姜黃素調(diào)控Wnt信號通路治療脊髓損傷研究進(jìn)展

張宋歐 徐璐瑤 周靜瑩 袁佳瑩 劉學(xué)紅

紹興文理學(xué)院醫(yī)學(xué)院（浙江紹興 31200）

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）包括原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷，表現(xiàn)為不同程度的脊髓神經(jīng)組織受損，輕者影響患者行為和功能，重者導(dǎo)致癱瘓，甚至死亡[1]。SCI發(fā)病率較高，美國約54/百萬[2]，中國約 23.7/百萬[3]。原發(fā)性損傷難以逆轉(zhuǎn)，故臨床干預(yù)主要針對繼發(fā)性損傷。由于原發(fā)性損傷的外力作用，而導(dǎo)致組織細(xì)胞受到不同程度的損傷，炎性信號通路被啟動，損傷組織局部出現(xiàn)大量炎性細(xì)胞的集聚，在缺血缺氧的情況下，受損組織在炎性因子的作用下進(jìn)一步受到損傷。繼發(fā)性損傷，包括炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激、局部血管功能紊亂、軸突脫髓鞘、骨質(zhì)丟失和膠質(zhì)瘢痕形成等[4-5]。據(jù)報道Wnt、NF-κB、mTOR等信號通路在繼發(fā)性脊髓損傷的病理過程均起到重要作用[6-7]。尤其是Wnt信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和損傷修復(fù)過程中均發(fā)揮著重要的作用[7]。

1 Wnt信號通路

Wnt信號通路可分為兩類：經(jīng)典Wnt信號通路（Wnt/β-catenin信號通路），非經(jīng)典信號通路（Wnt/PCP信號通路、Wnt/Ca+信號通路）。其中目前研究最多的是經(jīng)典Wnt信號通路。Wnt/β-catenin信號通路由七部分組成：Wnt配體；跨膜受體（Frizzled，F(xiàn)ZD）；低密度脂蛋白受體相關(guān)的蛋白質(zhì)家族（low-density lipid receptor-related protein，LRP）；蓬亂蛋白（Disheveled，DVL）；由Axin、糖原合成激酶（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）、酪蛋白激酶1（casein kinase 1，CK1）和腺瘤性結(jié)腸息肉蛋白（adenomatous polyposis coli，APC）組成的β-catenin降解復(fù)合物；β-catenin；轉(zhuǎn)錄因子，T細(xì)胞促進(jìn)因子和淋巴增強(qiáng)因子（T cell factor and lymphoid enhancer factor，TCF/LEF）[8]。

無Wnt信號刺激時，胞質(zhì)內(nèi)的Axin、GSK-3β、CK1和APC組成降解復(fù)合物結(jié)合β-catenin并使其磷酸化，隨后β-catenin被泛素化和被蛋白酶體降解，這一過程維持β-catenin的低濃度狀態(tài)。Wnt配體是Wnt信號通路激活過程的起點(diǎn)，與FZD、LRP5/6等跨膜受體結(jié)合，引起LRP-6的磷酸化和DVL結(jié)合到FZD、LRP蛋白上共同形成跨膜受體復(fù)合物，這一復(fù)合物的形成誘導(dǎo)了GSK-3β的磷酸化，造成降解復(fù)合物的解離，βcatenin在胞質(zhì)內(nèi)累積，并進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，與TCF/LEF等轉(zhuǎn)錄因子產(chǎn)生相互作用，激活Wnt目標(biāo)基因的表達(dá)，對細(xì)胞增殖、分化、炎癥，神經(jīng)發(fā)生和再生等產(chǎn)生一系列作用[9-10]。Wnt信號通路被認(rèn)為與軸突發(fā)芽、神經(jīng)發(fā)生和胚胎發(fā)育過程中的少突膠質(zhì)前體細(xì)胞（Oligodendrocyte Precursor Cells，OPCs）遷移有關(guān)[11]。阿爾茨海默病、精神分裂癥和帕金森病等神經(jīng)退行性疾病都與Wnt信號通路調(diào)節(jié)有關(guān)。因此Wnt信號通路可以作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在治療靶點(diǎn)[12]。見圖1。

