Nrf2信號通路在認(rèn)知功能障礙中的作用及相關(guān)藥物研究進(jìn)展

黃家鵬，趙健，趙璇，趙福紅，宮銘海，周忠光

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，哈爾濱 150040； 2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬二院哈南分院針灸一科，哈爾濱 150001；3.上海體育學(xué)院運(yùn)動科學(xué)學(xué)院，上海 200438)

氧化應(yīng)激反應(yīng)在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)等神經(jīng)退行性疾病中具有關(guān)鍵作用，主要原因在于過量的氧自由基易致大腦組織中的大量不飽和脂肪酸、磷脂等物質(zhì)受到損傷，同時細(xì)胞脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在氧化損傷后發(fā)生改變，導(dǎo)致神經(jīng)元正常生理功能受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致認(rèn)知功能下降[1-2]。核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-E2-related factor 2，Nrf2)是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子，其介導(dǎo)的抗氧化信號通路與神經(jīng)系統(tǒng)疾病、自身免疫性疾病等的病理生理過程密切相關(guān)[3]。此外，Nrf2調(diào)控的多種抗氧化酶還具有抗氧化損傷、減輕細(xì)胞毒性、調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬等神經(jīng)保護(hù)功能，已成為目前臨床關(guān)注的焦點(diǎn)[4]。研究顯示，當(dāng)細(xì)胞處于氧化應(yīng)激狀態(tài)時，Nrf2與Maf家族蛋白形成的異源二聚體可激活抗氧化反應(yīng)元件基因的表達(dá)，提升細(xì)胞對抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的能力，同時還可誘導(dǎo)抗氧化應(yīng)激的內(nèi)源性防御系統(tǒng)，從而維持細(xì)胞內(nèi)氧分壓的動態(tài)平衡，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激反應(yīng)的損傷[5-6]。因此，調(diào)控Nrf2信號通路可能成為防治認(rèn)知功能障礙的一個重要靶點(diǎn)?，F(xiàn)就Nrf2信號通路在認(rèn)知功能障礙中的作用及相關(guān)藥物研究進(jìn)展予以綜述。

1 認(rèn)知功能障礙

腦損傷疾病是誘發(fā)認(rèn)知功能障礙的主要因素，包括AD、PD、血管性癡呆(vascular dementia，VD)等，但認(rèn)知功能障礙具體的發(fā)病機(jī)制尚未明確[7-8]。目前國內(nèi)外公認(rèn)的認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機(jī)制主要包括：①腦組織蛋白異常聚集，AD、PD等腦神經(jīng)細(xì)胞退行性疾病患者均存在蛋白質(zhì)合成后異常修飾、基因異常、腦細(xì)胞慢性感染等；②腦組織調(diào)節(jié)因子異常，多巴胺、谷氨酸、神經(jīng)肽及神經(jīng)營養(yǎng)因子等異常導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)及其受體的正常生理功能受到抑制，誘發(fā)細(xì)胞鈉鉀泵功能損傷，使大量鈉離子、鈣離子內(nèi)流，從而引起腦組織細(xì)胞損傷，繼而誘發(fā)認(rèn)知功能障礙；③腦細(xì)胞內(nèi)微量離子超載，大量鈣離子沉積于線粒體后干擾機(jī)體正常氧化磷酸化進(jìn)程，并過度激活蛋白水解酶，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞不可逆性損傷，同時血管阻力、內(nèi)皮細(xì)胞間隙增大，誘發(fā)VD、腦水腫等；④氧自由基損傷，過量氧自由基損傷易破壞細(xì)胞膜穩(wěn)定性，使相關(guān)蛋白酶活性受到抑制，進(jìn)而誘發(fā)基因突變，導(dǎo)致腦部疾病發(fā)生，從而增加認(rèn)知功能障礙的發(fā)生風(fēng)險[9-11]。

