Nrf2信號通路在認知功能障礙中的作用及相關藥物研究進展

黃家鵬，趙健，趙璇，趙福紅，宮銘海，周忠光

(1.黑龍江中醫藥大學基礎醫學院，哈爾濱 150040； 2.黑龍江中醫藥大學附屬二院哈南分院針灸一科，哈爾濱 150001；3.上海體育學院運動科學學院，上海 200438)

氧化應激反應在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)等神經退行性疾病中具有關鍵作用，主要原因在于過量的氧自由基易致大腦組織中的大量不飽和脂肪酸、磷脂等物質受到損傷，同時細胞脂質雙分子層結構和蛋白質在氧化損傷后發生改變，導致神經元正常生理功能受到抑制，進而導致認知功能下降[1-2]。核因子E2相關因子2(nuclear factor-E2-related factor 2，Nrf2)是調節細胞內抗氧化應激反應的重要轉錄因子，其介導的抗氧化信號通路與神經系統疾病、自身免疫性疾病等的病理生理過程密切相關[3]。此外，Nrf2調控的多種抗氧化酶還具有抗氧化損傷、減輕細胞毒性、調節細胞自噬等神經保護功能，已成為目前臨床關注的焦點[4]。研究顯示，當細胞處于氧化應激狀態時，Nrf2與Maf家族蛋白形成的異源二聚體可激活抗氧化反應元件基因的表達，提升細胞對抗氧化應激反應的能力，同時還可誘導抗氧化應激的內源性防御系統，從而維持細胞內氧分壓的動態平衡，保護細胞免受氧化應激反應的損傷[5-6]。因此，調控Nrf2信號通路可能成為防治認知功能障礙的一個重要靶點。現就Nrf2信號通路在認知功能障礙中的作用及相關藥物研究進展予以綜述。

1 認知功能障礙

腦損傷疾病是誘發認知功能障礙的主要因素，包括AD、PD、血管性癡呆(vascular dementia，VD)等，但認知功能障礙具體的發病機制尚未明確[7-8]。目前國內外公認的認知功能障礙的發病機制主要包括：①腦組織蛋白異常聚集，AD、PD等腦神經細胞退行性疾病患者均存在蛋白質合成后異常修飾、基因異常、腦細胞慢性感染等；②腦組織調節因子異常，多巴胺、谷氨酸、神經肽及神經營養因子等異常導致神經遞質及其受體的正常生理功能受到抑制，誘發細胞鈉鉀泵功能損傷，使大量鈉離子、鈣離子內流，從而引起腦組織細胞損傷，繼而誘發認知功能障礙；③腦細胞內微量離子超載，大量鈣離子沉積于線粒體后干擾機體正常氧化磷酸化進程，并過度激活蛋白水解酶，導致神經細胞不可逆性損傷，同時血管阻力、內皮細胞間隙增大，誘發VD、腦水腫等；④氧自由基損傷，過量氧自由基損傷易破壞細胞膜穩定性，使相關蛋白酶活性受到抑制，進而誘發基因突變，導致腦部疾病發生，從而增加認知功能障礙的發生風險[9-11]。

2 Nrf2信號通路

Nrf2包含6個高度保守的結構域，即Neh(Nrf2-ECH homology)1～Neh6，其中Neh1區C′端亮氨酸拉鏈結構可與細胞核內的小Maf蛋白結合，兩者形成的二聚體可識別并結合抗氧化反應元件，啟動機體抗氧化基因轉錄；Neh2區含有的保守ETGE序列可使Nrf2與Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)結合，從而使Nrf2穩定存在于細胞質內；Neh3區位于Nrf2 C端，與解旋酶DNA結合蛋白結合可促進抗氧化反應元件對相關基因轉錄的調控；Neh4、Neh5是參與啟動下游基因轉錄的結構域，Nrf2轉位至細胞核后以Nrf2-Maf形式與抗氧化反應元件結合，并與Neh4、Neh5協同激活轉錄過程；Neh6區富含絲氨酸，主要調控Nrf2在氧化應激狀態下的降解作用[12-13]。因此，Nrf2可通過誘導抗氧化反應元件依賴的醌氧化還原酶、超氧化物歧化酶等基因的表達發揮細胞內抗氧化作用。但也有研究認為，Nrf2可調節多種抗氧化酶中心蛋白的表達，是調控細胞對抗氧化損傷的關鍵轉錄因子，Nrf2信號通路激活障礙是導致細胞對應激源敏感性增強的主要原因[14]。因此，控制Nrf2信號通路對抗機體氧化應激反應是臨床緩解認知功能障礙藥物研發的主要方向。

3 Nrf2信號通路在認知功能障礙中的作用

近年研究發現，Nrf2中的亮氨酸拉鏈結構被蛋白酶系統快速降解后可識別抗氧化反應元件上的相關序列，提高細胞抗氧化能力，因此Nrf2可作為臨床研究腦部神經退行性疾病的新靶點[15]。

