PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路在缺血再灌注損傷中的研究進(jìn)展

索立達(dá)(綜述)，佟立權(quán)(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院普外科，黑龍江 大慶 163316)

缺血所引起的組織器官損傷是致死疾病的主要原因，每年因缺血導(dǎo)致機(jī)體損傷或者死亡的患者數(shù)量逐年增加。在缺血性疾病搶救和診治的過(guò)程中，人們漸漸發(fā)現(xiàn)，組織器官在缺血后一段時(shí)間突然恢復(fù)再灌注血流時(shí)出現(xiàn)更嚴(yán)重的并發(fā)癥，這就是“缺血再灌注損傷”。在缺血再灌注損傷的諸多發(fā)病機(jī)制中，磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-ki-nase,PI3K)-絲氨酸/蘇氨酸激酶(receptorserine/threoninekinases,Akt)信號(hào)傳導(dǎo)通路作為一條經(jīng)典的途徑影響細(xì)胞凋亡正在逐步被人們所認(rèn)知，其中尚未闡明的機(jī)制也被大家廣泛研究?，F(xiàn)就PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路在缺血再灌注損傷中的研究進(jìn)展綜述如下。

1 PI3K-Akt信號(hào)通路概念

PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路是一種由PI3K和Akt組成的信號(hào)傳導(dǎo)通路。其主要功能包括能量代謝、促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化及凋亡[1]。在缺血再灌注損傷時(shí)，Akt下游通路激活，抑制細(xì)胞凋亡，從而減輕缺血再灌注損傷。PI3K包括3種同工酶，下游還有許多效應(yīng)分子，Akt作為通路的中心環(huán)節(jié)，同時(shí)又是PI3K下游的主要靶點(diǎn)，傳遞PI3K的重要信息[2]。當(dāng)PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路被激活后，相應(yīng)的靶蛋白不僅可以促進(jìn)下游Bcl-2抗凋亡蛋白的表達(dá)，同時(shí)可以抑制下游bax、caspase-9等凋亡蛋白的表達(dá)，最終達(dá)到保護(hù)缺血再灌注損傷器官的目的。PI3K是一種細(xì)胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶，p-Akt的激活常常與來(lái)自G蛋白耦聯(lián)受體和酪氨酸的信號(hào)有關(guān)，當(dāng)PI3K受到信號(hào)刺激后，PI3K的p110亞基和p85亞基結(jié)合從而激活p-Akt，活化的p-Akt向細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，與底物蛋白的特定部位的絲蘇氨酸磷酸化形成p-Akt，p-Akt調(diào)節(jié)下游因子Bcl-2和bax進(jìn)而對(duì)細(xì)胞凋亡產(chǎn)生影響[3-4]。

Bcl-2作為最重要的抗凋亡因子，其編碼的Bcl-2蛋白作用不可忽視。Bcl-2蛋白的主要作用是可以阻斷線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放、對(duì)抗脂質(zhì)的過(guò)氧化、減少細(xì)胞內(nèi)鈣超載及抑制caspase-3的激活而進(jìn)一步發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡的效果。PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路的激活上調(diào)了p-Akt和Bcl-2的蛋白表達(dá)，下調(diào)了細(xì)胞凋亡因子的相關(guān)表達(dá)，進(jìn)而減輕了因缺血再灌注導(dǎo)致的損傷[5]。

2 PI3K-Akt與缺血再灌注損傷機(jī)制

既往實(shí)驗(yàn)研究[6]證實(shí)，氧自由基、鈣超載、細(xì)胞因子和細(xì)胞凋亡等因素與缺血再灌注損傷非常密切，諸多因素的綜合作用導(dǎo)致組織器官的缺血再灌注損傷，甚至影響整個(gè)機(jī)體的健康狀態(tài)。

