中藥有效成分石杉堿甲治療阿爾茨海默病的研究進展

李琳 杜巖

中藥有效成分石杉堿甲治療阿爾茨海默病的研究進展

李琳 杜巖

杜巖 教授

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一種與年齡相關的,以進行性記憶損傷、認知功能障礙、行為障礙和人格改變為特征的慢性神經退行性疾病。據世界衛生組織估計,全球目前有近3560萬AD患者,其中一半以上的患者居住在低收入和中等收入國家[1]。AD是一種多因素介導的疾病,其病因及發病機制尚不明確,迄今臨床實踐中仍未找到十分有效的治療策略[2]。

石杉堿甲(Huperzine A, Hup A)是從我國中草藥蛇足石杉(Huperziaserrata)中提取出的新型石杉類生物堿有效單體,是一種高效、高選擇性且可逆性的中樞性乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase, AChE)抑制劑,臨床上常用于治療各種疾病,例如瘀傷、感染、風濕病、精神分裂癥、重癥肌無力和發熱等[3]。已經有報道顯示,Hup A可以逆轉或減弱多種不同動物模型(包括嚙齒類動物和非人靈長類動物等)的認知損害[4-5],并且可以改善人類的學習和記憶缺陷[6]。事實上,Hup A的神經保護作用,不僅僅是其對AChE抑制作用的結果,它具有多個分子作用的靶點。因此,本文將對Hup A治療AD相關機制的研究進展進行綜述。

1 調控APP代謝途徑

淀粉樣蛋白沉積形成的老年斑(senile plaque, SP)是AD的特征性病理改變,SP的核心成分是β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein, Aβ),Aβ由淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)水解而來。APP在體內的代謝途徑主要分為兩種,即由α-分泌酶介導的非Aβ途徑和由β-分泌酶和γ-分泌酶共同介導的Aβ途徑[7]。分泌型淀粉樣蛋白前體蛋白α(secretory amyloid precursor protein α, sAPPa)由非Aβ途徑產生,對神經具有營養和保護作用,可以促進神經的生長,刺激突觸的形成,同時穩定神經元內的鈣離子平衡等[8]。研究顯示,Hup A調節APP的代謝途徑與蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)的活化有關,通過激活毒蕈堿乙酰膽堿受體(moscarinic acetylcholine, mACh)亞型M1和M3,細胞內PLC-PKC信號傳導途徑被激活,而經PKC磷酸化的酪氨酸活化α-分泌酶,從而使sAPPa的分泌增加,并降低Aβ的水平[9]。Zhang等[10]的研究發現,通過腦室內注射Aβ1-40建立的AD大鼠模型,對模型鼠腹腔注射Hup A可以明顯改善大鼠體內由Aβ導致的sAPPα分泌減少;而在經Aβ1-40處理過的HEK293sw細胞中,給予Hup A后,APP的水平顯著增加。Yan等[11]運用mACh受體的特異性拮抗劑和激酶抑制劑,發現Hup A可以激活M1-mAChR/PKC級聯和MAPK信號傳導,從而增強APP的非Aβ途徑。這些研究結果表明Hup A可能通過上調PKC,來影響APP的代謝,從而改善AD的學習記憶能力和認知功能。

2 抗氧化應激

氧化應激是體內自由基產生的負效應,并被認為是促進衰老及其相關疾病發生發展的重要因素之一[12]。Aβ主要通過氧化應激作用和自由基的產生對神經細胞產生毒性。自由基90%產生于細胞線粒體,因此線粒體功能障礙可以促進氧化應激、衰老和神經變性[13-14]。研究發現,Hup A可以升高AD模型豚鼠的額葉、頂葉、顳葉和小腦中三價鐵還原抗氧化力、谷胱甘肽還原酶活性和氧化應激標記物(如轉氨酶,血尿素氮和葡萄糖等)水平[15]。Hup A可以明顯改善D-半乳糖誘導的老化小鼠的學習記憶障礙,降低腦組織中一氧化氮含量,抑制一氧化氮合酶活性,提高谷胱甘肽過氧化物酶和琥珀酸脫氫酶活性,降低胞漿鈣離子水平[16]。研究表明,在分離的大鼠腦線粒體中,Hup A除了改善Aβ誘導的線粒體呼吸功能下降、三磷酸腺苷(ATP)合成減少、線粒體呼吸鏈酶失活和跨膜電位的降低,還能有效防止Aβ誘導的線粒體腫脹、活性氧(ROS)過度生成和細胞色素c釋放[17]。Gao等[18]研究發現用Hup A孵育2h,不僅減弱了PC12模型細胞中由Aβ引起的細胞氧化應激損傷,而且未受傷害的正常細胞中的ATP濃度升高和ROS生成減少。上述結果表明Hup A能提高細胞的抗氧化能力,在治療AD中起一定的作用。

3 對中樞神經遞質的調控作用

3.1 膽堿能神經傳遞系統 Hup A是一種高選擇性的可逆性膽堿酯酶抑制劑,易通過血腦屏障,其抑制方式是典型的混合型抑制,兼顧競爭性和非競爭性,抑制作用明顯優于加蘭他敏、多奈哌齊和他克林[19]。Hup A通過與AChE可逆性結合,減少乙酰膽堿(ACh)的水解,使神經突觸間隙的ACh含量明顯升高,并通過激活突觸后膜上的N受體,興奮膽堿能神經元,增強學習記憶相關腦區神經元的興奮性,從而增強學習記憶能力,改善認知行為功能[20-21]。有研究表明,Hup A對丁酰膽堿酯酶(Butyrylcholinesterase, BuChE)抑制作用較弱,因此外周ACh水平升高作用不明顯,從而減少了惡心、嘔吐等外周膽堿能不良反應[22]。

