淫羊藿活性成分防治神经系统病变认知功能障碍作用机制的研究进展

任宁娜 唐学锋 王金艳 朱燕

认知功能障碍的发病与年龄、遗传、环境、血管疾病、神经系统病变、炎症、氧化应激等多种因素有关,其标志性的病理表现为淀粉样蛋白(斑块)在脑神经元外沉积,并造成神经元损伤或破坏以及一系列复杂的症状[1]。中医认为认知功能障碍的主要病因为肾虚,治疗当以补肾为主要原则,肾是生髓之本,脑是骨髓之海,肾精是脑骨髓的主要来源,肾虚可导致脑骨髓失养,引起痴呆或认知障碍。淫羊藿属于补肾阳药,能补肾助阳、强筋壮骨、祛风除湿[2]。现代药理研究表明,淫羊藿含有类黄酮、木脂素、淫羊藿苷、淫羊藿次甙等多种活性成分,具有舒张血管、降压、祛痰、止咳、抗肿瘤、抗衰老、调节免疫功能、增加血流量、造血等多种功能,临床可用于恶性肿瘤、心脑血管、阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)、痴呆、阳痿、半身不遂、腰膝酸痛、气管炎等多种病症的治疗。Chen等[3]发现,淫羊藿苷可通过调节神经细胞代谢,保护线粒体功能,改善AD的认知功能。有研究结果发现,淫羊藿是种具有雌激素样作用的类黄酮化合物,能保护和调节大脑中的线粒体功能,调节神经可塑性和突触形成,在预防和治疗各种神经退行性疾病中具有良好作用[4]。本文通过整理总结近年来国内外淫羊藿活性成分防治神经系统病变认知功能障碍的相关研究,综述淫羊藿活性成分的作用机制,为淫羊藿的临床应用提供循证支持。

1 淫羊藿活性成分通过抑制神经细胞凋亡以保护神经功能

淫羊藿苷能通过调控自噬功能、激活磷脂酰肌醇三羟基激酶(phosphoinositide-3 kinase,PI3K)/蛋白质丝氨酸苏氨酸激酶(serine threonine kinase,AKT)/糖原合酶激酶-3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)通路,降低氧化应激反应,以抑制神经细胞凋亡,对改善认知功能具有积极意义。

1.1 淫羊藿苷能抑制过度自噬功能以阻止神经元凋亡

自噬是胞质内容物如长寿蛋白病原体、受损细胞器等被溶酶体降解的自我降解过程,脑老化可伴随认知功能下降、脑萎缩、脂褐质沉积、β淀粉样蛋白沉积、神经元丢失等许多病理变化,大脑大量异常蛋白质的聚集可触发自噬功能,以清除毒性物质,而自噬也是把双刃剑,过度诱导自噬可能会导致神经元细胞死亡[5]。Chen等[6]将淫羊藿苷用于衰老加速小鼠的实验发现,20、40、80 mg/kg的淫羊藿苷显著降低小鼠空间记忆损伤陈低估,减缓大脑细胞的衰老进程,抑制神经元丢失及神经元微结构改变,显著降低自噬体的数量,显著降低微管相关蛋白轻链3 II、p62的表达,表明,淫羊藿苷可通过调控自噬功能抑制神经元凋亡,改善学习记忆功能。

1.2 淫羊藿苷能激活PI3K/Akt/GSK-3β信号通路降低神经元凋亡

PI3K/Akt能介导神经细胞的增殖、分化、凋亡,参与集体免疫应激反应和免疫应答,在细胞存活和固有免疫细胞极化反应中发挥重要作用,能通过多种途径调节下游靶蛋白的表达,以抑制细胞凋亡作用[7]。雷剑等[8]将淫羊藿苷用于七氟醚诱导的认知功能障碍小鼠的实验发现,20 mg/kg的淫羊藿苷能缩短N臂停留时间、僵直时间,降低小鼠血清脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、白介素-1β(Interleukin 1β,IL-1β)、肿瘤坏死因子α(Tumor necrosis factor α,TNF-α)的水平,提高B淋巴细胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)、磷酸化(Phosphorylation,p)-AKT、PI3K、GSK-3β蛋白的表达,表明淫羊藿苷能促进PI3K/Akt/GSK-3β活化以减轻海马神经元损伤凋亡,发挥改善认知功能的作用。