2 Nrf2信號通路

Nrf2包含6個高度保守的結(jié)構(gòu)域，即Neh(Nrf2-ECH homology)1～Neh6，其中Neh1區(qū)C′端亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)可與細(xì)胞核內(nèi)的小Maf蛋白結(jié)合，兩者形成的二聚體可識別并結(jié)合抗氧化反應(yīng)元件，啟動機(jī)體抗氧化基因轉(zhuǎn)錄；Neh2區(qū)含有的保守ETGE序列可使Nrf2與Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)結(jié)合，從而使Nrf2穩(wěn)定存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)；Neh3區(qū)位于Nrf2 C端，與解旋酶DNA結(jié)合蛋白結(jié)合可促進(jìn)抗氧化反應(yīng)元件對相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控；Neh4、Neh5是參與啟動下游基因轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)域，Nrf2轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核后以Nrf2-Maf形式與抗氧化反應(yīng)元件結(jié)合，并與Neh4、Neh5協(xié)同激活轉(zhuǎn)錄過程；Neh6區(qū)富含絲氨酸，主要調(diào)控Nrf2在氧化應(yīng)激狀態(tài)下的降解作用[12-13]。因此，Nrf2可通過誘導(dǎo)抗氧化反應(yīng)元件依賴的醌氧化還原酶、超氧化物歧化酶等基因的表達(dá)發(fā)揮細(xì)胞內(nèi)抗氧化作用。但也有研究認(rèn)為，Nrf2可調(diào)節(jié)多種抗氧化酶中心蛋白的表達(dá)，是調(diào)控細(xì)胞對抗氧化損傷的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，Nrf2信號通路激活障礙是導(dǎo)致細(xì)胞對應(yīng)激源敏感性增強(qiáng)的主要原因[14]。因此，控制Nrf2信號通路對抗機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)是臨床緩解認(rèn)知功能障礙藥物研發(fā)的主要方向。

3 Nrf2信號通路在認(rèn)知功能障礙中的作用

近年研究發(fā)現(xiàn)，Nrf2中的亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)被蛋白酶系統(tǒng)快速降解后可識別抗氧化反應(yīng)元件上的相關(guān)序列，提高細(xì)胞抗氧化能力，因此Nrf2可作為臨床研究腦部神經(jīng)退行性疾病的新靶點(diǎn)[15]。

3.1Nrf2信號通路在AD誘發(fā)的認(rèn)知功能障礙中的作用 AD是以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙、行為障礙為主要特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為失語、記憶障礙、視空間障礙、行為改變等，是老年認(rèn)知功能障礙最常見的誘因之一[16]。既往研究表明，AD患者的病理改變主要包括β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)胞外沉積、神經(jīng)原纖維纏結(jié)等；在AD疾病進(jìn)展中，氧化失衡、氧自由基損傷在神經(jīng)元凋亡過程中占據(jù)重要位置，主要原因在于病理情況下活性氧自由基與機(jī)體修復(fù)系統(tǒng)結(jié)合異常導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)，同時活性氧自由基產(chǎn)生的鋅、銅等神經(jīng)毒性反應(yīng)元件增加，進(jìn)一步加重腦組織區(qū)域退變[17-18]。Nrf2是氧化應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，其介導(dǎo)的信號通路可降低可溶性Aβ水平，在AD發(fā)生過程中具有積極作用。如Kim等[19]比較AD模型小鼠與正常小鼠Nrf2信號通路相關(guān)蛋白的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，與正常小鼠相比，AD模型小鼠腦組織中的Nrf2總蛋白水平顯著降低，且Nrf2-抗氧化反應(yīng)元件信號通路調(diào)節(jié)基因表達(dá)下調(diào)；進(jìn)一步研究證實，小鼠腦組織中的Nrf2信號通路可降低可溶性Aβ水平，從而導(dǎo)致AD的發(fā)生。以上研究表明，理論上再次激活Nrf2信號通路可有效控制AD的發(fā)生，因此臨床可將其作為防治AD的新方向。

3.2Nrf2信號通路在PD誘發(fā)的認(rèn)知功能障礙中的作用 PD早期以靜止性震顫、運(yùn)動遲緩、肌肉強(qiáng)直為主要臨床表現(xiàn)，隨著疾病的進(jìn)展，中晚期PD患者常并發(fā)認(rèn)知功能障礙，表現(xiàn)為記憶衰退、語言功能障礙等，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量[20]。PD的病理特征主要為黑質(zhì)紋狀體內(nèi)多巴胺能神經(jīng)元選擇性丟失。研究證實，氧化應(yīng)激反應(yīng)、線粒體功能障礙在PD病理機(jī)制中具有重要作用，而Nrf2可誘導(dǎo)蛋白酶、抗氧化酶等參與氧化應(yīng)激反應(yīng)和線粒體生物合成，因此Nrf2信號通路有望成為治療PD的關(guān)鍵靶點(diǎn)[21-22]。Kostrzewa和Kostrzewa[23]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度多巴胺拮抗劑可激活PD模型小鼠Nrf2信號通路，而Nrf2活化是機(jī)體受到抗氧化損傷時的一種內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制；當(dāng)Nrf2表達(dá)下調(diào)時，多巴胺拮抗劑誘導(dǎo)的PD模型小鼠的氧化損傷易感性遠(yuǎn)高于正常小鼠，表明正向調(diào)控Nrf2信號通路可作為臨床治療PD的新靶點(diǎn)。有研究者通過比較正常小鼠與Nrf2基因缺失小鼠PD易感性發(fā)現(xiàn)，與正常小鼠相比，Nrf2基因缺失小鼠誘導(dǎo)的多巴胺能神經(jīng)元退行性病變發(fā)生風(fēng)險更高，同時PD發(fā)生率也隨之升高，推測原因在于Nrf2信號通路通過調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞使其以抗氧化反應(yīng)元件依賴的方式發(fā)生細(xì)胞核內(nèi)移，上調(diào)血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)的表達(dá)，進(jìn)而發(fā)揮抗氧化應(yīng)激的作用[24]。

