PI3K-Akt信号传导通路在缺血再灌注损伤中的研究进展

索立达(综述)，佟立权(审校)

(哈尔滨医科大学附属第五医院普外科，黑龙江 大庆 163316)

缺血所引起的组织器官损伤是致死疾病的主要原因，每年因缺血导致机体损伤或者死亡的患者数量逐年增加。在缺血性疾病抢救和诊治的过程中，人们渐渐发现，组织器官在缺血后一段时间突然恢复再灌注血流时出现更严重的并发症，这就是“缺血再灌注损伤”。在缺血再灌注损伤的诸多发病机制中，磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-ki-nase,PI3K)-丝氨酸/苏氨酸激酶(receptorserine/threoninekinases,Akt)信号传导通路作为一条经典的途径影响细胞凋亡正在逐步被人们所认知，其中尚未阐明的机制也被大家广泛研究。现就PI3K-Akt信号传导通路在缺血再灌注损伤中的研究进展综述如下。

1 PI3K-Akt信号通路概念

PI3K-Akt信号传导通路是一种由PI3K和Akt组成的信号传导通路。其主要功能包括能量代谢、促进细胞增殖、分化及凋亡[1]。在缺血再灌注损伤时，Akt下游通路激活，抑制细胞凋亡，从而减轻缺血再灌注损伤。PI3K包括3种同工酶，下游还有许多效应分子，Akt作为通路的中心环节，同时又是PI3K下游的主要靶点，传递PI3K的重要信息[2]。当PI3K-Akt信号传导通路被激活后，相应的靶蛋白不仅可以促进下游Bcl-2抗凋亡蛋白的表达，同时可以抑制下游bax、caspase-9等凋亡蛋白的表达，最终达到保护缺血再灌注损伤器官的目的。PI3K是一种细胞内磷脂酰肌醇激酶，p-Akt的激活常常与来自G蛋白耦联受体和酪氨酸的信号有关，当PI3K受到信号刺激后，PI3K的p110亚基和p85亚基结合从而激活p-Akt，活化的p-Akt向细胞质和细胞核内转运，与底物蛋白的特定部位的丝苏氨酸磷酸化形成p-Akt，p-Akt调节下游因子Bcl-2和bax进而对细胞凋亡产生影响[3-4]。

Bcl-2作为最重要的抗凋亡因子，其编码的Bcl-2蛋白作用不可忽视。Bcl-2蛋白的主要作用是可以阻断线粒体通透性转换孔的开放、对抗脂质的过氧化、减少细胞内钙超载及抑制caspase-3的激活而进一步发挥抗细胞凋亡的效果。PI3K-Akt信号传导通路的激活上调了p-Akt和Bcl-2的蛋白表达，下调了细胞凋亡因子的相关表达，进而减轻了因缺血再灌注导致的损伤[5]。

2 PI3K-Akt与缺血再灌注损伤机制

既往实验研究[6]证实，氧自由基、钙超载、细胞因子和细胞凋亡等因素与缺血再灌注损伤非常密切，诸多因素的综合作用导致组织器官的缺血再灌注损伤，甚至影响整个机体的健康状态。

2.1 PI3K-Akt与氧自由基：氧自由基是机体内多种化学反应后产生的一类含有一个不成对电子的原子团结构，是一种有活性的化学代谢产物。在正常的生物体系中，过多的活性氧自由基会被机体内的自由基清除剂消灭，避免机体产生不良反应。当生物机体的组织器官缺血缺氧时，机体内的黄嘌呤氧化酶系统活性增强，次黄嘌呤接受电子转化为黄嘌呤的过程中产生大量的氧自由基；组织器官在缺血缺氧的同时又导致线粒体中三磷酸腺苷(adenosine triphosphale,ATP)生成减少，进而导致线粒体的功能障碍，最终产生大量的氧自由基；ATP合成减少还会导致呼吸链功能紊乱和细胞色素的功能失调，从而使氧自由基的产生进一步增加。氧自由基的积累最终会超过氧自由基清除剂的清除能力，对机体产生破坏行为，导致正常细胞和组织器官的损伤而引起多种疾病。有研究[7]表明，减少心肌缺血再灌注早期形成的大量氧自由基可以对心肌细胞产生保护作用。氧自由基导致肝细胞损伤的机制可分为3点。①氧自由基可使肝细胞核内的DNA双链结构突变，引起肝细胞的结构和功能异常，导致肝细胞损伤；②氧自由基可使细胞器的膜结构发生破损，导致细胞器的损伤；③氧自由基还可引起血小板的聚集和黏附，导致微循环障碍。此外，Kupffer细胞的激活也可导致大量氧自由基的释放，加重了缺血再灌注损伤[8]。PI3K-Akt信号传导通路是调控机体应激和对抗炎症的主要信号通路，在对抗机体炎症方面发挥重要的作用。