1.3 淫羊藿苷能减轻氧化应激反应抑制神经凋亡

糖尿病性脑病(Diabetic encephalopathy,DE)是糖尿病的中枢神经系统并发症,主要特征为认知功能障碍和神经变性,糖基化终产物(Glycosylation end products,AGEs)在大脑积累,可诱导剧烈氧化应激反应,产生过量的活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)可以激活半胱天冬酶信号通路,破坏线粒体功能,促使神经元凋亡[9]。Zhao等[10]将淫羊藿苷用于晚期糖基化终产物处理的PC12细胞的实验发现,5、10、20 μmol/L的淫羊藿苷能有效抑制晚期糖基化终产物诱导的细胞凋亡,以浓度依赖性方式增加超氧化物歧化酶的活性,降低丙二醛的产生,清除氧化自由基,降低裂解半胱天冬酶-9、裂解半胱天冬酶-3和裂解PARP的水平,阻止Bax二聚体的形成,其机制与淫羊藿苷通过抑制细胞凋亡发挥神经保护作用。

2 淫羊藿活性成分通过减轻Aβ的神经毒性改善认知功能

淫羊藿苷、淫羊藿次甙Ⅱ可通过抑制Aβ的产生和沉积,促进Aβ降解,显著降低Aβ引起的神经毒性作用,降低神经炎症反应,有效阻止或延缓AD的发生。

慢性脑灌注不足是血管性痴呆、阿尔茨海默病发生认知障碍的关键因素。脑灌注不足可引起的脑血流量下降,与神经功能损伤、认知功能下降密切相关,还能上调淀粉样前体蛋白(Amyloid precursor proein,APP)、β位淀粉样蛋白前体蛋白切割酶1(β Amyloid precursor protein cleaving enzyme 1,BACE1)蛋白的表达,进而促进β淀粉样蛋自(β-Amy bid,Aβ)分泌及聚集,加重神经和认知功能损伤[11]。Aβ经BACE1、C分泌酶的水解产物,在神经症状聚集可激活星形胶质细胞和小胶质细胞,并释放TNF-α、IL-1β、COX-2等多种炎症介质,并介导和启动神经炎症反应,造成神经毒性[12]。

Li等[13]将淫羊藿苷用于慢性脑灌注不足大鼠的实验发现,40 mg/kg的淫羊藿苷能增加目标象限时间和缩短逃避潜伏期,提高游泳时间和游泳速度,有效减轻慢性脑灌注不足引起的神经元形态学改变,抑制Aβ在海马区的沉积,降低大鼠海马组织APP、BACE1的表达,提高去整合素金属蛋白牌结构域10(Deintegrin metalloprotein brand domain 10,ADAM10)、胰岛素降解酶(Insulin-degrading enzyme,IDE)的表达,表明淫羊藿苷可通过调节BACE1和ADAM10的活性,降低Aβ的沉积。Yin等[14]将淫羊藿次甙Ⅱ用于链脲佐菌素诱导的认知障碍大鼠的实验发现,3、10 mg/kg淫羊藿次甙Ⅱ能显著缩短逃避潜伏期,改善链脲佐菌素诱导的学习和记忆障碍,降低神经元的凋亡和猥琐,抑制海马体磷酸二酯酶-5(Hippocampal phosphodiesterase-5,PDE5)蛋白和Aβ的表达,抑制APP、BACE1的表达,上调NEP水平以促使Aβ的降解,抑制TNF-α、IL-1β、COX2和转化生长因子-β1(Transforming growth factor-β1,TGF-β1)的过表达及NF-κB的过表达,表明淫羊藿次甙Ⅱ能通过抑制Aβ生成及促进Aβ降解,抑制PDE5的水平,以减轻认知功能缺陷。Wu等[15]将淫羊藿苷用于衰老加速小鼠的实验发现,60 mg/kg的淫羊藿苷能显著改善小鼠的空间学习和记忆的能力,提高目标象限时间和跨越平台数量,提高Bcl-2/Bax比值,阻止神经元凋亡,表明淫羊藿苷能显著降低Aβ沉积以减轻Aβ的神经毒性作用。Deng等[16]淫羊藿次甙Ⅱ用于Aβ诱导的AD大鼠模型,结果发现,20 mg/kg的淫羊甙II能先改善大鼠的学习、记忆功能,增加目标象限的时间和距离,缩短逃逸潜伏期的时间,提高大鼠认知功能,还能减轻Aβ诱导的神经元凋亡、丢失、病理学改变,降低萎缩神经元数量,抑制Aβ水平的升高,抑制Aβ诱导的星形胶质细胞和小胶质细胞活化,抑制海马区IL-1β、COX-2、TNF-α和iNOS蛋白和mRNA的表达,显著降低半胱天冬酶-3等凋亡信号的激活,表明淫羊藿次甙Ⅱ可通过减轻Aβ引起的神经炎症以纠正AD的认知功能障碍。

