










〔摘要〕 目的 研究吉馬酮對缺血性腦卒中大鼠和缺氧缺糖神經元細胞損傷的保護作用及可能機制。方法 將SD大鼠隨機分為假手術組(等體積生理鹽水)、模型組(等體積生理鹽水)、陽性藥組(尼莫地平,10 mg/kg)及吉馬酮低(5 mg/kg)、中(10 mg/kg)、高(20 mg/kg)劑量組,每組20只。采用線栓法制備缺血性腦卒中大鼠模型,用藥組均于缺血1.5 h時腹腔注射給藥1次。記錄各組大鼠術后24 h的腦指數、腦組織含水量、神經功能評分、海馬區組織形態學及腦組織胱天蛋白酶-3(cysteine aspartic acid specific protease-3, Caspase-3)活性和細胞凋亡水平,檢測血清中氧化應激因子包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、丙二醛(malondialdehyde, MDA)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)水平,檢測血清炎癥因子包括腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細胞介素-6(interleukin-6, IL-6)、白細胞介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)水平。原代大鼠神經元分為對照組、模型組、陽性藥組(尼莫地平,1 μmol/L)及吉馬酮低(50 μmol/L)、中(100 μmol/L)、高(200 μmol/L)劑量組。細胞預處理24 h后,除對照組外,各組細胞均進行氧糖剝奪和復糖復氧實驗。實驗結束后,檢測各組細胞生存率、Caspase-3活性和細胞凋亡情況。結果 與假手術組相比,模型組大鼠腦指數、腦組織含水量、神經功能評分均增加(Plt;0.05或Plt;0.01),血清中炎癥因子TNF-α、IL-6和IL-1β的水平升高(Plt;0.01),氧化應激因子SOD和GSH-Px水平降低(Plt;0.01),MDA水平升高(Plt;0.01),Caspase-3活性增強(Plt;0.01),神經元細胞出現典型的壞死特征,細胞凋亡率增加(Plt;0.01)。與模型組相比,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組大鼠腦指數、腦組織含水量、神經功能評分均下降(Plt;0.05或Plt;0.01),血清中炎癥因子TNF-α、IL-6和IL-1β水平降低(Plt;0.05或Plt;0.01),氧化應激因子SOD和GSH-Px水平升高(Plt;0.05或Plt;0.01),MDA水平降低(Plt;0.05或Plt;0.01),Caspase-3活性及細胞凋亡率降低(Plt;0.05或Plt;0.01)。與對照組相比,模型組細胞的存活率明顯降低(Plt;0.01),Caspase-3活性和細胞凋亡率升高(Plt;0.01)。與模型組相比,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組細胞存活率明顯升高(Plt;0.01),Caspase-3活性和細胞凋亡率下降(Plt;0.05或Plt;0.01)。結論 吉馬酮對缺血性腦卒中大鼠和缺氧缺糖造成的神經元細胞損傷具有顯著改善作用,其機制可能與抑制神經元細胞凋亡有關。
〔關鍵詞〕 吉馬酮;缺血性腦卒中;神經元細胞;氧化應激;細胞凋亡
〔中圖分類號〕R285.5" " " " "〔文獻標志碼〕A" " " " " 〔文章編號〕doi:10.3969/j.issn.1674-070X.2024.06.003
Neuroprotective effects of germacrone on rats with ischemic stroke
QU Zhanli1, ZENG Jinming2, XIONG Jian1, ZHANG Yangwei1, YANG Xu1, JI Yifei1*
1. Department of Neurology, Nanchong Hospital of Beijing Anzhen Hospital (Nanchong Central Hospital) of Capital Medical University, Nanchong, Sichuan 637000, China; 2. Department of Anesthesiology, Nanchong Hospital of Beijing Anzhen Hospital (Nanchong Central Hospital) of Capital Medical University, Nanchong, Sichuan 637000, China
〔Abstract〕 Objective To study the protective effects and possible mechanism of germacrone on rats with ischemic stroke and on neuron damage caused by oxygen-glucose deprivation. Methods SD rats were randomized into sham-operated group (an equal volume of saline), model group (an equal volume of saline), positive drug group (nimodipine, 10 mg/kg), and low- (5 mg/kg), medium- (10 mg/kg), and high-dose (20 mg/kg) germacrone groups, with 20 rats in each group. The ischemic stroke rat model was prepared by the thread embolism method, and each drug group was injected intraperitoneally with the corresponding drug once at 1.5 h post-ischemia. Postoperative measurements at 24 hours for each