基于PI3K/Akt信號通路探討中醫(yī)藥干預(yù)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的研究進展

李文廣，謝興文，顧玉彪，黃晉，翟柏宇，王小強，李輝

（1.甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省第二人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050）

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（KOA）是一種以膝關(guān)節(jié)滑膜增厚纖維化、關(guān)節(jié)軟骨退變受損、下肢力線改變、肢體屈曲攣縮為主要病理改變的退行性疾病，是骨科發(fā)病率最高的疾病之一［1］。隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展和生活節(jié)奏加快，KOA 在肥胖人群和中老年人群中發(fā)病率明顯上升，并且該病還呈現(xiàn)發(fā)病逐漸年輕化的趨勢［2］?，F(xiàn)階段針對KOA 患者的臨床治療主要以緩解疼痛、控制病情為主要原則，常選用物理治療、藥物治療或外科治療等措施，但存在不同程度的局限性，導(dǎo)致患者預(yù)后不佳并且復(fù)發(fā)率高［3］。據(jù)統(tǒng)計，全球膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的總患病率為14.8%～16.2%，在50 歲以上的人群中發(fā)病率更是達到49.1%～51.3%，致殘率可達到52.5%～53.6%［4］。國內(nèi)流行病學研究顯示，中國40 歲以上中老年人膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎總患病率為17.0%。西醫(yī)對于KOA 的治療早期是以口服非甾體抗炎、氨糖類藥物以緩解疼痛、保護軟骨以及進行關(guān)節(jié)腔封閉治療，晚期則是以人工關(guān)節(jié)假體置換為主，這類治療具有副作用大、風險高、治療經(jīng)濟負擔較重以及患者對于治療的耐受性較差等局限性［5］。通過調(diào)節(jié)磷酸酰肌醇－3 激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinsitol3－kinase/proteinkinase B，PI3K/Akt）信號通路的活性可以對軟骨細胞的增殖、凋亡及免疫應(yīng)答等產(chǎn)生影響，增強線粒體功能，促進軟骨生長和代謝，在骨骼系統(tǒng)損傷與修復(fù)等多種生物學過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用［6］。本文通過探討PI3K/Akt 信號通路及其相關(guān)靶點在軟骨細胞代謝中的機制，以及軟骨穩(wěn)態(tài)對疾病的影響，以期為中醫(yī)藥防治KOA提供新方向。

1 PI3K/Akt信號通路及軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)

1.1 PI3K/Akt信號通路的組成

磷脂酰肌醇3－激酶（phosphoinositide3－kinase，PI3K），是一種位于細胞胞質(zhì)的脂質(zhì)激酶，分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。PI3K 可以調(diào)控細胞膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、膜轉(zhuǎn)運和代謝過程，對于絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）和磷脂酰肌醇激酶都具有活性，發(fā)揮不可替代的作用［7-8］。除此之外，PI3K 還可以作為細胞外信使參與炎性、過敏等多種反應(yīng)對細胞的生命活動進行調(diào)控［9］。

絲氨酸/蘇氨酸激酶（Akt kinase，Akt；又稱PKB），即Akt 蛋白，亦名蛋白激酶。分子量約57 kDa，分為PKB－α、β、γ 三種亞型且三種亞型，之間的活性和序列性保持高度一致。PH 結(jié)構(gòu)域、催化域和調(diào)節(jié)域為Akt 蛋白的主要結(jié)構(gòu)組成，是PI3K 下游主要效應(yīng)分子［10］。通過干預(yù)PI3K/Akt 信號通路可以激活A(yù)kt蛋白產(chǎn)生相關(guān)反應(yīng)，使之與相應(yīng)的蛋白底物進行結(jié)合，從而對機體產(chǎn)生多種生物學影響，諸如促進調(diào)節(jié)能量代謝、細胞增殖、抑制細胞凋亡和增強細胞活性等［11］。PI3K/Akt 信號通路的突變會引起人體產(chǎn)生腫瘤、癌癥等多種相關(guān)代謝性疾病，它可能引起機體正常生理功能增強或者減弱，還會導(dǎo)致體內(nèi)惡性細胞的分化及轉(zhuǎn)移［12］。

