淫羊藿活性成分防治神經系統病變認知功能障礙作用機制的研究進展

任寧娜 唐學鋒 王金艷 朱燕

認知功能障礙的發病與年齡、遺傳、環境、血管疾病、神經系統病變、炎癥、氧化應激等多種因素有關,其標志性的病理表現為淀粉樣蛋白(斑塊)在腦神經元外沉積,并造成神經元損傷或破壞以及一系列復雜的癥狀[1]。中醫認為認知功能障礙的主要病因為腎虛,治療當以補腎為主要原則,腎是生髓之本,腦是骨髓之海,腎精是腦骨髓的主要來源,腎虛可導致腦骨髓失養,引起癡呆或認知障礙。淫羊藿屬于補腎陽藥,能補腎助陽、強筋壯骨、祛風除濕[2]。現代藥理研究表明,淫羊藿含有類黃酮、木脂素、淫羊藿苷、淫羊藿次甙等多種活性成分,具有舒張血管、降壓、祛痰、止咳、抗腫瘤、抗衰老、調節免疫功能、增加血流量、造血等多種功能,臨床可用于惡性腫瘤、心腦血管、阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)、癡呆、陽痿、半身不遂、腰膝酸痛、氣管炎等多種病癥的治療。Chen等[3]發現,淫羊藿苷可通過調節神經細胞代謝,保護線粒體功能,改善AD的認知功能。有研究結果發現,淫羊藿是種具有雌激素樣作用的類黃酮化合物,能保護和調節大腦中的線粒體功能,調節神經可塑性和突觸形成,在預防和治療各種神經退行性疾病中具有良好作用[4]。本文通過整理總結近年來國內外淫羊藿活性成分防治神經系統病變認知功能障礙的相關研究,綜述淫羊藿活性成分的作用機制,為淫羊藿的臨床應用提供循證支持。

1 淫羊藿活性成分通過抑制神經細胞凋亡以保護神經功能

淫羊藿苷能通過調控自噬功能、激活磷脂酰肌醇三羥基激酶(phosphoinositide-3 kinase,PI3K)/蛋白質絲氨酸蘇氨酸激酶(serine threonine kinase,AKT)/糖原合酶激酶-3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)通路,降低氧化應激反應,以抑制神經細胞凋亡,對改善認知功能具有積極意義。

1.1 淫羊藿苷能抑制過度自噬功能以阻止神經元凋亡

自噬是胞質內容物如長壽蛋白病原體、受損細胞器等被溶酶體降解的自我降解過程,腦老化可伴隨認知功能下降、腦萎縮、脂褐質沉積、β淀粉樣蛋白沉積、神經元丟失等許多病理變化,大腦大量異常蛋白質的聚集可觸發自噬功能,以清除毒性物質,而自噬也是把雙刃劍,過度誘導自噬可能會導致神經元細胞死亡[5]。Chen等[6]將淫羊藿苷用于衰老加速小鼠的實驗發現,20、40、80 mg/kg的淫羊藿苷顯著降低小鼠空間記憶損傷陳低估,減緩大腦細胞的衰老進程,抑制神經元丟失及神經元微結構改變,顯著降低自噬體的數量,顯著降低微管相關蛋白輕鏈3 II、p62的表達,表明,淫羊藿苷可通過調控自噬功能抑制神經元凋亡,改善學習記憶功能。

1.2 淫羊藿苷能激活PI3K/Akt/GSK-3β信號通路降低神經元凋亡

PI3K/Akt能介導神經細胞的增殖、分化、凋亡,參與集體免疫應激反應和免疫應答,在細胞存活和固有免疫細胞極化反應中發揮重要作用,能通過多種途徑調節下游靶蛋白的表達,以抑制細胞凋亡作用[7]。雷劍等[8]將淫羊藿苷用于七氟醚誘導的認知功能障礙小鼠的實驗發現,20 mg/kg的淫羊藿苷能縮短N臂停留時間、僵直時間,降低小鼠血清腦源性神經營養因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、白介素-1β(Interleukin 1β,IL-1β)、腫瘤壞死因子α(Tumor necrosis factor α,TNF-α)的水平,提高B淋巴細胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)、磷酸化(Phosphorylation,p)-AKT、PI3K、GSK-3β蛋白的表達,表明淫羊藿苷能促進PI3K/Akt/GSK-3β活化以減輕海馬神經元損傷凋亡,發揮改善認知功能的作用。

