姜黄素治疗癫痫疾病的作用机制研究进展

刘德英,雷 芳,谢苗莹,李洁玉,零冬慧,刁丽梅

(1. 广西中医药大学,广西 南宁 530001;2. 广西中医药大学第一临床医学院,广西 南宁 530023)

癫痫是一种慢性神经系统疾病,其特征是神经元过度或同步活动,并具有持久的癫痫发作倾向,约影响全球1%的人口[1-2]。国内现有癫痫患者大约九百多万人,全球平均每天新发癫痫病例大约6 000例[3]。抗癫痫药物在临床上取得一定疗效,但仍有30%左右的患者产生耐药性[4],并且在长期服用后,出现认知障碍、情感障碍或反复发作等不良反应。因此,有必要开发不良反应更少、疗效更高的新型抗癫痫药物。草药提取物是治疗癫痫的一种潜在替代方法,一些研究已经证明姜黄素在癫痫治疗中的有效性[5]。姜黄素是一种从姜黄中提取的多酚植物化学物质,具有神经保护、抗炎和抗氧化等特性,可对抗多种神经系统疾病,如癫痫、阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症等[6-7]。最新研究发现,姜黄素可以通过多种途径保护神经细胞、抗细胞凋亡、抑制炎症反应、抗氧化应激等来发挥抗癫痫作用[8]。本文从上述角度出发,对有关姜黄素在治疗癫痫方面的研究进行论述,为治疗癫痫提供新视角。

1 抑制神经细胞凋亡

细胞凋亡与癫痫发生密切相关。神经元凋亡是癫痫发作后神经元死亡的主要形式之一[9]。Caspase在细胞凋亡中起着重要作用,Caspase-3是Caspase家族核心成员,其基因过度表达可引起细胞凋亡[10];当细胞受到外界凋亡信息激活时,Caspase-3被剪切后产生cleaved Caspase-3的活性片段,其表达可表示细胞的凋亡情况;此外,Bax和Bcl-2可作为Caspase-3的上游调控基因,协助完成细胞凋亡的调控行为[11]。吴连连等[12]研究发现,在海仁藻酸诱导的小鼠癫痫急性发作模型中,癫痫发作后海马CA1区和CA3区出现明显的神经元丢失损伤,凋亡细胞数也显著增加,而姜黄素可以很大程度上改善这种现象;且发现姜黄素组凋亡蛋白cleaved Caspase-3和Bax蛋白相对表达量显著低于模型组,抗凋亡蛋白Bcl-2相对表达量显著高于模型组,该结果提示姜黄素能减少癫痫海马神经元损伤和凋亡。廖婕等[13]用100mg/kg、50mg/kg和25 mg/kg高、中、低剂量的姜黄素给姜黄素组癫痫小鼠灌胃治疗,结果发现姜黄素能减轻海马区神经元凋亡情况,并显著降低cleaved-Caspase-3蛋白的表达。PI3K/Akt是mTOR主要上游信号通路,是一条经典抗凋亡通,在中枢神经系统中广泛的表达。PI3K/Akt通路激活可抑制神经元凋亡、抑制神经元的兴奋性,并减轻癫痫模型大鼠癫痫发作程度[14]。王娜等[15]对PI3K、AKt和mTOR调控神经元凋亡进行研究,结果显示,姜黄素可能通过上调PI3K/AKt/mTOR表达,减少大鼠海马神经元的凋亡,从而对大鼠神经元发挥保护作用。已有证据表明,癫痫发作会导致NMDA受体被激活而导致神经细胞死亡,姜黄素可以通过调节NMDA受体活性和抑制NMDA受体介导的钙升高,降低细胞凋亡率,提高细胞存活率,从而减轻NMDA介导的兴奋性毒性细胞损伤[16]。另有研究发现,姜黄素也可通过调控TLR4/NF-κB信号通路来减少细胞凋亡,从而改善癫痫小鼠神经元损伤[17]。如前所述,姜黄素可以从多方面有效的抑制海马神经细胞凋亡,减少癫痫发作,这为其成为治疗癫痫的有效药物提供了证据。