2 Wnt信號通路與脊髓損傷

SCI后，Wnt信號通路的調(diào)控作用在繼發(fā)性脊髓損傷的多個方面體現(xiàn)，如Wnt/β-catenin信號通路可抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡與促進(jìn)其再分化，抑制骨質(zhì)丟失，Wnt/Ryk信號通路可促進(jìn)損傷區(qū)域膠質(zhì)瘢痕形成并抑制軸突再生[13-15]。

2.1 Wnt信號通路參與脊髓損傷后的炎癥反應(yīng)過程

炎癥是細(xì)胞凋亡、軸突再生、膠質(zhì)瘢痕形成等病理過程的基礎(chǔ)，在SCI的病理過程中起到關(guān)鍵作用，激活Wnt信號通路可以抑制炎癥。核轉(zhuǎn)錄因子（nuclear factor-κB，NF-κB）是一種重要的調(diào)控炎癥的核因子，Wnt信號通路與NF-κB調(diào)控的信號通路存在交叉，βcatenin可以抑制NF-κB調(diào)控的一系列轉(zhuǎn)錄激活活動[16]。Guo等[17]認(rèn)為β-catenin激活劑SB216763可以通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體δ（Peroxisome proliferator-activated receptorδ，PPARδ）和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）信號通路抑制炎癥因子TNF-α和IL-1β。刺激Wnt3a可明顯上調(diào)IL-10，下調(diào)TNF-α、IL-6和IL-1β[18]。糖皮質(zhì)激素可以激活SCI后的Wnt/β-catenin信號通路，進(jìn)而激活靶基因PPAR-γ，下調(diào)炎癥因子IL-1β和TNF-α[19]。參見圖1。

圖1 姜黃素調(diào)控Wnt信號通路治療脊髓損傷的作用機(jī)制

2.2 Wnt信號通路參與SCI后細(xì)胞凋亡過程

SCI后神經(jīng)元凋亡會阻礙脊髓損傷后的功能恢復(fù)，抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡和促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞再生對脊髓功能的恢復(fù)至關(guān)重要[20]。Wnt信號通路有利于SCI后神經(jīng)細(xì)胞存活，激活Wnt通路可抑制SCI后神經(jīng)細(xì)胞凋亡。Gao等[13]報道，辛伐他汀激活Wnt/β-catenin信號通路，促進(jìn)LRP-6磷酸化，促進(jìn)β-catenin表達(dá)，增加LEF-1和TCF-1mRNA表達(dá)，抑制β-catenin在脊髓神經(jīng)元中的磷酸化，明顯減少Bax、活化caspase-3、活化caspase-9在脊髓神經(jīng)元中的表達(dá)，降低TUNEL陽性細(xì)胞的比例，增加Bcl-2的水平，有效改善SCI后的運(yùn)動功能恢復(fù)。Tural等[21]報道，臭氧治療SCI可以增加β-catenin表達(dá)，并減少神經(jīng)損傷和白質(zhì)空洞，促進(jìn)運(yùn)動功能的恢復(fù)。Shen[22]等認(rèn)為褪黑素激活Wnt/β-catenin信號通路減輕SCI后神經(jīng)凋亡。SCI后內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元分化可以彌補(bǔ)一部分凋亡的神經(jīng)元，降鈣素基因相關(guān)肽（calcitonin gene-related peptide，CGPR）促進(jìn)大鼠脂肪源性干細(xì)胞（adipose-derived stem cells，ADSCs）向神經(jīng)細(xì)胞分化，Wnt-3a，Wnt-5a和β-catenin通過上調(diào)CGPR的表達(dá)介導(dǎo)ADSCs神經(jīng)分化的過程[23]。

