天麻素防治缺血性腦損傷的機制研究進展

程陽陽 孔維佳

[摘要] 天麻素是一種酚型糖苷類化合物，是中藥天麻的主要活性成分，臨床用于治療頭痛、頭暈、癲癇、驚厥等神經系統疾病。腦缺血是全球最重要的致殘致死性疾病之一，當腦部出現缺血時，首先導致氧氣和能量缺失，引發興奮性氨基酸的釋放、氧化應激、炎癥以及細胞凋亡等有害級聯反應，加重腦組織損傷。天麻素通過抑制興奮毒性，抗氧化，抗炎，抑制細胞凋亡，維護神經膠質細胞穩態，促進神經發生，保護血腦屏障完整性等途徑減輕缺血所致的腦損傷;通過多靶點、多層次調節腦缺血損傷的病理生理過程，為缺血性腦損傷的治療提供了一種新的思路。

[關鍵詞] 天麻素;缺血性腦損傷;氧化應激：炎癥;神經發生

[中圖分類號] R285? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）02（c）-0048-05

[Abstract] Gastrodin is a phenolic glycoside compound， which is the main active component of Gastrodiae Rhizoma. It is used in treatment of headache， dizziness， epilepsy， convulsion and other neurological diseases. Cerebral ischemia is one of the most important disabling and fatal diseases in the world. It leads to the loss of oxygen and energy， triggering the release of excitatory amino acids， oxidative stress， inflammation， cell apoptosis and other harmful cascade reactions， aggravating brain tissue damage. Gastrodin can reduce ischemic brain injury by inhibiting excitotoxicity， anti-oxidation， anti-inflammatory， cell apoptosis， maintaining glial cell homeostasis， promoting neurogenesis， and protecting the integrity of blood-brain barrier. It is suggested that gastrodine can regulate the pathophysiological process of ischemic brain injury by multi-target and multi-layer， providing a new idea for the treatment of ischemic brain injury.

[Key words] Gastrodin; Ischemic brain injury; Oxidative stress; Inflammation; Neurogenesis

腦卒中是一種高發病率、高死亡率、高復發率的中樞神經系統疾病，通常是由于局部腦血流受到暫時性或永久性阻塞引起，已成為全球僅次于缺血性心臟病的第二大死亡原因[1]。缺血性腦卒中，即缺血性腦損傷，約占腦卒中發病率的85%[2]。腦缺血后的級聯反應稱之為缺血瀑布，由初始的氧氣和能量缺失引起興奮性氨基酸釋放、氧化應激、炎癥以及細胞凋亡，加重腦損傷[3]。因此，干預腦缺血損傷后復雜的病理生理過程是治療缺血性腦損傷的重要途徑。

名貴中藥天麻為蘭科植物天麻Gastrodia elata Bl.的干燥塊莖，味甘，性平，入肝經，具有熄風止痙，平抑肝陽的作用[4]。天麻素是從天麻中提取的酚型糖苷類化合物，是天麻的主要活性成分之一，藥用價值較高且毒副作用小[5]。臨床適用于癲癇、失眠、頭痛、高血壓、老年癡呆、糖尿病等[6]。近年來國內外研究已證明天麻素在抗氧化、抗炎、抗凋亡、保護神經元等方面具有良好的活性[7]，能針對缺血性腦損傷的病理生理過程進行多靶點干預。本文就其抗缺血性腦損傷的研究作一綜述，以期為天麻素的研究開發和腦缺血疾病的治療提供理論依據。

1 抑制興奮毒性

興奮性氨基酸（EAA）毒性是EAA介導的一種特殊類型的神經毒性，谷氨酸（Glu）是大腦中的主要興奮性神經遞質，同時是缺血性腦損傷發生時的主要神經毒性物質。腦缺血后，細胞外Glu水平顯著增加，激活EAA受體，引起過量Ca2+流入神經元以及氧源自由基的異常產生[8]。此過程是最終引起細胞凋亡和壞死的始動因素，被認為是腦缺血再灌注損傷早期最主要的病理變化。EAA成為腦缺血后介導神經元退化的關鍵性遞質。Zeng等[9]通過建立原代海馬細胞氧/葡萄糖剝奪（OGD）模型，發現天麻素能夠顯著抑制OGD誘導的神經細胞死亡，并降低OGD后的細胞外Glu水平，抑制OGD誘導的Ca2+。

