趙穎 徐薇薇 王瑩 張宓 劉金民
癲癇是中樞神經系統常見疾病,全球患病人數超過7000萬人,我國約有1000萬以上癲癇患者[1]。中藥作用具有多成分、多效應、多環節、多靶點和毒副作用小的特點,目前已成為抗癲癇藥物研究的熱點領域。石菖蒲為天南星科多年生草本植物石菖蒲Acorustatarinowiischott的干燥根莖,味辛、苦,性溫,具有開竅豁痰、醒神益志的功效,廣泛應用于癲癇、健忘、失眠、抑郁、中風、精神障礙、耳鳴耳聾等病癥[2-3],是中藥復方治療癲癇疾病中使用頻次最多的藥物之一,《本草綱目》有“治中惡卒死,客忤癲癇”的記載。現代藥理研究發現石菖蒲具有多種藥理學活性,包括抗驚厥、鎮靜、抗抑郁、抗癡呆等[4]。本文對石菖蒲抗癲癇藥效物質及其機制的研究進展進行歸納總結,為石菖蒲的進一步研究和抗癇新藥研發提供參考。
石菖蒲已被分離鑒定的單體化合物超過百余種,由于地域、生長習性或采集時間不同,其被鑒定的化學成分常呈現多樣性。石菖蒲所含的化學成分主要包括揮發油類、黃酮類、醌類、生物堿類、三萜皂苷類、苯丙素類、有機酸類、氨基酸類及糖類等多種化合物。國外研究從石菖蒲提取物中鑒定出46種化合物,包括黃酮苷、酰胺、木脂素、苯丙素、苯丙烷衍生物及其他化合物,與參考標準比對后明確了14種成分,主要化學成分為倍半萜、苯丙烷、木脂素、生物堿和氨基酸類等,以α-細辛醚、β-細辛醚為主要活性成分[5-6]。還有研究通過分離和光譜鑒定,發現了異水菖蒲二醇、2-羥基菖蒲螺烯酮、2-乙酸菖蒲螺烯酮、4,10-香木蘭烷二醇、菖蒲烯倍半萜品醇、菖蒲堿甲、4-(2-甲酰-5-甲氧基甲基吡咯基)丁酸甲酯,并發現兩種具有顯著抗氧化能力的新型生物堿[7]。
國內研究者對石菖蒲化學成分進行了研究,采用色譜技術從石菖蒲根莖的乙酸乙酯萃取物中分離出15個化合物,如α-細辛醚、β-細辛醚、水菖蒲酮、菖蒲螺烯酮、順式-甲基異丁香酚、甲基丁香酚、細辛醛、細辛酮、γ-細辛醚、5-羥甲基糠醛、桉脂素等[8],與前者不盡相同。還有研究通過對石菖蒲的根莖乙醇提取物進行分離純化,并分離出新的化合物[9]。方永奇等[10]采用氣相色譜-質譜法對石菖蒲揮發油灌胃給藥后進入大鼠腦組織中的揮發油成分進行分析,結果顯示能透過血腦屏障的成分有β-細辛醚、α-細辛醚、甲基丁香酚、順式甲基異丁香酚、欖香素,主要為揮發油類物質,其中以α-細辛醚(0.035%~0.258%)和β-細辛醚(0.705%~1.53%)含量最多,揭示了石菖蒲對中樞神經系統作用的物質基礎。
近年來石菖蒲化學成分研究已深入到許多方面,但仍然存在著較大的缺憾。由于石菖蒲的主要成分為揮發油類成分,但是中藥水煎用藥方式及水溶性部位的藥理實驗表明非揮發性成分尤其是水提物成分值得進一步研究與開發。并且對于石菖蒲活性成分檢測,利用現代儀器檢測單一成分仍然缺乏統一的標準,這些問題可能是目前石菖蒲化學成分研究的主要癥結所在。
為研究藥物的抗癇作用效果,并深入了解癲癇分子機制,目前已建立多種癲癇動物模型,化學藥物點燃模型如戊四氮(pentylenetetrazol, PTZ)、海人酸(kainic acid, KA)、匹羅卡品等;物理方法如電刺激;基因敲除動物模型等,用于抗癲癇藥物療效評價及機制研究[11]。
