芳香開竅藥對血腦屏障通透性調控作用的研究進展

張志剛 范小璇 連露露 司澤鈺 趙曉平 張毅 封玉寧 林隆杰

芳香開竅中藥經常用于頭昏、頭暈等頭部疾病的治療,具有較好的效果。中醫認為芳香開竅中藥麝香、冰片、石菖蒲、蘇合香和安息香具有芳香開竅、走竄、引藥上行之性,可以循經入腦。血腦屏障(blood brain barrier,BBB)調控血液和腦組織之間的物質交換,維持了腦內部環境的穩定,但同時也阻礙了許多中樞神經系統藥物進入腦內,使腦內藥物的濃度難以達到有效濃度?，F代藥理學研究中發現芳香開竅中藥可以調控血腦屏障通透性,保護中樞神經系統[1-2]。因此,對于芳香開竅中藥治療腦部疾病病是否與調控血腦屏障作用相關我們不得而知。本文以常見的芳香開竅中藥麝香、冰片、石菖蒲、蘇合香和安息香為代表,綜述芳香開竅中藥對血腦屏障通透性調控作用的研究進展,進一步了解該作用機制,為今后研究腦部疾病的治療擴充思路,提供理論基礎。

1 血腦屏障的調控影響

血腦屏障是由腦微血管內皮細胞、基膜、星形膠質細胞、周細胞及小膠質細胞共同組成的屏障結構[3]。調控血腦屏障通透性的因素主要以下幾點:(1)腦血管內皮細胞間的緊密連接。生理狀態下,內皮細胞結合處細胞間隙消失,當血腦屏障通透性增加時,緊密連接增寬,此方式主要是水溶性物質入腦的途經,這是因為緊密連接處存在的親水性頭狀部分能夠阻止脂溶性物質透過緊密連接[4]。(2)P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)。P-gp主要在上皮細胞頂膜、微血管內皮細胞和星型膠質細胞上表達,P-gp主動將腦組織產生毒性代謝物、異源性物質泵回血液,從而減少其腦內積聚,減輕毒副作用。P-gp轉運體被認為是通過血腦屏障進行藥物外排的主要載體,它將藥物外排到血液中并減少藥物在腦中的積累。(3)內皮細胞間隙。在細胞內外濃度差作用下,以被動擴散方式直接透過細胞間隙的孔穴進入腦內,該轉運方式主要是針對一些脂溶性且分子直徑小于孔徑的物質。(4)內皮細胞上分布的特殊轉運體,主要包括葡萄糖轉運體、氨基酸轉運體、核算轉運體等,此轉運方式主要運轉一些必需物質,例如葡萄糖、氨基酸、核酸等。(5)特定受體介導的胞吞、胞飲作用,大多數內源性肽和蛋白質主要通過胞吞作用轉運途徑入腦;胞飲作用主要運轉的是非正電荷非特異性的大分子物質[5-8]。

血腦屏障其他結構還有:基膜由層粘連蛋白、IV型膠原蛋白、巢蛋白、硫酸肝素蛋白多糖和其他糖蛋白組成,分為內側的血管基膜和外側的薄壁組織膜;星形膠質細胞的足突結構牢固地圍繞著腦微血管內皮細胞,正常情況下,這種足突結夠不參與血腦屏障的屏障功能的執行[4]。目前眾多研究表明,腦微血管內皮細胞在發揮屏障作用中占據主要地位,緊密連接是腦微血管內皮細胞間的重要結構[9]。

2 芳香開竅中藥自身透過血腦屏障

2.1 麝香

麝香化學成分主要含麝香酮、麝香醇、麝香吡啶、睪酮、膽甾醇等,其中麝香酮是麝香的主要生理活性物質[10]。閱讀文獻發現關于麝香對血腦屏障的影響主要是麝香酮發揮作用。

麝香的化學成分麝香酮易透過血腦屏障直接進入腦內發揮作用。陳文塏等[11]實驗研究報道,將麝香酮經大鼠尾靜脈注射,以大鼠腦組織作為標本,測定其透過血腦屏障的腦內藥物濃度,結果顯示5分鐘時腦中的麝香酮濃度已達到峰值,具有較高的濃度。李瑾翡等[12]通過灌胃方法給大鼠服用麝香酮,大鼠灌服麝香酮后1.5小時左右分別測血液和腦組織中麝香酮含量,發現腦組織的中的濃度達到最高。麝香酮自身易透過血腦屏障,且藥物濃度在腦組織中下降較慢,蓄積時間較長。

