PI3K/Akt信號通路與腦出血的研究進展

嚴美茹 張燕平 羅瑞琦 王思媛

【摘要】 磷脂酰激醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）信號通路作為經(jīng)典的細胞信號轉導途徑，在細胞生長、增殖、分化和凋亡等多種生物學過程中發(fā)揮作用。腦出血是一種高致殘率和高致死率的腦血管疾病，該通路在腦出血發(fā)生發(fā)展中的研究也備受關注。該文以PI3K/Akt信號通路為主線，對該通路的結構及生物學特點、與腦出血之間的關系以及基于該通路探討藥物對腦出血的作用進行綜述，為臨床腦出血的治療提供新的思路。

【關鍵詞】 腦出血;PI3K/Akt信號通路;細胞凋亡;神經(jīng)炎癥

【Abstract】 As a classic cell signal transduction pathway， PI3K/Akt pathway plays a role in a variety of biological processes， such as cell growth， proliferation， differentiation and apoptosis. As a kind of cerebrovascular disease with high disability and high mortality， the role of this signaling pathway in the incidence and development of cerebral hemorrhage has attracted more and more attention. In this article， the PI3K/Akt signal pathway was regarded as the main topic to analyze the structural and biological characteristics of this pathway， its relationship with cerebral hemorrhage and review the efficacy of drugs for cerebral hemorrhage based on the PI3K/Akt signaling pathway， aiming to provide novel ideas for the clinical treatment of cerebral hemorrhage.

【Key words】 Cerebral hemorrhage; PI3K/Akt signal pathway; Cell apoptosis; Neuroinflammation

腦出血是一種常見的臨床神經(jīng)系統(tǒng)疾病，是指原發(fā)非外傷性腦實質內血管的破裂，約占腦卒中的 15%，占突發(fā)性腦死亡的20%～30%，是目前全球范圍內具有高致殘率和高致死率的一種腦血管疾病[1]。研究顯示，50%腦出血患者在發(fā)病后48 h內死亡，70%～80%存活者遺留后遺癥，如認知功能障礙、癲癇等，僅約20%存活者能夠恢復正常的自理能力，腦出血極大地增加了患者家庭和社會的經(jīng)濟負擔[2]。Kim等[3] 的研究顯示，在腦出血患者大腦中可觀察到炎癥因子的釋放及神經(jīng)細胞（神經(jīng)元）的損傷和凋亡，這提示炎癥反應和神經(jīng)元的凋亡可能在腦出血繼發(fā)性損傷的發(fā)病機制中起重要作用。因此，對腦組織炎癥反應的抑制和神經(jīng)元凋亡的調控可能是治療腦出血的關鍵。在眾多參與細胞凋亡的信號轉導途徑中，磷脂酰激醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt或PKB）

信號通路極為重要，其在促進細胞的增殖、分化及抑制神經(jīng)元凋亡等方面發(fā)揮了重要作用。有研究表明，該通路與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生密切相關，能夠調控腦血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病等多種病理變化過程。本文對PI3K/Akt信號通路的結構、生物學特點、與腦出血之間的關系以及基于該通路探討藥物對腦出血的作用進行綜述。

一、PI3K/Akt信號通路的結構特點

作為細胞內磷酸化過程中的轉導蛋白，PI3K與Akt在多種生物學進程中發(fā)揮作用。研究表明PI3K/Akt信號通路是細胞轉錄、翻譯、新陳代謝、增殖和凋亡的主要信號轉導途徑，能夠通過調控凋亡蛋白和凋亡基因抑制細胞凋亡，達到保護腦組織的目的。

