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

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(zhì)內(nèi)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(nèi)具有高致殘率和高致死率的一種腦血管疾病。研究顯示，50%腦出血患者在發(fā)病后48 h 內(nèi)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。Kim 等的研究顯示，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(diào)控可能是治療腦出血的關(guān)鍵。在眾多參與細胞凋亡的信號轉(zhuǎn)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(guān)，能夠調(diào)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(jié)構(gòu)、生物學特點、與腦出血之間的關(guān)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(jié)構(gòu)特點

作為細胞內(nèi)磷酸化過程中的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄、翻譯、新陳代謝、增殖和凋亡的主要信號轉(zhuǎn)導途徑，能夠通過調(diào)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(diào)節(jié)因子，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)模式和底物特異性被分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其中Ⅰ型又包括ⅠA 和ⅠB，ⅠA 類PI3K 是由催化亞單位P110 和調(diào)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(jié)構(gòu)域能與相應結(jié)合位點的靶蛋白發(fā)生作用；P110 的6 個結(jié)構(gòu)域具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性，參與調(diào)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。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(guān)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(zhuǎn)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(jié)合，從而改變二聚體構(gòu)象，使其被誘導激活；另一種是通過Ras 與P110 結(jié)合，使PI3K 活化。PI3K 被上游信號分子激活后，能夠催化質(zhì)膜上的PIP2 轉(zhuǎn)變?yōu)镻IP3，與下游Akt 的PH 結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，從而影響下游的信號分子（如Akt、PDK1 等），進一步發(fā)揮調(diào)節(jié)細胞周期、生長、凋亡、增殖及遷移的作用。

2. Akt

Akt 是相對分子質(zhì)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(guān)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(guān)。其中，Akt1 是細胞生長通路中的關(guān)鍵蛋白，能夠誘導蛋白質(zhì)的合成并促進細胞增殖，抑制細胞凋亡；Akt2 是胰島素信號轉(zhuǎn)導途徑中的重要蛋白，主要和胰島素共同調(diào)節(jié)糖類物質(zhì)的代謝，與細胞內(nèi)葡萄糖的轉(zhuǎn)運有關(guān)；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(diào)節(jié)細胞的大小和數(shù)目有關(guān)。Akt 的一級結(jié)構(gòu)有4 個結(jié)構(gòu)域，分別是PH 結(jié)構(gòu)域、接頭區(qū)、催化結(jié)構(gòu)域和 C 端調(diào)節(jié)區(qū)，其激活與 Thr-308 在其催化結(jié)構(gòu)域或 Ser-473 在C 端的磷酸化有關(guān)。PI3K 作為Akt 的上游活化酶，能與其PH 結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，使Akt 轉(zhuǎn)移到細胞膜上，引起構(gòu)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(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)器，例如使Bad、forkhead 轉(zhuǎn)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。

二、PI3K/Akt 信號通路與腦出血發(fā)生發(fā)展的關(guān)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(guān)。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(guān)。

1. PI3K/Akt 與腦出血后的自噬與凋亡

凋亡是調(diào)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(diào)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。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(guān)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(guān)重要的作用，例如Cao 等發(fā)現(xiàn)，莫非替尼能通過調(diào)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(zhuǎn)，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(diào)Dickkopf 相關(guān)蛋白1（DDK-1）在大鼠皮質(zhì)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(diào)，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(diào)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(zhì)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(zhì)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。研究顯示，在腦出血發(fā)生后，小膠質(zhì)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 等發(fā)現(xiàn)神經(jīng)節(jié)苷脂（GM1）可以通過調(diào)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。陳慧等證實人臍血間充質(zhì)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(diào)控該通路實現(xiàn)的，可能是通過調(diào)控下游的核因子κB 進而發(fā)揮作用。黃嘉慧等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(jié)論。由此提示，干預PI3K/Akt 信號通路和下游核因子κB 靶點在調(diào)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(diào)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(nèi)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(nèi)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(zhì)過氧化程度，在腦卒中后具有保護神經(jīng)元的作用。鄭建新等發(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(diào)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(nèi)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。謝作常等發(fā)現(xiàn)經(jīng)過生大黃灌胃處理的腦出血大鼠體內(nèi)Akt 表達水平升高，而注射PI3K 的選擇性抑制劑Wort 后其體內(nèi)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。