石菖蒲抗血管性癡呆的藥理機制研究進展

李玉芳 楊瑞林 高媛 徐冰

血管性癡呆(vascular dementia,VaD)是一類腦血管疾病引起的獲得性的癡呆綜合征,臨床表現除典型的神經系統損害外,還以記憶、認知缺損為主,兼或伴有語言、運動空間等方面異常[1]。VaD是老年人中常見的一種癡呆類型,僅次于阿爾茨海默病,約占所有癡呆病例的15%～20%[2],對個人、家庭及全社會有著深遠影響,是一個嚴重的公共衛生問題[3]。石菖蒲在VaD的中藥治療中使用頻率最高[4-6],具有不可小覷的作用。石菖蒲首載于《神農本草經》,以根莖入藥,為上品中藥,歸芳香開竅類。其性辛、苦、溫,歸心、胃經,具有開竅豁痰、醒神益智、化濕開胃的功效[7],自古被用于治療癲癇、痰厥、熱病神昏、健忘失眠、中風失語等癥[8]?，F代藥理研究發現,石菖蒲化學成分復雜,主要包括揮發油成分以及生物堿類、黃酮類、有機酸等非揮發性成分,具有多種藥理作用,如抗癡呆、抗帕金森、抗抑郁、抗癲癇、抗炎、抗菌、抗腫瘤等[8-9]。其中石菖蒲揮發油的α-細辛醚和β-細辛醚因其廣泛的藥理活性成為研究熱點[10]。本文對石菖蒲抗血管性癡呆的藥理機制進行綜述,為石菖蒲的運用提供理論依據及循證支持。

1 石菖蒲對血腦屏障的調節作用

1.1 通過改變血腦屏障的結構增加其通透性

血腦屏障的完整性對于維持維持腦內穩態、保護神經元具有重要意義[11]。與正常老化的大腦相比,VaD患者的血腦屏障結構發生明顯變化,通透性增加與VaD的發病和進展密切相關[12]。研究發現[13],石菖蒲揮發油能改變大鼠血腦屏障的超微結構,降低缺血再灌注損傷。具體而言,石菖蒲使內皮細胞膜變薄、局部出現缺損,基膜外星形膠質細胞及其足板水腫,結構模糊,內皮細胞之間的緊密連接松弛,從而導致血腦屏障通透性的增加,腦組織內藥物的濃度和生物利用度得以提高,從而發揮醒腦開竅的治療作用[14]。

血管內皮細胞因其無孔洞依靠緊密連接(tight junction,TJ)構成一個連續密封的網,控制藥物入腦。黃麗平等[15]研究發現β-細辛醚顯著減少緊密連接蛋白-1、Claudin-5、閉合蛋白(Occludin)和肌動蛋白的表達,增加血腦屏障通透性。緊密連接蛋白-1、Occludin和Claudin-5是TJ蛋白質,可見在調控血腦屏障通透性中發揮關鍵作用。P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)是一種跨膜轉運蛋白,將物質外排出血腦屏障。多數研究證實,P-gp與血腦屏障的關系密不可分,抑制P-gp的外排能提高藥物對血腦屏障的滲透性和在腦內的濃度[16-17]。楊洋等[18]發現石菖蒲等開竅藥能顯著提高Caco-2細胞對Rho-123的攝取,明顯抑制P-gp的外排,從而提高血腦屏障通透性,說明石菖蒲能通過抑制P-gp來調節血腦屏障通透性。研究證實α-細辛醚[19]下調TJ蛋白Claudine家族基因表達、內皮細胞的P-gp表達;而β-細辛醚[18]可調節血腦屏障P-gp和TJ,二者均可疏松TJ,抑制P-gp,使內皮細胞皺縮,來開啟血腦屏障,增加其通透性。

1.2 通過調節多種因子來影響血腦屏障通透性

大腦低灌注后,血腦屏障損傷,與腦損傷和淀粉樣蛋白β積聚或清除有關的分子基因表達增加,加重腦損傷,促進VaD的發生發展[20]。單胺類神經遞質如5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)的變化能改變血腦屏障通透性[21]。謝婷婷等[22]在石菖蒲各提取部分對5-HT含量影響的實驗中發現石菖蒲揮發油組、水煎液及全方組的5-HT含量均顯著升高。這說明石菖蒲極可能是通過上調5-HT的含量,暫時性增加血腦屏障的通透性。此外石菖蒲還可通過調節炎癥介質及氧化應激產物,抑制炎癥、減少氧化應激以此降低血腦屏障通透性,從而保護腦內神經元免受損傷。

