PI3K-Akt信號傳導通路在缺血再灌注損傷中的研究進展

索立達(綜述)，佟立權(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第五醫(yī)院普外科，黑龍江 大慶 163316)

缺血所引起的組織器官損傷是致死疾病的主要原因，每年因缺血導致機體損傷或者死亡的患者數(shù)量逐年增加。在缺血性疾病搶救和診治的過程中，人們漸漸發(fā)現(xiàn)，組織器官在缺血后一段時間突然恢復再灌注血流時出現(xiàn)更嚴重的并發(fā)癥，這就是“缺血再灌注損傷”。在缺血再灌注損傷的諸多發(fā)病機制中，磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-ki-nase,PI3K)-絲氨酸/蘇氨酸激酶(receptorserine/threoninekinases,Akt)信號傳導通路作為一條經(jīng)典的途徑影響細胞凋亡正在逐步被人們所認知，其中尚未闡明的機制也被大家廣泛研究。現(xiàn)就PI3K-Akt信號傳導通路在缺血再灌注損傷中的研究進展綜述如下。

1 PI3K-Akt信號通路概念

PI3K-Akt信號傳導通路是一種由PI3K和Akt組成的信號傳導通路。其主要功能包括能量代謝、促進細胞增殖、分化及凋亡[1]。在缺血再灌注損傷時，Akt下游通路激活，抑制細胞凋亡，從而減輕缺血再灌注損傷。PI3K包括3種同工酶，下游還有許多效應分子，Akt作為通路的中心環(huán)節(jié)，同時又是PI3K下游的主要靶點，傳遞PI3K的重要信息[2]。當PI3K-Akt信號傳導通路被激活后，相應的靶蛋白不僅可以促進下游Bcl-2抗凋亡蛋白的表達，同時可以抑制下游bax、caspase-9等凋亡蛋白的表達，最終達到保護缺血再灌注損傷器官的目的。PI3K是一種細胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶，p-Akt的激活常常與來自G蛋白耦聯(lián)受體和酪氨酸的信號有關，當PI3K受到信號刺激后，PI3K的p110亞基和p85亞基結合從而激活p-Akt，活化的p-Akt向細胞質(zhì)和細胞核內(nèi)轉運，與底物蛋白的特定部位的絲蘇氨酸磷酸化形成p-Akt，p-Akt調(diào)節(jié)下游因子Bcl-2和bax進而對細胞凋亡產(chǎn)生影響[3-4]。

Bcl-2作為最重要的抗凋亡因子，其編碼的Bcl-2蛋白作用不可忽視。Bcl-2蛋白的主要作用是可以阻斷線粒體通透性轉換孔的開放、對抗脂質(zhì)的過氧化、減少細胞內(nèi)鈣超載及抑制caspase-3的激活而進一步發(fā)揮抗細胞凋亡的效果。PI3K-Akt信號傳導通路的激活上調(diào)了p-Akt和Bcl-2的蛋白表達，下調(diào)了細胞凋亡因子的相關表達，進而減輕了因缺血再灌注導致的損傷[5]。

2 PI3K-Akt與缺血再灌注損傷機制

既往實驗研究[6]證實，氧自由基、鈣超載、細胞因子和細胞凋亡等因素與缺血再灌注損傷非常密切，諸多因素的綜合作用導致組織器官的缺血再灌注損傷，甚至影響整個機體的健康狀態(tài)。

2.1 PI3K-Akt與氧自由基：氧自由基是機體內(nèi)多種化學反應后產(chǎn)生的一類含有一個不成對電子的原子團結構，是一種有活性的化學代謝產(chǎn)物。在正常的生物體系中，過多的活性氧自由基會被機體內(nèi)的自由基清除劑消滅，避免機體產(chǎn)生不良反應。當生物機體的組織器官缺血缺氧時，機體內(nèi)的黃嘌呤氧化酶系統(tǒng)活性增強，次黃嘌呤接受電子轉化為黃嘌呤的過程中產(chǎn)生大量的氧自由基；組織器官在缺血缺氧的同時又導致線粒體中三磷酸腺苷(adenosine triphosphale,ATP)生成減少，進而導致線粒體的功能障礙，最終產(chǎn)生大量的氧自由基；ATP合成減少還會導致呼吸鏈功能紊亂和細胞色素的功能失調(diào)，從而使氧自由基的產(chǎn)生進一步增加。氧自由基的積累最終會超過氧自由基清除劑的清除能力，對機體產(chǎn)生破壞行為，導致正常細胞和組織器官的損傷而引起多種疾病。有研究[7]表明，減少心肌缺血再灌注早期形成的大量氧自由基可以對心肌細胞產(chǎn)生保護作用。氧自由基導致肝細胞損傷的機制可分為3點。①氧自由基可使肝細胞核內(nèi)的DNA雙鏈結構突變，引起肝細胞的結構和功能異常，導致肝細胞損傷；②氧自由基可使細胞器的膜結構發(fā)生破損，導致細胞器的損傷；③氧自由基還可引起血小板的聚集和黏附，導致微循環(huán)障礙。此外，Kupffer細胞的激活也可導致大量氧自由基的釋放，加重了缺血再灌注損傷[8]。PI3K-Akt信號傳導通路是調(diào)控機體應激和對抗炎癥的主要信號通路，在對抗機體炎癥方面發(fā)揮重要的作用。

