基于阿爾茨海默病β-淀粉樣蛋白發病機制探討典型中藥防治概況*

鄒文奇,任晶,劉靜頤,盛瑜

(北華大學藥學院,吉林 132013)

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)俗稱老年癡呆癥,是一種以老年斑、神經元纖維纏結和神經元丟失為主要病理特征的進行性神經衰退性疾病,該病的主要臨床表現為學習記憶障礙、認知功能障礙、語言功能障礙等[1]。目前學術界對于AD的致病機制包括:β-淀粉樣蛋白(amyloid β protein,Aβ)學說、氧化應激假說、tau蛋白假說、細胞凋亡假說等。前期,國內外學者針對上述各種假說機制進行深入研究,并研制出幾類治療AD的化學藥物,但由于其單一靶向性,僅能對AD的某一環節具有改善作用,如減輕精神神經癥狀,并常伴有不同程度的不良反應[2-3]。中藥防治AD具有多層次、多方向、多靶點的特點[4],如鮮天麻提取物能夠有效抑制小鼠海馬區腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α,TNF-α)、白細胞介素(interleurin,IL)-6等促炎因子的釋放,增加IL-10、IL-4等抗炎因子的釋放,下調NF-κB表達,上調Nrf2表達水平,并通過此種途徑發揮抗炎與抗氧化作用;同時,鮮天麻提取物還能夠通過激活PI3K/Akt信號通路減少神經細胞凋亡[5]。另外,中藥有效成分具有結構新穎,活性多樣的特點,可作為治療AD的先導化合物的主要來源。近年來,研究發現,AD的上述假說具有一定的關聯性[6]。尤其是Aβ假說涵蓋氧化應激、炎癥、細胞凋亡等機制,與中藥多靶點、多途徑的特點相契合。

目前,中醫藥防治AD的研究取得一定成果,筆者將近年來單味中藥及其有效成分通過調控不同的信號通路調節Aβ代謝,改善及控制AD進展的研究進行綜述,為研究中醫藥治療AD的作用機制提供參考。

1 基于Aβ假說的中藥有效成分對AD的防治機制研究概況

AD的致病過程是一個多機制、多因素、極為復雜的過程,主要包括:膽堿能缺失、神經元凋亡、氧化應激等多種因素。Aβ學說認為Aβ具有神經毒性,并可誘發炎癥反應,損傷神經系統。機體正常狀態下Aβ的產生和降解處于動態平衡的狀態,但是當機體處于病理狀態時Aβ的降解減少,并導致大量Aβ沉積繼而產生淀粉樣蛋白斑[7-8]。通過大量文獻檢索總結出Aβ能夠致使神經突觸功能障礙[9]、介導過氧化損傷致使神經元細胞凋亡[10-11]、介導炎癥反應致使神經元發生退化性病變[12-14]、致Tau異常磷酸化并引起神經細胞損傷[15-16];Aβ大量沉積所產生的神經細胞毒性包括:誘導自由基產生[11]、破壞細胞膜結構、加重細胞內的Ca2+超載并釋放炎癥因子[12-13];Aβ沉積還將導致tau蛋白的過度磷酸化最終將會形成NFT[15-16]。與Aβ學說相關的信號通路包括MAPK信號通路(ERK、P38、JNK)[17-19]、PI3k/Akt信號通路[20-22]、NMDA受體通路[23]、mGluR5信號通路[2]等。

2021年美國食品藥品管理局(FDA)批準Biogen公司阿杜那單抗 (aducanumab)上市,該藥物研發以Aβ假說為基礎,治療機制與選擇性與Aβ結合,清除AD患者大腦中的Aβ堆積相關,雖然其臨床效果備受爭議,但仍舊是首個證明清除Aβ蛋白可以治療AD的里程碑藥物。石杉堿甲、甘露特鈉作為我國自主研制的AD臨床用藥能有效降低Aβ生成,該藥物揭示中醫藥調控Aβ的巨大潛力[24]。目前,研究發現中藥有效成分生物堿、黃酮類、皂苷類、多酚類、多糖類化合物具有顯著的抑制Aβ生成和沉積,或促進Aβ清除與轉運的作用。見表1。

