天麻素对神经系统保护作用及其机制的研究进展

张枫弋，洪仕君，赵丽萍，李利华

天麻素，别名天麻苷，是从名贵药材天麻中提取的有效活性成分。由于其药用价值高而毒副作用小，已被广泛应用到临床治疗中。天麻素可调节大脑皮质兴奋与抑制过程间的平衡失调，产生镇静、安眠和镇痛等中枢抑制作用。对某些化学物质诱导的神经损伤有较强保护作用，可显著降低神经细胞的死亡率。天麻素还有增加心脑血流量、缓解脑血管痉挛、清除过多的自由基、增强小鼠非特异性免疫中的细胞免疫与体液免疫等作用。为了更好地发掘天麻素对中枢神经系统的保护作用，本文从天麻素对神经系统神经元的保护作用，以及对星形胶质细胞、小胶质细胞等的抑制作用及其机制方面进行综述，为后续的研究应用提供思路。

1 天麻素对神经元的保护作用

神经元即神经细胞，是中枢神经系统最基本的结构和功能单位。大部分神经系统疾病的病理基础是神经元损伤，缺血、缺氧、中毒、外伤、感染等因素均会导致神经元功能丧失甚至坏死。其损伤机制经过多年研究，主要包括：兴奋性氨基酸大量释放、氧自由基直接作用、钙离子超载等方面。同时还有各种促炎性细胞因子释放引起脑内的免疫反应。N-甲基-D-天冬氨酸(N-Methyl-D-aspartic acid, NMDA)受体是一种离子型谷氨酸受体，可调节神经元存活，调节神经元树突、轴突结构发育及参与突触可塑性的形成等，同时在神经元回路的形成中也起关键作用，有资料表明NMDA受体在学习与记忆过程中也是至关重要的[1]。由于高钙电导是该受体的特点之一，故而非生理状态下会引起大量Ca2+内流并蓄积在细胞中导致毒性产生。天麻素可以消除在原代大鼠皮质神经元中NMDA受体诱导产生的毒性，对中风和癫痫患者有潜在益处[2]。同时可预防谷氨酸和NMDA诱导的神经毒性，还能抑制由NMDA损害诱导的细胞外谷氨酸水平，天麻素对培养的皮质神经元缺氧有保护作用，其机制可能涉及减少细胞外谷氨酸水平[3]。氨基丁酸(aminobutyric acid，GABA)是中枢神经系统的抑制性神经递质，其浓度变低会使神经活动过强。研究表明，天麻素减少了沙鼠海马癫痫模型GABA合成酶、GABA转氨酶(GABA-T)的免疫活性但不改变GABA转运蛋白，表明天麻素可能通过抑制GABA分流使GABA浓度提高，从而预防癫痫发生[4]。同时在脑缺血(oxygen glucose deprivation，OGD)模型中可以抑制OGD和谷氨酸诱导的神经细胞死亡，并降低OGD后的细胞外谷氨酸水平，同时抑制OGD诱导的Ca2+和NO增加，表明天麻素对OGD损伤的神经细胞有保护作用[5]。天麻素的甲醇提取物醚组份(ether fraction of methanol extracts，EFME)在小鼠抗惊厥模型中降低海马神经元损伤，推测天麻素对红藻氨酸诱导的兴奋性毒性有神经保护作用[6]。另外，在沙鼠短暂全脑缺血模型中减少海马神经元损伤机制可能也与天麻素减轻兴奋性毒性的作用有关[7]。

