川芎活性成分改善神經退行性疾病藥理研究進展

鄒秘 徐世軍 代淵

神經退行性疾病(neurodegenerative disease,ND)是一類因神經退行性改變導致神經細胞壞死或功能喪失,進而導致的神經功能障礙的疾病,主要包括阿爾茲海默癥(alzheimer's disease,AD)、帕金森癥、亨廷頓舞蹈癥等。目前認為神經退行性疾病主要涉及氧化應激、線粒體功能障礙、神經興奮性毒性和神經炎癥等[1]。隨著人口老齡化的加劇,神經退行性疾病的發病率逐年增加,且有年輕化的趨勢,尋找有效干預藥物是當前亟需解決的問題。天然產物因其具有多種生物活性、毒副作用小等優勢日益收到重視和關注。

本綜述將神經退行性疾病的重點落于AD相關,而王永炎院士認為“氣虛—血瘀—痰瘀—釀毒—病絡”是AD早期的核心病機,其中氣血虧虛是本病早期發生的前提條件,痰濁瘀血是引起本病的病理因素,毒損腦絡和毒損病絡是早期AD發生的病機核心[2]。而川芎為傘形科植物川芎Ligusticum chuanxiong Hort的干燥根莖,性溫而潤,為“血中氣藥”,能“補血”(《藥類法象》)、“通行經絡”(《本草綱目拾遺》),“上行頭目”(《本草蒙筌》),可“引人身清陽之氣上至于腦”(《醫學中衷參西錄》),“上行頭角,助清陽之氣”(《珍珠本》),由此成為近年來神經退行性疾病領域研究關注的重點藥物。川芎活性成分包括苯酞及其二聚體、生物堿、有機酸、多糖以及腦苷脂和神經酰胺等,藁本內酯、川芎嗪、阿魏酸、咖啡酸以及綠原酸等為近年研究的重點[3]。它們多具有抗炎、抗氧化和細胞保護等作用[4],本文擬就川芎主要活性成分的神經藥理作用進行總結,以期為其干預神經退行性疾病研究提供參考。

1 抗神經炎癥

神經炎癥是神經退行性疾病的主要病理生理特征之一,也是近年干預的研究熱點[5]。當炎癥反應機制中的小神經膠質細胞被多種病理刺激過度激活時,會產生大量炎癥因子,引發腦內產生炎癥反應或直接作用于神經細胞損傷神經元,促使腦內發生自身免疫反應,加重對神經元的損傷[6]。

小膠質細胞在淀粉樣蛋白β肽(25-35)和干擾素-γ刺激下產生更多的促炎和神經毒性因子,促進核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號通路的活化,而川芎嗪可抑制一氧化氮(nitric oxide,NO)和促炎因子腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factorα,TNF-α)、白細胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β)的釋放,以及有效降低NF-κB活化[7]。川芎嗪在脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)誘導的腦部炎癥中,下調了IL-1β和TNF-α的表達,并上調了微管相關蛋白1A/1B-輕鏈3(MAP1LC3,LC3)的表達,通過調節PI3K/AKT/mTOR信號通路來激活自噬,從而改善神經元的炎癥反應[8]。阿魏酸在體內和體外均抑制小膠質細胞的活化,并抑制促炎因子TNF-α和IL-1β的表達[9]。用LPS處理小膠質細胞,而后用阿魏酸處理該小膠質細胞,可顯著抑制其色氨酸分解代謝酶吲哚胺2,3-二加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO)mRNA表達,并且抑制NF-κB的核易位和p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)的磷酸化[10]。綠原酸在LPS刺激的小膠質細胞中,可顯著抑制NO生成和TNF-α釋放,減少LPS刺激的磷酸化和NF-κB的抑制蛋白α的降解,并防止NF-κB的移位[11]。香草醛在LPS刺激的BV-2小膠質細胞中,顯著降低了NO、IL-1β、TNF-α和白細胞介素6(interleukin-6,IL-6),還降低了誘導型一氧化氮合酶和環氧合酶2(cyclooxygenase-2,COX-2)的蛋白質水平,抑制有絲分裂原激活的蛋白激酶和NF-κB的磷酸化[12]。