表1 各成分抗AD作用機制

由此可見,對于中藥防治AD的研究近年來逐漸增多,多種中藥及其有效成分展現出基于Aβ假說治療AD防治的可能,但大多數研究僅針對于藥物對Aβ的作用及機制,未深入研究其對Aβ假說相關聯的氧化應激、炎癥、細胞凋亡的影響,尚未體現中藥防治AD的系統調節優勢。調查發現,對于姜黃、黃芪、銀杏葉基于Aβ假說的防治AD的機制研究已較為深入。

2 基于Aβ假說的典型中藥防治AD研究

2.1姜黃 姜黃(CurcumalongaL.)為姜科姜黃屬植物姜黃的干燥根莖,具有破血行氣、痛經止疼的功效。姜黃素(curcumin)為姜黃根莖中提取到的多酚類物質,是植物姜黃中最為主要的生物活性成分,具有良好的抗炎、抗腫瘤、抗氧化、增強學習記憶力等功效[44]。由于姜黃素具有多種藥理活性使其在研究領域備受關注,目前對于姜黃素的研究日趨增多。

眾所周知,AD的發生和發展過程中存在兩種組織學標記物:Aβ沉積以及磷酸化的tau蛋白,而姜黃素能夠針對這兩種組織學標記物產生一定的作用。姜黃素能通過下調BACE1的表達,防止APP轉變為Aβ,并以此途徑起到有效阻止Aβ的形成以及Aβ沉積[43]。由此能夠進行合理推測,姜黃素為BACE1的抑制劑。相關研究表明,向人的神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞中加入姜黃素后能夠有效減少Aβ的生成,GSK-3β的蛋白表達量顯著降低,并且呈現出劑量依賴以及時間依賴[45]。證明GSK-3β與Aβ的生成密切相關,并且正是通過降低GSK-3β的蛋白表達量的途徑起到抑制Aβ的生成和聚集的目的從而影響AD的發生和發展。姜黃素還能夠通過調節GSK-3β的表達參與tau磷酸化的過程,GSK-3β蛋白表達下降能夠有效抑制tau的過度磷酸化,避免產生神經毒性保護神經系統[46]。此外,姜黃素還能夠介導Aβ所誘導的NMDAR磷酸化,防止細胞內鈣離子(Ca2+)水平升高,避免由于炎癥因子的釋放和炎癥反應的發生所帶來的神經細胞損傷[47]。俞柏翎等[48]研究發現,姜黃素能夠改善AD大鼠的學習記憶力功能以及軸突和突觸功能的退化,通過PI3K/Akt/GSK3信號通路介導信號轉導使GSK-3β蛋白表達降低,修復AD大鼠海馬區受損的神經細胞。

在體外實驗中,姜黃素能夠阻斷Aβ激活ERK1/2以及P38MAPK信號通路,從而減少TNF、IL-6、IL-1的相關蛋白表達以及mRNA的表達水平;同時能夠有效抑制NF-κB信號通路的激活,有效減少細胞因子的產生并通過此種途徑減少神經系統的炎癥反應[49-50]。LIU等[51]發現姜黃素能夠與PPARγ結合,增加PPARγ的相關蛋白表達,并推測PPARγ為姜黃素抗炎作用的潛在靶點,且體內體外無差異。

2.2黃芪 黃芪為豆科黃芪屬植物蒙古黃芪Astragalusmemeranaceus(Fisch.)Bge.Var.mongholicus(Bge.)Hsiao或膜莢黃芪A.membranaceus(Fisch.)Bge.的根。研究發現,黃芪多糖和黃芪甲苷具有一定的抗AD作用。

黃芪多糖(Astragalus polysaccharides,APS)能夠發揮其神經保護作用,減少細胞損傷以及減少神經細胞凋亡。細胞色素-C(Cytochrome-C,Cyt-C)在線粒體內表達,主要參與能量傳遞。而AD患者的線粒體膜通透性發生改變,Cyt-C進入細胞質中與凋亡蛋白酶活化因子-1結合形成凋亡體激活Caspase-9后將會加重Caspase-3級聯反應從而加強神經細胞DNA斷裂并造成細胞凋亡[52]。屈文英等[53]驗證APS具有改善AD大鼠癥狀的作用,實驗結果顯示APS能夠明顯減少大鼠海馬組中Cyt-C、Caspase-3以及Caspase-9的蛋白和mRNA表達水平;Morris水迷宮以及避暗實驗的行為學結果表明:APS確系改善AD大鼠學習記憶能力。由此可知,APS是通過抑制Cyt-C、Caspase-3、Caspase-9信號通路的途徑減少海馬組織發生氧化損傷、抑制神經元細胞的凋亡并改善AD大鼠的認知功能障礙,增強學習記憶能力的。

