PI3K/Akt/mTOR信号通路在高原缺氧所致肠黏膜损伤的自噬调节中的作用

高原是指海拔3 000 m以上的地区，高海拔地区含氧量较低，仅为海平面含氧量的50%～60%，当氧供给不足时，机体的调节机制无法代偿组织的缺氧，各器官、组织及细胞出现缺氧应激反应，发生许多病理生理变化及相应的临床症状。高原环境下，肠黏膜屏障损伤并非孤立性疾病，缺氧可引起机体各器官的严重损伤，其中肠道损伤较为显著，主要表现为明显的胃肠道不适症状。研究发现机体处于严重缺氧环境时，肠黏膜缺氧，肠蠕动减弱，肠道的节律性收缩及对其固有神经跨壁刺激的应答性降低；同时无氧代谢增加，局部代谢产物堆积，引起肠道固有免疫反应亢进，分泌型IgA免疫效应分子的功能显著下降，使细菌、毒素移位及多种炎性因子释放入血，导致肠黏膜微血管损伤加重，引起肠黏膜屏障功能减弱。肠道内微生态失衡，固有定植菌明显减少，致病菌过度生长，最终导致细菌和毒素移位，加重全身炎性反应，引起全身炎症反应综合征[1-3]。为了适应低氧环境，机体在组织和细胞水平发生重大调整。研究表明，自噬已成为机体适应缺氧环境的重要调节机制[4-5]，自噬对细胞在缺氧条件下的存活、程序性细胞死亡有重要的调节作用，而磷脂肌醇3-激酶/蛋白激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(PI3K/Akt/mTOR)通路是细胞自噬中重要的信号转导通路，参与急进高原的缺氧环境下肠黏膜上皮细胞自噬的调节过程。本文就PI3K/Akt/mTOR通路在高原缺氧肠黏膜损伤的自噬调节中作用的研究进展作一综述。

1 自噬的概述

自噬于1963年被首次提出，20世纪90年代初大隅良典通过饥饿刺激细胞发生自噬作用，找到了细胞自噬的基因，并阐明了酵母自噬的基本原理，还发现在人体细胞内同样存在类似的复杂组织。自噬是存在于所有真核生物中的一种高度保守的细胞成分降解及循环利用的过程，正常情况下细胞内的自噬处于低水平，当受到饥饿、营养缺乏、缺氧应激等外界环境刺激时，自噬被激活以促进细胞在缺血缺氧等饥饿状态下的存活，是保护细胞的一种应激反应[6-8]。自噬的主要作用是清除细胞中的错误折叠蛋白质、损毁细胞器或其他细胞组分，有利于维持细胞内环境的稳态，对细胞的正常生长起着重要的作用，但过度上调自噬会引起细胞“自噬性死亡”。根据底物进入溶酶体的途径不同，将自噬分为巨自噬、小自噬及分子伴侣介导的自噬3类。三者的共同特点是在溶酶体内进行蛋白质降解，它们不是完全独立存在，其激活及相关功能在细胞内蛋白的清除和对不同环境的适应中是相互协调的，当阻断或抑制3条通路中的任何一条都可引起另一条自噬通路的活性增强，其中巨自噬在人类疾病发生中的作用尤为重要[9-10]。三者的不同点是只有巨自噬才有自噬体形成，而巨自噬包括选择性自噬和非选择性自噬两类，在线粒体、溶酶体等细胞器中均可发生非选择性自噬，且营养缺乏可诱导细胞发生非选择性自噬，其目的是维持细胞基本的物质能量代谢[11]。细胞自噬是由多步骤组成的复杂过程，当这些步骤在细胞内连续动态出现时，可形成自噬流。自噬流形成受阻时，可导致无效蛋白及受损细胞器清除障碍，引起多种疾病的发生，主要为自身免疫性疾病、肿瘤、心血管疾病等[12-13]。

在被调查的海外游客中，首次到景区旅游的游客占87.5%，非首次者占12.5%.这反映了蜀冈-瘦西湖风景名胜区在海外的知名度和吸引力还不够高，尤其是在吸引海外旅游者多次重游方面还有一定的差距，同时也反映了蜀冈-瘦西湖风景名胜区还具有较大的发展潜力.

