基于信号通路探讨缺血性脑卒中疾病的研究进展

马雪飞,冯冬军,吕 东,于佳楠,翟凤国

(牡丹江医学院药理教研室，黑龙江 牡丹江 157011)

缺血性脑卒中也称脑血管意外,是以突然发病及快速出现的局限性或弥散性脑神经功能缺损为临床特征的脑血管疾病。据推算,我国脑卒中患者为1300万[1],并且随着人口的老龄化,以及与脑卒中发生密切相关的风险因素如糖尿病、高血压、高血脂等疾病患病率的增加,导致脑卒中发病率呈逐年上升的趋势,给人们生活带来严重的负担[2]。目前认为缺血性脑卒中的病理生理过程包括缺血再灌注后钙离子超载、炎症反应、自噬、氧自由基的生成以及神经元凋亡等。缺血性脑卒中的治疗主要包括溶栓和神经保护两个途径,目的在于恢复脑组织缺血区的血液供应、保护脑神经、促进神经结构重塑等。重组人纤溶酶原激活物是唯一被FDA认证有效的急性缺血性脑血管病溶栓治疗药物,但因受到严格时间窗限制(发病后3～4.5 h),且溶栓后有一定出血风险,临床上真正能得到治疗的患者相对较少[3]。即使能够治愈,患者也会出现不同程度的神经功能损伤。因此,对于缺血性脑卒中,迫切需要寻找有效的预防和治疗的方法。

1 缺血性脑卒中的发病机制

1.1 钙离子与缺血性脑卒中钙离子(Ca2+)在神经元从幼稚状态到成熟状态的功能中具有十分重要的作用。缺血后脑卒中发生后,导致神经元离子梯度的丧失和膜去极化,随后,兴奋性神经递质(如谷氨酸)被释放并积聚在细胞外空间,并过度刺激神经元受体,最终引起Ca2+内流进入神经元,导致神经元内的Ca2 +超载。神经元内的Ca2 +超载可触发一系列下游反应,包括胱天蛋白酶的激活、ATP合成障碍、钙依赖性蛋白酶和核酸内切酶的激活等,最终导致神经元的损伤和死亡。

1.2 炎症与缺血性脑卒中炎症反应伴随缺血性脑卒中的整个过程,是脑缺血再灌注损伤(I/R)发病过程中的关键部分。虽然导致脑缺血损伤的病理机制尚不清楚,但炎症过程对缺血性脑卒中的发生发展具有基础性作用。炎症反应存在于缺血性脑卒中的整个过程,在缺血性脑卒中初期,小胶质细胞和星形胶质细胞被激活,细胞因子和趋化因子通过被激活的血管壁到达半暗带,产生炎性因子。在缺血性脑卒中后期,半暗带内有大量的炎症因子。研究证明,阻断炎症相关细胞因子的表达,对I/R诱导的SD大鼠脑损伤具有保护作用[4]。在脑I/R中,多种炎症介质的激活可导致神经元死亡和不可逆转的脑损伤。因此,有效抗炎在缺血性脑卒中的治疗中具有十分广阔的前景。

1.3 自噬与缺血性脑卒中自噬是一个基本的生物学过程,广泛存在于多种正常细胞内,对维持细胞内环境稳定,保持机体功能正常起着重要作用。在缺血性脑卒中发生期间,自噬对维持脑内稳态具有关键性作用。然而,自噬在缺血性脑卒中发病机制中的确切作用仍不明确,Litao Li等[5]发现,小鼠缺血/缺氧24 h后,缺少雌二醇的小鼠脑损伤更严重,而抑制自噬会降低缺少雌二醇小鼠的脑损伤。相反,自噬可能对缺血性脑卒中有神经保护作用,在血管闭塞模型小鼠中,自噬激活剂雷帕霉素可以减少其梗死体积、神经元损伤[6]。在缺血性脑卒中的治疗中,合理的应用自噬,可能成为缺血性脑卒中的一个新的起点。

1.4 氧化应激与缺血性脑卒中氧化应激是指体内氧化与抗氧化作用失衡的一种状态,当氧化应激发生时,会引起机体大量氧化,生成的有害的产物称之为自由基。正常情况下,自由基的产生和消除之间存在平衡,如果这种平衡被扰乱,大量的自由基会导致细胞损伤或细胞死亡。活性氧(ROS)是一种自由基,通过有氧代谢产生,当缺血性脑卒中发生时,ROS生成-消除平衡被破坏,使得ROS过量产生,这些ROS不仅能直接使膜脂质、蛋白质及DNA等大分子物质发生氧化损害而破坏细胞膜及其它细胞结构,还能通过抑制线粒体功能间接的激活凋亡信号通路,导致细胞发生死亡[7]。因此,当缺血性脑卒中发生时,通过降低ROS的水平,会对缺血性脑卒中的治疗产生有益的影响。

