杨楚瑜,魏建明,龚子桢,陆盛昌,刘亲望 综述,曹湘玉 审校

(湖南医药学院医学院,湖南 怀化 418000)

脑卒中是由于脑血管发生堵塞造成脑局部缺血或脑血管破裂等原因引起脑组织功能障碍的一类疾病,具有发病率高、病死率高、致残率高与复发率高及年轻化趋势等特点,对患者生命健康造成严重危害,目前是我国成人死亡和致残的首位病因[1-3]。姜黄素是从姜科植物姜黄根茎中提取出来的一种天然多酚,也是一种多效分子,能跟多数分子和细胞靶标结合发挥多种生物学作用[4]。研究发现,姜黄素及其纳米制剂能通过抑制细胞焦亡、抗氧化应激、抗炎效应和调节铁死亡等多种机制在脑卒中治疗过程中发挥神经保护作用[5-9]。因此,本文以姜黄素及其纳米制剂在脑卒中的神经保护作用机制为切入点,对其在脑卒中的应用研究进展进行了综述,旨在为脑卒中的治疗提供新靶点和新方向。

1 姜黄素

姜黄素于1970年首次从姜黄中提取,属于一类疏水性多酚化合物,在常温下为黄色结晶粉末,水溶性较差,易溶于乙醇、氯仿等多种有机溶剂。姜黄素的理化性质不稳定,容易受pH值、光线及温度等因素影响。研究表明,姜黄素具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤、降脂及神经保护作用[10-14],但在胃肠道中吸收较差,且生物利用度低[15],从而导致其临床应用明显受限。近年来,基于纳米技术的递药系统成功开发,其可制备姜黄素脂质体、纳米凝胶、纳米颗粒等剂型,而且结合不同的给药方式,可进一步增加姜黄素稳定性,并提高姜黄素水溶性及生物利用度[16]。研究表明,姜黄素可减轻心、肝脏、肾、肺、睾丸、脊髓及视网膜等多种器官发生的缺血再灌注损伤[11-13],在体内发挥一定的保护作用。而且,姜黄素具有亲脂性,易透过血脑屏障[11],有益于脑血管疾病的预防和治疗。

2 脑卒中

脑卒中包括缺血性脑卒中和出血性脑卒中两大类。缺血性脑卒中是因局部脑组织区域血液循环发生障碍,引起脑组织供血供氧不足,导致脑神经功能障碍。缺血性脑卒中占比高达70%～80%,其治疗方法主要包括重组组织纤溶酶原激活物静脉溶栓治疗及血管内治疗。然而,由于最佳治疗时间窗的限制及高额的经济负担,获益人群较少[17-18],大部分患者会出现脑组织损伤和神经功能障碍。出血性脑卒中是指非创伤性自发性颅内出血,其包括由颅内动脉瘤、脑血管畸形等颅内血管非外伤性破裂导致的脑出血(ICH)和蛛网膜下腔出血(SAH),其治疗方法主要有一般治疗、药物治疗及手术治疗,大多数患者遗留不同程度神经功能障碍。目前,越来越多的研究表明,脑卒中发生机制主要包括炎性反应、氧化应激反应、细胞焦亡、血脑屏障破坏和反应性神经胶质改变等[5-6,19]。

3 姜黄素及其纳米制剂对脑卒中的神经保护作用机制

3.1抗炎症 炎性反应是缺血性脑卒中发生发展的关键机制之一。研究表明,小胶质细胞广泛存在于脑组织中,且参与缺血性脑卒中的炎性反应[20]。郑敏等[21]对BV2小胶质细胞进行氧糖剥夺(OGD)处理,模拟脑缺血体外模型,结果发现,姜黄素可促进miR-182表达,抑制Toll样受体-4(TLR4)表达,降低肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素(IL)-6、IL-1β水平,而miR-182抑制剂可抵消这一效应,提示姜黄素通过miR-182-TLR4通路抑制OGD后小胶质细胞炎性反应。此外,姜黄素可能通过调控Notch-1分子机制通路对大脑中动脉闭塞(MCAO)大鼠小胶质细胞的增殖和激活产生抑制效应,从而减轻炎性反应[22]。研究表明,在MCAO大鼠模型中,姜黄素可通过阻断NOD样受体蛋白3(NLRP3)/半胱氨酸蛋白酶(Caspase)-1信号轴,抑制炎性因子IL-18、IL-1β合成与释放,减小脑梗死体积,并改善大鼠神经功能[23]。LI等[24]通过检测大鼠血浆及脑、心、肾等器官时发现,含姜黄素的三嵌段共聚物纳米微粒水平均高于游离姜黄素,且在大鼠MCAO模型中进一步证实,其能够通过下调核转录因子κB(NF-κB)-p65相关表达而显著降低IL-6、TNF-α、IL-1β水平,从而发挥抗炎作用。

