PI3K/AKT信号通路在脑缺血再灌注损伤中的研究进展

蔡 亮，张炳东

（广西医科大学第一附属医院麻醉科，南宁 530021）

脑卒中因高发病率、高致残率和高死亡率已经成为威胁人类生命健康的第二大疾病，其中约71%脑卒中病例属于缺血性脑卒中(cerebral ischemic stroke,CIS)[1]。缺血性脑卒中由于脑血流量急剧下降，组织缺乏血液和氧气供应，最终导致脑梗死及中枢神经系统功能障碍。血流中断引起细胞外微环境改变，小胶质细胞等炎症细胞在缺血区被激活释放炎症因子，与此同时，无氧代谢促使自由基水平升高和诱发氧化应激。上述诱因通过级联反应造成神经元大量死亡、血脑屏障破坏，并最终导致脑水肿和中枢神经系统功能障碍。目前，急性缺血性脑卒中的首选治疗方式是通过静脉注射重组组织纤溶酶原激活剂(recombinant tissue plasminogen activator,rt-PA)重建血运，然而，部分病人重建血运后不但未能减轻中枢神经系统功能障碍，反而加重大脑损伤，表现出复杂的病理生理变化，即脑缺血再灌注损伤(cerebral ischemia-reperfusion injury,CIRI)[2]。Wen 等[3]已证实在脑缺血再灌注中PI3K/AKT信号通路有减轻损伤、促进功能恢复的积极作用。本文就PI3K/AKT信号通路在脑缺血再灌注中的保护作用机制进行综述。

1 PI3K/AKT 信号通路构成及调控

PI3K/AKT 信号通路由磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)和蛋白激酶B(protein kinase B,PKB 或AKT) 组成。PI3K/AKT 信号通路受胰岛素、生长因子、细胞因子、血糖浓度等多种因素调控，并参与营养代谢、增殖、生长、转录和存活等细胞活动[4]。PI3K是一种同时具有蛋白激酶及磷脂激酶双重活性的磷脂酰肌醇激酶，PI3K分为Ⅰ型PI3K 亚型(PI3Kα，β，γ，δ)、Ⅱ型PI3K亚型(PI3KC2α，C2β，C2γ)和Ⅲ型PI3K。Ⅰ型PI3K 可以由细胞表面受体活化，所以对Ⅰ型PI3K的研究最为广泛。Ⅰ型PI3K 是由催化亚基(即p110)和接头/调节亚基(即p85)组成的异二聚体，Ⅰ型PI3K 进一步划分为两个子类，ⅠA 型(PI3Kα,β,δ)PI3K 主要被受体酪氨酸激酶活化和ⅠB 型(PI3Kγ)PI3K 主要被G蛋白偶联受体活化，也可被Ras 蛋白激活。AKT 在磷脂酰肌醇依赖性激酶(phosphoinositide-dependent protein kinase,PDK)参与下被磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate,PIP3)活化，PIP3 是由PI3K 活化后产生的第二信使[5-6]。

AKT 是PI3K/AKT 信号通路的中心环节，属于丝/苏氨酸蛋白激酶,是一种众所周知的促生存激酶。AKT 分为由PKBα、PKBβ、PKBγ 分别编码的AKT1、AKT2、AKT3，其中AKT1 在组织中表达最为广泛，参与细胞生长和存活；AKT2在肌肉和脂肪细胞中高表达，参与胰岛素介导的葡萄糖稳态调节；AKT3 主要在睾丸和脑中表达。磷酸化的AKT能调节Bcl-2(B-cell lymphoma-2)家族、糖原合酶(glycogen synthesis kinase 3β,GSK-3β)、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR）、环磷腺苷效应元件结合蛋白(c AMP-response element binding protein,CREB)和内皮型一氧化氮(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)等因子的生成与活性[7]。PI3K/AKT 信号通路主要通过调节上述因子参与CIRI保护。