3 淫羊藿活性成分通过调节信号传导减轻认知功能缺陷

淫羊藿苷能通过抑制转化生长因子-β1(Transforming growth factor-β1,TGF-β1)信号通路、激活激活神经调节蛋白1(Neuregulin-1,NRG1)/表皮生长因子4(V-erb-b2 avian erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 4,ErbB4)、BDNF/非受体酪氨酸激酶(Non-receptor tyrosine kinase,Fyn)、PI3K/Akt/CREB、BDNF/酪氨酸激酶受体B(Tyrosine kinase receptor B,TrkB)、BDNF/ERK/CREB信号通路,降低减轻慢性脑灌注不足引起的神经损伤,增强突触可塑性,从而减轻AD和精神分裂症的认知功能缺陷。淫羊藿次甙Ⅱ通过激活BDNF/TrkB改善突触可塑性,提高认知功能。

3.1 淫羊藿苷抑制TGF-β1信号通路阻止认知功能下降

TGF-β1能促进小胶质细胞发育的重要细胞因子,其表达标志小胶质细胞发育成熟,能与相关受体结合后,激活Smad2/3水平,进一步加重大脑炎症反应,促进脑组织中Aβ的沉积,并促进神经元Aβ的分泌[17]。Zong等[18]将淫羊藿苷用于慢性脑灌注不足大鼠的实验发现,10、40 mg/kg的淫羊藿苷显著增加日间游泳时间、缩短逃避潜伏期,减轻海马CA1和CA3区域神经元的病理学改变,抑制Aβ在海马体聚集,抑制大鼠海马APP、BACEⅠ的水平,升高ADAM10和IDE的表达,抑制TGF-β1的表达及Smad2/3的磷酸化,表明淫羊藿苷可通过抑制TGF-β1信号通路抑制脑灌注不足引起的痴呆或认知功能下降。

3.2 淫羊藿苷激活神经调节蛋白1(Neuregulin-1,NRG1)/表皮生长因子4(V-erb-b2 avian erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 4,ErbB4)、脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)/Fyn和PI3K/Akt/CREB信号通路纠正认知缺陷

神经调节蛋白1(Neuregulin-1,NRG1)是结合并激活跨膜醅氨酸激酶受体的生长因子,在神经元和突触的发育中发挥重要作用,可通过激活ErbB4,直接抑制神经元凋亡,提高突触可塑性,对脑缺血和神经退行性疾病具有神经保护作用[19]。脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)在学习记忆功能中发挥着重要作用,能激活Fyn,促进NRG1从轴突快速释放,后者还能刺激BDNF的分泌,以调节细胞增殖和促进轴突再生,在突触可塑性至关重要[20]。PI3K/Akt/CREB是NRG-1/ErbB4、BDNF/Fyn信号通路的下游,在脑低灌注损伤的神经元存活和突触可塑性中发挥重要作用,可促进多种神经保护蛋白的表达,有助于防治慢性脑灌注不足引起的认知功能障碍[21]。Niu等[22]将淫羊藿类黄酮用于双侧颈总动脉结扎建立的慢性脑灌注不足大鼠的实验发现,50、100、200 mg/kg的淫羊藿类黄酮能改善空间学习记忆功能,提高海马CA1区的神经元细胞的数量,提高Bal/Bax的水平,阻止神经元凋亡,上调微管相关蛋白2、神经丝蛋白的表达,提高大鼠海马突触素、突触taemin、突触素I、PSD95的表达,保护海马突触超微结构及可塑性,提高NRG1、磷酸化(p)ErbB4、BDNF、p-Fyn表达水平,表明淫羊藿类黄酮能通过激活NRG-1/ErbB4、BDNF/Fyn和PI3K/Akt/CREB信号通路延缓慢性脑灌注不足引起的认知功能缺陷。