α-細辛醚是目前石菖蒲藥效物質抗癇作用的研究熱點。國外研究采用PTZ及KA癲癇小鼠模型研究α-細辛醚抗癲癇作用,發現在兩種發作模型中α-細辛醚均可以延長陣攣性和強直性發作的潛伏期,并可以降低癲癇易感性及死亡率,在中樞神經系統中產生抗癲癇作用[12]。還有研究采用毛果蕓香堿誘導顳葉癲癇大鼠模型,發現α-細辛醚灌胃給藥可以延長大鼠發作潛伏期,降低發作頻率,減輕癲癇發作級別,縮短逃避潛伏期,并且在發揮抗癲癇作用的同時可以改善癲癇大鼠的學習記憶能力[13]。有研究分別觀察α-細辛醚急、慢性治療的抗癲癇效果,發現單次急性給藥對PTZ誘導的癲癇模型具有微弱的抗驚厥活性。不同劑量α-細辛醚長期給藥可以顯著拮抗PTZ及鋰-匹羅卡品誘導的癲癇發作,并可以顯著降低癲癇發生率、癲癇潛伏期、發作嚴重程度以及死亡率[14]。
α-細辛醇為石菖蒲中固有天然產物,也是α-細辛醚在體內的核心代謝物之一。國內研究通過腹腔注射PTZ建立癲癇大鼠模型,發現α-細辛醇(50 mg/kg)灌胃給藥后能夠顯著降低癲癇發作等級,延長癲癇發作潛伏期,抑制大腦異常放電,保護神經元受損,并且發現α-細辛醇抗癲癇效用與臨床西藥苯妥英鈉相當,優于傳統中成藥α-細辛醚[15]。還有研究采用PTZ誘導斑馬魚模型,發現α-細辛醇具有顯著的抗癲癇活性,可顯著延長斑馬魚癲癇發作的潛伏期,縮短癲癇模型斑馬魚游動距離,降低腦電棘波頻率與振幅并且具有較小毒性[16]。
β-細辛醚是石菖蒲藥理作用的主要物質基礎,其抗癲癇活性強且毒副作用低,具有成為一種新型抗癲癇藥物的潛力。國內研究采用苦味毒、硫代氨基脲癲癇模型小鼠,發現β-細辛醚具有抗驚厥作用,可以顯著降低發作率,延長發作潛伏期,降低發作級別[17]。石菖蒲其他化學成分桉脂素、甲基丁香酚也被發現具有抗癲癇作用。國外研究發現腹腔注射桉脂素可以明顯提高PTZ模型小鼠抗驚厥率,降低發作頻率及癲癇誘導死亡率,具有顯著的抗驚厥作用[18]。國內研究分別采用PTZ和匹羅卡品模型,發現石菖蒲成分甲基丁香酚對癲癇發作具有抑制作用,場電位同步檢測儀發現甲基丁香酚能夠延長癇樣放電密集群峰的潛伏期。在無鎂人工腦脊液環境下甲基丁香酚灌流后可降低大鼠海馬神經元癇樣放電頻率。因此,推斷甲基丁香酚可以通過作用于中樞神經系統而起到抗癲癇作用[19]。
綜上所述,近年來關于石菖蒲藥效物質的抗癇療效研究主要集中于α-細辛醚,α-細辛醇、β-細辛醚、桉脂素、甲基丁香酚,為來源于石菖蒲的抗癇新藥研發提供了理論基礎。然而該結果仍需要高質量實驗研究進行驗證。此外,對其他含量偏低成分的藥效研究甚少,如何更好利用現代藥用輔料,對藥效物質進行現代制備,以更好發揮抗癇藥效值得藥學工作者進一步地思考。
石菖蒲及其藥效物質可能通過調控多種信號通路發揮其抗癲癇的作用,如調節神經遞質及受體、調節離子通道、保護神經元、調控凋亡因子、調控炎癥因子、抑制一氧化氮釋放、抗氧化應激、抑制耐藥基因表達等。更重要的是,石菖蒲改善癲癇過程中涉及的信號通路是聯合而非獨立發揮作用。
癲癇發作是神經傳遞中興奮性和抑制性因子之間病理性失衡的超興奮和超同步表現,這種平衡主要是在谷氨酸(glutamate, Glu)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, γ-GABA)之間達成的[20]。GABA 通過與其突觸靶點GABAA受體結合產生快速抑制性神經傳遞, 該類受體功能障礙會導致癲癇發作[21]。興奮性氨基酸,特別是Glu的過度合成、釋放以及 N-甲基-D天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR)興奮性活性增高均與癲癇的發生、發展、維持密切相關[22]。