group of rats included brain index, brain tissue water content, neurological function score, hippocampal tissue morphology, and cysteine aspartic acid specific protease-3 (Caspase-3) activity and apoptosis levels in the brain tissue. The serum levels of oxidative stress factors, including superoxide dismutase (SOD), malondialdehyde (MDA), and glutathione peroxidase (GSH-Px), as well as those of inflammatory factors, including tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-6 (IL-6), and interleukin-1β (IL-1β) were all measured. Primary rat neurons were divided into control group, model group, positive drug group (nimodipine, 1 μmol/L), and low- (50 μmol/L), medium- (100 μmol/L), and high-dose (200 μmol/L) germa?鄄
crone groups. After 24 h of cell pre-treatment, the cells in all groups were subjected to oxygen-glucose deprivation and reglucose-reoxygenation except the control group. After the experiment, the survival rate, Caspase-3 activity, and apoptosis of cells were measured in each group. Results Compared with the sham-operated group, the model group exhibited increased brain index, brain tissue water content, and neurological function score (Plt;0.05 or Plt;0.01); the serum levels of inflammatory factors TNF-α, IL-6, and IL-1β were elevated (Plt;0.01); the serum levels of oxidative stress factors SOD and GSH-Px were reduced (Plt;0.01), while that of MDA increased (Plt;0.01); Caspase-3 activity was higher (Plt;0.01), and the neurons showed typical necrotic features with an increased apoptosis rate (Plt;0.01). Compared with the model group, the positive drug group and the various germacrone dose groups exhibited decreased brain index, brain tissue water content, and neurological function scores (Plt;0.05 or Plt;0.01), decreased levels of inflammatory factors TNF-α, IL-6, and IL-1β in the serum (Plt;0.05 or Plt;0.01), increased levels of oxidative stress factors SOD and GSH-Px (Plt;0.05 or Plt;0.01), decreased MDA level (Plt;0.05 or Plt;0.01), as well as reduced Caspase-3 activity and apoptosis rate (Plt;0.05 or Plt;0.01). The experiment of the primary rat neurons revealed that, compared with the control group, cells in the model group showed significantly reduced survival rate (Plt;0.01), with increased Caspase-3 activity and apoptosis rates (Plt;0.01); compared with the model group, cells in the positive drug group and various germacrone dose groups showed significantly higher survival rate (Plt;0.01), and lower Caspase-3 activity and apoptosis rates (Plt;0.05 or Plt;0.01). Conclusion Germacrone has a significantly ameliorative effect on the injury of rats with ischemic stroke and neuron damage caused by oxygen-glucose deprivation, and its mechanism may be related to the inhibition of neuronal apoptosis.