王建明等[9]將小鼠分為假手術組和缺血再灌注組，通過夾閉小鼠腹腔動脈30min后松開動脈夾來建立缺血再灌注模型。結果顯示缺血再灌注組Akt的磷酸化水平均明顯高于假手術組，這說明PI3K-Akt信號通路激活后，Akt的磷酸化水平明顯增高，同時說明缺血再灌注損傷的過程中，PI3K-Akt信號通路被激活了，可能是通過減少氧自由基的合成而參與缺血再灌注損傷后損傷部位的修復。

2.2 PI3K-Akt與鈣超載：由于不利因素而引起的鈣平衡系統(tǒng)功能失調(diào)，鈣分布紊亂，導致細胞內(nèi)鈣濃度異常性升高，即鈣超載，其原因如下。①在缺血缺氧的條件下，細胞膜對鈣離子的通透性增強，原本細胞外鈣內(nèi)流到細胞內(nèi)，導致細胞內(nèi)鈣濃度增加；②細胞在缺血缺氧時，細胞中線粒體的結構和功能障礙，ATP合成過程受到影響，細胞鈣泵的主動轉運能力下降，無法將細胞內(nèi)鈣離子排出，引起細胞內(nèi)鈣離子的積聚，導致內(nèi)鈣濃度增加；③細胞膜上的鈣通道蛋白變性，也可導致細胞內(nèi)鈣的增加。細胞內(nèi)鈣超載可導致細胞膜電位的降低，影響線粒體的氧化磷酸化過程，導致線粒體合成ATP減少，嚴重影響細胞膜的穩(wěn)定性和細胞能量的供應；細胞內(nèi)鈣超載還可以激活磷脂酶A及鈣敏感蛋白酶，進一步導致花生四烯酸的形成，花生四烯酸又可促使前列腺素和血栓素的形成，而前列腺素又是導致氧自由基產(chǎn)生的關鍵因素之一，促進細胞的不可逆性損傷[10]。

PI3K-Akt信號傳導通路的激活可阻止Bcl-2的下降和caspase-3的活化[11-12]，也能調(diào)控線粒體上的通透性轉換孔(mitochondrialpermeablity transitionpore,MPTP)，促使積累到細胞內(nèi)大量的鈣離子通過通道轉移到細胞外，減輕細胞內(nèi)鈣超載，同時MPTP還能夠調(diào)控細胞色素C、白細胞介素及凋亡因子的釋放，最終在對抗細胞凋亡中掌握主動地位，抑制細胞凋亡。

2.3 PI3K-Akt與細胞因子：細胞因子是免疫原、絲裂原或其他刺激劑誘導多種細胞產(chǎn)生的低分子量可溶性蛋白質(zhì)，它們通過自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌等途徑方式在組織內(nèi)發(fā)揮特殊的生物學效應。其中包括白細胞介素、干擾素、腫瘤壞死因子超家族、集落刺激因子、趨化因子、生長因子等，與缺血再灌注損傷關系最為密切的就是腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和白細胞介素1(interleukin-1，IL-1)[13]。TNF-α是一種能夠直接殺傷腫瘤細胞而對正常細胞無明顯毒性的細胞因子，是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的直接殺傷腫瘤作用最強的生物活性因子之一。然而在臨床研究中發(fā)現(xiàn)TNF-α對人體具有嚴重的不良反應。其主要的不良反應如下。①TNF-α可以使肝竇內(nèi)皮細胞腫脹；②TNF-α可促使中性粒細胞活化并釋放大量的氧自由基，從而導致細胞不可逆損傷；③TNF-α干擾肝細胞DNA的復制過程；④TNF-α誘導Kupffer細胞生成過氧化物。IL-1是重要的炎性介質(zhì)之一，同時作為一種熱原質(zhì)成分，IL-1具有致熱和介導炎癥的作用。IL-1能夠促使Kupffer細胞產(chǎn)生TNF-α，誘導凝血酶和纖維蛋白酶的合成，破壞內(nèi)皮細胞，誘導中性粒細胞產(chǎn)生氧自由基而造成細胞的損傷。

