PI3K/Akt信号通路与脑出血的研究进展

严美茹 张燕平 罗瑞琦 王思媛

【摘要】 磷脂酰激醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）信号通路作为经典的细胞信号转导途径，在细胞生长、增殖、分化和凋亡等多种生物学过程中发挥作用。脑出血是一种高致残率和高致死率的脑血管疾病，该通路在脑出血发生发展中的研究也备受关注。该文以PI3K/Akt信号通路为主线，对该通路的结构及生物学特点、与脑出血之间的关系以及基于该通路探讨药物对脑出血的作用进行综述，为临床脑出血的治疗提供新的思路。

【关键词】 脑出血;PI3K/Akt信号通路;细胞凋亡;神经炎症

【Abstract】 As a classic cell signal transduction pathway， PI3K/Akt pathway plays a role in a variety of biological processes， such as cell growth， proliferation， differentiation and apoptosis. As a kind of cerebrovascular disease with high disability and high mortality， the role of this signaling pathway in the incidence and development of cerebral hemorrhage has attracted more and more attention. In this article， the PI3K/Akt signal pathway was regarded as the main topic to analyze the structural and biological characteristics of this pathway， its relationship with cerebral hemorrhage and review the efficacy of drugs for cerebral hemorrhage based on the PI3K/Akt signaling pathway， aiming to provide novel ideas for the clinical treatment of cerebral hemorrhage.

【Key words】 Cerebral hemorrhage; PI3K/Akt signal pathway; Cell apoptosis; Neuroinflammation

腦出血是一种常见的临床神经系统疾病，是指原发非外伤性脑实质内血管的破裂，约占脑卒中的 15%，占突发性脑死亡的20%～30%，是目前全球范围内具有高致残率和高致死率的一种脑血管疾病[1]。研究显示，50%脑出血患者在发病后48 h内死亡，70%～80%存活者遗留后遗症，如认知功能障碍、癫痫等，仅约20%存活者能够恢复正常的自理能力，脑出血极大地增加了患者家庭和社会的经济负担[2]。Kim等[3] 的研究显示，在脑出血患者大脑中可观察到炎症因子的释放及神经细胞（神经元）的损伤和凋亡，这提示炎症反应和神经元的凋亡可能在脑出血继发性损伤的发病机制中起重要作用。因此，对脑组织炎症反应的抑制和神经元凋亡的调控可能是治疗脑出血的关键。在众多参与细胞凋亡的信号转导途径中，磷脂酰激醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt或PKB）

信号通路极为重要，其在促进细胞的增殖、分化及抑制神经元凋亡等方面发挥了重要作用。有研究表明，该通路与神经系统疾病的发生密切相关，能够调控脑血管疾病、神经系统退行性疾病等多种病理变化过程。本文对PI3K/Akt信号通路的结构、生物学特点、与脑出血之间的关系以及基于该通路探讨药物对脑出血的作用进行综述。

一、PI3K/Akt信号通路的结构特点

作为细胞内磷酸化过程中的转导蛋白，PI3K与Akt在多种生物学进程中发挥作用。研究表明PI3K/Akt信号通路是细胞转录、翻译、新陈代谢、增殖和凋亡的主要信号转导途径，能够通过调控凋亡蛋白和凋亡基因抑制细胞凋亡，达到保护脑组织的目的。

1. PI3K

PI3K是重要的抗凋亡调节因子，根据其结构、调节模式和底物特异性被分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型[4]。其中Ⅰ型又包括ⅠA和ⅠB，ⅠA类PI3K是由催化亚单位P110和调节单位P85组成的异二聚体，主要作用于酪氨酸激酶，具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和磷脂酰激酶双重活性。P85的2个结构域能与相应结合位点的靶蛋白发生作用;P110的6个结构域具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，参与调控细胞的生长、增殖和分化。ⅠB类主要作用于G蛋白偶联受体[5]。PI3K的底物主要为PI、PIP和PIP2，其中，Ⅰ型PI3K的底物主要为PI、PIP和PIP2，激活后可抑制细胞自噬;Ⅱ型PI3K的底物主要为PI和PIP，与自噬关系不大;Ⅲ型 PI3K底物主要为 PI，激活后可促进细胞自噬。由于Ⅰ型PI3K在多种信号转导途径中发挥作用，因此目前对其研究最为广泛。PI3K的激活方式有2种，一种是与磷酸化后具有酪氨酸残基的连接蛋白或生长因子受体相互结合，从而改变二聚体构象，使其被诱导激活;另一种是通过Ras与P110结合，使PI3K活化。PI3K被上游信号分子激活后，能够催化质膜上的PIP2转变为PIP3，与下游Akt的PH结构域相结合，从而影响下游的信号分子（如Akt、PDK1等），进一步发挥调节细胞周期、生长、凋亡、增殖及迁移的作用[6]。