國外研究通過全細胞膜片鉗記錄發現在小鼠嗅球腦片制備過程中,α-細辛醚可以抑制神經元僧帽細胞自發放電,使膜電位超極化,且其抑制作用在離子型Glu受體阻滯劑存在時持續存在,但在添加GABA受體阻滯劑后被消除,這表明GABA受體介導了α-細辛醚的對神經元放電的抑制作用[23]。還有研究發現在PTZ和KA癲癇模型中,α-細辛醚可以明顯改善癲癇發作,其作用可能依賴于γ-GABAA受體的激活[24]。國內研究顯示β-細辛醚能顯著下調青霉素點燃大鼠模型腦內NMDAR1和GABA轉運體GAT-1的表達,上調 GABAA受體mRNA表達,通過改變興奮性與抑制性神經遞質的失衡狀態發揮抗癇作用[25]。還有研究顯示β-細辛醚可以通過調節興奮性遞質Glu發揮神經保護作用[26]。
興奮性與抑制性氨基酸類神經遞質相似的變化趨勢在多種癲癇模型中均可以觀察,遞質與受體相互作用及由此觸發的一系列反應及其分子機理均受到關注。此外,GAT因可攝取 GABA 進入抵制性神經末稍,從而使細胞外抵制性遞質濃度下降,成為癲癇研究及抗癇藥物開發的新熱點。以上研究表明,適當劑量的α-細辛醚、β-細辛醚均可能通過作用于NMDAR1、GABAAR、GAT-1的表達,調節興奮與抑制性神經遞質的相對水平向著平衡的方向轉變,發揮抗癲癇作用。但其如何影響以上作用位點,以及病程中可能的動態變化等確切機制及作用途徑有待進一步研究。
離子通道是調節神經元興奮性的基礎, 研究發現有多種離子通道基因與癲癇發生有關, 主要包括鈉離子通道、鉀離子通道和鈣離子通道等,編碼這些通道的基因突變可影響離子通道正常生理功能,從而導致遺傳性疾病[27-28]。目前,抗癲癇藥物大約有二十幾種, 大多數藥物是靶向離子通道靶點而發揮抗癲癇作用。
國外研究采用全細胞膜片鉗記錄,發現α-細辛醚可以抑制小鼠嗅球腦片制備過程中輸出神經元細胞的自發放電,并以濃度和膜電位依賴的方式抑制大鼠腦鈉離子通道亞型Nav1.2,可能是α-細辛醚抗癲癇作用機制[23]。國內研究采用細胞流式術和鈣離子熒光探針Fluo3/am,發現檢α-細辛醚可以降低Aβ1-42誘導的PC12細胞的凋亡率,降低細胞內鈣離子濃度,其機制可能與抑制鈣離子通道有關[29]。
電壓門控鈉離子通道是許多抗癲癇藥物的靶點,在過去幾十年中,有12個靶向電壓門控鈉通道的抗癲癇藥物上市,包括苯妥英鈉、卡馬西平、拉莫三嗪、奧卡西平以及新藥氯桂丁胺等。近年來,尋找能夠區分不同電壓門控鈉離子通道亞型的選擇性調節劑已經成為靶向鈉通道的藥物研發的新方向。綜上所述,α-細辛醚對離子通道表現出良好的抑制作用,提示它可能作為離子通道異常引起的遺傳性癲癇的備選藥物。
癲癇的發作與大腦神經元的異常活動相關,長期反復發作可能會導致神經細胞損傷,神經元細胞減少,并且受傷的局部組織和神經元丟失常伴有星形膠質細胞激活進而引起患者學習及記憶能力下降,引起認知障礙[30-31]。近年來多數研究顯示,藥物的神經保護及修復作用能夠顯著改善機體的學習及記憶能力,同時能夠明顯緩解和改善癲癇的預后。
國外研究發現石菖蒲揮發油及其主要成分α-細辛醚和β-細辛醚以濃度依賴的方式刺激神經生長因子(nerve growth factor, NGF)誘導的PC12細胞,促進PC12細胞的神經突起生長和神經絲的表達,協同NGF的營養活性增強PC12細胞轉錄活性,其作用主要是通過cAMP-PKA信號通路介導的[6]。進一步研究發現,石菖蒲揮發油及其主要成分α-細辛醚、β-細辛醚通過減少叔丁基過氧化氫誘導的星形膠質細胞內活性氧(reactive oxygen species, ROS)的積累,減少細胞損傷,起到保護神經細胞作用[32]。此外,還有國內研究發現β-細辛醚對Aβ1-42誘導星形膠質細胞活化所致PC12細胞損傷的具有保護作用,能促進腦源性營養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的釋放[26]。
