中医药调控细胞焦亡干预脑出血

赵承启,邹伟

1.黑龙江中医药大学,黑龙江 哈尔滨 150040; 2.黑龙江中医药大学附属第一医院,黑龙江 哈尔滨 150040

脑出血是一种致死率和致残率均较高的急性脑血管疾病,其主要病因是高血压合并脑动脉硬化引起非外伤性脑实质内出血,约占脑卒中患者的20%～30%[1-4]。随着我国人口老龄化程度的日益加剧,脑出血的发病率正在逐年攀升。当前,积极控制脑出血的发生发展进程、相关危险因素以及改善继发性缺血缺氧状态是脑出血防治研究的主要方向。脑出血发病初期,伴随大量的神经细胞死亡,这是导致该病死亡率和致残率双高的主要原因。因此,调控脑出血后的神经细胞死亡有助于减轻脑组织损伤、改善患者神经功能缺损和预后。近年来,细胞焦亡这一促炎性的程序性细胞死亡方式在医学领域备受关注,已有研究显示,它与脑出血后的神经损伤及功能障碍有着密切联系[5-7]。此外,也有大量研究表明,中医药能够通过调控焦亡关键介导因子的表达抑制神经细胞焦亡,进而治疗脑出血。因此,深入研究中医药、细胞焦亡与脑出血之间的相互作用,对于脑出血的临床诊断和预后具有重要意义。本文将聚焦细胞焦亡,深入探讨其发生机制与脑出血的关系,以及中医药在调控焦亡干预脑出血方面的研究进展。

1 细胞焦亡概述

细胞焦亡是一种由炎症小体、半胱氨酸蛋白酶caspases及Gasdermin蛋白家族共同介导的促炎性、程序性细胞死亡方式,其显著特征在于细胞膜会不断形成孔隙,大量炎性因子经孔隙释放,进而引起炎症反应,最终导致细胞走向死亡[8]。虽然“细胞焦亡(Pyroptosis)”这一概念在2001年被首次提出[9],但相关研究最早可以追溯至1986年[10]。尽管细胞焦亡与凋亡在某些特征上存在相似之处,如caspases依赖性、细胞核浓缩和DNA损伤等[11],但两者之间也存在明显的差异。首先,细胞发生焦亡过程中,细胞核保持完整,细胞膜不断形成孔隙,致使细胞液持续渗入膜内,直至发生破裂,而细胞凋亡恰恰相反[12]。其次,凋亡主要由caspase-3/caspase-6/caspase-7/caspase-8介导,焦亡则主要由caspase-1/caspase-4/caspase-5/caspase-11介导,而caspase-3/caspase-8仅参与焦亡的非经典途径[13-15]。此外,焦亡具有促炎性质,而凋亡具有抗炎性[16]。近期研究发现,Gasdermin D(GSDMD)是caspases激活焦亡的炎性通用底物,而caspases可以特异性地切割GSDMD氨基末端(GSDMD-N)和羧基末端(GSDMD-C)结构域之间的连接,最终导致由GSDMD-N结构域触发的细胞焦亡[17]。除了caspases和GSDMD外,炎症小体在诱发细胞焦亡过程中也发挥着重要作用。炎症小体的组装始于细胞质内模式识别受体(PRRs)识别入侵病原体相关分子模式(PAMPs)或损伤相关的分子模式(DAMPs)[18]。被激活的PRRs会与前体半胱氨酸天冬氨酸酶-1(pro-caspase-1)以及含有半胱天冬酶募集结构域的细胞凋亡相关斑点样蛋白(ASC)共同形成炎症小体[19]。目前已知参与形成炎症小体的PRRs主要有NLRP1、NLRP3、NLRC4、pyrin和AIM2等[20-21]。其中,NLRP3炎症小体是目前研究的热点,它不仅促使caspase-1活化,还能刺激促炎细胞因子IL-1β和IL-18的分泌,进而诱发细胞焦亡[22]。现有研究表明,NLRP3炎症小体的激活涉及多种复杂的机制和过程,其中包括溶酶体损伤、内质网应激、线粒体功能障碍和活性氧的产生以及自噬等。此外,离子通量的变化,如K+外排、Ca2+动员和Na流入等也被证实与NLRP3炎症小体的激活有关[23-26]。

2 细胞焦亡与脑出血的关系

当脑出血发生后,血液穿过破碎的血脑屏障(blood brain barrier,BBB)进入脑组织或裂缝,导致占位效应,不仅颅内压会升高,脑血流量也会随之减少,影响脑组织正常的血、氧供应[27-29]。脑组织随着ATP的缺乏和血液毒性物质的增加引发一系列的病理生理变化,包括去极化、兴奋性毒性、细胞水肿、炎症反应、氧化应激和继发性BBB破坏等[30-33],其中炎症反应在脑出血后继发性脑损伤中起着关键作用,主要体现在驻留小胶质细胞的活化、血肿周围白细胞和巨噬细胞等炎症细胞的浸润,以及这些细胞释放的促炎介质的聚集[34-35]。细胞焦亡参与了脑出血后的神经炎症反应,其发生机制源于脑出血后先天免疫和炎症反应的激活。随着脑组织损伤的加重,大量脑细胞死亡,死亡细胞释放DAMPs,激活先天免疫,炎症小体以及caspases随之激活,诱导细胞焦亡的发生,从而进一步加剧炎症损伤,引发炎症级联反应[36]。