黃芪甲苷又被稱為“超級黃芪多糖”,是黃芪多糖中更具生物活性的成分。黃芪甲苷同樣具備防治AD的作用。趙啟躍等[41]使用脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)處理小鼠探討黃芪甲苷對AD的作用,發現黃芪甲苷能夠降低ROS、MDA含量;升高SOD、GSH-Px的活性;黃芪甲苷能夠下調NADPH的關鍵亞基gp91phox(催化亞基)和P47phox(組裝復合物的關鍵亞基)蛋白的表達。抑制NADPH相關氧化酶表達能夠有效抑制ROS的釋放以及氧化應激反應的發生。因此,黃芪甲苷發揮抗AD作用應為通過降低ROS、MDA含量,增加SOD、GSH-Px的活性降低腦內氧化應激水平從而發揮保護神經細胞的作用。黃芪甲苷Ⅳ(Astragalus Ⅳ,AS-Ⅳ)為APS中某一單體成分,同樣具有明確抗AD作用。AS-Ⅳ能夠顯著增加PPARγ的表達,從而減少BACE1的活性并減少Aβ的產生和沉積[54];AS-Ⅳ還能夠增加AD模型中腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)含量,其機制為PPARγ通路減少Caspase-1、GSK-3β表達后減少tau蛋白異常磷酸化并減少神經細胞凋亡[55]。因此,AS-Ⅳ極大可能通過促進PPARγ/BDNF信號通路的表達抑制海馬神經元凋亡并改善學習記憶障礙。AS-Ⅳ能夠增加海馬組織中SOD、GSH-Px、CAT的活性;降低海馬組織中的IL-1β、TNF-α水平[56]。AS-Ⅳ通過降低神經細胞氧化應激反應和神經炎癥的發生發揮其抗AD功效[56]。

2.3銀杏葉 銀杏葉為銀杏科植物銀杏GinkgobilobaL.的干燥葉,具有活血化瘀、通經止絡等多種藥理活性。銀杏葉提取物(Ginkgo biloba extract,GBE)為銀杏葉經過乙醇回流提取精制而成。GBE能夠通過改善細胞能量代謝,抑制細胞色素C的釋放并上調抗凋亡的Bcl-2蛋白水平,下調促凋亡的Bax蛋白以及Caspase-3和Caspase-9的表達水平,從而一定程度上減少細胞損傷以及神經細胞的凋亡[57];GBE能提升腦細胞對氧氣和葡萄糖的利用率,減少腦內Aβ斑塊的產生,發揮其對腦脂質過氧化的保護作用,進而改善AD患者的認知功能障礙[58]。LEJRI等[59]使用SH-SY5Y神經母細胞瘤進行2D和3D培養,研究結果顯示,GBE(100 μg·mL-1)組在2D表面培養中與神經生長因子(nerve growth factor,NGF)組對增加神經突數量與生長的效果相似,神經突數量均增加約77%,神經突長度增長約216%;在3D表面培養中神經計數增加79%、神經長度增長75%。磷酸蛋白Akt、PI3K表達水平存在明顯增加,GSK-3β表達水平顯著下降。由此可知,GBE激活Akt/mTOR通路并對神經元細胞生長和存活發揮正向作用。Akt的活化形式主要通過mTOR影響該蛋白質的合成并通過影響GSK-3β途徑抑制糖代謝[59];GBE通過使磷酸酶PTEN失活后激活PI3K/Akt/mTOR通路,抑制GSK-3β表達從而減少Aβ聚集,合理發揮抗AD的作用[59]。