3.3Nrf2信號通路在VD誘發(fā)的認(rèn)知功能障礙中的作用 VD是一種以記憶功能缺損為特征的持續(xù)性神經(jīng)損害綜合征，其發(fā)病涉及氧化應(yīng)激反應(yīng)、自噬等。大腦中含有大量可氧化不飽和脂肪酸，若氧化應(yīng)激反應(yīng)強(qiáng)度過大，產(chǎn)生的大量活性氧易增加腦組織的耗氧量，導(dǎo)致抗氧化劑與活性氧比例嚴(yán)重失衡，使血管內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元細(xì)胞正常功能受損，腦血流量減少，進(jìn)一步加重氧化應(yīng)激，形成惡性循環(huán)，從而促進(jìn)VD的發(fā)生發(fā)展[25]。正常情況下，Nrf2與Keap1結(jié)合后，Nrf2活性受到抑制；而在外源性應(yīng)激條件下，Nrf2可通過調(diào)節(jié)機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)行自我保護(hù)并與Keap1分離，Nrf2信號通路被激活可啟動抗氧化應(yīng)激保護(hù)機(jī)制[26]。另有研究發(fā)現(xiàn)，正常小鼠腦細(xì)胞中的活性氧水平顯著低于Nrf2基因敲除小鼠，表明還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶與Nrf2信號通路存在負(fù)反饋回路，在機(jī)體穩(wěn)態(tài)情況下，激活Nrf2信號通路有助于對抗機(jī)體過度氧化應(yīng)激反應(yīng)[27]。Shao等[28]研究發(fā)現(xiàn)，通過合理實驗手段提高正常小鼠Nrf2基因表達(dá)水平有助于延緩VD的進(jìn)展，而在相同實驗條件下，Nrf2基因敲除小鼠VD臨床癥狀更嚴(yán)重；通過檢查腦血流量相關(guān)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，Nrf2信號通路可影響微血管的氧化應(yīng)激反應(yīng)，同時對膽固醇的攝取、排泄也有一定程度影響。由此可見，研發(fā)Nrf2活化劑可為延緩VD疾病進(jìn)展提供新思路。

4 以Nrf2信號通路為靶點(diǎn)治療認(rèn)知功能障礙的相關(guān)藥物研究

Nrf2靶基因包括抗氧化蛋白酶、藥物代謝酶以及調(diào)控谷胱甘肽、戊糖磷酸途徑酶和核苷酸合成酶等，Nrf2靶基因表達(dá)上調(diào)有助于清除活性氧、抗細(xì)胞凋亡、解毒外源性化學(xué)物質(zhì)等，從而維持細(xì)胞內(nèi)氧分壓動態(tài)平衡，減少細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，因此研發(fā)以Nrf2信號通路為靶點(diǎn)的藥物對緩解各種疾病誘發(fā)的認(rèn)知功能障礙均有重要價值[29-30]。

4.1二苯乙烯類化合物 線粒體功能障礙是神經(jīng)退行性疾病的病理機(jī)制之一，而Nrf2在線粒體生物學(xué)功能及代謝中均具有重要作用，活化的Nrf2可促進(jìn)線粒體生物合成，緩解線粒體功能障礙[31]。有研究發(fā)現(xiàn)，二苯乙烯類化合物可抑制部分細(xì)胞色素從線粒體釋放，繼而消除Aβ誘導(dǎo)的線粒體膜電位異常、減少促凋亡細(xì)胞蛋白表達(dá)，降低認(rèn)知功能障礙發(fā)生的風(fēng)險[32]。此外，二苯乙烯普還可通過HO-1拮抗劑阻斷Nrf2/HO-1信號通路，從而誘導(dǎo)Nrf2信號通路活化、保護(hù)Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)元細(xì)胞、抑制細(xì)胞毒性損傷機(jī)制、促進(jìn)線粒體功能恢復(fù)，進(jìn)而拮抗海馬神經(jīng)元細(xì)胞損傷，降低神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生風(fēng)險[33]。