2.2 冰片

冰片主要有天然冰片、艾片、合成冰片3種。汪宏錦等[13]研究表明,天然冰片、艾片、合成冰片的主要成分分別是右旋龍腦、左旋龍腦、異龍腦,它們對血腦屏障通透性的作用趨勢一致。

冰片的主要成分是龍腦,冰片是小分子雙環萜類化合物,小分子雙環單萜的物質屬性使得冰片能夠容易透過BBB[14]。李偉榮等[15]實驗研究,給予小鼠灌胃天然冰片,分別于給藥后不同時間采用液相色譜分析法測量腦組織中冰片含量,結果顯示灌服小鼠后5分鐘即可在腦組織中測得,并且1小時左右濃度達到峰值,表明了冰片自身極易透過血腦屏障。

2.3 石菖蒲

石菖蒲的主要化學成分是揮發油,而發油中具有代表的活性成分是α-細辛醚、β-細辛醚、欖香烯等,這些活性成分對神經系統調節和治療效果比較明顯[16]。

石菖蒲主要的活性成分α-細辛醚、β-細辛醚自身易透過血腦屏障。Sheng M等[17]研究報道,石菖蒲主要活性主成分β-細辛醚可以順利透過血腦屏障進入腦部組織。李晶[18]采用GC-MS聯用技術,給大鼠灌胃給予石菖蒲揮發油后5分鐘,即可在大鼠腦組織中檢測到β-細辛醚和α-細辛醚的含量,說明石菖蒲揮發油中含有β-細辛醚和α-細辛醚,并且二者能夠通過血腦屏障。

2.4 安息香

香脂酸類是安息香的主要揮發性成分,香脂酸類包括苯甲酸、肉桂酸、香草酸、苯甲酸松柏酯、苯甲酸芐酯、苯甲酸肉桂酯等[19]。

苯甲酸可以透過血腦屏障。黃立華[20]給予8只大鼠灌胃安息香藥液,取灌胃大鼠腦組織并使用甲醇—乙腈萃取進行樣本分析,在腦組織中檢測到苯甲酸,這就證實苯甲酸透過血腦屏障進入腦組織中。

2.5 蘇合香

蘇合香主要有效化學成分為苯甲酸、苯甲酸芐酯、肉桂酸芐酯、肉桂酸肉桂酯等[21]。目前尚無實驗直接證明蘇合香中苯甲酸能夠直接透過血腦屏障,但從安息香的化學成分作用來看,蘇合香中苯甲酸也極其可能易透過血腦屏障。以后學者可進一步研究證實。

由此可見,芳香開竅中藥的有效化學成分能夠透過血腦屏障入腦,結合藥物成分的性質及血腦屏障的結構功能來看,芳香開竅中藥部分成分自身透過血腦屏障的作用機制可能與脂溶性物質易透過血腦屏障的特性有關,也可能與該成分作用于血腦屏障的結構從而打開其通透性有關,目前關于研究其透過血腦屏障的機制仍不明確。

3 芳香開竅中藥增加血腦屏障通透性

3.1 麝香

麝香促血腦屏障開放與其有效成分麝香酮有很大關系,主要作用途徑為:(1)麝香酮能夠抑制Pgp在血腦屏障中的外排作用,降低血腦屏障外排系統將藥物泵回血液中的效力,從而提高血腦屏障的通透性;(2)麝香酮可以抑制Claudin-5蛋白表達,以致使緊密連接的縫隙變寬、斷續且結構減少,提高藥物對血腦屏障的通透性。Wang Shixiang等[22]研究表明麝香的揮發油成分麝香酮通過對P-gp的外排轉運抑制來改善血腦屏障的通。陳怡君等[23]通過成年斑馬魚注射麝香酮溶液試驗,觀察發現斑馬魚BBB超微結構在給藥1小時后緊密連接結構疏松、內皮細胞出現皺縮,并檢測BBB相關基因表達情況,發現Claudin-5基因的下調最明顯,表明緊密連接結構變化可能與Claudin-5表達下調有關,從而增加血腦屏障通透性。趙庭鑒等[24]實驗研究,將大鼠分為麝香酮組、冰片組、對照組、冰片加麝香酮組,分析比較發現麝香酮冰片組大鼠腦組織中的伊文思藍含量及血液中神經生長因子含量均高于其他三組,表示麝香酮組指標的升高與麝香酮有關,表明麝香酮可以提高血腦屏障的通透性,促進其他物質透過血腦屏障。