现有研究表明,NLRP3、caspase-1和IL-1β表达水平在脑出血后3 h显著升高,并在12 h左右达到峰值,而将NLRP3敲低处理后,caspase-1和IL-1β表达水平明显降低,实验动物的神经行为功能得到改善,脑水肿和中性粒细胞浸润也相应减少[37]。Gu等[38]通过动物实验研究表明,Didymin可通过上调Rkip的表达和下调NLRP3、caspase-1、GSDMD等焦亡分子的表达,减少小胶质细胞活化和中性粒细胞浸润,抑制由ASC/caspase-1/GSDMD信号通路介导的小胶质细胞焦亡,改善脑出血后的神经功能障碍,减轻脑水肿和BBB破坏。

上述研究显示,细胞焦亡在脑出血的发生与发展中起到重要作用,其介导因子可能是治疗脑出血的潜在靶点。

3 中医药调控脑出血后细胞焦亡研究现状

中医药治疗脑出血不仅能在急性期改善患者神经功能缺损症状,还能在恢复期减少相应并发症,促进病情恢复,改善预后。现代医学表明,中医药能够多途径、多层次、多靶点防治脑出血,具有减轻脑水肿、降低颅内压、促进血肿吸收、抑制神经细胞死亡、促进神经和血管再生、改善脑循环、调节神经递质含量、抑制炎性反应、激活自噬以及减轻氧化应激等作用[39-45]。近年来,中医药调控脑出血后细胞焦亡的机制研究日益增多,研究者们运用各种中医药疗法靶向调控焦亡关键介导因子,有效抑制了神经细胞焦亡的发生发展,为中医药调控焦亡防治脑出血奠定了坚实的理论基础。

3.1 中药提取物穿心莲内酯是穿心莲的核心有效成分,具有良好的抗炎、抗氧化活性,临床上对脑梗死、神经退行性病变、脑膜炎等多种神经系统疾病具有积极的治疗作用[46-48]。Li等[49]研究发现,穿心莲内酯通过抑制NLRP3炎性小体的组装,降低脑出血后IL-1β和乳酸脱氢酶水平以及小胶质细胞焦亡,有效地减少了体内神经细胞的死亡和炎症反应,减轻了神经行为障碍和脑水肿,改善了脑出血诱导的继发性脑损伤。异甘草素是甘草中的黄酮类化合物,具有抗肿瘤、抗氧化、清自由基等作用[50-51]。Zeng等[52]研究发现,异甘草素能够有效地阻断中性粒细胞和小胶质细胞在损伤脑组织中的渗透,起到减轻脑出血后早期脑损伤的作用,其作用机制与异甘草素通过促进Nrf2抗氧化途径抑制NF-κB介导的NLRP3炎症体激活有关。

黄芩素是一种提取于黄芩根的黄酮类化合物,具有抑制神经细胞凋亡、保护血脑屏障、减轻脑水肿的作用,对改善脑卒中的预后有一定的积极作用[53-55]。Chen等[56]研究发现,黄芩素可通过抑制NLRP3炎症小体在脑出血中的高表达来缓解脑出血后的脑损伤。毛蕊花苷存在于多种药用植物中,具有抗氧化、抗炎和神经保护作用[57]。Zhou等[58]研究发现,毛蕊花苷可以减轻脑出血引起的急性炎症损伤,改善神经功能,增加神经元的细胞存活率,其机制是靶向抑制NLRP3炎症小体和激活小胶质细胞。水飞蓟素是从中药水飞蓟中提取得到的黄酮类化合物,具有抗氧化、清除自由基和调节脂糖代谢等功能[59]。Yuan等[60]研究发现,水飞蓟素不仅可以通过抑制NF-κB-p65水平和NLRP3/caspase-1/IL-1β表达下调炎症反应,还能通过上调脑出血损伤后的Nrf-2/HO-1信号传导充当神经保护化合物,进而发挥减轻脑出血后继发性脑损伤的作用。

