植物雌激素介导线粒体途径对阿尔茨海默病神经保护作用的研究进展

甄艳杰 郭童林 赵雨薇 沈丽霞

河北北方学院药学系，张家口，075000，中国

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种起病隐匿的渐进性发展的神经退行性疾病。早期主要表现为记忆力下降，随着病程进展逐渐失去生活自理能力。我国作为老龄化现象较为严重的人口大国，患AD 的老年人在逐年增多。AD 难以预防和治愈，给老年人及其家属和社会带来了严重的负担。据文献报道，到2050 年阿尔茨海默病患病人数为2015 年的2.35 倍，如果没有相应的有效预防措施，中国阿尔茨海默病患病人数在未来30 年将大幅增长［1］。目前发现主要有两种AD 的病理学特征，一种是β淀粉样蛋白（β-amyloid，Aβ）导致的细胞外的老年斑块（senile plaque，SP）形成，另一种是tau 高度磷酸化导致的细胞内神经元纤维缠结（neurofibrillary tangle，NFT）［2］。AD 发病机制尚不能确定，临床上缺乏能够减少神经元死亡和延缓疾病进程的药物［3］。越来越多的证据表明，线粒体在几种年龄相关的疾病中发挥了很大的作用，主要包括血管疾病、癌症、糖尿病、神经退行性疾病和遗传性线粒体疾病等［4］。线粒体是一种对细胞的生存和死亡至关重要的细胞器，可根据细胞的结构和功能的需求迅速改变它们的形状，线粒体的一些特点反应其内共生起源主要有双层膜结构、环状基因组及线粒体特异性转录、翻译和蛋白装配系统。线粒体可执行功能包括：ATP 的产生，细胞内钙调节，改变细胞的氧化还原化，释放蛋白质激活Caspase 家族的蛋白酶及自由基清除等细胞功能［5］。

雌激素最初被认为具有调节机体的发育、生长、生殖等功能。有发现雌激素可能直接或间接影响线粒体功能，βE2通过结合在线粒体F0F1-ATPase 的一种寡霉素敏感蛋白（oligomycin sensitivity conferring protein，OSCP）亚单位而抑制其功能［6］，雌激素替代治疗能够降低AD 的发生率，然而治疗的同时也会增加卵巢癌，乳腺癌和其他心脑血管疾病的患病风险。植物雌激素（phytoestrogen，PE）来源于植物，结构和17β-雌二醇相似，是指某些能结合并激活哺乳类动物及人类的雌激素受体（estrogen receptor，ER）。PE 与ER 结合，表现弱雌激素作用，也可通过竞争性抑制对靶细胞产生抗雌激素作用，具有双向性，能够改善神经元细胞存活率，称为选择性雌激素受体调节剂（selective estrogen receptor modulators，SERMs）。SERMs 与其自身结构、细胞内不同雌激素受体亚型的表达、靶基因启动子结构及细胞内不同信号通路的转导等相关［7］。现有研究表明选择能够特异性激活ER 的SERMs 在未来治疗AD 中是一种安全有效的方法。

1 雌激素、雌激素受体与植物雌激素

雌激素是一种由胆固醇通过复杂的代谢途径主要由卵巢合成的固醇类激素，主要包括雌二醇（estradiol，E2）和雌酮（estrone，E1）及其代谢产物雌三醇（estriol，E3），其中E2 的生物活性最强。流行病学研究表明，雌激素在AD 发病中起着神经保护作用［8］。雌激素可通过多种途径发挥对神经元的保护作用，包括：增加神经递质的释放，促进轴突生长［9］；拮抗Aβ的毒性并减少其沉积，保护神经元；对抗细胞凋亡基因表达，阻止细胞凋亡［10］；维持细胞内Ca2+的平衡，缓解神经元退变的进程；抑制核转录因子所导致的炎症反应；保护海马内突触结构［11］等。

雌激素的作用通过雌激素受体介导，ER 是一类由配体激活的锌指结构转录因子，属于核受体超家族甾体受体分支，雌激素受体在动物和人的中枢神经系统中分布广泛，两者的表达并不完全一致，ERα主要在下丘脑中表达，大脑皮质、小脑和海马以ERβ表达为主［12］。

