芹菜素对神经细胞保护作用研究进展

孙胜楠，张友源，金少瑾，朱云峰，徐翠翠，马 莺,2，卢卫红,2,*

（1.哈工大机器人（山东）智能装备研究院，生物健康工程研究所，山东 济南 250200；2.哈尔滨工业大学化工与化学学院，黑龙江 哈尔滨 150090）

4’,5,7-三羟基黄酮，又名芹菜素，分子式为C15H10O6，属于黄酮类化合物，与山柰酚、槲皮素相比具有低毒、无诱变性等特点，广泛存在于多种蔬菜、水果、豆类和茶叶中，在芹菜（Apium graueolens）（其中本芹含量最高1 787 mg/kg，以干质量计，下同）、甘菊（Matricaria chamomilla）（8 400 mg/kg）和枸杞叶（Lycium chinense）（（547.00±0.07）mg/kg）中含量较高[1-2]。芹菜素为浅黄色或黄绿色，不溶于水，溶于稀KOH溶液，易溶于热乙醇[3]。芹菜素分子结构如图1所示，其4’、5、7位3 个羟基和2、3位双键可以与自由基结合，具有清除自由基能力[3-4]，其5、7位羟基可以螯合金属离子，抑制氧化自由基的产生，从而决定了芹菜素的抗氧化活性[3]；此外，芹菜素还具有抗炎、杀菌等多种药理活性[5-7]。芹菜素具有舒张动脉血管、降血压功效[8]。芹菜素在抗肿瘤方面也有报道，芹菜素可以通过诱导细胞凋亡和自噬、诱导细胞周期阻滞、抑制肿瘤细胞迁移与侵袭、刺激免疫系统等多种途径，抑制胰腺癌、卵巢癌、肺癌等疾病[7,9-10]。用芹菜素处理人类胚胎干细胞和神经前体细胞后，其可以通过雌激素受体和维甲酸受体信号通路促进多功能干细胞向神经元的功能分化，促进神经元的分化和彼此连接，提高神经系统的可塑性，这也说明芹菜素具有良好的神经元保护作用[11]。芹菜素能够快速透过血脑屏障进入脑部[12]，对阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）、脑缺血、抑郁症等多种神经系统疾病有潜在的治疗作用[13-17]。

本文综述了芹菜素对神经细胞保护作用及其在神经系统疾病发病和改善过程中的相关机制，以期阐明芹菜素在中枢神经系统中的保护作用，为芹菜素作为功能性食品配料提供理论参考。

1 芹菜素的神经细胞保护作用机制

神经系统疾病是指发生于神经系统的，以感觉、运动、意识和植物神经功能障碍为主要表现的疾病。神经系统疾病主要通过氧化应激、神经炎症等多种机制造成神经元的损伤[18-19]。研究表明芹菜素由于具有抗氧化、抗炎等活性，对中枢神经系统具有保护作用，并能改善神经退行性疾病、抑郁症和脑缺血等神经系统疾病[1,17,20]。

1.1 神经系统疾病氧化应激机制及芹菜素的抗氧化作用

由于大脑富含不饱和脂肪酸和较多氧化还原活性的金属离子（如Fe3＋、Cu2＋），这些金属离子可催化过氧化氢、超氧化物自由基通过Fenton反应产生氧自由基，使得脑细胞很容易受到氧化应激的损伤。氧自由基的大量增加可以导致神经细胞脂质过氧化，细胞膜细胞器损伤，生物大分子结构改变和细胞成分功能受损，进而增加血脑屏障的通透性，导致神经元的损伤甚至死亡[21-22]。机体内存在两种自由基清除系统，包括抗氧化酶类和小分子抗氧化剂。抗氧化酶类包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶和乙二醛酶，小分子抗氧化剂包括谷胱甘肽（glutathione，GSH）、抗坏血酸和褪黑素等，它们能够清除氧自由基并抑制体内氧化应激的发生[22]。衰老及其相关疾病如AD等的发生与氧化应激密切相关，衰老大脑内RNA和线粒体DNA受到羟基化、羰基化或硝基化氧化应激损伤，发生DNA链断裂，8-羟基脱氧鸟苷和8-羟基鸟苷水平升高[23-25]；氧化应激和蛋白聚集为神经退行性疾病的共同病理特征，研究表明氧自由基能够诱发蛋白的不正常聚集，而聚集的蛋白又会进一步加剧氧化应激[26-27]；抑郁症、焦虑症等一些精神疾病也与氧化应激密切相关[18,28]，在一些抑郁症患者脑细胞内发现氧自由基水平升高，抗氧化剂GSH水平降低[29]。