〔Keywords〕 germacrone; ischemic stroke; neuron; oxidative stress; apoptosis
卒中是世界范圍內主要死亡原因之一,腦缺血被認為是卒中最常見的致病原因[1]。腦缺血/再灌注(ischemia/reperfusion, I/R)損傷因血栓、栓塞或灌注不足,中斷腦供血,不可逆地損害腦功能,最終導致死亡或殘疾[2]。迄今為止,對于缺血性腦卒中尚無有效的治療方法。I/R損傷的防治在缺血性腦血管病的治療中至關重要。諸多文獻研究表明,I/R發病機制包括能量代謝紊亂、氧化應激反應、炎癥反應和細胞凋亡等[3-4]。據報道,神經炎癥和氧化應激在I/R過程中顯著上調,已被證明在腦卒中的神經元損傷中發揮重要作用[5]。其中,神經炎癥是缺血性腦卒中發病過程中促進細胞凋亡的主要因素之一[6]。
吉馬酮是從莪術中分離出的倍半萜類化合物,是莪術的主要有效成分之一,已有研究表明,吉馬酮具有抗炎、抗病毒、抗氧化、抗腫瘤和調節血脂代謝等多種藥理作用[7-8]。吉馬酮可通過抑制神經元凋亡和小膠質細胞的活化明顯改善創傷性腦損傷導致的小鼠運動和學習功能障礙[9]。細胞研究發現,吉馬酮能夠上調miR-297的表達,從而抑制過氧化氫誘導的小鼠神經元細胞凋亡和氧化應激[10]。但是吉馬酮對缺血性腦卒中起到何種作用以及其對于I/R損傷的具體分子機制仍需深入研究。
為進一步明確吉馬酮對缺血性腦卒中的保護作用及其機制,本文采用可逆性大鼠大腦中動脈閉塞(middle cerebral artery occlusion, MCAO)手術在體誘導大鼠I/R損傷模型,采用體外氧糖剝奪(oxygen glucose deprivation, OGD)實驗建立大鼠皮質神經元細胞缺糖缺氧模型,研究吉馬酮對體內、體外腦缺血模型的保護作用,以期為吉馬酮的臨床應用提供更有價值的參考。
1 材料與方法
1.1" 材料
1.1.1" 實驗動物" 6~8周SPF級健康雄性大鼠120只[北京維通利華實驗動物技術有限公司,合格證號:SYXK(鄂)2019-0106],大鼠飼養于川北醫學院動物實驗中心,光照/黑暗12 h周期循環,溫度22~24 ℃,相對濕度為50%~60%,自由進食和飲水,適應性喂養1周后開始后續實驗。本實驗方案經本院動物倫理委員會審批(審批號:2024062)。
1.1.2" 主要藥品及主要試劑" 吉馬酮(臨沂艾澤拉斯生物科技有限公司,批號:D0655);尼莫地平(美國MCE公司,批號:N149);胱天蛋白酶-3(cysteine aspartic acid specific protease-3, Caspase-3)活性檢測試劑盒(批號:C111)、TUNEL檢測試劑盒(批號:C1088)均購自上海碧云天生物技術有限公司;DMEM培養基(批號:21010046)、胎牛血清(批號:10100147)、青霉素-鏈霉素雙抗(批號:15070063)均購自美國Gibco公司;MTT試劑盒(批號:M8180)、HE染色試劑盒(批號:G1120)均購自索萊寶科技有限公司;腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)檢測試劑盒(批號:H052-1)、白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)檢測試劑盒(批號:H007-1-1)、白細胞介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)檢測試劑盒(批號:H002)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)檢測試劑盒(批號:A001-3-2)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)檢測試劑盒(批號:A003-1-2)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)檢測試劑盒(批號:A005-1-2)均購自南京建成生物工程研究所。
