基于信號通路探討缺血性腦卒中疾病的研究進展

馬雪飛,馮冬軍,呂 東,于佳楠,翟鳳國

(牡丹江醫(yī)學院藥理教研室，黑龍江 牡丹江 157011)

缺血性腦卒中也稱腦血管意外,是以突然發(fā)病及快速出現(xiàn)的局限性或彌散性腦神經(jīng)功能缺損為臨床特征的腦血管疾病。據(jù)推算,我國腦卒中患者為1300萬[1],并且隨著人口的老齡化,以及與腦卒中發(fā)生密切相關(guān)的風險因素如糖尿病、高血壓、高血脂等疾病患病率的增加,導致腦卒中發(fā)病率呈逐年上升的趨勢,給人們生活帶來嚴重的負擔[2]。目前認為缺血性腦卒中的病理生理過程包括缺血再灌注后鈣離子超載、炎癥反應(yīng)、自噬、氧自由基的生成以及神經(jīng)元凋亡等。缺血性腦卒中的治療主要包括溶栓和神經(jīng)保護兩個途徑,目的在于恢復(fù)腦組織缺血區(qū)的血液供應(yīng)、保護腦神經(jīng)、促進神經(jīng)結(jié)構(gòu)重塑等。重組人纖溶酶原激活物是唯一被FDA認證有效的急性缺血性腦血管病溶栓治療藥物,但因受到嚴格時間窗限制(發(fā)病后3～4.5 h),且溶栓后有一定出血風險,臨床上真正能得到治療的患者相對較少[3]。即使能夠治愈,患者也會出現(xiàn)不同程度的神經(jīng)功能損傷。因此,對于缺血性腦卒中,迫切需要尋找有效的預(yù)防和治療的方法。

1 缺血性腦卒中的發(fā)病機制

1.1 鈣離子與缺血性腦卒中鈣離子(Ca2+)在神經(jīng)元從幼稚狀態(tài)到成熟狀態(tài)的功能中具有十分重要的作用。缺血后腦卒中發(fā)生后,導致神經(jīng)元離子梯度的喪失和膜去極化,隨后,興奮性神經(jīng)遞質(zhì)(如谷氨酸)被釋放并積聚在細胞外空間,并過度刺激神經(jīng)元受體,最終引起Ca2+內(nèi)流進入神經(jīng)元,導致神經(jīng)元內(nèi)的Ca2 +超載。神經(jīng)元內(nèi)的Ca2 +超載可觸發(fā)一系列下游反應(yīng),包括胱天蛋白酶的激活、ATP合成障礙、鈣依賴性蛋白酶和核酸內(nèi)切酶的激活等,最終導致神經(jīng)元的損傷和死亡。

1.2 炎癥與缺血性腦卒中炎癥反應(yīng)伴隨缺血性腦卒中的整個過程,是腦缺血再灌注損傷(I/R)發(fā)病過程中的關(guān)鍵部分。雖然導致腦缺血損傷的病理機制尚不清楚,但炎癥過程對缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展具有基礎(chǔ)性作用。炎癥反應(yīng)存在于缺血性腦卒中的整個過程,在缺血性腦卒中初期,小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞被激活,細胞因子和趨化因子通過被激活的血管壁到達半暗帶,產(chǎn)生炎性因子。在缺血性腦卒中后期,半暗帶內(nèi)有大量的炎癥因子。研究證明,阻斷炎癥相關(guān)細胞因子的表達,對I/R誘導的SD大鼠腦損傷具有保護作用[4]。在腦I/R中,多種炎癥介質(zhì)的激活可導致神經(jīng)元死亡和不可逆轉(zhuǎn)的腦損傷。因此,有效抗炎在缺血性腦卒中的治療中具有十分廣闊的前景。