2 抑制炎症反应

脑部炎症是癫痫形成及发作的一个重要机制,癫痫发作触发促炎细胞因子的释放,并激活免疫反应,进一步增加神经元的兴奋性,降低癫痫阈值,诱导血脑屏障破坏,促进癫痫发生,由此可见,癫痫和炎症间存在相互作用[18]。白细胞介素(IL)-1β、肿瘤坏死因子(TNF)-α作为典型的炎症介质,在癫痫持续状态(SE)和其他急性脑损伤后癫痫的发生中起关键作用[19]。有研究表明,SE大鼠海马区受到了IL-1β、TNF-α炎症因子的影响,而姜黄素可以抑制这两种炎症因子的表达,减轻继发性炎症对脑的损伤,改善了癫痫发生相关的病理改变[20]。环氧酶-2(COX-2)和5-脂氧合酶(5-LOX)是免疫炎症反应的关键调节因子,可在癫痫发病过程中产生前列腺素、血栓素、白三烯等代谢产物,这些代谢产物一方面可以诱发局部炎症反应,加重神经元缺血缺氧性损伤;另一方面诱发癫痫的反复发作及促进癫痫诱导的神经元死亡[21]。林青等[22]研究表明,经过给造模成功的癫痫大鼠腹腔注射姜黄素(100 mg/kg,300 mg/kg)后发现,姜黄素可以抑制COX-2和5-LOX表达,且跟姜黄素剂量有关,姜黄素高剂量组神经元损伤比姜黄素低剂量组轻。核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NLRP3)炎症小体,在癫痫炎症反应中发挥重要作用,NLRP3炎性小体可通过Caspase-1依赖的方式把成熟的、功能性的IL-1β加工和释放[23]。He等[24]在KA致痫大鼠的海马区组织中提取总蛋白,进行蛋白质印迹分析,结果观察到KA组IL-1β、NLRP3和活性Caspase-1表达水平显著上调,给予姜黄素100 mg/kg灌胃后1周后进行癫痫大鼠诱导的KA+姜黄素组,海马区IL-1β、NLRP3和裂解Caspase-1的蛋白表达明显受到抑制,海马神经元丢失减少。同样,吴连连等[25]研究也发现姜黄素可以通过调节NLRP3/Caspase-1/IL-1β通路抑制海马炎性反应来减轻小鼠癫痫发作Racine分级评分,延长发作潜伏期。

长时间的癫痫发作可以激活小胶质细胞和星形胶质细胞,这些细胞可以释放各种炎症分子,使神经元过度兴奋、神经细胞死亡和癫痫发生[26]。活化的星形胶质细胞是炎症反应的诱因之一,会致癫痫的持续发作。Kaur等[27]研究表明,姜黄素可以抑制星形胶质细胞和小胶质细胞的活化、抑制GFAP(胶质纤维酸性蛋白,星形细胞激活的生物标记物)和Iba-1(小胶质细胞的激活标志物)蛋白和mRNA的过度表达,表明姜黄素可以有效抑制神经胶质细胞的激活。S100B主要分布于中枢神经胶质细胞中。研究发现,癫痫患者外周血中S100B水平显著升高,S100B可以作为癫痫的生物标志物[28]。林青等[29]用氯化锂-匹罗卡品诱导大鼠癫痫持续状态(SE),予姜黄素300 mg/kg腹腔注射,结果显示姜黄素降低了匹罗卡品致痫大鼠海马神经元S100B蛋白表达,抑制了星形胶质细胞的异常活化。姜黄素还被证明通过减少小胶质细胞产生的活性氧(ROS)和细胞因子来保护神经元免受炎症和神经元损伤[30]。

上述研究均表明姜黄素对于炎症反应有抑制作用,可以作为一种潜在的抗癫痫药物,虽然其在人体内是否具有同样的效果有待进一步研究,但姜黄素的抗癫痫作用为治疗癫痫提供了一种新的途径。

