基于PI3K/Akt信号通路探讨针刺在心肌缺血/再灌注中的研究进展

童思佳,王 堃,吴生兵,周美启,4△

1.浙江省兰溪市人民医院,浙江 兰溪 321100;2.安徽中医药大学新安医学教育部重点实验室,安徽 合肥 230038;3.安徽中医药大学针灸经络研究所,安徽 合肥 230038;4.安徽省中医药科学院亳州中医药研究所,安徽 亳州 236800

急性心肌缺血(Acute myocardial infarction,AMI)是由于冠状动脉狭窄闭塞导致心肌持续性缺血缺氧的心脏疾病[1],其发病率和死亡率在我国呈上升趋势,严重危害人类生命健康。当心脏或心肌组织恢复血流后发生的缺血再灌注(Myocardial ischemia reperfusion injury,MIRI)会进一步加重心肌组织损伤,严重影响患者治疗效果和预后,是目前临床上亟待解决的问题之一。研究发现[2-5],MIRI的发病机制涉及多种病理生理过程,包括炎症反应、氧化应激、细胞凋亡、自噬和内皮细胞障碍等。

磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(Phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)信号通路通过调节细胞生长、代谢、增殖与分化等在心脏疾病中发挥重要作用。大量实验证明[6-9],针刺能够有效改善MIRI损伤。本研究以调控PI3K/Akt信号通路为切入点,对针刺防治MIRI的作用机制进行综述。

1 PI3K/Akt信号通路的组成和功能

PI3K/Akt通路是机体内一条重要的信号通路,由 PI3K 和 Akt 两个蛋白激酶构成,在促进细胞生长增殖、维持细胞生存和抑制细胞凋亡等过程中发挥重要作用。磷脂酰肌醇3-激酶(Phosphoinositide3-kinase,PI3K)是一种脂质激酶,根据其不同特性可分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型。PI3K 能够被受体酪氨酸激酶和非受体酪氨酸激酶激活生成PIP3,与细胞内磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1,PDK1)和信号蛋白分子丝氨酸/苏氨酸激酶(Akt kinase,Akt;又称PKB)结合,活化Akt。Akt可分为PKB-α、β和γ3种亚型,与蛋白激酶A(Protein kinase A,PKA)和蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC)高度同源,是PI3K下游的主要效应分子。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)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)等参与调节细胞功能。

近年来研究发现,PI3K/Akt信号通路是预防MIRI的重要级联信号通路,在MIRI发生发展中发挥不同的保护作用,如影响细胞凋亡、自噬、能量代谢和参与血管新生等[10-12]。

2 针刺干预PI3K/Akt信号通路在MIRI中的作用

2.1 减少细胞凋亡

细胞凋亡是一种程序性死亡,心肌缺血再灌注中细胞内Ca2+超载、氧自由基蓄积、线粒体损伤和炎症反应通过多途径诱导受损细胞发生凋亡。其中,由线粒体途径导致的细胞凋亡与心肌缺血再灌注损伤密切相关,而B细胞淋巴瘤-2(Bcl-2)家族蛋白是线粒体凋亡途径的关键启动因子,按其功能可分为促凋亡蛋白(Bax)和抗凋亡蛋白(Bcl-2),在调控细胞凋亡中发挥重要作用。PI3K/Akt信号通路是一条重要的抗凋亡/促增殖信号途径。

Akt蛋白作为P13K的下游基因,被活化后可诱导促凋亡蛋白Bcl-2相关凋亡促进因子(Bad)磷酸化,促使Bad与Bcl-2或Bcl-xL的分离,增加抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,进而发挥抗凋亡的作用[13]。而且,活化的 Akt 蛋白能抑制细胞色素 C(Cyt C) 和凋亡诱导因子(AIF)的释放,促进胱天蛋白酶(Caspase)家族的激活,从而起到抑制凋亡的作用[14]。

心肌组织缺血缺氧后,细胞内氧自由基堆积,线粒体氧化应激, 使得促进细胞存活的Bcl-2表达减少,而促进细胞凋亡的Bax表达增加,使大量Cyt C释放到细胞质,最终激活Caspase凋亡级联反应,在心肌细胞凋亡方面发挥重要作用[15]。当心肌细胞中的Akt(蛋白激酶)被激活后,可以作用于细胞凋亡蛋白,调节细胞的存活生长以及物质代谢,降低心肌细胞凋亡。

研究发现[16]针刺能够通过提高MIRI大鼠心肌组织Akt的活化水平,增加心肌耗氧量,降低心肌细胞凋亡率,对MIRI大鼠起到保护作用。望庐山等[17]从PI3K/Akt通路的抑制及激活来探讨电针对心肌细胞的保护作用机制,研究发现电针能提高AMI大鼠Bcl-2蛋白表达,而降低Caspase-3、Caspase-9和Bax蛋白表达,并且通过应用PI3K抑制剂(LY294002)抑制PI3K/Akt信号通路后发现,LY294002可以逆转电针对AMI大鼠心肌细胞凋亡的影响,提示电针通过调控PI3K/Akt信号通路,抑制AMI大鼠心肌细胞凋亡。

2.2 调控自噬

细胞自噬是一种溶酶体对胞质内受损的细胞器或生物大分子进行降解,并将其产物循环再利用的动态过程,有利于维持细胞生存,在多种心血管疾病尤其是在心肌缺血/再灌注的病理过程中起着重要的调控作用[18]。生理状态下,自噬对保护心肌组织有重要作用;但在病理状态下,自噬过度或不足会加重受损心肌组织[19]。