2. Akt

Akt是相对分子质量为 57 kDa的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，能够使许多细胞系统中的下游凋亡因子失活，在介导生长因子对细胞的抗凋亡作用中起关键作用。Akt 家族主要有3个亚型，即Akt1（PKBα）、Akt2（PKBβ）和Akt3（PKBγ），各个亚型之间联系紧密，在不同的细胞环境下，又存在功能差异，与抑制细胞凋亡以及细胞增殖等多个环节有关[7] 。其中，Akt1是细胞生长通路中的关键蛋白，能够诱导蛋白质的合成并促进细胞增殖，抑制细胞凋亡;Akt2是胰岛素信号转导途径中的重要蛋白，主要和胰岛素共同调节糖类物质的代谢，与细胞内葡萄糖的转运有关;Akt3在睾丸和脑中有较高的表达水平，具体作用仍需进一步研究，可能与调节细胞的大小和数目有关。Akt的一级结构有4个结构域，分别是PH 结构域、接头区、催化结构域和 C端调节区，其激活与 Thr-308 在其催化结构域或 Ser-473 在C端的磷酸化有关。PI3K作为Akt的上游活化酶，能与其PH结构域相结合，使Akt转移到细胞膜上，引起构象改变。同时，Thr-308和Ser-473发生磷酸化，使Akt发生级联活化，诱导核移位，影响转录因子和转录调节器，例如使Bad、forkhead转录因子、Caspase-9 、Caspase-3 、核因子κB等蛋白磷酸化发挥抗凋亡、促进细胞存活的作用[8]。

二、PI3K/Akt信号通路与脑出血发生发展的关系

越来越多的研究表明，PI3K/Akt信号通路与脑出血后的继发性脑损伤有关。Bao等（2016年）建立大鼠脑出血模型，于6 h后发现大鼠脑血肿周围组织的PI3K、p-Akt表达增多，1 d时表达达到高峰，3 d时表达减少，7 d时少量表达，提示PI3K/Akt信号通路参与了脑出血的病理变化过程，该通路可能与脑出血后的继发性脑损伤有关。

1. PI3K/Akt与脑出血后的自噬与凋亡

凋亡是调节细胞死亡的主要机制，不仅存在于细胞损伤过程中，还发生于细胞正常发育过程中。自噬主要是对细胞进行自我消化的过程，是将已经受损和生物学功能丧失的细胞成分运输至溶酶体，在其中进行降解、再循環的过程。当自噬小体形成超过溶酶体的降解能力时，自噬会诱导细胞凋亡。神经元的凋亡是脑出血后继发性脑损伤的重要病理变化过程，受多种因素调控。同时，神经元的自噬与脑出血的发生也有密切联系[9]。有研究者发现，脑出血后在血肿组织周围可检测到大量凋亡细胞，同时，能够发现自噬泡以及自噬相关蛋白Beclin1、LC3的表达水平升高。此外，大量研究表明，PI3K/Akt信号通路在细胞凋亡和自噬中起着至关重要的作用，例如Cao等[10]发现，莫非替尼能通过调控PI3K/Akt信号通路抑制自噬和凋亡，从而保护小鼠海马神经元。Chen等[11] 发现，亚甲蓝能够引起大鼠脑出血后的PI3K、Akt发生活化，使用PI3K的选择性抑制剂渥曼青霉素（Wortmannin）后，亚甲蓝的抗凋亡作用明显被逆转，这提示PI3K参与了脑出血后神经元凋亡的过程。Zhang等（2016年）通过体外实验上调Dickkopf相关蛋白1（DDK-1）在大鼠皮质神经元凋亡过程中的表达，发现DDK-1能抑制Akt磷酸化过程，促进神经元的凋亡，这提示Akt也参与了神经元的凋亡过程。碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）是一种神经营养因子，能减少损伤因素对神经元的破坏，对中枢神经元具有保护作用。Yu等（2017年）发现予大鼠bFGF后其脑出血灶旁脑组织p-Akt表达显著上调，细胞凋亡数量减少，提示bFGF增强了Akt的磷酸化水平，减少了脑出血后细胞凋亡数量，进一步提示p-Akt具有显著的抗凋亡作用，可增强脑组织对出血性损伤的耐受性。因此，对于PI3K/Akt信号通路靶点药物的研究可能有助于调控脑出血后的继发性自噬和凋亡。

