葛根素的抗炎作用及其对神经系统疾病影响的研究进展

吴国庆,李志刚,杨佳一,汪子栋,张 洋,林禹宏

葛根(radix pueraria)是豆科植物葛属野葛的干燥根,首见于《神农本草经》,记载其具有主消渴,身大热,呕吐,诸痹,起阴气,解诸毒,主下利的作用,中医药学经过千百年的发展,古代医家对葛根的认识远不止于此,历代文献中记载的葛根功效主要包括凉血止血、清热止呕、解酒毒醒酒、降逆平喘、清热解毒、解郁除烦、生肌敛疮、活血化瘀、通行经络、缓解腰痛和颈肩痛等。葛根素(puerarin,PR)是葛根的重要提取物之一,是《中华人民共和国药典》评价中药葛根饮片质量的重要指标,也是葛根发挥其有效作用的重要成分,近年来葛根素的作用备受关注,已经有大量研究表明其具有抗炎及神经系统保护作用。

1 葛根素的抗炎作用

铁死亡是一种新型的程序性细胞死亡,在脓毒症引起的肺损伤中起重要作用,有研究建立了脂多糖(LPS) 诱导人肺泡上皮细胞A549形成脓毒症肺损伤模型,并检测到模型细胞中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素(IL)-8、IL-1β浓度显著增加,研究人员应用酶联免疫吸附实验(ELISA)法测定葛根素对LPS诱导的A549细胞炎性细胞因子TNF-α、IL-8、IL-1β的影响,发现随着葛根素应用浓度的增加,TNF-α、IL-8、IL-1β的表达水平显著降低[1]。葛根素通过调节肾素-血管紧张素系统和核因子-κB(NF-κB)信号通路在火药烟雾诱导的大鼠急性肺损伤中发挥抗炎作用,有效降低肺损伤中IL-6、IL-1β、IL-17A和TNF-α的水平[2]。

心肌梗死(myocardial infarction,MI)是由于冠状动脉阻塞,心肌细胞持续缺氧缺血,导致心肌细胞坏死的严重危害生命健康的疾病[3]。心肌梗死的病理状态中存在炎性细胞浸润[4],有研究表明,葛根素联合丹参酮ⅡA阻断炎性细胞释放,调节炎性细胞因子[IL-1β、IL-6、IL-10和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)]的表达,抑制炎症早期M1巨噬细胞的表达,增加心肌缺血小鼠M2巨噬细胞的表达。此外,丹参酮ⅡA和葛根素联合使用可通过降低Toll样受体4(TLR4)蛋白表达和促进CCAAT/增强剂结合蛋白-β蛋白表达来抑制炎症,以改善心肌梗死的炎症病理[5-6]。Liu等[7]将40只健康成年Wistar大鼠随机分为4组:假烧伤组、烧伤组、烧伤+葛根素组、葛根素组,来探究葛根素对烧伤心肌的保护作用,发现烧伤组血清IL-1β、TNF-α和IL-6水平明显高于假烧伤组,而烧伤+葛根素组的炎性因子明显低于烧伤组。

单侧输尿管梗阻(UUO)介导的肾损伤在组织纤维化发展过程中出现持续的细胞死亡和炎性细胞浸润,葛根素能够通过调节NF-κB p65/信号转导和转录激活因子3(STAT3)通路显著抑制UUO小鼠肾脏炎性因子IL-1β、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)和IL-6的表达水平,有效抑制UUO小鼠的炎性因子募集[8]。炎症在急性肝损伤的发病中起重要作用,研究人员为探究葛根素通过抑制炎症反应缓解肝损伤的作用,使用LPS(0.01 μg/mL,0.10 μg/mL,1.00 μg/mL,10.00 μg/mL,24 h)在L-02细胞中建立了肝损伤模型,结果显示,LPS可增强IL-1β、TNF-α和IL-6水平,而葛根素可降低IL-1β、TNF-α和IL-6水平,发挥护肝作用[9-10]。Yang等[11]给骨关节炎(OA)小鼠模型喂食葛根素以评价葛根素在体内对骨关节炎的治疗作用,结果表明,葛根素能够抑制IL-1β处理软骨细胞诱导的炎症介质,还可以抑制IL-1β处理的软骨细胞中的细胞外基质(ECM)降解。髋膝关节的人工关节置换在骨科领域取得了成功,但问题也随之而来,植入材料的表面会产生磨损颗粒,这些磨损颗粒会激活免疫系统和炎症反应,这些反应导致了破骨细胞的募集和功能的增强,打破了成骨细胞和破骨细胞的平衡,出现骨溶解,从而导致人工关节固定不牢,发生松动的情况,而葛根素能够抑制破骨细胞的生成,促进成骨细胞产生,还可以抑制炎症反应减轻骨溶解[11]。葛根素在由炎症参与或导致的多系统疾病中发挥抗炎作用,能够对TNF-α、IL-8、IL-1β、IL-6、IL-17A、IL-10、iNOS和MCP-1等炎性因子起抑制作用,但葛根素的优势不仅仅在于抗炎,而是通过直接或者间接的抗炎参与系统组织损伤的恢复,作用位点十分广泛。

