川芎嗪及其衍生物防治帕金森病的神經保護機制研究進展

姜曉東,孫會艷,李 強

(1.赤峰學院基礎醫學院解剖教研室,2.赤峰學院醫學部,3.內蒙古人類遺傳病研究重點實驗室 內蒙古 赤峰 024000;4.赤峰學院附屬醫院神經內科,內蒙古 赤峰 024005)

傳統中藥多年來一直用于預防和治療多種疾病,現在又重新激發了全球研究者的興趣,而用于治療各種神經系統疾病的中草藥提取物也越來越受到關注。神經退行性疾病的預防和治療對傳統醫學來說是一個挑戰,需要更多的研究,因為多靶點、多途徑和多層次療效,副作用較少,使傳統中藥在這一領域顯示出獨特的優勢和潛力。近年來,對中藥單體的研究已成為中醫藥研究抗病機制的主要途徑。中藥單體及其活性成分在多種疾病中的作用機制正在逐步被發現,這為中藥復方應用研究提供了理論依據。

川芎嗪(tetramethylpyrazine, TMP)是中藥川芎(LigusticumwallichiiFranch)的重要活性成分之一,其化學名為2,3,5,6-川芎嗪(2,3,5,6-tetramethylpyrazine,C8H12N2)[1]。最近研究顯示,TMP具有神經保護活性,在帕金森病(Parkinson’s disease, PD)中的神經保護作用取得了一定進展,本文對TMP在PD中的神經保護作用及其機制進行了綜述,表明TMP是治療PD的潛在藥物。

1 川芎嗪的來源和藥理學特性

川芎嗪也稱為2,3,5,6-川芎嗪,屬于TMP酰胺類生物堿,是從川芎中(LigusticumchuanxiongHort)提取的主要生物活性化合物之一,已在中國和東南亞國家臨床用于預防與治療神經退行性疾病和心腦血管疾病[2-3]。在傳統中醫藥中,川芎嗪又名天然四甲基吡嗪,是從傘形科藁本屬植物川芎中分離提純的生物堿單體,是中藥川芎的主要有效成分,是活血行氣祛瘀的一種中藥活性生物堿。川芎又是藥膳中常用的藥材之一。

TMP最早于1957年分離出來,自20世紀70年代以來,因其對心肌梗死和腦梗死的作用而被越來越多地研究[4]。

在過去幾十年中,研究人員探索了TMP在各種疾病中的藥理作用。以往的研究表明,TMP具有多種藥理活性,包括抗癌、抗炎、鈣拮抗、自由基清除、抗氧化、抗血小板和抗凋亡等[5-6]。系統給予TMP可通過抑制體內炎癥反應來預防缺血和脊髓損傷引起的神經元丟失。TMP可能通過減少炎癥細胞活化和促炎介質的產生來抑制體內的炎癥事件[7]。

2 在PD中的神經保護作用機制

近年來,TMP在治療神經系統疾病中作用引起學者關注。自2007年王丹巧等[18]首次證實TMP在PD中具有神經保護作用以來,TMP在PD中的應用研究越來越多。TMP能夠通過多種機制在多種PD的體內、外模型中具有神經保護作用,見Tab 1。

2.1 抑制α-synuclein蛋白聚集α-突觸核蛋白(α-synuclein, α-syn)是PD患者腦內多巴胺能神經元內路易小體的主要成分,錯誤折疊的α-syn在神經元內積聚。編碼α-syn的SNCA基因突變及其拷貝數的變化與某些形式家族性PD有關[19]。研究顯示,在細胞PD模型中,一種TMP新的衍生物T-006具有促進α-syn降解的作用[10]。T-006抑制可溶性和非可溶性形式α-syn的積累,并對A53T-α-syn轉基因小鼠中α-syn誘導的神經毒性具有抑制作用。機制研究發現T-006以蛋白酶體依賴和自噬非依賴的方式促進α-syn降解。T-006通過上調20S蛋白酶體亞單位β5i(20S proteasome subunit β5i, LMP7)的表達從而增強蛋白酶體活性。T-006激活PKA/Akt/mTOR/p70S6K通路,觸發LMP7表達,增強糜蛋白酶樣蛋白酶體活性(chymotrypsin-like proteasomal activity)。T-006是一種有效的蛋白酶體激活劑,是預防和治療PD及相關疾病的潛在治療藥物[10]。另外研究發現,TMP在魚藤酮誘導的PD大鼠模型中,能夠減少中腦和紋狀體內α-syn蛋白的表達,表明TMP具有抑制α-syn生成的功能[17]。TMP能夠在PD中阻止α-syn的聚集,主要通過抑制α-syn寡聚體形成來實現。

