董 碩，湯春波

目前我國成人糖尿病患者數(shù)量高達(dá)1.14億，且仍在不斷增加。與非糖尿病患者相比，糖尿病患者牙齒缺失的風(fēng)險更高，且糖尿病患者缺牙區(qū)牙槽骨常伴不同程度的骨質(zhì)疏松、骨缺損、骨愈合延遲等病變[1]，愈合時間延遲1.6倍且容易愈合受損[2]。種植義齒因其舒適、美觀、咀嚼效率高，已成為缺牙患者首選治療方案，但糖尿病仍是種植治療的相對禁忌證。糖尿病是一組由遺傳和環(huán)境因素相互作用而產(chǎn)生的以慢性高血糖為特征的代謝異常綜合征，涉及多個系統(tǒng)和多重機(jī)制，現(xiàn)階段對于糖尿病影響種植體骨結(jié)合的確切機(jī)制尚未完全闡明。PI3K/AKT信號通路是人體內(nèi)較為重要的細(xì)胞信號通路，它可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，并參與下游核轉(zhuǎn)錄因子kappa B(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)受體激活因子和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor，M-CSF)受體的信號傳導(dǎo)。該信號通路在破骨細(xì)胞分化和存活以及骨吸收中起重要作用，抑制PI3K/AKT信號通路的活性會削弱破骨細(xì)胞骨吸收[3]。同時，PI3K/AKT/mTOR也是響應(yīng)胰島素信號傳導(dǎo)的經(jīng)典途徑。胰島素首先與細(xì)胞表面受體結(jié)合，并通過胰島素受體底物1(insulin receptor substrate1，IRS1)激活PI3K-AKT途徑，AKT可直接促進(jìn)葡萄糖的吸收[4]。2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制主要在于不能有效使用胰島素，同時不能產(chǎn)生足夠數(shù)量的胰島素來克服胰島素抵抗，最終導(dǎo)致相對或絕對胰島素缺乏。由此可見，PI3K/AKT信號通路在糖尿病和口腔種植體骨結(jié)合中均具有重要的調(diào)節(jié)作用。

1 PI3K/AKT信號通路的概述

1.1 PI3K

磷脂肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)是一種與細(xì)胞轉(zhuǎn)化和胰島素反應(yīng)相關(guān)的脂質(zhì)激酶，是G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors，GPCRs)和酪氨酸激酶受體(receptor tyrosine kinases，RTKs)的下游效應(yīng)因子，磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)是一種特殊類型的膜脂，它可以經(jīng)過可逆的磷酸化生成磷酸肌醇[5]。PI3K是一種由催化亞基p110和調(diào)節(jié)亞基p85組成的異源二聚體。調(diào)節(jié)亞基p85可與目標(biāo)蛋白結(jié)合，整合廣泛的來自跨膜和細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的信號，進(jìn)行構(gòu)象修飾，從而激活p110亞基[6-7]。p85包括SH2和SH3結(jié)構(gòu)域，SH2區(qū)能夠催化PI磷酸化，SH3區(qū)負(fù)責(zé)與胰島素受體底物結(jié)合。p85分為5種異構(gòu)體：p85α、p85β、p55α、p558α及p50。催化亞基p110包括：p110α、p110β、p110δ、p110γ 4種異構(gòu)體。根據(jù)p110結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和底物分子差異，主要是序列同源性和脂質(zhì)底物偏好，將PI3K分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3個亞型。

