Nrf2信号通路在认知功能障碍中的作用及相关药物研究进展

黄家鹏，赵健，赵璇，赵福红，宫铭海，周忠光

(1.黑龙江中医药大学基础医学院，哈尔滨 150040； 2.黑龙江中医药大学附属二院哈南分院针灸一科，哈尔滨 150001；3.上海体育学院运动科学学院，上海 200438)

氧化应激反应在阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)等神经退行性疾病中具有关键作用，主要原因在于过量的氧自由基易致大脑组织中的大量不饱和脂肪酸、磷脂等物质受到损伤，同时细胞脂质双分子层结构和蛋白质在氧化损伤后发生改变，导致神经元正常生理功能受到抑制，进而导致认知功能下降[1-2]。核因子E2相关因子2(nuclear factor-E2-related factor 2，Nrf2)是调节细胞内抗氧化应激反应的重要转录因子，其介导的抗氧化信号通路与神经系统疾病、自身免疫性疾病等的病理生理过程密切相关[3]。此外，Nrf2调控的多种抗氧化酶还具有抗氧化损伤、减轻细胞毒性、调节细胞自噬等神经保护功能，已成为目前临床关注的焦点[4]。研究显示，当细胞处于氧化应激状态时，Nrf2与Maf家族蛋白形成的异源二聚体可激活抗氧化反应元件基因的表达，提升细胞对抗氧化应激反应的能力，同时还可诱导抗氧化应激的内源性防御系统，从而维持细胞内氧分压的动态平衡，保护细胞免受氧化应激反应的损伤[5-6]。因此，调控Nrf2信号通路可能成为防治认知功能障碍的一个重要靶点。现就Nrf2信号通路在认知功能障碍中的作用及相关药物研究进展予以综述。

1 认知功能障碍

脑损伤疾病是诱发认知功能障碍的主要因素，包括AD、PD、血管性痴呆(vascular dementia，VD)等，但认知功能障碍具体的发病机制尚未明确[7-8]。目前国内外公认的认知功能障碍的发病机制主要包括：①脑组织蛋白异常聚集，AD、PD等脑神经细胞退行性疾病患者均存在蛋白质合成后异常修饰、基因异常、脑细胞慢性感染等；②脑组织调节因子异常，多巴胺、谷氨酸、神经肽及神经营养因子等异常导致神经递质及其受体的正常生理功能受到抑制，诱发细胞钠钾泵功能损伤，使大量钠离子、钙离子内流，从而引起脑组织细胞损伤，继而诱发认知功能障碍；③脑细胞内微量离子超载，大量钙离子沉积于线粒体后干扰机体正常氧化磷酸化进程，并过度激活蛋白水解酶，导致神经细胞不可逆性损伤，同时血管阻力、内皮细胞间隙增大，诱发VD、脑水肿等；④氧自由基损伤，过量氧自由基损伤易破坏细胞膜稳定性，使相关蛋白酶活性受到抑制，进而诱发基因突变，导致脑部疾病发生，从而增加认知功能障碍的发生风险[9-11]。

2 Nrf2信号通路

Nrf2包含6个高度保守的结构域，即Neh(Nrf2-ECH homology)1～Neh6，其中Neh1区C′端亮氨酸拉链结构可与细胞核内的小Maf蛋白结合，两者形成的二聚体可识别并结合抗氧化反应元件，启动机体抗氧化基因转录；Neh2区含有的保守ETGE序列可使Nrf2与Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)结合，从而使Nrf2稳定存在于细胞质内；Neh3区位于Nrf2 C端，与解旋酶DNA结合蛋白结合可促进抗氧化反应元件对相关基因转录的调控；Neh4、Neh5是参与启动下游基因转录的结构域，Nrf2转位至细胞核后以Nrf2-Maf形式与抗氧化反应元件结合，并与Neh4、Neh5协同激活转录过程；Neh6区富含丝氨酸，主要调控Nrf2在氧化应激状态下的降解作用[12-13]。因此，Nrf2可通过诱导抗氧化反应元件依赖的醌氧化还原酶、超氧化物歧化酶等基因的表达发挥细胞内抗氧化作用。但也有研究认为，Nrf2可调节多种抗氧化酶中心蛋白的表达，是调控细胞对抗氧化损伤的关键转录因子，Nrf2信号通路激活障碍是导致细胞对应激源敏感性增强的主要原因[14]。因此，控制Nrf2信号通路对抗机体氧化应激反应是临床缓解认知功能障碍药物研发的主要方向。

3 Nrf2信号通路在认知功能障碍中的作用

近年研究发现，Nrf2中的亮氨酸拉链结构被蛋白酶系统快速降解后可识别抗氧化反应元件上的相关序列，提高细胞抗氧化能力，因此Nrf2可作为临床研究脑部神经退行性疾病的新靶点[15]。

