天麻素防治缺血性脑损伤的机制研究进展

程阳阳 孔维佳

[摘要] 天麻素是一种酚型糖苷类化合物，是中药天麻的主要活性成分，临床用于治疗头痛、头晕、癫痫、惊厥等神经系统疾病。脑缺血是全球最重要的致残致死性疾病之一，当脑部出现缺血时，首先导致氧气和能量缺失，引发兴奋性氨基酸的释放、氧化应激、炎症以及细胞凋亡等有害级联反应，加重脑组织损伤。天麻素通过抑制兴奋毒性，抗氧化，抗炎，抑制细胞凋亡，维护神经胶质细胞稳态，促进神经发生，保护血脑屏障完整性等途径减轻缺血所致的脑损伤;通过多靶点、多层次调节脑缺血损伤的病理生理过程，为缺血性脑损伤的治疗提供了一种新的思路。

[关键词] 天麻素;缺血性脑损伤;氧化应激：炎症;神经发生

[中图分类号] R285          [文献标识码] A          [文章編号] 1673-7210（2020）02（c）-0048-05

[Abstract] Gastrodin is a phenolic glycoside compound， which is the main active component of Gastrodiae Rhizoma. It is used in treatment of headache， dizziness， epilepsy， convulsion and other neurological diseases. Cerebral ischemia is one of the most important disabling and fatal diseases in the world. It leads to the loss of oxygen and energy， triggering the release of excitatory amino acids， oxidative stress， inflammation， cell apoptosis and other harmful cascade reactions， aggravating brain tissue damage. Gastrodin can reduce ischemic brain injury by inhibiting excitotoxicity， anti-oxidation， anti-inflammatory， cell apoptosis， maintaining glial cell homeostasis， promoting neurogenesis， and protecting the integrity of blood-brain barrier. It is suggested that gastrodine can regulate the pathophysiological process of ischemic brain injury by multi-target and multi-layer， providing a new idea for the treatment of ischemic brain injury.

[Key words] Gastrodin; Ischemic brain injury; Oxidative stress; Inflammation; Neurogenesis

脑卒中是一种高发病率、高死亡率、高复发率的中枢神经系统疾病，通常是由于局部脑血流受到暂时性或永久性阻塞引起，已成为全球仅次于缺血性心脏病的第二大死亡原因[1]。缺血性脑卒中，即缺血性脑损伤，约占脑卒中发病率的85%[2]。脑缺血后的级联反应称之为缺血瀑布，由初始的氧气和能量缺失引起兴奋性氨基酸释放、氧化应激、炎症以及细胞凋亡，加重脑损伤[3]。因此，干预脑缺血损伤后复杂的病理生理过程是治疗缺血性脑损伤的重要途径。

名贵中药天麻为兰科植物天麻Gastrodia elata Bl.的干燥块茎，味甘，性平，入肝经，具有熄风止痉，平抑肝阳的作用[4]。天麻素是从天麻中提取的酚型糖苷类化合物，是天麻的主要活性成分之一，药用价值较高且毒副作用小[5]。临床适用于癫痫、失眠、头痛、高血压、老年痴呆、糖尿病等[6]。近年来国内外研究已证明天麻素在抗氧化、抗炎、抗凋亡、保护神经元等方面具有良好的活性[7]，能针对缺血性脑损伤的病理生理过程进行多靶点干预。本文就其抗缺血性脑损伤的研究作一综述，以期为天麻素的研究开发和脑缺血疾病的治疗提供理论依据。

