姜黄素対帕金森病作用的研究进展

李思诗 张雷雷 倪炯臣 张伟 杨琳

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一种神经退行性疾病，由詹姆斯·帕金森在1817年首次提出，是一种具有僵直、震颤、运动迟缓和体位紊乱多种体征的综合征[1],同时患者可伴有便秘、抑郁、性欲减退和睡眠障碍等非运动症状[2]。既往大量研究表明帕金森病的发病机制是神经退行性变，现有的临床及实验研究都表明有多个主要因素可能是引起帕金森病神经退行性变的原因，其中包括氧化应激[3]、线粒体功能障碍[4]、自噬缺陷[5]、神经炎症[6]和蛋白异常折叠等。在过去的许多研究中，探讨了各种中草药在治疗PD中的可行性，并且也阐述了许多中草药可能比通常的合成药物效果更佳也更安全。也许是因为PD的发病机制可能被草药干预，从而起到治疗作用。姜黄素(Curcumin)，又称为1,7-二(4-羟基-3-甲氧基)-1,6庚二烯-3,5-二酮，是姜黄中的一种天然多酚成分，目前被认为是对抗自由基相关疾病中最有效的营养抗氧化剂之一[7]。实际上，姜黄中含有几种多酚，其中含量最多的是姜黄素(～77%)，其次是去甲氧基姜黄素(～15%)和双去甲氧基姜黄素(～3%)；从化学成分上讲，姜黄素的结构呈现两个芳香环，其中含有邻甲氧基酚基，由α，β-不饱和β-二酮部分连接，这三个反应功能位点分别负责姜黄素的多种不同生物学效应[8]。除了被用于烹饪之外，姜黄素在印度、伊朗和中国的传统医学中也有着悠久的用药历史，比如针对肝病、糖尿病、传染病、类风湿疾病、动脉粥样硬化和癌症等治疗[9]。最近几年的相关研究更是强调了其多效果的神经保护作用。本文仅就姜黄素対PD作用的研究进展进行综述，为进一步研究提供参考。

1 抗氧化作用

PD的病因现尚不完全清楚，但与氧化应激密切相关，PD的启动和进一步发展都认为有氧化应激的参与和调控[3]。反应性氧化应激将氧气供应给全身，大脑消耗了大约20%。在细胞中，自由基是一种不稳定的化合物，并且容易与氧结合，成为活性氧(ROS)和活性氮(RNS)等活性物质，具有很强的细胞毒性[10]。ROS和RNS引起DNA损伤、脂质过氧化和蛋白氧化，损害细胞成分，从而损害细胞功能；蛋白的氧化导致蛋白质羰基、硫醇和硝基酪氨酸的形成，对蛋白的功能产生负面影响[11]。当活性物质ROS或RNS与蛋白相互作用时，这些化合物很容易形成，且相对稳定不易被破坏。大量的研究证实，PD患者中α-突触核蛋白(α-Synuclein,α-Syn)的异常聚体或者突变可以促进线粒体凋亡，进而引发黑质神经元的凋亡，而ROS和NO则进一步刺激α-Syn的聚集[12]。

在一项研究中，用姜黄素预处理SH-SY5Y细胞，然后用百草枯暴露模拟神经退行性疾病中观察到的神经元损伤,观察到姜黄素降低了百草枯暴露细胞的ROS水平，增加了抗氧化基因SOD和GPx的表达[13]。另外一项研究中，用姜黄素的衍生物预处理SH-SY5Y和SK-N-SH神经母细胞瘤细胞，然后暴露于鱼藤酮(PD的已建立一种的模型)，该研究中作者得出结论，鱼藤酮诱导的氧化应激被姜黄素衍生物抑制，从而减少细胞凋亡[14]。一项研究将N27神经元细胞暴露于丁硫氨酸磺福昔明抑制GSH，这被认为是PD氧化应激的早期触发器,姜黄素及其生物偶联物可以降低ROS、MDA和H2O2的水平，而仅姜黄素可以提高GSH和谷胱甘肽s-转移酶(GST)蛋白的水平[15]。在使用MPP+(1-甲基-4-苯基吡啶)处理作为PD的细胞模型，用姜黄素预处理大鼠星形胶质细胞，然后将其暴露于毒素中，得到姜黄素降低ROS、TNF-α和IL-6蛋白水平，同时恢复GSH水平，从而抑制氧化应激[16]。谷氨酸是中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质。中枢神经系统中所有的神经元都有N-甲基-D-天冬氨酸亚型的离子型L-谷氨酸,介导突触后Ca2+内流的受体。NMDA受体激活引起的兴奋性毒性导致GSH过氧化物酶1、GSH二硫化物、Ca2+内流、NO、ROS和H2O2生成、细胞色素c释放、Bax/Bcl-2比值、caspase-3活性、乳酸脱氢酶和丙二醛的上调，同时下调GSH、GSH还原酶、SOD和过氧化氢酶，从而促进细胞凋亡；姜黄素已被证明可以通过逆转谷氨酸诱导的氧化毒性和兴奋性毒性来有效保护中枢神经系统细胞[17]。