3.3 淫羊藿次甙Ⅱ、淫羊藿苷通过激活BDNF/TrkB通路改善突触可塑性

BDNF及其相应的高亲和力受体TrkB的水平在AD中降低,进一步导致突触可塑性丧失,激活BDNF/TrkB信号通路可促使CREB磷酸化,以抑制神经元凋亡,发挥神经保护作用[23]。Liu等[24]研究将淫羊藿次甙Ⅱ用于Aβ诱导的AD大鼠的实验发现,3、10 mg/kg的淫羊藿次甙Ⅱ能显著降低逃避潜伏期的水平,增加目标象限时间和频率,显著改善大鼠认知功能障碍,降低海马区域PDE5、cGMP的水平,促进海马组织BDNF、p-CREB、TrkB的表达,增强PC12细胞的活力,减轻Aβ诱导细胞凋亡,表明淫羊藿次甙Ⅱ可通过激活BDNF/TrkB/CREB信号传导降低Aβ引起的认知功能损伤。Sheng等[25]研究运用淫羊藿苷肝郁Aβ1-42诱导建立的AD大鼠模型,30、60、120 mg/kg的淫羊藿苷能呈剂量依赖性提高大鼠的逃逸潜伏期,提高穿越平台次数及目标象限运动时间,提高神经突触、穿孔突触、扁平突触的百分比,提高突触活动区长度,改善突触超微结构,挽救Aβ沉积引起的突触衰竭,增加海马体的CA1和C2/3区域BDNF和pCREB免疫阳性细胞,增加了PSD-95、BDNF、pTrkB、pAkt和pCREB的蛋白表达,促进海马体中的BDNF、TrkB、Akt和CREB mRNA表达,表明淫羊藿苷通过BDNF/TrkB/Akt途径改善突触可塑性,以改善AD的突触和认知缺陷。Joo等[26]将淫羊藿苷用于治疗创伤性脑损伤小鼠的实验发现,10、30 mg/kg淫羊藿苷能显著改善小鼠的认知功能,上调BDNF、PSD-95、SYP的表达,表明淫羊藿苷可通过上调突触可塑性效应因子降低创伤性脑损伤后的认知功能障碍。

3.4 淫羊藿苷通过抑制PERK/eIF2α信号通路防治AD的发生

PERK是内质网应激的重要信号通路,当PERK磷酸化下游底物eIF2α时,能抑制多种蛋白质合成,减轻内质网负担,同时增加转录翻译因子ATF4的表达,促使下游蛋白CHOP进一步诱导UPR靶基因GADD3、TRB1和ERO2α等表达,抑制Bcl-2的分泌,最终导致细胞凋亡[27]。Li等[28]对APP/PS1小鼠使用淫羊藿苷预处理的实验发现,60 mg/kg淫羊藿苷能降低潜逃潜伏期,提高目标象限频率及时间,改善小鼠记忆辨别指数,显著抑制Aβ的形成,下调BACE1、ADAM10的表达,抑制IRE1α,PERK,eIF2α和ATF6的表达,抑制TRB3、GADD34和ERO1α的mRNA的表达,减轻神经元的形态改变和细胞凋亡,提高CA3、DG区的神经元密度,降低半胱天冬酶-9、半胱天冬酶-3和半胱天冬酶-1的水平,提高Bax/Bcl-2比值,减轻神经元凋亡,表明淫羊藿苷可通过抑制PERK/eIF2α信号通路,下调APP和BACE1的表达,以阻止AD的发生和发展。