1 抑制兴奋毒性

兴奋性氨基酸（EAA）毒性是EAA介导的一种特殊类型的神经毒性，谷氨酸（Glu）是大脑中的主要兴奋性神经递质，同时是缺血性脑损伤发生时的主要神经毒性物质。脑缺血后，细胞外Glu水平显著增加，激活EAA受体，引起过量Ca2+流入神经元以及氧源自由基的异常产生[8]。此过程是最终引起细胞凋亡和坏死的始动因素，被认为是脑缺血再灌注损伤早期最主要的病理变化。EAA成为脑缺血后介导神经元退化的关键性递质。Zeng等[9]通过建立原代海马细胞氧/葡萄糖剥夺（OGD）模型，发现天麻素能够显著抑制OGD诱导的神经细胞死亡，并降低OGD后的细胞外Glu水平，抑制OGD诱导的Ca2+。

除Glu外，缺血后脑组织中还释放出大量的其他神经活性物质。例如哺乳动物脑内主要的抑制性神经递质γ-氨基丁酸（GABA）。抑制性氨基酸可以减轻EAA的毒性，减少脑缺血损伤，EAA和抑制性氨基酸之间的不平衡是加重缺血性脑损伤的原因之一。Bie等[10]采用脑微透析-高效液相色普联用技术实时动态检测大脑中动脉缺血（MCAO）大鼠纹状体EAA与抑制性氨基酸的比值发现，术前给予大鼠腹腔注射天麻素，脑缺血后Glu与GABA的比值急剧增加，且保持在较高水平，再灌注后大鼠纹状体内EAA和抑制性氨基酸含量均有不同程度的下降。然而，EAA的毒害作用更明显。在脑缺血再灌注的整个过程中，天麻素组Glu与GABA比值远低于模型组。提示天麻素可能通过抑制脑缺血过程中氨基酸，尤其是EAA的释放减轻脑损伤。

2 对抗氧化应激损伤

氧化应激损伤是指组织内氧自由基累积，并能引起细胞内的生物大分子损伤和细胞凋亡。正常情况下，氧自由基能被体内天然的抗氧化系统彻底清除。组织缺血缺氧时，细胞能量代谢发生障碍，细胞内产生更多具有杀伤力的活性氧自由基（ROS）。同时，超氧化物岐化酶（SOD）的表达降低，进一步加重组织的自由基损伤[11]。大脑由于具有高代谢活性和含量极高的不饱和脂肪酸，对氧化还原状态的变化非常敏感[12]，氧化应激伴随内源性抗氧化防御机制受损在脑损伤导致神经元死亡的继发事件中起重要作用。研究显示天麻素预处理可改善线粒体氧化还原环境，减弱过氧化氢（H2O2）诱导的SH-SY5Y细胞线粒体功能障碍[13]。

Nrf2的激活在增强机体内源性抗氧化应激中起关键作用。生理条件下，胞浆中的Nrf2与其特异性受体Keap1形成稳定复合物，抑制Nrf2活性。當脑缺血发生时，急性氧化应激使Nrf2与其受体解离并发生核转位，与特定蛋白质结合后激活抗氧化反应元素（ARE）或亲电子反应元件（EpRE），激活下游抗氧化酶或Ⅱ相解毒酶基因，如SOD、血红素加氧酶-1（HO-1）等，启动抗氧化系统的功能，减轻机体损伤[14]。Peng等[15]研究发现，MCAO大鼠脑组织SOD活性显著降低，丙二醛（MDA）浓度大大增加，而天麻素预处理可逆转这一情况。进一步研究发现，天麻素抗氧化作用是通过激活体内AKT/Nrf2/HO-1通路发挥作用。在脑缺血损伤的体外研究中，曹韦等[16]建立H2O2损伤大鼠脑皮层神经元模型，同时给予不同浓度的天麻素溶液，测定天麻素对氧自由基的清除能力。结果显示天麻素可增加SOD浓度，提高自由基清除率，剂量依赖性地提高对黄嘌呤氧化酶的抑制作用，具有外源性“自由基清除剂”的作用。

