姜黃素對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用機制研究進展

張曉璐，呂邵娃，李永吉

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

姜黃素(Curcumin，Cur)是從姜黃的根莖中提取的一種多酚化合物，因其具有多種生物活性如抗氧化、抗炎、抗凋亡、免疫調(diào)節(jié)等而備受關(guān)注[1]。Cur對大腦關(guān)鍵區(qū)域信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控影響了多個神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)，研究表明，Cur不僅通過靶向氧化應(yīng)激、清除自由基、內(nèi)源性與外源性凋亡以及小膠質(zhì)細胞激活和其他膠質(zhì)細胞等多種關(guān)鍵途徑，抑制神經(jīng)元死亡，還可以減少多種疾病損傷和神經(jīng)毒性化合物造成的神經(jīng)元損失[2]。Cur可以保護中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細胞免受局部缺血引起的線粒體功能障礙和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)作。Cur通過抑制神經(jīng)元凋亡減輕腦損傷，還可對抗氧化酶的激活和線粒體產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。Cur神經(jīng)保護作用的機制還包括活化和誘導(dǎo)神經(jīng)炎性介質(zhì)如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素1β(IL-1β)、環(huán)氧合酶2(COX-2)、前列腺素(PGE2)等[3]。

1 姜黃素對神經(jīng)系統(tǒng)的作用

1.1 抗氧化

慢性進行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病可誘發(fā)炎癥、氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過氧化、DNA損傷、氧化蛋白產(chǎn)物[4]。氧化應(yīng)激也與腦組織中錯誤折疊蛋白聚集的誘導(dǎo)有關(guān)。Cur作為一種有效的抗氧化劑，可清除超氧陰離子(O2-)和羥基自由基(OH-)，并增加抗氧化水平。Cur可穩(wěn)定大腦抗氧化酶系統(tǒng)，包括激活超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)[5]；保護細胞免受脂質(zhì)過氧化、DNA損傷、蛋白質(zhì)氧化或蛋白質(zhì)羰基化[6]。

1.2 抗炎

Cur是一種有效的抗炎藥物，可下調(diào)多種神經(jīng)炎癥標(biāo)志物蛋白，如NF-κB。Cur還抑制磷脂酶和花生四烯酸代謝酶，如COX-2，5-脂氧化酶(5-LOX)[7]。此外，它還能降低多種細胞因子的水平，如TNF、IL-1和IL-6[8]。Cur也是過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)的激動劑，可抑制促炎途徑。

1.3 抗淀粉樣蛋白

Cur不僅與AD中的Aβ寡聚體和原纖維結(jié)合[9]，還可與其他淀粉樣蛋白結(jié)合，如PD中的α-突觸核蛋白(α-syn)，HD中的亨廷頓蛋白(HTT)，AD中的磷酸化tau蛋白(p-tau)，以及朊病毒病中的朊病毒蛋白。腦組織的高脂質(zhì)含量允許親脂性Cur分子穿過血腦屏障(BBB)，抑制淀粉樣蛋白的聚集[10]。

1.4 調(diào)節(jié)分子伴侶的活性

細胞蛋白質(zhì)的質(zhì)量是由一組稱為分子伴侶的蛋白質(zhì)控制，它們對于將未展開或錯誤折疊的蛋白質(zhì)還原為其天然形式較為重要，其中一個重要的分子伴侶是熱休克蛋白(HSPs)，這些蛋白在不同的神經(jīng)系統(tǒng)疾病中下調(diào)[11]。研究表明，Cur通過激活HSP70、HSP90、HSP60和HSP40以及熱休克同源蛋白70(HSC70)等分子伴侶具有神經(jīng)保護作用[12]。

1.5 增加神經(jīng)營養(yǎng)因子

研究表明，神經(jīng)元生長因子(如NGF、BDNF、GDNF)以及其他生長因子(如PDGF)的顯著下降可導(dǎo)致突觸損傷和神經(jīng)元死亡。含Cur的飲食可刺激體內(nèi)NGF、BDNF、GDNF、PDGF的水平。Cur還能促進大鼠的神經(jīng)發(fā)生、突觸發(fā)生并改善認知功能，這可能與促進這些神經(jīng)營養(yǎng)因子有關(guān)[13]。此外，在Cur治療后觀察到神經(jīng)疾病動物模型的記憶功能得到改善，可能是由于這些神經(jīng)元生長因子的水平增加。在不同的神經(jīng)退行性疾病動物模型中，經(jīng)Cur治療后，突觸前和突觸后標(biāo)記物如突觸體素和PSD95也得到恢復(fù)[14]。