1.5 细胞凋亡与缺血性脑卒中细胞凋亡, 是指机体为维持内环境稳态, 由基因控制的细胞自主的有序的死亡, 是机体为更好地适应生存环境而主动争取的一种正常的生理现象。在中枢神经系统发育早期,会有非常多的神经元新生以及凋亡,此时的凋亡是人体自我调节的生理现象。当缺血性脑卒中发生时,线粒体中的钙离子超载,导致线粒体功能损伤,细胞色素C向细胞释放,激活Caspase-3以及相关的级联反应,损伤DNA最后导致神经元凋亡,引起一系列机体功能障碍,此为病理状态。神经元的凋亡是缺血性脑卒中后神经功能缺失的重要机制之一,是缺血性脑卒中后神经功能进行性发展恶化的直接原因,严重影响缺血性脑卒中患者生命和生活质量。有研究报道,在大鼠I/R模型中,抑制促凋亡因子Caspase-3的表达,会减少脑梗死体积,对脑组织具有保护作用[8]。因此,抑制神经元凋亡,将是控制缺血性脑卒中后脑损伤的发展的研究重点以及治疗缺血性脑卒中的重要基础。

目前缺血性脑卒中的研究尚未明确,但可以确认的是当缺血性脑卒中发生时,各种发病机制相互作用,从而加重脑神经元的损伤。而这其中必然有信号通路的参与,为了应对临床中缺血性脑卒中患者缺少有效的治疗手段现状,通过最新的相关文献查询,就信号通路与缺血性脑卒中相关分子机制的最新研究进展加以综述,列举几个与缺血性脑卒中疾病发生发展息息相关的信号通路,具体探讨在缺血性脑卒中发生时,信号通路对缺血性脑卒中的影响,为之后缺血性脑卒中的研究提供新的思路,为临床上缺血性脑卒中的治疗提供新手段。

2 信号通路与缺血性脑卒中

2.1 TLR4/NF-κB信号通路与缺血性脑卒中TLRs(toll-like receptors，TLRs)是1997年发现的人的Toll样受体蛋白，属于Ⅰ型跨膜糖蛋白，Toll样受体4(TLR4)作为第一个Toll样受体识别系统，是参与固有免疫反应的重要的模式识别受体蛋白。NF-κB是一种蛋白质复合物，其控制参与转录的DNA，细胞因子的产生和细胞的存活。有研究结果显示，TLR4/NF-κB信号通路与缺血性脑卒中的发生发展密切相关，缺血性脑卒中可诱发内源性分子释放，并与TLR4结合，激活的TLR4导致NF-κB的核易位，引起TNF-α的过表达从而引发炎症反应[9]，而TLR4/NF-κB信号通路的下游介质TNF-α、IL-1是引起缺血性脑损伤炎症反应的主要介质，在大鼠脑缺血模型中可见NF-κB信号激活。Li-Rong Wu等[10]实验中发现，脑缺血-再灌注小鼠缺血区大脑皮质TLR4和NF-κB表达呈上升趋势，神经保护作用下降，而应用了长春西汀降低了TLR4和NF-κB的表达，脑损伤有所改善。因此，抑制TLR4/NF-κB信号通路有助于缺血性脑卒中的恢复。

2.2 PI3K/Akt/mTOR信号通路与缺血性脑卒中PI3K是一种存在于细胞质的脂类激酶，可以催化磷酯酰肌醇D3位的磷酸化。AKT是高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是PI3K的下游蛋白之一，激活的磷酸化AKT具有促进细胞增殖、抗凋亡的作用。mTOR属于PI3K蛋白激酶类家族，也是PI3K信号通路下游分子之一。研究表明，PI3K/AKT/mTOR信号通路在缺血性再灌注损伤中具有神经保护作用[11]。也有研究证明，miR-27a升高或HSP90降低会激活PI3K/AKT/mTOR信号通路，降低脑缺血-再灌注损伤大鼠模型的氧化应激和炎症反应，改善神经功能[12]。兰晶和潘敬芳[13]发现增加脑组织中PI3K、p-AKT和p-mTOR的表达可显著减少脑缺血再灌注大鼠脑梗死面积，减轻脑组织病理形态的改变，进而减轻脑缺血再灌注损伤。血管新生在缺血性脑卒中后的脑重建过程和神经功能恢复中起着重要作用，而人参皂苷Rg1可以通过激活PI3K/Akt/mTOR信号通路，促进VEGF，HIF-1α，PI3K，p-Akt以及p-mTOR的表达，发挥促血管生成作用，从而改善缺血性脑卒中后长期的神经恢复[14]。