2 葛根素对神经系统疾病的影响

有研究表明葛根素具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤、保肝的作用,对阿尔茨海默病(AD)、帕金森病、脑缺血等神经系统疾病具有良好的治疗效果[12]。

2.1 AD 郭珂一等[13]将Aβarc果蝇随机分为正常对照组、模型组、葛根素干预组(0.10 mmol/L、0.20 mmol/L、0.24 mmol/L),对果蝇爬管能力及果蝇寿命、果蝇脑组织中淀粉样蛋白β(Aβ)蛋白表达(ELISA法)及果蝇脑组织中Aβ斑块面积(免疫荧光法)进行检测,发现0.20 mmol/L葛根素处理组果蝇爬管能力最佳,0.20 mmol/L葛根素干预组果蝇的中位生存期显著高于AD模型造成寿命缩短的果蝇组,0.20 mmol/L葛根素干预组果蝇脑组织中Aβ表达水平显著低于模型组,且脑组织中Aβ斑块面积占比显著低于模型组(P<0.05)。马冬雪等[14]关于淫羊藿、黄芪、葛根有效组分复方铁调素调控淀粉样蛋白前体蛋白(APP)水解关键酶增进AD学习记忆的机制研究发现,通过上调肝脏铁调素基因(HAMP)的表达,促进APP水解关键酶解聚素样金属蛋白酶10(ADAM10)和解聚素样金属蛋白酶17(ADAM17)的表达,抑制APP β-位点裂解酶-1(BACE1)的表达,从而减少Aβ的生成,能够治疗AD。庞广福等[15]将80只6月龄SD大鼠采用D-半乳糖联合亚硝酸钠造模的AD大鼠随机分为对照组、模型组、葛根素治疗组和葛根素+乌圆补血口服液治疗组,通过测定血清及脑匀浆相关指标[超氧阴离子自由基、丙二醛(MDA)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)、乙酰胆碱酯酶(AChE)]发现,与对照组相比,治疗组血清和脑匀浆中GSH-Px和SOD活力明显升高、O2-浓度降低,脑匀浆的AChE活力和MDA含量明显降低(P<0.01),而且病理改变得到很好的改善,得出了小剂量的葛根素联合乌圆补血口服液对阿尔茨海默病的治疗有效。Liu等[16]通过计算机方法筛选葛根素对AD的潜在治疗作用,并通过Aβ-肽诱导的AD大鼠模型证实,葛根素具有穿透血脑屏障的潜力,在与AChE、环氧合酶2(COX-2)和Caspase-3的分子对接和动力学模拟中葛根素的作用效果具有高稳定性。体内实验表明,葛根素能够抑制AChE活性,使抗氧化防御物质活性恢复至正常水平,降低脑内炎性因子和凋亡基因的表达,尤其是下调COX-2和Caspase-3的表达[16]。硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)的表达在AD神经元的发育过程中增加,且TXNIP与TXNIP-硫氧还蛋白复合物分离,TXNIP-NOD样受体蛋白3(NLRP3)复合物组装ASC和pro-Caspase-1形成NLRP3炎性体,从而引发AD炎症和细胞凋亡的研究采用CB-dock分子对接探索21种天然类黄酮和酚类是否靶向TXNIP,结果显示,葛根素等药物能够有效抑制TXNIP,从而减轻AD中枢炎症,抑制细胞凋亡[17]。然而葛根素改善AD的作用途径不止于此,有研究使用氯化铝(AlCl3)破坏健康雄性Wistar大鼠神经系统,使其产生学习和记忆障碍(这种处理方法被广泛应用于AD等认知障碍性疾病的实验造模),结果显示,黄酮类药物处理组大鼠相比于AlCl3毒性组在Morris水迷宫实验目标象限的游泳时间和穿越平台的频率增加(P<0.05);经AlCl3处理后大鼠海马神经元大量凋亡,而经过黄酮类药物作用之后观察染色的组织切片发现其几乎没有凋亡的神经元,有效证明了葛根素等黄酮类药物能有效改善大脑海马区神经元凋亡的病理情况;葛根素组显著降低了大鼠海马凋亡相关基因mRNA、大鼠海马凋亡相关蛋白(Bcl-2蛋白)和自噬相关蛋白(Bax蛋白)的表达[18]。