1.3 自噬與缺血性腦卒中自噬是一個基本的生物學過程,廣泛存在于多種正常細胞內(nèi),對維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,保持機體功能正常起著重要作用。在缺血性腦卒中發(fā)生期間,自噬對維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有關(guān)鍵性作用。然而,自噬在缺血性腦卒中發(fā)病機制中的確切作用仍不明確,Litao Li等[5]發(fā)現(xiàn),小鼠缺血/缺氧24 h后,缺少雌二醇的小鼠腦損傷更嚴重,而抑制自噬會降低缺少雌二醇小鼠的腦損傷。相反,自噬可能對缺血性腦卒中有神經(jīng)保護作用,在血管閉塞模型小鼠中,自噬激活劑雷帕霉素可以減少其梗死體積、神經(jīng)元損傷[6]。在缺血性腦卒中的治療中,合理的應(yīng)用自噬,可能成為缺血性腦卒中的一個新的起點。

1.4 氧化應(yīng)激與缺血性腦卒中氧化應(yīng)激是指體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態(tài),當氧化應(yīng)激發(fā)生時,會引起機體大量氧化,生成的有害的產(chǎn)物稱之為自由基。正常情況下,自由基的產(chǎn)生和消除之間存在平衡,如果這種平衡被擾亂,大量的自由基會導致細胞損傷或細胞死亡?；钚匝?ROS)是一種自由基,通過有氧代謝產(chǎn)生,當缺血性腦卒中發(fā)生時,ROS生成-消除平衡被破壞,使得ROS過量產(chǎn)生,這些ROS不僅能直接使膜脂質(zhì)、蛋白質(zhì)及DNA等大分子物質(zhì)發(fā)生氧化損害而破壞細胞膜及其它細胞結(jié)構(gòu),還能通過抑制線粒體功能間接的激活凋亡信號通路,導致細胞發(fā)生死亡[7]。因此,當缺血性腦卒中發(fā)生時,通過降低ROS的水平,會對缺血性腦卒中的治療產(chǎn)生有益的影響。

1.5 細胞凋亡與缺血性腦卒中細胞凋亡, 是指機體為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài), 由基因控制的細胞自主的有序的死亡, 是機體為更好地適應(yīng)生存環(huán)境而主動爭取的一種正常的生理現(xiàn)象。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育早期,會有非常多的神經(jīng)元新生以及凋亡,此時的凋亡是人體自我調(diào)節(jié)的生理現(xiàn)象。當缺血性腦卒中發(fā)生時,線粒體中的鈣離子超載,導致線粒體功能損傷,細胞色素C向細胞釋放,激活Caspase-3以及相關(guān)的級聯(lián)反應(yīng),損傷DNA最后導致神經(jīng)元凋亡,引起一系列機體功能障礙,此為病理狀態(tài)。神經(jīng)元的凋亡是缺血性腦卒中后神經(jīng)功能缺失的重要機制之一,是缺血性腦卒中后神經(jīng)功能進行性發(fā)展惡化的直接原因,嚴重影響缺血性腦卒中患者生命和生活質(zhì)量。有研究報道,在大鼠I/R模型中,抑制促凋亡因子Caspase-3的表達,會減少腦梗死體積,對腦組織具有保護作用[8]。因此,抑制神經(jīng)元凋亡,將是控制缺血性腦卒中后腦損傷的發(fā)展的研究重點以及治療缺血性腦卒中的重要基礎(chǔ)。

目前缺血性腦卒中的研究尚未明確,但可以確認的是當缺血性腦卒中發(fā)生時,各種發(fā)病機制相互作用,從而加重腦神經(jīng)元的損傷。而這其中必然有信號通路的參與,為了應(yīng)對臨床中缺血性腦卒中患者缺少有效的治療手段現(xiàn)狀,通過最新的相關(guān)文獻查詢,就信號通路與缺血性腦卒中相關(guān)分子機制的最新研究進展加以綜述,列舉幾個與缺血性腦卒中疾病發(fā)生發(fā)展息息相關(guān)的信號通路,具體探討在缺血性腦卒中發(fā)生時,信號通路對缺血性腦卒中的影響,為之后缺血性腦卒中的研究提供新的思路,為臨床上缺血性腦卒中的治療提供新手段。