1.3 促進藥物通過血腦屏障

石菖蒲的有效成分順式甲基異丁香酚、欖香烯、α-細辛醚、β-細辛醚等因其高脂溶性可快速通過血腦屏障,進入腦組織。吳雪等[13]觀察到石菖蒲水提液能明顯提高葛根素、川芎嗪等在腦與血的藥物濃度,由此說明石菖蒲提高血腦屏障的通透性,促進其他藥物透過血腦屏障進入腦組織發揮作用。此外相關研究β-細辛醚可快速通過血腦屏障,減輕鉛中毒程度,顯著增加大鼠海馬樹突棘密度及齒狀回等,一定程度保護鉛致學習記憶障礙神經,并呈劑量依賴性[23]。提示使用石菖蒲需嚴格控制劑量和時間,避免對血腦屏障造成不可逆性的損傷。

綜上,石菖蒲作為芳香開竅藥,在防治VaD中,石菖蒲揮發油易于通過血腦屏障發揮益智作用,而且石菖蒲有效成分可能通過改變血腦屏障的結構,調節轉運蛋白及各種因子,影響其通透性,促使藥物通過血腦屏障到達腦內,增加腦組織內血藥濃度及藥物生物利用度,改善認知功能。

2 石菖蒲具有抗氧化應激作用

2.1 通過清除自由基減輕氧化損傷

慢性大腦低灌注引起的腦氧化應激是VaD發病機制中的主要危險因素[24]。大腦缺血缺氧時,星形膠質細胞、小膠質細胞可產生病理性一氧化氮(nitric oxide,NO);同時抗氧化防御系統中活性氧活性氧(reactive oxygen species,ROS)、氧自由基積聚,改變抗氧化的內源性酶,如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)、過氧化氫酶(catalase,CAT)等,導致氧化應激反應[25]。氧自由基性質活潑,可直接攻擊磷脂內的不飽和脂肪酸,啟動脂質過氧化作用從而誘發細胞水腫和興奮遞質的釋放,同時裂解細胞內溶酶體使神經元自溶,繼而產生連鎖反應,進一步侵襲其他細胞內生物膜使細胞壞死數量劇增,腦梗死面積急劇擴大,最后誘發VaD。而NO是重要自由基之一,是誘導學習記憶及時程增強效應的重要物質;丙二醛(malondialdehyde ,MDA)是氧自由基攻擊脂質產生的重要代謝產物,具有細胞毒性。龔磊等[26]發現石菖蒲揮發油能減少NO含量,增加SOD的含量,以此清除氧自由基,減輕腦組織損傷,預防腦萎縮,提高學習記憶能力。蔣征奎等[27]在癡呆模型小鼠中發現石菖蒲揮發油和水提取物降低小鼠MDA含量,抑制氧自由基生成,提高SOD的活力。朱梅菊等[28]研究發現α-細辛醚能夠調節海馬腦組織中MDA含量,從而提高大鼠學習記憶功能。

2.2 通過提高抗氧化物質防止氧化損傷

VaD患者血中氧化應激水平發生了變化,主要表現為抗氧化物質降低,如維生素C、維生素E;同時氧化損傷產物升高,如8-羥2-脫氧鳥苷及8-羥鳥苷[29]。α-細辛醚可調節抗氧化酶SOD、CAT以及抗氧化物維生素C、維生素E含量;β-細辛醚可調節抗氧化酶GPX、CAT含量;二者維持缺血損傷后的抗氧化系統穩態,利于腦缺血損傷的恢復。Daniel等人[30]研究發現α-細辛醚可以增強Aβ25-35大鼠腦ROS水平,提高SOD、GPX和CAT含量,降低NO水平,防止氧化損傷,改善記憶能力。

綜上,石菖蒲可通過調節VaD患者血液中的氧化應激水平,提高抗氧化物質,清除自由基,提高SOD的活性,共同維持抗氧化系統穩態,減少腦氧化損傷,進一步防治VaD。

3 石菖蒲通過調節炎癥因子發揮抗炎作用

炎癥是組織對內源性或外源性的侵害所產生的修復過程。有研究表明,大腦血管發生損傷時,激活免疫細胞,分泌炎癥介質,使白細胞浸潤,激活細胞因子級聯反應,促進中樞神經系統的炎癥反應,神經組織會出現初期的結構功能損傷和后期的反復重構,加速神經細胞的死亡導致VaD癥狀[31]。

卒中后,β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein,Aβ)沉積,被其包圍的神經元釋放促炎性細胞因子和趨化因子,持續的炎癥和免疫細胞的過度趨化加劇VaD的進展,故控制炎癥是防治VaD的重要環節[32-33]。研究表明,石菖蒲的多種化合物具有抗炎活性,顯著降低免疫細胞中白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白細胞介素-1β(interleukin-1,IL1β)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等炎性細胞因子分泌,發揮體外抗炎作用[34]。在體外Aβ1-42誘導星形膠質細胞和PC12細胞兩種模型中,β-細辛醚抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的活性,降低細胞外調節蛋白激酶、p38-絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)以及c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)磷酸化水平和炎癥因子IL1β、TNF-α的表達,促進腦源性神經營養因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)的釋放,抑制星形膠質細胞活化來保護細胞[35-36]。徐飛飛等[10]、Liu等[37]的體外/體內實驗發現,α-細辛醚能夠阻斷NF-κB激酶的降解,調節NF-κB轉錄水平,抑制小膠質細胞介導的神經炎癥;而β-細辛醚可抑制炎性細胞因子的產生,并保護細胞免受Aβ25-35誘導的炎性反應[38]。