1.3 淫羊藿苷能減輕氧化應激反應抑制神經凋亡

糖尿病性腦病(Diabetic encephalopathy,DE)是糖尿病的中樞神經系統并發癥,主要特征為認知功能障礙和神經變性,糖基化終產物(Glycosylation end products,AGEs)在大腦積累,可誘導劇烈氧化應激反應,產生過量的活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)可以激活半胱天冬酶信號通路,破壞線粒體功能,促使神經元凋亡[9]。Zhao等[10]將淫羊藿苷用于晚期糖基化終產物處理的PC12細胞的實驗發現,5、10、20 μmol/L的淫羊藿苷能有效抑制晚期糖基化終產物誘導的細胞凋亡,以濃度依賴性方式增加超氧化物歧化酶的活性,降低丙二醛的產生,清除氧化自由基,降低裂解半胱天冬酶-9、裂解半胱天冬酶-3和裂解PARP的水平,阻止Bax二聚體的形成,其機制與淫羊藿苷通過抑制細胞凋亡發揮神經保護作用。

2 淫羊藿活性成分通過減輕Aβ的神經毒性改善認知功能

淫羊藿苷、淫羊藿次甙Ⅱ可通過抑制Aβ的產生和沉積,促進Aβ降解,顯著降低Aβ引起的神經毒性作用,降低神經炎癥反應,有效阻止或延緩AD的發生。

慢性腦灌注不足是血管性癡呆、阿爾茨海默病發生認知障礙的關鍵因素。腦灌注不足可引起的腦血流量下降,與神經功能損傷、認知功能下降密切相關,還能上調淀粉樣前體蛋白(Amyloid precursor proein,APP)、β位淀粉樣蛋白前體蛋白切割酶1(β Amyloid precursor protein cleaving enzyme 1,BACE1)蛋白的表達,進而促進β淀粉樣蛋自(β-Amy bid,Aβ)分泌及聚集,加重神經和認知功能損傷[11]。Aβ經BACE1、C分泌酶的水解產物,在神經癥狀聚集可激活星形膠質細胞和小膠質細胞,并釋放TNF-α、IL-1β、COX-2等多種炎癥介質,并介導和啟動神經炎癥反應,造成神經毒性[12]。

Li等[13]將淫羊藿苷用于慢性腦灌注不足大鼠的實驗發現,40 mg/kg的淫羊藿苷能增加目標象限時間和縮短逃避潛伏期,提高游泳時間和游泳速度,有效減輕慢性腦灌注不足引起的神經元形態學改變,抑制Aβ在海馬區的沉積,降低大鼠海馬組織APP、BACE1的表達,提高去整合素金屬蛋白牌結構域10(Deintegrin metalloprotein brand domain 10,ADAM10)、胰島素降解酶(Insulin-degrading enzyme,IDE)的表達,表明淫羊藿苷可通過調節BACE1和ADAM10的活性,降低Aβ的沉積。Yin等[14]將淫羊藿次甙Ⅱ用于鏈脲佐菌素誘導的認知障礙大鼠的實驗發現,3、10 mg/kg淫羊藿次甙Ⅱ能顯著縮短逃避潛伏期,改善鏈脲佐菌素誘導的學習和記憶障礙,降低神經元的凋亡和猥瑣,抑制海馬體磷酸二酯酶-5(Hippocampal phosphodiesterase-5,PDE5)蛋白和Aβ的表達,抑制APP、BACE1的表達,上調NEP水平以促使Aβ的降解,抑制TNF-α、IL-1β、COX2和轉化生長因子-β1(Transforming growth factor-β1,TGF-β1)的過表達及NF-κB的過表達,表明淫羊藿次甙Ⅱ能通過抑制Aβ生成及促進Aβ降解,抑制PDE5的水平,以減輕認知功能缺陷。Wu等[15]將淫羊藿苷用于衰老加速小鼠的實驗發現,60 mg/kg的淫羊藿苷能顯著改善小鼠的空間學習和記憶的能力,提高目標象限時間和跨越平臺數量,提高Bcl-2/Bax比值,阻止神經元凋亡,表明淫羊藿苷能顯著降低Aβ沉積以減輕Aβ的神經毒性作用。Deng等[16]淫羊藿次甙Ⅱ用于Aβ誘導的AD大鼠模型,結果發現,20 mg/kg的淫羊甙II能先改善大鼠的學習、記憶功能,增加目標象限的時間和距離,縮短逃逸潛伏期的時間,提高大鼠認知功能,還能減輕Aβ誘導的神經元凋亡、丟失、病理學改變,降低萎縮神經元數量,抑制Aβ水平的升高,抑制Aβ誘導的星形膠質細胞和小膠質細胞活化,抑制海馬區IL-1β、COX-2、TNF-α和iNOS蛋白和mRNA的表達,顯著降低半胱天冬酶-3等凋亡信號的激活,表明淫羊藿次甙Ⅱ可通過減輕Aβ引起的神經炎癥以糾正AD的認知功能障礙。

