基于PI3K/Akt信號通路探討針刺在心肌缺血/再灌注中的研究進展

童思佳,王 堃,吳生兵,周美啟,4△

1.浙江省蘭溪市人民醫院,浙江 蘭溪 321100;2.安徽中醫藥大學新安醫學教育部重點實驗室,安徽 合肥 230038;3.安徽中醫藥大學針灸經絡研究所,安徽 合肥 230038;4.安徽省中醫藥科學院亳州中醫藥研究所,安徽 亳州 236800

急性心肌缺血(Acute myocardial infarction,AMI)是由于冠狀動脈狹窄閉塞導致心肌持續性缺血缺氧的心臟疾病[1],其發病率和死亡率在我國呈上升趨勢,嚴重危害人類生命健康。當心臟或心肌組織恢復血流后發生的缺血再灌注(Myocardial ischemia reperfusion injury,MIRI)會進一步加重心肌組織損傷,嚴重影響患者治療效果和預后,是目前臨床上亟待解決的問題之一。研究發現[2-5],MIRI的發病機制涉及多種病理生理過程,包括炎癥反應、氧化應激、細胞凋亡、自噬和內皮細胞障礙等。

磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(Phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)信號通路通過調節細胞生長、代謝、增殖與分化等在心臟疾病中發揮重要作用。大量實驗證明[6-9],針刺能夠有效改善MIRI損傷。本研究以調控PI3K/Akt信號通路為切入點,對針刺防治MIRI的作用機制進行綜述。

1 PI3K/Akt信號通路的組成和功能

PI3K/Akt通路是機體內一條重要的信號通路,由 PI3K 和 Akt 兩個蛋白激酶構成,在促進細胞生長增殖、維持細胞生存和抑制細胞凋亡等過程中發揮重要作用。磷脂酰肌醇3-激酶(Phosphoinositide3-kinase,PI3K)是一種脂質激酶,根據其不同特性可分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型。PI3K 能夠被受體酪氨酸激酶和非受體酪氨酸激酶激活生成PIP3,與細胞內磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1,PDK1)和信號蛋白分子絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt kinase,Akt;又稱PKB)結合,活化Akt。Akt可分為PKB-α、β和γ3種亞型,與蛋白激酶A(Protein kinase A,PKA)和蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC)高度同源,是PI3K下游的主要效應分子。激活后,Akt可以磷酸化其下游靶蛋白如天冬氨酸蛋白水解酶-9(Caspase-9)、核因子κB(NF-κB)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)等參與調節細胞功能。

近年來研究發現,PI3K/Akt信號通路是預防MIRI的重要級聯信號通路,在MIRI發生發展中發揮不同的保護作用,如影響細胞凋亡、自噬、能量代謝和參與血管新生等[10-12]。

2 針刺干預PI3K/Akt信號通路在MIRI中的作用

2.1 減少細胞凋亡

細胞凋亡是一種程序性死亡,心肌缺血再灌注中細胞內Ca2+超載、氧自由基蓄積、線粒體損傷和炎癥反應通過多途徑誘導受損細胞發生凋亡。其中,由線粒體途徑導致的細胞凋亡與心肌缺血再灌注損傷密切相關,而B細胞淋巴瘤-2(Bcl-2)家族蛋白是線粒體凋亡途徑的關鍵啟動因子,按其功能可分為促凋亡蛋白(Bax)和抗凋亡蛋白(Bcl-2),在調控細胞凋亡中發揮重要作用。PI3K/Akt信號通路是一條重要的抗凋亡/促增殖信號途徑。

Akt蛋白作為P13K的下游基因,被活化后可誘導促凋亡蛋白Bcl-2相關凋亡促進因子(Bad)磷酸化,促使Bad與Bcl-2或Bcl-xL的分離,增加抗凋亡蛋白Bcl-2的表達,進而發揮抗凋亡的作用[13]。而且,活化的 Akt 蛋白能抑制細胞色素 C(Cyt C) 和凋亡誘導因子(AIF)的釋放,促進胱天蛋白酶(Caspase)家族的激活,從而起到抑制凋亡的作用[14]。