1.1.3" 主要儀器" 小動物呼吸機(型號:ALC-V8D,上海奧爾科特生物科技有限公司);電子天平(型號:AE160,瑞士Mettler Toledo公司);切片機、包埋機、烘干機、展片機(型號:RM2235、EG1150、HI1220、HI1210,德國Leica公司);冷凍離心機、細胞培養箱(型號:ST16R、42590923,美國Thermo公司);酶標儀(型號:M200,日本TECA公司)。
1.2" 方法
1.2.1" 分組與給藥" 將120只大鼠常規飼養1周后,隨機分為假手術組、模型組、陽性藥組、吉馬酮低劑量組、吉馬酮中劑量組和吉馬酮高劑量組,每組20只。具體給藥方案如下:(1)假手術組、模型組:灌胃等體積生理鹽水;(2)陽性藥組:灌胃尼莫地平10 mg/kg[11];(3)吉馬酮低、中、高劑量組:腹腔注射吉馬酮5、10、20 mg/kg[12]。以上各組大鼠均于缺血1.5 h時,即再灌注前腹腔注射給藥1次。
1.2.2" MCAO模型制備" 參考既往文獻方法[12],各組大鼠經異氟烷麻醉后,置于加熱墊仰臥位固定,用脫毛膏脫去前頸毛,并進行頸部消毒。沿頸部中線處進行切口,沿胸鎖乳突肌內鈍性分離頸總動脈、頸內動脈和頸外動脈。將一條直徑為0.2 mm的尼龍絲從頸外動脈插入頸內動脈,并將線插入指定位置系好。假手術組進行同樣手術操作,不進行線栓。缺血1.5 h后,小心取下細尼龍絲,進行再灌注。再灌注24 h后,各組大鼠進行指標測量和樣本采集。
1.2.3" 神經功能評分評估" 各組大鼠缺血再灌注24 h后,參照Longa法[12]對各組大鼠神經功能進行評分,評估各組大鼠神經功能缺損情況。具體標準如下:0分為無神經功能缺損,可正常行走;1分為可正常行走,缺血對側前肢不能完全伸展;2分為無法直立行走,僅能對側打轉;3分為易跌倒,直立向對側傾斜;4分為不能自發行走,意識水平低下。
1.2.4" 腦指數和腦組織含水量測定" 各組大鼠斷頭,取完整腦組織,稱重(濕重)。大腦組織置于恒溫干燥箱中100 ℃、48 h,稱重(干重)。腦指數=濕重/體質量×100%;腦組織含水量=(濕重-干重)/濕重×100%。
1.2.5" 炎癥因子和氧化應激相關因子檢測" 采用腹主動脈取血,于低溫高速離心機3 000 r/min離心10 min(離心半徑為10 cm),取上清液,-80 ℃保存備用。采用試劑盒,按照說明書方法檢測TNF-α、IL-6、IL-1β、SOD、MDA和GSH-Px水平。
1.2.6" 海馬區病理學檢測" 取各組大鼠海馬組織,冷生理鹽水沖洗后于4%多聚甲醛中固定72 h。組織繼續進行不同濃度乙醇梯度脫水,石蠟包埋,切片(4 μm)。待檢切片進行以下操作:二甲苯脫蠟,乙醇水化,經HE染色,封片,于光學顯微鏡下進行鏡檢。
1.2.7" Caspase-3活性檢測" 使用試劑盒檢測各組大鼠腦組織或神經元細胞的Caspase-3活性。每10 mg組織或200×104個細胞加入100 μL裂解液,冰浴勻漿,冰上再裂解5 min。用低溫高速離心機20 000 r/min離心15 min(離心半徑為10 cm),取上清液,按說明書進行檢測。
1.2.8" 原代大鼠神經元的培養" 新生SD大鼠經75%乙醇消毒,斷頭后置于冰上。無菌條件下剝離大腦海馬組織,用冷PBS沖洗。剪碎,經0.125%胰酶37 ℃消化30 min,加入胎牛血清終止消化,靜止2 min后棄去上層液體。消化后的組織繼續用新鮮培養基吹打洗滌,篩網過濾后移入離心管,棄上清液。沉淀細胞,用含5%胎牛血清的培養基置于培養箱中培養,4~6 h后更換為神經元專用無血清培養基。
1.2.9" OGD神經元模型的建立與分組" 經培養的原代大鼠神經元分為以下組別:對照組、模型組、陽性藥組(尼莫地平,1 μmol/L)[11]、吉馬酮低劑量組(50 μmol/L)、吉馬酮中劑量組(100 μmol/L)和吉馬酮高劑量組(200 μmol/L)[10]。各組處理方法如下[13]:陽性藥組和吉馬酮不同劑量組先用相應劑量的藥物預處理24 h,然后置換為無糖無血清的培養基,置于95% N2、5% CO2混合氣的培養箱中4 h。結束后,進行復糖復氧處理,即置換為含糖含血清的培養基,置于37 ℃、5% CO2的培養箱中繼續常規培養。