1. PI3K

PI3K是重要的抗凋亡調節(jié)因子，根據(jù)其結構、調節(jié)模式和底物特異性被分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型[4]。其中Ⅰ型又包括ⅠA和ⅠB，ⅠA類PI3K是由催化亞單位P110和調節(jié)單位P85組成的異二聚體，主要作用于酪氨酸激酶，具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶和磷脂酰激酶雙重活性。P85的2個結構域能與相應結合位點的靶蛋白發(fā)生作用;P110的6個結構域具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性，參與調控細胞的生長、增殖和分化。ⅠB類主要作用于G蛋白偶聯(lián)受體[5]。PI3K的底物主要為PI、PIP和PIP2，其中，Ⅰ型PI3K的底物主要為PI、PIP和PIP2，激活后可抑制細胞自噬;Ⅱ型PI3K的底物主要為PI和PIP，與自噬關系不大;Ⅲ型 PI3K底物主要為 PI，激活后可促進細胞自噬。由于Ⅰ型PI3K在多種信號轉導途徑中發(fā)揮作用，因此目前對其研究最為廣泛。PI3K的激活方式有2種，一種是與磷酸化后具有酪氨酸殘基的連接蛋白或生長因子受體相互結合，從而改變二聚體構象，使其被誘導激活;另一種是通過Ras與P110結合，使PI3K活化。PI3K被上游信號分子激活后，能夠催化質膜上的PIP2轉變?yōu)镻IP3，與下游Akt的PH結構域相結合，從而影響下游的信號分子（如Akt、PDK1等），進一步發(fā)揮調節(jié)細胞周期、生長、凋亡、增殖及遷移的作用[6]。

2. Akt

Akt是相對分子質量為 57 kDa的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，能夠使許多細胞系統(tǒng)中的下游凋亡因子失活，在介導生長因子對細胞的抗凋亡作用中起關鍵作用。Akt 家族主要有3個亞型，即Akt1（PKBα）、Akt2（PKBβ）和Akt3（PKBγ），各個亞型之間聯(lián)系緊密，在不同的細胞環(huán)境下，又存在功能差異，與抑制細胞凋亡以及細胞增殖等多個環(huán)節(jié)有關[7] 。其中，Akt1是細胞生長通路中的關鍵蛋白，能夠誘導蛋白質的合成并促進細胞增殖，抑制細胞凋亡;Akt2是胰島素信號轉導途徑中的重要蛋白，主要和胰島素共同調節(jié)糖類物質的代謝，與細胞內葡萄糖的轉運有關;Akt3在睪丸和腦中有較高的表達水平，具體作用仍需進一步研究，可能與調節(jié)細胞的大小和數(shù)目有關。Akt的一級結構有4個結構域，分別是PH 結構域、接頭區(qū)、催化結構域和 C端調節(jié)區(qū)，其激活與 Thr-308 在其催化結構域或 Ser-473 在C端的磷酸化有關。PI3K作為Akt的上游活化酶，能與其PH結構域相結合，使Akt轉移到細胞膜上，引起構象改變。同時，Thr-308和Ser-473發(fā)生磷酸化，使Akt發(fā)生級聯(lián)活化，誘導核移位，影響轉錄因子和轉錄調節(jié)器，例如使Bad、forkhead轉錄因子、Caspase-9 、Caspase-3 、核因子κB等蛋白磷酸化發(fā)揮抗凋亡、促進細胞存活的作用[8]。

二、PI3K/Akt信號通路與腦出血發(fā)生發(fā)展的關系

越來越多的研究表明，PI3K/Akt信號通路與腦出血后的繼發(fā)性腦損傷有關。Bao等（2016年）建立大鼠腦出血模型，于6 h后發(fā)現(xiàn)大鼠腦血腫周圍組織的PI3K、p-Akt表達增多，1 d時表達達到高峰，3 d時表達減少，7 d時少量表達，提示PI3K/Akt信號通路參與了腦出血的病理變化過程，該通路可能與腦出血后的繼發(fā)性腦損傷有關。

