PI3K/AKT信號(hào)通路在腦缺血再灌注損傷中的研究進(jìn)展

蔡 亮，張炳東

（廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院麻醉科，南寧 530021）

腦卒中因高發(fā)病率、高致殘率和高死亡率已經(jīng)成為威脅人類生命健康的第二大疾病，其中約71%腦卒中病例屬于缺血性腦卒中(cerebral ischemic stroke,CIS)[1]。缺血性腦卒中由于腦血流量急劇下降，組織缺乏血液和氧氣供應(yīng)，最終導(dǎo)致腦梗死及中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙。血流中斷引起細(xì)胞外微環(huán)境改變，小膠質(zhì)細(xì)胞等炎癥細(xì)胞在缺血區(qū)被激活釋放炎癥因子，與此同時(shí)，無(wú)氧代謝促使自由基水平升高和誘發(fā)氧化應(yīng)激。上述誘因通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)造成神經(jīng)元大量死亡、血腦屏障破壞，并最終導(dǎo)致腦水腫和中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙。目前，急性缺血性腦卒中的首選治療方式是通過(guò)靜脈注射重組組織纖溶酶原激活劑(recombinant tissue plasminogen activator,rt-PA)重建血運(yùn)，然而，部分病人重建血運(yùn)后不但未能減輕中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，反而加重大腦損傷，表現(xiàn)出復(fù)雜的病理生理變化，即腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia-reperfusion injury,CIRI)[2]。Wen 等[3]已證實(shí)在腦缺血再灌注中PI3K/AKT信號(hào)通路有減輕損傷、促進(jìn)功能恢復(fù)的積極作用。本文就PI3K/AKT信號(hào)通路在腦缺血再灌注中的保護(hù)作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 PI3K/AKT 信號(hào)通路構(gòu)成及調(diào)控

PI3K/AKT 信號(hào)通路由磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)和蛋白激酶B(protein kinase B,PKB 或AKT) 組成。PI3K/AKT 信號(hào)通路受胰島素、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、血糖濃度等多種因素調(diào)控，并參與營(yíng)養(yǎng)代謝、增殖、生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)錄和存活等細(xì)胞活動(dòng)[4]。PI3K是一種同時(shí)具有蛋白激酶及磷脂激酶雙重活性的磷脂酰肌醇激酶，PI3K分為Ⅰ型PI3K 亞型(PI3Kα，β，γ，δ)、Ⅱ型PI3K亞型(PI3KC2α，C2β，C2γ)和Ⅲ型PI3K。Ⅰ型PI3K 可以由細(xì)胞表面受體活化，所以對(duì)Ⅰ型PI3K的研究最為廣泛。Ⅰ型PI3K 是由催化亞基(即p110)和接頭/調(diào)節(jié)亞基(即p85)組成的異二聚體，Ⅰ型PI3K 進(jìn)一步劃分為兩個(gè)子類，ⅠA 型(PI3Kα,β,δ)PI3K 主要被受體酪氨酸激酶活化和ⅠB 型(PI3Kγ)PI3K 主要被G蛋白偶聯(lián)受體活化，也可被Ras 蛋白激活。AKT 在磷脂酰肌醇依賴性激酶(phosphoinositide-dependent protein kinase,PDK)參與下被磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate,PIP3)活化，PIP3 是由PI3K 活化后產(chǎn)生的第二信使[5-6]。

AKT 是PI3K/AKT 信號(hào)通路的中心環(huán)節(jié)，屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶,是一種眾所周知的促生存激酶。AKT 分為由PKBα、PKBβ、PKBγ 分別編碼的AKT1、AKT2、AKT3，其中AKT1 在組織中表達(dá)最為廣泛，參與細(xì)胞生長(zhǎng)和存活；AKT2在肌肉和脂肪細(xì)胞中高表達(dá)，參與胰島素介導(dǎo)的葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)；AKT3 主要在睪丸和腦中表達(dá)。磷酸化的AKT能調(diào)節(jié)Bcl-2(B-cell lymphoma-2)家族、糖原合酶(glycogen synthesis kinase 3β,GSK-3β)、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR）、環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(c AMP-response element binding protein,CREB)和內(nèi)皮型一氧化氮(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)等因子的生成與活性[7]。PI3K/AKT 信號(hào)通路主要通過(guò)調(diào)節(jié)上述因子參與CIRI保護(hù)。

2 PI3K/AKT 信號(hào)通路與CIRI

CIRI病理機(jī)制包括興奮性氨基酸毒性學(xué)說(shuō)、細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載、神經(jīng)元凋亡、自由基損傷、神經(jīng)炎癥、能量代謝障礙等[2,8]，這些機(jī)制相互交聯(lián)、彼此串?dāng)_，最終導(dǎo)致腦組織發(fā)生不可逆性損傷。而PI3K/AKT信號(hào)通路減輕CIRI具有多靶點(diǎn)、多途徑的特征。