2 信號通路與缺血性腦卒中

2.1 TLR4/NF-κB信號通路與缺血性腦卒中TLRs(toll-like receptors，TLRs)是1997年發(fā)現(xiàn)的人的Toll樣受體蛋白，屬于Ⅰ型跨膜糖蛋白，Toll樣受體4(TLR4)作為第一個Toll樣受體識別系統(tǒng)，是參與固有免疫反應(yīng)的重要的模式識別受體蛋白。NF-κB是一種蛋白質(zhì)復(fù)合物，其控制參與轉(zhuǎn)錄的DNA，細胞因子的產(chǎn)生和細胞的存活。有研究結(jié)果顯示，TLR4/NF-κB信號通路與缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，缺血性腦卒中可誘發(fā)內(nèi)源性分子釋放，并與TLR4結(jié)合，激活的TLR4導致NF-κB的核易位，引起TNF-α的過表達從而引發(fā)炎癥反應(yīng)[9]，而TLR4/NF-κB信號通路的下游介質(zhì)TNF-α、IL-1是引起缺血性腦損傷炎癥反應(yīng)的主要介質(zhì)，在大鼠腦缺血模型中可見NF-κB信號激活。Li-Rong Wu等[10]實驗中發(fā)現(xiàn)，腦缺血-再灌注小鼠缺血區(qū)大腦皮質(zhì)TLR4和NF-κB表達呈上升趨勢，神經(jīng)保護作用下降，而應(yīng)用了長春西汀降低了TLR4和NF-κB的表達，腦損傷有所改善。因此，抑制TLR4/NF-κB信號通路有助于缺血性腦卒中的恢復(fù)。

2.2 PI3K/Akt/mTOR信號通路與缺血性腦卒中PI3K是一種存在于細胞質(zhì)的脂類激酶，可以催化磷酯酰肌醇D3位的磷酸化。AKT是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是PI3K的下游蛋白之一，激活的磷酸化AKT具有促進細胞增殖、抗凋亡的作用。mTOR屬于PI3K蛋白激酶類家族，也是PI3K信號通路下游分子之一。研究表明，PI3K/AKT/mTOR信號通路在缺血性再灌注損傷中具有神經(jīng)保護作用[11]。也有研究證明，miR-27a升高或HSP90降低會激活PI3K/AKT/mTOR信號通路，降低腦缺血-再灌注損傷大鼠模型的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，改善神經(jīng)功能[12]。蘭晶和潘敬芳[13]發(fā)現(xiàn)增加腦組織中PI3K、p-AKT和p-mTOR的表達可顯著減少腦缺血再灌注大鼠腦梗死面積，減輕腦組織病理形態(tài)的改變，進而減輕腦缺血再灌注損傷。血管新生在缺血性腦卒中后的腦重建過程和神經(jīng)功能恢復(fù)中起著重要作用，而人參皂苷Rg1可以通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路，促進VEGF，HIF-1α，PI3K，p-Akt以及p-mTOR的表達，發(fā)揮促血管生成作用，從而改善缺血性腦卒中后長期的神經(jīng)恢復(fù)[14]。

2.3 Nrf2/HO-1信號通路與缺血性腦卒中核因子-E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor2，Nrf2)是內(nèi)源性抗氧化防御的關(guān)鍵調(diào)控因子之一，可以促進抗氧化基因轉(zhuǎn)錄，包括血紅素氧化酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)。Nrf2/HO-1通路對腦缺血在灌注損傷有顯著的保護作用，且Nrf2對腦缺血再灌注的保護作用是通過調(diào)控下游HO-1減輕炎癥反應(yīng)以及氧化應(yīng)激實現(xiàn)的[15]。也有實驗表明，大鼠大腦中動脈閉塞模型中Nrf2和下游蛋白HO-1等的表達量明顯上升，腦含水量增加，而應(yīng)用了淫羊藿次苷II的腦缺血損傷模型組Nrf2以及HO-1的表達隨著淫羊藿次苷II劑量的增加而增加，ROS的含量隨之降低，MDA隨之升高，腦梗死體積減小[16]。因此，能夠激活Nrf2/HO-1信號通路表達的藥物可能成為日后治療缺血性腦卒中治療的關(guān)鍵。

