姜黃素及其納米制劑對腦卒中的神經保護作用機制研究進展*

楊楚瑜,魏建明,龔子楨,陸盛昌,劉親望 綜述,曹湘玉 審校

(湖南醫藥學院醫學院,湖南 懷化 418000)

腦卒中是由于腦血管發生堵塞造成腦局部缺血或腦血管破裂等原因引起腦組織功能障礙的一類疾病,具有發病率高、病死率高、致殘率高與復發率高及年輕化趨勢等特點,對患者生命健康造成嚴重危害,目前是我國成人死亡和致殘的首位病因[1-3]。姜黃素是從姜科植物姜黃根莖中提取出來的一種天然多酚,也是一種多效分子,能跟多數分子和細胞靶標結合發揮多種生物學作用[4]。研究發現,姜黃素及其納米制劑能通過抑制細胞焦亡、抗氧化應激、抗炎效應和調節鐵死亡等多種機制在腦卒中治療過程中發揮神經保護作用[5-9]。因此,本文以姜黃素及其納米制劑在腦卒中的神經保護作用機制為切入點,對其在腦卒中的應用研究進展進行了綜述,旨在為腦卒中的治療提供新靶點和新方向。

1 姜黃素

姜黃素于1970年首次從姜黃中提取,屬于一類疏水性多酚化合物,在常溫下為黃色結晶粉末,水溶性較差,易溶于乙醇、氯仿等多種有機溶劑。姜黃素的理化性質不穩定,容易受pH值、光線及溫度等因素影響。研究表明,姜黃素具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤、降脂及神經保護作用[10-14],但在胃腸道中吸收較差,且生物利用度低[15],從而導致其臨床應用明顯受限。近年來,基于納米技術的遞藥系統成功開發,其可制備姜黃素脂質體、納米凝膠、納米顆粒等劑型,而且結合不同的給藥方式,可進一步增加姜黃素穩定性,并提高姜黃素水溶性及生物利用度[16]。研究表明,姜黃素可減輕心、肝臟、腎、肺、睪丸、脊髓及視網膜等多種器官發生的缺血再灌注損傷[11-13],在體內發揮一定的保護作用。而且,姜黃素具有親脂性,易透過血腦屏障[11],有益于腦血管疾病的預防和治療。

2 腦卒中

腦卒中包括缺血性腦卒中和出血性腦卒中兩大類。缺血性腦卒中是因局部腦組織區域血液循環發生障礙,引起腦組織供血供氧不足,導致腦神經功能障礙。缺血性腦卒中占比高達70%～80%,其治療方法主要包括重組組織纖溶酶原激活物靜脈溶栓治療及血管內治療。然而,由于最佳治療時間窗的限制及高額的經濟負擔,獲益人群較少[17-18],大部分患者會出現腦組織損傷和神經功能障礙。出血性腦卒中是指非創傷性自發性顱內出血,其包括由顱內動脈瘤、腦血管畸形等顱內血管非外傷性破裂導致的腦出血(ICH)和蛛網膜下腔出血(SAH),其治療方法主要有一般治療、藥物治療及手術治療,大多數患者遺留不同程度神經功能障礙。目前,越來越多的研究表明,腦卒中發生機制主要包括炎性反應、氧化應激反應、細胞焦亡、血腦屏障破壞和反應性神經膠質改變等[5-6,19]。

3 姜黃素及其納米制劑對腦卒中的神經保護作用機制

3.1抗炎癥 炎性反應是缺血性腦卒中發生發展的關鍵機制之一。研究表明,小膠質細胞廣泛存在于腦組織中,且參與缺血性腦卒中的炎性反應[20]。鄭敏等[21]對BV2小膠質細胞進行氧糖剝奪(OGD)處理,模擬腦缺血體外模型,結果發現,姜黃素可促進miR-182表達,抑制Toll樣受體-4(TLR4)表達,降低腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細胞介素(IL)-6、IL-1β水平,而miR-182抑制劑可抵消這一效應,提示姜黃素通過miR-182-TLR4通路抑制OGD后小膠質細胞炎性反應。此外,姜黃素可能通過調控Notch-1分子機制通路對大腦中動脈閉塞(MCAO)大鼠小膠質細胞的增殖和激活產生抑制效應,從而減輕炎性反應[22]。研究表明,在MCAO大鼠模型中,姜黃素可通過阻斷NOD樣受體蛋白3(NLRP3)/半胱氨酸蛋白酶(Caspase)-1信號軸,抑制炎性因子IL-18、IL-1β合成與釋放,減小腦梗死體積,并改善大鼠神經功能[23]。LI等[24]通過檢測大鼠血漿及腦、心、腎等器官時發現,含姜黃素的三嵌段共聚物納米微粒水平均高于游離姜黃素,且在大鼠MCAO模型中進一步證實,其能夠通過下調核轉錄因子κB(NF-κB)-p65相關表達而顯著降低IL-6、TNF-α、IL-1β水平,從而發揮抗炎作用。