3.2 冰片

冰片有效成分龍腦可通過增加五羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)含量、抑制P-gp外排作用、抑制Claudin-5蛋白表達來增加血腦屏障通透性。具體表現為:(1)通過增加腦微血管中5-HT的含量,提高5-HT受體與5-HT遞質于腦血管內皮細胞膜上的結合率,引起內皮細胞強烈收縮,促使內皮細胞之間的緊密連接打開[25];(2)冰片有效成分龍腦可直接抑制P-gp的功能,減少對相應底物的外排作用[26],P-gp是存在于血腦屏障結構中的主動外向型轉運體,依靠ATP水解釋放的能量將大部分藥物從腦組織中泵回血液,當龍腦抑制P-gp的外排功能后,使透過血腦屏障的藥物在腦組織的含量增加。(3)Claudin-5蛋白在中樞神經系統的內皮細胞中高表達,一旦缺乏該基因,血腦屏障表現為選擇性漏出[27]。因此,通過對Claudin-5蛋白表達的抑制,以致使緊密連接的縫隙變寬、斷續且結構減少,提高藥物對血腦屏障的通透性[28]。李偉榮等[29]給不同劑量組的大鼠灌胃冰片后,于不同時間點制備了大鼠下丘腦生物樣本,測定各組腦中5-HT的含量,結果發現給藥后各組5-HT含量較給藥前均顯著增高,該結果表明血腦屏障的開放可能與冰片成分介導5-HT含量增加有關。任趙燕[30]給小鼠5倍劑量組與等倍劑量組灌胃冰片后測定兩組鼠腦組織中苯妥英鈉、P-gp濃度,顯示5倍劑量組小鼠腦組織中二者濃度比等倍劑量組高,推測冰片能夠通增加腦組織中P-gp濃度,并通過抑制P-gp的外排作用增加血腦屏障的通透性。Jin等[31]發現給鼠灌胃合成冰片后,Claudin-5蛋白從腦毛細血管內皮細胞膜轉移至細胞質,細胞間緊密連接縫隙變寬、斷續、結構減少。

3.3 石菖蒲

石菖蒲有效成分β-細辛醚主要通過作用以下途徑來加血腦屏障通透性。(1)β-細辛醚作用于腦微血管內皮細胞,促進微血管中分泌5-HT,提高5-HT受體與腦血管內皮細胞膜上的5-HT遞質的結合率,引起內皮細胞強烈收縮,使內皮細胞之間的緊密連接增寬;(2)β-細辛醚可通過影響P-gp的外排功能,從而減弱其使藥物從腦組織中泵回血液的能力,最終增加血腦屏障的通透性。(3)通過對Claudin-5蛋白表達的抑制,以致使緊密連接的縫隙變寬、斷續且結構減少,提高藥物對血腦屏障的通透性。劉超等研究發現灌喂石菖蒲藥物組的小鼠腦內藥物的濃度高于對照組,并且腦內5-HT的含量也顯著高于對照組,提示其促進血腦屏障的開放機制可能是上調5-HT的含量來增加微血管上5-HT受體的結合率[32]。胡園等[33]實驗研究推斷石菖蒲可能是通過升高下丘腦5-HT含量從而開放血管內皮細胞間的緊密連接,最終改善血腦屏障的通透性。這些實驗研究都表明了5-HT含量的增加最終促進了血腦屏障通透性的提高。王利蘋等[34]研究以P-gp高表達的Caco細胞培養液中加入羅丹明-123為對照組,其中β-細辛醚孔細胞培養液中羅丹明-123的濃度較對照孔明顯降低,因此β-細辛醚可降低細胞培養液中P-gp的底物羅丹明-123的濃度,推測β-細辛醚對P-gp外排功能有明顯抑制作用。黃麗平等[35]研究發現石菖蒲揮發油有效成分β-細辛醚可明顯減少Claudin-5、Occludin的表達水平,一定程度地提高血腦屏障通透性。

