Wnt信号通路对2型糖尿病合并缺血性脑卒中调控作用及机制的研究进展

陈素芹，李 昂，陈浩生，黄 刚，李中贵，福 利，陈晓瑜

缺血性脑卒中定义为脑、脊髓或视网膜梗死[1]，占全球脑卒中的71%，其中66.67%的病人分布在发展中国家[2]。我国作为最大的发展中国家，拥有占全球约20%的人口，随着人口老龄化、生活方式改变，我国心脑血管疾病发生率呈升高趋势。2型糖尿病是胰腺β细胞功能障碍和靶器官胰岛素抵抗，引起胰岛素相对缺乏。肥胖、久坐生活方式和老龄化人口增加导致2型糖尿病发病率和患病率升高[3]。2型糖尿病作为2015年第6大致残原因[4]，给个人带来了巨大的经济压力，同时增加了全球卫生经济成本[5]。脑卒中是2型糖尿病主要的并发症，使缺血性脑卒中风险增加了2.5倍，同时增加认知功能障碍风险[6]。糖尿病病人和非糖尿病病人脑卒中模式存在明显差异。与出血性脑卒中比较，糖尿病病人发生缺血性脑卒中风险更高，其中腔隙性脑梗死(即直径0.2～15.0 mm的小面积非皮质脑梗死)是常见的脑卒中类型，可能是由于糖尿病提高微血管病变所致。糖尿病与脑卒中再发风险增加、更大的功能残疾、更长的住院时间和更高的死亡率有关[7-8]。2型糖尿病相关的脑卒中发病机制复杂，是由多因素造成的，具体机制尚未明确。鉴于人口老龄化和2型糖尿病发病率日渐增长，明确2型糖尿病与大脑疾病之间的作用机制至关重要。综述Wnt信号通路在2型糖尿病合并缺血性脑卒中调控及作用机制中的研究进展。

1 缺血性脑卒中概述

缺血性脑卒中分为3个病理过程：急性期、亚急性期和慢性期[9]。急性期是指脑血管快速闭塞几分钟到几小时，由于氧和葡萄糖消耗、三磷酸腺苷(ATP)缺乏、细胞扩散性去极化、兴奋性毒性物质释放，导致细胞坏死。由于兴奋性毒性物质、活性氧等扩散到邻近细胞，形成了一个缺血核心周围低灌注、无电功能的缺血半暗带。有研究显示，神经功能缺失多数是由于缺血半暗带神经无功能导致[10]。若得到及时再灌注，缺血半暗带神经元可恢复正常功能。目前治疗缺血性脑卒中的手段包括静脉溶栓和/或血管内血栓切除术[11]。静脉溶栓可降低脑卒中发病后4.5 h内致残率[12]。血管内血栓切除术即通过导管血管造影术进行的机械性血栓取出术，可降低大血管闭塞6 h内病人致残率[13]，结合脑灌注成像进行评估，可筛选脑卒中后24 h内的病人[14]。静脉溶栓和血管内血栓切除术与时间关系密切[12，15]，治疗时间窗外的病人缺乏有效的治疗措施。脑卒中亚急性期，缺血核心延伸至半暗带，显著增加了神经元损害数量[16]。数周至数月的慢性期，出现复杂的恢复过程，如碎片清除、细胞发育、突触发育和重塑[17]。其中，神经再生激活和神经修复治疗成为近年来研究的新热点。

