芹菜素對神經細胞保護作用研究進展

孫勝楠，張友源，金少瑾，朱云峰，徐翠翠，馬 鶯,2，盧衛紅,2,*

（1.哈工大機器人（山東）智能裝備研究院，生物健康工程研究所，山東 濟南 250200；2.哈爾濱工業大學化工與化學學院，黑龍江 哈爾濱 150090）

4’,5,7-三羥基黃酮，又名芹菜素，分子式為C15H10O6，屬于黃酮類化合物，與山柰酚、槲皮素相比具有低毒、無誘變性等特點，廣泛存在于多種蔬菜、水果、豆類和茶葉中，在芹菜（Apium graueolens）（其中本芹含量最高1 787 mg/kg，以干質量計，下同）、甘菊（Matricaria chamomilla）（8 400 mg/kg）和枸杞葉（Lycium chinense）（（547.00±0.07）mg/kg）中含量較高[1-2]。芹菜素為淺黃色或黃綠色，不溶于水，溶于稀KOH溶液，易溶于熱乙醇[3]。芹菜素分子結構如圖1所示，其4’、5、7位3 個羥基和2、3位雙鍵可以與自由基結合，具有清除自由基能力[3-4]，其5、7位羥基可以螯合金屬離子，抑制氧化自由基的產生，從而決定了芹菜素的抗氧化活性[3]；此外，芹菜素還具有抗炎、殺菌等多種藥理活性[5-7]。芹菜素具有舒張動脈血管、降血壓功效[8]。芹菜素在抗腫瘤方面也有報道，芹菜素可以通過誘導細胞凋亡和自噬、誘導細胞周期阻滯、抑制腫瘤細胞遷移與侵襲、刺激免疫系統等多種途徑，抑制胰腺癌、卵巢癌、肺癌等疾病[7,9-10]。用芹菜素處理人類胚胎干細胞和神經前體細胞后，其可以通過雌激素受體和維甲酸受體信號通路促進多功能干細胞向神經元的功能分化，促進神經元的分化和彼此連接，提高神經系統的可塑性，這也說明芹菜素具有良好的神經元保護作用[11]。芹菜素能夠快速透過血腦屏障進入腦部[12]，對阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）、腦缺血、抑郁癥等多種神經系統疾病有潛在的治療作用[13-17]。

本文綜述了芹菜素對神經細胞保護作用及其在神經系統疾病發病和改善過程中的相關機制，以期闡明芹菜素在中樞神經系統中的保護作用，為芹菜素作為功能性食品配料提供理論參考。

1 芹菜素的神經細胞保護作用機制

神經系統疾病是指發生于神經系統的，以感覺、運動、意識和植物神經功能障礙為主要表現的疾病。神經系統疾病主要通過氧化應激、神經炎癥等多種機制造成神經元的損傷[18-19]。研究表明芹菜素由于具有抗氧化、抗炎等活性，對中樞神經系統具有保護作用，并能改善神經退行性疾病、抑郁癥和腦缺血等神經系統疾病[1,17,20]。

1.1 神經系統疾病氧化應激機制及芹菜素的抗氧化作用

由于大腦富含不飽和脂肪酸和較多氧化還原活性的金屬離子（如Fe3＋、Cu2＋），這些金屬離子可催化過氧化氫、超氧化物自由基通過Fenton反應產生氧自由基，使得腦細胞很容易受到氧化應激的損傷。氧自由基的大量增加可以導致神經細胞脂質過氧化，細胞膜細胞器損傷，生物大分子結構改變和細胞成分功能受損，進而增加血腦屏障的通透性，導致神經元的損傷甚至死亡[21-22]。機體內存在兩種自由基清除系統，包括抗氧化酶類和小分子抗氧化劑。抗氧化酶類包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽過氧化物酶和乙二醛酶，小分子抗氧化劑包括谷胱甘肽（glutathione，GSH）、抗壞血酸和褪黑素等，它們能夠清除氧自由基并抑制體內氧化應激的發生[22]。衰老及其相關疾病如AD等的發生與氧化應激密切相關，衰老大腦內RNA和線粒體DNA受到羥基化、羰基化或硝基化氧化應激損傷，發生DNA鏈斷裂，8-羥基脫氧鳥苷和8-羥基鳥苷水平升高[23-25]；氧化應激和蛋白聚集為神經退行性疾病的共同病理特征，研究表明氧自由基能夠誘發蛋白的不正常聚集，而聚集的蛋白又會進一步加劇氧化應激[26-27]；抑郁癥、焦慮癥等一些精神疾病也與氧化應激密切相關[18,28]，在一些抑郁癥患者腦細胞內發現氧自由基水平升高，抗氧化劑GSH水平降低[29]。