3.4 安息香、蘇合香

閱讀眾多文獻后發現,安息香與蘇合香對血腦屏障通透性作用的機制基本等同,均與抑制P-gp在血腦屏障中的外排作用有關。通過抑制主動外向型轉運體P-gp,減少對相應底物的外排作用,從而間接的提高血腦屏障的通透性。王利蘋等[34]研究顯示,在P-gp高表達的Caco細胞培養液中加入羅丹明-123 0.5小時和1.0小時后,安息香醛、香草醛孔細胞培養液中羅丹明-123的濃度較對照孔明顯降低。提示蘇合香、安息香主要成分安息香醛、香草醛可明顯降低細胞培養液中P-gp的底物羅丹明-123的濃度,顯示安息香醛、香草醛對P-gp外排功能有明顯抑制作用。Wang Shixiang等[22]研究表明安息香揮發油成分可通過對P-gp的外排轉運抑制來改善血腦屏障的通透性。在研究芳香開竅藥自身易透過血腦屏障的物質時,文獻報道安息香是苯甲酸,而在論述芳香開竅藥促血腦屏障開放時,文獻表明安息香發揮作用物質是香草醛,蘇合香發揮作用的物質是安息香醛。因此對于蘇合香及安息香發揮作用的化學成分具有進一步研究的價值。

4 芳香開竅中藥降低血腦屏障通透性

在血腦屏障遭到破壞的病理狀態下,易使氧自由基、炎癥因子涌入,在細胞毒性腦水腫基礎上繼發血管源性腦水腫,芳香開竅藥可降低血腦屏障的通透性,以致起保護中樞神經系統的作用[36]。中樞神經系統發生缺血再灌注、缺血缺氧時,腦內的星形膠質細胞及血管內皮能誘導產生釋放一氧化氮、炎癥因子、氧自由基、細胞因子及其一些血管活性物質等,作用于血腦屏障結構并對其進行破壞,從而使血腦屏障的通透性增加,導致有害成分趁此通過血腦屏障進入腦內,引起腦組織的進一步損傷[37]。研究發現,芳香開竅藥能夠作用于這些誘導釋放的物質,從而減緩釋放物質對血腦屏障的作用,降低血腦屏障通透性。

4.1 麝香

麝香有效成分麝香酮使血腦屏障通透性降低,發揮作用途徑主要有以下2種:(1)通過降低炎癥因子的含量、抑制基質金屬蛋白酶(matrix metallo proteinase,MMP)的表達從而穩定血腦屏障的正常結構,以達到對血腦屏障通透性的降低。病理狀態時,星形膠質細胞和血管內皮細胞迅速激活、增殖并分泌大量炎癥因子,入如白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白介素-6(interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等,可以對毛細血管產生直接毒性作用,導致內皮細胞間的緊密連接破損。生理條件下以無活性的酶原形式存在的MMP,在炎性介質作用下會轉化為以活性成分存在,可以降解毛細血管基底膜一些基質蛋白,引起血腦屏障結構和功能破壞,其中表現作用最明顯的是明膠酶B[38-40]。(2)在發揮抗自由基損傷作用時,可以減輕自由基引起的細胞損傷,削減自由基引起的血腦屏障通透性增加作用,從而降低血腦屏障的通透性。在腦缺血缺氧過程中會產生大量的自由基,例如O2-、NO2-、OH-等。過量的自由基會導致脂質、蛋白質及核酸過氧化,從而導致血管內皮細胞損傷,破壞血腦屏障的完整性引起腦損傷[40]。氧自由基可通過作用于不飽和脂肪酸來誘導脂質過氧化,形成脂質過氧化物如丙二醛(malondialdehyde,MDA),同時降低超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性,因此,組織中MDA水平和SOD活性可以反映自由基對細胞的損害程度[41]。

徐秋英等[42]研究在缺血再灌注損傷的大鼠模型中給予人工麝香溶液治療24小時后,檢測腦組織中MMP-9的表達,與模型組相比人工麝香藥物組的MMP-9的表達均較低,顯示麝香可抑制缺血再灌注大鼠腦組織中MMP-9的表達,從而降低腦組織血腦屏障基底膜細胞外基質的降解和血腦屏障的通透性。其在另一個實驗中發現了冰片、麝香能顯著下調IL-1β、IL-6的含量,減弱炎癥因子對血管外基膜及血腦屏障緊密連接的降解破壞作用,降低血腦屏障通透性[43]。當麝香酮發揮抵抗自由基損傷作用時,腦組織中MDA水平下降、SOD活性增加。孫蓉等[44]研究顯示在大鼠完全性腦缺血后再灌注期間,麝香的揮發油麝香酮可明顯增加腦組織中的SOD含量,降低MDA含量,保護血腦屏障,進而保護腦組織。冰片通過上調SOD活性、下調髓過氧化物酶活性,保護血腦屏障以防炎癥因子通過血腦屏障進入腦組織發生炎癥反應進而導致神經損傷的發生[45]。