Tab 1 Neuroprotective effects of tetramethylpyrazine and related compounds in PD

2.2 抗氧化損傷作用氧化應激損傷是PD的重要特征之一,抑制氧化應激成為治療PD的重要靶點之一[20]。TMP的新型硝基衍生物TBN對1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+)誘導的SH-SY5Y細胞和原代培養的多巴胺能神經元,以及對1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)誘導的斑馬魚多巴胺能神經元丟失具有顯著的神經保護作用[7]。在MPTP誘導的小鼠和6-羥基多巴胺(6-OHDA)誘導的大鼠PD模型中,小鼠MPTP損傷后3 d和大鼠6-OHDA損傷后7 d給藥TBN(每天灌胃給藥兩次,持續14 d),TBN能增加多巴胺能神經元的數量,同時改善6-OHDA損傷PD大鼠運動障礙[7]。TBN抑制MPP+誘導的SH-SY5Y細胞內活性氧(ROS),提高MPTP處理小鼠黑質的超氧化物歧化酶(SOD)活性和谷胱甘肽(GSH)濃度[7]。這些數據表明,TBN通過減少ROS和增加細胞抗氧化防御能力,保護和拯救多巴胺能神經元免受MPP+和MPTP/6-OHDA誘導的損傷[7]。后續研究也證實,TMP的抗氧化應激損傷作用,TMP能抑制MPTP導致的TBARS水平升高,降低GSH水平,提示TMP在PD模型中具有抗氧化作用[15]。TMP的新型硝基衍生物TN-2也能夠抑制MPP+誘導的SH-SY5Y 細胞中ROS產生增加[14]。TMP的新型類似物DT-010能夠在MPP+誘導的PC12細胞和原代小腦顆粒神經元中減少ROS[13]。綜上所述,TMP能夠在PD體內外模型中中抑制神經毒素誘導的氧化應激損傷。

2.3 抗凋亡作用細胞凋亡被認為是PD神經元死亡的主要機制。在PD的背景下,患者和實驗模型的大量證據支持內在凋亡在多巴胺能神經退行性變中的作用[20]。抑制凋亡成為治療PD的重要靶點之一[21]。TMP能顯著減弱MPTP誘導的多巴胺能神經元損傷,表現為運動障礙的改善、TH表達的增強、多巴胺及其代謝物DOPAC含量的增加,同時,通過Bax的上調、Bcl-2的下調、細胞色素c(Cyt C)的釋放和Caspase-3激活抑制MPTP誘導的線粒體凋亡死亡途徑的激活[15]。而TMP的衍生物TN-2能顯著逆轉MPTP誘導的小鼠黑質多巴胺能神經元的丟失和紋狀體多巴胺水平的降低[14]。此外,TN-2抑制MPP+誘導的原代小腦顆粒神經元和SH-SY5Y細胞的神經元損傷/凋亡。TN-2阻止線粒體膜電位的喪失,阻止線粒體細胞色素c的釋放,抑制Caspase-3和Caspase-9的激活[14],這些結果表明,TN-2可以通過抑制線粒體依賴性凋亡來保護多巴胺能神經元免受MPTP/MPP+誘導的神經毒性。TMP新型類似物DT-010能夠在MPP+誘導的 PC12 細胞和原代小腦顆粒神經元中減少凋亡發生[13]。 在魚藤酮誘導的大鼠PD模型中,TMP顯著減弱魚藤酮誘導的中腦和紋狀體Caspase-3激活以及Bax/Bcl-2比值的升高[17]。TMP的另一種衍生物CXC195,能夠在6-OHDA誘導的PD小鼠模型中,改善6-OHDA誘導的PD小鼠DA神經退行性病變,主要與其抑制Caspase-3激活和Bax水平升高,并增加Bcl-2水平有關[8]。綜上所述,TMP及其衍生物能夠在PD體內外模型中通過抑制神經毒素誘導的凋亡,發揮神經保護作用。

