姜黃素對神經系統疾病的作用機制研究進展

張曉璐，呂邵娃，李永吉

(黑龍江中醫藥大學，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、免疫調節等而備受關注[1]。Cur對大腦關鍵區域信號轉導的調控影響了多個神經遞質系統，研究表明，Cur不僅通過靶向氧化應激、清除自由基、內源性與外源性凋亡以及小膠質細胞激活和其他膠質細胞等多種關鍵途徑，抑制神經元死亡，還可以減少多種疾病損傷和神經毒性化合物造成的神經元損失[2]。Cur可以保護中樞神經系統的細胞免受局部缺血引起的線粒體功能障礙和神經退行性疾病的發作。Cur通過抑制神經元凋亡減輕腦損傷，還可對抗氧化酶的激活和線粒體產生的協同效應。Cur神經保護作用的機制還包括活化和誘導神經炎性介質如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素1β(IL-1β)、環氧合酶2(COX-2)、前列腺素(PGE2)等[3]。

1 姜黃素對神經系統的作用

1.1 抗氧化

慢性進行性神經系統疾病可誘發炎癥、氧化應激、脂質過氧化、DNA損傷、氧化蛋白產物[4]。氧化應激也與腦組織中錯誤折疊蛋白聚集的誘導有關。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可穩定大腦抗氧化酶系統，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-轉移酶(GST)[5]；保護細胞免受脂質過氧化、DNA損傷、蛋白質氧化或蛋白質羰基化[6]。

1.2 抗炎

Cur是一種有效的抗炎藥物，可下調多種神經炎癥標志物蛋白，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寡聚體和原纖維結合[9]，還可與其他淀粉樣蛋白結合，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 調節分子伴侶的活性

細胞蛋白質的質量是由一組稱為分子伴侶的蛋白質控制，它們對于將未展開或錯誤折疊的蛋白質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系統疾病中下調[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保護作用[12]。

1.5 增加神經營養因子

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

1.6 金屬螯合劑

重金屬在不同的神經系統疾病中可誘導錯誤折疊的蛋白聚集和ROS的產生[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毒性,Cur還能有效地與Cu、Fe、Zn結合，使其無法誘導淀粉樣蛋白聚集。

2 姜黃素對神經性疾病的作用機制

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的神經退行性疾病，其特征是神經行為異常，早期記憶缺陷，認知和智力功能逐漸下降，最終導致癡呆。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蛋白在細胞內以神經纖維纏結(NFT)的形式沉積。這些異常或錯誤折疊蛋白的積累是導致許多腦區突觸缺陷、神經元損失、氧化損傷和神經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營養因子、PI3K/Akt、TNF和TLR信號通路，它們與神經元生長和存活、炎癥和免疫反應密切相關。作為一種多因素疾病，AD可以通過多靶點治療得到適當的控制。Cur可以抑制磷酸化早老蛋白1的激酶(GSK-3β)，通過抑制GSK-3β介導的PS1激活從而減少Aβ的產生;Cur還能誘導熱休克蛋白，參與Tau蛋白的聚集體清除。此外，Cur可以減少現有的纏結，并可以改善Tau依賴的行為缺陷;Cur抑制脂質過氧化，進而減少淀粉樣蛋白積累和氧化應激介導的神經毒性。一些體內研究也表明了Cur可介導對Aβ誘導的神經毒性和記憶損傷的神經保護作用，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神經退行性疾病，其特征是運動遲緩、震顫、僵硬和步態姿勢異常。黑質致密部(SNpc)中多巴胺能神經元的逐漸選擇性退化，以及黑質-紋狀體通路中多巴胺(DA)水平的隨后下降也與PD相關[19]。PD的主要病理特征是在路易小體(LBs)的神經元內包涵體中存在由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神經元退化[20]。Cur還可降低氧化應激、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通過激活轉錄因子EB促進細胞自噬，從而減少細胞死亡和神經毒性[22]。Cur通過抑制單胺氧化酶的活性，從而恢復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減輕神經炎癥來保護大腦中的DA神經元，還可以抑制JNK通路并通過凋亡阻止多巴胺能神經元的丟失[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)作為細胞內聚集物的異常積累，導致選擇性神經元損失，主要發生在皮層和紋狀體的中型多棘神經元。谷氨酸興奮性毒性、線粒體功能障礙、蛋白質降解受損、蛋白質錯誤折疊、caspase激活、轉錄通路失調、蛋白酶體功能下降和蛋白質水解異常是導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，降低氧化應激，恢復琥珀酸脫氫酶活性[26]。此外，HD中下調的腦源性神經營養因子(BDNF)也通過Cur治療得以恢復。JANA等[27]研究了Cur通過損傷泛素-蛋白酶體系統來誘導細胞凋亡，抑制JNK通路，通過凋亡防止多巴胺能神經元損失。實驗證明，將Cur暴露于N2a細胞中會導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、向細胞質中釋放細胞色素C、激活caspase-9和caspase-3來誘導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系統紊亂[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，減少神經膠質細胞的活化，減輕氧化應激，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含量發揮抗驚厥作用。另外，Cur降低了戊四唑誘導的點燃小鼠的腦勻漿中的MDA含量并增加了GSH水平，還可顯著預防海藻酸誘導的癲癇發作和氧化應激[29]。在動物研究中，Cur的慢性治療通過阻斷神經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可顯著下調慢性癲癇戊四唑模型的皮質和海馬中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膠質活化。補充Cur可減輕戊四唑治療的癲癇大鼠海馬和皮質中ROS、脂質過氧化物、蛋白質羰基化合物和線粒體功能障礙的產生[31]。Cur可明顯逆轉海藻酸鹽誘導的大鼠顳葉癲癇。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[32]。Cur預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系統疾病，但是抑郁癥患者經常會出現焦慮癥等癥狀，例如煩躁不安，神經質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，調節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，增加神經營養因子，促進神經元生長，增加神經保護，減少神經炎癥，細胞凋亡和氧化應激[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激狀態下的抑郁表型，即降低腎上腺與體質量的比例，降低血清皮質酮水平，降低腎上腺皮質厚度以及上調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N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)亞基GluN2B的活化，從而產生類似抗抑郁藥的作用[37]。

