中藥靶向PI3K/Akt/mTOR通路調節自噬在糖尿病腎臟病中的研究進展

陳 婷,劉金彥

(1.濟寧醫學院臨床醫學院, 山東 濟寧 272067;2.濟寧市第一人民醫院 腎內科,山東 濟寧 272011)

糖尿病腎臟病(diabetic kidney disease,DKD)是腎臟長期暴露于高血糖環境下引起的以足細胞損傷為主的腎臟結構與功能改變的疾病[1]。自噬是足細胞的一種自我保護機制,通過識別并清除受損、衰老的細胞器與生物大分子物質調節細胞分化、生長與代謝,保持自身穩態。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)控制細胞生長、存活和代謝。磷脂酰肌醇激酶(phosphatidyl inositol 3-kinase, PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B, PKB/Akt)信號通路通過激活足細胞自噬,增強其對氧化應激、營養缺乏等惡劣條件的耐受能力,使足細胞壽命得以延長[2]。中藥治療源遠流長,其延緩DKD 進展的作用有目共睹,但具體作用機制尚未明確。本文通過對中藥靶向PI3K/Akt/mTOR通路調節自噬在DKD中的研究現況進行綜述,旨在為DKD的早期干預和藥物研發開拓新思路。

1 DKD概述

DKD是糖尿病最常見的并發癥之一。據國際糖尿病聯合會數據,2021年全球20～79歲人群的糖尿病患病率為10.5%,患病人數為5.366億,預計到2045年,患病率將上升至12.2%,患病人數將上升至7.832億[3]。大約35%～40%的1型或2型糖尿病患者最終出現腎臟并發癥[4]。高糖環境誘導腎臟內部活性氧產生增多,炎癥反應的大量出現使腎臟超微結構發生改變[5]。DKD患者早期無癥狀,當檢測到蛋白尿時,病變通常處于晚期,提示腎功能已經向終末期腎病方向發展[6]。目前,DKD治療方法有限,臨床中形成以降低血糖、控制血壓、調節血脂、減少尿蛋白、腎臟替代治療為中心的治療體系,在一定程度上減緩了患者腎功能的進一步惡化[7]。

2 自噬程序的啟動與執行

自噬程序的啟動是一種動態的溶酶體降解過程, 又被稱為自噬通量[8]。自噬由細胞損傷、營養缺乏等應激源誘導,通過降解異常蛋白質,重建細胞骨架,清除衰老損傷的細胞器以應對細胞外部復雜環境,與細胞壞死、細胞凋亡共同存在,三者之間既可相互協同又可相互拮抗,是維持細胞生命活動所必需[9]。自噬分為巨噬、伴侶介導的自噬、微自噬三種類型,作用機制各異[10]。巨噬過程包括:吞噬體招募形成雙層膜囊泡結構的自噬小體,自噬小體包圍胞質成分,溶酶體與自噬小體彼此融合,細菌、病毒等外源性抗原和生長、分化異常的細胞被降解[11]。伴侶介導的自噬借助伴侶蛋白Hsc70特異性識別五肽基序靶蛋白,溶酶體的受體蛋白靶向定位引導目的蛋白進入溶酶體內溶解[12]。當細胞處于營養不良、電解質成分異常等極端環境時,由脂質維持細胞功能運轉,微自噬程序啟動,經過微自噬內陷、自噬管形成,發生囊泡形成、擴張、破裂和降解等一系列過程,異常免疫復合物被溶酶體降解,降解產物若對細胞生長有益,則被細胞攝取再利用,反之,排出體外[13]。

3 自噬功能異常與足細胞損傷

足細胞附著于腎小囊臟層,從外部包裹腎小球毛細血管,參與構成腎小球初級濾過屏障,誘導上皮細胞完成細胞分化,招募系膜細胞,維持基底膜正常形態與毛細血管管腔內壓力,監測并清除腎小囊腔內異常大分子物質和蓄積的免疫復合物,維持腎臟的正常代謝機能[14-15]。足細胞的功能調節依賴于足突的獨特結構,此外,足細胞素、緊密連接蛋白1、瞬時受體電位通道和肌動蛋白等多種物質也參與了對足細胞功能活動的生理調節[15]。臨床實驗表明,無論是應激還是非應激條件下,足細胞中均存在高水平的自噬,細胞內降解系統的穩定性對于足細胞生理功能的維持至關重要[16]。

由于糖尿病患者糖類、脂質代謝紊亂,高糖環境使足細胞自噬受到抑制,活性氧大量蓄積,給足細胞帶來不可逆的損傷[17]。持續高糖使內質網先發生應激反應后發生耗竭,足細胞大量凋亡[18]。足細胞足突間隙增寬,微循環障礙,管球反饋機制異常,炎癥細胞浸潤使腎組織大面積萎縮,腎臟生理功能逐漸喪失,DKD加重[19-20]。