3.5 淫羊藿苷可通过抑制NRG1/ErbB4信号通路提高认知功能

NRG1可通过激活ErbB4受体,促进神经元增殖、迁移及突触的形成,NRG1/ErbB4信号通路参与神经元信号的有序调节和精细传输,NRG1/ErbB4信号的活化能造成认知功能障碍,出现自闭症、精神分裂症等精神病变[29]。刘运琴等[30]将淫羊藿苷用于N-甲基-D-天冬氨酸受体拮抗剂诱导建立的精神分裂症大鼠的实验发现,50 mg/kg淫羊藿苷能现在降低逃避潜伏期、自发活动总路程、刻板行为评分,减轻海马组织小体数量缩小、神经元形态不规则、体积缩小、排列紊乱等病理改变,提高超氧化物歧化酶活性,提高线粒体膜电位,降低丙二醛水平,降低海马组织种TNF-α、IL-1β、IL-6的表达,降低NRG1、ErbB4蛋白及基因的表达,表明淫羊藿苷可通过抑制NRG1/ErbB4信号通路改善精神分裂症认知功能。

3.6 淫羊藿苷能促进BDNF/细胞外信号调节激酶(Extracellular signal-regulated kinase,ERK)/cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)信号通路提高认知功能

BDNF能促进神经元生长与再生,能激活ERK1/2,进一步促进CREB活化,形成正反馈环,激活BDNF/ERK/CREB能有效调节神经元的增殖,抑制其凋亡,改善胆碱能系统,对认知功能发挥保护作用[31]。刘运琴等[32]对精神分裂症大鼠运用淫羊藿苷预处理,结果表明,15、30、60 mg/kg的淫羊藿苷能显著提高大鼠的船台次数和交替率,降低逃避潜伏期、累积不动时间、活动路程长度,改善海马组织种神经元的病理形态学改变,升高乙酰胆碱转移酶(Choline acetyl transferase,ChAT)、乙酰胆碱(Acetylcholine,Ach)的水平,降低AchE水平,提高Bcl-2/Bax的比值,降低半胱氨酸蛋白酶3蛋白的表达,提高BDNF蛋白、CREB mRNA、ERK mRNA的水平,促进ERK1/2和CREB的磷酸化,表明淫羊藿苷能促进BDNF/ERK/CREB信号通路降低精神分裂症的认知功能。

4 淫羊藿活性成分通过增加髓鞘稳定性改善认知功能

淫羊藿苷能促进海马区髓鞘蛋白的表达,减轻髓鞘脱失、轴突紊乱等病变,显著提高海马区髓鞘的稳定性,纠正神经元信号传递紊乱,淫羊藿黄酮通过减轻脑白质脱髓鞘病变,对认知功能发挥保护作用。

髓鞘损伤发生在认知障碍、Aβ沉积和NFT形成之前,是AD发病机制的早期标志,早期海马神经纤维上髓磷脂的损伤可能是记忆丧失和认知能力下降的主要原因[33]。髓鞘脱失参与精神分裂症的发生与发展,可造成患者认知功能障碍,脑髓鞘碱性蛋白(Myelin basic protein,MBP)是轴突髓鞘化的标志蛋白,其水平与认知功能障碍程度成正相关[34]。