以上研究表明葛根素在治疗AD中表现出了独特的作用效果,为其成为一种治疗AD的新药物提供了理论和实验基础。同为黄酮类物质的芦丁、水飞蓟素也表现出治疗AD的疗效,说明挖掘中草药中黄酮类活性成分对治疗AD具有重要意义。

2.2 帕金森病 神经系统疾病是目前全球疾病导致残疾的主要原因之一,而帕金森病又是神经系统疾病中增长最快的,受人口老龄化的影响,预计到2040年,将达到1 200万例以上,如果加上其他致病因素,帕金森病病人将达到1 700万例以上,虽然帕金森病不具有传染性,但是其大流行趋势还是引起了科研人员和临床医生的担忧[19]。那么寻找有效的方法治疗现存的病人以及阻止帕金森病大流行具有重要意义。有研究评估了葛根素在体外和体内对帕金森病模型的多巴胺(DA)细胞的增殖和分化作用,在体外,不同浓度葛根素处理1周后,β-微管蛋白(TUJ1)、酪氨酸羟化酶(TH)和多巴胺转运体(DAT)蛋白及mRNA表达和多巴胺释放显著增加。在体内,使用细胞替代治疗方法,移植葛根素处理的多巴胺产生细胞后,移植后第2周帕金森病症状明显改善;更多的移植细胞存活并沿注射线迁移到更广泛的区域;更多的移植细胞增殖并分化为Th细胞;在6周的观察期间,纹状体中检测到更多的多巴胺,而帕金森病多是由多巴胺缺乏所导致的,研究证明葛根素可促进多巴胺神经元存活、增殖和分化,有效缓解帕金森病[20]。Singh等[21]发现葛根素能够激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)通路,防止1-甲基-4-苯基碘化吡啶诱导的帕金森病模型中多巴胺神经元死亡,阻断p53的积累以及通过p53介导的Puma、Bax和Caspase-3依赖性细胞凋亡防止1-甲基-4-苯基吡啶离子诱导的细胞死亡。

2.3 缺血性脑卒中 缺血性脑卒中已经成为全球第二大死亡原因[22],对大脑神经元的损害是不可逆转的,近年来,关于葛根素治疗脑缺血性神经损伤的报道逐渐增多,葛根素的多种作用(抗氧化应激、抗炎、抗神经细胞凋亡、调控自噬等)可从多途径改善脑缺血导致的认知障碍和神经细胞损伤[23]。有研究从PI3K/Akt1/糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)信号通路探索葛根素对脑缺血模型大鼠的运动和认知缺陷以及海马神经元损伤的减轻作用,使用开放和封闭场测试以及Morris水迷宫实验对大鼠进行行为学检测,结果表明葛根素减弱了缺血的影响,从而改善了运动活动和认知行为的缺陷,通过观察染色后的脑组织切片发现葛根素预处理组的皮质和海马组织中的死亡神经元细胞数量显著减少,且葛根素预处理显著增强了Akt1(Ser473)、GSK-3β磷酸化,髓样细胞白血病-1(MCL-1)积累增加,阻断凋亡蛋白Caspase-3的活化[24]。黄亚光等[25]将40只雄性SD大鼠随机分为假手术组、模型组、50 mg/kg葛根素组、100 mg/kg葛根素组4组,线栓法制备大鼠大脑中动脉栓塞模型,缺血1.5 h再灌注24 h后进行神经功能评估和腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)-苏氨酸蛋白激酶-失调51样激酶1(Ulk1)信号通路相关蛋白检测,结果表明葛根素能有效调控AMPK-mTOR-Ulk1信号通路抑制自噬的过度发生,从而减轻脑缺血再灌注损伤的发生。