植物雌激素本身不是雌激素，因其与动物雌激素结构类似，均含有杂环酚羟基，其通过与动物雌激素受体以低亲和度结合而发挥弱的雌激素样作用，故称为植物雌激素。植物雌激素是一类来源于植物的化合物，它们在结构和功能上与雌激素相似，在植物中常以糖苷的形式存在，进入体内可与体内的ER 结合，发挥雌激素样作用，在预防和治疗癌症、心脏病、绝经症状、骨质疏松症和改善认知能力方面发挥着重要作用［13］。PE可结合体内的雌激素受体，在体内具有双重调节作用，即一方面在体内雌激素水平较低时，可与ER 结合发挥雌激素样作用；另一方面在体内雌激素水平较高时，PE竞争性与ER 结合，占据ER 结合部位，阻止了强活性的内源性雌激素与ER 的结合，PE 有效地减弱了靶细胞对雌激素的应答，产生拮抗雌激素的作用［14］。

2 植物雌激素分类及药理作用

2.1 植物雌激素的分类

植物中的一些物质具有雌激素样作用早在1926年就有人报道。至今已发现几百种之多，然而作为一些植物食品来源的却不多，最为常见的为大豆异黄酮和木酚素植物雌激素。PE 根据化学结构主要分为4 大类：黄酮类、香豆素类、木脂素类以及二苯乙烯类。黄酮类主要包括黄酮、异黄酮、二氢黄酮、查耳酮、黄酮醇等，其中以异黄酮为主，主要存在于豆科植物中，故也称“大豆异黄酮”，代表性中药有葛根、黄芪、虎杖、黄芩等；香豆素类可以分为简单香豆素、呋喃香豆素、吡喃香豆素和异香豆素等，主要中药有补骨脂、蛇床子、茵陈、白芷等；木脂素类主要见于亚麻、谷类、一些含油种子、水果和蔬菜中，中药连翘、五味子、厚朴等均含有此类成分；二苯乙烯类化合物广泛存在于高等植物中，在葡萄和花生中含量较高［15］。

2.2 植物雌激素的药理作用

随着对植物雌激素的深入研究，PE 的药理作用也越来越多的被人们发现，对PE 的药理功能的研究，将有助于植物雌激素类成分在阿尔茨海默病中发挥神经保护作用的继续研究。

植物雌激素可以通过多种机制发挥抗癌作用。沈丽霞［16］等采用体外细胞实验，研究金雀异黄素（genistein，Gen）和槲皮素（quercetin，Que）对与雌激素依赖性乳腺癌细胞增殖的关系，发现Gen 和Que 在一定剂量范围内通过ER 介导能够促进T47D 和MCF-7细胞的增殖，而对雌激素受体阴性MDA-MB231 细胞未见增殖作用。体内实验发现，给予新生雌性小鼠染料木黄酮后暴露在致癌物质中，小鼠患癌症的潜伏期延长，诱发乳腺癌的发病率也有所降低［17］。随后Barnes等［18］的研究也与上述结果一致。众多研究发现PE 可以有效地抑制肿瘤发生和癌细胞转移，抑制多种癌细胞的增殖。

植物雌激素对心血管疾病的具有一定保护作用。Figtree 等［19］研究证实，染料木黄酮、鸡豆黄素A 等可剂量相关地舒张由K+引起的冠状动脉环收缩。

植物雌激素可治疗妇女绝经症状。据文献报道，采用随机、双盲实验，选择潮热日发生次数在7～15 次之间、异黄酮摄入量在34～75 mg·d-1范围内的妇女。结果异黄酮可使潮热发生次数减少，猜测植物雌激素治疗妇女绝经症状可能与其雌激素样作用有关［20］。

植物雌激素对神经退行性疾病的保护作用。神经退行性疾病是一组以原发性神经元变性为基础的慢性进行性神经系统疾病。该类疾病主要包括AD、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）、Huntington 舞蹈病（huntington disease，HD）、脑缺血缺氧所致神经元变性［21-22］等。雌激素替代治疗可防止AD 发生、延缓AD 发展，但随着研究的深入预防激素治疗致癌风险成为现今的热点，能够替代雌激素发挥神经保护作用的植物雌激素是更好的选择。植物雌激素与内源性雌激素相似，能够进入大脑内的亲脂性环境［23］。通过抑制Caspase 酶级联反应和活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生而保护皮质神经元免受Aβ的毒性作用，且植物雌激素可能存在依赖或不依赖雌激素而达到神经保护作用的途径［24］。