3 抗氧化应激

氧化应激定义为自由基的过度产生,可以显著改变细胞功能,这些化合物的过度产生与癫痫诱导的神经元死亡有关。一氧化氮(NO)是一种在大脑中发挥多方面作用的自由基团,多项研究表明,将NO直接注入大鼠的大脑皮质会导致惊厥发作[31]。NO生成的增强可能为导致癫痫发作的一种启动机制[32]。研究显示,匹罗卡品处理的大鼠海马区NO水平显著增加,口服姜黄素可使匹罗卡品处理后升高的NO水平恢复到对照水平,这可能是由于姜黄素抑制一氧化氮合酶的表达及其清除产生的NO[33]。Sumanont等[34]发现,姜黄素可以保护KA诱导的神经细胞死亡与其清除NO活性和抗氧化活性有关。当自由基的产生增加或机体防御机制减弱时,它们会攻击生物膜的多不饱和部位,导致脂质过氧化,从而导致细胞功能障碍,其中丙二醛(MDA)水平的升高是脂质过氧化的标志;谷胱甘肽(GSH)是一种内源性抗氧化剂,可转化为氧化形式,这种氧化形式的谷胱甘肽能与自由基反应,防止产生有毒的羟基自由基[35]。研究发现,PTZ点燃可使大鼠脑内MDA含量升高,GSH含量降低,口服姜黄素不仅可降低大鼠大脑和小脑中MDA的含量,提高过氧化氢酶和谷胱甘肽转移酶的水平,还能显著延长肌阵挛、阵挛发作和全身强直-阵挛发作的潜伏期,改善发作评分,减少肌阵挛发作次数[36]。Ahmad[37]用姜黄素预处理SD大鼠后给予锂-匹罗卡品进行SE诱导,结果显示姜黄素通过抑制TBARS(脂质过氧化水平)的增加,减轻GSH耗竭来减轻氧化应激水平。Agarwal等[38]研究也表明PTZ点燃引起的MDA水平的升高和GSH水平下降均被姜黄素显著抑制,可显著减缓小鼠点燃的进程。Kiasalari等[39]测定姜黄素灌胃的癫痫大鼠癫痫发作活动度和氧化应激相关指标,结果发现姜黄素可显著降低海马区组织中MDA、亚硝酸盐和硝酸盐的水平,从而减轻氧化应激负荷,保护海马神经元免受氧化损伤,且降低了苔藓纤维发芽和减轻了严重的癫痫持续状态。DU等[40]用30,100,300 mg/kg姜黄素治疗匹罗卡品致痫大鼠后发现,100 mg/kg和300 mg/kg剂量的姜黄素可显著提高小鼠的惊厥阈值,同时可逆转匹罗卡品致痫大鼠一氧化氮合酶、乳酸脱氢酶、GSH和超氧化物歧化酶的变化。研究发现,姜黄素清除自由基的能力可能归功于给氢酚基,姜黄素含有两个亲电的α、β不饱和羰基,可以与GSH等亲核化合物反应,生成姜黄素的谷胱甘肽产物[41]。此外,姜黄素在体内通过激活谷氨酰半胱氨酸连接酶(GCL)活性诱导细胞内GSH合成。这些结果显示了姜黄素能够有效地平衡氧化系统和抗氧化系统,减少氧化应激产物堆积,从而保护神经元,减轻癫痫发作。

4 调节离子通道

离子通道是完整的膜蛋白,在神经元兴奋和神经元存活中起着至关重要的作用。在神经元的兴奋或电信号的传导中,各种通道蛋白促进了离子在膜上的移动,离子通道中的任何一种失调都可能导致包括癫痫在内的各种神经疾病[42]。谷氨酸介导的细胞损伤在癫痫中是众所周知的,它导致电压调节钙通道(VGCC)的异常开放,这会导致神经元过度兴奋和神经元死亡[43]。姜黄素被证明可通过抑制突触前电压门控钙通道来抑制突触体内谷氨酸的释放[44],并且还可以调节谷氨酸转运体-1(GLT-1),这对于维持低的细胞外谷氨酸浓度是非常重要的,也是防止谷氨酸在突触上的兴奋作用所必需的[45]。电压门控Ca2+通道在癫痫发作过程中起着关键作用。电压门控钙通道有多种,如由Cav1.1-Cav1.4组成的L型钙通道,由Cav2.1-Cav2.3组成的P/Q型钙通道,这些都与癫痫的发生有关。研究发现,P/Q型钙通道α1亚单位(CACNA1A)和GABAA受体δ亚单位(GABRD)蛋白与癫痫发生密切,CACNA1A是一种突触前通道蛋白,通过与SNARE蛋白相互作用发挥钙转运功能;相反,GABRD表达在神经元的突触后膜上[46-47]。Kumar等[48]在注射FeCl3诱导创伤后癫痫后立即给予姜黄素饮食治疗4周,结果发现姜黄素治疗的第28天,姜黄素诱导的大鼠CACNA1A的表达比同期癫痫对照组的高出近一倍,GABRD的表达增加了约4.5倍,说明姜黄素减弱了癫痫相关的CACNA1A和GABRD这两种通道蛋白的下调。Kumar等[49]研究表明,在铁诱导的癫痫中,钠通道Nav1.1的表达上调,姜黄素可下调皮质Nav1.1的表达来达到抗癫痫作用。这些结果提示调节离子通道同样是姜黄素发挥抗癫痫的作用机制之一。