綜上所述,石菖蒲藥效物質α-細辛醚、β-細辛醚在癲癇模型中可以發揮保護神經元作用,但是目前相關研究較少。α-細辛醚、β-細辛醚是否能夠通過保護神經細胞,緩解癲癇發作、改善癲癇導致學習及記憶能力下降,對于癲癇腦病的藥物研發具有重要意義,然而其具體作用機制仍需要大量研究證實。
癲癇發作所致的早期腦損傷可能為細胞壞死,而癲癇晚期腦損傷常伴有程序性細胞凋亡,尤其在發作后一周達到高峰。細胞凋亡是一種由多種基因參與調控的細胞程序化死亡的復雜過程,過度的凋亡會引起神經元退行性疾病。凋亡可引起致B淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)家族的表達以及半胱氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase)家族的激活,Bcl-2家族作為細胞凋亡的關鍵調節因子,發揮著細胞凋亡開關的作用,而Caspase-3作為 Caspase家族的核心酶,是凋亡的執行者。
國外研究顯示,石菖蒲活性成分桉脂素可以通過介導磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路,上調慢性癲癇大鼠腦中Bcl-2表達,下調caspase-3蛋白,蛋白激酶B激活后能使底物中的蘇氨酸、絲氨酸殘基磷酸化而發揮廣泛的促生存、抗凋亡的作用[18]。國內研究發現石菖蒲與α-細辛醚能明顯改善小鼠學習記憶能力,并且能夠促使Bcl-2表達快速上升,使癲癇誘導神經元凋亡得到有效控制[33]。近年來,分子水平的研究發現原癌基因(c-fos)基于通過調節轉錄使與癲癇發生有關的目標基因發生改變,進而造成癲癇病灶的形成。有研究顯示α-細辛醚可減少PTZ誘導的斑馬魚癲癇模型的癇樣行為,降低c-fos的表達[34]。
綜上所述,石菖蒲及其藥效物質α-細辛醚、桉脂素可以通過調控凋亡因子改善癲癇誘導神經元損傷,提示其抗癇作用機制可能與減少神經元凋亡、保護神經元細胞有關。神經細胞凋亡在癲癇中發揮重要作用,抑制該過程可為治療癲癇尋找新的治療靶點[35]。
癲癇發作后,炎癥反應與活化的神經膠質細胞、神經元釋放炎癥介質,并激活相關的細胞內信號通路如白介素1β(interleukin-1β, IL-1β)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、轉化生長因子β(transforming growth factor-β, TNF-β)、環氧化酶2(cyclooxygenase-2, COX-2)等[36]。炎癥介質也能直接激活表達在致癇組織神經元上的同源受體,后者誘導Glu和GABA 受體及其他離子通道等的轉錄活性改變,使神經元興奮性增加,從而促進或導致癲癇發生, 彼此相互促進形成惡性循環[37-39]。
