中醫藥調控線粒體功能異常治療阿爾茨海默病的研究進展

管秀菊 王康鋒 畢淑月 韓歡 劉長寧 張立娟

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)由德國病理學家Alois Alzheimer于1906年首次描述[1],是最常見的神經系統退行性病變[2],主要表現為進行性的認知功能障礙及行為異常,可伴有焦慮、抑郁等精神癥狀,最終影響日常生活。當前全球AD患者達5000多萬人,其中中低收入國家AD患者占全球患者的58%,該比例預計至2050年可上升至68%[3],AD的護理成本無疑為全球的衛生保健系統帶來沉重的負擔[4]。在AD患者大腦的學習和記憶區域可觀察到老年斑、Tau纖維纏結、神經元丟失、突觸損傷、自由基增加等多種細胞變化[5-6]。目前AD的治療方法仍不能有效遏制或逆轉其進展,因此探索發病機制,尋找早期識別、治療AD的生物標志物仍迫在眉睫。線粒體功能障礙是AD早期病理特征之一,近年來在AD研究領域倍受關注,中醫藥在調控線粒體功能防治AD方面亦進行了大量探索并有望取得進展,本文結合近年文獻對此進行綜述。

1 線粒體功能異常與AD的關系

1.1 線粒體結構與功能

線粒體是廣泛分布在神經元中的高度動態的細胞器,具有自己的遺傳物質-mitochondrial DNA(mtDNA)[7],由雙膜結構將其分為線粒體外膜、膜間隙、線粒體內膜、基質四部分[8]。線粒體呼吸鏈(electron transport chain,ETC)位于線粒體內膜,由五種復合物(復合物I-V)組成。線粒體可以通過呼吸鏈酶復合物進行氧化磷酸化合成腺嘌核苷三胺酸(adenosinetriphosphate,ATP),滿足神經元持續的能量需求,具有“動力工廠”之稱[9],并且可以參與調控氧化應激、細胞凋亡,維持鈣的平衡及突觸的可塑性,還可以通過線粒體自噬選擇性識別、降解受損的線粒體,維持線粒體正常功能狀態[10]。通過執行不同的功能,線粒體在糖尿病及相關并發癥、腫瘤、脂肪肝、精神分裂癥、心力衰竭等心血管疾病和神經退行性病變等疾病的發生發展中起著關鍵作用[11]。

1.2 線粒體功能障礙參與AD的作用機制

線粒體功能障礙是神經退行性疾病發病的關鍵因素,包括AD,并且在AD的病理生理學中起著關鍵的上游作用。Swerdlow等[12]提出“線粒體級聯假說”,作為”淀粉樣蛋白級聯假說”的補充,認為線粒體損傷是遲發型和散發型AD的主要病理因素。近幾十年的研究相繼發現AD患者線粒體結構及功能的變化,促使研究人員進一步探究線粒體功能障礙在AD發病中的作用機制。目前認為,線粒體膜等超微結構的變化以及線粒體動力學損傷、線粒體呼吸鏈異常、線粒體自噬異常等功能變化會誘發能量代謝異常、氧化代謝紊亂、突觸功能障礙,導致神經元損傷以及認知功能下降[13],加重AD的病理學進展。

1.3 AD促進線粒體功能障礙的作用機制

阿爾茨海默病的病理產物Aβ、Tau蛋白以及氧化應激反應可以作用于線粒體進一步加重線粒體功能障礙。Aβ可以誘發線粒體分裂融合異常[14-15]、Ca2+平衡失調[16],還可以作用于線粒體中的Aβ相關乙醇脫氫酶(Aβ-binding alcohol dehydrogenase,ABAD),加重Aβ對線粒體的損傷[17]。Tau蛋白高度磷酸化誘導的神經元纖維纏結的形成可加重線粒體損傷,研究發現,Tau蛋白磷酸化損傷線粒體膜電位并誘導氧化應激的發生,而Tau蛋白敲除小鼠的氧化損傷顯著減少,線粒體功能改善,ATP生成增加[18]。線粒體是活性氧產生的主要位點,故線粒體特別容易受到氧化應激的損傷,氧化應激可以損傷線粒體動力學以及能量代謝。