PI3K Ⅰ型因活性多樣，研究最為深入。根據(jù)所結(jié)合的亞基不同，PI3K Ⅰ型分為ⅠA及ⅠB兩種亞型：ⅠA型PI3K主要經(jīng)由RTKs傳遞信號，催化亞基p110主要是p110α、p110β、p110δ三種，調(diào)節(jié)亞基主要為p85α；而ⅠB型主要通過連接GPCRs傳遞信號，催化亞基主要是p110γ，通過與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合介導(dǎo)GPCRsβ、γ亞基對p110的活化[8]。RTK將Ⅰ類PI3Ks吸收到質(zhì)膜中，解除p85和p110的失活功能，激活蛋白質(zhì)[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，形成胞內(nèi)膜上磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸(phosphatidylinositol 3，4，5-triphosphate，PIP3)，隨后招募信號蛋白，包括AKT，即蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)[10]。通過細(xì)胞外刺激激活PI3K可以導(dǎo)致幾乎所有細(xì)胞和組織中AKT的激活。AKT屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，根據(jù)絲氨酸/蘇氨酸殘基的不同，常分為三種亞型(AKT1、AKT2和AKT3)。AKT1廣泛表達(dá)于多種組織中，AKT2主要在脂肪組織、肝臟等胰島素敏感組織中表達(dá)，AKT3主要在睪丸和大腦中表達(dá)。AKT主要包括N端、中間激酶區(qū)及C端，氨基端的PH區(qū)是高度保守的重要的功能區(qū)域[11]。AKT的激活主要通過兩個關(guān)鍵的磷酸化過程。首先是磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(phosphoinositol-dependent protein kinase 1，PDK1)磷酸化激酶結(jié)構(gòu)域中的308位蘇氨酸，啟動了活化過程[12]，緊接著通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2(mammalian target of rapamycin complex 2，mTORC2)磷酸化羧基末端，調(diào)控結(jié)構(gòu)域的473位絲氨酸[13]，從而激活A(yù)KT。

2 PI3K/AKT信號通路在糖尿病中的研究進(jìn)展

2型糖尿病是一種以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，并伴有心血管疾病、肥胖、微血管病變、腎衰竭等多種并發(fā)癥。以往研究表明，2型糖尿病與胰島素抵抗相關(guān)。

2.1 PI3K/AKT信號通路調(diào)節(jié)糖代謝

PI3K激活A(yù)KT，AKT通過磷酸化一系列下游底物來調(diào)節(jié)許多過程，包括代謝、增殖、細(xì)胞存活和凋亡。激活的AKT2主要在胰島素反應(yīng)組織中表達(dá)，通過介導(dǎo)胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)易位到細(xì)胞表面來負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)葡萄糖攝取。它還調(diào)節(jié)糖原形式的葡萄糖的儲存。在細(xì)胞內(nèi)，AKT通過刺激己糖激酶將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖6-磷酸。AKT通過糖酵解調(diào)節(jié)葡萄糖6-磷酸和糖原合成酶激酶3(glucose 6-phosphate and glycogen synthase kinase 3，GSK3)，產(chǎn)生細(xì)胞能量，并促進(jìn)糖原的產(chǎn)生[14]。叉頭框蛋白O1(forkhead box O1，F(xiàn)oxO1)是AKT的主要下游靶點(diǎn)，可影響全身的能量穩(wěn)態(tài)[15]。FoxO1和過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共同激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC1α)協(xié)同調(diào)節(jié)基因表達(dá)，以增加糖異生和脂肪酸氧化[16]。另一方面，F(xiàn)oxO1誘導(dǎo)磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶基因的表達(dá)，進(jìn)一步促進(jìn)糖異生作用。AKT還可直接抑制FoxO1，降低機(jī)體內(nèi)葡萄糖水平[17]。除此之外，AKT下游底物GSK3抑制糖原合成酶，促進(jìn)糖原合成[18]。因此，PI3K/AKT通過FoxO1和GSK3調(diào)控葡萄糖代謝，一定程度上降低機(jī)體內(nèi)葡萄糖水平，改善高血糖微環(huán)境，減少氧化應(yīng)激對細(xì)胞造成的損傷。

2.2 胰島素抵抗

胰島素作用于細(xì)胞膜表面的胰島素受體后主要通過PI3K/AKT途徑及絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)兩種途徑來控制細(xì)胞生長、代謝和存活。其中，PI3K/AKT途徑相關(guān)信號蛋白的活化在控制體內(nèi)營養(yǎng)平衡和器官存活中具有重要作用。有證據(jù)指出，胰島細(xì)胞中的AKT1激活增加了β細(xì)胞質(zhì)量和胰島素產(chǎn)生[19]。AKT信號傳導(dǎo)在胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)的代謝組織中減弱，這是2型糖尿病的基礎(chǔ)，胰島素抵抗有一部分是通過PI3K/AKT信號網(wǎng)絡(luò)固有的反饋和串?dāng)_機(jī)制的慢性激活而發(fā)生的，激活A(yù)KT的能力下降會破壞胰島素的關(guān)鍵代謝作用[20]。

