中药有效成分石杉碱甲治疗阿尔茨海默病的研究进展

李琳 杜岩

中药有效成分石杉碱甲治疗阿尔茨海默病的研究进展

李琳 杜岩

杜岩 教授

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种与年龄相关的,以进行性记忆损伤、认知功能障碍、行为障碍和人格改变为特征的慢性神经退行性疾病。据世界卫生组织估计,全球目前有近3560万AD患者,其中一半以上的患者居住在低收入和中等收入国家[1]。AD是一种多因素介导的疾病,其病因及发病机制尚不明确,迄今临床实践中仍未找到十分有效的治疗策略[2]。

石杉碱甲(Huperzine A, Hup A)是从我国中草药蛇足石杉(Huperziaserrata)中提取出的新型石杉类生物碱有效单体,是一种高效、高选择性且可逆性的中枢性乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase, AChE)抑制剂,临床上常用于治疗各种疾病,例如瘀伤、感染、风湿病、精神分裂症、重症肌无力和发热等[3]。已经有报道显示,Hup A可以逆转或减弱多种不同动物模型(包括啮齿类动物和非人灵长类动物等)的认知损害[4-5],并且可以改善人类的学习和记忆缺陷[6]。事实上,Hup A的神经保护作用,不仅仅是其对AChE抑制作用的结果,它具有多个分子作用的靶点。因此,本文将对Hup A治疗AD相关机制的研究进展进行综述。

1 调控APP代谢途径

淀粉样蛋白沉积形成的老年斑(senile plaque, SP)是AD的特征性病理改变,SP的核心成分是β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ),Aβ由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)水解而来。APP在体内的代谢途径主要分为两种,即由α-分泌酶介导的非Aβ途径和由β-分泌酶和γ-分泌酶共同介导的Aβ途径[7]。分泌型淀粉样蛋白前体蛋白α(secretory amyloid precursor protein α, sAPPa)由非Aβ途径产生,对神经具有营养和保护作用,可以促进神经的生长,刺激突触的形成,同时稳定神经元内的钙离子平衡等[8]。研究显示,Hup A调节APP的代谢途径与蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)的活化有关,通过激活毒蕈碱乙酰胆碱受体(moscarinic acetylcholine, mACh)亚型M1和M3,细胞内PLC-PKC信号传导途径被激活,而经PKC磷酸化的酪氨酸活化α-分泌酶,从而使sAPPa的分泌增加,并降低Aβ的水平[9]。Zhang等[10]的研究发现,通过脑室内注射Aβ1-40建立的AD大鼠模型,对模型鼠腹腔注射Hup A可以明显改善大鼠体内由Aβ导致的sAPPα分泌减少;而在经Aβ1-40处理过的HEK293sw细胞中,给予Hup A后,APP的水平显著增加。Yan等[11]运用mACh受体的特异性拮抗剂和激酶抑制剂,发现Hup A可以激活M1-mAChR/PKC级联和MAPK信号传导,从而增强APP的非Aβ途径。这些研究结果表明Hup A可能通过上调PKC,来影响APP的代谢,从而改善AD的学习记忆能力和认知功能。

2 抗氧化应激

氧化应激是体内自由基产生的负效应,并被认为是促进衰老及其相关疾病发生发展的重要因素之一[12]。Aβ主要通过氧化应激作用和自由基的产生对神经细胞产生毒性。自由基90%产生于细胞线粒体,因此线粒体功能障碍可以促进氧化应激、衰老和神经变性[13-14]。研究发现,Hup A可以升高AD模型豚鼠的额叶、顶叶、颞叶和小脑中三价铁还原抗氧化力、谷胱甘肽还原酶活性和氧化应激标记物(如转氨酶,血尿素氮和葡萄糖等)水平[15]。Hup A可以明显改善D-半乳糖诱导的老化小鼠的学习记忆障碍,降低脑组织中一氧化氮含量,抑制一氧化氮合酶活性,提高谷胱甘肽过氧化物酶和琥珀酸脱氢酶活性,降低胞浆钙离子水平[16]。研究表明,在分离的大鼠脑线粒体中,Hup A除了改善Aβ诱导的线粒体呼吸功能下降、三磷酸腺苷(ATP)合成减少、线粒体呼吸链酶失活和跨膜电位的降低,还能有效防止Aβ诱导的线粒体肿胀、活性氧(ROS)过度生成和细胞色素c释放[17]。Gao等[18]研究发现用Hup A孵育2h,不仅减弱了PC12模型细胞中由Aβ引起的细胞氧化应激损伤,而且未受伤害的正常细胞中的ATP浓度升高和ROS生成减少。上述结果表明Hup A能提高细胞的抗氧化能力,在治疗AD中起一定的作用。

3 对中枢神经递质的调控作用

3.1 胆碱能神经传递系统 Hup A是一种高选择性的可逆性胆碱酯酶抑制剂,易通过血脑屏障,其抑制方式是典型的混合型抑制,兼顾竞争性和非竞争性,抑制作用明显优于加兰他敏、多奈哌齐和他克林[19]。Hup A通过与AChE可逆性结合,减少乙酰胆碱(ACh)的水解,使神经突触间隙的ACh含量明显升高,并通过激活突触后膜上的N受体,兴奋胆碱能神经元,增强学习记忆相关脑区神经元的兴奋性,从而增强学习记忆能力,改善认知行为功能[20-21]。有研究表明,Hup A对丁酰胆碱酯酶(Butyrylcholinesterase, BuChE)抑制作用较弱,因此外周ACh水平升高作用不明显,从而减少了恶心、呕吐等外周胆碱能不良反应[22]。