磷脂酰肌醇3-激酶(Phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(Protein kinase B,PKB/Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信号通路与自噬的发生关系密切,是经典的自噬信号通路之一,通常能够通过调控自噬的表达,在一定程度上保护细胞。其中,mTOR是PI3K/Akt信号通路下游的关键靶激酶,是自噬信号通路的重要聚合点,在细胞产生自噬的过程中起着关键作用。mTOR靶点由雷帕霉素靶蛋白复合物1(malian target of rapamycin com-plexe 1,m TORC1)和雷帕霉素靶蛋白复合物2(malian target of rapamycin com-plexe 2,m TORC2)组成, m TORC1通过激活核糖体S6蛋白激酶(Activation of ribo-somal protein S6 kinase,RPS6K)和抑制其真核转录起始因4E结合蛋白1(eIF4E-bin-ding protein 1,4E-BP1)来促进脂质和蛋白质合成,同时抑制细胞自噬;而m TORC2通过磷酸化丝氨酸苏氨酸蛋白激酶B(Protein kinase B,AKT/PKB)与mTORC1共同促进细胞存活与代谢。

张艳琳等[20]通过观察MIRI大鼠心肌细胞自噬标记蛋白和PI3K/Akt/m TOR信号通路相关蛋白的变化探讨电针预处理对MIRI自噬水平的调控机制,结果表明,电针预处理能促进MIRI大鼠PI3K、mTOR和Akt的磷酸化表达,降低了LC3-Ⅱ的水平;而且加用PI3K的特异性抑制剂后,减弱了电针抑制自噬的作用,证明电针预处理可能通过激活PI3K/Akt信号通路,防止细胞过度自噬,从而发挥保护心肌细胞的作用。吴立斌等[21]发现电针心经能通过激活Akt/mTOR通路提高细胞存活率,改善心肌功能,并且降低心肌细胞自噬水平,其作用途径与其上调Akt和mTOR蛋白的磷酸化表达有关。韩永丽等[22]探究电针预处理对I/R大鼠细胞自噬的作用机制,研究发现电针预处理能够下调心肌细胞中自噬相关基因mTOR、ATG13和PI3K的表达水平,上调自噬通量,给予PI3K抑制剂后发现电针预处理的保护作用明显降低,说明电针预处理通过降低I/R大鼠PI3K基因表达激活Akt通路,促进自噬来减少心肌细胞自噬体的形成,保护受损心肌。

2.3 影响血管生成

血管新生在机体的多种生理、病理过程中发挥重要的作用,促进血管新生逐渐成为缺血性血管损伤疾病的治疗途径。血管新生是一个多种细胞、多种机制参与的复杂过程,血管内皮生长因子(VEGF)是最重要的血管生成因子,能促进各组织血管内皮细胞的增殖,诱导体内血管新生[23]。其中缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)是调控VEGF高表达的关键因素[24],当机体缺血缺氧时,HIF-1α不能被水解并在细胞核中与VEGF结合,激活VEGF mRNA转录,使得VEGF表达增加。VEGF表达升高会激活下游信号通路PI3K/Akt,抑制内皮细胞凋亡,且下游磷酸化的Akt 蛋白使eNOs激活,改变血管通透性,协同促进内皮细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缓解心肌缺血症状,改善缺血心肌[27]。张宏如等[8]研究发现针刺内关或足三里能提高MIRI大鼠心肌组织中的VEGFA、α-SMA、CD31和p-eNOS蛋白表达水平,促进MIRI后的血管重塑,减缓心肌梗死面积,缓解细胞损伤。

2.4 调节腺苷

腺苷是一种由体内三磷酸腺苷(ATP)降解生成的嘌呤核苷酸,广泛存在于各细胞,能在心肌内磷酸化生成腺苷酸参与心肌的能量代谢,也能扩张冠状动脉血管,在心血管系统调节中发挥重要作用。研究表明[28]腺苷是信号转导的关键因子,也可以通过下调炎症反应对受损组织起到保护作用。腺苷主要有A1、A2和A3型3种受体,其中A1、A3与心肌缺血预适应(IPC)密切相关,但两者对心肌的保护作用机制和介导的信号通路并不相同[29]。A1受体主要通过激活磷酸肌醇3激酶(Phosphoinositide-3-kinase,PI3K)-AKt-Bcl-2通路诱导人巨噬细胞炎性蛋白发挥作用, 而A3受体是通过激活c AMP反应蛋白(CREB)-Bcl-2和AKt-Bcl-2两个通路来介导人巨噬细胞炎性蛋白发挥对心肌细胞的保护作用[30]。研究发现心肌缺血缺氧过程中,腺苷能通过下调炎症因子,减少心肌梗死面积,改善心功能[31-33]。徐文博等[34]发现针刺预处理可以提高I/R大鼠心肌细胞p-Akt、p-eNOS蛋白的表达,上调血清腺苷的含量,提示针刺预处理可能通过激活Akt/e NOS通路促进腺苷表达从而保护细胞免受心肌IR损伤。

3 小结

缺血性心脏病是世界范围内导致心源性猝死和残疾的主要原因之一。心脏受到缺血刺激引起心肌细胞损伤和死亡是该病高死亡率的关键因素。PI3K/Akt信号通路是细胞内重要的信号转导通路,参与心血管疾病、肿瘤与糖尿病等多种疾病的病理过程。本研究详细阐述了PI3K/Akt信号通路与心肌缺血/再灌注的关系及其作用机制,发现针刺通过调控PI3K/Akt信号通路减少细胞凋亡、调节自噬、促进血管生成和提高腺苷表达等多途径减轻心肌细胞损伤,为防治MIRI提供了新思路。但目前的研究仅停留在对单项指标和效应的观察上,缺少多通路多机制的整体研究,并且大量实验研究结果不能有效转化为临床应用。因此,深入探索针刺治疗MIRI的作用机制并与临床相结合,对于临床推广中医药治疗具有重要意义。