作为一种抗氧化剂，芹菜素能通过直接清除或降低神经细胞内活性氧水平或降低脂质氧化终产物丙二醛含量，提高SOD、CAT活力和GSH等抗氧化因子水平，抑制氧化应激对神经细胞的毒害作用[30-32]，并且能通过螯合金属铁离子、降低游离铁离子的水平从而保护神经元细胞[33]。Siddique等[16]通过转基因PD果蝇模型证实芹菜素能够上调GSH水平，减少蛋白羰基含量和脂质过氧化，还能作为单胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）抑制剂抑制MAO活力，减弱氧化应激，保护多巴胺能神经元，恢复PD果蝇多巴胺水平，延长其寿命。

线粒体是细胞内氧自由基产生的主要来源[34]。氧自由基的大量生产导致线粒体膜电势降低，这种线粒体膜电势的去极化会导致细胞因子的释放，如细胞色素c由膜间间隙释放到细胞质。细胞色素c等凋亡因子触发Caspase家族，诱导细胞凋亡[34-35]。线粒体凋亡是细胞凋亡的主要通路之一，Bcl-2家族蛋白包括抗凋亡蛋白（如Bcl-2蛋白）和促凋亡蛋白（如Bax蛋白），在线粒体凋亡通路中发挥着重要作用[36-37]。细胞凋亡早期级联反应的细胞存活主要取决于抗凋亡和促凋亡蛋白的平衡[38]，因此Bcl-2和Bax蛋白比值是调控细胞凋亡的关键因素[39]。1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP）作为一种神经毒素能够显著降低神经细胞中蛋白Bcl-2/Bax比值，从而促进细胞的凋亡，而芹菜素能够上调Bcl-2蛋白表达、下调Bax蛋白的表达，抑制了MPTP的促凋亡效应[40]。另外芹菜素还能够直接作用于Caspase通路，阻断Caspase-3蛋白激活，阻止神经元的凋亡[31]。

1.2 神经系统疾病炎症机制及芹菜素的抗炎作用

神经炎症是神经系统为抵抗内部或外部刺激包括自身免疫、感染和损伤等发生的炎症反应[41]。胶质细胞对中枢神经系统的防御和组织修复有重要意义，与神经炎症密切相关[42-43]。其中星形胶质细胞是哺乳动物脑内分布最广泛的一类胶质细胞，对脑内稳态至关重要。星形胶质细胞能够为神经元分泌神经营养因子和生长因子，促进突触形成和调节其可塑性，并能够通过维持离子和神经递质的细胞外水平调节神经兴奋性和神经传递[41]。星形胶质细胞还参与血脑屏障的形成[19]。当中枢神经系统受到创伤、神经退行性病变、感染等内源性或外源性刺激时，血脑屏障通透性增加，神经系统固有免疫细胞小胶质细胞被激活，分泌炎症因子如白细胞介素（interleukin，IL）-1β、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）引发神经炎症，而慢性持续的神经炎症能够对神经元细胞产生毒性作用，介导神经萎缩甚至神经元死亡[44-46]。

细胞因子或外部刺激如脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）、缺血再灌注等均可激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路，进一步促进细胞因子的合成与分泌，进而加重神经炎症[47]。芹菜素能够阻止炎症级联反应，抑制细胞因子的释放，从而减轻神经炎症对神经细胞的毒害作用。Ha等[15]利用大脑中动脉闭塞小鼠模型发现芹菜素能够通过抑制MAPK p38和c-Jun N末端蛋白激酶的磷酸化阻止MAPK信号通路的激活，从而抑制炎症因子NO和前列腺素E2的分泌，减轻神经炎症，进而减小短暂脑缺血引起的脑梗死面积。

核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）是调控炎症反应的重要转录因子，NF-κB被激活后由细胞质进入到细胞核内，继而激活促炎因子如诱导性一氧化氮合酶（induced nitric oxide synthase，iNOS）、IL-1β、IL-6、TNF-α等的转录[48-49]。芹菜素能够通过抑制NF-κB信号通路的激活抑制炎症因子IL-6、IL-1β和TNF-α的分泌发挥神经保护作用[50]。鱼藤酮诱导PD模型小鼠脑内NF-κB的表达水平升高，促炎因子iNOS、IL-6、TNF-α水平升高，导致神经元受损，而连续14 d腹腔注射芹菜素（20 mg/kg）后模型小鼠脑内NF-κB表达水平明显下降，炎症细胞因子的水平基本回归正常[51]。此外，芹菜素还能够使小胶质细胞细胞周期阻滞在G2/M期，诱导细胞凋亡，从而抑制小胶质细胞过度活化导致的神经炎症反应[52]。