作為一種抗氧化劑，芹菜素能通過直接清除或降低神經細胞內活性氧水平或降低脂質氧化終產物丙二醛含量，提高SOD、CAT活力和GSH等抗氧化因子水平，抑制氧化應激對神經細胞的毒害作用[30-32]，并且能通過螯合金屬鐵離子、降低游離鐵離子的水平從而保護神經元細胞[33]。Siddique等[16]通過轉基因PD果蠅模型證實芹菜素能夠上調GSH水平，減少蛋白羰基含量和脂質過氧化，還能作為單胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）抑制劑抑制MAO活力，減弱氧化應激，保護多巴胺能神經元，恢復PD果蠅多巴胺水平，延長其壽命。

線粒體是細胞內氧自由基產生的主要來源[34]。氧自由基的大量生產導致線粒體膜電勢降低，這種線粒體膜電勢的去極化會導致細胞因子的釋放，如細胞色素c由膜間間隙釋放到細胞質。細胞色素c等凋亡因子觸發Caspase家族，誘導細胞凋亡[34-35]。線粒體凋亡是細胞凋亡的主要通路之一，Bcl-2家族蛋白包括抗凋亡蛋白（如Bcl-2蛋白）和促凋亡蛋白（如Bax蛋白），在線粒體凋亡通路中發揮著重要作用[36-37]。細胞凋亡早期級聯反應的細胞存活主要取決于抗凋亡和促凋亡蛋白的平衡[38]，因此Bcl-2和Bax蛋白比值是調控細胞凋亡的關鍵因素[39]。1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP）作為一種神經毒素能夠顯著降低神經細胞中蛋白Bcl-2/Bax比值，從而促進細胞的凋亡，而芹菜素能夠上調Bcl-2蛋白表達、下調Bax蛋白的表達，抑制了MPTP的促凋亡效應[40]。另外芹菜素還能夠直接作用于Caspase通路，阻斷Caspase-3蛋白激活，阻止神經元的凋亡[31]。

1.2 神經系統疾病炎癥機制及芹菜素的抗炎作用

神經炎癥是神經系統為抵抗內部或外部刺激包括自身免疫、感染和損傷等發生的炎癥反應[41]。膠質細胞對中樞神經系統的防御和組織修復有重要意義，與神經炎癥密切相關[42-43]。其中星形膠質細胞是哺乳動物腦內分布最廣泛的一類膠質細胞，對腦內穩態至關重要。星形膠質細胞能夠為神經元分泌神經營養因子和生長因子，促進突觸形成和調節其可塑性，并能夠通過維持離子和神經遞質的細胞外水平調節神經興奮性和神經傳遞[41]。星形膠質細胞還參與血腦屏障的形成[19]。當中樞神經系統受到創傷、神經退行性病變、感染等內源性或外源性刺激時，血腦屏障通透性增加，神經系統固有免疫細胞小膠質細胞被激活，分泌炎癥因子如白細胞介素（interleukin，IL）-1β、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）引發神經炎癥，而慢性持續的神經炎癥能夠對神經元細胞產生毒性作用，介導神經萎縮甚至神經元死亡[44-46]。

細胞因子或外部刺激如脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）、缺血再灌注等均可激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路，進一步促進細胞因子的合成與分泌，進而加重神經炎癥[47]。芹菜素能夠阻止炎癥級聯反應，抑制細胞因子的釋放，從而減輕神經炎癥對神經細胞的毒害作用。Ha等[15]利用大腦中動脈閉塞小鼠模型發現芹菜素能夠通過抑制MAPK p38和c-Jun N末端蛋白激酶的磷酸化阻止MAPK信號通路的激活，從而抑制炎癥因子NO和前列腺素E2的分泌，減輕神經炎癥，進而減小短暫腦缺血引起的腦梗死面積。

核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）是調控炎癥反應的重要轉錄因子，NF-κB被激活后由細胞質進入到細胞核內，繼而激活促炎因子如誘導性一氧化氮合酶（induced nitric oxide synthase，iNOS）、IL-1β、IL-6、TNF-α等的轉錄[48-49]。芹菜素能夠通過抑制NF-κB信號通路的激活抑制炎癥因子IL-6、IL-1β和TNF-α的分泌發揮神經保護作用[50]。魚藤酮誘導PD模型小鼠腦內NF-κB的表達水平升高，促炎因子iNOS、IL-6、TNF-α水平升高，導致神經元受損，而連續14 d腹腔注射芹菜素（20 mg/kg）后模型小鼠腦內NF-κB表達水平明顯下降，炎癥細胞因子的水平基本回歸正常[51]。此外，芹菜素還能夠使小膠質細胞細胞周期阻滯在G2/M期，誘導細胞凋亡，從而抑制小膠質細胞過度活化導致的神經炎癥反應[52]。