3.1Nrf2信号通路在AD诱发的认知功能障碍中的作用 AD是以进行性认知功能障碍、行为障碍为主要特征的中枢神经系统退行性疾病，临床表现为失语、记忆障碍、视空间障碍、行为改变等，是老年认知功能障碍最常见的诱因之一[16]。既往研究表明，AD患者的病理改变主要包括β淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)胞外沉积、神经原纤维缠结等；在AD疾病进展中，氧化失衡、氧自由基损伤在神经元凋亡过程中占据重要位置，主要原因在于病理情况下活性氧自由基与机体修复系统结合异常导致氧化应激反应，同时活性氧自由基产生的锌、铜等神经毒性反应元件增加，进一步加重脑组织区域退变[17-18]。Nrf2是氧化应激反应的关键调节因子，其介导的信号通路可降低可溶性Aβ水平，在AD发生过程中具有积极作用。如Kim等[19]比较AD模型小鼠与正常小鼠Nrf2信号通路相关蛋白的表达发现，与正常小鼠相比，AD模型小鼠脑组织中的Nrf2总蛋白水平显著降低，且Nrf2-抗氧化反应元件信号通路调节基因表达下调；进一步研究证实，小鼠脑组织中的Nrf2信号通路可降低可溶性Aβ水平，从而导致AD的发生。以上研究表明，理论上再次激活Nrf2信号通路可有效控制AD的发生，因此临床可将其作为防治AD的新方向。

3.2Nrf2信号通路在PD诱发的认知功能障碍中的作用 PD早期以静止性震颤、运动迟缓、肌肉强直为主要临床表现，随着疾病的进展，中晚期PD患者常并发认知功能障碍，表现为记忆衰退、语言功能障碍等，严重影响患者生活质量[20]。PD的病理特征主要为黑质纹状体内多巴胺能神经元选择性丢失。研究证实，氧化应激反应、线粒体功能障碍在PD病理机制中具有重要作用，而Nrf2可诱导蛋白酶、抗氧化酶等参与氧化应激反应和线粒体生物合成，因此Nrf2信号通路有望成为治疗PD的关键靶点[21-22]。Kostrzewa和Kostrzewa[23]研究发现，高浓度多巴胺拮抗剂可激活PD模型小鼠Nrf2信号通路，而Nrf2活化是机体受到抗氧化损伤时的一种内源性保护机制；当Nrf2表达下调时，多巴胺拮抗剂诱导的PD模型小鼠的氧化损伤易感性远高于正常小鼠，表明正向调控Nrf2信号通路可作为临床治疗PD的新靶点。有研究者通过比较正常小鼠与Nrf2基因缺失小鼠PD易感性发现，与正常小鼠相比，Nrf2基因缺失小鼠诱导的多巴胺能神经元退行性病变发生风险更高，同时PD发生率也随之升高，推测原因在于Nrf2信号通路通过调节小胶质细胞使其以抗氧化反应元件依赖的方式发生细胞核内移，上调血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)的表达，进而发挥抗氧化应激的作用[24]。

3.3Nrf2信号通路在VD诱发的认知功能障碍中的作用 VD是一种以记忆功能缺损为特征的持续性神经损害综合征，其发病涉及氧化应激反应、自噬等。大脑中含有大量可氧化不饱和脂肪酸，若氧化应激反应强度过大，产生的大量活性氧易增加脑组织的耗氧量，导致抗氧化剂与活性氧比例严重失衡，使血管内皮细胞、神经元细胞正常功能受损，脑血流量减少，进一步加重氧化应激，形成恶性循环，从而促进VD的发生发展[25]。正常情况下，Nrf2与Keap1结合后，Nrf2活性受到抑制；而在外源性应激条件下，Nrf2可通过调节机体氧化应激反应进行自我保护并与Keap1分离，Nrf2信号通路被激活可启动抗氧化应激保护机制[26]。另有研究发现，正常小鼠脑细胞中的活性氧水平显著低于Nrf2基因敲除小鼠，表明还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶与Nrf2信号通路存在负反馈回路，在机体稳态情况下，激活Nrf2信号通路有助于对抗机体过度氧化应激反应[27]。Shao等[28]研究发现，通过合理实验手段提高正常小鼠Nrf2基因表达水平有助于延缓VD的进展，而在相同实验条件下，Nrf2基因敲除小鼠VD临床症状更严重；通过检查脑血流量相关指标发现，Nrf2信号通路可影响微血管的氧化应激反应，同时对胆固醇的摄取、排泄也有一定程度影响。由此可见，研发Nrf2活化剂可为延缓VD疾病进展提供新思路。

4 以Nrf2信号通路为靶点治疗认知功能障碍的相关药物研究

Nrf2靶基因包括抗氧化蛋白酶、药物代谢酶以及调控谷胱甘肽、戊糖磷酸途径酶和核苷酸合成酶等，Nrf2靶基因表达上调有助于清除活性氧、抗细胞凋亡、解毒外源性化学物质等，从而维持细胞内氧分压动态平衡，减少细胞氧化应激损伤，因此研发以Nrf2信号通路为靶点的药物对缓解各种疾病诱发的认知功能障碍均有重要价值[29-30]。

