姜黃素及其納米制劑對腦卒中的神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制研究進(jìn)展*

楊楚瑜,魏建明,龔子楨,陸盛昌,劉親望 綜述,曹湘玉 審校

(湖南醫(yī)藥學(xué)院醫(yī)學(xué)院,湖南 懷化 418000)

腦卒中是由于腦血管發(fā)生堵塞造成腦局部缺血或腦血管破裂等原因引起腦組織功能障礙的一類疾病,具有發(fā)病率高、病死率高、致殘率高與復(fù)發(fā)率高及年輕化趨勢等特點(diǎn),對患者生命健康造成嚴(yán)重危害,目前是我國成人死亡和致殘的首位病因[1-3]。姜黃素是從姜科植物姜黃根莖中提取出來的一種天然多酚,也是一種多效分子,能跟多數(shù)分子和細(xì)胞靶標(biāo)結(jié)合發(fā)揮多種生物學(xué)作用[4]。研究發(fā)現(xiàn),姜黃素及其納米制劑能通過抑制細(xì)胞焦亡、抗氧化應(yīng)激、抗炎效應(yīng)和調(diào)節(jié)鐵死亡等多種機(jī)制在腦卒中治療過程中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[5-9]。因此,本文以姜黃素及其納米制劑在腦卒中的神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制為切入點(diǎn),對其在腦卒中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,旨在為腦卒中的治療提供新靶點(diǎn)和新方向。

1 姜黃素

姜黃素于1970年首次從姜黃中提取,屬于一類疏水性多酚化合物,在常溫下為黃色結(jié)晶粉末,水溶性較差,易溶于乙醇、氯仿等多種有機(jī)溶劑。姜黃素的理化性質(zhì)不穩(wěn)定,容易受pH值、光線及溫度等因素影響。研究表明,姜黃素具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤、降脂及神經(jīng)保護(hù)作用[10-14],但在胃腸道中吸收較差,且生物利用度低[15],從而導(dǎo)致其臨床應(yīng)用明顯受限。近年來,基于納米技術(shù)的遞藥系統(tǒng)成功開發(fā),其可制備姜黃素脂質(zhì)體、納米凝膠、納米顆粒等劑型,而且結(jié)合不同的給藥方式,可進(jìn)一步增加姜黃素穩(wěn)定性,并提高姜黃素水溶性及生物利用度[16]。研究表明,姜黃素可減輕心、肝臟、腎、肺、睪丸、脊髓及視網(wǎng)膜等多種器官發(fā)生的缺血再灌注損傷[11-13],在體內(nèi)發(fā)揮一定的保護(hù)作用。而且,姜黃素具有親脂性,易透過血腦屏障[11],有益于腦血管疾病的預(yù)防和治療。

2 腦卒中

腦卒中包括缺血性腦卒中和出血性腦卒中兩大類。缺血性腦卒中是因局部腦組織區(qū)域血液循環(huán)發(fā)生障礙,引起腦組織供血供氧不足,導(dǎo)致腦神經(jīng)功能障礙。缺血性腦卒中占比高達(dá)70%～80%,其治療方法主要包括重組組織纖溶酶原激活物靜脈溶栓治療及血管內(nèi)治療。然而,由于最佳治療時(shí)間窗的限制及高額的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),獲益人群較少[17-18],大部分患者會(huì)出現(xiàn)腦組織損傷和神經(jīng)功能障礙。出血性腦卒中是指非創(chuàng)傷性自發(fā)性顱內(nèi)出血,其包括由顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、腦血管畸形等顱內(nèi)血管非外傷性破裂導(dǎo)致的腦出血(ICH)和蛛網(wǎng)膜下腔出血(SAH),其治療方法主要有一般治療、藥物治療及手術(shù)治療,大多數(shù)患者遺留不同程度神經(jīng)功能障礙。目前,越來越多的研究表明,腦卒中發(fā)生機(jī)制主要包括炎性反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞焦亡、血腦屏障破壞和反應(yīng)性神經(jīng)膠質(zhì)改變等[5-6,19]。