3 抑制细胞凋亡

细胞凋亡是程序性细胞死亡的过程。氮氧自由基的产生、细胞能量代谢紊乱、线粒体功能障碍等均可诱导细胞凋亡，所有凋亡通路最后都汇集到下游的效应因子caspase[17]。活化的caspase降解各种细胞成分并激活核酸酶，最终导致细胞凋亡。在真核细胞中，激活的caspase-3是细胞凋亡执行者和重要标志物。Liu等[18]研究发现，天麻素预处理可以降低活化的caspase-3，抑制MCAO大鼠海马及皮层神经元丢失和细胞凋亡。

Ca2+是各种细胞代谢途径中的第二信使，在调控细胞功能，如分化和生长、膜兴奋性、胞吐作用和突触活动中具有重要作用。钙调蛋白依赖性激酶Ⅱ（CaMKⅡ）是Ca2+介导的信号通路中的重要分子，磷酸化的CaMKⅡ可激活ASK1-p38 MAPK，通过氧化应激诱导细胞凋亡。Jiang等[19]研究发现，天麻素可抑制Glu诱导的Ca2+进入PC12细胞，降低CaMKⅡ依赖的凋亡前级联信号，即ASK-1/p38/p53的反应。此外，天麻素还可以减少caspase-3的活化，降低细胞中bax/bcl-2比值，减少细胞凋亡。

4 减轻炎症级联反应

炎症是一个逐级扩大的级联反应，贯穿于脑缺血发生发展的整个过程，炎症介质对这一反应起放大效应。体内外研究显示，核因子-κB（NF-κB）是调节炎性因子释放的重要途径之一[20-21]。脑缺血发生后，受损脑细胞释放的损伤相关分子模式（DAMPs）可作为Toll样受体的配体，诱导胶质细胞的活化以及免疫细胞浸润，进一步加重免疫炎性反应和脑损伤[22]。小胶质细胞激活及其介导的促炎介质产生，在不同的中枢神经系统疾病中起重要作用。

在体外研究中，Dai等[23]通过对脂多糖（LPS）诱导的炎症小胶质细胞的研究发现，不同浓度的天麻素预处理显著降低LPS诱导的一氧化氮合酶（iNOS），环氧合酶（COX-2），肿瘤坏死因子-α（TNF-α），白细胞介素-1β（IL-1β）和NF-κB的mRNA转录表达水平和蛋白质合成，具有抗炎作用。NF-κB和反应元件结合蛋白（CREB）是这些炎症介质表达的重要调节因子，NF-κB的活化过程包括磷酸化的内源性抑制剂IκB-α降解和NF-κB核转位，CREB磷酸化可促进基因的转录表达。天麻素可抑制LPS诱导的BV-2细胞中NF-κB/RelA蛋白和mRNA表达，以及IκB-α、CREB、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）磷酸化，提示天麻素通过抑制NF-κB信号传导途径和MAPK磷酸化而发挥其抗炎作用，但各调控机制之间的联系仍有待阐明。Liu等[24]采用缺血缺氧大鼠模型和LPS诱导的BV-2小胶质细胞发现，天麻素可通过抑制肾素-血管紧张素系统（AT2和SIRT3除外）和促炎介质，尤其是小胶质细胞中活化的TNF-α，对缺氧缺血性脑损伤发挥保护作用。

5 维护神经胶质细胞稳态

中枢神经系统中的胶质细胞主要包括星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞，是数量最多的一类细胞。生理状态下，在能量供应，血流调节，维持脑组织内环境稳态，维护脑内神经突触可塑性以及大脑认知功能等方面具有重要作用。脑缺血发生后，神经胶质细胞被激活，反应性星形胶质细胞既具有保护神经元的作用，同时也能分泌细胞毒因子、补体蛋白而损害神经元，其作用取决于疾病的病理进程[25]。激活的小胶质细胞一方面，可吞噬清除受损组织，合成和分泌多种神经营养因子，发挥神经保护作用[26];另一方面，通过分泌促炎细胞因子、活性氧、蛋白水解酶类诱导炎症和细胞凋亡，加剧脑损伤。Wang等[27]采用LPS所致的急性炎症星形胶质细胞模型验证了天麻素的神经保护作用。LPS引起星形胶质细胞过度自噬，天麻素治疗后，通过激活细胞中的PI3K-AKT-mTOR信号通路下调自噬表达，逆转LPS诱导的星形胶质细胞谷氨酰胺合成酶活性下调，提示天麻素可通过维持生理稳态间接保护神经元。