1.2 PI3K/Akt信號通路對于軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)的影響

軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)是指細胞外基質(zhì)的合成與降解達到平衡狀態(tài)，這對于維持膝關(guān)節(jié)軟骨功能有重要的影響。軟骨穩(wěn)態(tài)遭到破壞，會導(dǎo)致相關(guān)膠原蛋白和聚集蛋白聚糖的減少，增加基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）和具有血栓反應(yīng)蛋白（ADAMTSs）的去整合素，促進了膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的產(chǎn)生和發(fā)展［13］。PI3K/Akt信號通路對于調(diào)節(jié)軟骨穩(wěn)態(tài)具有十分重要的作用，有研究表明，膝骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)軟骨中PI3K/Akt 的表達明顯低于正常人。其激動劑IGF－1可以激活A(yù)kt磷酸化促進合成相關(guān)膠原蛋白，還對人軟骨細胞中IL－1β 誘導(dǎo)的NFκB 活化具有抑制作用，從而促進軟骨細胞降解。Akt蛋白的過度表達會使得膝關(guān)節(jié)軟骨細胞合成蛋白多糖更多，合成細胞基質(zhì)減少，從而破壞軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)［14］。PI3K/Akt 通路不僅對細胞外基質(zhì)的合成起促進作用，而且對于細胞外基質(zhì)的分解代謝也會產(chǎn)生影響。PI3K/Akt信號通路激動劑TGF－β能激活PI3K/Akt，通過減少炎癥反應(yīng)減輕大鼠軟骨細胞損傷，PI3K/Akt 的化學抑制劑可以抑制MMPs32 的天然抑制劑TIMP－3的表達［15］。這表明PI3K/Akt 信號通路介導(dǎo)TGF－β 對細胞外基質(zhì)分解代謝起抑制作用。有研究發(fā)現(xiàn)，激動劑IGF－1 可以激活PI3K 和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（ERK）促進相關(guān)蛋白的表達，抑制細胞外基質(zhì)的分解［16］。雖然PI3K 可能不參與激動劑IGF－1 誘導(dǎo)的MMP－13 蛋白表達，但瘦素可誘導(dǎo)軟骨細胞MMPs 表達增加，PI3K 和Akt 選擇性抑制劑可顯著降低MMPs表達，減少細胞外基質(zhì)的分解代謝，從而對關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生影響［17］。

1.3 PI3K/Akt 信號通路在膝骨關(guān)節(jié)炎形成中的作用機制

KOA 是一種關(guān)節(jié)軟骨退變引起的漸進性疾病，以膝關(guān)節(jié)滑膜炎癥、軟骨磨損、下肢力線改變、關(guān)節(jié)變性為主要病理進程。好發(fā)于中老年人，尤其以矮胖體型多見，是骨科疾病中比較常見同時也是很難治療的病種［18-19］。KOA 的發(fā)病原因主要是軟骨細胞凋亡引起膝關(guān)節(jié)軟骨退行性改變，這也是其主要病理特征。PI3K/Akt 信號通路在人體各級結(jié)構(gòu)中均有參與，既包括肉眼可見的器官、組織，也包括細胞和分子。PI3K/Akt信號通路會影響關(guān)節(jié)軟骨細胞的生長、增殖、分化、遷移和凋亡過程；在膝關(guān)節(jié)軟骨代謝過程中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，影響骨組織及軟骨細胞的生長、代謝和對化學療法的敏感性，從而在KOA 的發(fā)病進程中起到調(diào)控［20］。細胞凋亡過度，會打破機體原有的穩(wěn)態(tài)平衡，使得軟骨基質(zhì)合成受到影響而變得不足［15］，通過有效抑制軟骨細胞凋亡可以延緩KOA 疾病的進程，進而緩解患者臨床癥狀。PI3K/Akt信號通路被普遍認為是影響軟骨細胞存活的最主要通路，其具有顯著的“抗凋亡”作用，可以很迅速地將信號由細胞膜傳遞給細胞核，在多種細胞的生長、分化、遷移和凋亡的過程中起到不可替代的作用，調(diào)控軟骨細胞的增殖代謝過程，通路下游相關(guān)蛋白都對于膝骨關(guān)節(jié)軟骨凋亡起到關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用［21］。軟骨細胞發(fā)生凋亡是由PI3K/Akt 通路下游的Bad 和Caspase 蛋白引起的，這兩種蛋白屬于對膝關(guān)節(jié)軟骨細胞凋亡起到促進作用的因子；未磷酸化的Bad 和其他成分所組成的同源二聚體，激活Caspases連鎖反應(yīng)，促進細胞色素C 的進一步釋放，使細胞中線粒體的通透性增強，引起細胞的凋亡［22］。Caspase 蛋白家族可以通過兩類分子發(fā)生作用干預(yù)細胞凋亡的過程：一是通過起始Caspases因子（例如Caspase－2，8和9），接受胞質(zhì)上游發(fā)出的凋亡信號后，用其激活下游Caspase分子使之活化，Caspase－9 可激活Caspase 家族因子擴大凋亡信號，還可以起到聯(lián)系凋亡內(nèi)外源的作用；二是指激活細胞中效應(yīng)Caspases 因子（例如Caspase－3，6 等），并使之逐級活化后，進而一系列蛋白質(zhì)底物發(fā)生特異性水解，誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生凋亡。綜上所述，磷酸化后的PI3K 蛋白能夠激活下游蛋白Akt 的表達水平，使凋亡前Bad、Caspase－3 等蛋白的表達進一步下調(diào)，從而對細胞凋亡起抑制作用［23］。此外PI3K/Akt 還會對軟骨細胞的自噬產(chǎn)生影響，通過降低蛋白中PI3K/Akt 信號通路的活性，促進軟骨細胞產(chǎn)生自噬，從而增強軟骨細胞的活性，延緩細胞的凋亡進程［24-25］。