2 芹菜素在神经系统疾病中的作用

2.1 芹菜素在AD中的作用

β淀粉样蛋白经由β位淀粉样前体蛋白裂解酶1（β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1，BACE1）和γ分泌酶裂解淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）产生，在AD中，β淀粉样蛋白异常聚集会导致淀粉样老年斑的形成，并引起脑源性神经营养因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）等神经营养因子的缺失，损坏正常的突触功能和认知功能，而芹菜素和槲皮素具有较强的抗β淀粉样蛋白聚集活性[53-55]。β淀粉样蛋白对神经系统的毒性作用机制包括氧化应激、神经炎症等[56-57]。体外实验表明β淀粉样蛋白处理的大鼠脑皮层神经元死亡率增加，而芹菜素的加入能够通过抑制Caspase-3的激活和细胞色素c的释放抑制神经细胞死亡[13]。

研究表明芹菜素对于AD有潜在的治疗作用[1,50,58-59]。芹菜素能够通过下调APP/早老素1双转基因AD模型小鼠脑内BACE1水平，减少β淀粉样蛋白的产生，缓解不溶性蛋白沉积，减弱β淀粉样蛋白引起的神经毒性作用[60]。AD模型小鼠认知功能减退与BDNF水平的下降密切相关。芹菜素能够上调BDNF的表达，恢复细胞外信号调节激酶/BDNF信号通路对神经发生和生长的促进作用和受损神经细胞的修复，进而对学习和记忆功能缺陷有良好的改善作用[60]。

AD患者神经递质系统中，胆碱能系统受损可导致乙酰胆碱水平降低，进而导致认知功能障碍。乙酰胆碱酯酶能够通过水解乙酰胆碱降低其在神经系统中的含量。β淀粉样蛋白25-35诱导AD模型小鼠口服芹菜素（20 mg/kg）后，乙酰胆碱酯酶活力减弱，乙酰胆碱水平提高，其认知功能得到改善[61]。AD患者血脑屏障通透性增加可能与脑细胞间紧密连接功能被破坏和封闭蛋白下调有关[62-63]，芹菜素处理之后，封闭蛋白水平有所恢复，维持了血脑屏障的完整性[61]。因此芹菜素通过多种机制改善了AD病理症状。

2.2 芹菜素在PD中的作用

PD患者黑质致密部神经元中α-突触核蛋白异常聚集形成纤维能够导致神经元的坏死和凋亡[64]。神经毒素鱼藤酮和MPTP由于能引起小鼠多巴胺能神经元变性并诱发PD症状。用MPTP处理大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞（PC12细胞）后，细胞发生氧化应激，细胞凋亡显著增加，说明氧化应激与MPTP神经毒性导致的细胞凋亡密切相关[65]。而芹菜素能够显著降低MPTP诱导的氧自由基产生，阻止线粒体膜电位的下降，抑制线粒体途径的神经细胞凋亡[66]。MPTP和鱼藤酮诱导的PD模型小鼠脑黑质均能降低神经胶质细胞源性神经营养因子（glial cell linederived neurotrophic factor，GDNF）和BDNF的表达水平，引发模型小鼠运动缺陷[67]，芹菜素能够显著上调鱼藤酮诱导的PD模型小鼠脑内GDNF和BDNF的表达，促进多巴胺能神经元和运动神经元的存活和修复，改善旋转行为等相关行为活动的损伤[51]。Patil等也发现芹菜素和木犀草素能通过抵抗氧化损伤、神经炎症，减弱小胶质细胞活化，以及上调神经营养素来保护多巴胺能神经元[68]。

鱼藤酮诱导PD小鼠模型中酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，TH）和多巴胺受体D2表达水平降低，多巴胺分泌减少，神经递质的传递受到抑制，并且与PD病程发展相关[69]。Anusha等发现对PD模型小鼠腹腔注射芹菜素（10 mg/kg）后，TH蛋白和D2受体的表达水平分别提高了44%和39.9%，促进了多巴胺的合成与传递[51]。