2.1 PI3K-Akt與氧自由基：氧自由基是機(jī)體內(nèi)多種化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的一類含有一個(gè)不成對(duì)電子的原子團(tuán)結(jié)構(gòu)，是一種有活性的化學(xué)代謝產(chǎn)物。在正常的生物體系中，過(guò)多的活性氧自由基會(huì)被機(jī)體內(nèi)的自由基清除劑消滅，避免機(jī)體產(chǎn)生不良反應(yīng)。當(dāng)生物機(jī)體的組織器官缺血缺氧時(shí)，機(jī)體內(nèi)的黃嘌呤氧化酶系統(tǒng)活性增強(qiáng)，次黃嘌呤接受電子轉(zhuǎn)化為黃嘌呤的過(guò)程中產(chǎn)生大量的氧自由基；組織器官在缺血缺氧的同時(shí)又導(dǎo)致線粒體中三磷酸腺苷(adenosine triphosphale,ATP)生成減少，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體的功能障礙，最終產(chǎn)生大量的氧自由基；ATP合成減少還會(huì)導(dǎo)致呼吸鏈功能紊亂和細(xì)胞色素的功能失調(diào)，從而使氧自由基的產(chǎn)生進(jìn)一步增加。氧自由基的積累最終會(huì)超過(guò)氧自由基清除劑的清除能力，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生破壞行為，導(dǎo)致正常細(xì)胞和組織器官的損傷而引起多種疾病。有研究[7]表明，減少心肌缺血再灌注早期形成的大量氧自由基可以對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用。氧自由基導(dǎo)致肝細(xì)胞損傷的機(jī)制可分為3點(diǎn)。①氧自由基可使肝細(xì)胞核內(nèi)的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)突變，引起肝細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能異常，導(dǎo)致肝細(xì)胞損傷；②氧自由基可使細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)發(fā)生破損，導(dǎo)致細(xì)胞器的損傷；③氧自由基還可引起血小板的聚集和黏附，導(dǎo)致微循環(huán)障礙。此外，Kupffer細(xì)胞的激活也可導(dǎo)致大量氧自由基的釋放，加重了缺血再灌注損傷[8]。PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路是調(diào)控機(jī)體應(yīng)激和對(duì)抗炎癥的主要信號(hào)通路，在對(duì)抗機(jī)體炎癥方面發(fā)揮重要的作用。

王建明等[9]將小鼠分為假手術(shù)組和缺血再灌注組，通過(guò)夾閉小鼠腹腔動(dòng)脈30min后松開(kāi)動(dòng)脈夾來(lái)建立缺血再灌注模型。結(jié)果顯示缺血再灌注組Akt的磷酸化水平均明顯高于假手術(shù)組，這說(shuō)明PI3K-Akt信號(hào)通路激活后，Akt的磷酸化水平明顯增高，同時(shí)說(shuō)明缺血再灌注損傷的過(guò)程中，PI3K-Akt信號(hào)通路被激活了，可能是通過(guò)減少氧自由基的合成而參與缺血再灌注損傷后損傷部位的修復(fù)。

2.2 PI3K-Akt與鈣超載：由于不利因素而引起的鈣平衡系統(tǒng)功能失調(diào)，鈣分布紊亂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣濃度異常性升高，即鈣超載，其原因如下。①在缺血缺氧的條件下，細(xì)胞膜對(duì)鈣離子的通透性增強(qiáng)，原本細(xì)胞外鈣內(nèi)流到細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣濃度增加；②細(xì)胞在缺血缺氧時(shí)，細(xì)胞中線粒體的結(jié)構(gòu)和功能障礙，ATP合成過(guò)程受到影響，細(xì)胞鈣泵的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)能力下降，無(wú)法將細(xì)胞內(nèi)鈣離子排出，引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子的積聚，導(dǎo)致內(nèi)鈣濃度增加；③細(xì)胞膜上的鈣通道蛋白變性，也可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣的增加。細(xì)胞內(nèi)鈣超載可導(dǎo)致細(xì)胞膜電位的降低，影響線粒體的氧化磷酸化過(guò)程，導(dǎo)致線粒體合成ATP減少，嚴(yán)重影響細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和細(xì)胞能量的供應(yīng)；細(xì)胞內(nèi)鈣超載還可以激活磷脂酶A及鈣敏感蛋白酶，進(jìn)一步導(dǎo)致花生四烯酸的形成，花生四烯酸又可促使前列腺素和血栓素的形成，而前列腺素又是導(dǎo)致氧自由基產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一，促進(jìn)細(xì)胞的不可逆性損傷[10]。

PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路的激活可阻止Bcl-2的下降和caspase-3的活化[11-12]，也能調(diào)控線粒體上的通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrialpermeablity transitionpore,MPTP)，促使積累到細(xì)胞內(nèi)大量的鈣離子通過(guò)通道轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外，減輕細(xì)胞內(nèi)鈣超載，同時(shí)MPTP還能夠調(diào)控細(xì)胞色素C、白細(xì)胞介素及凋亡因子的釋放，最終在對(duì)抗細(xì)胞凋亡中掌握主動(dòng)地位，抑制細(xì)胞凋亡。

2.3 PI3K-Akt與細(xì)胞因子：細(xì)胞因子是免疫原、絲裂原或其他刺激劑誘導(dǎo)多種細(xì)胞產(chǎn)生的低分子量可溶性蛋白質(zhì)，它們通過(guò)自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌等途徑方式在組織內(nèi)發(fā)揮特殊的生物學(xué)效應(yīng)。其中包括白細(xì)胞介素、干擾素、腫瘤壞死因子超家族、集落刺激因子、趨化因子、生長(zhǎng)因子等，與缺血再灌注損傷關(guān)系最為密切的就是腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和白細(xì)胞介素1(interleukin-1，IL-1)[13]。TNF-α是一種能夠直接殺傷腫瘤細(xì)胞而對(duì)正常細(xì)胞無(wú)明顯毒性的細(xì)胞因子，是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的直接殺傷腫瘤作用最強(qiáng)的生物活性因子之一。然而在臨床研究中發(fā)現(xiàn)TNF-α對(duì)人體具有嚴(yán)重的不良反應(yīng)。其主要的不良反應(yīng)如下。①TNF-α可以使肝竇內(nèi)皮細(xì)胞腫脹；②TNF-α可促使中性粒細(xì)胞活化并釋放大量的氧自由基，從而導(dǎo)致細(xì)胞不可逆損傷；③TNF-α干擾肝細(xì)胞DNA的復(fù)制過(guò)程；④TNF-α誘導(dǎo)Kupffer細(xì)胞生成過(guò)氧化物。IL-1是重要的炎性介質(zhì)之一，同時(shí)作為一種熱原質(zhì)成分，IL-1具有致熱和介導(dǎo)炎癥的作用。IL-1能夠促使Kupffer細(xì)胞產(chǎn)生TNF-α，誘導(dǎo)凝血酶和纖維蛋白酶的合成，破壞內(nèi)皮細(xì)胞，誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞產(chǎn)生氧自由基而造成細(xì)胞的損傷。

李程等[14]研究PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路對(duì)大鼠肝缺血再灌注損傷的影響，隨機(jī)將健康雄性SD大鼠分為4組，即假手術(shù)組、缺血再灌注組(IR組)、丹參組(SI組)和丹參+阻斷劑組(LY組)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)TUNEL法和Western印跡法觀察到SI組凋亡細(xì)胞數(shù)量和凋亡指數(shù)明顯少于IR組，同時(shí)Akt的磷酸化水平的含量較IR組明顯增加；而LY組與SI組，肝細(xì)胞中的p-Akt表達(dá)的含量明顯降低，肝臟細(xì)胞凋亡數(shù)量增加，肝臟損傷更加嚴(yán)重。由此可以推斷，PI3K-Akt阻斷劑的應(yīng)用，阻止p-Akt的生成與表達(dá)，PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路的激活，活化的p-Akt可以有效地抑制炎性介質(zhì)的釋放，能有效地防止細(xì)胞的凋亡，某種程度地對(duì)大鼠肝臟缺血再灌注損傷起到了相應(yīng)的保護(hù)作用。