5 其 他

最新证据表明,细胞死亡的新机制包括自噬、吞噬、坏死性下垂和下垂,可能都是癫痫发生的原因[50-51]。研究发现,在锂-匹罗卡品诱导的SE,坏死性下垂被激活,加剧了海马神经细胞凋亡后的神经细胞死亡。自噬起着管家的作用,维持神经细胞的动态平衡。在SE后早期(约4 h),自噬被激活为海马神经元的一种自我保护机制,以对抗细胞凋亡和坏死性下垂,两者之间存在动态平衡。然而,随着病情继续恶化,自噬和坏死性下垂之间的平衡最终被打破,海马神经元的自我保护功能崩溃,导致自噬减少[52]。Wang等[52]在SE诱导前分别给予姜黄素灌胃,发现姜黄素可以通过抑制坏死性下垂的MLKL和RIP-1蛋白的表达,增加自噬的Beclin-1和Lc3蛋白表达水平来保护SE后大鼠海马神经元损伤。

线粒体是参与一些重要代谢活动的主要细胞器,已观察到线粒体功能障碍在各种神经退行性疾病的发病机制中发挥关键作用。研究表明,线粒体功能缺陷可能是颞叶癫痫发作发病机制的基础[53],PTZ处理的大鼠观察到了包括线粒体肿胀在内的严重退行性损伤[54];同样的,在颞叶癫痫(TLE)患者中也发现了线粒体功能缺陷以及线粒体超微结构的异常[55],这些结果表明,脑线粒体活性的异常与癫痫诱发的变化有关。Kaur等[56]观察了大脑皮质和海马区线粒体的超微结构变化,结果发现动物经PTZ处理后,线粒体膜完整性破坏,线粒体脊扭曲,两区基质密度降低,向PTZ动物补充姜黄素能够逆转检测到的结构异常。

脑葡萄糖低代谢被认为是SE后静止期癫痫发生的早期标志,Slowing等[57]采用锂-匹罗卡品诱导大鼠SE模型,在SE发生前14 d、SE诱导当天和随后的2 d内给SD大鼠灌胃姜黄素口服200/300 mg/(kg·d),结果发现姜黄素治疗完全防止了葡萄糖低代谢,同时还显著减少了SE引起的体重损失、神经变性和神经炎症。

除了癫痫本身会导致认知障碍外,抗癫痫药物也被证明会导致癫痫患者的认知障碍[58]。Choudhary等[59]研究发现,姜黄素可能通过调节中枢单胺能,抑制亚硝化应激和乙酰胆碱酯酶活性来减轻点燃动物的癫痫发作严重程度、抑郁样行为和记忆障碍。Mehla[60]采用高架迷宫和被动回避实验评估大鼠认知功能障碍,结果发现,与单独使用PTZ的大鼠相比,服用姜黄素的大鼠在被动回避范式中的保留潜伏期显著延长,在高架+迷宫中的保留传递潜伏期显著缩短,说明预先给予姜黄素可改善点燃大鼠的认知功能。

这些结果提示姜黄素可以从多方面发挥抗癫痫的作用,因此,需要进一步阐明姜黄素的作用及其分子机制,有望其在临床治疗癫痫发挥重要作用。

6 小 结

最近的临床前研究表明,姜黄素对癫痫及其相关疾病有用,暂时未见明显不良反应[61]。姜黄素具有良好的抗惊厥作用,但由于其较差的水溶性和较低的生物利用度,其临床应用一直受到限制[62]。此外,姜黄素由肝脏代谢,并通过肾脏排泄,因此较少的姜黄素可以到达大脑。为了克服这一问题,不同的方法被研究出来,如将姜黄素包裹在纳米粒、脂质体和聚合物结合物等物质中以提高姜黄素生物利用度。与西药相比,传统中药具有良好的安全性,并且不良反应较少,适用于更多的患者。姜黄素的抗癫痫作用已在多种慢性癫痫模型中得到证实,其疗效也得到了肯定,在癫痫疾病中的作用机制研究也越来也深入。因此,作为治疗癫痫疾病十分有潜力的一种药物,姜黄素的作用及其分子机制仍需继续研究。

利益冲突:所有作者均声明不存在利益冲突。