心肌組織缺血缺氧后,細胞內氧自由基堆積,線粒體氧化應激, 使得促進細胞存活的Bcl-2表達減少,而促進細胞凋亡的Bax表達增加,使大量Cyt C釋放到細胞質,最終激活Caspase凋亡級聯反應,在心肌細胞凋亡方面發揮重要作用[15]。當心肌細胞中的Akt(蛋白激酶)被激活后,可以作用于細胞凋亡蛋白,調節細胞的存活生長以及物質代謝,降低心肌細胞凋亡。

研究發現[16]針刺能夠通過提高MIRI大鼠心肌組織Akt的活化水平,增加心肌耗氧量,降低心肌細胞凋亡率,對MIRI大鼠起到保護作用。望廬山等[17]從PI3K/Akt通路的抑制及激活來探討電針對心肌細胞的保護作用機制,研究發現電針能提高AMI大鼠Bcl-2蛋白表達,而降低Caspase-3、Caspase-9和Bax蛋白表達,并且通過應用PI3K抑制劑(LY294002)抑制PI3K/Akt信號通路后發現,LY294002可以逆轉電針對AMI大鼠心肌細胞凋亡的影響,提示電針通過調控PI3K/Akt信號通路,抑制AMI大鼠心肌細胞凋亡。

2.2 調控自噬

細胞自噬是一種溶酶體對胞質內受損的細胞器或生物大分子進行降解,并將其產物循環再利用的動態過程,有利于維持細胞生存,在多種心血管疾病尤其是在心肌缺血/再灌注的病理過程中起著重要的調控作用[18]。生理狀態下,自噬對保護心肌組織有重要作用;但在病理狀態下,自噬過度或不足會加重受損心肌組織[19]。

磷脂酰肌醇3-激酶(Phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(Protein kinase B,PKB/Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信號通路與自噬的發生關系密切,是經典的自噬信號通路之一,通常能夠通過調控自噬的表達,在一定程度上保護細胞。其中,mTOR是PI3K/Akt信號通路下游的關鍵靶激酶,是自噬信號通路的重要聚合點,在細胞產生自噬的過程中起著關鍵作用。mTOR靶點由雷帕霉素靶蛋白復合物1(malian target of rapamycin com-plexe 1,m TORC1)和雷帕霉素靶蛋白復合物2(malian target of rapamycin com-plexe 2,m TORC2)組成, m TORC1通過激活核糖體S6蛋白激酶(Activation of ribo-somal protein S6 kinase,RPS6K)和抑制其真核轉錄起始因4E結合蛋白1(eIF4E-bin-ding protein 1,4E-BP1)來促進脂質和蛋白質合成,同時抑制細胞自噬;而m TORC2通過磷酸化絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶B(Protein kinase B,AKT/PKB)與mTORC1共同促進細胞存活與代謝。

張艷琳等[20]通過觀察MIRI大鼠心肌細胞自噬標記蛋白和PI3K/Akt/m TOR信號通路相關蛋白的變化探討電針預處理對MIRI自噬水平的調控機制,結果表明,電針預處理能促進MIRI大鼠PI3K、mTOR和Akt的磷酸化表達,降低了LC3-Ⅱ的水平;而且加用PI3K的特異性抑制劑后,減弱了電針抑制自噬的作用,證明電針預處理可能通過激活PI3K/Akt信號通路,防止細胞過度自噬,從而發揮保護心肌細胞的作用。吳立斌等[21]發現電針心經能通過激活Akt/mTOR通路提高細胞存活率,改善心肌功能,并且降低心肌細胞自噬水平,其作用途徑與其上調Akt和mTOR蛋白的磷酸化表達有關。韓永麗等[22]探究電針預處理對I/R大鼠細胞自噬的作用機制,研究發現電針預處理能夠下調心肌細胞中自噬相關基因mTOR、ATG13和PI3K的表達水平,上調自噬通量,給予PI3K抑制劑后發現電針預處理的保護作用明顯降低,說明電針預處理通過降低I/R大鼠PI3K基因表達激活Akt通路,促進自噬來減少心肌細胞自噬體的形成,保護受損心肌。