有多项研究探讨了姜黄素在PD动物模型中的抗氧化作用，大鼠在注射6-OHDA纹状体前先口服姜黄素及其衍生物[18],姜黄素及其衍生物阻止了6-OHDA诱导的GSH、GPx、GR、SOD和过氧化氢酶水平的降低。C57BL/6小鼠在MPTP暴露前先用姜黄素衍生物(CNB-001)进行预处理，然后在MPTP暴露后进行4～7 d的协同处理；这项研究表明，CNB-001和MPTP处理组可以抑制氧化应激，这可以通过降低脂质过氧化和增加GSH和GPx水平得到证明[19]。进一步研究中，在鱼藤酮介导的PD模型中，大鼠先用姜黄素治疗4 d，然后用姜黄素和鱼藤酮共同治疗50 d。与6-OHDA模型相似，姜黄素处理通过提高GSH水平抑制鱼藤酮介导的氧化应激，同时降低ROS和MDA水平[20]。另一项研究在瑞士白化小鼠中研究了姜黄素在鱼藤酮介导的PD模型中的作用，并缩短了21 d的治疗时间,姜黄素剂量依赖性抑制鱼藤酮诱导的MDA和亚硝酸盐水平的升高，同时抑制GSH、SOD和过氧化氢酶水平的降低[21]。

综上，在细胞水平上和动物实验水平上都可以证实姜黄素具有抗氧化作用。姜黄素其活性成分可以抑制氧化应激，从而减少细胞凋亡；并且其対氧化应激产生的活性成分有双向调节作用，能有效降低ROS、MDA、H2O2、TNF-α和IL-6蛋白水平，提高GSH的水平。

2 抗线粒体损伤作用

线粒体是高度动态且活跃的，结构非常复杂。它参与脂质和氨基酸的代谢，而且还具有多种关键作用，包括钙稳态的调节、血红素的生物生成、脂肪酸合成、铁硫(Fe-S)蛋白的生物生成、细胞凋亡以及通过裂变和融合来维持细胞的数量[22]。线粒体在PD发病机制中发挥作用的第一个证明是在一个人服用了含有毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)的药物后[4]。研究表明MPTP被MAO-B氧化，形成1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+)，通过多巴胺(DA)再摄取系统进入黑质纹状体神经元(SN)的多巴胺神经元，MPTP产生的MPP+毒素，能够抑制线粒体活性，从而刺激内质网应激，导致细胞损伤的形成[11]。进一步研究还表明MPP+还能够抑制线粒体等复合物Ⅰ酶和NADH泛醌氧化还原酶，导致电子泄漏和ROS生成[23]。此外，MPP+处理体外线粒体还可以降低了线粒体活性和线粒体的基因表达，体内注射MPTP后，线粒体基因和酪氨酸羟化酶的表达也出现了相类似的下降[24]。大量证据表明，线粒体功能障碍和突变在PD的衰老和发病机制中起着重要的作用[25]。据相关文献报道，PD患者的SN中线粒体活性降低了32%～38%[26]。

姜黄素在细胞中特别是PD相关细胞中具有高度多向性和广泛的靶点。此外，姜黄素的结构使它有可能穿越血脑屏障(BBB)，能够阻止线粒体释放与细胞凋亡相关的蛋白质[27]。