3 阿尔茨海默病的致病机制

近年来，有关AD 的研究层出不穷，但其发病机制阐述尚不全面，随着研究的逐步深入，越来越多的研究发现了阿尔茨海默病的各种致病机制。主要包括以下病因机制。

3.1 Aβ毒性学说

AD 的一项重要病理特征是脑内存在大量老年斑，老年斑的主要成分是含39～42 个氨基酸残基的Aβ。Aβ在脑内位于细胞外，主要以Aβ40和Aβ42两种形式存在，其中Aβ42含量虽低，但易于聚集为原纤维而沉积，从而形成弥漫性老年斑［25］。AD 患者大脑中Aβ异常表达，高浓度Aβ对已分化的、成熟的神经元有毒性作用，其神经毒性涉及复杂的分子机制。脑内异常聚集的Aβ可激活补体，引起神经胶质细胞异常活化。神经胶质细胞异常活化后，能够分泌补体、细胞因子等引起炎性反应，损伤正常的神经细胞，进而会反馈导致Aβ的大量异常聚集［26］。Aβ自我积聚形成的各种寡聚体，具有神经毒作用，会使正常突触功能受损。

3.2 tau 蛋白异常修饰学说

tau 蛋白是微管相关蛋白组分之一，可以在微管间形成横桥，维持并加强微管的稳定性，诱导微管成束，微管相关蛋白和微管蛋白共同构成微管，微管、微丝和中间丝组成细胞骨架，细胞骨架的主要功能是对细胞的机械支撑并参与轴浆运输［27］。过度磷酸化tau 蛋白异常积聚，形成神经纤维缠结，是AD 的另一重要病理特征，异常磷酸化的tau 蛋白具有不可溶性，与微管亲和力低，从而阻碍微管的组装，导致神经元骨架蛋白结构异常和神经元死亡［28］。

3.3 氧化应激学说

氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子氧自由基产生过多，氧化程度超出氧化物的清除，氧化系统和抗氧化系统失衡，从而导致组织损伤。目前认为，活性氧损伤是引起AD 患者脑损伤的重要机制之一［29］。大量的研究证明氧化应激在神经退行性疾病的发病机制中起关键作用［30］。因为它会破坏细胞和组织中的大分子，导致膜损伤、碎裂，甚至可导致DNA 片段化和脂质过氧化诱导的细胞死亡。活性氧表达水平升高，严重者内质网蛋白折叠功能受损，蛋白酶及自体吞噬介导的受损蛋白清除功能下降，促使Aβ和tau 蛋白积聚，导致AD 发生［31］。

3.4 炎症学说

炎症是人体的一种防御机制，是机体应对损伤及感染等的病理过程。有研究表明，AD 患者及实验大鼠脑内SP 附近的胶质细胞聚集，进而引发炎性因子聚集；这说明AD 的发病与部分炎症反应相关，更与AD 患者的病变过程有密切关系［32］。调节神经炎症反应的主要细胞因子有p38 蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、白细胞介素（interleukin，IL）-6、IL-1、IL-8、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、核转录因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）等，这些细胞因子水平升高会导致大脑神经炎症的发生，促使星形细胞及小胶质细胞过度激活并产生有毒物质，导致神经元变性、凋亡［33］。

3.5 线粒体功能障碍学说

影响到线粒体功能的损伤被笼统地称为“线粒体功能障碍”。神经元有一套完整的质量控制系统来保护线粒体免遭损伤。线粒体是绝大多数真核细胞内存在的一种双层膜结构的细胞器，其主要功能除为细胞提供能量外，同时也参与调控细胞内的钙离子稳态、各种第二信使的生成、参与调控细胞的凋亡等，其功能好坏很大程度上决定了细胞的存活［34］。正常的线粒体功能对神经元非常重要。神经元是高耗能细胞，也是高度分化的细胞，需要大量的ATP 来维持细胞膜内外的离子浓度，从而维持正常神经电位的传播［35］。有效的线粒体运输及定位也非常重要，因为神经元的不同部位对能量的需求不同。线粒体功能障碍是AD 发生发展过程中非常重要的机制之一，主要包括有：线粒体动力学异常，线粒体呼吸链功能障碍，线粒体氧化应激和DNA损伤，以及线粒体自噬异常等［36］。线粒体功能障碍学说认为，线粒体与Aβ和tau 蛋白的沉积都有密切的关系，线粒体参与了AD 发病的起始过程。应用活细胞成像对APP 转基因小鼠的初级神经元研究显示线粒体质量降低，线粒体轴突运输缺陷和突触变性，从而导致线粒体和突触障碍［37］。然而，在AD 患者中导致线粒体功障碍的机制及这种障碍在AD 患者发病中的作用仍需进一步研究。