3 淫羊藿活性成分通過調節信號傳導減輕認知功能缺陷

淫羊藿苷能通過抑制轉化生長因子-β1(Transforming growth factor-β1,TGF-β1)信號通路、激活激活神經調節蛋白1(Neuregulin-1,NRG1)/表皮生長因子4(V-erb-b2 avian erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 4,ErbB4)、BDNF/非受體酪氨酸激酶(Non-receptor tyrosine kinase,Fyn)、PI3K/Akt/CREB、BDNF/酪氨酸激酶受體B(Tyrosine kinase receptor B,TrkB)、BDNF/ERK/CREB信號通路,降低減輕慢性腦灌注不足引起的神經損傷,增強突觸可塑性,從而減輕AD和精神分裂癥的認知功能缺陷。淫羊藿次甙Ⅱ通過激活BDNF/TrkB改善突觸可塑性,提高認知功能。

3.1 淫羊藿苷抑制TGF-β1信號通路阻止認知功能下降

TGF-β1能促進小膠質細胞發育的重要細胞因子,其表達標志小膠質細胞發育成熟,能與相關受體結合后,激活Smad2/3水平,進一步加重大腦炎癥反應,促進腦組織中Aβ的沉積,并促進神經元Aβ的分泌[17]。Zong等[18]將淫羊藿苷用于慢性腦灌注不足大鼠的實驗發現,10、40 mg/kg的淫羊藿苷顯著增加日間游泳時間、縮短逃避潛伏期,減輕海馬CA1和CA3區域神經元的病理學改變,抑制Aβ在海馬體聚集,抑制大鼠海馬APP、BACEⅠ的水平,升高ADAM10和IDE的表達,抑制TGF-β1的表達及Smad2/3的磷酸化,表明淫羊藿苷可通過抑制TGF-β1信號通路抑制腦灌注不足引起的癡呆或認知功能下降。

3.2 淫羊藿苷激活神經調節蛋白1(Neuregulin-1,NRG1)/表皮生長因子4(V-erb-b2 avian erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 4,ErbB4)、腦源性神經營養因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)/Fyn和PI3K/Akt/CREB信號通路糾正認知缺陷

神經調節蛋白1(Neuregulin-1,NRG1)是結合并激活跨膜醅氨酸激酶受體的生長因子,在神經元和突觸的發育中發揮重要作用,可通過激活ErbB4,直接抑制神經元凋亡,提高突觸可塑性,對腦缺血和神經退行性疾病具有神經保護作用[19]。腦源性神經營養因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)在學習記憶功能中發揮著重要作用,能激活Fyn,促進NRG1從軸突快速釋放,后者還能刺激BDNF的分泌,以調節細胞增殖和促進軸突再生,在突觸可塑性至關重要[20]。PI3K/Akt/CREB是NRG-1/ErbB4、BDNF/Fyn信號通路的下游,在腦低灌注損傷的神經元存活和突觸可塑性中發揮重要作用,可促進多種神經保護蛋白的表達,有助于防治慢性腦灌注不足引起的認知功能障礙[21]。Niu等[22]將淫羊藿類黃酮用于雙側頸總動脈結扎建立的慢性腦灌注不足大鼠的實驗發現,50、100、200 mg/kg的淫羊藿類黃酮能改善空間學習記憶功能,提高海馬CA1區的神經元細胞的數量,提高Bal/Bax的水平,阻止神經元凋亡,上調微管相關蛋白2、神經絲蛋白的表達,提高大鼠海馬突觸素、突觸taemin、突觸素I、PSD95的表達,保護海馬突觸超微結構及可塑性,提高NRG1、磷酸化(p)ErbB4、BDNF、p-Fyn表達水平,表明淫羊藿類黃酮能通過激活NRG-1/ErbB4、BDNF/Fyn和PI3K/Akt/CREB信號通路延緩慢性腦灌注不足引起的認知功能缺陷。