綜上,石菖蒲有效成分通過誘導抗炎癥因子的釋放,抑制NF-κB、MAPK、JNK等信號通路發揮抗炎作用,減緩VaD的發生發展。由此推測,細辛醚是一種很有前途的神經保護劑。

4 石菖蒲對神經可塑性的調節作用

4.1 通過清除Aβ以促進突觸可塑性

腦缺血缺氧后,神經系統損傷,正常神經環路及突觸聯系遭到破壞,影響神經信息的正常處理造成大腦的認知功能障礙。Aβ沉積能引發癡呆病病理的潛在級聯反應[39]。而突觸可塑性是學習記憶的神經生物學基礎。Aβ低聚物為具有神經毒性的寡聚體,對神經元和神經突觸超微結構具有極大的毒性損壞。卒中后大腦低灌注會加快Aβ的沉積,促進腦淀粉樣血管病的進展導致腦小血管病;破壞線粒體蛋白的功能,導致線粒體功能障礙,神經突觸功能異常,造成突觸可塑性損傷;增強血管收縮來影響腦血流,直接加重腦損傷,從而導致或加重VaD發生與發展[40-41]。張春霞等[42]發現石菖蒲有效成分β-細辛醚和丁香酚通過抑制雙轉基因小鼠Aβ前體蛋白的過度表達,降低Aβ產生量,減輕Aβ海馬神經元以及與學習記憶關系密切的突觸毒性損傷,對突觸的結構、界面、數目等起到保護與修復作用,以提高學習記憶能力。榮華等人[43]研究發現β-細辛醚能上調小鼠海馬區PSD-95蛋白及mRNA的表達,改善小鼠海馬神經突觸可塑性功能,發揮益智作用。因此,石菖蒲揮發油可通過清除Aβ促進神經元的突觸可塑性,提高突觸傳遞效率,增強神經信息的傳遞。

4.2 調節各類細胞參與神經膠質元可塑性

研究表明石菖蒲水提物具有神經營養作用[44]。石菖蒲可上調海馬神經元可塑性因子蛋白的表達,激活神經元信號保護通路,促進海馬內自分泌,進而保護海馬細胞,改善海馬神經重塑[45]。YANG等人[46]研究發現β-細辛醚可上調NR2B、Wnt7a蛋白的表達,下調Wnt7a蛋白和mRNA表達,提示可能通過Wnt信號通路保護神經記憶細胞。除了對神經元的調節作用外,石菖蒲揮發油還可影響神經膠質的功能,可促進星形膠質細胞的增殖和活化,增加星形膠質細胞的支持和修復功能,從而促進神經元的再生和修復。

綜上,神經可塑性是指神經系統對外部刺激或內部變化做出的可逆性結構和功能改變的能力,包括突觸可塑性與神經膠質元可塑性。而石菖蒲通過清除有神經毒性的Aβ,減輕神經突觸的毒性損傷,影響各類細胞等多種方面調節神經可塑性,增強神經元之間的聯系和信息傳遞,促進神經元修復,完善海馬神經重塑,減輕其病理改變,以此改善學習記憶能力。

5 石菖蒲通過調節神經遞質保護膽堿能神經

乙酰膽堿(acetylcholine,ACh)是中樞神經系統興奮性的神經遞質,以膽堿、乙酰輔酶A等為原料,經乙酰膽堿轉移酶(acetylcholinesterase,AChE)催化合成,一旦從囊泡釋放就會很快被膽堿酯酶(cholinesterase,ChAT)水解成膽堿、乙酸等物質。酶在膽堿能系統中的動態平衡對學習記憶等認知功能發揮重要作用。ACh缺乏和認知障礙存在顯著正相關[47]。