王建明等[9]将小鼠分为假手术组和缺血再灌注组，通过夹闭小鼠腹腔动脉30min后松开动脉夹来建立缺血再灌注模型。结果显示缺血再灌注组Akt的磷酸化水平均明显高于假手术组，这说明PI3K-Akt信号通路激活后，Akt的磷酸化水平明显增高，同时说明缺血再灌注损伤的过程中，PI3K-Akt信号通路被激活了，可能是通过减少氧自由基的合成而参与缺血再灌注损伤后损伤部位的修复。

2.2 PI3K-Akt与钙超载：由于不利因素而引起的钙平衡系统功能失调，钙分布紊乱，导致细胞内钙浓度异常性升高，即钙超载，其原因如下。①在缺血缺氧的条件下，细胞膜对钙离子的通透性增强，原本细胞外钙内流到细胞内，导致细胞内钙浓度增加；②细胞在缺血缺氧时，细胞中线粒体的结构和功能障碍，ATP合成过程受到影响，细胞钙泵的主动转运能力下降，无法将细胞内钙离子排出，引起细胞内钙离子的积聚，导致内钙浓度增加；③细胞膜上的钙通道蛋白变性，也可导致细胞内钙的增加。细胞内钙超载可导致细胞膜电位的降低，影响线粒体的氧化磷酸化过程，导致线粒体合成ATP减少，严重影响细胞膜的稳定性和细胞能量的供应；细胞内钙超载还可以激活磷脂酶A及钙敏感蛋白酶，进一步导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，而前列腺素又是导致氧自由基产生的关键因素之一，促进细胞的不可逆性损伤[10]。

PI3K-Akt信号传导通路的激活可阻止Bcl-2的下降和caspase-3的活化[11-12]，也能调控线粒体上的通透性转换孔(mitochondrialpermeablity transitionpore,MPTP)，促使积累到细胞内大量的钙离子通过通道转移到细胞外，减轻细胞内钙超载，同时MPTP还能够调控细胞色素C、白细胞介素及凋亡因子的释放，最终在对抗细胞凋亡中掌握主动地位，抑制细胞凋亡。

2.3 PI3K-Akt与细胞因子：细胞因子是免疫原、丝裂原或其他刺激剂诱导多种细胞产生的低分子量可溶性蛋白质，它们通过自分泌、旁分泌和内分泌等途径方式在组织内发挥特殊的生物学效应。其中包括白细胞介素、干扰素、肿瘤坏死因子超家族、集落刺激因子、趋化因子、生长因子等，与缺血再灌注损伤关系最为密切的就是肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和白细胞介素1(interleukin-1，IL-1)[13]。TNF-α是一种能够直接杀伤肿瘤细胞而对正常细胞无明显毒性的细胞因子，是迄今为止所发现的直接杀伤肿瘤作用最强的生物活性因子之一。然而在临床研究中发现TNF-α对人体具有严重的不良反应。其主要的不良反应如下。①TNF-α可以使肝窦内皮细胞肿胀；②TNF-α可促使中性粒细胞活化并释放大量的氧自由基，从而导致细胞不可逆损伤；③TNF-α干扰肝细胞DNA的复制过程；④TNF-α诱导Kupffer细胞生成过氧化物。IL-1是重要的炎性介质之一，同时作为一种热原质成分，IL-1具有致热和介导炎症的作用。IL-1能够促使Kupffer细胞产生TNF-α，诱导凝血酶和纤维蛋白酶的合成，破坏内皮细胞，诱导中性粒细胞产生氧自由基而造成细胞的损伤。