4.1二苯乙烯类化合物 线粒体功能障碍是神经退行性疾病的病理机制之一，而Nrf2在线粒体生物学功能及代谢中均具有重要作用，活化的Nrf2可促进线粒体生物合成，缓解线粒体功能障碍[31]。有研究发现，二苯乙烯类化合物可抑制部分细胞色素从线粒体释放，继而消除Aβ诱导的线粒体膜电位异常、减少促凋亡细胞蛋白表达，降低认知功能障碍发生的风险[32]。此外，二苯乙烯普还可通过HO-1拮抗剂阻断Nrf2/HO-1信号通路，从而诱导Nrf2信号通路活化、保护Aβ诱导的神经元细胞、抑制细胞毒性损伤机制、促进线粒体功能恢复，进而拮抗海马神经元细胞损伤，降低神经退行性疾病的发生风险[33]。

4.2酚类化合物 叔丁基对苯二酚(tert-butylhydroquinone，t-BHQ)是Nrf2信号通路的激活剂，可通过Nrf2信号通路诱导谷胱甘肽转移酶第二阶段的表达，由于谷胱甘肽转移酶具有解毒作用，因此t-BHQ可保护神经元细胞免受毒性损伤，降低认知功能障碍发生风险[34-35]。t-BHQ还可增加锌转运蛋白的表达，进而通过叔丁基氢醌增加Nrf2活性，使氧化应激反应部分标志物磷酸化减少，同时增加Nrf2相关靶基因的表达，通过Nrf2-抗氧化反应元件防御机制延迟AD、PD等神经退行性疾病的进展[36]。有研究发现，植物迷迭香的有效成分鼠尾草酸为天然儿茶酚型结构，可通过与Keap1反应促进Nrf2泛素降解，有助于游离Nrf2进入细胞核合成内源性抗氧化剂，防止Aβ诱导的海马神经变性，同时还可提高机体还原型谷胱甘肽水平，共同保护神经元细胞，降低氧化应激反应、细胞毒性损伤，继而降低神经退行性疾病的发生风险[37]。Wang等[38]研究发现，鼠尾草酸可减少AD海马区域Aβ原代神经元的树突棘异常、星形胶质细胞增生以及细胞死亡，主要原因在于鼠尾草酸可通过激活Nrf2信号通路上调抗氧化酶的表达，进而逆转氧化应激反应，减少Aβ诱导的海马神经变性，从而发挥保护AD神经元细胞的作用，降低认知功能障碍发生风险。

4.3中药有效成分 木犀草素是一种存在于紫苏叶等植物中的天然黄酮类化合物，可上调Nrf2信号通路解毒酶HO-1、谷氨酸半胱氨酸连接酶蛋白的表达，抑制氧化应激反应状态下细胞内过量活性氧的产生，增强机体抗氧化能力，保护神经元细胞；此外，调控木犀草素水平还可抑制Nrf2信号通路的表达，因此木犀草素可作为化疗辅助剂增强顺铂的抗癌作用[39-40]。甘草具有清热解毒的功效，甘草素、甘草次酸等甘草有效成分可上调Nrf2相关靶基因的表达，增强Nrf2信号通路的抗氧化应激能力，从而对抗机体因过量活性氧产生而导致的氧化应激反应[41]。黄芩素是黄芩的主要有效成分，可通过调控Nrf2信号通路抑制过氧化氢诱导的活性氧产生、激活细胞抗氧化能力、减少神经胶质细胞诱导的损伤，从而保护神经元；汉黄芩素还可通过抑制Nrf2与抗氧化反应元件的结合降低多药耐药相关蛋白1的表达、下调Nrf2信使RNA的表达，是潜在的以Nrf2信号通路为靶点的增敏剂[42]。姜黄素是在姜黄根茎中发现的甲烷类物质，可在增加神经元细胞活力的同时减少Aβ25神经毒性损伤；2-去甲基姜黄素可激活Nrf2信号通路，促使Nrf2从细胞质转移至细胞核，从而上调Nrf2信号通路下游HO-1、醌氧化还原酶等的表达，降低活性氧水平，增加超氧化物歧化酶活性，延缓认知功能障碍的进展[43-44]。

5 小 结

近年关于Nrf2信号通路与认知功能障碍的研究逐渐增多，Nrf2信号通路的激活可作为治疗认知功能障碍的有效靶点，而多种化合物、天然产物均可有效激活Nrf2信号通路，但其是否可通过机体血脑屏障有效对抗神经毒性还有待进一步研究验证。此外，人类神经退行性病变诱发的认知功能障碍源于多种致病因素，而动物模型的认知功能障碍大多由单一急性损伤所致，因此未来还应继续完善Nrf2信号通路在认知功能障碍中的作用研究及相关药物研发，同时对动物基因模型进行深入探讨，为缓解患者认知功能障碍的进展提供帮助。