2.4 其他神经系统损伤 非动脉炎性前部缺血性视神经病变(NAION)是老年人中最常见的急性视神经病变形式,NAION是以急性、无痛、视力丧失、视盘肿胀导致视盘萎缩为主要临床症状[26],然而对于NAION并没有十分有效的治疗方法,因诸多研究表明葛根具有抗炎和神经保护作用,所以研究人员使用前部缺血性视神经病变(rAION)大鼠模型,观察葛根素对rAION大鼠的作用,为NAION的治疗寻找有效的治疗方法,研究结果显示,葛根素可减少rAION急性期的视乳头水肿,葛根素抑制了巨噬细胞到视神经组织中浸润,此外降低了促炎细胞因子的表达并诱导了抗炎细胞因子的表达,以及在 rAION模型中维持Akt1活化并诱导转录因子CCAAT增强子结合蛋白β(C/EBPβ)表达[27]。有研究使用高脂饮食(HFD)慢性不可预见性温和应激(CUMS)诱导的抑郁样大鼠模型探讨葛根素抗抑郁的作用机制,与HFD/CUMS组相比,辛伐他汀+氟西汀或葛根素治疗拮抗了海马组织和血浆中IL-6、TNF-α和IL-10的异常蛋白表达(P<0.05),与HFD/CUMS组相比,接受氟西汀、辛伐他汀、辛伐他汀+氟西汀或葛根素(30 mg/kg、60 mg/kg和120 mg/kg)治疗的大鼠TLR4阳性细胞数减少至70.35%、37.78%、30.36%、65.20%、29.64%和 17.02%(P<0.01)。且辛伐他汀、辛伐他汀+氟西汀或葛根素(30 mg/kg、60 mg/kg和120 mg/kg)组大鼠海马区的 TLR4 水平显著降低(P<0.05),葛根素还可以改善海马组织中的异常脂质代谢,说明葛根可通过修复TLR4诱导的炎症损伤和磷脂代谢紊乱来缓解高脂饮食和慢性不可预测的轻度压力引起的抑郁样行为[28]。

蛛网膜下腔出血导致许多脑功能障碍,研究团队基于以往葛根素保护神经系统的相关研究试图探索葛根素对蛛网膜下腔出血神经损伤的恢复作用,葛根素可有效缓解脑水肿,减轻了小鼠的神经功能缺损,减少了血脑屏障(BBB)的破坏;蛋白免疫印迹测定发现葛根素可逆转Bcl-2/Bax表达比例并保护SOD2活性,减轻蛛网膜下腔出血小鼠的神经功能缺损[29]。

3 小 结

随着研究的不断深入,葛根素的药理作用逐渐被了解,葛根素作用于多系统疾病发挥抗炎作用从而改善其因TNF、IL等增加所导致的炎症反应介导的相关损伤。在神经系统疾病中葛根素既能够治疗中枢神经系统疾病又能够治疗外周神经系统疾病[30],表现出抑制神经系统炎症反应、调控多个神经损伤通路、减轻凋亡因子表达、调节相关蛋白的表达等功效。值得注意的是,同样作为黄酮类的中草药成分芦丁、水飞蓟素,以及同属多酚类物质的黄芩素、白藜芦醇、木犀草素、姜黄素等都具有神经系统保护作用,这为拓宽中药的功效以及将中药主要有效成分作为疾病治疗的潜在药物提供了研究基础和思路。

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