2 糖尿病对脑卒中的影响

糖尿病可影响脑卒中病程，高血糖增加了氧化应激，导致糖尿病相关微血管并发症发生[18]。高血糖引起活性氧过量产生，抑制了糖酵解关键酶3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GADPH)作用。活性氧对GADPH的抑制机制：活性氧诱导DNA链断裂，DNA链断裂激活DNA修复酶聚ADP核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase，PARP)；活化的PARP进一步修饰GADPH并抑制其活性。急性脑卒中病人高血糖较常见，可能与应激反应及糖代谢异常有关。脑卒中引起广泛的应激反应，激活下丘脑-垂体-肾上腺轴，导致血清糖皮质激素水平升高，交感神经系统激活和儿茶酚胺释放增加。应激激素水平增加促进糖异生和糖原降解释放葡萄糖，并抑制由胰岛素介导的糖酵解，导致血糖升高。有研究表明，脑卒中急性高血糖与较大的梗死体积、较长的住院时间、较差的功能恢复和较高的30 d死亡率相关[19]。大脑中动脉闭塞动物模型中，与正常血糖大鼠相比，高血糖使弥散加权成像平均病变体积增加了118%，大脑半球血容量减少了37%[20]。高血糖通过增加氧化应激，刺激全身炎症和增加血脑屏障通透性，增强再灌注损伤。伴有糖尿病和高血糖的急性缺血性脑卒中病人血小板聚集和黏附增加。格拉斯哥进行的一项研究表明，校正了年龄、脑卒中严重程度和脑卒中亚型，高血糖脑卒中病人预后较差[21]。

急性高血糖和高胰岛素血症通过降低游离组织纤溶酶原激活物(tissue-type plasminogen activator，tPA)活性，提高纤溶酶原激活物Ⅰ型抑制剂活性，从而降低tPA治疗病人的血浆纤溶酶活性，导致tPA血管再通率降低。接受静脉溶栓治疗的脑卒中病人，急性高血糖可延迟缺血半暗带再灌注时间。高血糖降低了临床疗效，增加了症状性脑出血发生率，降低了溶栓治疗再通率[22]。

3 Wnt信号通路

Wnt信号已证明是中枢神经系统发育和成熟过程中重要的信号通路之一[23]，在胚胎发育[24]、突触结构和神经元功能的建立和维持[25]中发挥着重要作用。目前，细胞存在3种Wnt途径：经典Wnt/β-catenin途径、平面细胞极性(planar cell polarity，PCP)途径[26]和Wnt/Ca2+途径[27]。Wnt信号通路配体由分泌型脂质修饰糖脂蛋白家族组成。Wnt蛋白通常分为经典Wnt途径配体Wnt1蛋白家族(包括Wnt1、Wnt2、Wnt3、Wnt3a、Wnt7a、Wnt8b和Wnt10b)和非经典Wnt途径配体Wnt5a蛋白家族(包括Wnt4、Wnt5a和Wnt11)[28]。经典的Wnt/β-catenin途径中，Wnt与跨膜受体卷曲蛋白(Frizzled)和共受体低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP5/6)结合以募集Dvl蛋白，抑制由细胞质糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)、APC和Axin组成的复合物活性，引起β-catenin去磷酸化，从而不被蛋白酶降解。β-catenin在细胞质中聚集并迁移至细胞核，细胞核中β-catenin与转录因子T细胞因子(TCF)/淋巴增强因子(LEF)结合形成复合物，引起50个以上靶基因[包括c-myc、cyclin D1、Axin2、金属蛋白酶、CD44、过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)等]转录，参与细胞增殖、存活、分化、神经发生和炎症等调控[29]。无Wnt配体情况下，β-catenin氨基末端区域不断被Ⅰ型酪蛋白激酶(CK-1)和GSK-3β磷酸化，并通过蛋白酶体机制促进其泛素化和降解，从而阻止β-catenin介导的核转录。

4 Wnt信号通路对缺血性脑卒中的保护作用

缺血性脑卒中急性期，细胞存活和凋亡受Wnt/β-catenin信号通路调控[30]。β-catenin将细胞内肌动蛋白细胞骨架与N-钙黏蛋白连接起来，N-钙黏蛋白负责黏附细胞与细胞的接触。细胞质内过量的β-catenin与Axin1/扩增子(APC)/GSK-3β复合物结合，被磷酸化及进一步降解。细胞外Wnt与其受体的结合刺激破坏了这种复合物，使β-catenin积累并进入细胞核诱导负责细胞存活基因表达。缺血导致Wnt信号通路抑制显著增加了神经元死亡[31]。FRAT1蛋白介导Axin1/GSK-3β复合物的解离并抑制β-catenin降解[32]。因此，过表达FRAT1可挽救缺血性死亡的神经元[33]。