ICH后神经功能损伤的重要机制之一是炎性反应。据报道,在大鼠ICH模型中,姜黄素能降低ICH后大鼠血清中IL-6、IL-1β、TNF-α等促炎因子水平,减轻神经功能损伤,发挥抗神经炎症作用[25]。YANG等[26]在小鼠ICH模型和细胞实验中研究发现,姜黄素可下调p38丝裂原活化蛋白激酶/蛋白激酶C信号通路,同时抑制NF-κB表达,降低IL-1β、TNF-α水平,并且抑制小胶质细胞介导神经炎性反应和神经毒性作用,产生抗炎效应,进而减轻神经功能损伤,改善ICH后脑组织损伤。研究表明,姜黄素通过降低小鼠ICH后脑组织内Janus酪氨酸蛋白激酶1、信号转导和转录激活因子1蛋白表达,并抑制小胶质细胞M1型极化和炎性因子TNF-α、IL-1β合成与释放,从而减轻神经炎症损伤[27]。

炎性反应也是SAH早期脑血管痉挛和脑组织损伤的关键因素之一。研究发现,大鼠SAH模型造模后3、7 d时,大鼠血浆TNF-α、诱导性一氧化氮合成酶(iNOS)水平明显增高,而姜黄素能通过抑制TNF-α、iNOS的释放,缓解SAH后脑血管痉挛及神经炎症损伤[28]。CAI等[29]在大鼠SAH模型中发现,姜黄素通过抑制NF-κB信号通路,降低TNF-α和单核细胞趋化蛋白-1水平,减轻炎性反应,改善神经功能缺损。研究表明,姜黄素能抑制SAH小鼠IL-1β、IL-6、TNF-α释放,同时增加抗炎因子IL-10表达,并促进大脑皮层小胶质细胞M1型向M2型极化,其机制可能是依赖于TLR4/MyD88/NF-κB通路,从而减轻SAH后炎性反应,改善神经功能缺损[30]。研究发现,姜黄素纳米粒(Cur-NPs)通过下调SAH大鼠脑组织NF-κB表达,降低脑脊液IL-1β、TNF-α等炎症因子水平,增加神经细胞活性,明显减轻SAH后脑组织炎症损伤[31]。研究发现,SAH大鼠脑组织IL-6、IL-1β、TNF-α mRNA和蛋白水平均显著升高,而Cur-NPs能抑制其表达,减轻SAH后神经炎性反应,提示Cur-NPs在SAH后发挥神经保护作用[32]。

3.2抗氧化应激 氧化应激是自由基产生与清除失衡导致的一种氧化过渡状态。姜黄素可作为抗氧化剂,通过激活谷胱甘肽过氧化物酶(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),维持大脑内抗氧化酶系统平衡,促进自由基的清除,发挥神经保护作用[33]。

氧化应激是参与缺血性脑卒中病理生理过程中至关重要的环节。研究发现,在SH-SY5Y细胞OGD/R模型中,姜黄素通过上调miR-1287-5p表达,降低过氧化物酶体合成,减少ROS生成,进而减轻氧自由基损伤,发挥抗氧化作用[34]。在小鼠MCAO模型和HT22神经元细胞OGD/R模型中,姜黄素通过上调NAD-依赖性去乙酰化酶Sirtuin-1蛋白表达,增加GSH-Px和SOD水平,降低ROS和MDA水平,减轻氧化应激损伤,发挥神经保护效应[35]。此外,在小鼠MCAO模型中证实,Cur-NPs可穿过血脑屏障进入缺血半暗带区,减少脑梗死面积,改善缺血性脑卒中后神经损伤,且进一步体外实验发现,Cur-NPs可能通过减少线粒体损伤而保护脑微血管内皮细胞免受氧化应激损伤[36]。

氧化应激也是ICH发生发展的重要病理因素之一[37]。研究发现,在氯高铁血红素诱导小胶质细胞损伤构建的ICH体外模型中,姜黄素能诱导核因子红系2相关因子2活化,促进抗氧化剂血红素加氧酶-1表达,降低细胞内ROS、MDA水平,减少谷胱甘肽损耗,通过抗氧化应激损伤以促进ICH后神经功能恢复[38]。研究发现,在尾状核注射胶原酶制备大鼠ICH模型中,姜黄素能加强GSH-Px和SOD活性,使氧化产物ROS和MDA的释放减少,提示姜黄素在ICH中有抗氧化应激作用[39]。MARQUES等[40]在ICH大鼠模型中给予姜黄素纳米乳剂时发现,其能降低MDA水平,促进氧自由基清除,发挥抗氧化效果,缩小血肿体积,改善ICH后神经功能损伤。