2 芹菜素在神經系統疾病中的作用

2.1 芹菜素在AD中的作用

β淀粉樣蛋白經由β位淀粉樣前體蛋白裂解酶1（β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1，BACE1）和γ分泌酶裂解淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）產生，在AD中，β淀粉樣蛋白異常聚集會導致淀粉樣老年斑的形成，并引起腦源性神經營養因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）等神經營養因子的缺失，損壞正常的突觸功能和認知功能，而芹菜素和槲皮素具有較強的抗β淀粉樣蛋白聚集活性[53-55]。β淀粉樣蛋白對神經系統的毒性作用機制包括氧化應激、神經炎癥等[56-57]。體外實驗表明β淀粉樣蛋白處理的大鼠腦皮層神經元死亡率增加，而芹菜素的加入能夠通過抑制Caspase-3的激活和細胞色素c的釋放抑制神經細胞死亡[13]。

研究表明芹菜素對于AD有潛在的治療作用[1,50,58-59]。芹菜素能夠通過下調APP/早老素1雙轉基因AD模型小鼠腦內BACE1水平，減少β淀粉樣蛋白的產生，緩解不溶性蛋白沉積，減弱β淀粉樣蛋白引起的神經毒性作用[60]。AD模型小鼠認知功能減退與BDNF水平的下降密切相關。芹菜素能夠上調BDNF的表達，恢復細胞外信號調節激酶/BDNF信號通路對神經發生和生長的促進作用和受損神經細胞的修復，進而對學習和記憶功能缺陷有良好的改善作用[60]。

AD患者神經遞質系統中，膽堿能系統受損可導致乙酰膽堿水平降低，進而導致認知功能障礙。乙酰膽堿酯酶能夠通過水解乙酰膽堿降低其在神經系統中的含量。β淀粉樣蛋白25-35誘導AD模型小鼠口服芹菜素（20 mg/kg）后，乙酰膽堿酯酶活力減弱，乙酰膽堿水平提高，其認知功能得到改善[61]。AD患者血腦屏障通透性增加可能與腦細胞間緊密連接功能被破壞和封閉蛋白下調有關[62-63]，芹菜素處理之后，封閉蛋白水平有所恢復，維持了血腦屏障的完整性[61]。因此芹菜素通過多種機制改善了AD病理癥狀。

2.2 芹菜素在PD中的作用

PD患者黑質致密部神經元中α-突觸核蛋白異常聚集形成纖維能夠導致神經元的壞死和凋亡[64]。神經毒素魚藤酮和MPTP由于能引起小鼠多巴胺能神經元變性并誘發PD癥狀。用MPTP處理大鼠腎上腺嗜鉻細胞瘤細胞（PC12細胞）后，細胞發生氧化應激，細胞凋亡顯著增加，說明氧化應激與MPTP神經毒性導致的細胞凋亡密切相關[65]。而芹菜素能夠顯著降低MPTP誘導的氧自由基產生，阻止線粒體膜電位的下降，抑制線粒體途徑的神經細胞凋亡[66]。MPTP和魚藤酮誘導的PD模型小鼠腦黑質均能降低神經膠質細胞源性神經營養因子（glial cell linederived neurotrophic factor，GDNF）和BDNF的表達水平，引發模型小鼠運動缺陷[67]，芹菜素能夠顯著上調魚藤酮誘導的PD模型小鼠腦內GDNF和BDNF的表達，促進多巴胺能神經元和運動神經元的存活和修復，改善旋轉行為等相關行為活動的損傷[51]。Patil等也發現芹菜素和木犀草素能通過抵抗氧化損傷、神經炎癥，減弱小膠質細胞活化，以及上調神經營養素來保護多巴胺能神經元[68]。

魚藤酮誘導PD小鼠模型中酪氨酸羥化酶（tyrosine hydroxylase，TH）和多巴胺受體D2表達水平降低，多巴胺分泌減少，神經遞質的傳遞受到抑制，并且與PD病程發展相關[69]。Anusha等發現對PD模型小鼠腹腔注射芹菜素（10 mg/kg）后，TH蛋白和D2受體的表達水平分別提高了44%和39.9%，促進了多巴胺的合成與傳遞[51]。