2 抗氧化應激

氧化應激與神經退行性疾病之間存在著密切的聯系[13]。神經退行性疾病發生及發展過程中,機體氧化和抗氧化系統失衡,抗氧化酶活性不斷下降,體內產生的過量氧自由基無法得到及時清除,導致中性粒細胞炎性浸潤,蛋白酶分泌增加,產生大量氧化中間產物[14-15]。

阿魏酸可以減輕PC12細胞因缺氧而引起的氧化應激,它阻止了缺氧后MAPK,胱天蛋白酶3(caspase-3,CASP3)和COX-2的磷酸化和激活,減少了活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成并降低了乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)的釋放水平[16]。在用帕金森氏病誘導的神經毒素MPP+/1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP)處理細胞和小鼠后,阿魏酸通過ERK1/2介導的轉錄因子NF-E2相關因子2(Nrf2)途徑的激活發揮抗氧化作用,抑制ROS生成[17]。川芎嗪通過增強Nrf2/GCLc/GSH和抑制HIF1α/NOX2/ROS途徑,改善氧化應激[18]。在MPTP誘導的帕金森癥模型中,川芎嗪可以阻止MPTP升高的脂質過氧化水平和MPTP降低的谷胱甘肽水平,阻止Nrf2和谷氨酸—半胱氨酸連接酶催化亞基的下調,維持氧化還原平衡[19]。芳樟醇在谷氨酸誘導的氧化應激體外模型中,能夠降低脂質過氧化作用[20]。咖啡酸和綠原酸可抑制與阿爾茨海默氏病以及某些促氧化劑引起的大鼠腦脂質過氧化有關的關鍵酶,可能通過抑制乙酰膽堿酯酶和膽堿脂酶活性,從而減慢大腦中乙酰膽堿和丁酰膽堿的分解以防止氧化性神經變性[21]。用藁本內酯預處理細胞,降低ROS水平、半胱天冬酶3和細胞色素C,改善了細胞總抗氧化能力[22]。

3 改善線粒體功能障礙

為適應細胞環境的變化并維持線粒體功能,線粒體不斷經歷著分裂和融合的過程,統稱為“線粒體動力學”[23]。線粒體通過分裂和融合的相互平衡來維持其正常形態,是其發揮生理功能的基礎[24]。研究表明,人神經系統退行性疾病等都伴有不同程度的線粒體功能障礙[25],且線粒體動力學異常與線粒體功能障礙相互影響、相互促進,損傷神經元,進而促進神經退行性疾病的發生和發展。

在谷氨酸誘導的永生神經元HT-22細胞線粒體氧化應激模型中,給予100μM芳樟醇,使線粒體形態得到了改善,并且通過降低線粒體ROS和線粒體鈣水平,保持線粒體膜電位[26]。川芎嗪能調節線粒體功能障礙途徑[18]。在鏈脲佐菌素誘發的阿爾茨海默氏型偶發性癡呆模型中,阿魏酸通過減輕線粒體膜電位的損失從而減輕發動蛋白相關GTP酶(dynamin related protein 1,Drp1)依賴的線粒體裂變和凋亡的惡化,通過限制線粒體通透性轉換孔的開放來下調細胞色素C釋放到胞質溶膠中,同時增加半胱天冬酶3激活,凋亡基因表達和DNA斷裂以及下調膠質細胞纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)的表達,恢復了線粒體融合所必需的線粒體融合蛋白絲裂融蛋白2的蛋白質表達[27]。Ehraz Anis等[28]利用 6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA)損傷的帕金森癥大鼠模型,證明了口服阿魏酸補充劑降低了線粒體Drp1的表達并增加了過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α的基因和蛋白質表達,從而調節了患病動物的下游靶標線粒體融合蛋白2(mitofusin 2,Mfn2)的表達并恢復了線粒體的動力學。藁本內酯減少了APP/PS1小鼠海馬CA1區的線粒體數目并增加了線粒體長度,在LIG治療的APP/PS1小鼠中,Drp1水平降低,絲裂融蛋白1,絲裂融蛋白2和視神經萎縮癥蛋白1水平升高,海馬和皮層分離的線粒體中ATP水平的升高以及細胞色素c氧化酶和琥珀酸脫氫酶的活性增加,表明LIG減輕了線粒體功能障礙[29]。在MPTP誘導的帕金森癥小鼠模型中,綠原酸處理后顯著改善了線粒體谷胱甘肽的水平,從而改善了線粒體復合物I、IV和V的活性[30]。