2.3 影響血管生成

血管新生在機體的多種生理、病理過程中發揮重要的作用,促進血管新生逐漸成為缺血性血管損傷疾病的治療途徑。血管新生是一個多種細胞、多種機制參與的復雜過程,血管內皮生長因子(VEGF)是最重要的血管生成因子,能促進各組織血管內皮細胞的增殖,誘導體內血管新生[23]。其中缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)是調控VEGF高表達的關鍵因素[24],當機體缺血缺氧時,HIF-1α不能被水解并在細胞核中與VEGF結合,激活VEGF mRNA轉錄,使得VEGF表達增加。VEGF表達升高會激活下游信號通路PI3K/Akt,抑制內皮細胞凋亡,且下游磷酸化的Akt 蛋白使eNOs激活,改變血管通透性,協同促進內皮細胞的增殖和新生血管的生成[25-26]。血管新生在一定程度上能緩解心肌缺血癥狀,改善缺血心肌[27]。張宏如等[8]研究發現針刺內關或足三里能提高MIRI大鼠心肌組織中的VEGFA、α-SMA、CD31和p-eNOS蛋白表達水平,促進MIRI后的血管重塑,減緩心肌梗死面積,緩解細胞損傷。

2.4 調節腺苷

腺苷是一種由體內三磷酸腺苷(ATP)降解生成的嘌呤核苷酸,廣泛存在于各細胞,能在心肌內磷酸化生成腺苷酸參與心肌的能量代謝,也能擴張冠狀動脈血管,在心血管系統調節中發揮重要作用。研究表明[28]腺苷是信號轉導的關鍵因子,也可以通過下調炎癥反應對受損組織起到保護作用。腺苷主要有A1、A2和A3型3種受體,其中A1、A3與心肌缺血預適應(IPC)密切相關,但兩者對心肌的保護作用機制和介導的信號通路并不相同[29]。A1受體主要通過激活磷酸肌醇3激酶(Phosphoinositide-3-kinase,PI3K)-AKt-Bcl-2通路誘導人巨噬細胞炎性蛋白發揮作用, 而A3受體是通過激活c AMP反應蛋白(CREB)-Bcl-2和AKt-Bcl-2兩個通路來介導人巨噬細胞炎性蛋白發揮對心肌細胞的保護作用[30]。研究發現心肌缺血缺氧過程中,腺苷能通過下調炎癥因子,減少心肌梗死面積,改善心功能[31-33]。徐文博等[34]發現針刺預處理可以提高I/R大鼠心肌細胞p-Akt、p-eNOS蛋白的表達,上調血清腺苷的含量,提示針刺預處理可能通過激活Akt/e NOS通路促進腺苷表達從而保護細胞免受心肌IR損傷。

3 小結

缺血性心臟病是世界范圍內導致心源性猝死和殘疾的主要原因之一。心臟受到缺血刺激引起心肌細胞損傷和死亡是該病高死亡率的關鍵因素。PI3K/Akt信號通路是細胞內重要的信號轉導通路,參與心血管疾病、腫瘤與糖尿病等多種疾病的病理過程。本研究詳細闡述了PI3K/Akt信號通路與心肌缺血/再灌注的關系及其作用機制,發現針刺通過調控PI3K/Akt信號通路減少細胞凋亡、調節自噬、促進血管生成和提高腺苷表達等多途徑減輕心肌細胞損傷,為防治MIRI提供了新思路。但目前的研究僅停留在對單項指標和效應的觀察上,缺少多通路多機制的整體研究,并且大量實驗研究結果不能有效轉化為臨床應用。因此,深入探索針刺治療MIRI的作用機制并與臨床相結合,對于臨床推廣中醫藥治療具有重要意義。