3.1Nrf2信號通路在AD誘發的認知功能障礙中的作用 AD是以進行性認知功能障礙、行為障礙為主要特征的中樞神經系統退行性疾病，臨床表現為失語、記憶障礙、視空間障礙、行為改變等，是老年認知功能障礙最常見的誘因之一[16]。既往研究表明，AD患者的病理改變主要包括β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)胞外沉積、神經原纖維纏結等；在AD疾病進展中，氧化失衡、氧自由基損傷在神經元凋亡過程中占據重要位置，主要原因在于病理情況下活性氧自由基與機體修復系統結合異常導致氧化應激反應，同時活性氧自由基產生的鋅、銅等神經毒性反應元件增加，進一步加重腦組織區域退變[17-18]。Nrf2是氧化應激反應的關鍵調節因子，其介導的信號通路可降低可溶性Aβ水平，在AD發生過程中具有積極作用。如Kim等[19]比較AD模型小鼠與正常小鼠Nrf2信號通路相關蛋白的表達發現，與正常小鼠相比，AD模型小鼠腦組織中的Nrf2總蛋白水平顯著降低，且Nrf2-抗氧化反應元件信號通路調節基因表達下調；進一步研究證實，小鼠腦組織中的Nrf2信號通路可降低可溶性Aβ水平，從而導致AD的發生。以上研究表明，理論上再次激活Nrf2信號通路可有效控制AD的發生，因此臨床可將其作為防治AD的新方向。

3.2Nrf2信號通路在PD誘發的認知功能障礙中的作用 PD早期以靜止性震顫、運動遲緩、肌肉強直為主要臨床表現，隨著疾病的進展，中晚期PD患者常并發認知功能障礙，表現為記憶衰退、語言功能障礙等，嚴重影響患者生活質量[20]。PD的病理特征主要為黑質紋狀體內多巴胺能神經元選擇性丟失。研究證實，氧化應激反應、線粒體功能障礙在PD病理機制中具有重要作用，而Nrf2可誘導蛋白酶、抗氧化酶等參與氧化應激反應和線粒體生物合成，因此Nrf2信號通路有望成為治療PD的關鍵靶點[21-22]。Kostrzewa和Kostrzewa[23]研究發現，高濃度多巴胺拮抗劑可激活PD模型小鼠Nrf2信號通路，而Nrf2活化是機體受到抗氧化損傷時的一種內源性保護機制；當Nrf2表達下調時，多巴胺拮抗劑誘導的PD模型小鼠的氧化損傷易感性遠高于正常小鼠，表明正向調控Nrf2信號通路可作為臨床治療PD的新靶點。有研究者通過比較正常小鼠與Nrf2基因缺失小鼠PD易感性發現，與正常小鼠相比，Nrf2基因缺失小鼠誘導的多巴胺能神經元退行性病變發生風險更高，同時PD發生率也隨之升高，推測原因在于Nrf2信號通路通過調節小膠質細胞使其以抗氧化反應元件依賴的方式發生細胞核內移，上調血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)的表達，進而發揮抗氧化應激的作用[24]。

3.3Nrf2信號通路在VD誘發的認知功能障礙中的作用 VD是一種以記憶功能缺損為特征的持續性神經損害綜合征，其發病涉及氧化應激反應、自噬等。大腦中含有大量可氧化不飽和脂肪酸，若氧化應激反應強度過大，產生的大量活性氧易增加腦組織的耗氧量，導致抗氧化劑與活性氧比例嚴重失衡，使血管內皮細胞、神經元細胞正常功能受損，腦血流量減少，進一步加重氧化應激，形成惡性循環，從而促進VD的發生發展[25]。正常情況下，Nrf2與Keap1結合后，Nrf2活性受到抑制；而在外源性應激條件下，Nrf2可通過調節機體氧化應激反應進行自我保護并與Keap1分離，Nrf2信號通路被激活可啟動抗氧化應激保護機制[26]。另有研究發現，正常小鼠腦細胞中的活性氧水平顯著低于Nrf2基因敲除小鼠，表明還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶與Nrf2信號通路存在負反饋回路，在機體穩態情況下，激活Nrf2信號通路有助于對抗機體過度氧化應激反應[27]。Shao等[28]研究發現，通過合理實驗手段提高正常小鼠Nrf2基因表達水平有助于延緩VD的進展，而在相同實驗條件下，Nrf2基因敲除小鼠VD臨床癥狀更嚴重；通過檢查腦血流量相關指標發現，Nrf2信號通路可影響微血管的氧化應激反應，同時對膽固醇的攝取、排泄也有一定程度影響。由此可見，研發Nrf2活化劑可為延緩VD疾病進展提供新思路。

4 以Nrf2信號通路為靶點治療認知功能障礙的相關藥物研究

Nrf2靶基因包括抗氧化蛋白酶、藥物代謝酶以及調控谷胱甘肽、戊糖磷酸途徑酶和核苷酸合成酶等，Nrf2靶基因表達上調有助于清除活性氧、抗細胞凋亡、解毒外源性化學物質等，從而維持細胞內氧分壓動態平衡，減少細胞氧化應激損傷，因此研發以Nrf2信號通路為靶點的藥物對緩解各種疾病誘發的認知功能障礙均有重要價值[29-30]。