ICH后神經功能損傷的重要機制之一是炎性反應。據報道,在大鼠ICH模型中,姜黃素能降低ICH后大鼠血清中IL-6、IL-1β、TNF-α等促炎因子水平,減輕神經功能損傷,發揮抗神經炎癥作用[25]。YANG等[26]在小鼠ICH模型和細胞實驗中研究發現,姜黃素可下調p38絲裂原活化蛋白激酶/蛋白激酶C信號通路,同時抑制NF-κB表達,降低IL-1β、TNF-α水平,并且抑制小膠質細胞介導神經炎性反應和神經毒性作用,產生抗炎效應,進而減輕神經功能損傷,改善ICH后腦組織損傷。研究表明,姜黃素通過降低小鼠ICH后腦組織內Janus酪氨酸蛋白激酶1、信號轉導和轉錄激活因子1蛋白表達,并抑制小膠質細胞M1型極化和炎性因子TNF-α、IL-1β合成與釋放,從而減輕神經炎癥損傷[27]。

炎性反應也是SAH早期腦血管痙攣和腦組織損傷的關鍵因素之一。研究發現,大鼠SAH模型造模后3、7 d時,大鼠血漿TNF-α、誘導性一氧化氮合成酶(iNOS)水平明顯增高,而姜黃素能通過抑制TNF-α、iNOS的釋放,緩解SAH后腦血管痙攣及神經炎癥損傷[28]。CAI等[29]在大鼠SAH模型中發現,姜黃素通過抑制NF-κB信號通路,降低TNF-α和單核細胞趨化蛋白-1水平,減輕炎性反應,改善神經功能缺損。研究表明,姜黃素能抑制SAH小鼠IL-1β、IL-6、TNF-α釋放,同時增加抗炎因子IL-10表達,并促進大腦皮層小膠質細胞M1型向M2型極化,其機制可能是依賴于TLR4/MyD88/NF-κB通路,從而減輕SAH后炎性反應,改善神經功能缺損[30]。研究發現,姜黃素納米粒(Cur-NPs)通過下調SAH大鼠腦組織NF-κB表達,降低腦脊液IL-1β、TNF-α等炎癥因子水平,增加神經細胞活性,明顯減輕SAH后腦組織炎癥損傷[31]。研究發現,SAH大鼠腦組織IL-6、IL-1β、TNF-α mRNA和蛋白水平均顯著升高,而Cur-NPs能抑制其表達,減輕SAH后神經炎性反應,提示Cur-NPs在SAH后發揮神經保護作用[32]。

3.2抗氧化應激 氧化應激是自由基產生與清除失衡導致的一種氧化過渡狀態。姜黃素可作為抗氧化劑,通過激活谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶,抑制活性氧(ROS)和丙二醛(MDA),維持大腦內抗氧化酶系統平衡,促進自由基的清除,發揮神經保護作用[33]。

氧化應激是參與缺血性腦卒中病理生理過程中至關重要的環節。研究發現,在SH-SY5Y細胞OGD/R模型中,姜黃素通過上調miR-1287-5p表達,降低過氧化物酶體合成,減少ROS生成,進而減輕氧自由基損傷,發揮抗氧化作用[34]。在小鼠MCAO模型和HT22神經元細胞OGD/R模型中,姜黃素通過上調NAD-依賴性去乙酰化酶Sirtuin-1蛋白表達,增加GSH-Px和SOD水平,降低ROS和MDA水平,減輕氧化應激損傷,發揮神經保護效應[35]。此外,在小鼠MCAO模型中證實,Cur-NPs可穿過血腦屏障進入缺血半暗帶區,減少腦梗死面積,改善缺血性腦卒中后神經損傷,且進一步體外實驗發現,Cur-NPs可能通過減少線粒體損傷而保護腦微血管內皮細胞免受氧化應激損傷[36]。

氧化應激也是ICH發生發展的重要病理因素之一[37]。研究發現,在氯高鐵血紅素誘導小膠質細胞損傷構建的ICH體外模型中,姜黃素能誘導核因子紅系2相關因子2活化,促進抗氧化劑血紅素加氧酶-1表達,降低細胞內ROS、MDA水平,減少谷胱甘肽損耗,通過抗氧化應激損傷以促進ICH后神經功能恢復[38]。研究發現,在尾狀核注射膠原酶制備大鼠ICH模型中,姜黃素能加強GSH-Px和SOD活性,使氧化產物ROS和MDA的釋放減少,提示姜黃素在ICH中有抗氧化應激作用[39]。MARQUES等[40]在ICH大鼠模型中給予姜黃素納米乳劑時發現,其能降低MDA水平,促進氧自由基清除,發揮抗氧化效果,縮小血腫體積,改善ICH后神經功能損傷。