奥沙利铂是一种铂类抗癌化疗药物，通过介导氧化应激导致神经细胞损伤，对线粒体产生剂量限制性副作用；姜黄素和槲皮素联合应用可显著降低线粒体脂质过氧化水平、蛋白质羰基含量和随后的氧化应激，从而对奥沙利铂的不良反应具有神经和线粒体保护作用[28]。鱼藤酮是已经常用的一种杀虫剂，可能具有潜在的损害认知功能，影响氧化防御，并能够影响线粒体复合物(Ⅱ和Ⅲ)酶的活性。据报道，姜黄素通过改善动物行为和改变线粒体等的复合酶，对鱼藤酮戒断效应具有神经和线粒体保护作用，降低活性氧的产生和氧化损伤，防止细胞凋亡，并且增强抗氧化酶[29]。半乳糖是一种还原糖，具有诱导氧化应激从而导致线粒体动力学改变和神经元凋亡。另外，D-半乳糖会损害线粒体复合物Ⅰ～Ⅲ的活性，它还能显著增加脂质和蛋白质氧化。姜黄素通过恢复线粒体复合物Ⅰ～Ⅲ的活性，降低丙二醛、高级氧化蛋白产物和蛋白羰基化水平，增加GSH和氧化GSH的水平，从而维持线粒体的活性和相关功能[29]。锰和铝等神经毒性化合物能增强NADH脱氢酶(复合物Ⅰ)、琥珀酸脱氢酶(复合物Ⅱ)和细胞色素氧化(复合物Ⅳ)等活性，增加丙二醛、ROS的产生,以及引起线粒体相关的凋亡，如caspase-3和-9的激活，细胞色素c的释放。姜黄素通过逆转锰和铝诱导的细胞毒性/神经细胞毒性作用，对中枢神经系统细胞特别是小胶质细胞发挥神经和线粒体保护作用[30]。

在神经退行性病变动物模型中，姜黄素预处理降低了海马区凋亡诱导因子(AIF)阳性细胞核数量，免疫印迹法证实姜黄素抑制了线粒体部分AIF的释放[31]。研究表明，海马细胞中的姜黄素诱导使线粒体质量增加，从而ATP产量增加，线粒体效率显著提高[32]。相关实验结果表明，姜黄素通过Akt/GSK3或Akt/CREB/PGC-1a级联诱导线粒体生物发生，阐明了姜黄素的多效性，并通过保存线粒体功能揭示了新的有益作用；并且姜黄素可以调节神经退行性动物模型中的GSK3细胞;GSK3的抑制可以增加线粒体呼吸和膜电位，姜黄素对大脑GSK3细胞有代谢作用[33]。此外，GSK3的kr/PGC-1的a轴可能在神经元的代谢完整性中起重要作用，从而起到神经保护作用。

综上，姜黄素被许多学者从不同方面证实具有抗线粒体损伤的作用。姜黄素的多效性能够降低线粒体脂质过氧化水平、代谢大脑GSK3细胞水平，提高多种线粒体复合物酶的活性，使线粒体质量得到改善和保护，提高线粒体效率，并且能够逆转诱导的细胞/神经细胞毒性，从多方面保护和增强线粒体功能。

3 対自噬作用调节的研究

PD具有重要的病理生物学特征，典型的特征包括由错误折叠的α-Syn为主要成分的路易小体形成与这种积累相关的自噬途径的缺陷[5]。神经元细胞完全依赖自噬活性来去除病理性蛋白和维持细胞内稳态,与其他类型的细胞相比，神经元表现出更高的基础水平的自噬活性，并增加了这一过程中任何损伤的后果的脆弱性[34]。自噬是一种重要的分解代谢机制，它将错误折叠的蛋白质和受损的细胞器传递到溶酶体中降解；自噬有3种主要形式:大自噬、小自噬和伴侣介导的自噬(CMA)[35]。这3种不同形式的自噬表现出不同的生物识别和分子支持机制；然而，所有这些形式都以溶酶体作为蛋白质溶解和回收的最终靶点，一旦进入溶酶体的腔内，蛋白质就被一系列蛋白酶水解，这些蛋白酶被称为组织蛋白酶[36]。调节溶酶体功能最重要的分子机制是核转录因子EB(TFEB)，它是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的直接下游靶点[37]。