2.4 PI3K/Akt信號通路與缺血性腦卒中磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3 kinase/Akt，PI3K/Akt)信號轉(zhuǎn)導通路廣泛存在于各種細胞中，PI3K/Akt信號通路參與調(diào)控細胞內(nèi)多種信號途徑，在促進細胞存活及增殖、抗凋亡、調(diào)節(jié)糖代謝和蛋白合成等過程中起關(guān)鍵的作用。有文獻報道PI3K/Akt信號通路參與電針治療對缺血腦組織具有保護作用[17]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在腦缺血再灌注損傷過程中PI3K/Akt通路中的P-Akt的表達有所降低，而應(yīng)用了長春西汀后，P-Akt表達增加，P-Akt/AKT比值減小，腦梗死體積以及腦含水量降低，凋亡受到抑制，大鼠腦缺血再灌注損傷明顯減輕[18]。Xiao dong Wang等[19]也發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt信號通路能通過誘導血管內(nèi)皮生長因子表達促進血管新生，而應(yīng)用了LY294002后，一種PI3K通路抑制劑，造成大鼠腦梗死體積以及神經(jīng)功能評分升高。不難發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt信號通路的激活在缺血性腦卒中發(fā)病過程中具有關(guān)鍵作用。

2.5 HIF-1α/VEGF信號通路與缺血性腦卒中低氧誘導因子-1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)是由Ingram等[20]在研究低氧促進紅細胞生成素基因表達時發(fā)現(xiàn)的，可以通過與低氧反應(yīng)元件結(jié)合，引起下游靶基因轉(zhuǎn)錄的一種因子。血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是血管生成初期關(guān)鍵性的生長因子，在缺血后組織的恢復(fù)發(fā)揮重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)HIF-1/VEGF信號通路的激活會降低實驗性腦卒中大鼠的神經(jīng)元凋亡發(fā)揮神經(jīng)保護機制[21]。Xiao Yang[22]也發(fā)現(xiàn)在小鼠腦缺血模型中，激活HIF-1/VEGF信號通路會降低炎性反應(yīng)，減少神經(jīng)元凋亡以及血腦屏障的損傷。

2.6 Nrf2/ARE信號通路與缺血性腦卒中在氧化應(yīng)激作用下，Nrf2與細胞骨架相關(guān)蛋白會發(fā)生解偶聯(lián)，活化后的Nrf2將進入到細胞核內(nèi)，此時Nrf2在細胞核內(nèi)與小Maf蛋白結(jié)合成異二聚體，進而辨別并結(jié)合抗氧化反應(yīng)構(gòu)件(antioxidant response element，ARE)，從而啟動下游抗氧化保護基因及II相解毒酶基因的轉(zhuǎn)錄，這些因子包括:超氧化物歧化酶、血紅素氧化酶、醌氧化還原酶1等，Nrf2/ARE信號通路在細胞或機體氧化還原反應(yīng)等方面起著至關(guān)重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，TRIM16通過下調(diào)Keap1，增強Nrf2/ARE信號通路，保護培養(yǎng)海馬神經(jīng)元免受氧糖剝離/復(fù)氧誘導的氧化應(yīng)激[23]。Q.-Y.FAN[24]也發(fā)現(xiàn)，激活Nrf2/ARE信號通路，可以抑制腦梗死神經(jīng)細胞凋亡，減輕腦梗死癥狀，從而保護腦神經(jīng)元。

3 總結(jié)與展望

缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展與信號通路密切相關(guān)，目前缺血性腦卒中后信號通路的機制研究還有待進一步的探討，當缺血性腦卒中發(fā)生時，是否存在新的信號通路參與缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展，以及各種信號通路是否存在交叉作用，這都有待我們?nèi)蘸蟮难芯看_認。信號通路的研究對缺血性腦卒中疾病的治療具有深遠的意義，可能會成為缺血性腦卒中治療的關(guān)鍵。