2.4 抗炎作用慢性神經炎癥在PD的進展過程中發揮重要作用,PD患者腦內受累腦區內發現小膠質細胞和星形膠質細胞的激活。在PD患者腦內、腦脊液和血液中存在高濃度的促炎性因子(如IL-1β、IL-6和TNF-α)的水平升高。小膠質細胞和星形膠質細胞激活產生的促炎性因子導致突觸功能障礙和突觸的丟失,而慢性炎癥也可以導致路易體的形成進而參與PD發病機制。因此,抑制慢性炎癥成為PD潛在的治療靶點[22-23]。研究顯示,TN-2對6-OHDA誘導的PC12細胞凋亡具有強大的神經保護作用,在6-OHDA處理的斑馬魚中,TN-2可防止6-OHDA誘導的多巴胺能神經元丟失,并抑制包括IL-1β、TNF-α和COX-2在內的促炎基因的mRNA表達,同時TN-2顯著減弱6-OHDA大鼠模型中的小膠質細胞/星形膠質細胞激活[9],進一步機制研究發現,TN-2通過抑制NF-κB活性進而抑制細胞內一氧化氮(nitric oxide, NO)的過度產生和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)的蛋白表達,而PKCα/PI3-K/Akt通路參與了TN-2的神經保護作用。總之,TN-2通過調節NF-κB介導的神經炎癥和PKCα/PI3-K/Akt通路,抑制6-OHDA誘導的神經毒性損傷[9]。在MPTP誘導的PD小鼠模型中,TMP還降低小鼠黑質和紋狀體中IL-1β和TNF-α細胞因子的上調[16]。最近研究印證了TMP的抗炎作用,在魚藤酮誘導的大鼠PD模型中,TMP下調中腦和紋狀體中神經炎癥標記物NF-κB、iNOS、COX2和GFAP的表達[17]。綜上所述,TMP及其衍生物能夠在PD體內外模型中通過抗炎發揮神經保護作用。

2.5 調控DA神經遞質系統PD最主要的病理改變是中腦黑質多巴胺能神經元的變性死亡,由此而引起紋狀體DA含量顯著性減少而致病。因此,恢復紋狀體DA含量成為治療PD的重要靶點。TMP抑制MPTP誘導的大鼠多巴胺能神經元損傷,促進TH表達,并可升高SN內多巴胺及其代謝物[3,4-二羥基苯乙酸(3, 4-dihydroxyphenyl acetic acid,DOPAC]的含量[15]。進一步研究發現,在魚藤酮誘導的大鼠PD模型中,TMP (20 mg·kg-1)能夠顯著抑制魚藤酮誘導的中腦黑質TH表達,并增加紋狀體內多巴胺含量[17]。TN-2能顯著逆轉MPTP誘導的小鼠黑質多巴胺能神經元的丟失和紋狀體多巴胺水平的降低[14]。在6-OHDA和MPTP損傷小鼠中,T-006治療后神經功能缺陷得以恢復,運動協調性和旋轉行為得到改善,同時,T-006促進黑質多巴胺能神經元的存活和促進紋狀體內多巴胺的含量[11-12]。綜上所述,TMP及其衍生物具有升高腦內DA,但其機制是否與抑制DA降解仍不清楚。

2.6 調控Nrf2/ARE抗氧化防御體系通常PD中存在內源性抗氧化防御體系的耗竭,從而加重氧化應激損傷[24]。因此,恢復抗氧化防御體系成為治療PD的重要靶標[25-26]。TMP能抑制MPTP導致的TBARS水平升高和GSH水平降低,提示TMP在PD模型中具有抗氧化作用。TMP的抗氧化作用歸因于其能夠上調MPTP誘導的Nrf2和GCLC表達減少, 表明在MPTP誘導的PD模型中,TMP能夠阻止Nrf2和GCLC的下調,維持氧化還原平衡,抑制神經元細胞凋亡,從而減輕多巴胺能神經元的損傷[15]。而TN-2改善了MPTP誘導的腦超氧化物歧化酶活性和谷胱甘肽濃度的降低,以及腦丙二醛的增加[14]。而TBN上調MPTP處理小鼠黑質的超氧化物歧化酶(SOD)活性和谷胱甘肽(GSH)濃度[7]。綜上所述,TMP及其衍生物具有調控Nrf2/ARE抗氧化防御體系。

3 結語

綜上所述,TMP通過多種機制在PD中發揮其神經保護作用。其可以在PD的細胞模型和動物模型中具有神經保護作用。TMP及其衍生物促進受損傷神經細胞和其他細胞的修復等作用,同時它們通過促進腦內DA升高,調節腦內病變區的神經遞質平衡,發揮控制帕金森病震顫癥狀的作用,控制癥狀、抑制病情發展、促進疾病恢復方面顯示出一定的特點,而且具有良好的安全性。鑒于TMP在缺血性中風、胸脅刺痛、跌打腫痛、頭痛、高血壓、冠狀粥樣硬化性心臟病和缺血性腦病等的臨床使用,TMP對PD治療的臨床實驗和可能的療效值得期待。TMP在PD中的神經保護作用及其機制總結見Fig 1。

Fig 1 Schematic representation of TMP-mediated neuroprotection in PD