多项研究特别关注姜黄素的自噬神经保护作用，并且在细胞和动物模型中采用了一系列的方法。一项研究发现用姜黄素做原液处理过的细胞，通过减少mTOR/p70S6K信号和恢复大细胞自噬，从而减少A53T α-Syn的积累，从而逆转过表达A53T的α-Syn上调mTOR/p70核糖体蛋白S6激酶(p70S6K)信号通路(经典的自噬抑制途径)损害SH-SY5Y细胞的大自噬[38]。随后，一项细胞实验发现一种被称为C1的合成姜黄素衍生物可以通过激活小鼠神经母细胞瘤neuro-2a(N2a)细胞和HeLa细胞中的TFEB来增强自噬和溶酶体的生物生成，并且不依赖TFEB激活剂MTOR[39]。另外一项实验中，通过细胞建模同时观察到了姜黄素通过抑制mTOR，调节溶酶体功能最重要的分子机制TFEB，从而诱导自噬[40]。Zhang等[41]用细胞染色追踪首次发现姜黄素直接与TFEB结合，增加TFEB的转录活性，激活溶酶体功能，并且自噬和溶酶体激活可促进细胞存活。

一项研究证明了，通过大鼠神经元细胞培养，姜黄素可以增强自噬的激活抵消外源向培养的错误折叠的蛋白[42]。在另一项APP/PS1双转基因AD小鼠中实验中，姜黄素降低PI3K的表达，并可降低海马皮层和CA1的负荷，改善水迷宫测试中的记忆缺陷，促进自噬标志物Beclin-1和 LC3Ⅱ的表达[43]。

进一步研究表明，在鱼藤酮诱导的小鼠PD模型中，含有姜黄素、胡椒碱和甘油单油酸纳米颗粒的纳米制剂能有效穿越血脑屏障，减轻氧化应激和细胞凋亡，同时通过诱导自噬防止鼠-神经元低聚化和纤维性纤颤[44]。在一项研究中用MPTP处理SH-SY5Y人成神经细胞瘤细胞，建立PD细胞模型，姜黄素通过增强自噬增加了存活多巴胺神经元的数量[45]。

综上，姜黄素被不断证实具有调节自噬的作用。姜黄素能够与TFEB结合，增加它的转录活性，减少与抑制mTOR、p70S6K信号，降低PI3K的表达，从而激活酶体功能，促进自噬功能，溶解错误折叠的蛋白，并且增加了多巴胺神经元的数量。

4 抗炎作用

大量的尸检结果、遗传学、分子成像和体液生物标志物研究均表明，神经炎症在PD过程中发挥了重要作用[46]。神经炎症的特征包括被激活的小胶质细胞、脑实质内反应性星形胶质细胞和释放大量炎性介质，包括前列腺素(PGs)、趋化因子、细胞因子、补体级联蛋白、蛋白酶、ROSs和RNSs。并且这些因素会破坏BBB的开放，并允许免疫细胞进入自适应免疫系统进入中枢神经系统[6]。小胶质细胞的激活通过增加NO的产生，扰乱了神经环境的稳态，进一步促进了细胞的负向α-Syn病理，而负向α-Syn可诱导邻近神经元的负向α-Syn硝化，导致神经细胞凋亡[47]。PD的神经炎症因不同的脑免疫系统成分而有所不同，适应性免疫反应，特别是T细胞反应，可以触发1型促炎活性，抑制2型抗炎活性，最终导致神经炎症失调和随后的多巴胺能神经退行性变，CD4+T细胞可能通过表达MHC Ⅱ类小胶质细胞实质影响PD疾病的病理[6]。

有一项研究表明，姜黄素对TNF-α的产生有强的抑制作用，从而抑制神经炎症事件的产生[48]。有学者利用一个LPS诱导C6细胞中CCL2 mRNA和蛋白的上调，他们研究了三种剂量的姜黄素作为处理，发现CCL2 mRNA的表达随这些浓度呈剂量依赖性下降，从而抑制CCL2功能降低免疫系统细胞对炎症部位的吸引力，从而减缓炎症进展此外，此外在星形细胞瘤细胞中，姜黄素通过JNK途径诱导CCL2表达下调[49]。另一项研究通过MG细胞转染，证明了姜黄素激活小胶质细胞中的NRF-2和HO-1，从而减少氧化应激和神经炎症，姜黄素可以被认为是一种通过NRF-2途径发挥作用的潜在神经保护剂[50]。