2.1 PI3K/AKT信號(hào)通路與氧化應(yīng)激

腦缺血再灌注中“自由基爆發(fā)”是氧化應(yīng)激(oxidative stress,OS)的直接原因。全身約20%的氧被供給于腦，同時(shí)，腦組織富含不飽和脂肪酸與鐵，所以，缺血再灌注后極易發(fā)生氧化應(yīng)激。細(xì)胞水平的氧化應(yīng)激通過(guò)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能改變、線粒體功能障礙、DNA損傷和脂質(zhì)過(guò)氧化導(dǎo)致細(xì)胞死亡[2,9]。研究表明，氧化應(yīng)激是眾多酶促氧化反應(yīng)的結(jié)果，PI3K/AKT 信號(hào)通路可以通過(guò)調(diào)節(jié)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx)、血紅素氧合酶(heme oxygenase-1,HO-1)、過(guò)氧化氫酶(catalase,Cat)、乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase,LDH）等酶來(lái)抑制腦缺血再灌注過(guò)程中的氧化應(yīng)激[3,10]。核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2，Nrf2)在PI3K/AKT氧化還原系統(tǒng)中至關(guān)重要。當(dāng)氧化應(yīng)激發(fā)生時(shí)，Nrf2 從Kelch 樣ECH 相關(guān)蛋白-1(epoxy chloropropane Kelch sample relat ed protein-1,Keap1)解離，易位到細(xì)胞核中與抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element,ARE)結(jié)合，促進(jìn)解毒酶和抗氧化酶的基因表達(dá)[11]；HO-1 是Nrf2 下游的關(guān)鍵抗氧化酶，主要通過(guò)將血紅素降解為一氧化碳、鐵、膽綠素直接發(fā)揮抗氧化作用，也有研究表明，HO-1參與谷胱甘肽(glutathione,GSH)和SOD的生成調(diào)節(jié)[12-13]。因此，通過(guò)Nrf2 激活誘導(dǎo)HO-1 是CIRI 的一種潛在治療方法。Bcl-2 蛋白、叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子（forkhead box protein O，F(xiàn)OXO）和缺氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia-inducible factor 1,HIF-1)也在PI3K/AKT 信號(hào)通路維持氧穩(wěn)態(tài)中起重要作用[10,14-15]。目前在CIRI 相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)多種藥物抑制氧化應(yīng)激的機(jī)制是PI3K/AKT信號(hào)通路的激活。

2.2 PI3K/AKT信號(hào)通路與細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是一種程序性死亡，腦缺血再灌注中自由基蓄積、Ca2+超載、線粒體損傷及炎癥反應(yīng)都能誘發(fā)細(xì)胞凋亡[16-17]。PI3K/AKT 信號(hào)通路是促進(jìn)細(xì)胞存活的重要通路，GSK3β、mTOR 信號(hào)分子是PI3K/AKT 信號(hào)通路促生存的關(guān)鍵下游底物。mTOR 通過(guò)調(diào)節(jié)Bcl-2 家族蛋白阻止細(xì)胞色素C 釋放和半胱天冬酶級(jí)聯(lián)途徑激活，從而減少線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡；同時(shí)，上調(diào)p-mTOR蛋白水平可以抑制神經(jīng)元自噬，促進(jìn)神經(jīng)元增殖與存活[10,18]。GSK3β 則主要通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外兩條凋亡信號(hào)通路的關(guān)鍵步驟來(lái)抑制神經(jīng)元凋亡；GSK3β 位于Wnt/βcatenin通路的上游，低活性GSK3β通過(guò)Wnt/βcatenin信號(hào)通路抑制細(xì)胞凋亡[19-20]。CREB、FOXO、HO-1 等PI3K/Akt 下游底物通過(guò)影響B(tài)cl-2 家族蛋白表達(dá)間接抑制細(xì)胞凋亡[14,21-22]。此外，PI3K/AKT信號(hào)通路可以抑制腦缺血再灌注中JNK、p38 MAPK 通路以及P53 途徑所介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[7,23-24]。這些證據(jù)表明，PI3K/AKT 信號(hào)通路激活可抑制神經(jīng)元凋亡，繼而減輕腦缺血再灌注損傷。