3.2 單胺類神經傳遞系統 中樞神經系統是一個復雜的網絡,其中某一神經傳遞系統通常會干擾其他神經傳遞系統。研究表明ACh系統與去甲腎上腺素(Noradrenalin, NA)系統、多巴胺(Dopamine, DA)系統之間存在相互作用,共同影響學習和記憶能力。這些神經傳遞系統的失調可能會導致各種神經系統退行性疾病,包括AD[23]。Liang等[24]應用清醒大鼠雙探針腦微透析及高效液相色譜電化學檢測技術研究表明,口服Hup A顯著提高大鼠中前額葉皮層及腹側海馬內ACh水平和中前額葉皮層突觸間隙DA及NA水平,但對5-羥色胺水平沒有影響,對DA的作用強于NA,但對二者的作用峰值及作用持續時間均弱于對ACh的作用。總而言之,細胞外ACh含量的升高可能同時會引起NA和DA含量的升高,因此Hup A可以通過提高患者腦組織內的ACh及NA、DA等神經遞質的水平,發揮對受損神經的保護作用。

3.3 谷氨酸(glutamate, Glu)介導的興奮性神經傳遞系統 Glu是大腦中最豐富的神經遞質,與長時程增強記憶的形成密切相關[25]。N-甲基-D-天門冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, NMDA)受體是Glu受體的一個亞型。NMDA受體介導的興奮毒性作用,主要有2個途徑:(1)由NMDA受體過度興奮介導的神經細胞遲發性損傷;(2)Glu超常釋放和蓄積造成促進NMDA受體通道的開放。二者都會導致細胞內Ca2+超負荷,引起神經元壞死[26]。AD患者腦內Glu水平過高提示存在NMDA受體的慢性激活[27]。Hup A作用于Glu介導的興奮性神經傳遞系統。有研究表明將神經元細胞用Hup A預處理45 min后暴露于NMDA,可以抑制NMDA誘導的毒性作用[28]。另外,Hup A選擇性抑制NMDA誘導電流,且與NMDA受體的變構調節位點的調節劑具有競爭作用[29]。這些結果表明Hup A具有拮抗NMDA受體的作用,可以減弱由Glu介導的興奮性細胞毒性。

4 調節神經生長因子信號

神經生長因子(nerve growth factor, NGF)是重要的神經細胞生長調節因子。年齡相關的基底前腦膽堿能神經元(BFCN)變性發生于AD早期,并且與AD的認知功能下降相關。大量的實驗已經表明,減少BFCN細胞體上的NGF水平,會導致神經元標記物的丟失和減少,酷似AD患者的典型病變[30]。在AD的終末階段,出現基底核區含ACh的皮質投影神經元的選擇性變性,可能與NGF及它的低親和力受體P75和高親和力受體TrkA三者之間的功能紊亂有關[31]。NGF增強了APP的非Aβ途徑,并減少APP/PS1轉基因小鼠腦中的Aβ生成[32]。然而,NGF不能穿過血腦屏障。因此,通過藥物刺激內源性NGF的產生,或通過研究能夠穿過血腦屏障的化合物來模擬NGF的活性是保護中樞神經系統的新途徑。Tang等[33]研究發現,Hup A可以顯著增加帶有軸突的PC12細胞的數量,但對細胞活力無明顯影響,還可以明顯上調NGF mRNA的水平和低親和力NGF受體p75的表達。同年,Tang等[34]通過H2O2介導的神經毒性細胞模型實驗進行進一步的探索,實驗結果表明Hup A通過TrkA介導的MAPK/ERK途徑來實現對NGF信號傳導的調節作用,該調節作用可以被K252α(與TrkA受體信號傳導活化相關的磷酸化抑制劑)和PD98059(MAPK/ERK抑制劑)所阻斷。結果表明,Hup A對神經細胞的保護作用由上調的NGF和NGF受體介導。

5 抑制神經細胞凋亡

有研究表明,Aβ的異常沉積、炎癥反應和氧化應激損傷均能夠促進神經細胞的凋亡,其中Aβ的直接神經毒性作用是最常見的原因[35]。Aβ的神經毒性可造成細胞活性下降、線粒體功能紊亂、引起細胞凋亡。在中樞神經系統中,核轉錄因子-κB(nuclear transcription factor-κB, NF-κB)的活化與神經細胞凋亡的易感性增加相關[36]。Hup A可通過阻止NF-κB核易位,抑制D-半乳糖誘導的神經血管損傷和血腦屏障功能障礙,從而抑制神經細胞凋亡[37]。另外,Hup A通過抑制Aβ1-42誘導的小膠質細胞炎癥反應,使神經干細胞在神經干細胞和小膠質細胞共培養系統中免受Aβ誘導的細胞凋亡[38]。

6 總結與展望

眾所周知,AD是一種多因素介導的致死性神經變性疾病,目前可用的藥物療法僅供姑息治療且療效有限。Hup A作為一種高效的AChE抑制劑,對APP代謝、多種神經遞質系統、NGF的調控作用和抗氧化、抗凋亡等作用刺激內源性保護過程,同時促進損傷結構的修復。因此,這種多重作用使Hup A成為治療AD的高效藥物。由于大多數神經變性疾病的主要特征在于與癥狀發展相關的進行性神經元丟失,Hup A的神經保護作用通過減緩神經變性過程,是否同樣有利于其他神經變性疾病,如帕金森氏病,肌萎縮性側索硬化或亨廷頓病等,還有待進一步探索和研究。

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