1. PI3K/Akt與腦出血后的自噬與凋亡

凋亡是調節(jié)細胞死亡的主要機制，不僅存在于細胞損傷過程中，還發(fā)生于細胞正常發(fā)育過程中。自噬主要是對細胞進行自我消化的過程，是將已經(jīng)受損和生物學功能喪失的細胞成分運輸至溶酶體，在其中進行降解、再循環(huán)的過程。當自噬小體形成超過溶酶體的降解能力時，自噬會誘導細胞凋亡。神經(jīng)元的凋亡是腦出血后繼發(fā)性腦損傷的重要病理變化過程，受多種因素調控。同時，神經(jīng)元的自噬與腦出血的發(fā)生也有密切聯(lián)系[9]。有研究者發(fā)現(xiàn)，腦出血后在血腫組織周圍可檢測到大量凋亡細胞，同時，能夠發(fā)現(xiàn)自噬泡以及自噬相關蛋白Beclin1、LC3的表達水平升高。此外，大量研究表明，PI3K/Akt信號通路在細胞凋亡和自噬中起著至關重要的作用，例如Cao等[10]發(fā)現(xiàn)，莫非替尼能通過調控PI3K/Akt信號通路抑制自噬和凋亡，從而保護小鼠海馬神經(jīng)元。Chen等[11] 發(fā)現(xiàn)，亞甲藍能夠引起大鼠腦出血后的PI3K、Akt發(fā)生活化，使用PI3K的選擇性抑制劑渥曼青霉素（Wortmannin）后，亞甲藍的抗凋亡作用明顯被逆轉，這提示PI3K參與了腦出血后神經(jīng)元凋亡的過程。Zhang等（2016年）通過體外實驗上調Dickkopf相關蛋白1（DDK-1）在大鼠皮質神經(jīng)元凋亡過程中的表達，發(fā)現(xiàn)DDK-1能抑制Akt磷酸化過程，促進神經(jīng)元的凋亡，這提示Akt也參與了神經(jīng)元的凋亡過程。堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）是一種神經(jīng)營養(yǎng)因子，能減少損傷因素對神經(jīng)元的破壞，對中樞神經(jīng)元具有保護作用。Yu等（2017年）發(fā)現(xiàn)予大鼠bFGF后其腦出血灶旁腦組織p-Akt表達顯著上調，細胞凋亡數(shù)量減少，提示bFGF增強了Akt的磷酸化水平，減少了腦出血后細胞凋亡數(shù)量，進一步提示p-Akt具有顯著的抗凋亡作用，可增強腦組織對出血性損傷的耐受性。因此，對于PI3K/Akt信號通路靶點藥物的研究可能有助于調控腦出血后的繼發(fā)性自噬和凋亡。

2. PI3K/Akt與腦出血后的神經(jīng)炎癥反應

炎癥反應是機體對腦出血的一種防御反應，血液進入腦實質會觸發(fā)炎癥級聯(lián)反應，引起血腫周圍大量炎癥細胞和炎癥因子積聚，從而引發(fā)神經(jīng)炎癥反應。同時，炎癥反應過程中所釋放的炎癥介質會損傷血腦屏障、加劇腦水腫的形成，進一步觸發(fā)繼發(fā)性腦損傷[12]。研究顯示，在腦出血發(fā)生后，小膠質細胞被激活，神經(jīng)炎癥因子TNF-α、IL-1及 IL-6的表達水平升高。同時，大量研究表明PI3K/Akt信號通路在抑制炎癥反應中發(fā)揮重要作用，例如Gong等[13] 發(fā)現(xiàn)神經(jīng)節(jié)苷脂（GM1）可以通過調控PI3K/Akt信號通路抑制炎癥反應，降低炎癥因子的表達水平，達到保護神經(jīng)元的作用。陳慧等[14]證實人臍血間充質干細胞能夠通過PI3K/Akt信號通路在出現(xiàn)缺血性腦損傷時降低炎癥反應程度，改善神經(jīng)功能。Zhang等[15] 對蛛網(wǎng)膜下腔出血大鼠使用丙泊酚后發(fā)現(xiàn)其腦組織核因子κB、IL-1和 TNF-α表達水平均下降，加入PI3K抑制劑LY294002后則消除了這種變化，這提示丙泊酚在發(fā)揮抑制炎癥反應作用時是通過調控該通路實現(xiàn)的，可能是通過調控下游的核因子κB進而發(fā)揮作用。黃嘉慧等[16]使用紅景天苷干預大鼠腦缺血模型的研究也印證了上述結論。由此提示，干預PI3K/Akt信號通路和下游核因子κB靶點在調控腦出血后的炎癥反應中均能發(fā)揮作用。