2 PI3K/Akt/mTOR通路与自噬

PI3K/Akt/mTOR信号通路参与机体多种细胞生物活动的调节，包括分化、凋亡、自噬、生长及增殖等。细胞自噬信号的转导调控途径包含Ⅰ型PI3K和mTOR，两者对自噬均有抑制作用[10,14-16]。PI3K是一种胞内磷脂酰肌醇激酶，也是与细胞内信号转导有关的脂酶，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 型，各型有不同的亚型，其结构和功能各不相同。目前Ⅰ型PI3K的研究较广泛，其能被细胞表面受体激活，Ⅰ型PI3K由一个调节亚基和一个催化亚基组成，它们分别通过酪氨酸激酶和G蛋白连接受体转导信号。研究发现PI3K活性的增强与多种肿瘤相关，还在多因素导致的肠黏膜屏障功能障碍的调控中起着重要的作用[17]。Datta等[18]的研究发现，C57BL/6J小鼠的辐射暴露可能通过氧化应激活化PI3K/Akt/mTOR通路引发一系列恶性循环事件，使自噬相关信号通路下调，并进一步促进氧化应激，导致慢性肠道疾病的发生。由此可见，PI3K/Akt/mTOR通路中任一环节出现异常都会引起身体机能紊乱甚至肿瘤的发生。

具体做法是：①焚烧炉设置单独的上位机（监视操作站），与全厂DCS分开，各自操控互不干扰；②设置单独的ACC控制柜，该控制柜设置有较强大运算功能的PLC，能够分析处理各种运行数据。系统配置如图1所示。

研究发现，急进高原低氧不仅可使大鼠肠黏膜屏障严重破坏，肠上皮组织中低氧诱导因子-1α(HIF-1α)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)蛋白表达和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)水平明显上调，紧密连接蛋白(Occludin)及白细胞介素-10(IL-10)水平显著下降，且与海拔高度相关[25,28]。研究表明HIF-1α是内源性保护机制的枢纽，与肠黏膜功能的维持及损伤后修复关系密切[29-30]。HIF-1α可激活细胞的自噬，增强细胞在缺氧条件下的适应能力，为损伤的肠黏膜争取更多的修复时间。当机体处于缺氧(0.1%～3% O2)时，短时间缺氧可以通过上调HIF-1α快速诱导发生自噬反应。HIF-1α被细胞内氧分压精细调节，对其下游靶基因血管内皮生长因子(VEGF)、iNOS、环氧合酶(COX-2)等诸多因素进行调控，维持在急性缺氧环境下肠黏膜功能的正常运行及对低氧量的耐受性。研究表明过度表达的活性氧簇(ROS)可诱发自噬，此外缺氧时机体选择性诱发线粒体的自噬，而线粒体自噬可减少ROS对细胞的毒性，两者相互制约，可延长细胞在低氧下的寿命[31]。在低氧诱发自噬的发生发展过程中，PI3K/Akt/mTOR通路中由mTOR对起始因子4E-BP1、p70S6K等下游分子转导生存信号，从而抑制肠黏膜上皮细胞的凋亡，最终帮助机体在低氧环境下的生存。

PI3K/Akt/mTOR通路在低氧诱发自噬的发生发展过程中，其可促使细胞周期进程的加快，对肠黏膜上皮细胞的凋亡有抑制作用，促进机体形成新生血管。具体作用机制可能为PI3K/Akt/mTOR通路可转导有丝分裂信号，上调细胞周期素、细胞周期依赖性蛋白激酶4等的翻译，可促使细胞周期的运行速度加快，缓解低氧对肠黏膜的损伤。