氧化應激是加重SAH后神經功能缺損的關鍵因素之一。研究發現,在SAH大鼠模型中,氧化應激產物硝基酪氨酸含量增加,其可引起腦微循環障礙、腦血管受損、血管壁通透性增加,并加速腦水腫形成,導致神經功能障礙[41]。研究發現,在氧合血紅蛋白誘導建立體外的SAH模型中,姜黃素能降低MDA、ROS水平,增強SOD、GSH-Px活性,抑制氧化應激反應,促進神經細胞存活,改善SAH后神經功能缺損[42]。研究表明,通過給予Cur-NPs,SAH大鼠腦組織內SOD、GSH-Px活性增加,ROS被有效清除,提示Cur-NPs具有抗氧化應激效應和保護SAH后神經功能作用[32]。

3.3抑制細胞焦亡 細胞焦亡是一種與炎癥密切相關的程序性細胞死亡方式,由炎癥小體、Caspase及Gasdermin蛋白家族成員介導發生,以細胞膜穿孔、細胞膜破裂、內容物外流為主要特點。細胞焦亡途徑主要包括依賴于Caspase-1的經典途徑和依賴于Caspase-11(在人類中為Caspase-4/5)的非經典途徑。經典途徑中,Caspase-1的前體以凋亡相關斑點樣蛋白為橋梁與細胞溶質模式識別受體結合,使Caspase-1被活化后切割Gasdermin D(GSDMD),激活細胞焦亡,最終釋放IL-1β、IL-18炎癥細胞因子[43-44]。

近年來的研究顯示,細胞焦亡在缺血性腦卒中的發生發展過程中起著重要的作用。RAN等[45]在小鼠-MCAO模型中檢測小鼠腦梗死區組織時發現,NLRP3、剪切的Caspase-1、GSDMD、IL-1β前體和IL-1β蛋白表達均受到上調,姜黃素可下調其表達,抑制缺血性腦卒中后小膠質細胞焦亡,而且姜黃素通過NF-κB/NLRP3信號通路發揮作用,從而減少IL-1β、IL-18的釋放,減輕細胞焦亡,進一步改善了腦損傷。在胚胎大鼠大腦皮層神經元細胞OGD模型和大鼠MCAO模型中發現,姜黃素通過抑制p38絲裂原活化蛋白激酶信號通路而下調NLRP1、Caspase-1及GSDMD等蛋白表達,從而導致IL-1β的釋放減少,進而抑制了神經細胞焦亡,對腦缺血再灌注損傷后腦組織發揮神經保護作用[5]。

3.4抗腦水腫 ICH血腫周圍發生腦水腫多在24～72 h達高峰[39]。ICH后體內基質金屬蛋白酶(MMPs)被激活,使蛋白水解活性增加,引起血管壁損傷,破壞血腦屏障(BBB),導致BBB通透性增加,加速血管源性腦水腫形成,進而導致相應的神經功能喪失[46]。WANG等[47]研究發現,ICH小鼠在造模3 d后腦組織水含量明顯升高,水通道蛋白(AQP)1、AQP4、AQP9表達增加,而姜黃素通過抑制NF-κB信號通路可降低AQP4、AQP9表達,維持BBB物質交換平衡,減輕腦水腫,改善ICH后神經功能損傷。

腦水腫是SAH后早期腦損傷的重要機制之一[48-49]。研究發現,SAH大鼠腦組織MMP-9表達增加,導致BBB緊密連接的Ⅳ型膠原水解,損壞BBB功能完整性而導致血源性腦水腫[50]。研究表明,姜黃素能抑制SAH小鼠腦組織MMP-9表達,增加緊密連接蛋白表達,保持BBB完整性,降低腦組織水含量,減輕腦水腫,改善SAH后神經功能缺損[49]。ZHANG等[32]研究證實,Cur-NPs比姜黃素更容易穿透BBB,并下調大鼠SAH后血管內皮生長因子和MMP9表達,增加claudin-5、occludin等緊密連接蛋白表達,提示Cur-NPs能改善SAH后BBB環境而減輕腦水腫程度,從而發揮神經保護作用。

4 小 結

腦卒中是影響人類健康的慢性疾病,也是全球慢性非傳染性疾病防控重點之一。目前針對腦卒中的藥物治療大多以神經保護及對癥支持等為主,旨在減少腦卒中發病后致殘率,改善神經功能障礙。姜黃素具有抗焦亡、抗氧化效應、抗炎及抗腫瘤等多種生物學功能,因生物利用度低而限制了其在臨床中的應用。姜黃素納米制劑通過增加溶解性、增強穩定性、促進體內吸收及增高血腦屏障滲透性等,極大地提高姜黃素生物學活性及生物利用度,實現藥效最大化,具有更廣闊的臨床應用前景。

綜上所述,姜黃素及其納米制劑通過抗炎性反應、抗氧化應激、抑制細胞焦亡、抗腦水腫等多種作用機制在腦卒中的治療過程中發揮神經保護作用,從而減輕腦組織損傷和改善神經功能缺損。這為姜黃素及其納米制劑在腦卒中的應用提供了新證據和新策略。