2.3 Nrf2/HO-1信号通路与缺血性脑卒中核因子-E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor2，Nrf2)是内源性抗氧化防御的关键调控因子之一，可以促进抗氧化基因转录，包括血红素氧化酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)。Nrf2/HO-1通路对脑缺血在灌注损伤有显著的保护作用，且Nrf2对脑缺血再灌注的保护作用是通过调控下游HO-1减轻炎症反应以及氧化应激实现的[15]。也有实验表明，大鼠大脑中动脉闭塞模型中Nrf2和下游蛋白HO-1等的表达量明显上升，脑含水量增加，而应用了淫羊藿次苷II的脑缺血损伤模型组Nrf2以及HO-1的表达随着淫羊藿次苷II剂量的增加而增加，ROS的含量随之降低，MDA随之升高，脑梗死体积减小[16]。因此，能够激活Nrf2/HO-1信号通路表达的药物可能成为日后治疗缺血性脑卒中治疗的关键。

2.4 PI3K/Akt信号通路与缺血性脑卒中磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3 kinase/Akt，PI3K/Akt)信号转导通路广泛存在于各种细胞中，PI3K/Akt信号通路参与调控细胞内多种信号途径，在促进细胞存活及增殖、抗凋亡、调节糖代谢和蛋白合成等过程中起关键的作用。有文献报道PI3K/Akt信号通路参与电针治疗对缺血脑组织具有保护作用[17]。也有研究发现，在脑缺血再灌注损伤过程中PI3K/Akt通路中的P-Akt的表达有所降低，而应用了长春西汀后，P-Akt表达增加，P-Akt/AKT比值减小，脑梗死体积以及脑含水量降低，凋亡受到抑制，大鼠脑缺血再灌注损伤明显减轻[18]。Xiao dong Wang等[19]也发现，PI3K/Akt信号通路能通过诱导血管内皮生长因子表达促进血管新生，而应用了LY294002后，一种PI3K通路抑制剂，造成大鼠脑梗死体积以及神经功能评分升高。不难发现，PI3K/Akt信号通路的激活在缺血性脑卒中发病过程中具有关键作用。

2.5 HIF-1α/VEGF信号通路与缺血性脑卒中低氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)是由Ingram等[20]在研究低氧促进红细胞生成素基因表达时发现的，可以通过与低氧反应元件结合，引起下游靶基因转录的一种因子。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是血管生成初期关键性的生长因子，在缺血后组织的恢复发挥重要作用。有研究发现HIF-1/VEGF信号通路的激活会降低实验性脑卒中大鼠的神经元凋亡发挥神经保护机制[21]。Xiao Yang[22]也发现在小鼠脑缺血模型中，激活HIF-1/VEGF信号通路会降低炎性反应，减少神经元凋亡以及血脑屏障的损伤。

2.6 Nrf2/ARE信号通路与缺血性脑卒中在氧化应激作用下，Nrf2与细胞骨架相关蛋白会发生解偶联，活化后的Nrf2将进入到细胞核内，此时Nrf2在细胞核内与小Maf蛋白结合成异二聚体，进而辨别并结合抗氧化反应构件(antioxidant response element，ARE)，从而启动下游抗氧化保护基因及II相解毒酶基因的转录，这些因子包括:超氧化物歧化酶、血红素氧化酶、醌氧化还原酶1等，Nrf2/ARE信号通路在细胞或机体氧化还原反应等方面起着至关重要的作用。有研究发现，TRIM16通过下调Keap1，增强Nrf2/ARE信号通路，保护培养海马神经元免受氧糖剥离/复氧诱导的氧化应激[23]。Q.-Y.FAN[24]也发现，激活Nrf2/ARE信号通路，可以抑制脑梗死神经细胞凋亡，减轻脑梗死症状，从而保护脑神经元。

3 总结与展望

缺血性脑卒中的发生发展与信号通路密切相关，目前缺血性脑卒中后信号通路的机制研究还有待进一步的探讨，当缺血性脑卒中发生时，是否存在新的信号通路参与缺血性脑卒中的发生发展，以及各种信号通路是否存在交叉作用，这都有待我们日后的研究确认。信号通路的研究对缺血性脑卒中疾病的治疗具有深远的意义，可能会成为缺血性脑卒中治疗的关键。