氧化应激是加重SAH后神经功能缺损的关键因素之一。研究发现,在SAH大鼠模型中,氧化应激产物硝基酪氨酸含量增加,其可引起脑微循环障碍、脑血管受损、血管壁通透性增加,并加速脑水肿形成,导致神经功能障碍[41]。研究发现,在氧合血红蛋白诱导建立体外的SAH模型中,姜黄素能降低MDA、ROS水平,增强SOD、GSH-Px活性,抑制氧化应激反应,促进神经细胞存活,改善SAH后神经功能缺损[42]。研究表明,通过给予Cur-NPs,SAH大鼠脑组织内SOD、GSH-Px活性增加,ROS被有效清除,提示Cur-NPs具有抗氧化应激效应和保护SAH后神经功能作用[32]。

3.3抑制细胞焦亡 细胞焦亡是一种与炎症密切相关的程序性细胞死亡方式,由炎症小体、Caspase及Gasdermin蛋白家族成员介导发生,以细胞膜穿孔、细胞膜破裂、内容物外流为主要特点。细胞焦亡途径主要包括依赖于Caspase-1的经典途径和依赖于Caspase-11(在人类中为Caspase-4/5)的非经典途径。经典途径中,Caspase-1的前体以凋亡相关斑点样蛋白为桥梁与细胞溶质模式识别受体结合,使Caspase-1被活化后切割Gasdermin D(GSDMD),激活细胞焦亡,最终释放IL-1β、IL-18炎症细胞因子[43-44]。

近年来的研究显示,细胞焦亡在缺血性脑卒中的发生发展过程中起着重要的作用。RAN等[45]在小鼠-MCAO模型中检测小鼠脑梗死区组织时发现,NLRP3、剪切的Caspase-1、GSDMD、IL-1β前体和IL-1β蛋白表达均受到上调,姜黄素可下调其表达,抑制缺血性脑卒中后小胶质细胞焦亡,而且姜黄素通过NF-κB/NLRP3信号通路发挥作用,从而减少IL-1β、IL-18的释放,减轻细胞焦亡,进一步改善了脑损伤。在胚胎大鼠大脑皮层神经元细胞OGD模型和大鼠MCAO模型中发现,姜黄素通过抑制p38丝裂原活化蛋白激酶信号通路而下调NLRP1、Caspase-1及GSDMD等蛋白表达,从而导致IL-1β的释放减少,进而抑制了神经细胞焦亡,对脑缺血再灌注损伤后脑组织发挥神经保护作用[5]。

3.4抗脑水肿 ICH血肿周围发生脑水肿多在24～72 h达高峰[39]。ICH后体内基质金属蛋白酶(MMPs)被激活,使蛋白水解活性增加,引起血管壁损伤,破坏血脑屏障(BBB),导致BBB通透性增加,加速血管源性脑水肿形成,进而导致相应的神经功能丧失[46]。WANG等[47]研究发现,ICH小鼠在造模3 d后脑组织水含量明显升高,水通道蛋白(AQP)1、AQP4、AQP9表达增加,而姜黄素通过抑制NF-κB信号通路可降低AQP4、AQP9表达,维持BBB物质交换平衡,减轻脑水肿,改善ICH后神经功能损伤。

脑水肿是SAH后早期脑损伤的重要机制之一[48-49]。研究发现,SAH大鼠脑组织MMP-9表达增加,导致BBB紧密连接的Ⅳ型胶原水解,损坏BBB功能完整性而导致血源性脑水肿[50]。研究表明,姜黄素能抑制SAH小鼠脑组织MMP-9表达,增加紧密连接蛋白表达,保持BBB完整性,降低脑组织水含量,减轻脑水肿,改善SAH后神经功能缺损[49]。ZHANG等[32]研究证实,Cur-NPs比姜黄素更容易穿透BBB,并下调大鼠SAH后血管内皮生长因子和MMP9表达,增加claudin-5、occludin等紧密连接蛋白表达,提示Cur-NPs能改善SAH后BBB环境而减轻脑水肿程度,从而发挥神经保护作用。

4 小 结

脑卒中是影响人类健康的慢性疾病,也是全球慢性非传染性疾病防控重点之一。目前针对脑卒中的药物治疗大多以神经保护及对症支持等为主,旨在减少脑卒中发病后致残率,改善神经功能障碍。姜黄素具有抗焦亡、抗氧化效应、抗炎及抗肿瘤等多种生物学功能,因生物利用度低而限制了其在临床中的应用。姜黄素纳米制剂通过增加溶解性、增强稳定性、促进体内吸收及增高血脑屏障渗透性等,极大地提高姜黄素生物学活性及生物利用度,实现药效最大化,具有更广阔的临床应用前景。

综上所述,姜黄素及其纳米制剂通过抗炎性反应、抗氧化应激、抑制细胞焦亡、抗脑水肿等多种作用机制在脑卒中的治疗过程中发挥神经保护作用,从而减轻脑组织损伤和改善神经功能缺损。这为姜黄素及其纳米制剂在脑卒中的应用提供了新证据和新策略。