李程等[14]研究PI3K-Akt信號傳導通路對大鼠肝缺血再灌注損傷的影響，隨機將健康雄性SD大鼠分為4組，即假手術組、缺血再灌注組(IR組)、丹參組(SI組)和丹參+阻斷劑組(LY組)。實驗通過TUNEL法和Western印跡法觀察到SI組凋亡細胞數(shù)量和凋亡指數(shù)明顯少于IR組，同時Akt的磷酸化水平的含量較IR組明顯增加；而LY組與SI組，肝細胞中的p-Akt表達的含量明顯降低，肝臟細胞凋亡數(shù)量增加，肝臟損傷更加嚴重。由此可以推斷，PI3K-Akt阻斷劑的應用，阻止p-Akt的生成與表達，PI3K-Akt信號傳導通路的激活，活化的p-Akt可以有效地抑制炎性介質(zhì)的釋放，能有效地防止細胞的凋亡，某種程度地對大鼠肝臟缺血再灌注損傷起到了相應的保護作用。

2.4 PI3K-Akt與細胞凋亡：細胞凋亡是為了維持機體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，由細胞基因控制的、自主的、程序性的死亡。細胞凋亡與細胞壞死不同，細胞凋亡是為了能更好地適應自身的生存環(huán)境而主動的死亡程序。細胞的程序性死亡是缺血再灌注損傷時發(fā)病的主要機制之一，細胞凋亡的過程極其復雜，與氧自由基的產(chǎn)生、細胞能量代謝障礙、細胞內(nèi)鈣超載、細胞因子的激活以及caspase和Bcl-2家族基因的表達密切相關，其中caspase家族是導致細胞凋亡的關鍵因素之一。研究[15]表明，caspase家族中以caspase-3的活化表達為顯著標志。caspase-3作為中央“劊子手”或者“下游的半胱天冬酶”，在細胞凋亡中扮演著一個非常重要的角色，也是細胞凋亡的一種重要的效應分子。大量的細胞內(nèi)鈣離子的積累導致氧自由基的增加，破壞線粒體的結構和功能，促使細胞凋亡啟動子的釋放，激活caspase級聯(lián)反應。Bcl-2是一種從濾泡性淋巴瘤原癌基因中分離提取的抗凋亡蛋白，它在細胞凋亡的過程中也起著重要的作用，其導致細胞凋亡的機制是通過調(diào)節(jié)線粒體上MPTP的開啟與關閉，進而影響線粒體合成ATP，同時調(diào)控線粒體外膜的通透性促進或抑制細胞凋亡[16-17]。Bcl-2還可以穩(wěn)定線粒體膜電位，抑制細胞色素C的釋放，進而抑制caspase級聯(lián)反應的發(fā)生，防止細胞凋亡，保護組織器官免受其害[18]。細胞凋亡是心肌缺血是心肌損傷的一種主要形式，心肌梗死面積的大小很大程度上取決于心肌細胞凋亡的程度。研究[19]表明，部分心肌細胞的保護作用機制依賴于p-Akt的活化，p-Akt活化后可以激活其下游的相應靶點，最終通過減少線粒體MPTP的開放，促使線粒體能量的合成，同時使線粒體外膜更具有穩(wěn)定性，減少促凋亡因子，促進抗凋亡因子的作用，對抗心肌細胞的凋亡。在大鼠心肌缺血再灌注損傷中，PI3K-Akt信號通路作為細胞內(nèi)重要的信號傳導通路，在對抗大鼠心肌缺血再灌注損傷和抑制細胞凋亡中發(fā)揮了舉足輕重的作用。誘導細胞凋亡的因素種類非常多，這些不同的因素導致細胞凋亡的途徑也不盡相同，但這些因素有時可以通過相同的信號傳導通路誘導細胞凋亡；同時這些不同的因素在一種信號傳導通路中作為促進細胞凋亡因素，在另一種信號傳導通路中也可能變成抑制細胞凋亡的因素。文獻[20]報道，同一種因素在同一條信號傳導通路中也可以促進細胞增殖和誘導細胞凋亡，這種因素可能通過對信號傳導通路中增殖和凋亡2個方面的調(diào)控而產(chǎn)生的結果。

在缺血再灌注損傷時PI3K-Akt信號傳導通路激活，促使p-Akt的磷酸化增加，抑制caspase-3的表達，上調(diào)Bcl-2的表達，進而可以避免組織器官在缺血再灌注中受到損傷。

3 展 望

PI3K-Akt信號傳導通路可以參與到各種調(diào)節(jié)反應的過程中，對抗缺血再灌注損傷引起的細胞凋亡，同時PI3K-Akt信號傳導通路與絲裂原活化蛋白激酶信號傳導通路及酪氨酸激酶信號傳導子和轉錄激活子信號傳導通路等其他通路是否相互作用，對抗由于缺血再灌注引起的損傷，其中的聯(lián)系尚未發(fā)現(xiàn)，相信深入研究PI3K-Akt信號傳導通路與其他通路的區(qū)別和聯(lián)系會為我們提供更多的思路。

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