1.6 金屬螯合劑

重金屬在不同的神經(jīng)系統(tǒng)疾病中可誘導(dǎo)錯誤折疊的蛋白聚集和ROS的產(chǎn)生[15]。Cur中的兩個酚基團(OH)和一個活性亞甲基基團(CH2)可使其成為金屬螯合的配體[16]。例如，Cur可以與Cd、Pb相互作用并防止這些金屬所引起的神經(jīng)毒性,Cur還能有效地與Cu、Fe、Zn結(jié)合，使其無法誘導(dǎo)淀粉樣蛋白聚集。

2 姜黃素對神經(jīng)性疾病的作用機制

2.1 阿爾茨海默病

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種主要與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，其特征是神經(jīng)行為異常，早期記憶缺陷，認知和智力功能逐漸下降，最終導(dǎo)致癡呆。AD的典型病理特征是β淀粉樣蛋白(Aβ)在細胞外以老年斑的形式沉積，磷酸化Tau蛋白在細胞內(nèi)以神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFT)的形式沉積。這些異常或錯誤折疊蛋白的積累是導(dǎo)致許多腦區(qū)突觸缺陷、神經(jīng)元損失、氧化損傷和神經(jīng)炎癥增加的主要原因[17]。在AD中嚴重紊亂的信號通路包括神經(jīng)營養(yǎng)因子、PI3K/Akt、TNF和TLR信號通路，它們與神經(jīng)元生長和存活、炎癥和免疫反應(yīng)密切相關(guān)。作為一種多因素疾病，AD可以通過多靶點治療得到適當(dāng)?shù)目刂啤ur可以抑制磷酸化早老蛋白1的激酶(GSK-3β)，通過抑制GSK-3β介導(dǎo)的PS1激活從而減少Aβ的產(chǎn)生;Cur還能誘導(dǎo)熱休克蛋白，參與Tau蛋白的聚集體清除。此外，Cur可以減少現(xiàn)有的纏結(jié)，并可以改善Tau依賴的行為缺陷;Cur抑制脂質(zhì)過氧化，進而減少淀粉樣蛋白積累和氧化應(yīng)激介導(dǎo)的神經(jīng)毒性。一些體內(nèi)研究也表明了Cur可介導(dǎo)對Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性和記憶損傷的神經(jīng)保護作用，還能增強AD患者中巨噬細胞對Aβ的攝取[18]。

2.2 帕金森病

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是第二常見的年齡相關(guān)神經(jīng)退行性疾病，其特征是運動遲緩、震顫、僵硬和步態(tài)姿勢異常。黑質(zhì)致密部(SNpc)中多巴胺能神經(jīng)元的逐漸選擇性退化，以及黑質(zhì)-紋狀體通路中多巴胺(DA)水平的隨后下降也與PD相關(guān)[19]。PD的主要病理特征是在路易小體(LBs)的神經(jīng)元內(nèi)包涵體中存在由α-syn組成的不可溶性纖維聚集物。Cur可以抑制α-syn的聚集，并在體外阻止LB的積累，降低α-syn低聚物對細胞的毒性，減弱DA水平的降低，并使DA神經(jīng)元退化[20]。Cur還可降低氧化應(yīng)激、記憶缺陷和運動障礙，螯合鐵、銅和其他金屬，從而防止α-syn或LB聚集[21]。此外Cur通過激活轉(zhuǎn)錄因子EB促進細胞自噬，從而減少細胞死亡和神經(jīng)毒性[22]。Cur通過抑制單胺氧化酶的活性，從而恢復(fù)DA水平，減少抑郁[23]。Cur可以降低ROS水平，維持線粒體功能，并通過Cur衍生物CNB001減輕神經(jīng)炎癥來保護大腦中的DA神經(jīng)元，還可以抑制JNK通路并通過凋亡阻止多巴胺能神經(jīng)元的丟失[24]。