2.3 芹菜素在抗抑郁癥中的作用

抑郁癥是一種常見的心理障礙精神類疾病[70]。目前關于抑郁癥的發病機制主要包括單胺缺乏、神經營養因子分泌減少、下丘腦-垂體-腎上腺軸亢進、神經炎癥等[70]。單胺缺乏即抑郁癥患者大腦中多種單胺能神經遞質（如去甲腎上腺素、5-羥色胺和多巴胺）的水平降低[71]。Nakazawa等在行為絕望小鼠模型中發現芹菜素能夠調控去甲腎上腺素、多巴胺和5-羥色胺水平，具有抗抑郁作用[72]。對模型小鼠分別按照12.5、25 mg/kg劑量腹腔注射芹菜素后，小鼠在強迫游泳實驗中靜止時間顯著縮短，25 mg/kg劑量的芹菜素處理后杏仁體多巴胺水平升高，抑郁癥狀緩解。此外，D2受體拮抗劑氟哌啶醇能夠明顯減弱芹菜素的抗抑郁功效[72]。該研究表明芹菜素能夠通過調控多巴胺水平起到抗抑郁的作用。

BDNF是中樞神經系統中含量最多、分布最廣的一類神經營養因子。臨床證據表明BDNF水平降低與抑郁癥的發生發展密切相關[73-74]。Weng Lianjin等[75]在皮質酮誘導抑郁樣小鼠模型腦中發現BDNF水平和蔗糖偏好降低，強迫游泳實驗中靜止時間延長，并且小鼠腦部海馬體BDNF水平降低。服用芹菜素后，這一現象得到逆轉，BDNF水平明顯升高，抑郁癥狀得到緩解，這說明芹菜素可通過調控BDNF水平起到抗抑郁作用。并且芹菜素降低了血清皮質酮濃度，減輕了皮質酮對神經元的毒害作用[75]。炎癥反應在抑郁癥病程進展中發揮著重要作用[76]。芹菜素能夠抑制LPS誘導的NF-κB激活，減少神經系統中炎性因子分泌，因此芹菜素能夠通過調控NF-κB信號通路起到抗抑郁作用[77]。

2.4 芹菜素在其他中樞神經系統損傷中的作用

氧化應激和神經炎癥是中樞神經系統繼發性損傷的主要病理機制；而芹菜素通過降低丙二醛含量，提高SOD活力和GSH水平，并且減少IL-1β、TNF-α等炎癥因子水平，緩解氧化應激和神經炎癥帶來的神經系統繼發性損傷；還能夠通過調節Caspase-3/Bcl-2/Bax信號通路阻止神經細胞的凋亡，從而促進脊髓損傷后神經系統的恢復[78]。通過對腦出血研究發現，氧化應激在腦出血后引起的早期腦損傷發病機制和血腦屏障破壞過程中起著至關重要的作用[79-80]。在采用血管內穿刺法誘導蛛網膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）小鼠模型中，氧化應激水平明顯升高，腹腔注射芹菜素（20 mg/kg）后SAH小鼠體內氧自由基、丙二醛水平明顯下降，抗氧化物GSH、CAT和SOD的水平顯著升高，顯著緩解了SAH后早期腦損傷，包括神經系統缺陷、腦水腫、血腦屏障通透性改變等[81]。氧化應激引發了Caspase信號級聯反應，即激活Caspase-3進而上調Bax蛋白的表達促進神經細胞凋亡，而芹菜素能夠逆轉這一變化，阻止腦出血后神經細胞的損傷和凋亡[81]。

此外，芹菜素能夠作為組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDACs）抑制劑延緩認知功能減退[20]。認知功能障礙是腦缺血等神經系統疾病重要的病理特征之一[82]。研究表明組蛋白乙酰化介導的基因表達調控在認知功能中起著重要的作用[83]。學習記憶中一個重要的過程是染色質的重塑，組蛋白乙酰化轉移酶可使核小體疏松，促進基因轉錄，有利于突觸重塑和認知功能的改善，而HDACs可使基因沉默，抑制基因轉錄，兩者的協調作用維持機體長期記憶[83]。Tu Fengxia等[83]證明在小鼠大腦中動脈閉塞模型中，芹菜素預處理可降低HDACs的水平，抑制組蛋白H3、H4的乙酰化，此外芹菜素還可上調與學習記憶相關的突觸蛋白Syn-I和BDNF的表達，提示芹菜素能夠改善腦缺血再灌注損傷后的認知功能障礙。

3 結 語

芹菜素作為一種黃酮類化合物具有較高的藥用價值。芹菜素具有良好的抗氧化、抗炎活性，并且能夠透過血腦屏障對神經細胞起到保護作用，大量動物實驗表明芹菜素能夠通過多靶點、多通路潛在改善神經退行性疾病、腦缺血、抑郁癥等多種神經系統疾病，在治療神經系統疾病方面具有潛在前景，但是目前關于其神經細胞保護機制研究還不夠透徹，特別是缺乏臨床實驗的證據，另外關于抗氧化和抗炎作用基因水平調控方面機制研究缺乏，還需進一步深入。生物科學及其技術手段的進步，為進一步闡明芹菜素的神經細胞保護作用機制以及其在神經系統疾病中的應用帶來新的突破。