除Glu外，缺血后腦組織中還釋放出大量的其他神經活性物質。例如哺乳動物腦內主要的抑制性神經遞質γ-氨基丁酸（GABA）。抑制性氨基酸可以減輕EAA的毒性，減少腦缺血損傷，EAA和抑制性氨基酸之間的不平衡是加重缺血性腦損傷的原因之一。Bie等[10]采用腦微透析-高效液相色普聯用技術實時動態檢測大腦中動脈缺血（MCAO）大鼠紋狀體EAA與抑制性氨基酸的比值發現，術前給予大鼠腹腔注射天麻素，腦缺血后Glu與GABA的比值急劇增加，且保持在較高水平，再灌注后大鼠紋狀體內EAA和抑制性氨基酸含量均有不同程度的下降。然而，EAA的毒害作用更明顯。在腦缺血再灌注的整個過程中，天麻素組Glu與GABA比值遠低于模型組。提示天麻素可能通過抑制腦缺血過程中氨基酸，尤其是EAA的釋放減輕腦損傷。

2 對抗氧化應激損傷

氧化應激損傷是指組織內氧自由基累積，并能引起細胞內的生物大分子損傷和細胞凋亡。正常情況下，氧自由基能被體內天然的抗氧化系統徹底清除。組織缺血缺氧時，細胞能量代謝發生障礙，細胞內產生更多具有殺傷力的活性氧自由基（ROS）。同時，超氧化物岐化酶（SOD）的表達降低，進一步加重組織的自由基損傷[11]。大腦由于具有高代謝活性和含量極高的不飽和脂肪酸，對氧化還原狀態的變化非常敏感[12]，氧化應激伴隨內源性抗氧化防御機制受損在腦損傷導致神經元死亡的繼發事件中起重要作用。研究顯示天麻素預處理可改善線粒體氧化還原環境，減弱過氧化氫（H2O2）誘導的SH-SY5Y細胞線粒體功能障礙[13]。

Nrf2的激活在增強機體內源性抗氧化應激中起關鍵作用。生理條件下，胞漿中的Nrf2與其特異性受體Keap1形成穩定復合物，抑制Nrf2活性。當腦缺血發生時，急性氧化應激使Nrf2與其受體解離并發生核轉位，與特定蛋白質結合后激活抗氧化反應元素（ARE）或親電子反應元件（EpRE），激活下游抗氧化酶或Ⅱ相解毒酶基因，如SOD、血紅素加氧酶-1（HO-1）等，啟動抗氧化系統的功能，減輕機體損傷[14]。Peng等[15]研究發現，MCAO大鼠腦組織SOD活性顯著降低，丙二醛（MDA）濃度大大增加，而天麻素預處理可逆轉這一情況。進一步研究發現，天麻素抗氧化作用是通過激活體內AKT/Nrf2/HO-1通路發揮作用。在腦缺血損傷的體外研究中，曹韋等[16]建立H2O2損傷大鼠腦皮層神經元模型，同時給予不同濃度的天麻素溶液，測定天麻素對氧自由基的清除能力。結果顯示天麻素可增加SOD濃度，提高自由基清除率，劑量依賴性地提高對黃嘌呤氧化酶的抑制作用，具有外源性“自由基清除劑”的作用。

3 抑制細胞凋亡

細胞凋亡是程序性細胞死亡的過程。氮氧自由基的產生、細胞能量代謝紊亂、線粒體功能障礙等均可誘導細胞凋亡，所有凋亡通路最后都匯集到下游的效應因子caspase[17]。活化的caspase降解各種細胞成分并激活核酸酶，最終導致細胞凋亡。在真核細胞中，激活的caspase-3是細胞凋亡執行者和重要標志物。Liu等[18]研究發現，天麻素預處理可以降低活化的caspase-3，抑制MCAO大鼠海馬及皮層神經元丟失和細胞凋亡。