3.2 单胺类神经传递系统 中枢神经系统是一个复杂的网络,其中某一神经传递系统通常会干扰其他神经传递系统。研究表明ACh系统与去甲肾上腺素(Noradrenalin, NA)系统、多巴胺(Dopamine, DA)系统之间存在相互作用,共同影响学习和记忆能力。这些神经传递系统的失调可能会导致各种神经系统退行性疾病,包括AD[23]。Liang等[24]应用清醒大鼠双探针脑微透析及高效液相色谱电化学检测技术研究表明,口服Hup A显著提高大鼠中前额叶皮层及腹侧海马内ACh水平和中前额叶皮层突触间隙DA及NA水平,但对5-羟色胺水平没有影响,对DA的作用强于NA,但对二者的作用峰值及作用持续时间均弱于对ACh的作用。总而言之,细胞外ACh含量的升高可能同时会引起NA和DA含量的升高,因此Hup A可以通过提高患者脑组织内的ACh及NA、DA等神经递质的水平,发挥对受损神经的保护作用。

3.3 谷氨酸(glutamate, Glu)介导的兴奋性神经传递系统 Glu是大脑中最丰富的神经递质,与长时程增强记忆的形成密切相关[25]。N-甲基-D-天门冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, NMDA)受体是Glu受体的一个亚型。NMDA受体介导的兴奋毒性作用,主要有2个途径:(1)由NMDA受体过度兴奋介导的神经细胞迟发性损伤;(2)Glu超常释放和蓄积造成促进NMDA受体通道的开放。二者都会导致细胞内Ca2+超负荷,引起神经元坏死[26]。AD患者脑内Glu水平过高提示存在NMDA受体的慢性激活[27]。Hup A作用于Glu介导的兴奋性神经传递系统。有研究表明将神经元细胞用Hup A预处理45 min后暴露于NMDA,可以抑制NMDA诱导的毒性作用[28]。另外,Hup A选择性抑制NMDA诱导电流,且与NMDA受体的变构调节位点的调节剂具有竞争作用[29]。这些结果表明Hup A具有拮抗NMDA受体的作用,可以减弱由Glu介导的兴奋性细胞毒性。

4 调节神经生长因子信号

神经生长因子(nerve growth factor, NGF)是重要的神经细胞生长调节因子。年龄相关的基底前脑胆碱能神经元(BFCN)变性发生于AD早期,并且与AD的认知功能下降相关。大量的实验已经表明,减少BFCN细胞体上的NGF水平,会导致神经元标记物的丢失和减少,酷似AD患者的典型病变[30]。在AD的终末阶段,出现基底核区含ACh的皮质投影神经元的选择性变性,可能与NGF及它的低亲和力受体P75和高亲和力受体TrkA三者之间的功能紊乱有关[31]。NGF增强了APP的非Aβ途径,并减少APP/PS1转基因小鼠脑中的Aβ生成[32]。然而,NGF不能穿过血脑屏障。因此,通过药物刺激内源性NGF的产生,或通过研究能够穿过血脑屏障的化合物来模拟NGF的活性是保护中枢神经系统的新途径。Tang等[33]研究发现,Hup A可以显著增加带有轴突的PC12细胞的数量,但对细胞活力无明显影响,还可以明显上调NGF mRNA的水平和低亲和力NGF受体p75的表达。同年,Tang等[34]通过H2O2介导的神经毒性细胞模型实验进行进一步的探索,实验结果表明Hup A通过TrkA介导的MAPK/ERK途径来实现对NGF信号传导的调节作用,该调节作用可以被K252α(与TrkA受体信号传导活化相关的磷酸化抑制剂)和PD98059(MAPK/ERK抑制剂)所阻断。结果表明,Hup A对神经细胞的保护作用由上调的NGF和NGF受体介导。

5 抑制神经细胞凋亡

有研究表明,Aβ的异常沉积、炎症反应和氧化应激损伤均能够促进神经细胞的凋亡,其中Aβ的直接神经毒性作用是最常见的原因[35]。Aβ的神经毒性可造成细胞活性下降、线粒体功能紊乱、引起细胞凋亡。在中枢神经系统中,核转录因子-κB(nuclear transcription factor-κB, NF-κB)的活化与神经细胞凋亡的易感性增加相关[36]。Hup A可通过阻止NF-κB核易位,抑制D-半乳糖诱导的神经血管损伤和血脑屏障功能障碍,从而抑制神经细胞凋亡[37]。另外,Hup A通过抑制Aβ1-42诱导的小胶质细胞炎症反应,使神经干细胞在神经干细胞和小胶质细胞共培养系统中免受Aβ诱导的细胞凋亡[38]。

6 总结与展望

众所周知,AD是一种多因素介导的致死性神经变性疾病,目前可用的药物疗法仅供姑息治疗且疗效有限。Hup A作为一种高效的AChE抑制剂,对APP代谢、多种神经递质系统、NGF的调控作用和抗氧化、抗凋亡等作用刺激内源性保护过程,同时促进损伤结构的修复。因此,这种多重作用使Hup A成为治疗AD的高效药物。由于大多数神经变性疾病的主要特征在于与症状发展相关的进行性神经元丢失,Hup A的神经保护作用通过减缓神经变性过程,是否同样有利于其他神经变性疾病,如帕金森氏病,肌萎缩性侧索硬化或亨廷顿病等,还有待进一步探索和研究。

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