除了神经元外，Wnt/β-catenin信号通路对神经系统其他的细胞亦有重要的作用。通过抑制炎症反应，调节小胶质细胞型转换，减少炎性细胞因子释放，参与蛛网膜下腔出血所致的早期脑损伤[34-35]。Wnt3/β-catenin与骨形成蛋白(BMP2)信号通路促进神经干细胞分化为神经元和少突胶质细胞[36]。Axin2参与缺氧缺血和胶质脑损伤中的新生白质损害，成人多发性硬化中的未成熟少突胶质细胞祖细胞(OLP)病变。Wnt5a/Ca2+通路在线粒体动力学中发挥着保护海马神经元免受β-淀粉样蛋白寡聚体神经毒性的作用[37]。Dvl1和Wnt7a参与神经终末突触间Wnt信号传递，促进神经递质释放[38]。Wnt在动脉粥样硬化过程中具有重要的调控作用[39]。

各种脑损伤或脑缺血可刺激成人神经再生，这些新生神经元沿着血管向损伤区域迁移，并修复受损组织[40]。受病理刺激后，神经前体细胞在其他非神经源性区域被激活，如Str等[41]。Wnt/β-catenin信号通路具有促进不同器官组织干细胞活性修复和再生的能力，在与年龄相关的疾病发病机制和治疗中发挥着关键的作用。脑卒中高发人群为老年人，因此Wnt/β-catenin在神经修复中具有重要的临床意义[42]。神经系统中，Wnt信号通路的激活促进与神经干细胞生存、增殖和分化相关的Wnt目标基因转录[43-44]。Wnt/β-catenin信号在脑室下区(SVZ)和海马齿状回的亚粒状区(SGZ)中从干细胞的激活到神经元的分化水平对成年神经发生有积极的调节作用[45]。

Wnt信号在神经发育中发挥着重要的作用，Wnt基因突变可干扰心室区域神经干细胞增殖和分化[46]。Wnt3是Wnt基因表达的关键分子之一，是成年神经干细胞分化的主要调节因子。Wnt3过度表达在体外和体内增加海马干细胞/祖细胞(AHPs)的神经发生[47]。Wnt3a和Wnt5a可增加胚胎和成年小鼠大脑中神经元前体细胞(NPC)的增殖和神经元分化，通过增加NPC神经元，抑制其向胶质细胞分化[48]。使用慢病毒下调成人齿状回中的Wnt信号，几乎可完全消除成人再生神经元形成，不影响其他脑区的祖细胞分裂[49]。Wnt对音猬因子(Shh)的时间和空间拮抗作用可协调中脑基底神经发生，产生多巴胺神经元[50]。转录因子Sox2的敲除结合Wnt信号通路激活转录因子NeuroD1的表达，转录因子NeuroD1对成年神经元的生存和成熟至关重要[51]。

Wnt1通路的下游靶点是Wnt1诱导信号通路蛋白1(WISP1)，是一种存在于大脑、上皮、心脏、肾脏、肺、胰腺、胎盘、卵巢、小肠和脾脏中的蛋白质[52]。WISP1被称为CCN4，是6种分泌性细胞外基质相关CCN家族的一员，是骨骼系统发育、血管修复、细胞存活和细胞外基质生长的介质。WISP1可阻止p53介导的DNA损伤和凋亡，抑制Caspase激活[53]。在神经系统损伤再生和修复过程中，WISP1可能具有关键作用。氧化应激情况下，WISP1在神经元中的表达增加，WISP1通过降低Bim/Bax复合物表达，增加Bclx(L)/Bax复合物表达，阻断Caspase-3激活，阻止细胞色素C释放等，保护神经元[54]。WISP1通过调控细胞代谢和细胞存活调节因子FoxO3a，保护神经元[55]。