4 抗神經毒性

β淀粉樣蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)沉積造成老年斑是AD神經變性的關鍵特征,研究表明,阿魏酸、芳樟醇和藁本內酯對Aβ1-42低聚物誘導的神經毒性具有保護作用[31-33]。藁本內酯是通過調節TNF-α激活的NF-κB信號轉導通路實現的抗神經毒性作用[33]。川芎嗪可以預防氯化鈷誘導的PC12細胞和大鼠神經毒性,增強細胞活力和改善學習記憶能力[18]。綠原酸可通過調節Ca2+進入神經元來保護神經元免受谷氨酸的神經毒性[34]。此外,綠原酸可通過螯合和抗氧化作用防止原代海馬神經元細胞受到鋁誘導的細胞毒性[35]。咖啡酸是5-S-半胱氨酰—多巴胺誘導的神經毒性的有效抑制劑[36]。沒食子酸預處理可抑制6-OHDA誘導的神經母細胞瘤細胞的細胞毒性,上調了腦源性神經營養因子和磷酸化的環磷酸反應元件結合蛋白[37]。

5 調控自噬作用

自噬是許多病理過程的底層機制,自噬障礙導致大腦中病理產物清除異常可以導致神經細胞損傷[38]。研究發現藁本內酯可以通過調節內質網應激和自噬而減輕Aβ25-35誘導的SH-SY5Y細胞的神經毒性[39]。綠原酸可通過mTOR/TFEB信號通路減輕Aβ25-35誘導的自噬和認知損傷[40]。

6 神經元保護作用

神經細胞的凋亡和壞死是神經退行性疾病“腦失連接”的基礎,保護神經細胞在改善ND中具有重要價值[41]。綠原酸通過防止NF-κB的移位,提高了多巴胺(Dopamine,DA)神經元的存活率[11]。川芎嗪維持氧化還原平衡并抑制細胞凋亡,從而減輕多巴胺能神經元的損傷[19]。沒食子酸可顯著增加其神經突的長出,顯著上調了神經突和少突膠質細胞體中的髓磷脂蛋白水平[42]。芥子酸可顯著增加海馬中抗氧化酶的水平并降低丙二醛水平,可減少阿爾茨海默病大鼠大腦皮層和海馬的細胞損失[43]。此外,川芎中川芎內酯I、洋川芎內酯H、洋川芎內酯A、阿魏酸和藁本內酯對氧糖剝奪/復氧復糖SHSY5Y細胞損傷具有保護作用,其作用與降低LDH活性和抑制ROS有關[44]。

7 思考與展望

綜上,川芎的多種活性成分具有不同角度的改善神經退行性疾病的藥理作用,其多成分、多靶點、多環節的作用特點切合神經退行性疾病的復雜發病機制(見圖1),可以從多角度整合調控進而改善神經退行性疾病。

圖1 川芎化學成分抗神經退行性疾病的主要作用

中醫微觀學現在逐漸進入人們的視線,病理機制所提的炎癥,應激,自噬等都可算作人體環境出現不平衡從而導致的微觀表現不衡,類比于人體陰陽。例如在炎癥中,M1型小膠質細胞可以分泌促炎因子,進一步誘導神經元的損傷,加重AD的發展,類比于陽[45]。同理,M2型激活狀態的小膠質細胞對神經元具有保護作用,釋放抗炎因子,減輕炎癥反應,抑制Aβ的聚集,類比于陰。M1型小膠質細胞和M2型小膠質細胞在一定條件下可以相互轉化[46],如同陰陽轉化一般。

陰陽失衡是一種復雜的變化,如果通過川芎多種活性成分共同作用,發展出能夠多靶點調節人體陰陽的新藥,這對于未來是不可預估的寶藏。但目前川芎中不同活性成分的協同作用研究尚屬空白,這是未來應加強的研究重點方向之一。因此,深入研究川芎活性成分及其協同效應必將為神經退行性疾病的防治提供一個潛在的治療策略和思路。