三、以PI3K/Akt信號通路為靶點治療腦出血的藥物

目前，研究者們對PI3K/Akt信號通路作為治療腦出血后繼發(fā)性腦損傷的分子靶點已進行了大量的藥物干預研究。重組人促紅細胞生成素（rhEPO）是在腦組織中廣泛表達的一種具有調節(jié)紅細胞生長作用的細胞因子，對神經(jīng)元有明顯的保護作用。Xiang等（2016年）建立了大鼠腦出血模型，經(jīng)腹腔注射rhEPO，發(fā)現(xiàn)其腦內PI3K、Akt的表達水平顯著升高，PI3K/Akt信號通路被激活，神經(jīng)元凋亡被抑制，神經(jīng)元損傷程度減輕。Han等（2012年）發(fā)現(xiàn)，對腦出血后小鼠經(jīng)尾靜脈注射人源重組胰島素樣生長因子-1可以提高其體內Akt的活性，延緩p-Akt下降的幅度和速度，減少腦出血后神經(jīng)元的凋亡數(shù)量。黃體酮是中樞神經(jīng)及周圍神經(jīng)合成、分泌的神經(jīng)甾體，可以激活PI3K/Akt信號通路，減輕神經(jīng)炎癥反應、血腦屏障的破壞和脂質過氧化程度，在腦卒中后具有保護神經(jīng)元的作用[17]。鄭建新等[18]發(fā)現(xiàn)，黃體酮可增強依達拉奉對PI3K/Akt信號通路的激活作用，提高PI3K、Akt的表達水平，促進其磷酸化，從而降低核因子κB和Caspase-9的表達水平，更有效地調控腦出血后的氧化應激及炎癥反應。

同時，針對此信號通路的分子靶點的中醫(yī)藥研究也不少，吳曉光等（2016年）予小鼠腦出血模型灌胃補陽還五湯14 d后發(fā)現(xiàn)，其體內TUNEL

陽性細胞明顯減少，p-Akt、Bcl-2表達水平升高，這提示補陽還五湯對PI3K/Akt信號通路有激活作用，抑制了腦出血引起的神經(jīng)元凋亡。俞曉飛等（2017年）發(fā)現(xiàn)生地大黃湯能夠降低腦出血后大鼠的神經(jīng)功能缺損評分，改善腦組織炎性損傷程度，減少細胞凋亡數(shù)量，發(fā)揮保護神經(jīng)元的作用。謝作常等[19]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過生大黃灌胃處理的腦出血大鼠體內Akt表達水平升高，而注射PI3K的選擇性抑制劑Wort后其體內的Akt表達水平下降。這提示生大黃能通過影響Akt的表達水平發(fā)揮保護神經(jīng)元的作用。

四、展 望

神經(jīng)炎癥反應和神經(jīng)元的凋亡是腦出血后腦組織發(fā)生一系列繼發(fā)性損傷的重要病理過程，減輕神經(jīng)炎癥反應程度和抑制神經(jīng)元凋亡是治療腦出血的新思路。研究表明，信號通路的激活是啟動細胞凋亡的前提。如果能對信號通路進行早期干預，便能減輕細胞凋亡的程度，從而達到保護腦組織的作用。近年來，越來越多的研究者發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt信號通路參與了腦出血發(fā)生發(fā)展的過程，對此通路也進行了大量的藥物干預研究，其靶點作用也逐漸被肯定。但該信號通路在腦出血中的特異性仍有待進一步研究，同時，在干預該信號通路上，中醫(yī)藥也發(fā)揮了不容忽視的作用，因此，探究中醫(yī)藥對此靶點的作用具有重要意義。

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（收稿日期：2021-09-29）

（本文編輯：洪悅民）