1.2.10" 細胞活性測定" 以上各組細胞置于96孔板中,于37 ℃、5% CO2的培養箱中培養。經給藥預處理和OGD實驗后,給予復糖復氧實驗。加入MTT(終濃度為0.5 mg/mL)繼續培養細胞4 h,棄去培養基,加入DMSO(150 μL/孔),于搖床低速震蕩10 min,待結晶全部溶解后,用酶標儀讀取各孔吸光度,計算各組細胞存活率。
1.2.11" TUNEL染色" 海馬組織石蠟切片和預先用4%多聚甲醛固定30 min的神經元細胞用0.3% Triton X-100室溫孵育5 min,之后PBS洗滌2次。按說明書配制TUNEL檢測液,各孔加50 μL TUNEL染色液,37 ℃避光孵育60 min,PBS洗滌3次。用DAPI處理細胞,染細胞核10 min,PBS洗滌。用抗熒光淬滅封片液封片后,熒光顯微鏡下觀察,綠色熒光為TUNEL染色陽性細胞,藍色熒光為細胞核。根據TUNEL陽性細胞數/DAPI陽性細胞數的比值計算細胞凋亡率。
1.3" 統計學分析
采用SPSS 21.0統計軟件進行數據分析。數據均以“x±s”表示,組間比較采用單因素方差分析,P<0.05為差異有統計學意義。
2 結果
2.1" 各組神經功能評分比較
與假手術組比較,模型組大鼠神經功能評分升高(Plt;0.01)。與模型組比較,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組神經功能評分降低(Plt;0.05或Plt;0.01)。詳見表1。
2.2" 各組腦指數和腦組織含水量比較
與假手術組比較,模型組大鼠腦指數和腦組織含水量升高(Plt;0.05或Plt;0.01)。與模型組比較,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組腦指數和腦組織含水量降低(Plt;0.05或Plt;0.01)。與吉馬酮低劑量組比較,吉馬酮高劑量組腦指數降低(Plt;0.05)。詳見表2。
2.3" 各組血清和腦組織中炎癥因子和氧化應激因子比較
與假手術組比較,模型組大鼠血清中TNF-α、IL-6和IL-1β、MDA水平升高(Plt;0.01),SOD和GSH-Px水平降低(Plt;0.01)。與模型組比較,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組血清中TNF-α、IL-6和IL-1β、MDA的水平降低(Plt;0.05或Plt;0.01),SOD和GSH-Px水平升高(Plt;0.05或Plt;0.01)。與陽性藥組比較,吉馬酮高劑量組血清中IL-6和IL-1β水平降低(Plt;0.05),SOD的水平升高(Plt;0.05)。與吉馬酮低劑量組比較,吉馬酮高劑量組血清中TNF-α、IL-6和IL-1β、MDA水平降低(Plt;0.05),SOD和GSH-Px水平升高(Plt;0.05)。詳見表3。
2.4" 各組腦組織海馬區HE染色結果及細胞調亡率比較
假手術組大鼠海馬區未見明顯病理損傷,細胞結構完整,細胞排列緊密,排列清晰均勻,細胞核完整,細胞間隙完整。模型組大鼠腦組織可見典型壞死神經元,細胞數量減少,細胞核萎縮,細胞排列稀疏無序。而陽性藥組和吉馬酮不同劑量組大鼠腦組織損傷明顯改善,具體表現為正常神經元數量增加,細胞核形態與細胞間隙均表現正常。詳見圖1。
與假手術組比較,模型組大鼠海馬組織細胞凋亡率升高(Plt;0.01)。與模型組比較,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組大鼠海馬組織細胞凋亡率均降低(Plt;0.01或Plt;0.05),且吉馬酮各劑量組細胞凋亡率的降低呈劑量依賴性(Plt;0.01或Plt;0.05)。詳見表4、圖2。
2.5" 各組腦組織Caspase-3活性比較
與假手術組比較,模型組大鼠腦組織Caspase-3活性增加(Plt;0.01)。與模型組比較,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組大鼠腦組織Caspase-3活性下降(Plt;0.05或Plt;0.01)。與吉馬酮低劑量組比較,吉馬酮高劑量組Caspase-3活性下降(Plt;0.05)。詳見表5。