國內研究采用毛果蕓香堿癲癇大鼠模型,發現α-細辛醚可以抑制小膠質細胞活化,抑制胞內核因子-κB活化入核,并對誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)和COX-2表達均有劑量依賴性抑制作用[40]。還有研究發現α-細辛醚發揮抗癲癇作用的同時可以抑制大鼠腦內小膠質細胞活化和炎癥因子TNF-α、IL-1β表達,并且可以抑制腦內核因子-κB信號通路的激活。并且通過原代培養大鼠小膠質細胞,發現α-細辛醚可抑制脂多糖誘導的大鼠小膠質細胞免疫炎癥反應防止腦細胞的過度損傷,從而有效防止癲癇的發生和改善癲癇癥狀[41]。
目前已有的研究表明炎癥反應貫穿癲癇發生、發展的始終。綜上所述,石菖蒲藥效物質α-細辛醚抗癲癇作用機制可能與抑制TNF-α、IL-1β等炎性因子及核因子-KB等信號通路有關,為石菖蒲藥效物質治療癲癇提供了新的靶點和實驗依據。
一氧化氮(nitric oxide, NO)是腦組織普遍存在的神經信使,對神經遞質起調節作用,三種一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)亞型參與NO的生成,分別是內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)、iNOS和神經元型一氧化氮合酶(neuronsal nitric oxide synthase, nNOS),在癲癇的發病與誘發過程中具有重要的致病作用[42-43]。
國外研究采用PTZ癲癇大鼠模型,發現NO合成抑制劑N-硝基-L-精氨酸甲酯與nNOS抑制劑7-硝基吲唑均能扭轉α-細辛醚的抗癇作用,因此推測nNOS/NO信號通路可能介導α-細辛醚的抗癇作用,并且通過進一步研究發現iNOS與α-細辛醚對PTZ誘導的癲癇樣活性的抑制作用無關[44]。國內研究發現石菖蒲揮發油和水溶性成分均能降低腦組織中NO的含量,減少NO的神經毒性,從而起到保護腦細胞的作用[45]。
NO在癲癇發生發展的病理過程中起著非常重要而又復雜的調節作用,已成為研究熱點。雖然目前關于NO在癲癇中作用已經有部分細胞及動物實驗研究,但卻顯示出不一致的結果,既有報道抗癲癇作用,也有報道促癲癇作用的。現有的抗癲癇藥物與NO的相關性也受到了關注,有研究發現抗癲癇藥物參與調節癲癇患者NO水平,并且有研究提出丙戊酸鈉的抗癲癇效果是通過促進NO釋放而實現[46]。綜上所述,nNOS/NO通路可能參與α-細辛醚抗癇作用機制,然而相比檢測NO水平的變化,具體研究哪一種NOS亞型引起的變化可能更有意義,因此仍需作進一步詳盡的研究。
相比其他組織,腦組織是代謝最旺盛、耗氧量最高的組織,對氧具有高度的依賴性,極易受自由基氧化損傷。癲癇狀態下腦組織中氧化與抗氧化系統失衡、氧化應激標志物的改變提示自由基在癲癇發生中的作用,體現了大腦氧化損傷的程度。癲癇所致的腦組織損傷中幾乎都有過氧化脂質(lipid peroxide, LPO)、丙二醛(malondialdehyde, MDA)水平的增高,超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)的降低。
國內研究顯示α-細辛醚具有強大的抗氧化應激能力,可以提高提高SOD活力,抑制自由基生成,防止癲癇導致的腦細胞過度損傷,減少局部缺氧,從而減少細胞損傷后引起的神經元異常放電,改善癲癇發作[47]。還有研究發現石菖蒲揮發油和水溶性成分對士的寧、青霉素、PTZ所致的癲癇模型均有良好的治療作用,能使 SOD活性明顯升高,腦內 LPO、MDA 水平明顯降低,提示石菖蒲揮發油可通過阻止過氧化物形成,發揮對腦組織的保護作用[45,48]。