4.2酚類化合物 叔丁基對苯二酚(tert-butylhydroquinone，t-BHQ)是Nrf2信號通路的激活劑，可通過Nrf2信號通路誘導(dǎo)谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶第二階段的表達(dá)，由于谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶具有解毒作用，因此t-BHQ可保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞免受毒性損傷，降低認(rèn)知功能障礙發(fā)生風(fēng)險[34-35]。t-BHQ還可增加鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)，進(jìn)而通過叔丁基氫醌增加Nrf2活性，使氧化應(yīng)激反應(yīng)部分標(biāo)志物磷酸化減少，同時增加Nrf2相關(guān)靶基因的表達(dá)，通過Nrf2-抗氧化反應(yīng)元件防御機(jī)制延遲AD、PD等神經(jīng)退行性疾病的進(jìn)展[36]。有研究發(fā)現(xiàn)，植物迷迭香的有效成分鼠尾草酸為天然兒茶酚型結(jié)構(gòu)，可通過與Keap1反應(yīng)促進(jìn)Nrf2泛素降解，有助于游離Nrf2進(jìn)入細(xì)胞核合成內(nèi)源性抗氧化劑，防止Aβ誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)變性，同時還可提高機(jī)體還原型谷胱甘肽水平，共同保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞，降低氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞毒性損傷，繼而降低神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生風(fēng)險[37]。Wang等[38]研究發(fā)現(xiàn)，鼠尾草酸可減少AD海馬區(qū)域Aβ原代神經(jīng)元的樹突棘異常、星形膠質(zhì)細(xì)胞增生以及細(xì)胞死亡，主要原因在于鼠尾草酸可通過激活Nrf2信號通路上調(diào)抗氧化酶的表達(dá)，進(jìn)而逆轉(zhuǎn)氧化應(yīng)激反應(yīng)，減少Aβ誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)變性，從而發(fā)揮保護(hù)AD神經(jīng)元細(xì)胞的作用，降低認(rèn)知功能障礙發(fā)生風(fēng)險。

4.3中藥有效成分 木犀草素是一種存在于紫蘇葉等植物中的天然黃酮類化合物，可上調(diào)Nrf2信號通路解毒酶HO-1、谷氨酸半胱氨酸連接酶蛋白的表達(dá)，抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)過量活性氧的產(chǎn)生，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力，保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞；此外，調(diào)控木犀草素水平還可抑制Nrf2信號通路的表達(dá)，因此木犀草素可作為化療輔助劑增強(qiáng)順鉑的抗癌作用[39-40]。甘草具有清熱解毒的功效，甘草素、甘草次酸等甘草有效成分可上調(diào)Nrf2相關(guān)靶基因的表達(dá)，增強(qiáng)Nrf2信號通路的抗氧化應(yīng)激能力，從而對抗機(jī)體因過量活性氧產(chǎn)生而導(dǎo)致的氧化應(yīng)激反應(yīng)[41]。黃芩素是黃芩的主要有效成分，可通過調(diào)控Nrf2信號通路抑制過氧化氫誘導(dǎo)的活性氧產(chǎn)生、激活細(xì)胞抗氧化能力、減少神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)的損傷，從而保護(hù)神經(jīng)元；漢黃芩素還可通過抑制Nrf2與抗氧化反應(yīng)元件的結(jié)合降低多藥耐藥相關(guān)蛋白1的表達(dá)、下調(diào)Nrf2信使RNA的表達(dá)，是潛在的以Nrf2信號通路為靶點(diǎn)的增敏劑[42]。姜黃素是在姜黃根莖中發(fā)現(xiàn)的甲烷類物質(zhì)，可在增加神經(jīng)元細(xì)胞活力的同時減少Aβ25神經(jīng)毒性損傷；2-去甲基姜黃素可激活Nrf2信號通路，促使Nrf2從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，從而上調(diào)Nrf2信號通路下游HO-1、醌氧化還原酶等的表達(dá)，降低活性氧水平，增加超氧化物歧化酶活性，延緩認(rèn)知功能障礙的進(jìn)展[43-44]。

5 小 結(jié)

近年關(guān)于Nrf2信號通路與認(rèn)知功能障礙的研究逐漸增多，Nrf2信號通路的激活可作為治療認(rèn)知功能障礙的有效靶點(diǎn)，而多種化合物、天然產(chǎn)物均可有效激活Nrf2信號通路，但其是否可通過機(jī)體血腦屏障有效對抗神經(jīng)毒性還有待進(jìn)一步研究驗證。此外，人類神經(jīng)退行性病變誘發(fā)的認(rèn)知功能障礙源于多種致病因素，而動物模型的認(rèn)知功能障礙大多由單一急性損傷所致，因此未來還應(yīng)繼續(xù)完善Nrf2信號通路在認(rèn)知功能障礙中的作用研究及相關(guān)藥物研發(fā)，同時對動物基因模型進(jìn)行深入探討，為緩解患者認(rèn)知功能障礙的進(jìn)展提供幫助。