2 中醫(yī)藥干預(yù)PI3K/Akt信號通路

2.1 中藥單體

通過查閱相關(guān)文獻可以證實，在KOA 的診療中中藥有著確切的療效。目前，越來越多國內(nèi)外專家開始重視對于中藥單體的相關(guān)研究，這也充分表明中藥在KOA治療中發(fā)揮顯著的作用。

川芎嗪是一種從川芎中分離出來的具有生物活性的生物堿類物質(zhì)，有研究使用川芎嗪聯(lián)合塞來昔布膠囊進行灌胃給藥，并用蛋白免疫印跡法（Western blot）檢測實驗中各組大鼠關(guān)節(jié)軟骨組織中的PI3K/Akt 信號通路蛋白表達。結(jié)果表明，在實驗組和假手術(shù)組中，大鼠關(guān)節(jié)軟骨組織中相關(guān)蛋白表達量高于模型組。證明川芎嗪可以通過刺激軟骨組織中PI3K/Akt 信號通路，使得軟骨組織炎性因子水平降低，從而改善臨床癥狀，延緩關(guān)節(jié)軟骨病變進程［26］。

研究證明，蛇床子提取物——蛇床子素對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎具有治療作用。實驗研究發(fā)現(xiàn)，蛇床子素能夠?qū)Υ笫笱逯蠭L－1β、TNF－α 及IL－6 水平進行抑制，表明蛇床子素可通過降低炎癥因子IL－1β、TNF－α 及IL－6 水平來發(fā)揮保護KOA 大鼠軟骨組織的作用。蛇床子素可顯著降低PI3K/Akt 信號通路中相關(guān)蛋白PI3K、Akt的表達，對該信號通路的活性起到下調(diào)作用，抑制軟骨細胞的凋亡，對膝骨關(guān)節(jié)炎起到很好的治療效果［27］。

丹參有效成分丹酚酸B可以上調(diào)PI3K及Akt蛋白的表達，激活PI3K/Akt 通路進而刺激MC3T3－E1 細胞形成［28］。也有研究指出，丹酚酸A能夠通過激活PI3K/Akt信號通路中的Akt蛋白，提升Akt的磷酸化水平，這表明丹酚酸A 可能是通過上調(diào)Akt 通路的表達，對缺血的心肌產(chǎn)生保護作用［29］。同時，紫草酸鎂B（MLB）作為丹參中的有效成分，可以誘導(dǎo)Akt 蛋白產(chǎn)生磷酸化，從而提高內(nèi)皮型一氧化氮合酶磷酸化表達，使得受損大鼠后肢血流供應(yīng)恢復(fù)，解除微循環(huán)障礙［30］。

除上述中藥外，芍藥苷、青藤堿、續(xù)斷總皂苷、淫羊藿苷、楊梅素等也可以通過干預(yù)PI3K/Akt 信號通路，抑制細胞凋亡進程，對膝骨關(guān)節(jié)炎起治療作用。

2.2 中藥有效部位

杜仲中的主要成分是杜仲多糖、杜仲膠、木脂素類等化合物，這些化合成分可以促進骨髓間充質(zhì)干細胞增殖分化、誘導(dǎo)成骨細胞增殖促進骨骼代謝，起到修復(fù)受損軟骨組織的作用［31］。Western blot（蛋白免疫印跡檢測）結(jié)果顯示，大鼠骨組織中p－eNOS 含量上升，同時上調(diào)PI3K、Akt 蛋白的磷酸化水平，作為反應(yīng)PI3K/Akt 信號通路的激活標志物的p－Akt 增高，表明PI3K/Akt 信號通路被干預(yù)，對膝關(guān)節(jié)軟骨細胞的凋亡起到抑制作用［32］。說明杜仲皮水提取物能夠促進KOA 大鼠脛骨組織PI3K、Akt mRNA 的激活，為PI3K/Akt 信號通路磷酸化提供源源不斷的底物，最終實現(xiàn)改善KOA大鼠炎癥、逆轉(zhuǎn)骨損傷的作用［33］。