2 PI3K/AKT 信号通路与CIRI

CIRI病理机制包括兴奋性氨基酸毒性学说、细胞内Ca²+超载、神经元凋亡、自由基损伤、神经炎症、能量代谢障碍等[2,8]，这些机制相互交联、彼此串扰，最终导致脑组织发生不可逆性损伤。而PI3K/AKT信号通路减轻CIRI具有多靶点、多途径的特征。

2.1 PI3K/AKT信号通路与氧化应激

脑缺血再灌注中“自由基爆发”是氧化应激(oxidative stress,OS)的直接原因。全身约20%的氧被供给于脑，同时，脑组织富含不饱和脂肪酸与铁，所以，缺血再灌注后极易发生氧化应激。细胞水平的氧化应激通过蛋白质结构功能改变、线粒体功能障碍、DNA损伤和脂质过氧化导致细胞死亡[2,9]。研究表明，氧化应激是众多酶促氧化反应的结果，PI3K/AKT 信号通路可以通过调节超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx)、血红素氧合酶(heme oxygenase-1,HO-1)、过氧化氢酶(catalase,Cat)、乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase,LDH）等酶来抑制脑缺血再灌注过程中的氧化应激[3,10]。核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2，Nrf2)在PI3K/AKT氧化还原系统中至关重要。当氧化应激发生时，Nrf2 从Kelch 样ECH 相关蛋白-1(epoxy chloropropane Kelch sample relat ed protein-1,Keap1)解离，易位到细胞核中与抗氧化反应元件(antioxidant response element,ARE)结合，促进解毒酶和抗氧化酶的基因表达[11]；HO-1 是Nrf2 下游的关键抗氧化酶，主要通过将血红素降解为一氧化碳、铁、胆绿素直接发挥抗氧化作用，也有研究表明，HO-1参与谷胱甘肽(glutathione,GSH)和SOD的生成调节[12-13]。因此，通过Nrf2 激活诱导HO-1 是CIRI 的一种潜在治疗方法。Bcl-2 蛋白、叉头样转录因子（forkhead box protein O，FOXO）和缺氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor 1,HIF-1)也在PI3K/AKT 信号通路维持氧稳态中起重要作用[10,14-15]。目前在CIRI 相关研究中发现多种药物抑制氧化应激的机制是PI3K/AKT信号通路的激活。

2.2 PI3K/AKT信号通路与细胞凋亡

细胞凋亡是一种程序性死亡，脑缺血再灌注中自由基蓄积、Ca²+超载、线粒体损伤及炎症反应都能诱发细胞凋亡[16-17]。PI3K/AKT 信号通路是促进细胞存活的重要通路，GSK3β、mTOR 信号分子是PI3K/AKT 信号通路促生存的关键下游底物。mTOR 通过调节Bcl-2 家族蛋白阻止细胞色素C 释放和半胱天冬酶级联途径激活，从而减少线粒体介导的细胞凋亡；同时，上调p-mTOR蛋白水平可以抑制神经元自噬，促进神经元增殖与存活[10,18]。GSK3β 则主要通过调节内外两条凋亡信号通路的关键步骤来抑制神经元凋亡；GSK3β 位于Wnt/βcatenin通路的上游，低活性GSK3β通过Wnt/βcatenin信号通路抑制细胞凋亡[19-20]。CREB、FOXO、HO-1 等PI3K/Akt 下游底物通过影响Bcl-2 家族蛋白表达间接抑制细胞凋亡[14,21-22]。此外，PI3K/AKT信号通路可以抑制脑缺血再灌注中JNK、p38 MAPK 通路以及P53 途径所介导的细胞凋亡[7,23-24]。这些证据表明，PI3K/AKT 信号通路激活可抑制神经元凋亡，继而减轻脑缺血再灌注损伤。

