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,是以突然發病及快速出現的局限性或彌散性腦神經功能缺損為臨床特征的腦血管疾病。據推算,我國腦卒中患者為1300萬[1],并且隨著人口的老齡化,以及與腦卒中發生密切相關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、自噬、氧自由基的生成以及神經元凋亡等。缺血性腦卒中的治療主要包括溶栓和神經保護兩個途徑,目的在于恢復腦組織缺血區的血液供應、保護腦神經、促進神經結構重塑等。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,患者也會出現不同程度的神經功能損傷。因此,對于缺血性腦卒中,迫切需要尋找有效的預防和治療的方法。

1 缺血性腦卒中的發病機制

1.1 鈣離子與缺血性腦卒中鈣離子(Ca2+)在神經元從幼稚狀態到成熟狀態的功能中具有十分重要的作用。缺血后腦卒中發生后,導致神經元離子梯度的喪失和膜去極化,隨后,興奮性神經遞質(如谷氨酸)被釋放并積聚在細胞外空間,并過度刺激神經元受體,最終引起Ca2+內流進入神經元,導致神經元內的Ca2 +超載。神經元內的Ca2 +超載可觸發一系列下游反應,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切酶的激活等,最終導致神經元的損傷和死亡。

1.2 炎癥與缺血性腦卒中炎癥反應伴隨缺血性腦卒中的整個過程,是腦缺血再灌注損傷(I/R)發病過程中的關鍵部分。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生發展具有基礎性作用。炎癥反應存在于缺血性腦卒中的整個過程,在缺血性腦卒中初期,小膠質細胞和星形膠質細胞被激活,細胞因子和趨化因子通過被激活的血管壁到達半暗帶,產生炎性因子。在缺血性腦卒中后期,半暗帶內有大量的炎癥因子。研究證明,阻斷炎癥相關細胞因子的表達,對I/R誘導的SD大鼠腦損傷具有保護作用[4]。在腦I/R中,多種炎癥介質的激活可導致神經元死亡和不可逆轉的腦損傷。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,對維持細胞內環境穩定,保持機體功能正常起著重要作用。在缺血性腦卒中發生期間,自噬對維持腦內穩態具有關鍵性作用。然而,自噬在缺血性腦卒中發病機制中的確切作用仍不明確,Litao Li等[5]發現,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、神經元損傷[6]。在缺血性腦卒中的治療中,合理的應用自噬,可能成為缺血性腦卒中的一個新的起點。

1.4 氧化應激與缺血性腦卒中氧化應激是指體內氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態,當氧化應激發生時,會引起機體大量氧化,生成的有害的產物稱之為自由基。正常情況下,自由基的產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。活性氧(ROS)是一種自由基,通過有氧代謝產生,當缺血性腦卒中發生時,ROS生成-消除平衡被破壞,使得ROS過量產生,這些ROS不僅能直接使膜脂質、蛋白質及DNA等大分子物質發生氧化損害而破壞細胞膜及其它細胞結構,還能通過抑制線粒體功能間接的激活凋亡信號通路,導致細胞發生死亡[7]。因此,當缺血性腦卒中發生時,通過降低ROS的水平,會對缺血性腦卒中的治療產生有益的影響。

1.5 細胞凋亡與缺血性腦卒中細胞凋亡, 是指機體為維持內環境穩態, 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生存環境而主動爭取的一種正常的生理現象。在中樞神經系統發育早期,會有非常多的神經元新生以及凋亡,此時的凋亡是人體自我調節的生理現象。當缺血性腦卒中發生時,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以及相關的級聯反應,損傷DNA最后導致神經元凋亡,引起一系列機體功能障礙,此為病理狀態。神經元的凋亡是缺血性腦卒中后神經功能缺失的重要機制之一,是缺血性腦卒中后神經功能進行性發展惡化的直接原因,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,抑制神經元凋亡,將是控制缺血性腦卒中后腦損傷的發展的研究重點以及治療缺血性腦卒中的重要基礎。

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生時,各種發病機制相互作用,從而加重腦神經元的損傷。而這其中必然有信號通路的參與,為了應對臨床中缺血性腦卒中患者缺少有效的治療手段現狀,通過最新的相關文獻查詢,就信號通路與缺血性腦卒中相關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生發展息息相關的信號通路,具體探討在缺血性腦卒中發生時,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年發現的人的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，是參與固有免疫反應的重要的模式識別受體蛋白。NF-κB是一種蛋白質復合物，其控制參與轉錄的DNA，細胞因子的產生和細胞的存活。有研究結果顯示，TLR4/NF-κB信號通路與缺血性腦卒中的發生發展密切相關，缺血性腦卒中可誘發內源性分子釋放，并與TLR4結合，激活的TLR4導致NF-κB的核易位，引起TNF-α的過表達從而引發炎癥反應[9]，而TLR4/NF-κB信號通路的下游介質TNF-α、IL-1是引起缺血性腦損傷炎癥反應的主要介質，在大鼠腦缺血模型中可見NF-κB信號激活。Li-Rong Wu等[10]實驗中發現，腦缺血-再灌注小鼠缺血區大腦皮質TLR4和NF-κB表達呈上升趨勢，神經保護作用下降，而應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。

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激和炎癥反應，改善神經功能[12]。蘭晶和潘敬芳[13]發現增加腦組織中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功能恢復中起著重要作用，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，發揮促血管生成作用，從而改善缺血性腦卒中后長期的神經恢復[14]。

2.3 Nrf2/HO-1信號通路與缺血性腦卒中核因子-E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor2，Nrf2)是內源性抗氧化防御的關鍵調控因子之一，可以促進抗氧化基因轉錄，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控下游HO-1減輕炎癥反應以及氧化應激實現的[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)信號轉導通路廣泛存在于各種細胞中，PI3K/Akt信號通路參與調控細胞內多種信號途徑，在促進細胞存活及增殖、抗凋亡、調節糖代謝和蛋白合成等過程中起關鍵的作用。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]。也有研究發現，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]也發現，PI3K/Akt信號通路能通過誘導血管內皮生長因子表達促進血管新生，而應用了LY294002后，一種PI3K通路抑制劑，造成大鼠腦梗死體積以及神經功能評分升高。不難發現，PI3K/Akt信號通路的激活在缺血性腦卒中發病過程中具有關鍵作用。

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現的，可以通過與低氧反應元件結合，引起下游靶基因轉錄的一種因子。血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是血管生成初期關鍵性的生長因子，在缺血后組織的恢復發揮重要作用。有研究發現HIF-1/VEGF信號通路的激活會降低實驗性腦卒中大鼠的神經元凋亡發揮神經保護機制[21]。Xiao Yang[22]也發現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，減少神經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激作用下，Nrf2與細胞骨架相關蛋白會發生解偶聯，活化后的Nrf2將進入到細胞核內，此時Nrf2在細胞核內與小Maf蛋白結合成異二聚體，進而辨別并結合抗氧化反應構件(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等方面起著至關重要的作用。有研究發現，TRIM16通過下調Keap1，增強Nrf2/ARE信號通路，保護培養海馬神經元免受氧糖剝離/復氧誘導的氧化應激[23]。Q.-Y.FAN[24]也發現，激活Nrf2/ARE信號通路，可以抑制腦梗死神經細胞凋亡，減輕腦梗死癥狀，從而保護腦神經元。

3 總結與展望

缺血性腦卒中的發生發展與信號通路密切相關，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，當缺血性腦卒中發生時，是否存在新的信號通路參與缺血性腦卒中的發生發展，以及各種信號通路是否存在交叉作用，這都有待我們日后的研究確認。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鍵。