有藥理學研究發(fā)現(xiàn)，中藥牛膝治療膝骨關(guān)節(jié)炎的主要成分是牛膝總皂苷、牛膝多糖、黃酮類及微量元素，這些成分主要起到消炎、抗氧化以及軟骨修復(fù)等治療作用［34］。有學者通過網(wǎng)絡(luò)藥理學研究KEGG 通路富集分析發(fā)現(xiàn)，牛膝中的有效成分可以通過上調(diào)PI3K/Akt 信號通路的表達，使其發(fā)揮有抗軟骨細胞凋亡和抗自噬作用［35-36］，從而減緩關(guān)節(jié)軟骨的退化；有研究通過篩選牛膝影響白介素－17 相關(guān)的信號通路，發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt 信號通路可以通過腫瘤壞死因子－α 對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎產(chǎn)生影響［37］。使用腫瘤壞死因子－α 抑制劑治療后，顯著降低滑膜成纖維細胞中炎性細胞因子的表達。這一現(xiàn)象從側(cè)面證實，抑制PI3K/Akt 信號通路的表達，可能有助于減輕膝骨關(guān)節(jié)炎的炎癥反應(yīng)，從而為膝骨關(guān)節(jié)炎的治療提供新的思路［38］。

2.3 中藥復(fù)方

中醫(yī)方劑應(yīng)用于治療KOA 歷史悠久，盡管對不同證型的患者所采取的中藥組方不一致，但就總體效果而言，中醫(yī)藥治療KOA效果顯著。

右歸丸能夠?qū)I3K/Akt 信號通路中PI3K 和Akt蛋白的表達進行抑制，延緩軟骨細胞的凋亡進程，還可以抑制白介素類炎性反應(yīng)因子來降低KOA 的炎性癥狀，從而對膝骨關(guān)節(jié)炎起到治療作用［39］。廖建青等研究發(fā)現(xiàn)，中藥復(fù)方骨痹合劑通過影響PI3K/Akt 信號通路的活性，促進細胞產(chǎn)生自噬，抑制相關(guān)蛋白的表達，減少膝關(guān)節(jié)軟骨細胞的凋亡，延緩膝骨關(guān)節(jié)炎的疾病進程［40］。何曉瑾等通過動物實驗驗證，骨痹方可以通過影響PI3K/Akt 信號通路的激活并且增強Akt 蛋白的活化程度，降低Bax 表達，增強下游Bcl－2 蛋白的活性，因此可以改善膝關(guān)節(jié)病理組織形態(tài)，保護膝關(guān)節(jié)軟骨功能［41］。另外，獨活寄生湯、鹿角膠丸、當歸補血湯等方劑，皆能通過干預(yù)PI3K/Akt 信號通路，影響膝關(guān)節(jié)軟骨細胞的凋亡。

3 小結(jié)及展望

PI3K/Akt 信號通路是KOA 發(fā)病機制中一種重要的信號傳導(dǎo)途徑，它對于人體膝關(guān)節(jié)軟骨細胞的凋亡及關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)的調(diào)控起到關(guān)鍵的干預(yù)作用，從而在膝骨關(guān)節(jié)炎治療中起到重要作用。然而通過PI3K/Akt 單一通路，對于治療具有很大局限性，它往往和WNT通路、MAPK通路、NF－κB通路共同起作用。

眾多學者通過動物實驗驗證和網(wǎng)絡(luò)藥理學研究發(fā)現(xiàn)，中藥單體和復(fù)方治療對于可以通過激活PI3K/Akt信號通路，干預(yù)下游相關(guān)基因和蛋白的表達，來調(diào)控膝關(guān)節(jié)軟骨細胞的增殖和凋亡進程，影響關(guān)節(jié)內(nèi)穩(wěn)態(tài)來治療膝骨關(guān)節(jié)炎。但是對于復(fù)方中哪種藥物起主要治療作用及治療機制研究依然有待完善。以PI3K/Akt通路為切入點，更多KOA 治療手段將會被應(yīng)用，PI3K/Akt 通路也能夠為臨床新藥的研發(fā)提供更多思路及重要靶點。

相信隨著相關(guān)研究的進一步深入以及中醫(yī)藥臨床治療和實驗研究的進一步深化，更多的中醫(yī)藥治療方法和作用機制將進一步得到明確。