Yu等[35]将淫羊藿苷用于Tg-AD小鼠的实验发现,3 mg/kg的淫羊藿苷能显著降低小鼠局部髓鞘病理损伤,显著增加海马区髓鞘蛋白的表达,显著升高髓鞘相关基因MBP、Mpp5和Egr2的表达,提高小鼠逃逸潜伏期,提高平台交叉次数及象限花费时间,有效改善小鼠的学习和记忆功能,表明淫羊藿苷能通过增加髓鞘稳定性改善AD的认知功能。陈溪等[36]将淫羊藿苷用于双环己酮草酰二腙诱导的神经分裂症小鼠的实验发现,25、50 mg/kg的淫羊藿苷能改善Y迷宫试验的空间学习记忆能力,延长自发活动总路程,减轻小鼠胼胝体部位髓鞘脱失程度,提高脑内MBP的表达,减少星形胶质细胞数量,表明淫羊藿苷能通过防治髓鞘脱失改善精神分裂症的认知功能缺陷。张丽等[37]将淫羊藿黄酮用于慢性脑缺血低灌注大鼠的实验发现,100、200 mg/kg的淫羊藿黄酮能提高大鼠物体分辨指数,提高胼胝体部位FA值,降低大鼠视束部位AD、ADC值,减轻胼胝体部位鞘脱结构的病理改变,降低鞘脱紊乱分级值,表明淫羊藿黄酮通过改善胝体部位鞘脱结构,减轻脑白质脱髓鞘病变,改善认知功能障碍。

5 淫羊藿活性成分通过改善胆碱能系统以提高认知功能

淫羊藿苷能促进神经干细胞增殖,分化为神经元,显著改善胆碱能系统,促进Ach、ChAT蛋白及基因的表达,以提高认知功能。

基底前脑胆碱能神经元的大量丧失是AD的主要病理变化,穹窿是连接海马体与间脑、前脑、纹状体和前额叶皮层的主要传入和传出纤维束,海马体胆碱能神经元丧失可导致穹窿功能异常,造成AD认知功能障碍[38]。Ma等[39]研究运用淫羊藿苷干预大鼠脑端分离单细胞进行体外实验及神经干细胞移植大鼠进行体内实验,结果显示,0.1、1.0、10、20 μmol/L的淫羊藿苷能剂量依赖性促进神经干细胞增殖、迁移、分化、存活,促使神经干细胞分化为星形胶质细胞、神经元,20 mg/kg淫羊藿苷干预大鼠病变侧胆碱能神经元的百分比,促进胆碱能神经元存活,其机制与淫羊藿苷促进胆碱能神经元活性来发挥防治AD的作用。李菲等[40]将淫羊藿苷用于链脲佐菌素诱导的SAD大鼠的研究发现,40 mg/kg的淫羊藿苷能显著改善大鼠的空间学习记忆能力,缩短逃避潜伏期,降低海马体TGF-β1、AchE的表达,表明淫羊藿苷可通过改善乙酰胆碱功能降低记忆功能下降。

创伤性脑损伤通常由交通和职业事故引起,具有很高的死亡率和发病率,可造成大脑结构改变,对身体、认知、情绪和行为功能产生长期影响,胆碱能系统广泛分布于海马和皮层等多个脑区,与认知功能、学习和记忆密切相关[41]。创伤性脑损伤可引起的中枢胆碱能神经系统功能障碍,包括胆碱能神经元丢失、ACh和ChAT水平下降,以及相应的记忆和学习功能损害[42]。Zhang等[43]对闭合型颅脑损伤小鼠运用淫羊藿苷治疗,结果发现,75、150 mg/kg的淫羊藿苷能显著提高平台穿越次数,降低逃避潜伏期和搜索距离,有效提高海马区Ach、ChAT蛋白及基因的表达,提高海马AC-H3的表达,表明淫羊藿苷能通过改善组蛋白乙酰化稳态减轻创伤性脑损伤引起的认知障碍。

6 结语

认知功能障碍可影响个体的日常生活、活动、社会、职业多种功能,多种神经系统病变可造成认知功能下降[44]。随着社会老龄化加剧,痴呆、AD、精神分裂症等患病人群不断升高,给医疗系统造成较大的冲击[45]。淫羊藿多种活性成分在认知功能障碍的防治中的发挥多途径多靶点作用获得多篇研究证实,为淫羊藿的临床使用提供了依据。但目前淫羊藿活性成分防治认知功能障碍的研究大部分停留于基础实验阶段,在人体的治疗效果尚未可知。并且对淫羊藿活性成分的药物浓度及药代特征不明确。临床还需对淫羊藿的化学成分及成药工艺进行研究探讨,尽早研发出以活性成分为药效成分的新药。