4 植物雌激素介导线粒体途径发挥神经保护作用的分子机制

目前探讨植物雌激素对AD 神经保护作用的研究集中在线粒体作用机制，线粒体在调节神经元的生存和死亡方面扮演重要角色，植物雌激素介导线粒体途径发挥神经保护作用的机制主要有：

4.1 线粒体自噬与AD

线粒体是细胞的能量中心也是重要的信号调控中心。线粒体稳态维持对于细胞的正常生命活动十分重要。近年来研究发现线粒体自噬通过细胞自噬方式选择性的清除受损或多余的线粒体，用以控制细胞线粒体质量的重要组成［38］。当线粒体自噬机制障碍时，会导致线粒体功能下降，进而会影响细胞稳态并导致疾病发生，因此对线粒体自噬的分子机制和调控机制可能是未来对于AD 发病机制研究的关注点。

AD 病理特征为早期线粒体和突触变性与线粒体淀粉样蛋白累积和神经元内纤维缠结。线粒体在自噬中起着重要作用，目前认为线粒体自噬可能是通过清除受损线粒体和运走具有细胞毒性的Aβ，从而改善或抵制AD 的发生或发展，起到保护神经元的作用。许多研究已表明，AD 中受损的神经元经历线粒体功能障碍和早期发生的生物能量缺陷以促进Aβ和tau 病理表达，而最近的研究表明，去除受损线粒体（线粒体自噬），自噬-溶酶体通路也在AD 发生中受损，导致功能失调的线粒体积聚增多，通过氧化损伤和细胞能量缺乏致线粒体自噬受损增加，从而引发Aβ和tau 异常积聚，进而导致突触功能丧失和认知功能障碍的发生［39］。

赵秋振等［40］通过体外实验研究，提出川芎嗪可能通过降低细胞内钙离子浓度，防止细胞内钙超载，减轻由饥饿诱导的SH-SY5Y 细胞内自噬反应，抑制自噬过度诱发的程序性死亡，发挥神经保护作用。有研究表明，白藜芦醇是从虎杖等提取的一种生物性很强的天然多元酚类物质，其诱导自噬，上调LC3 和Beclin-1 的表达可能是其抗氧化、神经保护作用及改善AD 动物模型学习记忆能力的深层机制［41］。中药复方也具有抑制过度自噬，保护神经元的作用。以人参皂苷、石菖蒲挥发油成分为主的补气开窍方对APP/PS1 转基因的AD模型小鼠有改善学习记忆能力，减少Aβ水平，减少Beclin-1 表达，增加p-mTOR 表达的作用，其作用机制可能是通过抑制自噬来实现的［42］。

王晨等［43］在对APP 转基因鼠海马组织的研究中发现，生姜中的姜黄素能减轻神经元损伤程度，改善学习记忆能力。这种神经保护作用与增加海马组织中 Beclin-1、LC3-Ⅱ表达，增强自噬，减轻Aβ负荷有关。绞股蓝皂苷 XVⅡ是 Meng 等人从三七及绞股蓝里提取出的一种新型的植物雌激素，它能下调APP 的产生，减轻Aβ毒性引起的自噬介导的程序性凋亡反应，从而改善记忆能力［44］。Cao 等［45］提出芍药苷通过自噬—溶酶体通路来改善Aβ导致神经损伤细胞的程度，从而发挥神经保护作用。梅峥嵘等［46］的研究表明，灯盏花素可以显著提高谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，降低丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量，提示其可能通过调节自噬通路，清除自由基，实现其抗氧化、抗凋亡的作用。远志提取物可能通过激活细胞AMPK/Raptor 通路，抑制了mTOR 和p70s6k 的活化，诱导自噬作用增强，增强的自噬途径促进细胞清除过多的Aβ，减少Aβ的分泌［47］。

综上，线粒体自噬系统的崩溃会导致Aβ产生增多或清除障碍以及 Tau 蛋白磷酸化，从而促使 AD 的发生发展。植物雌激素介导线粒体自噬治疗AD 的研究在不断深入，未来将为治疗AD 和寻找临床治疗药物提供新的方向和思路。