2 中藥可以改善AD動物模型的線粒體超微結構

線粒體膜、線粒體相關內質網膜及線粒體呼吸鏈結構的變化與Ca2+失衡、能量代謝障礙等AD早期的病理改變密切相關。研究發現,AD動物腦組織中線粒體膜通透性增加,伴見線粒體結構發生腫脹且數目減少以及線粒體嵴斷裂等超微結構的變化。林珍梅[19]以SAMP8小鼠為AD模型進行研究發現三七總皂苷可以顯著提高SAMP8小鼠學習記憶能力,改善SAMP8小鼠腦組織神經元形態。與模型組相比,三七總皂苷高劑量組可見線粒體雙層膜結構完整,線粒體嵴排列整齊,形態趨于正常。曹玉成等[20]給予AD模型大鼠補腎填髓方灌胃治療,進行水迷宮實驗發現,與模型組相比,在定位航行試驗中中藥組逃避潛伏期縮短(P＜0.01),在空間探索試驗中,中藥組游泳時間和游泳時間的百分比升高(P＜0.05),并在電鏡下觀察線粒體超微結構,發現AD模型組線粒體形態不規則,分布不均,數目減少,內嵴斷裂,線粒體腫脹,而中藥組大鼠線粒體組織結構完整,內嵴增多,排列整齊,部分線粒體腫脹改善,外膜完整光滑,說明補腎填髓方可能通過改善AD大鼠線粒體超微結構,提高AD大鼠的空間學習記憶能力。黃倩倩等[21]發現地黃飲子可以增加線粒體膜電位,保護線粒體內膜的完整性,降低線粒體腫脹程度,上調三羧酸循環關鍵酶-丙酮酸脫氫酶及α-酮戊二酸脫氫酶的活性,提示地黃飲子可以通過保護線粒體結構與功能改善AD大鼠腦組織能量代謝障礙。

3 中藥可以改善AD動物模型的線粒體功能

3.1 調控線粒體動力學

線粒體動力學即線粒體通過分裂、融合、轉運維持自身結構及生理功能正常的過程,受線粒體分裂蛋白(dynamin-related protein 1,Drp1)、線粒體融合蛋白(mitofusion)1/2、視神經萎縮蛋白1(optic atrophy 1,Opa1)、銜接蛋白Miro/Milton等多種蛋白及部分miRNA的調控[22]。線粒體分裂、融合及轉運功能異常將造成線粒體分布紊亂、軸突腫脹、Ca2+穩態失衡、突觸受損,而突觸受損可以直接損傷神經元,導致AD等神經退行性疾病的發生發展。臨床研究發現AD患者腦中Mfn1等融合蛋白表達下降,而Drp1等分裂蛋白表達增加[24],另有相關研究發現在AD早期即可出現線粒體分裂/融合蛋白表達失衡以及轉運功能障礙,提示線粒體動力學失衡是AD早期重要的病理特征[25]。線粒體分裂、融合、轉運任一環節的障礙均可繼發AD的發生發展,對其進行早期干預或許成為AD治療的靶點。

賈醌[25]發現丹參根莖提取物-丹酚酸B可以通過維持線粒體形狀、抑制分裂/融合蛋白的異常表達來改善Aβ誘導的線粒體動力學失衡。李鑫潔等[26]對鎖陽醋酸乙酯提取物(ethyl acetate extract of cynomorium songaricum,ECS)進行研究發現,ECS可通過上調AD小鼠Mfn1、Opal蛋白表達,下調Drp1蛋白表達,改善AD小鼠行為學,推測其取效機制與改善線粒體動力學相關。

3.2 調控線粒體能量代謝

線粒體通過對體內攝入的葡萄糖、脂肪酸、氨基酸進行三羧酸循環及氧化磷酸化,合成機體所需的能量,并以ATP的形式儲存起來。大腦作為高能量消耗器官,易受能量代謝障礙的影響[27]。使用氟脫氧葡萄糖正電子發射斷層掃描觀察發現AD大腦海馬和皮層葡萄糖代謝率下降,并伴隨線粒體數目減少、腫脹等結構的變化,該現象被認為與線粒體氧化磷酸化功能受損相關[28]。氧代謝是大腦能量代謝的另一途徑,AD患者額葉、顳葉、頂葉腦氧代謝率明顯下降,提示線粒體呼吸功能受損。

燈盞細辛的主要化學成分咖啡酸奎寧酸可以通過上調ETC蛋白的基因表達、促進糖酵解從而增加ATP的合成,改善線粒體功能[29]。知母寧是從中藥知母、龍膽草、射干中提取的天然化合物,可以激活三羧酸循環中丙酮酸脫氫酶的活性,提高生物能量合成[30]。虎杖苷可以增加Aβ25-35誘導的SH-SY5Y細胞內ATP含量,促進線粒體能量代謝[31]。