2.4 PI3K-Akt與細(xì)胞凋亡：細(xì)胞凋亡是為了維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，由細(xì)胞基因控制的、自主的、程序性的死亡。細(xì)胞凋亡與細(xì)胞壞死不同，細(xì)胞凋亡是為了能更好地適應(yīng)自身的生存環(huán)境而主動(dòng)的死亡程序。細(xì)胞的程序性死亡是缺血再灌注損傷時(shí)發(fā)病的主要機(jī)制之一，細(xì)胞凋亡的過(guò)程極其復(fù)雜，與氧自由基的產(chǎn)生、細(xì)胞能量代謝障礙、細(xì)胞內(nèi)鈣超載、細(xì)胞因子的激活以及caspase和Bcl-2家族基因的表達(dá)密切相關(guān)，其中caspase家族是導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵因素之一。研究[15]表明，caspase家族中以caspase-3的活化表達(dá)為顯著標(biāo)志。caspase-3作為中央“劊子手”或者“下游的半胱天冬酶”，在細(xì)胞凋亡中扮演著一個(gè)非常重要的角色，也是細(xì)胞凋亡的一種重要的效應(yīng)分子。大量的細(xì)胞內(nèi)鈣離子的積累導(dǎo)致氧自由基的增加，破壞線粒體的結(jié)構(gòu)和功能，促使細(xì)胞凋亡啟動(dòng)子的釋放，激活caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)。Bcl-2是一種從濾泡性淋巴瘤原癌基因中分離提取的抗凋亡蛋白，它在細(xì)胞凋亡的過(guò)程中也起著重要的作用，其導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的機(jī)制是通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體上MPTP的開(kāi)啟與關(guān)閉，進(jìn)而影響線粒體合成ATP，同時(shí)調(diào)控線粒體外膜的通透性促進(jìn)或抑制細(xì)胞凋亡[16-17]。Bcl-2還可以穩(wěn)定線粒體膜電位，抑制細(xì)胞色素C的釋放，進(jìn)而抑制caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，防止細(xì)胞凋亡，保護(hù)組織器官免受其害[18]。細(xì)胞凋亡是心肌缺血是心肌損傷的一種主要形式，心肌梗死面積的大小很大程度上取決于心肌細(xì)胞凋亡的程度。研究[19]表明，部分心肌細(xì)胞的保護(hù)作用機(jī)制依賴于p-Akt的活化，p-Akt活化后可以激活其下游的相應(yīng)靶點(diǎn)，最終通過(guò)減少線粒體MPTP的開(kāi)放，促使線粒體能量的合成，同時(shí)使線粒體外膜更具有穩(wěn)定性，減少促凋亡因子，促進(jìn)抗凋亡因子的作用，對(duì)抗心肌細(xì)胞的凋亡。在大鼠心肌缺血再灌注損傷中，PI3K-Akt信號(hào)通路作為細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)傳導(dǎo)通路，在對(duì)抗大鼠心肌缺血再灌注損傷和抑制細(xì)胞凋亡中發(fā)揮了舉足輕重的作用。誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的因素種類非常多，這些不同的因素導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的途徑也不盡相同，但這些因素有時(shí)可以通過(guò)相同的信號(hào)傳導(dǎo)通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡；同時(shí)這些不同的因素在一種信號(hào)傳導(dǎo)通路中作為促進(jìn)細(xì)胞凋亡因素，在另一種信號(hào)傳導(dǎo)通路中也可能變成抑制細(xì)胞凋亡的因素。文獻(xiàn)[20]報(bào)道，同一種因素在同一條信號(hào)傳導(dǎo)通路中也可以促進(jìn)細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，這種因素可能通過(guò)對(duì)信號(hào)傳導(dǎo)通路中增殖和凋亡2個(gè)方面的調(diào)控而產(chǎn)生的結(jié)果。

在缺血再灌注損傷時(shí)PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路激活，促使p-Akt的磷酸化增加，抑制caspase-3的表達(dá)，上調(diào)Bcl-2的表達(dá)，進(jìn)而可以避免組織器官在缺血再灌注中受到損傷。

3 展 望

PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路可以參與到各種調(diào)節(jié)反應(yīng)的過(guò)程中，對(duì)抗缺血再灌注損傷引起的細(xì)胞凋亡，同時(shí)PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路與絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)傳導(dǎo)通路及酪氨酸激酶信號(hào)傳導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子信號(hào)傳導(dǎo)通路等其他通路是否相互作用，對(duì)抗由于缺血再灌注引起的損傷，其中的聯(lián)系尚未發(fā)現(xiàn)，相信深入研究PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路與其他通路的區(qū)別和聯(lián)系會(huì)為我們提供更多的思路。

[1] MIURA T,MIKI T.GSK-3beta,a therapeutic target for cardiomyocyte protection[J].Circ J,2009,73(7):1184-1192.

[2] MULLONKAL CJ,TOLEDO-PEREYRA LH.Akt in ischemia and reperfusion[J].J Invest Surg,2007,20(3):195-203.