2.3 PI3K/AKT信號(hào)通路與炎癥反應(yīng)

缺血和再灌注都能在受損區(qū)域誘發(fā)“瀑布式”炎癥反應(yīng)。腦缺血再灌注促使小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞等炎癥細(xì)胞激活并釋放NF-Kβ、COX2、TNFα等促炎因子[25-26]。PI3K/AKT信號(hào)通路是干預(yù)神經(jīng)炎癥的重要靶點(diǎn)。腦組織缺血再灌注時(shí)PI3K/AKT信號(hào)通路活性降低而促炎因子升高；相反，激活PI3K/Akt 信號(hào)通路能夠抑制NF-Kβ、COX2、TNF-α等促炎因子的釋放和促進(jìn)抗炎因子IL-10、TGF-β1的表達(dá)[27-28]。NF-Kβ作為神經(jīng)炎癥中關(guān)鍵的核轉(zhuǎn)錄因子，不僅能調(diào)控IL-1、IL-6和TNF-α等多種炎癥因子，還是誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞M1 表型的重要因子。小膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)炎癥中扮演著重要角色；其中M1 型小膠質(zhì)細(xì)胞和反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在缺血再灌注后迅速釋放炎癥介質(zhì)加重腦組織損傷，M2 型小膠質(zhì)細(xì)胞在缺血再灌注后期通過(guò)清除碎片和產(chǎn)生修復(fù)、抗炎因子加速神經(jīng)功能恢復(fù)。PI3K/AKT 信號(hào)通路能夠抑制M1 型小膠質(zhì)細(xì)胞和反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥并促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞由M1 型向M2 型轉(zhuǎn)化[27,29-30]。綜上所述，PI3K/AKT 通路激活能夠控制腦缺血再灌注中的炎癥反應(yīng)，從而減輕損傷及促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)。

2.4 PI3K/AKT信號(hào)通路與血腦屏障功能紊亂

血腦屏障是外周循環(huán)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的半透性屏障，它限制和調(diào)節(jié)血液與中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的分子、離子和細(xì)胞的交換[31]。緊密連接(tight junctions,TJs)作為血腦屏障最重要結(jié)構(gòu)在維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。缺血再灌注中產(chǎn)生的炎癥介質(zhì)、自由基等物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致緊密連接蛋白磷酸化、移位或降解，從而加重血腦屏障功能紊亂[32-33]?；|(zhì)金屬蛋白酶途徑降解血管壁的細(xì)胞外基質(zhì)和緊密連接蛋白是CIRI 損傷血腦屏障的重要步驟[2,34]。促進(jìn)緊密連接蛋白表達(dá)增加和表面粘附分子減少是PI3K/AKT信號(hào)通路直接保護(hù)血腦屏障完整性的主要原因[35-36]。PI3K/AKT 信號(hào)通路抑制氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)和基質(zhì)金屬蛋白酶途徑可以減少血腦屏障的損傷因素[36-37]?？傊?，PI3K/AKT信號(hào)通路能夠改善缺血再灌注后的血腦屏障功能，從而減輕血管源性腦水腫和恢復(fù)腦組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。

2.5 PI3K/AKT信號(hào)通路與血管生成

血管生成，即新的毛細(xì)血管從已有的血管中萌發(fā)和分裂而生長(zhǎng)；血管再生有助于腦缺血再灌注后的神經(jīng)功能恢復(fù)[38]。血管再生參與腦缺血再灌注后大腦修復(fù)的復(fù)雜過(guò)程，包括促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生、突觸發(fā)生、軸突萌發(fā)、成神經(jīng)細(xì)胞向損傷區(qū)遷移[39]。PI3K/AKT 信號(hào)通路和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）分別是血管新生重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和誘導(dǎo)因子，前者可以通過(guò)mTOR、eNOS、HIF1α上調(diào)后者的表達(dá)[40-42]。VEGF介導(dǎo)的血管生成在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷到修復(fù)的過(guò)渡中起著核心作用。治療性血管再生有益于提高缺血性腦卒中患者的生存率和生存質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

PI3K/AKT 信號(hào)通路下游底物和腦缺血再灌注損傷與修復(fù)密切相關(guān)。已有報(bào)道，許多藥物能保護(hù)腦組織免受CIRI 和降低缺血性腦卒中患者的死亡率、致殘率，其機(jī)制是PI3K/AKT信號(hào)通路激活。不僅如此，近年來(lái)還發(fā)現(xiàn)，PI3K/AKT信號(hào)通路參與神經(jīng)系統(tǒng)中鐵下垂、焦亡的調(diào)控。目前全球?qū)I3K/AKT 信號(hào)通路在腦缺血再灌注中的作用機(jī)制有了較為深入的研究，同時(shí)又發(fā)現(xiàn)不同下游底物被PI3K/AKT 信號(hào)通路激活或抑制后具有相似的功能，而下游底物之間是否相互影響，與PI3K/AKT信號(hào)通路是否存在反饋尚需繼續(xù)探索。進(jìn)一步研究PI3K/AKT 信號(hào)通路與腦缺血再灌注之間的關(guān)系，對(duì)預(yù)防CIRI、促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)、提高診斷水平具有重要的臨床意義。