4.1二苯乙烯類化合物 線粒體功能障礙是神經退行性疾病的病理機制之一，而Nrf2在線粒體生物學功能及代謝中均具有重要作用，活化的Nrf2可促進線粒體生物合成，緩解線粒體功能障礙[31]。有研究發現，二苯乙烯類化合物可抑制部分細胞色素從線粒體釋放，繼而消除Aβ誘導的線粒體膜電位異常、減少促凋亡細胞蛋白表達，降低認知功能障礙發生的風險[32]。此外，二苯乙烯普還可通過HO-1拮抗劑阻斷Nrf2/HO-1信號通路，從而誘導Nrf2信號通路活化、保護Aβ誘導的神經元細胞、抑制細胞毒性損傷機制、促進線粒體功能恢復，進而拮抗海馬神經元細胞損傷，降低神經退行性疾病的發生風險[33]。

4.2酚類化合物 叔丁基對苯二酚(tert-butylhydroquinone，t-BHQ)是Nrf2信號通路的激活劑，可通過Nrf2信號通路誘導谷胱甘肽轉移酶第二階段的表達，由于谷胱甘肽轉移酶具有解毒作用，因此t-BHQ可保護神經元細胞免受毒性損傷，降低認知功能障礙發生風險[34-35]。t-BHQ還可增加鋅轉運蛋白的表達，進而通過叔丁基氫醌增加Nrf2活性，使氧化應激反應部分標志物磷酸化減少，同時增加Nrf2相關靶基因的表達，通過Nrf2-抗氧化反應元件防御機制延遲AD、PD等神經退行性疾病的進展[36]。有研究發現，植物迷迭香的有效成分鼠尾草酸為天然兒茶酚型結構，可通過與Keap1反應促進Nrf2泛素降解，有助于游離Nrf2進入細胞核合成內源性抗氧化劑，防止Aβ誘導的海馬神經變性，同時還可提高機體還原型谷胱甘肽水平，共同保護神經元細胞，降低氧化應激反應、細胞毒性損傷，繼而降低神經退行性疾病的發生風險[37]。Wang等[38]研究發現，鼠尾草酸可減少AD海馬區域Aβ原代神經元的樹突棘異常、星形膠質細胞增生以及細胞死亡，主要原因在于鼠尾草酸可通過激活Nrf2信號通路上調抗氧化酶的表達，進而逆轉氧化應激反應，減少Aβ誘導的海馬神經變性，從而發揮保護AD神經元細胞的作用，降低認知功能障礙發生風險。

4.3中藥有效成分 木犀草素是一種存在于紫蘇葉等植物中的天然黃酮類化合物，可上調Nrf2信號通路解毒酶HO-1、谷氨酸半胱氨酸連接酶蛋白的表達，抑制氧化應激反應狀態下細胞內過量活性氧的產生，增強機體抗氧化能力，保護神經元細胞；此外，調控木犀草素水平還可抑制Nrf2信號通路的表達，因此木犀草素可作為化療輔助劑增強順鉑的抗癌作用[39-40]。甘草具有清熱解毒的功效，甘草素、甘草次酸等甘草有效成分可上調Nrf2相關靶基因的表達，增強Nrf2信號通路的抗氧化應激能力，從而對抗機體因過量活性氧產生而導致的氧化應激反應[41]。黃芩素是黃芩的主要有效成分，可通過調控Nrf2信號通路抑制過氧化氫誘導的活性氧產生、激活細胞抗氧化能力、減少神經膠質細胞誘導的損傷，從而保護神經元；漢黃芩素還可通過抑制Nrf2與抗氧化反應元件的結合降低多藥耐藥相關蛋白1的表達、下調Nrf2信使RNA的表達，是潛在的以Nrf2信號通路為靶點的增敏劑[42]。姜黃素是在姜黃根莖中發現的甲烷類物質，可在增加神經元細胞活力的同時減少Aβ25神經毒性損傷；2-去甲基姜黃素可激活Nrf2信號通路，促使Nrf2從細胞質轉移至細胞核，從而上調Nrf2信號通路下游HO-1、醌氧化還原酶等的表達，降低活性氧水平，增加超氧化物歧化酶活性，延緩認知功能障礙的進展[43-44]。

5 小 結

近年關于Nrf2信號通路與認知功能障礙的研究逐漸增多，Nrf2信號通路的激活可作為治療認知功能障礙的有效靶點，而多種化合物、天然產物均可有效激活Nrf2信號通路，但其是否可通過機體血腦屏障有效對抗神經毒性還有待進一步研究驗證。此外，人類神經退行性病變誘發的認知功能障礙源于多種致病因素，而動物模型的認知功能障礙大多由單一急性損傷所致，因此未來還應繼續完善Nrf2信號通路在認知功能障礙中的作用研究及相關藥物研發，同時對動物基因模型進行深入探討，為緩解患者認知功能障礙的進展提供幫助。