Ca2+是各種細胞代謝途徑中的第二信使，在調控細胞功能，如分化和生長、膜興奮性、胞吐作用和突觸活動中具有重要作用。鈣調蛋白依賴性激酶Ⅱ（CaMKⅡ）是Ca2+介導的信號通路中的重要分子，磷酸化的CaMKⅡ可激活ASK1-p38 MAPK，通過氧化應激誘導細胞凋亡。Jiang等[19]研究發現，天麻素可抑制Glu誘導的Ca2+進入PC12細胞，降低CaMKⅡ依賴的凋亡前級聯信號，即ASK-1/p38/p53的反應。此外，天麻素還可以減少caspase-3的活化，降低細胞中bax/bcl-2比值，減少細胞凋亡。

4 減輕炎癥級聯反應

炎癥是一個逐級擴大的級聯反應，貫穿于腦缺血發生發展的整個過程，炎癥介質對這一反應起放大效應。體內外研究顯示，核因子-κB（NF-κB）是調節炎性因子釋放的重要途徑之一[20-21]。腦缺血發生后，受損腦細胞釋放的損傷相關分子模式（DAMPs）可作為Toll樣受體的配體，誘導膠質細胞的活化以及免疫細胞浸潤，進一步加重免疫炎性反應和腦損傷[22]。小膠質細胞激活及其介導的促炎介質產生，在不同的中樞神經系統疾病中起重要作用。

在體外研究中，Dai等[23]通過對脂多糖（LPS）誘導的炎癥小膠質細胞的研究發現，不同濃度的天麻素預處理顯著降低LPS誘導的一氧化氮合酶（iNOS），環氧合酶（COX-2），腫瘤壞死因子-α（TNF-α），白細胞介素-1β（IL-1β）和NF-κB的mRNA轉錄表達水平和蛋白質合成，具有抗炎作用。NF-κB和反應元件結合蛋白（CREB）是這些炎癥介質表達的重要調節因子，NF-κB的活化過程包括磷酸化的內源性抑制劑IκB-α降解和NF-κB核轉位，CREB磷酸化可促進基因的轉錄表達。天麻素可抑制LPS誘導的BV-2細胞中NF-κB/RelA蛋白和mRNA表達，以及IκB-α、CREB、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）磷酸化，提示天麻素通過抑制NF-κB信號傳導途徑和MAPK磷酸化而發揮其抗炎作用，但各調控機制之間的聯系仍有待闡明。Liu等[24]采用缺血缺氧大鼠模型和LPS誘導的BV-2小膠質細胞發現，天麻素可通過抑制腎素-血管緊張素系統（AT2和SIRT3除外）和促炎介質，尤其是小膠質細胞中活化的TNF-α，對缺氧缺血性腦損傷發揮保護作用。

5 維護神經膠質細胞穩態

中樞神經系統中的膠質細胞主要包括星形膠質細胞、小膠質細胞、少突膠質細胞，是數量最多的一類細胞。生理狀態下，在能量供應，血流調節，維持腦組織內環境穩態，維護腦內神經突觸可塑性以及大腦認知功能等方面具有重要作用。腦缺血發生后，神經膠質細胞被激活，反應性星形膠質細胞既具有保護神經元的作用，同時也能分泌細胞毒因子、補體蛋白而損害神經元，其作用取決于疾病的病理進程[25]。激活的小膠質細胞一方面，可吞噬清除受損組織，合成和分泌多種神經營養因子，發揮神經保護作用[26];另一方面，通過分泌促炎細胞因子、活性氧、蛋白水解酶類誘導炎癥和細胞凋亡，加劇腦損傷。Wang等[27]采用LPS所致的急性炎癥星形膠質細胞模型驗證了天麻素的神經保護作用。LPS引起星形膠質細胞過度自噬，天麻素治療后，通過激活細胞中的PI3K-AKT-mTOR信號通路下調自噬表達，逆轉LPS誘導的星形膠質細胞谷氨酰胺合成酶活性下調，提示天麻素可通過維持生理穩態間接保護神經元。