卒中后,腦灌注不足和缺血缺氧可導致葡萄糖氧化障礙,乙酰輔酶A產生量降低,繼而ACh合成量降低,從而導致海馬區血流量持續降低,增加膽堿能系統損傷;且腦白質缺血損傷可阻斷膽堿能皮質廣泛投射并影響膽堿能通路網絡連接[48]。而對于VaD,研究表明機體大腦和腦脊液存在明顯的膽堿能系統紊亂,AChE和ChAT的活性降低,ACh合成減少,且血清素能和多巴胺能系統也可能受到影響,那么神經遞質系統特別是中樞膽堿能系統可能是VaD的治療靶點[49]。金虹等[50]研究石菖蒲根和葉的不同溶劑萃取部分對AchE活性的影響,實驗發現石菖蒲根和葉的揮發油均能明顯抑制AchE。而且α-細辛醚為強抑酶活性成分,說明石菖蒲揮發油能提高乙酰膽堿神經遞質的水平。鄧敏貞等人[51]通過紫外分光光度法檢測石菖蒲揮發油聯合人參總皂苷使小鼠腦組織AChE活性增強,ChAT含量顯著降低,確保乙酰膽堿不丟失,促進神經信號高效傳遞,來增強學習與記憶。

綜上,石菖蒲通過調節神經遞質,保護膽堿能神經,促使膽堿能發揮作用,達到改善VaD的認知功能。由此推測,神經遞質系統特別是中樞膽堿能系統可能是VaD的治療靶點。

6 石菖蒲通過減少細胞凋亡保護海馬神經元

細胞凋亡受機體中各種基因調控,對維持內環境穩態具有重要作用[52]。細胞凋亡的發生機制復雜,具有多種途徑調控,且與凋亡蛋白家族表達、Caspase家族的活化相關[53]。B淋巴細胞瘤-2基因相關啟動子(Bcl-2 associated death promoter,Bad)、B淋巴細胞瘤-2相關X蛋白(Bcl-2 associated X,Bax)等促凋亡蛋白與Bcl-2等抗凋亡蛋白是細胞的凋亡基因,而半胱天冬酶(Caspase-3)是信號通路中的關鍵樞紐[54]。凋亡酶的激活可引起海馬區神經元變性,是腦血管病導致機體認知功能障礙的主要病理基礎[55]。

研究表明,慢性腦低灌注、缺血缺氧可導致大鼠海馬神經元凋亡和自噬,促進VaD的發生發展[56]。因此神經元凋亡是造成VaD的主要原因。王彥平等人[57]的實驗表明,石菖蒲通過抑制糖原合成酶激酶-3β/β-連環蛋白信號通路的激活,減少Bax、Caspase-3 mRNA和蛋白的表達量,減少神經細胞凋亡,以此改善腦梗死大鼠認知功能障礙。歐陽恩鴻等[58]在Aβ25-35誘導的PC12細胞模型中發現,β-細辛醚減少PC12細胞Caspase-3、Caspase-6及Caspase-9的表達,減少乳酸脫氫酶漏出,提高細胞存活率,提示β-細辛醚能抗凋亡,保護神經細胞。LIU L等人[59]實驗得出β-細辛醚可降低缺血再灌注大鼠鼠JNK和p-JNK的水平,增加Bcl-2水平,降低Bec-1的功能,減輕自噬反應,減少神經元的凋亡,也提示JNK是自噬反應的重要通路。王曉麗等人[60]研究β-細辛醚在缺糖缺氧和再灌注損傷海馬神經元保護方面作用的實驗表明,β-細辛醚可通過抑制海馬神經元c-Jun氨基末端激酶磷酸化,上調Bcl-2下游抑凋亡蛋白表達,再下調Caspase-3表達,來抗海馬神經元凋亡,進而防治VaD。

綜上,石菖蒲通過多途徑調控凋亡因子,激活Caspase-3,降解重要蛋白酶,減弱自噬反應,抗神經細胞凋亡,保護神經元,來防治VaD。

7 結語

石菖蒲的有效成分研究主要集中在石菖蒲揮發油(如細辛醚系列),通過調節血腦屏障通透性、保護膽堿能神經、清除Aβ、抗氧化應激、抗炎、抗凋亡等,多靶點、多通路、多途徑參與VaD病理生理過程的多個環節,進而發揮益智、腦保護等作用,不僅為治療VaD提供一定理論依據,更能為VaD新型藥物開發提供方向。石菖蒲作為一味可長期使用且具有重要研究價值的芳香開竅類中藥,不僅是治療血管性癡呆的最高頻中藥,而且對卒中、抑郁、帕金森等神經系統疾病的血腦屏障、非神經元、神經元均具有重要作用。雖然石菖蒲在臨床中應用廣泛,但有研究表明α-細辛醚、β-細辛醚具有一定的毒副作用,臨床應用時需注意用藥劑量及與其他藥物相配伍,還應探索對其化學結構修飾來提高藥物穩定性,進而提高生物利用度和藥物作用的安全性。筆者在整理文獻發現缺少石菖蒲非揮發性成分如生物堿、黃酮、有機酸、氨基酸、多糖等治療VaD的藥理作用,故應從分子、細胞水平多角度對石菖蒲藥效成分及藥理機制深入研究,使石菖蒲成為臨床常用防治VaD的更高效、更安全、更科學的藥物,以提高臨床應用價值。