2.3 亨廷頓病

亨廷頓病(Huntington’s disease,HD)是一種多聚谷氨酰胺(PolyQ)常染色體顯性遺傳疾病，以進行性神經(jīng)退行性變和運動、精神以及認知功能受損為特征。HD的病理是錯誤折疊的突變亨廷頓蛋白(mHTT)作為細胞內(nèi)聚集物的異常積累，導(dǎo)致選擇性神經(jīng)元損失，主要發(fā)生在皮層和紋狀體的中型多棘神經(jīng)元。谷氨酸興奮性毒性、線粒體功能障礙、蛋白質(zhì)降解受損、蛋白質(zhì)錯誤折疊、caspase激活、轉(zhuǎn)錄通路失調(diào)、蛋白酶體功能下降和蛋白質(zhì)水解異常是導(dǎo)致該疾病的主要原因[25]。因琥珀酸脫氫酶活性在3-硝基丙酸(3-NP)HD大鼠模型中受到抑制，注射Cur可改善運動和認知能力，降低氧化應(yīng)激，恢復(fù)琥珀酸脫氫酶活性[26]。此外，HD中下調(diào)的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)也通過Cur治療得以恢復(fù)。JANA等[27]研究了Cur通過損傷泛素-蛋白酶體系統(tǒng)來誘導(dǎo)細胞凋亡，抑制JNK通路，通過凋亡防止多巴胺能神經(jīng)元損失。實驗證明，將Cur暴露于N2a細胞中會導(dǎo)致蛋白酶體活性的劑量依賴性下降和泛素化蛋白的增加。與分化細胞相比，Cur可以通過降低線粒體膜電位、向細胞質(zhì)中釋放細胞色素C、激活caspase-9和caspase-3來誘導(dǎo)增殖細胞更多地凋亡。

2.4 癲癇

癲癇(Epilepsy)是一種以大腦功能障礙為特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂[28]。Cur的抗癲癇機制包括減少炎癥細胞因子，阻斷一氧化氮合酶的作用，減少神經(jīng)膠質(zhì)細胞的活化，減輕氧化應(yīng)激，激活腺苷A1受體等。Cur增加了戊四氮點燃的小鼠腦勻漿中去甲腎上腺素的水平，其治療劑量還可依賴性地減弱戊四唑點燃的小鼠腦勻漿中的總亞硝酸鹽水平和AChE活性。最近的實驗表明Cur通過激活腺苷A1受體，下調(diào)一氧化氮合酶，使乳酸脫氫酶失活以及增加癲癇嚙齒動物腦勻漿中的SOD和GSH含量發(fā)揮抗驚厥作用。另外，Cur降低了戊四唑誘導(dǎo)的點燃小鼠的腦勻漿中的MDA含量并增加了GSH水平，還可顯著預(yù)防海藻酸誘導(dǎo)的癲癇發(fā)作和氧化應(yīng)激[29]。在動物研究中，Cur的慢性治療通過阻斷神經(jīng)元一氧化氮合酶的作用減輕了戊四唑點燃的大鼠的癲癇樣放電[30]。研究表明，長期給予Cur可顯著下調(diào)慢性癲癇戊四唑模型的皮質(zhì)和海馬中IL-1β，IL-6，TNF-α和MCP-1的表達。此外，Cur顯著降低了癲癇大鼠皮層和海馬中的神經(jīng)膠質(zhì)活化。補充Cur可減輕戊四唑治療的癲癇大鼠海馬和皮質(zhì)中ROS、脂質(zhì)過氧化物、蛋白質(zhì)羰基化合物和線粒體功能障礙的產(chǎn)生[31]。Cur可明顯逆轉(zhuǎn)海藻酸鹽誘導(dǎo)的大鼠顳葉癲癇。在類似的研究中，Cur給藥顯著降低了癲癇大鼠海馬區(qū)的亞硝酸鹽、硝酸鹽和MDA含量，從而減少了氧化損傷和炎癥反應(yīng)[32]。Cur預(yù)處理劑量依賴性地降低了鋰-毛果蕓香堿引起的大鼠癲癇發(fā)作的強度和頻率[33]。