3.3 淫羊藿次甙Ⅱ、淫羊藿苷通過激活BDNF/TrkB通路改善突觸可塑性

BDNF及其相應的高親和力受體TrkB的水平在AD中降低,進一步導致突觸可塑性喪失,激活BDNF/TrkB信號通路可促使CREB磷酸化,以抑制神經元凋亡,發揮神經保護作用[23]。Liu等[24]研究將淫羊藿次甙Ⅱ用于Aβ誘導的AD大鼠的實驗發現,3、10 mg/kg的淫羊藿次甙Ⅱ能顯著降低逃避潛伏期的水平,增加目標象限時間和頻率,顯著改善大鼠認知功能障礙,降低海馬區域PDE5、cGMP的水平,促進海馬組織BDNF、p-CREB、TrkB的表達,增強PC12細胞的活力,減輕Aβ誘導細胞凋亡,表明淫羊藿次甙Ⅱ可通過激活BDNF/TrkB/CREB信號傳導降低Aβ引起的認知功能損傷。Sheng等[25]研究運用淫羊藿苷肝郁Aβ1-42誘導建立的AD大鼠模型,30、60、120 mg/kg的淫羊藿苷能呈劑量依賴性提高大鼠的逃逸潛伏期,提高穿越平臺次數及目標象限運動時間,提高神經突觸、穿孔突觸、扁平突觸的百分比,提高突觸活動區長度,改善突觸超微結構,挽救Aβ沉積引起的突觸衰竭,增加海馬體的CA1和C2/3區域BDNF和pCREB免疫陽性細胞,增加了PSD-95、BDNF、pTrkB、pAkt和pCREB的蛋白表達,促進海馬體中的BDNF、TrkB、Akt和CREB mRNA表達,表明淫羊藿苷通過BDNF/TrkB/Akt途徑改善突觸可塑性,以改善AD的突觸和認知缺陷。Joo等[26]將淫羊藿苷用于治療創傷性腦損傷小鼠的實驗發現,10、30 mg/kg淫羊藿苷能顯著改善小鼠的認知功能,上調BDNF、PSD-95、SYP的表達,表明淫羊藿苷可通過上調突觸可塑性效應因子降低創傷性腦損傷后的認知功能障礙。

3.4 淫羊藿苷通過抑制PERK/eIF2α信號通路防治AD的發生

PERK是內質網應激的重要信號通路,當PERK磷酸化下游底物eIF2α時,能抑制多種蛋白質合成,減輕內質網負擔,同時增加轉錄翻譯因子ATF4的表達,促使下游蛋白CHOP進一步誘導UPR靶基因GADD3、TRB1和ERO2α等表達,抑制Bcl-2的分泌,最終導致細胞凋亡[27]。Li等[28]對APP/PS1小鼠使用淫羊藿苷預處理的實驗發現,60 mg/kg淫羊藿苷能降低潛逃潛伏期,提高目標象限頻率及時間,改善小鼠記憶辨別指數,顯著抑制Aβ的形成,下調BACE1、ADAM10的表達,抑制IRE1α,PERK,eIF2α和ATF6的表達,抑制TRB3、GADD34和ERO1α的mRNA的表達,減輕神經元的形態改變和細胞凋亡,提高CA3、DG區的神經元密度,降低半胱天冬酶-9、半胱天冬酶-3和半胱天冬酶-1的水平,提高Bax/Bcl-2比值,減輕神經元凋亡,表明淫羊藿苷可通過抑制PERK/eIF2α信號通路,下調APP和BACE1的表達,以阻止AD的發生和發展。