3 姜黃素及其納米制劑對腦卒中的神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制

3.1抗炎癥 炎性反應(yīng)是缺血性腦卒中發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵機(jī)制之一。研究表明,小膠質(zhì)細(xì)胞廣泛存在于腦組織中,且參與缺血性腦卒中的炎性反應(yīng)[20]。鄭敏等[21]對BV2小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行氧糖剝奪(OGD)處理,模擬腦缺血體外模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn),姜黃素可促進(jìn)miR-182表達(dá),抑制Toll樣受體-4(TLR4)表達(dá),降低腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細(xì)胞介素(IL)-6、IL-1β水平,而miR-182抑制劑可抵消這一效應(yīng),提示姜黃素通過miR-182-TLR4通路抑制OGD后小膠質(zhì)細(xì)胞炎性反應(yīng)。此外,姜黃素可能通過調(diào)控Notch-1分子機(jī)制通路對大腦中動(dòng)脈閉塞(MCAO)大鼠小膠質(zhì)細(xì)胞的增殖和激活產(chǎn)生抑制效應(yīng),從而減輕炎性反應(yīng)[22]。研究表明,在MCAO大鼠模型中,姜黃素可通過阻斷NOD樣受體蛋白3(NLRP3)/半胱氨酸蛋白酶(Caspase)-1信號軸,抑制炎性因子IL-18、IL-1β合成與釋放,減小腦梗死體積,并改善大鼠神經(jīng)功能[23]。LI等[24]通過檢測大鼠血漿及腦、心、腎等器官時(shí)發(fā)現(xiàn),含姜黃素的三嵌段共聚物納米微粒水平均高于游離姜黃素,且在大鼠MCAO模型中進(jìn)一步證實(shí),其能夠通過下調(diào)核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)-p65相關(guān)表達(dá)而顯著降低IL-6、TNF-α、IL-1β水平,從而發(fā)揮抗炎作用。

ICH后神經(jīng)功能損傷的重要機(jī)制之一是炎性反應(yīng)。據(jù)報(bào)道,在大鼠ICH模型中,姜黃素能降低ICH后大鼠血清中IL-6、IL-1β、TNF-α等促炎因子水平,減輕神經(jīng)功能損傷,發(fā)揮抗神經(jīng)炎癥作用[25]。YANG等[26]在小鼠ICH模型和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn),姜黃素可下調(diào)p38絲裂原活化蛋白激酶/蛋白激酶C信號通路,同時(shí)抑制NF-κB表達(dá),降低IL-1β、TNF-α水平,并且抑制小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)神經(jīng)炎性反應(yīng)和神經(jīng)毒性作用,產(chǎn)生抗炎效應(yīng),進(jìn)而減輕神經(jīng)功能損傷,改善ICH后腦組織損傷。研究表明,姜黃素通過降低小鼠ICH后腦組織內(nèi)Janus酪氨酸蛋白激酶1、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子1蛋白表達(dá),并抑制小膠質(zhì)細(xì)胞M1型極化和炎性因子TNF-α、IL-1β合成與釋放,從而減輕神經(jīng)炎癥損傷[27]。

炎性反應(yīng)也是SAH早期腦血管痙攣和腦組織損傷的關(guān)鍵因素之一。研究發(fā)現(xiàn),大鼠SAH模型造模后3、7 d時(shí),大鼠血漿TNF-α、誘導(dǎo)性一氧化氮合成酶(iNOS)水平明顯增高,而姜黃素能通過抑制TNF-α、iNOS的釋放,緩解SAH后腦血管痙攣及神經(jīng)炎癥損傷[28]。CAI等[29]在大鼠SAH模型中發(fā)現(xiàn),姜黃素通過抑制NF-κB信號通路,降低TNF-α和單核細(xì)胞趨化蛋白-1水平,減輕炎性反應(yīng),改善神經(jīng)功能缺損。研究表明,姜黃素能抑制SAH小鼠IL-1β、IL-6、TNF-α釋放,同時(shí)增加抗炎因子IL-10表達(dá),并促進(jìn)大腦皮層小膠質(zhì)細(xì)胞M1型向M2型極化,其機(jī)制可能是依賴于TLR4/MyD88/NF-κB通路,從而減輕SAH后炎性反應(yīng),改善神經(jīng)功能缺損[30]。研究發(fā)現(xiàn),姜黃素納米粒(Cur-NPs)通過下調(diào)SAH大鼠腦組織NF-κB表達(dá),降低腦脊液IL-1β、TNF-α等炎癥因子水平,增加神經(jīng)細(xì)胞活性,明顯減輕SAH后腦組織炎癥損傷[31]。研究發(fā)現(xiàn),SAH大鼠腦組織IL-6、IL-1β、TNF-α mRNA和蛋白水平均顯著升高,而Cur-NPs能抑制其表達(dá),減輕SAH后神經(jīng)炎性反應(yīng),提示Cur-NPs在SAH后發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[32]。