GBE的成分復雜,其中充分發揮抗AD作用的為銀杏黃酮和銀杏內酯。其中銀杏黃酮具有非常明確的抗氧化活性[57],其作用機制為能夠增加細胞色素P450的活性,從而加速體內ROS的清除,并有效增加包括SOD、GSH等抗氧化相關蛋白的表達與活性,銀杏黃酮可與過量氧化重金屬離子進行結合,避免其與Aβ結合后發生氧化應激反應。基于此,銀杏黃酮明確發揮保護神經系統免受氧化損傷的功效。

銀杏內酯對神經系統同樣具有調節作用,銀杏內酯能夠抗細胞凋亡、清除自由基保護神經系統。銀杏內酯能夠通過抑制半胱天冬酶表達的mRNA轉錄,下調凋亡蛋白Bax表達的mRNA,上調抗凋亡蛋白Bcl-2的轉錄和蛋白質表達水平,并增加該蛋白在細胞中的積累,最后將導致Caspase-9的活性降低[60]。經過以上途徑使細胞中p53以及p21表達降低避免神經細胞凋亡。銀杏內酯還能夠有效清除自由基[61]。主要通過介導Akt/Nrf2信號通路,使抗氧化蛋白表達水平升高,減少氧化應激損傷的發生,同時還能夠與超氧化物進行結合并發生反應。此外,銀杏內酯能夠逆轉神經元的死亡,通過抑制CDK5、GSK-3β、BACE1信號通路減少tau蛋白的過度磷酸化,避免細胞死亡、突觸功能受損從而保護神經細胞[62]。

2.4小結 姜黃、黃芪、銀杏葉作為中藥中藥理活性豐富的代表,均具有以Aβ相關信號通路蛋白為靶點的多層次、多方向防治AD的機制。其中關于黃芪與姜黃的研究致力于考察單體化合物對于AD的作用,而關于銀杏葉的研究在考察單體化合物對AD作用的同時,對銀杏葉提取物防治AD的作用及機制也進行深入研究,更符合中藥藥性理論,一定程度上保留中藥中醫辨證論治的關系。姜黃活性成分姜黃素通過調節NF-κB和MAPK信號通路發揮抗炎作用,通過介導GSK-3β信號通路抑制Aβ聚集;黃芪活性成分黃芪甲苷在抗氧化的同時,通過介導PPARγ信號通路抑制Aβ產生和沉積;銀杏葉提取物可通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路,以及增加腦細胞對氧和葡萄糖的利用率,減少Aβ斑塊形成,同時通過抑制Cyt-C釋放,進而抑制神經元細胞凋亡。由上述研究可見,以Aβ機制為紐帶,將多種AD致病因素相關聯,如抗炎、抗氧化、抗神經細胞凋亡、提高神經細胞氧和葡萄糖利用率,可較為全面和深入地探索中藥防治AD的機制,并與Aβ假說涵蓋氧化應激、炎癥、細胞凋亡等多方面機制相契合,展現中藥防治AD的優勢。

3 展望

目前對于AD的治療主要集中于化藥和生物藥,多種中藥成分在體內外實驗中被證實明確具有抑制Aβ聚集、減輕AD癥狀、延緩AD病程的作用。但現階段的研究仍存在一些亟待解決的問題。首先,基于Aβ假說研究中藥治療AD,研究多以單一的Aβ靶點為切入點,缺少對多種機制的探究,未能體現Aβ假說與氧化應激、炎癥、細胞凋亡關聯性,也未能體現中藥治療疾病的整體觀念,缺少基于藥物研發探索中醫病理與西醫病理之間內在聯系的科學理念。其次,中藥的一些有效物質分子量較大,如多糖很難通過血腦屏障到達AD的海馬區病灶部位,因此這些物質具體通過何種方式在腦中發揮作用需要更進一步的研究與探索。最后,針對AD防治的中藥研究多集中于單體化合物給藥,從實驗對象上未體現出中藥多組分相互作用的優勢,也未體現中藥配伍適應復雜病情、減少不良反應的特點。綜上可知,針對上述問題,可以在“守正”的基礎上,進一步結合現代醫學和生物技術,用“創新”的理念進一步深入探究中醫藥防治AD的復雜機制,為中藥應用于AD的臨床治療提供研究思路和依據。