[3] WANG B,SHRAVAH J,LUO H,et al.Propofol protects against hydrogen peroxide-induced injury in cardiac H9c2 cells via Akt activation and Bcl-2 up-regulation[J].Biochem Biophys Res Commun,2009,389(1):105-111.

[4] SONG JQ,TENG X,CAI Y,et al.Activation of Akt/GSK-3β signaling pathway is involved in intermedin1-53 protection against myocardial apoptosis induced by ischemia/reperfusion[J].Apoptosis,2009,14(11):1299-1306.

[5] PARK SE,PARK C,KIM SH,et al.Korean red ginseng extract induces apoptosis and decreases telomerase activity in human leukemia cells[J].J Ethnopharmacol,2009,121(2):304-312.

[6] 凌今,凌人,黃彬彬,等.缺血再灌注損傷與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[J].中國(guó)醫(yī)藥生物技術(shù),2013,8(2):129-133.

[7] SERVIDDIO G,DI VENOSA N,FEDERICI A,et al.Brief hypoxia before normoxic reperfusion (postconditioning) protects the heart against ischemia-reperfusion injury by preventing mitochondria peroxyde production and glutathione depletion[J].FASEB J,2005,19(3):354-361.

[8] SHIRASUGI N,WAKABAYASHI G,SHIMAZU M,et al.Up-regulation of oxygen derived free radicals by interleukin-1 in hepatic ischemia/reperfusion injury[J].Transplantation,1997,64(6):1398-1403.

[9] 王建明,鄭德義,賈一韜,等.MAPK及PI3K-AKT信號(hào)通路活化在小鼠胃缺血再灌注損傷中的作用[J].山東醫(yī)藥,2010,50(10):6-7.

[10] DONG C,GRANVILLE DJ,TUFFNEI CE,et al.Bax and apoptosis in acute and chronic rejection of root cardiac allografts[J].Lab Invest,1999,79(12):1643-1653.

[11] ADYA R,TAN BK,PUNN A,et al.Visfatin induces human endothelial VEGF and MMP-2/9 production via MAPK and PI3K/Akt signaling pathways:novel insights into visfatin-induced angiogenesis[J].Cardiovase Res,2008,78(2):356-365.

[12] LIM SY,DAVIDSON SM,PARAMANATHAN AJ,et al.The novel adipocytokine visfatin exerts direct cardioprotective effects[J].J Cell Mol Med.2008,12(4):1395-1403.

[13] 劉明杰,夏佐清,高維娟.黃芪抗腦缺血再灌注損傷的作用機(jī)制[J].河北醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(1):122-124.

[14] 李程,畢旭東,趙國(guó)偉.丹參對(duì)大鼠肝缺血再灌注損傷PI3K-AKT信號(hào)傳導(dǎo)通路的影響[J].中國(guó)老年學(xué)雜志,2012,32(5):992-994.

[15] XING WJ,KONG FJ,LI GW,et al.Calcium-sensing receptors induce apoptosis during simulated is chaemia-reperfusion in Buffalo rat liver cells[J].Clin Exp Pharmacol Physiol,2011,38(9):605-612.

[16] TSUJIMOTO Y,CROCE CM.Analysis of the structure,transcripts,and protein products of bcl-2,the gene involved in human follicular lymphoma[J].Proc Natl Acad Sci USA,1986,83(14):5214-5218.

[17] BAJWA N,LIAO C,NIKOLOVSKA-COLESKA Z.Inhibitors of the anti-apoptotic Bcl-2 proteins:a patent review[J].Expert Opin Ther Pat,2012,22(1):37-35.

[18] HüTTEMANNA M,HELLINGC S,SANDERSON TH,et al.Regulation of mitochondrial respiration and apoptosis through cell signaling:cytochromecoxidase and cytochromec in ischemia/reperfusion injury and inflammation[J].Biochim Biophys Acta,2012,1817(4):598-609.

[19] 何東偉,劉新偉,龐勇,等.白藜蘆醇對(duì)大鼠缺血再灌注心肌細(xì)胞凋亡的抑制作用與PI3K-Akt信號(hào)通路的關(guān)系[J].中國(guó)中藥雜志,2012,37(15):2323-2326.

[20] 王文立,閆香庭,張偉,等.P-AKT在卵巢漿液性腫瘤中的表達(dá)及其與增殖和凋亡的相關(guān)性研究[J].河北醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(2):202-204.