4 PI3K/Akt/mTOR信號通路基礎上的自噬與足細胞損傷

真核生物中,mTOR 可與其他調控蛋白相互作用形成多種復合物,其中,作用相對廣泛的是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物(mammalian target of rapamycin complex, mTORC) 1和mTORC2。mTORC1由mTOR、Raptor(mTOR調節相關蛋白)、PRAS40(相對分子質量為40 ku的富脯氨酸的Akt底物)和Deptor(含DEP結構域的mTOR相互作用蛋白)組成,受細胞質氨基酸水平的調節,對能量高度敏感,通過抑制自噬調節細胞周期與代謝[21]。mTORC2的組成成分除了Rictor(對mTOR不敏感的mTOR伴侶蛋白)之外,其他成分與mTORC1大致相同,對能量不敏感,作用于肌動蛋白,參與細胞骨架的構建[22]。

Akt包含氨基端(N端)、中心區域鏈和羧基端片段(C端)三個結構域[23]。N端結構域可與磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸和磷脂酰肌醇-4, 5-二磷酸等物質相互作用,可被整合素、B細胞受體、T細胞受體、細胞因子受體、G-蛋白偶聯的受體(G protein coupled receptor,GPCR)等因子激活[24]。GPCR觸發PI3K信號,調節囊泡成核和吞噬體的形成,隨后PI3K將其底物磷脂酰肌醇-4, 5-二磷酸轉化為第二信使磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸[25]。磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸通過結合Akt的PH區域改變Akt結構,Akt在3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1與調節性Akt共同作用下實現全部激活,下游信號mTOR啟動,實現PI3K/Akt/mTOR信號傳遞,調控端粒酶活性與細胞凋亡程序的啟動與執行[26]。一方面PI3K/Akt/mTOR信號在足細胞內部以狹縫隔膜為主要結構的信號傳遞網絡中精確傳達,使位于質膜、胞核、胞質中的蛋白質發生磷酸化,肌動蛋白做出應答,進行細胞內部修復[27];另一方面PI3K/Akt/mTOR信號在足細胞內部使細胞凋亡蛋白失活,增加肌肉、脂肪組織對葡萄糖的攝取,達到足細胞內、外環境成分的動態平衡[28](圖1)。然而,高糖、高脂條件下,PI3K/Akt/mTOR通路受到抑制,足細胞未能完成自噬與自我修復,細胞骨架重組失敗,足細胞降解,濾過屏障受損,大量蛋白流失[29]。

圖1 PI3K/Akt/mTOR信號通路與自噬和細胞穩態

5 基于PI3K/Akt/mTOR信號通路介導足細胞自噬的中藥靶向治療

5.1鐵皮石斛 有研究采用高糖高脂飲食,腹腔注射低劑量鏈脲佐菌素(STZ)建立40只雄性大鼠DKD模型,分別給予石斛合劑、格列喹酮、生理鹽水灌胃8周,研究發現石斛合劑可抑制DKD大鼠腎組織中PI3K、Akt和mTOR的磷酸化,提高自噬水平,促進足細胞功能改善與濾過屏障修復,使尿白蛋白肌酐比值明顯降低[26, 30]。鐵皮石斛屬于石斛屬,是被列入《中國藥典》的著名傳統藥物之一[31]。馬麗華團隊將鐵皮石斛引入DKD的臨床治療,其主要成分多糖、酚類、木質素、生物堿等可有效改善機體糖耐量,提高自噬水平,減輕炎癥反應[32],可以通過調節PI3K/ Akt信號通路改善高濃度棕櫚酸和高糖誘導的體外培養胰島細胞的胰島素抵抗,并可增加胰島素分泌水平,降低細胞凋亡率,延長足細胞壽命,明顯減少尿蛋白定量[33]。臨床實踐發現鐵皮石斛在代謝綜合征的改善方面不良反應少,安全性高[34]。

5.2雷公藤多苷 研究發現,不同劑量(低、中、高劑量)的雷公藤多苷(tripterygium wilfordii polyglycosides,TWP)干預均可使小鼠腎臟組織 p-mTOR、p-Akt 蛋白與 mRNA 表達降低,抑制腎臟內細胞表型 PI3K/Akt/ mTOR 信號通路活化,從而使自噬小體數量增加減少終末糖基化產物聚集,使足細胞內的nephrin 和podocin蛋白產生增加保持細胞結構穩定,改善腎臟病理狀態[35]。于向慧等[36]通過動物實驗證實,TWP可通過抑制PI3K/Akt信號通路抑制熱激蛋白(HSP90)的轉錄和翻譯,下游因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活子1α表達減少,抗纖維化作用明顯增強。Meta分析表明,TWP用于臨床患者,可使患者24 h尿蛋白定量、血尿素氮值降低至30～60 mg/d,藥物劑量與24 h尿蛋白定量呈負相關,試驗組不良反應發生率雖高于對照組,但癥狀輕,停藥或對癥治療可改善[37]。TWP是治療DKD的有效藥物[38]。