3.2抗氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是自由基產(chǎn)生與清除失衡導(dǎo)致的一種氧化過渡狀態(tài)。姜黃素可作為抗氧化劑,通過激活谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶,抑制活性氧(ROS)和丙二醛(MDA),維持大腦內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)平衡,促進(jìn)自由基的清除,發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[33]。

氧化應(yīng)激是參與缺血性腦卒中病理生理過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn),在SH-SY5Y細(xì)胞OGD/R模型中,姜黃素通過上調(diào)miR-1287-5p表達(dá),降低過氧化物酶體合成,減少ROS生成,進(jìn)而減輕氧自由基損傷,發(fā)揮抗氧化作用[34]。在小鼠MCAO模型和HT22神經(jīng)元細(xì)胞OGD/R模型中,姜黃素通過上調(diào)NAD-依賴性去乙?；窼irtuin-1蛋白表達(dá),增加GSH-Px和SOD水平,降低ROS和MDA水平,減輕氧化應(yīng)激損傷,發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)[35]。此外,在小鼠MCAO模型中證實(shí),Cur-NPs可穿過血腦屏障進(jìn)入缺血半暗帶區(qū),減少腦梗死面積,改善缺血性腦卒中后神經(jīng)損傷,且進(jìn)一步體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Cur-NPs可能通過減少線粒體損傷而保護(hù)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷[36]。

氧化應(yīng)激也是ICH發(fā)生發(fā)展的重要病理因素之一[37]。研究發(fā)現(xiàn),在氯高鐵血紅素誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞損傷構(gòu)建的ICH體外模型中,姜黃素能誘導(dǎo)核因子紅系2相關(guān)因子2活化,促進(jìn)抗氧化劑血紅素加氧酶-1表達(dá),降低細(xì)胞內(nèi)ROS、MDA水平,減少谷胱甘肽損耗,通過抗氧化應(yīng)激損傷以促進(jìn)ICH后神經(jīng)功能恢復(fù)[38]。研究發(fā)現(xiàn),在尾狀核注射膠原酶制備大鼠ICH模型中,姜黃素能加強(qiáng)GSH-Px和SOD活性,使氧化產(chǎn)物ROS和MDA的釋放減少,提示姜黃素在ICH中有抗氧化應(yīng)激作用[39]。MARQUES等[40]在ICH大鼠模型中給予姜黃素納米乳劑時(shí)發(fā)現(xiàn),其能降低MDA水平,促進(jìn)氧自由基清除,發(fā)揮抗氧化效果,縮小血腫體積,改善ICH后神經(jīng)功能損傷。

氧化應(yīng)激是加重SAH后神經(jīng)功能缺損的關(guān)鍵因素之一。研究發(fā)現(xiàn),在SAH大鼠模型中,氧化應(yīng)激產(chǎn)物硝基酪氨酸含量增加,其可引起腦微循環(huán)障礙、腦血管受損、血管壁通透性增加,并加速腦水腫形成,導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙[41]。研究發(fā)現(xiàn),在氧合血紅蛋白誘導(dǎo)建立體外的SAH模型中,姜黃素能降低MDA、ROS水平,增強(qiáng)SOD、GSH-Px活性,抑制氧化應(yīng)激反應(yīng),促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞存活,改善SAH后神經(jīng)功能缺損[42]。研究表明,通過給予Cur-NPs,SAH大鼠腦組織內(nèi)SOD、GSH-Px活性增加,ROS被有效清除,提示Cur-NPs具有抗氧化應(yīng)激效應(yīng)和保護(hù)SAH后神經(jīng)功能作用[32]。

3.3抑制細(xì)胞焦亡 細(xì)胞焦亡是一種與炎癥密切相關(guān)的程序性細(xì)胞死亡方式,由炎癥小體、Caspase及Gasdermin蛋白家族成員介導(dǎo)發(fā)生,以細(xì)胞膜穿孔、細(xì)胞膜破裂、內(nèi)容物外流為主要特點(diǎn)。細(xì)胞焦亡途徑主要包括依賴于Caspase-1的經(jīng)典途徑和依賴于Caspase-11(在人類中為Caspase-4/5)的非經(jīng)典途徑。經(jīng)典途徑中,Caspase-1的前體以凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白為橋梁與細(xì)胞溶質(zhì)模式識(shí)別受體結(jié)合,使Caspase-1被活化后切割Gasdermin D(GSDMD),激活細(xì)胞焦亡,最終釋放IL-1β、IL-18炎癥細(xì)胞因子[43-44]。