4.2 冰片

冰片有效成分龍腦可通過調節誘導性一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)水平、對抗炎性反應等2方面來降低血腦屏障通透性。(1)在病理狀態下,內皮組織細胞表達iNOS并產生大量的NO,從而破壞血腦屏障以致增加其通透性。龍腦作用于內皮組織細胞,抑制iNOS的表達,減弱其合成NO的能力,降低NO水平,從而降低血腦屏障通透性。(2)通過降低炎癥因子的含量,減弱其對毛細血管產生的毒性作用,降低內皮細胞間的緊密連接破損程度;還可抑制MMP的表達,使毛細血管基底膜完整,避免引起血腦屏障結構和功能破壞。

病理狀態下,龍腦對腦微血管內皮細胞內iNOS表達明顯減弱,降低血腦屏障的通透性以保護腦組織[34]。Liu等[46]實驗研究發現冰片可降低缺血再灌注大鼠腦內iNOS的表達。文獻表明冰片可以使基質金屬蛋白酶MMP-2、MMP-9的表達下調,調節血腦屏障的通透性,得以起到腦保護的作用[47]。倪彩霞等[48]通過開竅藥物組大鼠血清中TNF-α含量與模型組相比較,得出冰片揮發成分龍腦組對降低血清中TNF-α的作用較模型組強,推測龍腦對抗血腦屏障通透性增大的機制與其抗炎癥反應有關。亦有實驗發現冰片能下調IL-1β、IL-6的含量,減弱炎癥因子對血管外基膜及緊密連接的降解破壞作用,表現出保護血腦屏障結構、降低血腦屏障通透性的作用[43]。

4.3 石菖蒲

石菖蒲能夠發揮抗自由基損傷作用,減輕自由基引起的內皮細胞損傷,保護血腦屏障的完整性,從而降低血腦屏障的通透性。石菖蒲可以降低MDA含量、增加SOD活性,抵抗β-淀粉肽25-35誘導的海馬神經元自由基損傷,減輕因自由基損傷導致對血管內皮細胞的破壞,保護血腦屏障的完整性以降低其通透性[34]。目前研究在病理狀態下石菖蒲對血腦屏障通透性作用的文章較少,對其發揮作用的具體成分還難以確定,待進一步研究。

4.4 安息香、蘇合香

通過降低炎癥因子的含量,減輕其對內皮細胞間的緊密連接破損,從而對抗血腦屏障通透性的增大。倪彩霞等[48]測定開竅藥物組大鼠血清中TNF-α含量與模型組比較,顯示冰片、麝香對降低血清中TNF-α的作用最強,蘇合香、安息香的作用較弱,因此蘇合香及安息香也可以對抗炎性反應,降低血腦屏障通透性。目前該兩味藥的研究也較少,因此還不能夠研究出安息香及蘇合香對抗炎性反應時發揮作用的具體成分。

5 總結與展望

綜上,芳香開竅藥不僅自身可透過血腦屏障,并且對血腦屏障通透性具有雙向調控作用。芳香開竅藥提高神經遞質5-HT含量,提高遞質與受體結合率,也可以抑制claudin表達,最終促進微血管內皮細胞緊密連接增寬打開,還可抑制P-gp外排功能,減弱將進入腦組織藥物泵出,通過以上幾個主要方面表顯出提高血腦屏障通透性增加的作用。在腦組織受傷損傷,例如缺血缺氧等病理狀態下,病理產物導致血腦屏障的結構破壞,使通透性較生理狀態增高,此時給予芳香開竅中藥,可通調節iNOS水平、抗炎減少炎癥因子含量、抗自由基損傷來維護血腦屏障結構,阻止血腦屏障通透性的病理性增高。

近些年實驗研究芳香開竅中藥對血腦屏障作用的文章較少,對每味藥影響血腦屏障通透性系統、深入的研究較少,缺乏研究開竅藥物對血腦屏障通透性的機制和作用靶點。由于目前對麝香、冰片、石菖蒲研究較多,而對蘇合香、安息香的研究資料較少,因此本文還不能夠更加全面、充分地認識芳香開竅類藥物對血腦屏障的作用機制。結合目前研究現狀及臨床困難,研究藥物對血腦屏障的通透性的作用具有很大價值,從祖國醫學角度出發,在中藥中尋找改善藥物透過血腦屏障的方法,對今后治療腦部疾病有非常重要的意義。