示高糖情况下种植体周围BMSCs的功能受损、成骨分化能力下降是导致种植体骨结合不良的关键因素[35]，那么，高糖环境下如何促进成骨细胞分化是保证种植体骨结合的关键。目前认为，PI3K/AKT信号通路也是成骨细胞分化、增殖过程中的重要通路，同时，AKT的磷酸化水平也可以作为衡量成骨细胞分化的重要指标。AKT是成骨细胞和破骨细胞中一个重要调节因子，Zhang等[36]在体外成功培养大鼠成骨细胞后，用PI3K特异性抑制剂LY294002 观察PI3K在其中的作用，显示PI3K抑制剂明显抑制了细胞的生长、凋亡，诱发了成骨细胞的功能紊乱，并伴有AKT的失活。这表明在大鼠成骨细胞中PI3K特异性抑制剂LY294002可降低AKT磷酸化水平，通过调节AKT通路，使大鼠成骨细胞失活后引起细胞的凋亡，由此证明PI3K/AKT通路可调节成骨细胞的分化与增殖。

3.2 PI3K/AKT信号通路促进血管生成和骨结合

PI3K/AKT通路参与血管张力调节、血管生成、黏附控制和白细胞向血管壁募集等典型内皮功能。在内皮细胞中，磷酸肌醇3-激酶在几种受体的下游被激活，包括GPCRs(如趋化因子受体)、酪氨酸激酶(如血管内皮生长因子受体)、整合素和死亡受体。反过来，磷酸肌醇3-激酶信号通路通过磷酸化内皮一氧化氮合酶促进一氧化氮释放，促进血管生成、内皮祖细胞的募集和增强细胞活力[37]。血管重塑的特征是血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)激活，导致基质沉积，细胞因子分泌和细胞增殖到损伤区域。PI3K/AKT是VSMC中mTOR的上游激活剂，高度增殖的新内膜VSMC，类似于胚胎VSMC，表现出AKT和mTOR的高构成性表达[38]。

激活PI3K/AKT信号通路可以促进血管内皮细胞的生成，改善种植体周围的血供，以增强种植体的骨结合。在骨骼发育和愈合中，一些生长因子是由损伤的牙槽骨血管中的血小板外渗释放出来的，例如血小板衍生生长因子、转化生长因子β、成纤维细胞生长因子和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)。以往研究显示，VEGF是重要的血管生成调节因子，对成骨至关重要，并且是组织伤口愈合所必需的[39]。AKT信号传导网络在血管生成和血管重塑中起重要作用，VEGF激活AKT1刺激内皮细胞增殖、迁移和存活[40]。这与控制血管张力的内皮一氧化氮合酶是内皮细胞中AKT1特异性底物的发现一致[41]。除此之外，Martins等[42]研究指出：富含钛的培养基通过上调内皮细胞中的PI3K/AKT信号传导以维持其血管生成表型。目前研究表明：PI3K/AKT信号通路参与改善高糖下的成骨分化，这在临床应用中有一定的体现。Ma等[43]指出：格列美脲通过激活内皮一氧化氮合酶可以在高糖下诱成骨分化，此种生物学行为主要依赖于高葡萄糖微环境中的PI3K/AKT信号通路。另外，Ying等[44]研究发现：水飞蓟宾可通过抗氧化作用和PI3K/AKT通路的调节来减弱高糖介导的人BMSCs功能障碍。由此可见高糖情况下，PI3K/AKT信号通路的参与有利于成骨分化。

4 展 望

2型糖尿病是一组代谢异常综合征，特征在于靶组织中的胰岛素抵抗和慢性高血糖。目前对糖尿病影响种植体骨结合的确切机制尚未完全阐明。PI3K-AKT信号通路与代谢密切相关，通过分别研究PI3K/ALT信号通路在糖尿病和口腔种植体骨结合过程中的作用机制，以此为突破点探索2型糖尿病患者种植体骨结合过程中相关的关键失调信号介质以及细胞功能重建的潜在靶点，为研发临床可应用的小分子试剂及新靶点介导的骨组织再生及临床转化研究奠定理论基础，有望为糖尿病患者骨缺损的临床治疗提供新的研发线索，具有重要的临床意义与应用价值。