3.5 淫羊藿苷可通過抑制NRG1/ErbB4信號通路提高認知功能

NRG1可通過激活ErbB4受體,促進神經元增殖、遷移及突觸的形成,NRG1/ErbB4信號通路參與神經元信號的有序調節和精細傳輸,NRG1/ErbB4信號的活化能造成認知功能障礙,出現自閉癥、精神分裂癥等精神病變[29]。劉運琴等[30]將淫羊藿苷用于N-甲基-D-天冬氨酸受體拮抗劑誘導建立的精神分裂癥大鼠的實驗發現,50 mg/kg淫羊藿苷能現在降低逃避潛伏期、自發活動總路程、刻板行為評分,減輕海馬組織小體數量縮小、神經元形態不規則、體積縮小、排列紊亂等病理改變,提高超氧化物歧化酶活性,提高線粒體膜電位,降低丙二醛水平,降低海馬組織種TNF-α、IL-1β、IL-6的表達,降低NRG1、ErbB4蛋白及基因的表達,表明淫羊藿苷可通過抑制NRG1/ErbB4信號通路改善精神分裂癥認知功能。

3.6 淫羊藿苷能促進BDNF/細胞外信號調節激酶(Extracellular signal-regulated kinase,ERK)/cAMP反應元件結合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)信號通路提高認知功能

BDNF能促進神經元生長與再生,能激活ERK1/2,進一步促進CREB活化,形成正反饋環,激活BDNF/ERK/CREB能有效調節神經元的增殖,抑制其凋亡,改善膽堿能系統,對認知功能發揮保護作用[31]。劉運琴等[32]對精神分裂癥大鼠運用淫羊藿苷預處理,結果表明,15、30、60 mg/kg的淫羊藿苷能顯著提高大鼠的船臺次數和交替率,降低逃避潛伏期、累積不動時間、活動路程長度,改善海馬組織種神經元的病理形態學改變,升高乙酰膽堿轉移酶(Choline acetyl transferase,ChAT)、乙酰膽堿(Acetylcholine,Ach)的水平,降低AchE水平,提高Bcl-2/Bax的比值,降低半胱氨酸蛋白酶3蛋白的表達,提高BDNF蛋白、CREB mRNA、ERK mRNA的水平,促進ERK1/2和CREB的磷酸化,表明淫羊藿苷能促進BDNF/ERK/CREB信號通路降低精神分裂癥的認知功能。

4 淫羊藿活性成分通過增加髓鞘穩定性改善認知功能

淫羊藿苷能促進海馬區髓鞘蛋白的表達,減輕髓鞘脫失、軸突紊亂等病變,顯著提高海馬區髓鞘的穩定性,糾正神經元信號傳遞紊亂,淫羊藿黃酮通過減輕腦白質脫髓鞘病變,對認知功能發揮保護作用。

髓鞘損傷發生在認知障礙、Aβ沉積和NFT形成之前,是AD發病機制的早期標志,早期海馬神經纖維上髓磷脂的損傷可能是記憶喪失和認知能力下降的主要原因[33]。髓鞘脫失參與精神分裂癥的發生與發展,可造成患者認知功能障礙,腦髓鞘堿性蛋白(Myelin basic protein,MBP)是軸突髓鞘化的標志蛋白,其水平與認知功能障礙程度成正相關[34]。