李程等[14]研究PI3K-Akt信号传导通路对大鼠肝缺血再灌注损伤的影响，随机将健康雄性SD大鼠分为4组，即假手术组、缺血再灌注组(IR组)、丹参组(SI组)和丹参+阻断剂组(LY组)。实验通过TUNEL法和Western印迹法观察到SI组凋亡细胞数量和凋亡指数明显少于IR组，同时Akt的磷酸化水平的含量较IR组明显增加；而LY组与SI组，肝细胞中的p-Akt表达的含量明显降低，肝脏细胞凋亡数量增加，肝脏损伤更加严重。由此可以推断，PI3K-Akt阻断剂的应用，阻止p-Akt的生成与表达，PI3K-Akt信号传导通路的激活，活化的p-Akt可以有效地抑制炎性介质的释放，能有效地防止细胞的凋亡，某种程度地对大鼠肝脏缺血再灌注损伤起到了相应的保护作用。

2.4 PI3K-Akt与细胞凋亡：细胞凋亡是为了维持机体内环境的稳定，由细胞基因控制的、自主的、程序性的死亡。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡是为了能更好地适应自身的生存环境而主动的死亡程序。细胞的程序性死亡是缺血再灌注损伤时发病的主要机制之一，细胞凋亡的过程极其复杂，与氧自由基的产生、细胞能量代谢障碍、细胞内钙超载、细胞因子的激活以及caspase和Bcl-2家族基因的表达密切相关，其中caspase家族是导致细胞凋亡的关键因素之一。研究[15]表明，caspase家族中以caspase-3的活化表达为显著标志。caspase-3作为中央“刽子手”或者“下游的半胱天冬酶”，在细胞凋亡中扮演着一个非常重要的角色，也是细胞凋亡的一种重要的效应分子。大量的细胞内钙离子的积累导致氧自由基的增加，破坏线粒体的结构和功能，促使细胞凋亡启动子的释放，激活caspase级联反应。Bcl-2是一种从滤泡性淋巴瘤原癌基因中分离提取的抗凋亡蛋白，它在细胞凋亡的过程中也起着重要的作用，其导致细胞凋亡的机制是通过调节线粒体上MPTP的开启与关闭，进而影响线粒体合成ATP，同时调控线粒体外膜的通透性促进或抑制细胞凋亡[16-17]。Bcl-2还可以稳定线粒体膜电位，抑制细胞色素C的释放，进而抑制caspase级联反应的发生，防止细胞凋亡，保护组织器官免受其害[18]。细胞凋亡是心肌缺血是心肌损伤的一种主要形式，心肌梗死面积的大小很大程度上取决于心肌细胞凋亡的程度。研究[19]表明，部分心肌细胞的保护作用机制依赖于p-Akt的活化，p-Akt活化后可以激活其下游的相应靶点，最终通过减少线粒体MPTP的开放，促使线粒体能量的合成，同时使线粒体外膜更具有稳定性，减少促凋亡因子，促进抗凋亡因子的作用，对抗心肌细胞的凋亡。在大鼠心肌缺血再灌注损伤中，PI3K-Akt信号通路作为细胞内重要的信号传导通路，在对抗大鼠心肌缺血再灌注损伤和抑制细胞凋亡中发挥了举足轻重的作用。诱导细胞凋亡的因素种类非常多，这些不同的因素导致细胞凋亡的途径也不尽相同，但这些因素有时可以通过相同的信号传导通路诱导细胞凋亡；同时这些不同的因素在一种信号传导通路中作为促进细胞凋亡因素，在另一种信号传导通路中也可能变成抑制细胞凋亡的因素。文献[20]报道，同一种因素在同一条信号传导通路中也可以促进细胞增殖和诱导细胞凋亡，这种因素可能通过对信号传导通路中增殖和凋亡2个方面的调控而产生的结果。

在缺血再灌注损伤时PI3K-Akt信号传导通路激活，促使p-Akt的磷酸化增加，抑制caspase-3的表达，上调Bcl-2的表达，进而可以避免组织器官在缺血再灌注中受到损伤。

3 展 望

PI3K-Akt信号传导通路可以参与到各种调节反应的过程中，对抗缺血再灌注损伤引起的细胞凋亡，同时PI3K-Akt信号传导通路与丝裂原活化蛋白激酶信号传导通路及酪氨酸激酶信号传导子和转录激活子信号传导通路等其他通路是否相互作用，对抗由于缺血再灌注引起的损伤，其中的联系尚未发现，相信深入研究PI3K-Akt信号传导通路与其他通路的区别和联系会为我们提供更多的思路。

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