2.3 PI3K/AKT信号通路与炎症反应

缺血和再灌注都能在受损区域诱发“瀑布式”炎症反应。脑缺血再灌注促使小胶质细胞、星形胶质细胞等炎症细胞激活并释放NF-Kβ、COX2、TNFα等促炎因子[25-26]。PI3K/AKT信号通路是干预神经炎症的重要靶点。脑组织缺血再灌注时PI3K/AKT信号通路活性降低而促炎因子升高；相反，激活PI3K/Akt 信号通路能够抑制NF-Kβ、COX2、TNF-α等促炎因子的释放和促进抗炎因子IL-10、TGF-β1的表达[27-28]。NF-Kβ作为神经炎症中关键的核转录因子，不仅能调控IL-1、IL-6和TNF-α等多种炎症因子，还是诱导小胶质细胞M1 表型的重要因子。小胶质细胞与星形胶质细胞在神经炎症中扮演着重要角色；其中M1 型小胶质细胞和反应性星形胶质细胞在缺血再灌注后迅速释放炎症介质加重脑组织损伤，M2 型小胶质细胞在缺血再灌注后期通过清除碎片和产生修复、抗炎因子加速神经功能恢复。PI3K/AKT 信号通路能够抑制M1 型小胶质细胞和反应性星形胶质细胞介导的神经炎症并促进小胶质细胞由M1 型向M2 型转化[27,29-30]。综上所述，PI3K/AKT 通路激活能够控制脑缺血再灌注中的炎症反应，从而减轻损伤及促进神经功能恢复。

2.4 PI3K/AKT信号通路与血脑屏障功能紊乱

血脑屏障是外周循环和中枢神经系统之间的半透性屏障，它限制和调节血液与中枢神经系统之间的分子、离子和细胞的交换[31]。紧密连接(tight junctions,TJs)作为血脑屏障最重要结构在维持中枢神经系统稳态方面发挥着关键作用。缺血再灌注中产生的炎症介质、自由基等物质会导致紧密连接蛋白磷酸化、移位或降解，从而加重血脑屏障功能紊乱[32-33]。基质金属蛋白酶途径降解血管壁的细胞外基质和紧密连接蛋白是CIRI 损伤血脑屏障的重要步骤[2,34]。促进紧密连接蛋白表达增加和表面粘附分子减少是PI3K/AKT信号通路直接保护血脑屏障完整性的主要原因[35-36]。PI3K/AKT 信号通路抑制氧化应激、炎症反应和基质金属蛋白酶途径可以减少血脑屏障的损伤因素[36-37]。总之，PI3K/AKT信号通路能够改善缺血再灌注后的血脑屏障功能，从而减轻血管源性脑水肿和恢复脑组织内环境稳定。

2.5 PI3K/AKT信号通路与血管生成

血管生成，即新的毛细血管从已有的血管中萌发和分裂而生长；血管再生有助于脑缺血再灌注后的神经功能恢复[38]。血管再生参与脑缺血再灌注后大脑修复的复杂过程，包括促进神经发生、突触发生、轴突萌发、成神经细胞向损伤区迁移[39]。PI3K/AKT 信号通路和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）分别是血管新生重要的信号转导通路和诱导因子，前者可以通过mTOR、eNOS、HIF1α上调后者的表达[40-42]。VEGF介导的血管生成在中枢神经系统损伤到修复的过渡中起着核心作用。治疗性血管再生有益于提高缺血性脑卒中患者的生存率和生存质量。

3 结语

PI3K/AKT 信号通路下游底物和脑缺血再灌注损伤与修复密切相关。已有报道，许多药物能保护脑组织免受CIRI 和降低缺血性脑卒中患者的死亡率、致残率，其机制是PI3K/AKT信号通路激活。不仅如此，近年来还发现，PI3K/AKT信号通路参与神经系统中铁下垂、焦亡的调控。目前全球对PI3K/AKT 信号通路在脑缺血再灌注中的作用机制有了较为深入的研究，同时又发现不同下游底物被PI3K/AKT 信号通路激活或抑制后具有相似的功能，而下游底物之间是否相互影响，与PI3K/AKT信号通路是否存在反馈尚需继续探索。进一步研究PI3K/AKT 信号通路与脑缺血再灌注之间的关系，对预防CIRI、促进神经功能恢复、提高诊断水平具有重要的临床意义。