以上研究表明,中药提取物能够通过靶向调控焦亡介导因子或相关通路发挥脑保护作用,表明焦亡介导因子是中药治疗脑出血的潜在作用靶点。

3.2 中药复方中药复方通过调控焦亡相关介导因子对脑出血也有明确的保护作用。安脑平冲方是治疗脑出血的经验方,具有镇肝潜阳、平冲降逆、宁血安脑的功效,临床疗效显著[61]。左玲敏[62]研究发现,安脑平冲方能改善脑出血大鼠神经功能缺损症状,减轻脑水肿,其发挥脑保护作用的机理可能是下调P2X7R、caspase-1的表达,抑制NLRP3炎性小体合成,降低血清促炎因子IL-1β、IL-18水平,进而减轻脑出血后炎症反应。脑出血方是根据国医大师任继学教授提出的“以破血化瘀法促进血肿吸收”治疗策略所创立的,具有破血化瘀、豁痰开窍、泄热醒神的功效,临床疗效确切[63-64]。杨子奇[65]研究发现,脑出血方可以改善脑出血大鼠的神经功能缺损,缓解脑出血大鼠脑水肿及炎症反应,其中以高剂量组效果最为明显。另有实验结果表明,脑出血方通过抑制脑出血大鼠小胶质细胞炎症小体的生成,下调脑组织IL-1β、NLRP3、ASC、caspase-1的表达,减少了神经炎性反应,进而发挥神经保护作用。

研究表明,上述平肝潜阳、活血化瘀或豁痰开窍等中药复方均可通过调控细胞焦亡关键介导因子抑制细胞焦亡及神经炎症反应,减轻脑出血后的脑损伤,说明焦亡介导因子是中药复方干预脑出血的重要作用靶点。

3.3 针灸针灸治疗脑出血及其相关后遗症疗效确切,大量研究表明,针刺干预脑出血的机制与抑制脑组织中炎性蛋白表达进而减轻炎症反应密切相关。在这些研究中,也包括探讨针刺如何通过调控焦亡相关炎性因子防治脑出血的研究[66-70]。

刘昊等[71]研究表明,针刺“百会”透“曲鬓”穴能减少脑出血大鼠脑组织中小胶质细胞激活、细胞坏死及炎性细胞浸润,相较于模型组和非穴位组,针刺组的NLRP3、IL-1β、IL-18蛋白表达水平更低,证明针刺“百会”透“曲鬓”可通过下调NLRP3、IL-1β 及IL-18的表达抑制神经炎症反应进而改善大鼠神经功能。许文婷等[72]研究发现,不同频率(2 Hz、15 Hz和50 Hz)电针刺激脑出血大鼠的百会、水沟、双侧内关穴均能够改善脑出血区域的神经细胞形态,且电针各组脑出血大鼠的神经行为学评分较模型组均显著降低,其中以50 Hz高频率电针组的治疗效果最佳。除此之外,该实验还发现,经过不同频率的电针干预后,各组脑出血大鼠的血肿脑组织中焦亡相关因子NLRP3、caspase-1、IL-1β及 IL-18 的含量均明显低于模型组。而且,这些因子的含量变化趋势与电针频率的增加呈负相关,提示不同频率的电针刺激会对针刺治疗脑出血大鼠的疗效产生影响,且50 Hz高频率电针能更好地改善脑出血大鼠预后,其作用机制可能与调控脑出血大鼠血肿脑组织中介导焦亡的NLRP3信号通路有关。

以上研究表明,针刺和电针疗法均能通过调控焦亡相关介导因子抑制神经炎症反应,进而改善脑出血预后,这为针刺治疗脑出血提供了新的理论依据,同时也能说明,焦亡相关介导因子是针刺/电针疗法治疗脑出血的潜在作用靶点。

4 总结与展望

综上所述,近年中医药调控细胞焦亡干预脑出血的研究取得了一定的进展,大量研究证据显示,细胞焦亡的关键介导因子是中医药治疗脑出血的潜在作用靶点。中药、针灸等中医药治疗手段通过调控NLRP3、caspase-1、ASC、IL-1β及IL-18等蛋白的表达,有效抑制焦亡的发生发展进程及神经炎症反应,减轻了脑出血后的脑损伤,为中医药治疗脑出血提供了新的科学依据。但目前的研究仍存在以下不足:(1)上述研究大多局限于动物和细胞实验层面,缺乏相关的临床机制研究;(2)在目前中医药调控焦亡治疗脑出血的研究中,以NLRP3和caspase-1为研究重点,对NLRP1、NLRC4以及GSDMD等焦亡相关分子机制的研究仍然较少,有待后续研究进一步完善;(3)中药复方成分复杂,针刺作用路径广泛,无论是复方还是针刺治疗都可能触发多条信号通路[73],上述治疗能取得良效究竟是通过抑制单一靶点/通路还是多靶点/通路,亦或是同时作用于不同信号通路引起相互窜扰从而抑制细胞焦亡的?目前尚不明确,有待后续开展系统研究加以阐明。总的来说,中医药防治脑出血具有非常重大的意义,未来亟需借助新兴技术开展多学科交叉融合,不断探索中医药防治脑出血的作用机制,为防治脑出血的新药及新技术的研发提供更坚实的理论支撑。