鑒于不同組織器官的功能及信號系統(tǒng)不同，下面分別從大腦、肝臟、脂肪組織三方面闡述胰島素抵抗與PI3K/AKT信號通路研究進(jìn)展。

在大腦中，配體激活PI3K/AKT信號通路，抑制下丘腦的食物攝入。該信號還通過調(diào)節(jié)肝臟抑制肝臟內(nèi)葡萄糖的生成，通過調(diào)節(jié)脂肪組織抑制脂肪分解。當(dāng)配體不能通過血腦屏障，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激發(fā)生時，腦內(nèi)就會發(fā)生胰島素抵抗，導(dǎo)致PI3K/AKT通路受損。大腦胰島素抵抗中PI3K/AKT通路的三種功能受到干擾：第一，胰島素抵抗期間，由于炎癥和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)活性的增加，胰島素信號被阻斷[21]，PI3K生成PIP3減少；第二，在下丘腦神經(jīng)元中，F(xiàn)oxO1在正常條件下，上調(diào)神經(jīng)肽的表達(dá)，下調(diào)阿黑皮素原(proopiomelanocortin，POMC)的表達(dá)，而這在胰島素抵抗時被AKT抑制，作為對大腦中胰島素抵抗的反應(yīng)，F(xiàn)oxO1在POMC神經(jīng)元中的過度表達(dá)會導(dǎo)致肥胖和暴食[22]；第三，根據(jù)Ono等[23]的研究，通過激活下丘腦神經(jīng)元中mTOR復(fù)合物1下游效應(yīng)物S6蛋白激酶1(S6 protein kinase-1，S6K1)，可降低IRS1和AKT的刺激，導(dǎo)致肝臟胰島素抵抗，Wang等[24]指出促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin，EPO)可上調(diào)EPO受體PI3K和磷酸化AKT2，進(jìn)而改善與糖尿病相關(guān)的疾病體內(nèi)和體外認(rèn)知功能障礙，起到神經(jīng)保護(hù)的作用。

在肝臟中，向AKT傳遞胰島素信號對抑制肝臟葡萄糖生成和刺激脂質(zhì)合成至關(guān)重要。胰島素通過AKT介導(dǎo)的磷酸化和抑制FoxO1來抑制肝細(xì)胞中的糖異生，F(xiàn)oxO1在禁食狀態(tài)下留在細(xì)胞核中，誘導(dǎo)關(guān)鍵的糖異生酶PEPCK和葡萄糖-6-磷酸酶的表達(dá)。除此之外，在肝臟特異性缺失AKT1和AKT2的小鼠中，不受控的肝臟葡萄糖生成和胰島素抵抗可以通過FoxO1的共同缺失而逆轉(zhuǎn)，而這提供了明確的遺傳學(xué)證據(jù)，表明抑制FoxO1是AKT在肝臟中的重要功能[25]。

脂肪組織是能量儲存的主要器官。肥胖是2型糖尿病和胰島素抵抗發(fā)生發(fā)展的重要危險因素[26]。體內(nèi)的脂肪酸主要有以下兩種來源：一是甘油三酯通過脂肪分解釋放游離脂肪酸，還可由葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白攝取糖原轉(zhuǎn)化生成脂肪酸。除此之外，視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白-1(retinoblastoma protein 1，RB1)和復(fù)合物K(compound K，CK)通過抑制脂肪組織中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，改善脂肪組織中的IRS1/PI3K/AKT信號傳導(dǎo)，減輕胰島素抵抗[27]。在內(nèi)臟脂肪組織中，MiR-26b可通過抑制其靶基因張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homologue，PTEN)調(diào)節(jié)胰島素刺激的AKT激活，促進(jìn)胰島素刺激的葡萄糖攝取，并通過PTEN/PI3K/AKT途徑顯著增加胰島素敏感性[28]。