最初一项实验，用雄性大鼠皮下气袋模型产生炎性反应建立炎症模型，证明姜黄素通过抑制COX-2活性治疗神经炎症和预防或治疗癌症[51]。随后一项研究通过Nrf2/HO-1在大鼠局灶性缺血模型进一步证实，姜黄素能抑制LTA诱导的iNOS和COX-2的表达，抑制有丝分裂原活化蛋白激酶(MAPK)在小胶质细胞中的磷酸化，抑制p38和AKt以及NF-κB的易位[52]。一项研究用免疫印迹检测小鼠中IL-1b的生物活性，证明了姜黄素通过抑制NLRP3炎症小体的启动和激动以抑制IL-1b的分泌，预防炎症[53]。最近一项研究中指出，姜黄素可以增加经脂多糖(LPS)处理的小鼠BV-2小胶质细胞中抗炎细胞因子IL-4和IL-10的产生，能够通JAK/STAT/SOCS信号通路调节引起小胶质细胞的抗炎反应，从而调节神经炎性反应[54]。

综上，姜黄素被不断证实具有神奇的抗炎作用。大量的研究证明，姜黄素抗炎性质是通过抑制COX-2、LOX、iNOS的诱导和干扰素等细胞因子的产生而增强的，并且降低多种炎性细胞因子的表达，包括IL-1抑制因子、IL-1抑制因子、IL-6抑制因子、TNF抑制因子、IFN抑制因子等。

5 在蛋白、基因上的作用

虽然现在PD的确切发病机制尚不清楚，但目前越来越多的相关研究都认为PD的发生可能与自噬、炎症、氧化应激、线粒体功能异常等多种机制有关。并且越来越多的证据表明，遗传因素在疾病的发病机制中起着重要的作用。到目前为止，至少有23个致病基因位点和19个帕金森症已确定和指定为PD-causing基因[55]。姜黄素可能激活、调整蛋白表达，抑制突变基因活性从而起到治疗作用。

Nrf2在保护中枢神经系统细胞免受线粒体功能障碍及其神经毒性化合物、GHS降低和线粒体ROS失衡(在NDs中被抑制)方面具有关键作用。姜黄素激活中枢神经系统细胞Nrf2和Nrf2靶基因，降低细胞内ROS水平，减轻氧化损伤和线粒体功能障碍[56]。在一项建立的线粒体毒素1-甲基-4-苯吡啶(MPP+)诱导PD的SH-SY5Y细胞模型中，用免疫印迹法进行追踪，得到姜黄素能有效抑制MPP+对SH-SY5Y细胞的毒性作用，并通过上调HSP90显著降低MPP+对多巴胺能神经元的不良影响[57]。在一项转基因果蝇LRRK2 PD模型中，果蝇被喂食姜黄素和H2O2，在喂养H2O2的LRRK2野生型和LRRK2突变型果蝇中，姜黄素均能降低总氧化蛋白水平;该项研究发现，姜黄素可以提高果蝇的存活率，抑制突变体LRRK2的活性[58]。

姜黄素可通过抗氧化作用，加速 ROS 清除以抑制细胞凋亡，进而促进细胞存活；可以使线粒体质量得到改善和保护，提高线粒体效率，并且能够逆转诱导的细胞/神经细胞毒性。并通过调节自噬和抑制神经炎症减少α-Syn的聚集。在PD临床治疗和预防中有广阔的应用前景。但其在PD中的具体机制，如通过哪种机制双向调节神经炎症中小胶质细胞，达到保护神经细胞的作用，减少α-突触核蛋白的聚集，仍需要进一步的深入研究和临床实验。现有关于PD突变基因研究取得了长足的进展，但是姜黄素关于在PD基因上的研究仍需要更多的探索。姜黄素具有很高的生物活性且毒副作用小，具有良好的耐受性和安全性。但是姜黄素生物利用度较差，代谢快，排泄快，血浆和组织中的含量低，影响其在PD中的治疗和预防效果。许多方法和新配方需要被探索，通过提供更长的循环，更好的渗透性，和/或抑制代谢过程，来提高姜黄素的生物利用度。