2.5 抑郁和焦慮

抑郁癥和焦慮癥是不同的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，但是抑郁癥患者經(jīng)常會出現(xiàn)焦慮癥等癥狀，例如煩躁不安，神經(jīng)質(zhì)以及注意力不集中和睡眠不足。抑郁癥和焦慮癥具有其自身的病理生理以及行為和情緒癥狀。Cur治療的作用機制包括抑制腦單胺氧化酶(MAO)-A/B活性，調(diào)節(jié)5-羥色胺受體，改善腦多巴胺、5-羥色胺和去甲腎上腺素水平，增加神經(jīng)營養(yǎng)因子，促進神經(jīng)元生長，增加神經(jīng)保護，減少神經(jīng)炎癥，細胞凋亡和氧化應(yīng)激[34]。在一項隨機雙盲的安慰劑對照的試驗中，Cur治療4～8周可以使重度抑郁癥患者的癥狀得到部分改善[35]。在動物研究中，Cur治療可通過多種機制減輕慢性應(yīng)激狀態(tài)下的抑郁表型，即降低腎上腺與體質(zhì)量的比例，降低血清皮質(zhì)酮水平，降低腎上腺皮質(zhì)厚度以及上調(diào)BDNF與COX-2在腦中的表達和pCREB/CREB水平的降低。Cur可增加杏仁核中突觸素和BDNF的水平，同時減輕慢性應(yīng)激大鼠的抑郁樣行為[36]。Cur可抑制突觸體中谷氨酸的釋放并誘導(dǎo)N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)亞基GluN2B的活化，從而產(chǎn)生類似抗抑郁藥的作用[37]。

2.6 多發(fā)性硬化癥

多發(fā)性硬化癥(Multiple sclerosis,MS)是神經(jīng)系統(tǒng)中的一種慢性自身免疫性神經(jīng)退行性疾病，其基本發(fā)病機制是免疫系統(tǒng)攻擊有髓鞘纖維，導(dǎo)致神經(jīng)傳導(dǎo)延遲，對神經(jīng)纖維和神經(jīng)元造成永久性損傷。主要癥狀為疲勞、長時間雙視或視力模糊、行走困難、身體不同部位麻木或刺痛感、協(xié)調(diào)和平衡困難、肌肉僵硬、肌肉痙攣等。在自身免疫性腦脊髓炎(EAE)實驗大鼠模型中，Cur可降低炎癥細胞對脊髓的滲透，減少髓鞘堿性蛋白(MBP)反應(yīng)淋巴細胞的積累，下調(diào)TGF-β、IL-6、IL-17、IL-21、RAR相關(guān)孤兒受體γ(RORγt)、STAT3的表達[38]。Cur通過抑制線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激來保護線粒體并抑制細胞凋亡，從而降低caspase-12和細胞色素C的表達，并且Cur的抗氧化能力能顯著降低神經(jīng)元的死亡[39]。星形膠質(zhì)細胞的激活促進神經(jīng)炎癥和多發(fā)性硬化的發(fā)展，Cur通過抑制抗炎介質(zhì)如PGE2、NO和促炎細胞因子如IL-6、IL-1β和TNF-α來抑制星形膠質(zhì)細胞的活化。Cur可降低iNOS和COX-2的表達，抑制NF-κB通路[40]。軸突變性是多發(fā)性硬化癥的特征性病理特征，主要由一氧化氮的過量產(chǎn)生、MyD88/p38 MAPK信號通路的激活和JNK磷酸化引起。TEGENGE等[41]研究表明，Cur通過抑制NO和JNK磷酸化的產(chǎn)生來保護神經(jīng)元軸突。