2.3 PI3K/AKT信號通路在糖尿病中的臨床應(yīng)用

王凌曉等通過對已發(fā)表的RNA測序數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析，探索2型糖尿病影響骨代謝的關(guān)鍵基因，結(jié)果表明：mpd3、Itga10和rno-mir-207是2型糖尿病骨整合的可能生物標(biāo)志物。這項研究揭示了2型糖尿病骨代謝紊亂引起的異常骨結(jié)合的可能分子機(jī)制[3]。另外，Sharma等[29]研究表明：小扁豆提取物可以通過改善糖尿病小鼠骨骼肌 PI3K/AKT途徑的關(guān)鍵效應(yīng)分子IRS、AKT、PI3K和GLUT4的活性，調(diào)節(jié)葡萄糖攝取和穩(wěn)態(tài)，緩解胰島素抵抗。Zheng等[30]研究發(fā)現(xiàn)：紅景天苷通過激活與線粒體相關(guān)的AMPK/PI3K/AKT/GSK3β途徑來改善細(xì)胞代謝流量，降低血糖和血清胰島素水平，改善胰島素抵抗，從而發(fā)揮抗糖尿病作用。

由上述可知，PI3K/AKT信號通路可改善胰島素抵抗，增加葡萄糖利用率，調(diào)節(jié)脂質(zhì)和葡萄糖代謝平衡，增加胰腺中的胰島素生成。因高糖環(huán)境會顯著促進(jìn)活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生，ROS會破壞細(xì)胞氧化-抗氧化平衡，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙和器官損傷。Wang等[31]研究表明：胰島素可通過PI3K/AKT途徑在體外治療減少ROS的產(chǎn)生，改善細(xì)胞的氧化應(yīng)激，減輕細(xì)胞功能障礙。

3 PI3K/AKT信號通路在種植體骨結(jié)合過程中的研究進(jìn)展

3.1 PI3K/AKT信號通路激活利于成骨細(xì)胞分化

Kawamura等[32]指出，PI3K/AKT途徑及其下游靶點(diǎn)是骨吸收和骨形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，研究顯示：α-硫辛酸可通過調(diào)節(jié)PI3K/AKT途徑抑制高糖誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生，減輕細(xì)胞的氧化損傷，并刺激細(xì)胞的增殖、成骨分化和礦化[33]。頜骨中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是骨組織構(gòu)建的重要內(nèi)源性干細(xì)胞來源，在骨缺損修復(fù)過程中，BMSCs通過增殖并分化為成骨細(xì)胞，分泌骨組織再生所需的相關(guān)細(xì)胞外基質(zhì)和活性因子。其功能調(diào)控涉及到轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平，由細(xì)胞外環(huán)境的機(jī)械刺激和信號分子精確調(diào)控[34]。動物實驗顯示高糖情況下種植體周圍BMSCs的功能受損、成骨分化能力下降是導(dǎo)致種植體骨結(jié)合不良的關(guān)鍵因素[35]，那么，高糖環(huán)境下如何促進(jìn)成骨細(xì)胞分化是保證種植體骨結(jié)合的關(guān)鍵。目前認(rèn)為，PI3K/AKT信號通路也是成骨細(xì)胞分化、增殖過程中的重要通路，同時，AKT的磷酸化水平也可以作為衡量成骨細(xì)胞分化的重要指標(biāo)。AKT是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞中一個重要調(diào)節(jié)因子，Zhang等[36]在體外成功培養(yǎng)大鼠成骨細(xì)胞后，用PI3K特異性抑制劑LY294002 觀察PI3K在其中的作用，顯示PI3K抑制劑明顯抑制了細(xì)胞的生長、凋亡，誘發(fā)了成骨細(xì)胞的功能紊亂，并伴有AKT的失活。這表明在大鼠成骨細(xì)胞中PI3K特異性抑制劑LY294002可降低AKT磷酸化水平，通過調(diào)節(jié)AKT通路，使大鼠成骨細(xì)胞失活后引起細(xì)胞的凋亡，由此證明PI3K/AKT通路可調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化與增殖。