近年來的研究顯示,細(xì)胞焦亡在缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展過程中起著重要的作用。RAN等[45]在小鼠-MCAO模型中檢測小鼠腦梗死區(qū)組織時(shí)發(fā)現(xiàn),NLRP3、剪切的Caspase-1、GSDMD、IL-1β前體和IL-1β蛋白表達(dá)均受到上調(diào),姜黃素可下調(diào)其表達(dá),抑制缺血性腦卒中后小膠質(zhì)細(xì)胞焦亡,而且姜黃素通過NF-κB/NLRP3信號通路發(fā)揮作用,從而減少IL-1β、IL-18的釋放,減輕細(xì)胞焦亡,進(jìn)一步改善了腦損傷。在胚胎大鼠大腦皮層神經(jīng)元細(xì)胞OGD模型和大鼠MCAO模型中發(fā)現(xiàn),姜黃素通過抑制p38絲裂原活化蛋白激酶信號通路而下調(diào)NLRP1、Caspase-1及GSDMD等蛋白表達(dá),從而導(dǎo)致IL-1β的釋放減少,進(jìn)而抑制了神經(jīng)細(xì)胞焦亡,對腦缺血再灌注損傷后腦組織發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[5]。

3.4抗腦水腫 ICH血腫周圍發(fā)生腦水腫多在24～72 h達(dá)高峰[39]。ICH后體內(nèi)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)被激活,使蛋白水解活性增加,引起血管壁損傷,破壞血腦屏障(BBB),導(dǎo)致BBB通透性增加,加速血管源性腦水腫形成,進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)的神經(jīng)功能喪失[46]。WANG等[47]研究發(fā)現(xiàn),ICH小鼠在造模3 d后腦組織水含量明顯升高,水通道蛋白(AQP)1、AQP4、AQP9表達(dá)增加,而姜黃素通過抑制NF-κB信號通路可降低AQP4、AQP9表達(dá),維持BBB物質(zhì)交換平衡,減輕腦水腫,改善ICH后神經(jīng)功能損傷。

腦水腫是SAH后早期腦損傷的重要機(jī)制之一[48-49]。研究發(fā)現(xiàn),SAH大鼠腦組織MMP-9表達(dá)增加,導(dǎo)致BBB緊密連接的Ⅳ型膠原水解,損壞BBB功能完整性而導(dǎo)致血源性腦水腫[50]。研究表明,姜黃素能抑制SAH小鼠腦組織MMP-9表達(dá),增加緊密連接蛋白表達(dá),保持BBB完整性,降低腦組織水含量,減輕腦水腫,改善SAH后神經(jīng)功能缺損[49]。ZHANG等[32]研究證實(shí),Cur-NPs比姜黃素更容易穿透BBB,并下調(diào)大鼠SAH后血管內(nèi)皮生長因子和MMP9表達(dá),增加claudin-5、occludin等緊密連接蛋白表達(dá),提示Cur-NPs能改善SAH后BBB環(huán)境而減輕腦水腫程度,從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

4 小 結(jié)

腦卒中是影響人類健康的慢性疾病,也是全球慢性非傳染性疾病防控重點(diǎn)之一。目前針對腦卒中的藥物治療大多以神經(jīng)保護(hù)及對癥支持等為主,旨在減少腦卒中發(fā)病后致殘率,改善神經(jīng)功能障礙。姜黃素具有抗焦亡、抗氧化效應(yīng)、抗炎及抗腫瘤等多種生物學(xué)功能,因生物利用度低而限制了其在臨床中的應(yīng)用。姜黃素納米制劑通過增加溶解性、增強(qiáng)穩(wěn)定性、促進(jìn)體內(nèi)吸收及增高血腦屏障滲透性等,極大地提高姜黃素生物學(xué)活性及生物利用度,實(shí)現(xiàn)藥效最大化,具有更廣闊的臨床應(yīng)用前景。

綜上所述,姜黃素及其納米制劑通過抗炎性反應(yīng)、抗氧化應(yīng)激、抑制細(xì)胞焦亡、抗腦水腫等多種作用機(jī)制在腦卒中的治療過程中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用,從而減輕腦組織損傷和改善神經(jīng)功能缺損。這為姜黃素及其納米制劑在腦卒中的應(yīng)用提供了新證據(jù)和新策略。