2. PI3K/Akt与脑出血后的神经炎症反应

炎症反应是机体对脑出血的一种防御反应，血液进入脑实质会触发炎症级联反应，引起血肿周围大量炎症细胞和炎症因子积聚，从而引发神经炎症反应。同时，炎症反应过程中所释放的炎症介质会损伤血脑屏障、加剧脑水肿的形成，进一步触发继发性脑损伤[12]。研究显示，在脑出血发生后，小胶质细胞被激活，神经炎症因子TNF-α、IL-1及 IL-6的表达水平升高。同时，大量研究表明PI3K/Akt信号通路在抑制炎症反应中发挥重要作用，例如Gong等[13] 发现神经节苷脂（GM1）可以通过调控PI3K/Akt信号通路抑制炎症反应，降低炎症因子的表达水平，达到保护神经元的作用。陈慧等[14]证实人脐血间充质干细胞能够通过PI3K/Akt信号通路在出现缺血性脑损伤时降低炎症反应程度，改善神经功能。Zhang等[15] 对蛛网膜下腔出血大鼠使用丙泊酚后发现其脑组织核因子κB、IL-1和 TNF-α表达水平均下降，加入PI3K抑制剂LY294002后则消除了这种变化，这提示丙泊酚在发挥抑制炎症反应作用时是通过调控该通路实现的，可能是通过调控下游的核因子κB进而发挥作用。黄嘉慧等[16]使用红景天苷干预大鼠脑缺血模型的研究也印证了上述结论。由此提示，干预PI3K/Akt信号通路和下游核因子κB靶点在调控脑出血后的炎症反应中均能发挥作用。

三、以PI3K/Akt信号通路为靶点治疗脑出血的药物

目前，研究者们对PI3K/Akt信号通路作为治疗脑出血后继发性脑损伤的分子靶点已进行了大量的药物干预研究。重组人促红细胞生成素（rhEPO）是在脑组织中广泛表达的一种具有调节红细胞生长作用的细胞因子，对神经元有明显的保护作用。Xiang等（2016年）建立了大鼠脑出血模型，经腹腔注射rhEPO，发现其脑内PI3K、Akt的表达水平显著升高，PI3K/Akt信号通路被激活，神经元凋亡被抑制，神经元损伤程度减轻。Han等（2012年）发现，对脑出血后小鼠经尾静脉注射人源重组胰岛素样生长因子-1可以提高其体内Akt的活性，延缓p-Akt下降的幅度和速度，减少脑出血后神经元的凋亡数量。黄体酮是中枢神经及周围神经合成、分泌的神经甾体，可以激活PI3K/Akt信号通路，减轻神经炎症反应、血脑屏障的破坏和脂质过氧化程度，在脑卒中后具有保护神经元的作用[17]。郑建新等[18]发现，黄体酮可增强依达拉奉对PI3K/Akt信号通路的激活作用，提高PI3K、Akt的表达水平，促进其磷酸化，从而降低核因子κB和Caspase-9的表达水平，更有效地调控脑出血后的氧化应激及炎症反应。

同时，针对此信号通路的分子靶点的中医药研究也不少，吴晓光等（2016年）予小鼠脑出血模型灌胃补阳还五汤14 d后发现，其体内TUNEL

阳性细胞明显减少，p-Akt、Bcl-2表达水平升高，这提示补阳还五汤对PI3K/Akt信号通路有激活作用，抑制了脑出血引起的神经元凋亡。俞晓飞等（2017年）发现生地大黄汤能够降低脑出血后大鼠的神经功能缺损评分，改善脑组织炎性损伤程度，减少细胞凋亡数量，发挥保护神经元的作用。谢作常等[19]发现经过生大黄灌胃处理的脑出血大鼠体内Akt表达水平升高，而注射PI3K的选择性抑制剂Wort后其体内的Akt表达水平下降。这提示生大黄能通过影响Akt的表达水平发挥保护神经元的作用。

四、展 望

神经炎症反应和神经元的凋亡是脑出血后脑组织发生一系列继发性损伤的重要病理过程，减轻神经炎症反应程度和抑制神经元凋亡是治疗脑出血的新思路。研究表明，信号通路的激活是启动细胞凋亡的前提。如果能对信号通路进行早期干预，便能减轻细胞凋亡的程度，从而达到保护脑组织的作用。近年来，越来越多的研究者发现PI3K/Akt信号通路参与了脑出血发生发展的过程，对此通路也进行了大量的药物干预研究，其靶点作用也逐渐被肯定。但该信号通路在脑出血中的特异性仍有待进一步研究，同时，在干预该信号通路上，中医药也发挥了不容忽视的作用，因此，探究中医药对此靶点的作用具有重要意义。

参 考 文 献

[1] Veltkamp R， Purrucker J. Management of spontaneous intracerebral hemorrhage. Curr Neurol Neurosci Rep，2017，17（10）： 80.