3.2 PI3K/AKT信號通路促進(jìn)血管生成和骨結(jié)合

PI3K/AKT通路參與血管張力調(diào)節(jié)、血管生成、黏附控制和白細(xì)胞向血管壁募集等典型內(nèi)皮功能。在內(nèi)皮細(xì)胞中，磷酸肌醇3-激酶在幾種受體的下游被激活，包括GPCRs(如趨化因子受體)、酪氨酸激酶(如血管內(nèi)皮生長因子受體)、整合素和死亡受體。反過來，磷酸肌醇3-激酶信號通路通過磷酸化內(nèi)皮一氧化氮合酶促進(jìn)一氧化氮釋放，促進(jìn)血管生成、內(nèi)皮祖細(xì)胞的募集和增強(qiáng)細(xì)胞活力[37]。血管重塑的特征是血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)激活，導(dǎo)致基質(zhì)沉積，細(xì)胞因子分泌和細(xì)胞增殖到損傷區(qū)域。PI3K/AKT是VSMC中mTOR的上游激活劑，高度增殖的新內(nèi)膜VSMC，類似于胚胎VSMC，表現(xiàn)出AKT和mTOR的高構(gòu)成性表達(dá)[38]。

激活PI3K/AKT信號通路可以促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的生成，改善種植體周圍的血供，以增強(qiáng)種植體的骨結(jié)合。在骨骼發(fā)育和愈合中，一些生長因子是由損傷的牙槽骨血管中的血小板外滲釋放出來的，例如血小板衍生生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子β、成纖維細(xì)胞生長因子和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)。以往研究顯示，VEGF是重要的血管生成調(diào)節(jié)因子，對成骨至關(guān)重要，并且是組織傷口愈合所必需的[39]。AKT信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)在血管生成和血管重塑中起重要作用，VEGF激活A(yù)KT1刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移和存活[40]。這與控制血管張力的內(nèi)皮一氧化氮合酶是內(nèi)皮細(xì)胞中AKT1特異性底物的發(fā)現(xiàn)一致[41]。除此之外，Martins等[42]研究指出：富含鈦的培養(yǎng)基通過上調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞中的PI3K/AKT信號傳導(dǎo)以維持其血管生成表型。目前研究表明：PI3K/AKT信號通路參與改善高糖下的成骨分化，這在臨床應(yīng)用中有一定的體現(xiàn)。Ma等[43]指出：格列美脲通過激活內(nèi)皮一氧化氮合酶可以在高糖下誘成骨分化，此種生物學(xué)行為主要依賴于高葡萄糖微環(huán)境中的PI3K/AKT信號通路。另外，Ying等[44]研究發(fā)現(xiàn)：水飛薊賓可通過抗氧化作用和PI3K/AKT通路的調(diào)節(jié)來減弱高糖介導(dǎo)的人BMSCs功能障礙。由此可見高糖情況下，PI3K/AKT信號通路的參與有利于成骨分化。

4 展 望

2型糖尿病是一組代謝異常綜合征，特征在于靶組織中的胰島素抵抗和慢性高血糖。目前對糖尿病影響種植體骨結(jié)合的確切機(jī)制尚未完全闡明。PI3K-AKT信號通路與代謝密切相關(guān)，通過分別研究PI3K/ALT信號通路在糖尿病和口腔種植體骨結(jié)合過程中的作用機(jī)制，以此為突破點(diǎn)探索2型糖尿病患者種植體骨結(jié)合過程中相關(guān)的關(guān)鍵失調(diào)信號介質(zhì)以及細(xì)胞功能重建的潛在靶點(diǎn)，為研發(fā)臨床可應(yīng)用的小分子試劑及新靶點(diǎn)介導(dǎo)的骨組織再生及臨床轉(zhuǎn)化研究奠定理論基礎(chǔ)，有望為糖尿病患者骨缺損的臨床治療提供新的研發(fā)線索，具有重要的臨床意義與應(yīng)用價值。