2.3 Wnt信號通路參與SCI后的軸突再生和膠質(zhì)瘢痕形成過程

OPCs的激活是SCI后膠質(zhì)瘢痕形成的重要原因。條件性敲除OPCs的β-catenin基因可抑制Wnt信號通路，減少OPCs的反應(yīng)和小膠質(zhì)細(xì)胞的激活，減少膠質(zhì)瘢痕形成，形成一個支持軸突生長的環(huán)境[14]。大鼠脊髓損傷和斑馬魚脊髓橫斷后β-catenin在損傷區(qū)域的表達(dá)增加，促進(jìn)放射狀膠質(zhì)細(xì)胞的神經(jīng)分化、軸突再生[24-25]。Dickkopf-1（DKK-1）過表達(dá)會抑制 Wnt/β-catenin信號通路，抑制SCI后運(yùn)動功能的恢復(fù)、軸突再生和膠質(zhì)橋的形成[25]。Ryk是一個軸突引導(dǎo)相關(guān)的Wnt受體[26-27]。Gonzá lez等[28]報道，SCI可以誘導(dǎo)Ryk受體在損傷區(qū)域內(nèi)活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞，NG2+神經(jīng)膠質(zhì)前體細(xì)胞、纖連蛋白細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和軸突中表達(dá)。通過注射Ryk的單克隆抗體或者敲除Ryk基因，增加了皮質(zhì)脊髓軸突附屬分支的前突觸突變點(diǎn)，促進(jìn)前肢運(yùn)動功能的恢復(fù)。抑制Ryk受體同時結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練，更有利皮質(zhì)脊髓束的軸突再塑造和皮質(zhì)回路的再形成[29]。Liu等[30]報道，Ryk受體在損傷區(qū)域內(nèi)的皮質(zhì)脊髓束軸突中表達(dá)，注射Ryk功能抑制抗體明顯促進(jìn)損傷區(qū)域皮質(zhì)脊髓束側(cè)支的發(fā)芽。

2.4 Wnt信號通路參與脊髓損傷后的骨質(zhì)丟失過程

SCI后機(jī)械荷載消失、神經(jīng)損傷、肌肉癱瘓和激素水平改變造成嚴(yán)重的骨丟失，小梁連接和板狀小梁結(jié)構(gòu)減少，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。這一過程與SCI后Wnt信號通路受到抑制有密切關(guān)聯(lián)[31]。據(jù)報道，SCI后成骨細(xì)胞中Wnt3a、LRP5、FZD5、Tcf7mRNA水平降低，Wnt信號抑制劑Dkk-1的表達(dá)明顯增加，Dkk-1的濃度與局部骨質(zhì)丟失呈正相關(guān)[31]。血清骨硬化蛋白（Sclerostin，SCL）是骨細(xì)胞產(chǎn)生的Wnt信號通路拮抗劑。血清骨硬化蛋白抗體（Sclerostin antibody，SCL-Ab）可以阻止SCI誘導(dǎo)的骨丟失，同時增加骨質(zhì)的形成和骨細(xì)胞的表面積，保留骨細(xì)胞的形態(tài)學(xué)和結(jié)構(gòu)[32-33]。SCL-Ab抑制破骨細(xì)胞，促進(jìn)成骨細(xì)胞中LRP5、破骨細(xì)胞抑制因子（osteoprotegerin，OPG）的mRNA水平，促進(jìn)OPG/RANKL比值增加，減少Dkk-1的mRNA水平[33]。Yang等[34]報道激活Wnt/β-catenin信號通路可緩解局部骨質(zhì)丟失。

3 姜黃素調(diào)控Wnt信號通路在SCI后的作用

姜黃素是一種從姜黃屬中藥如姜黃、莪術(shù)和郁金等植物中提取的橙黃色天然植物多酚。姜黃素具有無毒、抗炎、抗氧化、抗腫瘤和降脂等優(yōu)點(diǎn)，能與許多靶點(diǎn)結(jié)合產(chǎn)生多種生物學(xué)效應(yīng)，缺點(diǎn)是水溶性差，生物利用度低等[35]。

3.1 姜黃素與Wnt信號通路

Wnt配體作為Wnt/β-catenin信號通路的起點(diǎn)，姜黃素可以通過直接激活Wnt配體，促進(jìn)Wnt配體在細(xì)胞外的濃度升高，進(jìn)而激活Wnt/β-catenin信號通路。姜黃素可以通過激活絲氨酸/蘇氨酸激酶（serine/threonine kinase，Akt）啟動GSK-3β的磷酸化，從而抑制βcatenin降解復(fù)合物，達(dá)到激活Wnt信號通路的作用[36]。姜黃素可以明顯提高Wnt3a和β-catenin的蛋白質(zhì)和RNA濃度，促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元的分化[37]。參見圖1。