2.7 脊髓損傷

脊髓損傷(Spinal cord injury,SCI)是一個復(fù)雜的病理過程，包括炎癥反應(yīng)導(dǎo)致星形膠質(zhì)細胞形成膠質(zhì)瘢痕，嚴重阻礙神經(jīng)再生，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和不可逆組織壞死。Cur在脊髓損傷大鼠模型和星形膠質(zhì)細胞再活化細胞培養(yǎng)模型中均有神經(jīng)保護作用。LPS誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞培養(yǎng)液中RANTES和iNOS mRNA的表達量減少，神經(jīng)保護作用減弱[42]。LIN等[43]研究了Cur可以增加脊髓損傷和LPS處理的星形膠質(zhì)細胞中CISD2的表達。CDGSH鐵硫結(jié)構(gòu)域2(CISD2)是一種生存基因，有助于神經(jīng)損傷的拮抗作用。Cur降低GFAP和RANTES的表達，增加CISD2的表達，減少神經(jīng)炎癥，從而改善SCI。Cur還可以抑制細胞凋亡和神經(jīng)元丟失，抑制星形膠質(zhì)細胞活化，減少巨噬細胞和T細胞浸潤，減少星形膠質(zhì)細胞中趨化因子MCP-1、RANTES和CXCL10的表達，從而減少膠質(zhì)瘢痕形成，同時調(diào)節(jié)NF-κB和SOX9信號通路[44]。Cur可以顯著降低IL-1β的表達和Iba1炎癥細胞的數(shù)量，通過抑制膠質(zhì)瘢痕形成和炎癥修復(fù)脊髓，從而表現(xiàn)出神經(jīng)保護活性[45]。

2.8 神經(jīng)膠質(zhì)瘤

實驗研究了Cur對基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)異常表達的體內(nèi)外抑制作用。在體外，Cur通過膠質(zhì)母細胞瘤(GBM)存活途徑(PI3K/Akt和NF-κB)和對癌癥的選擇性影響增殖、凋亡。在C6細胞植入GBM模型中，觀察到Cur活性與細胞中p53和PTEN的突變狀態(tài)無關(guān)，并且Cur活性降低了C6細胞植入大鼠腦腫瘤的大小[46]。此外，KIM等[47]發(fā)現(xiàn)Cur通過抑制PMA誘導(dǎo)的MAPK活性、抑制DNA結(jié)合和AP-1轉(zhuǎn)錄活性，對人星形膠質(zhì)瘤細胞中MMP基因表達具有廣譜抑制活性，表明Cur可能對膠質(zhì)瘤有治療價值。Cur還通過NF-κB和AP-1抑制MMP-9的表達，其DNA結(jié)合活性被Cur抑制。此外，PMA誘導(dǎo)的ERK、JNK和p38 MAPK被Cur抑制[48]。在惡性星形細胞瘤中，NF-κB被異常激活并促進增殖,通過DNA片段分析、形態(tài)學(xué)觀察和細胞增殖實驗，研究了Cur對人惡性星形細胞瘤NP-2細胞系NF-κB活性的抑制作用，Cur抑制細胞增殖，誘導(dǎo)細胞凋亡[49]。ROMERO-HEMNNDEZ等[50]研究表明，在不改變DNA的情況下，Cur<100 μmol/L的濃度會增加星形細胞瘤細胞系的形態(tài)變化并誘導(dǎo)細胞凋亡。

3 小結(jié)

神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有復(fù)雜的神經(jīng)病理特征，神經(jīng)損傷和認知功能障礙以及運動協(xié)調(diào)障礙是這些疾病的主要問題。Cur是一種多功能的分子，具有抗炎、抗氧化和抗增殖活性，能夠相互作用和調(diào)節(jié)多種分子靶標(biāo)信號通路抑制細胞增殖，誘導(dǎo)細胞凋亡、神經(jīng)元丟失如轉(zhuǎn)錄因子、炎性細胞因子以及多種酶。Cur能有效地穿透血腦屏障和神經(jīng)元膜，可以調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)水平與細胞信號和腦功能，抑制線粒體功能障礙，減輕氧化應(yīng)激，減少神經(jīng)退行性變，從而改善神經(jīng)元和行為功能障礙。然而Cur水溶性較低、腸道通透性差、代謝速率快等因素阻礙了其生物利用度，使其在體內(nèi)作為神經(jīng)保護劑的使用受到限制。隨著納米制劑的發(fā)展，Cur的吸收、分布和生物利用度等問題有望得到解決，基于如脂質(zhì)體、納米顆粒、膠束和樹狀大分子的遞送系統(tǒng)的開發(fā)，新型藥物傳遞系統(tǒng)正處于臨床前階段。而且未來需要進一步研究挖掘Cur的藥代動力學(xué)和其對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用機制以及臨床評價，這將有助于設(shè)計藥物方案，了解其對疾病患者的安全性、有效性和耐受性，從而提高治療效果。