癲癇發病機制復雜,氧化應激導致的一系列反應是誘發癲癇乃至使病情進展的重要因素之一,因此如何抑制癲癇發病后的氧化應激反應是治療本病的關鍵。石菖蒲揮發油、水溶性成分、α-細辛醚均具有一定的清除自由基、抗氧化的作用,它們或通過提高 SOD 的活性,或通過降低MDA、LPO的含量,來對癲癇的氧化應激機制產生影響,從而對癲癇起到一定的治療作用。因此探討石菖蒲藥效物質對氧化應激的影響可能將成為研究癲癇治療的方向之一。
癲癇反復發作或長時間服用抗癇藥物能夠引起癲癇患者血腦屏障中多藥耐藥基因1(multidrug resistance gene 1, Mdr1)mRNA與其編碼的P糖蛋白(P-glycoprotein, P-gp)高表達,高表達的P-gp可以將抗癇藥物逆濃度梯度外排出腦組織,降低腦組織中藥物濃度,從而引起癲癇耐藥[49]。耐藥性癲癇的主要特征是對多種抗癲癇藥物產生了不同程度的耐藥性,從而降低了抗癇藥物療效。因此,逆轉耐藥、增加腦內抗癇藥物濃度是改善耐藥性癲癇療效的重要突破口。
國外研究通過體外實驗發現α-細辛醚和β-細辛醚可以通過抑制P-gp的藥物泵和表達的雙重功能,在逆轉P-gp介導的多藥耐藥方面顯示出潛在的作用,可以有效逆轉多藥耐藥[50]。國內研究采用側腦室注射海人酸法建立癲癇大鼠模型,發現高劑量的α-細辛醚可以下調癲癇大鼠海馬與皮層中P-gp與Mdr1α mRNA的表達,扭轉P-gp介導的癲癇耐藥性,促進卡馬西平入腦[51]。
生理狀態下,血腦屏障可以維持腦內環境的穩態,但病理情況下也會成為腦部治療藥物入腦發揮療效的重大障礙。石菖蒲作為芳香開竅藥,其可逆性的開啟血腦屏障,協助其他藥物入腦的作用已得到越來越多的重視。上述研究表明,石菖蒲藥效物質α-細辛醚,β-細辛醚對多藥耐藥蛋白的下調作用,有利于抗癇藥物在腦組織尤其是海馬內的藥效發揮。將為α-細辛醚、β-細辛醚與其他P-gp底物結合使用奠定研究基礎,也為耐藥性癲癇的治療開辟新的途徑。
近年來,石菖蒲因具有豐富的藥理學作用日益得到研究者重視。臨床試驗及動物實驗研究發現石菖蒲單藥及含有石菖蒲復方治療癲癇效果顯著。由于中藥所含化學成分復雜多樣,藥效物質基礎和作用機理不明確,致使中藥的安全性和有效性長期以來備受質疑,極大地制約了我國傳統中藥在癲癇治療方面的發展。因此明確石菖蒲抗癲癇藥效物質及其作用機制、靶點尤為重要。綜上所述,石菖蒲藥效物質可以通過調控多種機制達到改善癲癇發作的效果,主要包括:調節神經遞質及受體、調節離子通道、保護神經元、調控凋亡因子、調控炎癥因子、抑制一氧化氮釋放、抗氧化應激、抑制耐藥基因表達等。隨著研究的不斷深入,單一作用機制的抗癲癇藥已被發現具有眾多的不足,因此,具有多種作用機制的抗癲癇藥將是未來癲癇病治療的新方向。
盡管石菖蒲及其活性成分的抗癇作用在動物及細胞層面已經得到證實,但是目前對于石菖蒲抗癲癇藥效物質的應用開發仍然相對薄弱,尤其是缺少臨床安全性和療效性評估,對臨床推廣應用有一定限制。目前對石菖蒲化學成分的研究主要集中在揮發油及其中含量較多的α-細辛醚和β-細辛醚的藥理作用上,對揮發油中含量偏低成分,特別是非揮發性成分的有關藥理作用研究甚少。如何更好利用現代藥用輔料,對藥效物質進行現代制備,更好發揮抗癇藥效值得藥學工作者進一步地思考。因此,加強對石菖蒲藥效物質作用的分子機制、安全性及與常用抗癲癇西藥相互作用的研究,對臨床治療癲癇的有效性和安全性具有重要意義。隨著醫學科技的發展和研究的不斷深入,相信石菖蒲及其藥效物質的抗癲癇主要機制及作用靶點將會越來越明確,為石菖蒲相關抗癇新藥研發提供參考。