2.6 多發性硬化癥

多發性硬化癥(Multiple sclerosis,MS)是神經系統中的一種慢性自身免疫性神經退行性疾病，其基本發病機制是免疫系統攻擊有髓鞘纖維，導致神經傳導延遲，對神經纖維和神經元造成永久性損傷。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、協調和平衡困難、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)反應淋巴細胞的積累，下調TGF-β、IL-6、IL-17、IL-21、RAR相關孤兒受體γ(RORγt)、STAT3的表達[38]。Cur通過抑制線粒體和內質網應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元的死亡[39]。星形膠質細胞的激活促進神經炎癥和多發性硬化的發展，Cur通過抑制抗炎介質如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]。軸突變性是多發性硬化癥的特征性病理特征，主要由一氧化氮的過量產生、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磷酸化的產生來保護神經元軸突。

2.7 脊髓損傷

脊髓損傷(Spinal cord injury,SCI)是一個復雜的病理過程，包括炎癥反應導致星形膠質細胞形成膠質瘢痕，嚴重阻礙神經再生，導致神經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細胞再活化細胞培養模型中均有神經保護作用。LPS誘導的星形膠質細胞培養液中RANTES和iNOS mRNA的表達量減少，神經保護作用減弱[42]。LIN等[43]研究了Cur可以增加脊髓損傷和LPS處理的星形膠質細胞中CISD2的表達。CDGSH鐵硫結構域2(CISD2)是一種生存基因，有助于神經損傷的拮抗作用。Cur降低GFAP和RANTES的表達，增加CISD2的表達，減少神經炎癥，從而改善SCI。Cur還可以抑制細胞凋亡和神經元丟失，抑制星形膠質細胞活化，減少巨噬細胞和T細胞浸潤，減少星形膠質細胞中趨化因子MCP-1、RANTES和CXCL10的表達，從而減少膠質瘢痕形成，同時調節NF-κB和SOX9信號通路[44]。Cur可以顯著降低IL-1β的表達和Iba1炎癥細胞的數量，通過抑制膠質瘢痕形成和炎癥修復脊髓，從而表現出神經保護活性[45]。

2.8 神經膠質瘤

實驗研究了Cur對基質金屬蛋白酶(MMPs)異常表達的體內外抑制作用。在體外，Cur通過膠質母細胞瘤(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的突變狀態無關，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]發現Cur通過抑制PMA誘導的MAPK活性、抑制DNA結合和AP-1轉錄活性，對人星形膠質瘤細胞中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結合活性被Cur抑制。此外，PMA誘導的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、形態學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變化并誘導細胞凋亡。

3 小結

神經系統疾病具有復雜的神經病理特征，神經損傷和認知功能障礙以及運動協調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，能夠相互作用和調節多種分子靶標信號通路抑制細胞增殖，誘導細胞凋亡、神經元丟失如轉錄因子、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元膜，可以調節神經遞質水平與細胞信號和腦功能，抑制線粒體功能障礙，減輕氧化應激，減少神經退行性變，從而改善神經元和行為功能障礙。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，使其在體內作為神經保護劑的使用受到限制。隨著納米制劑的發展，Cur的吸收、分布和生物利用度等問題有望得到解決，基于如脂質體、納米顆粒、膠束和樹狀大分子的遞送系統的開發，新型藥物傳遞系統正處于臨床前階段。而且未來需要進一步研究挖掘Cur的藥代動力學和其對神經系統疾病的作用機制以及臨床評價，這將有助于設計藥物方案，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。