3.3 調控線粒體凋亡

細胞凋亡是有核細胞啟動特定基因程序結束生命的過程,其誘發的神經元丟失是AD的病理特征之一,包括內源性細胞凋亡通路即線粒體通路、外源性細胞凋亡通路即死亡受體通路以及內質網通路。其中經典的線粒體凋亡通路參與調控大多數細胞凋亡過程,受Bcl-2家族調控[32],Bcl-2家族促凋亡因子Bax及抑凋亡因子Bcl-2、Bcl-xl相互作用調控線粒體膜的通透性以及相關凋亡因子的釋放。凋亡因子細胞色素C(cytochrome c,Cyt-c)的釋放是內源性細胞凋亡通路的關鍵環節。在促凋亡因素刺激下,存在于線粒體內外膜之間的Cyt-c釋放至胞質,在ATP/dATP參與下與Apaf-1結合,活化Caspase-9,最終通過Caspase-3途徑誘發細胞凋亡。而外源性細胞凋亡通路相關受體與配體相結合活化Caspase-8,導致Caspase-3活化[33]。

三七皂苷R1可以通過下調Bax/Bcl-2的比例,抑制線粒體通透性轉換孔的開放,減少Caspase-9和Caspase-3的激活,抑制線粒體凋亡通路的激活,發揮抗凋亡作用[34]。中成藥黃埔通竅膠囊可以上調Bcl-2蛋白表達,減少Cyt-c的釋放,減少Caspase-3表達,提高AD模型大鼠的學習記憶能力,推測其取效機制可能與抑制線粒體凋亡通路激活相關[35]。毛蕊花糖苷是從中藥肉蓯蓉、熟地黃中提取的苷類化合物,毛蕊花糖苷通過下調Bax/Bcl-2的比值,調控Cyt-c的釋放,抑制線粒體凋亡,保護神經元[36]。細胞膜電位的下降是線粒體凋亡過程的早期表現,補骨脂二氫黃酮[37]、姜黃素[38]可以通過減少線粒體膜電位的損耗,抑制線粒體凋亡。

3.4 調控氧化應激

氧化應激是AD病理進程的早期事件,其特征性表現為活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮釋放增多及機體抗氧化防御酶功能損傷。線粒體是ROS的主要生產車間及作用靶點。據估計,90%的ROS由線粒體產生[39],由于線粒體抗氧化系統的存在,ROS的產生和清除在生理狀態下處于動態的平衡之中。病理狀態下,ROS在體內大量聚集,又可反作用于線粒體,通過下調線粒體呼吸鏈復合物活性,導致線粒體氧化磷酸化受損,影響ATP的合成,也可引發線粒體膜通透性改變,導致Cyt-c的釋放及細胞凋亡的發生[40]。ROS還能夠損傷mtDNA,造成其結構破壞,干擾后續的轉錄與翻譯過程[41],甚至直接攻擊細胞體蛋白、核酸、脂質等大分子,造成細胞氧化損傷、線粒體功能障礙,最終形成惡性循環[42]。

丙二醇(maleic dialdehyde,MDA)為氧化反應的終產物,淫羊藿的主要活性成分淫羊藿苷(icariin,ICA)可以改善線粒體氧化應激水平,在SAMP8小鼠AD模型中,發現ICA降低了SAMP8小鼠腦線粒體中ROS及MDA水平,提高SAMP8小鼠的學習記憶能力[43]。姜黃素可以上調Nrf2基因表達,提高HO1、NQO1兩種抗氧化蛋白水平,保護線粒體結構完整性,提高線粒體抗氧化能力[44]。補腎填髓方由經典名方孔圣枕中丹加減化裁而來,研究發現補腎填髓方可以上調AD模型小鼠血清超氧化物歧化酶活性,下調MDA活性,提高AD模型認知功能[20],推測其取效機制亦與改善線粒體氧化應激相關。

3.5 調控線粒體mtDNA表達

由于mtDNA缺乏有效的防御修復系統,損傷后易致突變,突變后可以下調氧化磷酸化相關蛋白的表達,損傷線粒體功能[45]。Morrisa C D等[46]研究發現,與正常人相比,AD患者腦中相關區域存在mtDNA缺失,證明線粒體mtDNA缺失與AD發展相關。

師冉等[47]觀察到開心散可以顯著改善SAMP8小鼠學習記憶能力,治療后海馬區mtDNA表達水平明顯增高,推測開心散可以通過上調mtDNA表達,改善神經元老化,保護神經元。

4 小結與展望

綜上所述,線粒體功能障礙在AD發生發展中起著至關重要的作用,是AD潛在的治療靶點。中藥復方及中藥單體已被證實可以改善線粒體結構及功能,但中藥組分異常復雜,相關復方的有效成分仍需進一步明確。此外,當前研究雖然已經確定線粒體功能障礙在AD發病機制中起重要作用,但是線粒體如何演變至功能障礙仍需進一步探討,未來研究應著眼于線粒體變化的機制,以其為治療靶點,探討中藥治療AD的相關分子機制,并且應進行相關臨床試驗,觀察中醫藥能否通過改善線粒體功能在AD患者體內取得療效。