众所周知，脑与神经是人体中耗氧量较高的器官，由大量脂质构成，很容易因为体内的自由基引起氧化应激而受损。大量研究发现，过氧化物与氧化氮通过许多机制介导氧化损伤进而产生细胞毒性。天麻素通过调节自由基、Bcl相关蛋白(Bcl2 associated X protein，Bax)/B淋巴细胞瘤-2蛋白(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)、半胱天冬酶(caspase)-3以及DNA修复酶(poly ADP-ribose polymerase，PARP)来减弱抗氧化和抗细胞凋亡活性，进而有效地预防神经细胞凋亡，可能对帕金森综合征(Parkinson’s disease, PD)有保护作用，是潜在的改善PD症状的药物[8]。核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid-2-related factor 2，Nrf2)是细胞氧化应激反应中的关键因子，和细胞骨架相关蛋白结合存在于细胞质中，从而使保护细胞的酶类和抗氧化物处于基础表达水平，细胞处于稳定状态。血红素加氧酶-1(heme oxygenase,HO-1)是血红素分解代谢过程中的限速酶，可以将血红素转化为胆绿素，受到Nrf2的调控。天麻素在百草枯诱导的人类神经母细胞瘤(SH-SY5Y)细胞中抑制Nrf2/HO-1，从而保护线粒体[9]。在1-甲基-4-苯基吡啶离子(1-methyl-4-phenyl-Pyridinium, MPP+)诱导的氧化损伤模型中，天麻素可以激活HO-1表达，通过激活p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)/Nrf2信号通路诱导HO-1表达，从而保护SH-SY5Y细胞免受MPP+氧化诱导死亡，具有保护部分细胞的作用，可能对PD和其他氧化应激相关疾病的治疗具有重要意义[10]。天麻素可激活细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)1/2途径，同时异丙肾上腺素(ISOprenaline,IRN)抑制组成型糖原合酶激酶(glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β)途径协同诱导了SH-SY5Y细胞的细胞核中Nrf2积累，进而保护SH-SY5Y细胞[11]。在过氧化氢(hydrogen peroxide，H2O2)引起的氧化还原损伤中，使Nrf2沉默抑制了天麻素诱导的线粒体保护作用，同时敲除Nrf2消除了天麻素对细胞活力的影响，表明Nrf2在由天麻素对线粒体和细胞保护中有潜在作用[12]。过氧化氢酶(catalase，CAT)是一种酶类清除剂，可促使H2O2分解为分子氧和水，清除体内的H2O2，从而使细胞免于遭受其毒害，是生物防御体系的关键酶之一。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)是一种金属酶，能催化生物体内超氧自由基(O2-)发生歧化反应，是机体内O2-的天然消除剂，在生物体的自我保护系统中起着重要作用。SOD同时也是Nrf2的下游靶基因。天麻素可减弱Aβ1-42诱导的CAT和SOD的变化，以及Nrf2和磷酸化ERK1/2基因表达的上调，以达到保护大鼠海马神经元的作用。天麻素或许可用来治疗其他氧化应激所致的疾病[13]。另外，天麻素可以清除H2O2预处理诱导的活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成，同时降低H2O2诱导的SH-SY5Y细胞的凋亡率，对氧化应激有拮抗作用[14]。天麻素还可以抵消神经祖细胞中β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)1-42使促炎细胞因子和一氧化氮(NO)的作用，并且能逆转Aβ1-42诱导的磷酸化丝裂原活化蛋白激活激酶(mitogen-activated protein kinase kinase，MEK)-1/2、ERK和c-JunN-末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)表达增加。使天麻素可临床应用于阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)的治疗[15]。

淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)是一种细胞上的单次跨膜蛋白，其经蛋白酶裂解后会产生具有毒性作用的β-淀粉样蛋白，许多研究认为APP裂解后形成的Aβ沉积所形成的细胞外老年斑是AD发病的重要原因。α-分泌酶对APP的分解作用是APP非淀粉样代谢途径中的第一步，这样产生的可溶性片段sAPPa，具有神经营养和保护作用，同时能竞争性减少Aβ的产生从而延缓AD的发展。有研究表明天麻素增强了α-分泌酶介导APP蛋白水解过程，阻止淀粉样β蛋白肽的生成，同时支持APP的非淀粉样蛋白加工形成。天麻素通过抑制β位点APP切割酶1活性同时促进α-分泌酶活性以促进认知功能、保护神经元存活[16]。并且天麻素能抑制Aβ1-42引发的内嗅皮质神经元内向自发放电，从而起保护作用[17]。天麻素应用在AD小鼠模型中，能减弱Aβ沉积和胶质细胞活化，通过抗炎和抗淀粉样蛋白生成产生神经保护活性效果[18]。在IMR-32神经母细胞瘤中天麻素对淀粉样蛋白β肽导致的神经细胞死亡具有抗痴呆作用[19]。

神经损伤时小胶质细胞被广泛激活，同时分泌大量炎症介质，引起自身免疫反应。有研究指出PD中黑质多巴胺能神经元的损失与小胶质细胞的活化相平行，天麻素可通过抑制黑质中白细胞介素(interleukin，IL)-1β的表达和神经炎症来保护多巴胺能神经元[20]。用戊四氮建立大鼠癫痫模型，发现了天麻素可能通过抑制海马神经元IL-1β、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)α的表达，促进IL-10的表达而影响了神经元电生理活动，抑制了神经元异常放电的产生、扩散和传导[21]。虽然天麻素单独使用不增强神经元的活力，但保护神经元免受促炎细胞因子IL-1β诱导的损伤[22]。苯妥英作为一线抗癫痫药物与天麻素联合治疗可以保留惊厥模型中海马神经元完整的形态，增加神经元存活的数目，同时核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)(p65)表达量增加[23]。

在周围神经系统中，天麻素通过抑制大鼠脊髓中初级感觉神经元的酸敏感离子通道的活性，提供了一种新颖的天麻镇痛机制[24]。同时在链脲佐菌素诱导的糖尿病神经病变中，天麻素可以逆转背根神经节钠电流增强以及钾电流减弱，从而消除神经元异常过度兴奋，为天麻素外周镇痛提供了细胞学研究基础[25]。