2.6" 各組原代大鼠神經元細胞存活率比較
與對照組比較,模型組細胞存活率降低(Plt;0.01)。與模型組比較,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組細胞存活率升高(Plt;0.01)。詳見表6。
2.7" 各組神經元細胞Caspase-3活性比較
與對照組比較,模型組細胞Caspase-3活性增加(Plt;0.01)。與模型組比較,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組細胞Caspase-3活性下降(Plt;0.05或Plt;0.01),且吉馬酮不同劑量組細胞Caspase-3活性的降低呈劑量依賴性(Plt;0.05)。詳見表7。
2.8" 各組原代大鼠神經元細胞凋亡率比較
與對照組比較,模型組細胞凋亡率增加(Plt;0.01)。與模型組比較,陽性藥組和吉馬酮不同劑量組細胞凋亡率減少(Plt;0.01),且吉馬酮不同劑量組細胞凋亡率的降低呈劑量依賴性(Plt;0.05或Plt;0.01)。詳見表8、圖3。
3 討論
據報道,缺血性腦卒中已造成全球數百萬人死亡[14]。然而,在臨床上,血管再通治療效果不佳,而且再灌注本身會誘導神經元損傷,致損傷大腦恢復緩慢[15]。中醫學認為,缺血性腦卒中主要是由于外感風邪、內傷情志、飲食不節、勞倦過度等因素導致氣血運行失常、經絡阻塞和臟腑功能失調[16]。腦卒中的臨床治療應以益氣活血、化瘀通絡為主要原則[17]。中藥莪術具有行氣破血、消積止痛的功效,對缺血性腦卒中具有保護作用[18]。作為中藥莪術的主要有效成分之一,吉馬酮具有顯著的抗氧化應激、抗炎和抗細胞凋亡的作用[9-10],進而推測其可能對I/R大鼠具有保護作用。而且已有研究表明,吉馬酮對創傷性腦損傷大鼠的神經元具有保護作用[9]。因此,我們進一步研究吉馬酮能否通過抗氧化應激和抗炎作用起到抗神經元凋亡的作用,從而對I/R引起的大腦損傷具有保護作用。
炎癥和氧化應激與神經變性和神經元凋亡密切相關[19]。I/R后可見大量細胞凋亡[20]。炎癥反應會破壞完整的血腦屏障,導致周圍炎性細胞進入受損腦組織,加重炎癥反應;尤其在急性缺血期,TNF-α、IL-6和IL-1β在受損腦組織中表達水平顯著升高,加重神經損傷[21]。發生I/R時,腦組織血管的通透性增加,形成血管源性腦水腫;隨著細胞復氧,線粒體功能受損,活性氧生成增加,誘導氧化應激反應加強,導致細胞水腫、凋亡甚至組織梗死[22]。因此,本研究建立腦梗死大鼠模型和原代大鼠神經元OGD模型,通過體內、體外實驗研究吉馬酮抗炎、抗氧化應激和抗細胞凋亡的作用。研究結果表明,吉馬酮可升高大鼠血清SOD和GSH-Px水平,降低MDA水平,從而顯著抑制腦梗死大鼠體內氧化應激反應。同時,吉馬酮可顯著降低大鼠血清炎癥因子TNF-α、IL-6和IL-1β水平,從而抑制大鼠體內炎癥反應。Caspase-3活性檢測和TUNEL染色結果顯示,吉馬酮對腦梗死造成的大鼠腦組織神經元凋亡,以及OGD導致的原代大鼠神經元凋亡均有明顯的保護作用。因此,本研究猜測吉馬酮可能通過抑制大鼠I/R引起的炎癥反應和氧化應激反應,從而抑制損傷部位神經元細胞凋亡,保護受損大腦。
I/R會導致神經元細胞凋亡及組織梗死,因此,動物出現異常的神經行為學表現[23]。本研究評價各組大鼠神經功能評分、腦指數、腦組織含水量以及觀察腦組織形態學變化,以上指標可充分反映大鼠I/R的損傷程度。研究結果表明,與模型組相比,吉馬酮可降低腦梗死大鼠的腦指數、腦組織含水量和神經功能評分,改善大鼠腦組織細胞數量減少、核固縮、細胞水腫等病理學改變。以上結果提示,吉馬酮可以緩解I/R損傷引起的損傷。
綜上所述,吉馬酮可以緩解急性MCAO造成的大鼠腦損傷,此保護作用可能與減輕大鼠腦組織炎癥反應、抑制氧化應激反應、減少神經元細胞凋亡有關。
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