3 PI3K/Akt/mTOR通路对高原缺氧肠黏膜损伤自噬的调节作用

研究显示，低氧环境对肠黏膜的影响与自噬、PI3K/Akt/mTOR通路有密切关系，探讨PI3K/Akt/mTOR通路与自噬的关系对于低氧环境下肠黏膜损伤的防治具有重要的临床应用价值。缺氧诱导的自噬是细胞自我修复的一种程序化过程，受一系列分子及信号通路调控，当PI3K/Akt/mTOR通路受到刺激过度激活时，致使多种细胞的生理功能失调，细胞周期进程加快，细胞凋亡被抑制，促进细胞对缺氧应激作出快速的适应性反应，以维持细胞内环境的稳定。许多研究发现，无论是哺乳动物的肿瘤细胞还是正常细胞，缺血缺氧损伤后自噬体的数目明显增加，缺氧条件下自噬应激反应对机体具有保护作用[6-8]。在人肠上皮细胞、肝细胞、肾小管细胞、神经细胞中均发现，缺血缺氧条件下自噬具有保护作用[22-24]。PI3K的抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-MA)也可作为自噬抑制剂，可使肝癌细胞凋亡明显增加，由此表明自噬可以保护肝癌细胞，阻止其发生凋亡。有学者在坏死性小肠结肠炎的新生儿体内发现自噬相关蛋白Beclin-1及LC3Ⅱ表达升高，P62蛋白大量降解，自噬调节器明显被激活，表明损伤的肠上皮细胞中发生了自噬[23]。Jiang等[24]研究发现在缺氧或缺血再灌注状态下，自噬对肾脏具有保护作用，而自噬的抑制剂3-MA可使缺氧诱导的肾小管细胞凋亡敏感性增加。动物实验发现，急进高原时大鼠的肠黏膜机械屏障损伤后，肠上皮细胞中Beclin-1及LC3B表达显著升高，当给予3-MA后，与对照组相比，实验组Beclin1及LC3B表达显著降低[25-26]。Beclin-1发挥作用主要通过与Ⅲ型PI3K结合，启动PI3K/Akt通路，聚集其他自噬相关蛋白到自噬前体定位，从而促进自噬的发生[27]。上述研究表明，自噬在急进高原的缺氧环境下，对肠黏膜可能存在保护作用，这种保护作用可能与以下三个方面有关。

Akt在细胞存活和凋亡中起重要的作用，参与包括细胞凋亡和葡糖糖代谢在内的细胞过程。mTOR是丝氨酸/苏氨酸磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶家族成员(PIKK)的磷酸化蛋白底物[19]，由两个同源的复合物 mTORC1和mTORC2构成。mTOR是细胞生长、增殖和存活的中枢调节剂。mTORC1和mTORC2均可调节细胞生长，不同的是前者对雷帕霉素敏感度较高，其可促进细胞自噬、mRNA翻译及核糖体合成。mTORC2对雷帕霉素的敏感度较低，其作用主要是促使细胞存活、细胞进入细胞周期及细胞骨架的修复。mTOR是Akt的下游效应分子，而活化的Akt可间接激活mTORC1，其作为自噬启动阶段的关键调节因子，活化后可抑制自噬的发生[20]。因此，临床上常用mTORC的抑制剂雷帕霉素作为自噬的诱导剂。

在PI3K/Akt/mTOR通路中，Ⅰ型PI3K是自噬的负性调节分子，当PI3K被纤维细胞生长因子、胰岛素和血管内皮生长因子等配体激活后，可引起其自磷酸化。活化的PI3K会将质膜上的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇[PI(4，5)P2]和磷酸肌醇4磷酸盐(PI4P)磷酸化为3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇[PI(3，4，5)P3]和PI(3，4)P2。被激活的PI3K在质膜上产生第二信使PIP3，活化的PIP3与细胞内信号蛋白PDK1和Akt结合募集下游的3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(PDK1)及Akt至质膜，进而促使PDK1磷酸化Akt的Ser308位点，从而激活Akt。活化的Akt通过磷酸化下游广泛的靶点蛋白，下调一组Atg蛋白功能，最终抑制自噬体形成，还可以调节多种生物效应[17]。当Akt活化后，可抑制TSC-1/TSC-2复合物形成，间接激活mTOR，激活的mTOR进而磷酸化其下游的两个分子，分别为翻译抑制分子eIF-4E结合蛋白 1(4E-BP1)和核糖体蛋白p70S6K。p70S6K磷酸化后激活其功能，促进蛋白质合成，而4E-BP1磷酸化后失活，启动蛋白质的翻译，雷帕霉素可抑制其下游的p70S6K和4E-BPl的磷酸化水平，从而诱导自噬发生[21]。上述为PI3K/Akt/mTOR通路调节的大致过程，同时PI3K/Akt/mTOR通路在活化过程中能被细胞内重要的抑癌蛋白人第10号染色体缺失的磷酸酶PTEN所抑制，从而导致PI3K/Akt/mTOR信号通路失活。研究发现PTEN是一个与PI3K的功能相反的PIP3-磷酸酶，它可通过去磷酸化将PIP3转变为PI(4，5)P2，PTEN可减少Akt的活化，从而阻止所有由Akt调控的下游信号转导事件，由此负向调节信号通路。