S100β蛋白是中樞神經系統特異性表達的一種酸性鈣結合蛋白。缺血性腦損傷可誘導S100β表達增加，表現出復雜的生理病理作用。S100β能促進促炎型、抑制抗炎型小膠質細胞極化，釋放更多的炎癥介質，促進圍梗區炎癥細胞的浸潤，過度激活的膠質細胞釋放更多的S100β，加劇腦缺血損傷，是缺血性腦損傷神經膠質細胞和神經元損傷的標志物[28]。對MCAO模型大鼠給予天麻素預處理，在腦缺血再灌注早期，S100β表達顯著降低[29]，提示抑制腦缺血損傷后S100β的表達和膠質細胞的活化，可能是天麻素發揮神經保護的重要途徑。

6 促進神經發生

成人中樞神經系統的神經前體細胞（NPSCs），主要分布在側腦室室下區（SVZ）和海馬齒狀回顆粒下區（SGZ），具有自我更新和分化為神經元、膠質細胞的能力。腦損傷后，成神經細胞向受損區域遷移并分化為成熟神經元，整合到神經網絡，為腦組織提供內源性神經修復，對腦損傷具有潛在的治療作用，但這種修復能力是有限的[30]。研究者們通過外源性的神經干細胞和前體細胞（NSPs）植入及內源性的NSPs激活兩種途徑增強神經功能的修復[31]。何珊珊等[32]研究發現，天麻素可增加腦缺血再灌注小鼠的海馬新生神經元的數量，可能是通過上調雙皮質素（DCX）的表達，促進新生神經元的增殖和分化發揮神經保護作用。有研究顯示，腦源性神經營養因子（BDNF）及其受體TrkB可促進大腦神經發生[33-34]。天麻素治療可以提高腦缺血再灌注大鼠海馬BDNF/TrkB的含量，提示天麻素發揮神經保護作用可能與BDNF/TrkB促神經發生有關[35]。

Wnt/β-Catenin信號通路可以增強neurogenin2（Ngn2）、Pax6、Tbr2等促神經發生因子的表達，阻斷Wnt信號抑制大鼠神經祖細胞（NPC）的增殖和分化，與腦神經密切相關[36]。Qiu等[37]研究發現，天麻素顯著促進缺血性腦損傷后DCX陽性神經母細胞的形成，增強腦缺血后的神經發生，有助于腦卒中后功能的恢復。進一步研究發現，可能與Wnt3及β-Catenin的表達增強有關。神經軸突生長抑制因子A（NogoA）及其受體NgR形成的受體復合物是中樞神經系統重要的神經纖維生長抑制劑。李懷斌等[38]研究發現，MCAO大鼠腦中央杏仁核（CeA）內NogoA/NgR的表達顯著增加，單一的天麻素或電針干預均能降低NogoA/NgR的表達，拮抗其神經抑制作用，促進神經纖維的增長和神經功能的恢復。

7 總結

除以上總結的作用機制外，天麻素還可以保護血腦屏障的完整性。在臨床試驗中，天麻素注射液能夠改善腦卒中患者的認知障礙和運動功能[39]。提示天麻素在體內外的腦缺血損傷試驗中表現出良好的生物活性，作用機制廣泛，涉及疾病發生發展過程的各個環節，為其多靶點治療缺血性腦損傷奠定了藥理學基礎。然而，目前相關的臨床試驗相對稀缺，因此，需要更可靠的臨床試驗來證實天麻素的藥用價值。盡管如此，天麻素對有效治療缺血性腦損傷呈現出巨大潛力，是值得被開發的寶貴中藥資源。

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（收稿日期：2019-06-21? 本文編輯：劉明玉）