2.3 芹菜素在抗抑郁症中的作用

抑郁症是一种常见的心理障碍精神类疾病[70]。目前关于抑郁症的发病机制主要包括单胺缺乏、神经营养因子分泌减少、下丘脑-垂体-肾上腺轴亢进、神经炎症等[70]。单胺缺乏即抑郁症患者大脑中多种单胺能神经递质（如去甲肾上腺素、5-羟色胺和多巴胺）的水平降低[71]。Nakazawa等在行为绝望小鼠模型中发现芹菜素能够调控去甲肾上腺素、多巴胺和5-羟色胺水平，具有抗抑郁作用[72]。对模型小鼠分别按照12.5、25 mg/kg剂量腹腔注射芹菜素后，小鼠在强迫游泳实验中静止时间显著缩短，25 mg/kg剂量的芹菜素处理后杏仁体多巴胺水平升高，抑郁症状缓解。此外，D2受体拮抗剂氟哌啶醇能够明显减弱芹菜素的抗抑郁功效[72]。该研究表明芹菜素能够通过调控多巴胺水平起到抗抑郁的作用。

BDNF是中枢神经系统中含量最多、分布最广的一类神经营养因子。临床证据表明BDNF水平降低与抑郁症的发生发展密切相关[73-74]。Weng Lianjin等[75]在皮质酮诱导抑郁样小鼠模型脑中发现BDNF水平和蔗糖偏好降低，强迫游泳实验中静止时间延长，并且小鼠脑部海马体BDNF水平降低。服用芹菜素后，这一现象得到逆转，BDNF水平明显升高，抑郁症状得到缓解，这说明芹菜素可通过调控BDNF水平起到抗抑郁作用。并且芹菜素降低了血清皮质酮浓度，减轻了皮质酮对神经元的毒害作用[75]。炎症反应在抑郁症病程进展中发挥着重要作用[76]。芹菜素能够抑制LPS诱导的NF-κB激活，减少神经系统中炎性因子分泌，因此芹菜素能够通过调控NF-κB信号通路起到抗抑郁作用[77]。

2.4 芹菜素在其他中枢神经系统损伤中的作用

氧化应激和神经炎症是中枢神经系统继发性损伤的主要病理机制；而芹菜素通过降低丙二醛含量，提高SOD活力和GSH水平，并且减少IL-1β、TNF-α等炎症因子水平，缓解氧化应激和神经炎症带来的神经系统继发性损伤；还能够通过调节Caspase-3/Bcl-2/Bax信号通路阻止神经细胞的凋亡，从而促进脊髓损伤后神经系统的恢复[78]。通过对脑出血研究发现，氧化应激在脑出血后引起的早期脑损伤发病机制和血脑屏障破坏过程中起着至关重要的作用[79-80]。在采用血管内穿刺法诱导蛛网膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）小鼠模型中，氧化应激水平明显升高，腹腔注射芹菜素（20 mg/kg）后SAH小鼠体内氧自由基、丙二醛水平明显下降，抗氧化物GSH、CAT和SOD的水平显著升高，显著缓解了SAH后早期脑损伤，包括神经系统缺陷、脑水肿、血脑屏障通透性改变等[81]。氧化应激引发了Caspase信号级联反应，即激活Caspase-3进而上调Bax蛋白的表达促进神经细胞凋亡，而芹菜素能够逆转这一变化，阻止脑出血后神经细胞的损伤和凋亡[81]。

此外，芹菜素能够作为组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDACs）抑制剂延缓认知功能减退[20]。认知功能障碍是脑缺血等神经系统疾病重要的病理特征之一[82]。研究表明组蛋白乙酰化介导的基因表达调控在认知功能中起着重要的作用[83]。学习记忆中一个重要的过程是染色质的重塑，组蛋白乙酰化转移酶可使核小体疏松，促进基因转录，有利于突触重塑和认知功能的改善，而HDACs可使基因沉默，抑制基因转录，两者的协调作用维持机体长期记忆[83]。Tu Fengxia等[83]证明在小鼠大脑中动脉闭塞模型中，芹菜素预处理可降低HDACs的水平，抑制组蛋白H3、H4的乙酰化，此外芹菜素还可上调与学习记忆相关的突触蛋白Syn-I和BDNF的表达，提示芹菜素能够改善脑缺血再灌注损伤后的认知功能障碍。

3 结 语

芹菜素作为一种黄酮类化合物具有较高的药用价值。芹菜素具有良好的抗氧化、抗炎活性，并且能够透过血脑屏障对神经细胞起到保护作用，大量动物实验表明芹菜素能够通过多靶点、多通路潜在改善神经退行性疾病、脑缺血、抑郁症等多种神经系统疾病，在治疗神经系统疾病方面具有潜在前景，但是目前关于其神经细胞保护机制研究还不够透彻，特别是缺乏临床实验的证据，另外关于抗氧化和抗炎作用基因水平调控方面机制研究缺乏，还需进一步深入。生物科学及其技术手段的进步，为进一步阐明芹菜素的神经细胞保护作用机制以及其在神经系统疾病中的应用带来新的突破。