PI3K/Akt和Nrf2/ARE信号通路在氢气抗脑缺血/再灌注损伤中的作用及机制研究

Cerebral ischemia/reperfusion (I/R) injury is a common pathophysiological process in the perioperative, The mechanism is closely related to inflammatory response, oxidative stress and apoptosis. Hydrogen has selective antioxidant and anti-apoptotic properties, but the exact mechanism is unclear. Studies confirmed that, phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/ protein kinase B (Akt) signaling pathway has the role of inhibiting the conversion of the mitochondrial permeability transition pore (MPTP) opening, inhibiting of the endoplasmic reticulum stress response (ERS) and promoting of the nuclear factor NF-E2-related factor 2 (Nrf2) activation and translocation. Therefore, PI3K/Akt signaling pathway has antioxidant and anti-apoptosis effects, etc. Accordingly, we speculate that whether the roles of hydrogen are related to "through activation of PI3K/Akt and Nrf2/ARE signaling pathway and inhibition of MPTP opening and regulation of endoplasmic reticulum stress and apoptosis related proteins and the expression of antioxidant enzymes and phase Ⅱ enzyme" and so? The subject uses the rat's cerebral I/R injury model, to explore the cerebral protective effect of hydrogen and the possible signal transduction mechanisms from the cells, organs, molecular biology and the overall level, to clear the role of signaling pathway of PI3K/Akt and Nrf2/ARE in hydrogen selective antioxidant and anti-apoptosis, to provide theoretical and experimental basis for hydrogen of drug development and clinical application.

脑缺血/再灌注（I/R）损伤是围术期常见的一种病理生理过程，其机制多认为与炎症反应、氧化应激和细胞凋亡等密切相关。氢气具有选择性抗氧化及抗细胞凋亡等作用，但具体机制不清。研究证实，磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B(Akt)信号通路具有抑制线粒体通透性转化孔（MPTP）开放、抑制内质网应激反应和促进核因子NF-E2相关因子2（Nrf2）激活转位从而起到抗氧化及抗细胞凋亡等作用。据此，我们推测：氢气是否"通过激活PI3K/Akt及Nrf2/ARE信号通路抑制MPTP的开放并调控内质网应激和凋亡相关蛋白以及抗氧化酶和Ⅱ相酶的表达"等机制发挥上述作用？课题利用大鼠脑I/R损伤模型，从细胞、器官、分子生物学及整体水平探讨氢气的脑保护作用及可能信号转导机制，明确PI3K/Akt及Nrf2/ARE信号通路在氢气选择性抗氧化及抗细胞凋亡机制中的作用，为氢气的新药开发及临床应用提供理论和实验依据。

研究证实，氢气对不同程度的脑I/R损伤可能具有保护作用，但具体机制不清。.课题采用大鼠局灶性及全脑I/R损伤模型，通过观察氢气对大鼠脑I/R后神经功能变化、脑梗死程度、氧化应激指标（SOD，MDA）、神经细胞凋亡及凋亡相关蛋白（Bcl-2，Bax，Caspase-3）的表达以及PI3K/Akt和Nrf2/ARE信号通路关键蛋白（p-Akt，p-GSK-3β，Nrf2，HO-1）的表达以及内质网应激和线粒体功能等的影响；同时采用高尔基染色检测氢气对大鼠脑I/R损伤海马CA1区锥体神经元树突棘数量以及对小胶质细胞表达的影响等行深入研究，探讨氢气对大鼠脑I/R损伤的保护作用及其信号转导机制，进而明确氢气是否通过激活PI3K/Akt信号通路稳定线粒体膜电位水平、抑制MPTP的开放并通过调控下游内质网应激相关蛋白（GRP78，Caspase-12）及凋亡相关蛋白和激活转录因子Nrf2/ARE 信号转导通路调控下游相关抗氧化酶和Ⅱ相酶（SOD，HO-1）的表达发挥选择性抗氧化和抗细胞凋亡等作用。.通过研究得出如下结果：.⑴ 课题证实了再灌注同时吸入氢气可通过激活Nrf2/ARE信号通路提高SOD及HO-1的表达降低 MDA的表达以及通过抑制I/R后小胶质细胞的激活等机制发挥抗氧化应激及抗炎症反应的作用。.⑵ 课题证实再灌注同时吸入氢气对脑I/R损伤大鼠神经细胞凋亡可产生明显抑制作用，其机制可能与激活PI3K/Akt/GSK-3β信号转导通路稳定线粒体膜电位水平、抑制MPTP的开放，同时增加pAkt及pGSK-3β水平，进而上调内质网GRP78蛋白表达并下调Caspase-12蛋白表达，抑制脑I/R后过强的ERS促进内质网功能恢复，同时通过上调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达及下调促凋亡蛋白Bax的表达抑制神经细胞凋亡，减轻大鼠脑梗死面积，改善大鼠脑I/R后的神经功能缺损评分。.⑶ 课题证实再灌注同时吸入氢气可明显改善大鼠脑I/R后的学习记忆功能，其机制可能与氢气能够抑制I/R 后炎症反应、氧化应激及神经细胞凋亡进而保护神经元及神经元树突棘的结构及功能等有关。.本课题采用局灶性及全脑I/R损伤模型，从整体、细胞及分子水平证实氢气对大鼠脑I/R损伤起到明确的保护作用，基本明确了PI3K/Akt及转录因子Nrf2/ARE 信号传导通路在氢气选择性抗氧化及抗细胞凋亡机制中的作用。