[2] Schlunk F， Greenberg S M. The pathophysiology of intracerebral hemorrhage formation and expansion . Transl Stroke Res，2015，6（4）： 257-263.

[3] Kim J， Lee S， Choi B R， et al. Sulforaphane epigenetically enhances neuronal BDNF expression and TrkB signaling pathways . Mol Nutr Food Res， 2017， 61（2）.

[4] Fruman D A， Rommel C. PI3K and cancer： lessons， challenges and opportunities. Nat Rev Drug Discov，2014， 13（2）： 140-156.

[5] Mayer I A， Arteaga C L. The PI3K/Akt pathway as a target for cancer treatment. Annu Rev Med，2016，67： 11-28.

[6] 丁盈月， 赵德喜. 脑出血与自噬相关性的研究进展.中西医结合心脑血管病杂志，2019， 17（13）： 1988-1992.

[7] Abeyrathna P，Su Y. The critical role of Akt in cardiovascular function. Vascul Pharmacol，2015， 74： 38-48.

[8] 仇志富， 吴晓光， 孟杰， 等. 补阳还五汤提取物灌胃对脑出血大鼠脑组织中PI3K、Akt、Caspase-3表达的影响.山东医药，2016， 56（9）： 29-31.

[9] 季小添， 李海珊， 李伟荣， 等. 基于黄芩苷药理研究进展探讨其对出血性脑损伤可能的保护作用及机制.中药新药与临床药理，2020， 31（12）： 1508-1515.

[10] Cao Y， Li Q， Liu L， et al. Modafinil protects hippocampal neurons by suppressing excessive autophagy and apoptosis in mice with sleep deprivation. Br J Pharmacol， 2019， 176（9）： 1282-1297.

[11] Chen C， Zhou F， Zeng L， et al. Methylene blue offers neuroprotection after intracerebral hemorrhage in rats through the PI3K/Akt/GSK3β signaling pathway. J Cell Physiol， 2019， 234（4）： 5304-5318.

[12] Tschoe C， Bushnell C D， Duncan P W， et al. Neuroinflammation after intracerebral hemorrhage and potential therapeutic targets. J Stroke， 2020， 22（1）： 29-46.

[13] Gong G， Yin L， Yuan L， et al. Ganglioside GM1 protects against high altitude cerebral edema in rats by suppressing the oxidative stress and inflammatory response via the PI3K/Akt-Nrf2 pathway. Mol Immunol， 2018， 95： 91-98.

[14] 陳慧， 郑晓梅， 夏晓，等. PI3K/Akt信号通路对脐血间充质干细胞减轻缺血性脑损伤和炎症反应的调节作用.中国免疫学杂志，2021， 37（2）： 155-160.

[15] Zhang H B， Tu X K， Chen Q， et al. Propofol reduces inflammatory brain injury after subarachnoid hemorrhage： involvement of PI3K/Akt pathway. J Stroke Cerebrovasc Dis， 2019， 28（12）： 104375.

[16] 黄嘉慧， 赵春蕊， 聂婧雯， 等. 红景天苷调控PI3K/Akt信号通路对永久性脑缺血大鼠的保护作用.中国药理学通报，2021， 37（5）： 698-703.

[17] Yang J， Arima H， Wu G， et al. Prognostic significance of perihematomal edema in acute intracerebral hemorrhage： pooled analysis from the intensive blood pressure reduction in acute cerebral hemorrhage trial studies. Stroke， 2015， 46（4）： 1009-1013.

[18] 郑建新， 王爽， 凌会敏，等. 依达拉奉联合黄体酮对衰老脑出血小鼠模型神经功能恢复效果及其机制研究.中华老年心脑血管病杂志， 2020， 22（6）： 639-643.

[19] 谢作常， 田少斌. 生大黄对脑出血大鼠磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶信号通路的影响及其神经保护机制.中西医结合心脑血管病杂志，2021， 19（3）： 433-437.

（收稿日期：2021-09-29）

（本文编辑：洪悦民）