S100β蛋白是中枢神经系统特异性表达的一种酸性钙结合蛋白。缺血性脑损伤可诱导S100β表达增加，表现出复杂的生理病理作用。S100β能促进促炎型、抑制抗炎型小胶质细胞极化，释放更多的炎症介质，促进围梗区炎症细胞的浸润，过度激活的胶质细胞释放更多的S100β，加剧脑缺血损伤，是缺血性脑损伤神经胶质细胞和神经元损伤的标志物[28]。对MCAO模型大鼠给予天麻素预处理，在脑缺血再灌注早期，S100β表达显著降低[29]，提示抑制脑缺血损伤后S100β的表达和胶质细胞的活化，可能是天麻素发挥神经保护的重要途径。

6 促進神经发生

成人中枢神经系统的神经前体细胞（NPSCs），主要分布在侧脑室室下区（SVZ）和海马齿状回颗粒下区（SGZ），具有自我更新和分化为神经元、胶质细胞的能力。脑损伤后，成神经细胞向受损区域迁移并分化为成熟神经元，整合到神经网络，为脑组织提供内源性神经修复，对脑损伤具有潜在的治疗作用，但这种修复能力是有限的[30]。研究者们通过外源性的神经干细胞和前体细胞（NSPs）植入及内源性的NSPs激活两种途径增强神经功能的修复[31]。何珊珊等[32]研究发现，天麻素可增加脑缺血再灌注小鼠的海马新生神经元的数量，可能是通过上调双皮质素（DCX）的表达，促进新生神经元的增殖和分化发挥神经保护作用。有研究显示，脑源性神经营养因子（BDNF）及其受体TrkB可促进大脑神经发生[33-34]。天麻素治疗可以提高脑缺血再灌注大鼠海马BDNF/TrkB的含量，提示天麻素发挥神经保护作用可能与BDNF/TrkB促神经发生有关[35]。

Wnt/β-Catenin信号通路可以增强neurogenin2（Ngn2）、Pax6、Tbr2等促神经发生因子的表达，阻断Wnt信号抑制大鼠神经祖细胞（NPC）的增殖和分化，与脑神经密切相关[36]。Qiu等[37]研究发现，天麻素显著促进缺血性脑损伤后DCX阳性神经母细胞的形成，增强脑缺血后的神经发生，有助于脑卒中后功能的恢复。进一步研究发现，可能与Wnt3及β-Catenin的表达增强有关。神经轴突生长抑制因子A（NogoA）及其受体NgR形成的受体复合物是中枢神经系统重要的神经纤维生长抑制剂。李怀斌等[38]研究发现，MCAO大鼠脑中央杏仁核（CeA）内NogoA/NgR的表达显著增加，单一的天麻素或电针干预均能降低NogoA/NgR的表达，拮抗其神经抑制作用，促进神经纤维的增长和神经功能的恢复。

7 总结

除以上总结的作用机制外，天麻素还可以保护血脑屏障的完整性。在临床试验中，天麻素注射液能够改善脑卒中患者的认知障碍和运动功能[39]。提示天麻素在体内外的脑缺血损伤试验中表现出良好的生物活性，作用机制广泛，涉及疾病发生发展过程的各个环节，为其多靶点治疗缺血性脑损伤奠定了药理学基础。然而，目前相关的临床试验相对稀缺，因此，需要更可靠的临床试验来证实天麻素的药用价值。尽管如此，天麻素对有效治疗缺血性脑损伤呈现出巨大潜力，是值得被开发的宝贵中药资源。

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（收稿日期：2019-06-21  本文编辑：刘明玉）