研究表明细胞自噬与炎性反应之间存在密切联系，调控细胞自噬过程的信号通路能调节炎性反应，反之亦然。除一些经典信号之外，多个病原相关分子模式(PAMP)的分子也可启动Toll样受体(TLR)激活细胞自噬。而TLR信号可能通过连接蛋白MyD88或TRIF的活化激活细胞自噬[32-33]。当机体处于低氧环境时，肠黏膜屏障功能受损，肠道的微生物屏障紊乱，激活肠道潜在的TLR识别PAMP，进一步激活与之相应的信号通路，引起抵抗病原微生物感染的免疫反应，主要表现在两个方面：一方面启动固有免疫反应，释放炎性、趋化因子及细胞因子等，参与抗病毒、免疫调节、免疫细胞分化的调控；另一方面促进机体产生特异性免疫反应防御病原体移位[34]。另有研究表明，巨噬细胞炎症小体的有关促炎因子与自噬相关蛋白的成熟密切相关，且脂多糖可通过PI3K/Akt/mTOR通路参与巨噬细胞自噬的调控[33,35]。炎症小体可控制多种炎性因子的成熟和分泌，目前细胞自噬抑制炎症小体的机制有两大观点：一种观点是炎症小体可能通过细胞自噬被直接降解；另一种观点是细胞自噬会下调ROS的产生，进而抑制炎症小体的产生。由此可见，低氧引起肠道菌群紊乱可进一步引起炎性反应及免疫反应，这与低氧激活肠上皮细胞自噬进而抑制炎性反应是相辅相成、相互促进的，最终使机体在急性缺氧条件下度过难关。

4 小结与展望

目前急进高原的缺氧环境对肠黏膜屏障损伤的发病机制尚未完全阐明，以致对疾病的诊疗造成了影响，其发病率、病死率较高，对高原地区的经济发展及旅游业等也造成较大的影响，亟需寻找高效药物应用于高原胃肠疾病的防治，为高原地区人群提供健康保障。PI3K/Akt/mTOR信号通路参与调控自噬对肠黏膜的保护效应，使自噬肠黏膜损伤减轻，抑制自噬肠黏膜损伤的加重，但具体作用机制及信号通路未完全明确。今后将在进一步的实验中观察模拟高原急性缺氧的鼠肠上皮损伤的低氧相关基因、自噬应激反应及其调控，进一步阐明PI3K/Akt/mTOR 信号通路调控自噬的分子机制，揭示急进高原的低氧适应性应激反应的机制，为高原胃肠疾病防治提供新策略和理论依据。

给药途径选择经直肠给药。中医学认为,大肠包括直肠和结肠,与肺相表里,而“肺朝百脉”,所以药物经直肠吸收后可通过经脉上输于肺,再由肺将药物运到五脏六腑、四肢百骸,同时大肠、小肠、膀肌同居下焦,肾主水液,司二使,从而为直肠给药治疗疾病提供了理论基础。现代医学己证实直肠周围有丰富的动脉、静脉、淋巴丛,直肠黏膜具有很强的吸收功能,药物可直接进入血液大循环,从而提高血药浓度,增强疗效。

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