4.2 线粒体途径凋亡与AD

研究发现细胞凋亡之前线粒体膜的通透性增加，线粒体内细胞色素C 释放入胞浆，同时或之后线粒体跨膜电位崩溃，最后出现核酸酶的激活，细胞进入不可逆的过程［48］。细胞凋亡使体细胞特别是具有重要功能的细胞如脑细胞数量减少，造成其组成的重要器官如脑皮层的萎缩等老年性病理过程。

凋亡大致分为：外源性凋亡、内源性凋亡和T 细胞调节的凋亡；内源性凋亡又称为线粒体调节的凋亡，在内源性途径中，在各种细胞凋亡刺激因子的作用下，线粒体的完整性受到破坏，线粒体的通透性增加［49］。AD的重要病理特征，与患者认知功能下降具有相关性，而神经元丢失与细胞凋亡之间存在密切关联。凋亡发生机制中最关键的环节是由半胱氨酸蛋白酶家族和Bcl-2基因家族对细胞凋亡的调控［50］。天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶简称 Caspase 家族，由于具有自我活化功能并能相互激活，当凋亡过程一旦启动，便呈级联效应放大［66］。

当细胞受到某些凋亡刺激，如DNA 损伤、细胞周期阻滞等的因素刺激时，可导致线粒体膜肿胀、通透性增加，造成细胞色素C（cytochrome C，Cyt C）的释放。Cyt C 是线粒体释放的促凋亡蛋白，正常情况下存在于线粒体膜间隙，稳定地结合于线粒体内膜，不能通过外膜，当细胞发生凋亡时Cyt C 的释放导致线粒体外膜通透性增加［51］。线粒体在接受凋亡信号后释放Cyt C 和其他凋亡因子，其中Cyt C 从线粒体中释放出来是内源性细胞凋亡的关键步骤。细胞受到外界刺激时，导致细胞内Ca2+或活性氧浓度过高，引起线粒体外膜通透或Bax 从胞浆转移至线粒体内，进而引起Cyt C 释放至胞浆内，并与凋亡蛋白酶激活因子1（apoptotic proteaseactivating factor-1，Apaf-1）和三磷酸腺嘌呤脱氧核苷酸（deoxyadenosine triphosphate，dATP）形成七聚体复合物即凋亡小体，激活Caspase-9 并引发Caspase 凋亡途径，最终激活Caspase-3 并执行凋亡［52］。

另有研究显示橙皮苷、二氢槲皮素可以恢复线粒体膜电位、逆转Cyt C 释放［53-54］。二氢槲皮素也能通过Janus 激酶信号转导及转录激活因子信号转导途径抑制ROS 诱导的凋亡［55］。线粒体基质中Ca2+水平的增加是强效的诱导剂，可引起线粒体内膜中mPTP 的持续开放，触发细胞凋亡［56］。

AMP 活化蛋白激酶（adenosine 5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase，AMPK）是细胞能量稳态的主要调节因子，也是葡萄糖和脂质代谢的核心参与者，AMPK 作为能量传感器和调节器，在调节细胞能量稳态中起着关键作用［57］。AD 脑中AMPK 活性降低，表明线粒体生物发生和功能下降。新出现的证据表明，AMPK 激活是一种潜在的目标，可以改善参与AD 发病机制的紊乱脑能量代谢。AMPK 在AD 发病机制中的作用包括Aβ生成和tau 蛋白磷酸化［58］。AMPK 可以通过调节神经元胆固醇和鞘磷脂水平并通过调节APP分布来调节Aβ的产生。AMPK 通过LKB1 复合物对Thr-172 的磷酸化作用响应于AMP/ATP 比率的增加和钙调蛋白依赖性蛋白激酶-β响应于升高的Ca2+水平而激活，这有助于调节Aβ的产生［59］。

5 总结与展望

植物雌激素保护神经元并维持线粒体结构和功能完整性等作用的研究目前仍然亟待解决的问题，我们尚需继续努力研究，以便更加深入了解植物雌激素对AD 神经保护作用的可能机制。因此，进一步明确植物雌激素介导线粒体途径发挥对神经元的保护作用，以及深入探讨相关的作用机制将是未来研究的主要方向。虽然AD 的病因尚不清楚，但许多因素包括遗传因素、饮食因素、雌激素水平降低、甲状腺激素等似乎与AD 都有密切的关系，关于线粒体的研究进展表明其在AD 中可能是个保护因素。线粒体功能的好坏可能影响Aβ的产生、分泌和清除，且其还将与Tau 蛋白的磷酸化状态相互影响。因此，研究线粒体与AD 发病机制的关系以期为治疗AD 提供方向及新思路。