5.3黃芪 姚瓊等[39]發現,黃芪能負向調節PI3K/Akt/mTOR信號通路,逆轉腎病蛋白的抑制狀態,調控足細胞自噬,減少DKD患者的尿蛋白。黃芪能影響轉化生長因子β1基因轉錄,抑制細胞異常增生;其中所含的微量元素可提高谷胱甘肽酶的活性,延緩腎小球硬化;其活性成分使紅細胞的變形能力增強可有效改善血供,延長足細胞壽命[40]。有研究對黃芪治療DKD患者的治療效果進行觀察發現,黃芪可以有效控制血糖,減輕脂質過氧化引起的濾過屏障損傷,具有補中益氣、利尿消腫的功效[41]。Fang等[42]對蟬擬青霉發酵黃芪進行初步研究證實,黃芪經過蟬擬青霉固態發酵后的藥效得以提高,可解除小鼠足細胞內高糖對同源性磷酸酶張力蛋白的抑制作用,抑制下游PI3K/Akt/mTOR信號通路,將自噬恢復到基礎水平;不足的是,蟬擬青霉發酵黃芪尚未引入臨床研究,因此需要更多的專家學者進行深入探索。迄今為止,黃芪補腎活血湯、黃芪熟黃散瘀方、黃芪益腎顆粒等以黃芪為主要成分的中藥制劑已引入臨床使用,對DKD患者腎臟的保護作用已得到廣泛認可[43-45]。

5.4三七總皂苷 三七總皂苷(panax notoginseng saponins,PNS)以三七皂苷R1 (notoginsenoside R1, NR1)為主要活性成分,因其具有抗炎、抗菌、抗氧化和抗腫瘤的特性備受關注[45]。Guo等[47]發現PNS調控IRS1/PI3K/Akt信號通路和葡萄糖受體表達,可緩解骨骼肌胰島素抵抗。有研究通過蛋白印跡分析發現 DKD大鼠的足細胞橫膈膜上的跨膜受體分子腎病蛋白和足細胞素表達呈現低水平狀態,其血清中腫瘤壞死因子-α等炎癥因子分泌增加,PI3K和Akt磷酸化減弱;NR1以劑量依賴性方式提高腎病蛋白和足細胞素,抑制促炎因子的轉錄,使PI3K/Akt/mTOR信號通路磷酸化進而啟動足細胞自噬[48]。NR1還可通過上調α3β1整合素充分改善足細胞間的黏附能力[49]。一項薈萃分析對臨床中投入使用的PNS制劑例如血塞通注射液和三七皂苷片等多種藥物的療效進行二次評估,結果表明PNS通過抑制氧化應激引起的足細胞凋亡,優化血脂代謝,有效避免引起DKD惡化的危險因素[50]。

5.5通絡地龜湯 Han等[51]特異性敲除DKD大鼠足細胞自噬基因Atg5后,足細胞內發生蛋白聚集、線粒體損傷,足突消失,自噬活性降低;通絡地龜湯治療后自噬標記物微管相關蛋白輕鏈3-Ⅱ與自噬效應蛋白表達顯著增加,mTORC2蛋白表達降低,證實通絡地龜湯使得PI3K/Akt/mTOR通路受抑制,使自噬通量增加以延長足細胞壽命。有研究使用通絡地龜湯對DKD Ⅳ期患者進行治療,患者 24 h 尿蛋白定量、血肌酐、尿素氮、空腹血糖及血尿酸均較治療前降低,估算腎小球濾過率、白蛋白均較治療前升高,血液及尿液中白介素水平減低,存在于腎臟的炎癥小體核苷酸結合寡聚化結構域樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3的表達減少,不良事件僅有輕微腹瀉[52-53];此外,通絡地龜湯可降低血漿醛固酮水平,提高尿鈉排泄率,降低血壓變異性[54]。總而言之,通絡地龜湯作為一種復合中藥制劑,在延長足細胞壽命、保持腎臟濾過屏障穩定、延緩腎臟纖維化方面頗有效果。

6 小結與展望

以PI3K/Akt/mTOR 為軸的信號通路通過激活自噬,可清除病原體及細胞內衰老損傷的細胞器,調節細胞周期與能量代謝,減少氧化應激給足細胞帶來的不可逆性損傷,減緩DKD患者的腎功能惡化。中藥延緩DKD 進展的作用有目共睹,研究中藥靶向PI3K/Akt/mTOR信號通路調節自噬的分子機制和相關作用靶點,實現對疾病精準有效的干預,對指導臨床醫師合理用藥以及藥物研發具有舉足輕重的意義。