5 糖尿病对Wnt通路的损害机制

Wnt通路参与脂质代谢、葡萄糖稳态和能量平衡控制。Wnt在糖尿病发生发展过程中发挥着复杂的调控作用[56]。糖尿病发展过程中Wnt通路受损[57]，Wnt通路障碍导致2型糖尿病发生[58]。糖尿病通过上调Dickkopf-1抑制Wnt通路，挽救Wnt通路，对神经损害发挥着保护作用[59]。妊娠糖尿病导致Wnt通路受损并引起胚胎发育异常[60]。青少年糖尿病病人由于Wnt/β-catenin下调，导致成骨过程抑制，骨矿物质密度降低，易出现骨折[61]。糖尿病导致经典Wnt3/β-catenin通路受损，小胶质细胞转化为促炎的M1型，加重神经系统炎症反应[62]。糖尿病导致Wnt通路受损的机制尚未明确，但氧化应激可能发挥着一定的作用。有研究表明，过表达超氧化物歧化酶1可清除过氧化物，减轻Wnt通路受损，导致胚胎发育缺陷[63]。有研究表明，microRNAs对Wnt通路有调控作用，说明Wnt调控系统的复杂性。miR-8通过抑制质膜上Wnt-Fz相互作用和减少细胞内的T细胞转录因子(TCF)蛋白，拮抗Wnt信号[64]。miR-15a和miR-16-1可拮抗Wnt信号[65]。

L5是2型糖尿病病人、高胆固醇血症病人或吸烟病人中的一种带高度负电荷的低密度脂蛋白胆固醇[66]。无体外氧化的情况下，L5由凝集素样氧化受体-1介导，通过成纤维细胞生长因子2(FGF2)-磷酯酰肌醇3-激酶(PI3K)-丝氨酸苏氨酸激酶(Akt)破坏FGF2自身调节，抑制Wnt通路，诱导血管内皮细胞凋亡并抑制血管祖细胞分化；通过抑制PI3K-Akt活化，抵消CD133+祖细胞的血管生成作用。急性心肌梗死的非糖尿病病人中，通常出现CD133+血管祖细胞激增，这种代偿反应在2型糖尿病病人中受到抑制[67]，说明2型糖尿病病人Wnt通路受损。糖尿病病人L5生成机制尚不明确，可能与脂肪细胞功能障碍有关。有研究显示，糖尿病通过上调Wnt通路抑制蛋白骨硬化蛋白(Sost)和Dickkopf相关蛋白1(Dkk1)，抑制Akt激活和Wnt信号[68]。

促红细胞生成素(EPO)是糖尿病的一个重要营养因子，可防止视网膜和光感受器受到氧化应激[69]和糖尿病[70]等损伤。EPO对糖尿病具有多种保护作用，可减轻晚期糖基化物介导的施旺细胞氧化应激和凋亡[71]，保护内皮细胞[72]，促进糖尿病期间伤口愈合[73]。长期使用EPO可能对缺血后的修复有作用[74]，并减少癫痫发作[75]。EPO可阻断糖尿病期间周围神经损伤。EPO对糖尿病和氧化应激的保护作用依赖Wnt通路。血糖升高时Wnt表达减少，EPO可防止由高血糖导致的Wnt1表达丢失。使用Wnt1抗体阻断Wnt1通路后，EPO无法表现出保护作用，表明Wnt1通路在EPO对糖尿病的保护机制中发挥关键作用[72]。有研究表明，EPO通过Wnt信号通路控制糖尿病中的促凋亡叉头转录因子[76]，维持氧化应激情况下神经系统免疫细胞功能[77]，阻断β-淀粉样蛋白对脑的毒性[78]。

6 小结及展望

Wnt信号通路认为是糖尿病过程中重要的神经保护成分，可调节干细胞增殖、修复糖尿病创面、逆转认知功能下降、促进血管再生和减少细胞凋亡。Wnt和WISP1是调控哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)的主要途径。糖尿病可影响Wnt通路，加重缺血性脑卒中损害，挽救Wnt通路，可能在一定程度上保护神经元。临床前期实验中，Wnt信号通路的激活是需要重点研究的内容。由于Wnt信号和生长因子过度激活可能导致细胞向肿瘤方向发展。WISP1作为一种增殖性蛋白，可促进组织再生同时导致肿瘤生长。今后需探索并阐明Wnt信号通路在糖尿病合并缺血性脑卒中的调控机制，为临床应用提供可靠的依据。