3.2 姜黃素調(diào)控Wnt信號通路治療脊髓損傷

姜黃素是Wnt的一個天然調(diào)節(jié)劑，通過激活Wnt信號抑制SCI后的炎癥反應(yīng)，達(dá)到治療效果。姜黃素通過抑制iNOS，COS-2和NF-κB的激活，抑制NO、TNF-α、IL-6的炎癥因子的釋放，激活Nrf2，明顯減少NF-κB的活性，減少炎癥因子的產(chǎn)生，減少運(yùn)動障礙的嚴(yán)重程度，減少脊髓水腫和凋亡[38]。β-catenin對NF-κB誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄活動起抑制作用[39]。Ni等[40]報道，姜黃素治療可明顯下調(diào)SCI誘導(dǎo)的TLR4/NF-κB炎癥信號通路相關(guān)因子，并且明顯改善后肢運(yùn)動功能障礙、脊髓水腫與凋亡。姜黃素通過激活Wnt3a以及 Akt，使P13k/Akt信號通路和Wnt/β-catenin信號通路產(chǎn)生交叉，誘導(dǎo)GSK-3β磷酸化，促進(jìn)β-catenin在胞質(zhì)內(nèi)的累積，激活TCF/LEF的轉(zhuǎn)錄活動，起到保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞的效果[37]。Tiwari等[41]認(rèn)為，負(fù)載姜黃素納米顆?？梢酝ㄟ^激活Wnt/β-catenin信號通路誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和神經(jīng)元的分化，增加β-catenin活性和核轉(zhuǎn)錄活動。同時，姜黃素可以促進(jìn)SCI后大鼠后肢功能恢復(fù)，促進(jìn)Tuj1陽性神經(jīng)元數(shù)量增加，減少損傷區(qū)域星形膠質(zhì)細(xì)胞膠質(zhì)纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）和硫酸軟骨素蛋白多糖（chondroitin sulfate proteoglycans ，CSPG）的表達(dá)，促進(jìn)Wnt3a和β-catenin的表達(dá)量，通過激活Wnt/β-catenin信號通路促進(jìn)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元分化，減少膠質(zhì)瘢痕的形成，促進(jìn)脊髓損傷的修復(fù)[42]。

脊髓損傷后，破骨細(xì)胞活性和數(shù)量的增加，骨吸收和骨形成的平衡被打破，造成嚴(yán)重的骨質(zhì)丟失，增加病人骨折的風(fēng)險。Wnt抑制劑如Dkk-1、SCL等的表達(dá)增加，抑制Wnt/β-catenin信號通路，影響成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞分化，造成骨質(zhì)丟失[31]。姜黃素通過激活Wnt/βcatenin信號通路抑制SCI后的骨質(zhì)丟失，增加遠(yuǎn)端股骨中Wnt3a、Lrp5和ctnnb1的mRNA水平，上調(diào)β-catenin的蛋白表達(dá)，緩解SCI后大鼠局部骨質(zhì)丟失[43]。Yamaguchi等[44]報道，姜黃素類似物UBS109通過刺激成骨細(xì)胞鈣化和抑制破骨細(xì)胞形成來抑制骨質(zhì)丟失。Elburki[45]等報道，姜黃素可以抑制炎癥，減少NF-κB和p38 MAPK，抑制骨丟失。

綜上所述，姜黃素可以在SCI中調(diào)控Wnt信號通路，減輕炎癥反應(yīng)、抑制細(xì)胞凋亡、抑制骨質(zhì)丟失，促進(jìn)脊髓損傷后的運(yùn)動功能恢復(fù)。

4 問題與展望

Wnt信號通路是SCI治療的一個重要調(diào)節(jié)點(diǎn)，姜黃素通過刺激Wnt配體、Akt和抑制GSK-3β來激活Wnt信號通路，使β-catenin在胞內(nèi)累積，促進(jìn)目標(biāo)基因表達(dá)，起到抑制SCI后炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、骨質(zhì)流失和促進(jìn)軸突再生的效果。姜黃素由于其水溶性差、生物利用度低、藥代動力學(xué)差等問題，應(yīng)用于臨床疾病治療尚需進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。開發(fā)出水溶性好、生物活性和利用度高的姜黃素衍生物，進(jìn)一步明確姜黃素在SCI后對信號通路的調(diào)控機(jī)制，對于SCI治療具有廣闊的應(yīng)用前景。