Yu等[35]將淫羊藿苷用于Tg-AD小鼠的實驗發現,3 mg/kg的淫羊藿苷能顯著降低小鼠局部髓鞘病理損傷,顯著增加海馬區髓鞘蛋白的表達,顯著升高髓鞘相關基因MBP、Mpp5和Egr2的表達,提高小鼠逃逸潛伏期,提高平臺交叉次數及象限花費時間,有效改善小鼠的學習和記憶功能,表明淫羊藿苷能通過增加髓鞘穩定性改善AD的認知功能。陳溪等[36]將淫羊藿苷用于雙環己酮草酰二腙誘導的神經分裂癥小鼠的實驗發現,25、50 mg/kg的淫羊藿苷能改善Y迷宮試驗的空間學習記憶能力,延長自發活動總路程,減輕小鼠胼胝體部位髓鞘脫失程度,提高腦內MBP的表達,減少星形膠質細胞數量,表明淫羊藿苷能通過防治髓鞘脫失改善精神分裂癥的認知功能缺陷。張麗等[37]將淫羊藿黃酮用于慢性腦缺血低灌注大鼠的實驗發現,100、200 mg/kg的淫羊藿黃酮能提高大鼠物體分辨指數,提高胼胝體部位FA值,降低大鼠視束部位AD、ADC值,減輕胼胝體部位鞘脫結構的病理改變,降低鞘脫紊亂分級值,表明淫羊藿黃酮通過改善胝體部位鞘脫結構,減輕腦白質脫髓鞘病變,改善認知功能障礙。

5 淫羊藿活性成分通過改善膽堿能系統以提高認知功能

淫羊藿苷能促進神經干細胞增殖,分化為神經元,顯著改善膽堿能系統,促進Ach、ChAT蛋白及基因的表達,以提高認知功能。

基底前腦膽堿能神經元的大量喪失是AD的主要病理變化,穹窿是連接海馬體與間腦、前腦、紋狀體和前額葉皮層的主要傳入和傳出纖維束,海馬體膽堿能神經元喪失可導致穹窿功能異常,造成AD認知功能障礙[38]。Ma等[39]研究運用淫羊藿苷干預大鼠腦端分離單細胞進行體外實驗及神經干細胞移植大鼠進行體內實驗,結果顯示,0.1、1.0、10、20 μmol/L的淫羊藿苷能劑量依賴性促進神經干細胞增殖、遷移、分化、存活,促使神經干細胞分化為星形膠質細胞、神經元,20 mg/kg淫羊藿苷干預大鼠病變側膽堿能神經元的百分比,促進膽堿能神經元存活,其機制與淫羊藿苷促進膽堿能神經元活性來發揮防治AD的作用。李菲等[40]將淫羊藿苷用于鏈脲佐菌素誘導的SAD大鼠的研究發現,40 mg/kg的淫羊藿苷能顯著改善大鼠的空間學習記憶能力,縮短逃避潛伏期,降低海馬體TGF-β1、AchE的表達,表明淫羊藿苷可通過改善乙酰膽堿功能降低記憶功能下降。

創傷性腦損傷通常由交通和職業事故引起,具有很高的死亡率和發病率,可造成大腦結構改變,對身體、認知、情緒和行為功能產生長期影響,膽堿能系統廣泛分布于海馬和皮層等多個腦區,與認知功能、學習和記憶密切相關[41]。創傷性腦損傷可引起的中樞膽堿能神經系統功能障礙,包括膽堿能神經元丟失、ACh和ChAT水平下降,以及相應的記憶和學習功能損害[42]。Zhang等[43]對閉合型顱腦損傷小鼠運用淫羊藿苷治療,結果發現,75、150 mg/kg的淫羊藿苷能顯著提高平臺穿越次數,降低逃避潛伏期和搜索距離,有效提高海馬區Ach、ChAT蛋白及基因的表達,提高海馬AC-H3的表達,表明淫羊藿苷能通過改善組蛋白乙酰化穩態減輕創傷性腦損傷引起的認知障礙。

6 結語

認知功能障礙可影響個體的日常生活、活動、社會、職業多種功能,多種神經系統病變可造成認知功能下降[44]。隨著社會老齡化加劇,癡呆、AD、精神分裂癥等患病人群不斷升高,給醫療系統造成較大的沖擊[45]。淫羊藿多種活性成分在認知功能障礙的防治中的發揮多途徑多靶點作用獲得多篇研究證實,為淫羊藿的臨床使用提供了依據。但目前淫羊藿活性成分防治認知功能障礙的研究大部分停留于基礎實驗階段,在人體的治療效果尚未可知。并且對淫羊藿活性成分的藥物濃度及藥代特征不明確。臨床還需對淫羊藿的化學成分及成藥工藝進行研究探討,盡早研發出以活性成分為藥效成分的新藥。