2 天麻素对胶质细胞的抑制作用

胶质细胞是广泛分布于中枢和周围神经系统中的支持细胞。胶质细胞在中枢神经系统中包括星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞，在周围神经系统中则名为施万细胞和卫星细胞。星形胶质细胞主要营养神经元，并协助神经元代谢。少突胶质细胞主要形成髓鞘结构，协助神经电信号高效传递。小胶质细胞相当于存在神经系统中的巨噬细胞，主要参与免疫应答。在神经损伤时，星形胶质细胞增生、肥大，最后形成胶质瘢痕，经少突胶质细胞形成的髓鞘脱失、崩解，小胶质细胞则被激活形成巨噬细胞吞噬坏死神经元，增生形成胶质结节。

连接蛋白(connexin)43是细胞间缝隙连接的蛋白通道，天麻素通过下调与星形胶质细胞耦联的Connexin43，可能为PD患者提供潜在的治疗选择[26]。p62/sequestosome-1(SQSTM1)是一种选择性接头蛋白，主要清除泛素化蛋白，可以参与自噬调节维持细胞内稳态。天麻素能通过降低自噬相关蛋白LC3-II、p62和自噬效应蛋白Beclin-1的水平抑制脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)诱导的星形胶质细胞自噬，同时通过Bcl-2/Bax信号通路保护星形胶质细胞免于凋亡，表明天麻素可以作为LPS诱导自噬的预防剂[27]。在抑郁大鼠模型的海马中，尽管天麻素没有增加星形胶质细胞的存活率，但可保护它免受无血清环境的损伤，这表明天麻素的抗抑郁作用可能与星形胶质细胞的活化有关[28]。天麻素还可能通过抑制ERK1/2磷酸化同时激活蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)磷酸化促进RSC96施万细胞(Schwann cell，SC)的增殖，可为周围神经损伤的治疗提供新的思路[29]。

天麻素抑制高血压引起的视网膜小胶质细胞激活，同时降低小胶质细胞因子和p38MAPK磷酸化水平，可用于急性青光眼和其他以小胶质细胞激活为特征的视网膜神经退行性疾病[30]。并且抑制LPS刺激的小胶质细胞BV-2中转录因子NF-κB信号通路和MAPK磷酸化，从而降低具有神经毒性的促炎介质和促炎细胞因子，具有作为神经退行性疾病的抗炎候选药物的潜力[31]。天麻素减弱戊四唑诱导的小胶质细胞激活同时抑制MAPKs，环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)和核因子(nuclear factor-kappa B，NF)-κB。表明天麻素通过调节MAPKs相关的炎症反应减弱癫痫发作[32]。天麻素处理缺氧缺血性脑损伤(hypoxic ischemic brain damage，HIBD)大鼠中活化的小胶质细胞以及LPS刺激的BV-2细胞中，血管紧张素转换酶(angiotensin conversion enzyme，ACE)、血管紧张素受体II亚型1(angiotensin receptor，AT1)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nionamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX)2、诱导型一氧化氮合酶(induction Nitric oxide synthase, iNOS)和TNF-α的表达减弱，同时增强AT2和去乙酰化酶3(sirtuin-3,SIRT3)蛋白的表达。即天麻素可通过抑制肾素血管紧张素系统(renin-angiotensin system,RAS)(AAT2和SIRT3除外)和促炎介质的表达来保护缺氧缺血性脑损伤[33]。SIRT3是一种具有NAD+活性的去乙酰化酶，通过去乙酰化SOD以降低细胞内ROS水平，同时增强抗氧化活性和氧化应激耐受力。由AT1或AT2介导激活小胶质细胞时，天麻素促进SIRT3上调和NOX-2下调，表明可能的分子RAS和SIRT3生存基因之间的联系[34]。天麻素还能通过下调参与神经炎症的JNK和NF-κB并且抑制LPS刺激产生的炎性细胞因子来缓解BV-2小胶质细胞激活，或可作为治疗各种神经炎症疾病的药物[35]。C/EBP同源蛋白(C/EBP homology protein，CHOP)是一种促凋亡的ER应激蛋白，萄糖调节蛋白78(glucose regulated protein，GRP78)是一种具有分子伴侣活性的抗凋亡ER应激蛋白。在Aβ诱导的细胞凋亡中有雌激素受体(estrogen receptor，ER)信号参与，天麻素通过抑制BV-2细胞中CHOP表达并诱导GRP78表达而产生保护作用[36]。

综上所述，天麻素可以抑制兴奋性递质释放，同时促使抑制性递质增多，从而保护神经元。此外，天麻素通过下调Nrf2的表达、抑制ERK磷酸化从而使二者的下游HO-1、CAT、SOD等氧化应激相关酶类受到抑制并消除ROS，保护线粒体进而保护神经元。天麻素还有消除病理性蛋白沉淀、抑制胶质细胞活化释放炎症因子等作用。天麻素对PD、AD、癫痫、抑郁、脑缺血等神经系统疾病的症状均有改善作用，甚至可能应用到外周镇痛方面。作者认为天麻素在治疗神经系统疾病中优势明显，且毒副作用小，已广泛应用到临床实践中。上述研究进展为进一步研究天麻素对神经系统疾病的治疗提供了前期基础。但是，目前对天麻素治疗神经退行性疾病的具体作用机制尚不明确，还需要深入研究。