姜黄素对神经系统疾病的作用机制研究进展

张晓璐，吕邵娃，李永吉

(黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

姜黄素(Curcumin，Cur)是从姜黄的根茎中提取的一种多酚化合物，因其具有多种生物活性如抗氧化、抗炎、抗凋亡、免疫调节等而备受关注[1]。Cur对大脑关键区域信号转导的调控影响了多个神经递质系统，研究表明，Cur不仅通过靶向氧化应激、清除自由基、内源性与外源性凋亡以及小胶质细胞激活和其他胶质细胞等多种关键途径，抑制神经元死亡，还可以减少多种疾病损伤和神经毒性化合物造成的神经元损失[2]。Cur可以保护中枢神经系统的细胞免受局部缺血引起的线粒体功能障碍和神经退行性疾病的发作。Cur通过抑制神经元凋亡减轻脑损伤，还可对抗氧化酶的激活和线粒体产生的协同效应。Cur神经保护作用的机制还包括活化和诱导神经炎性介质如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素1β(IL-1β)、环氧合酶2(COX-2)、前列腺素(PGE2)等[3]。

1 姜黄素对神经系统的作用

1.1 抗氧化

慢性进行性神经系统疾病可诱发炎症、氧化应激、脂质过氧化、DNA损伤、氧化蛋白产物[4]。氧化应激也与脑组织中错误折叠蛋白聚集的诱导有关。Cur作为一种有效的抗氧化剂，可清除超氧阴离子(O2-)和羟基自由基(OH-)，并增加抗氧化水平。Cur可稳定大脑抗氧化酶系统，包括激活超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽S-转移酶(GST)[5]；保护细胞免受脂质过氧化、DNA损伤、蛋白质氧化或蛋白质羰基化[6]。

1.2 抗炎

Cur是一种有效的抗炎药物，可下调多种神经炎症标志物蛋白，如NF-κB。Cur还抑制磷脂酶和花生四烯酸代谢酶，如COX-2，5-脂氧化酶(5-LOX)[7]。此外，它还能降低多种细胞因子的水平，如TNF、IL-1和IL-6[8]。Cur也是过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)的激动剂，可抑制促炎途径。

1.3 抗淀粉样蛋白

Cur不仅与AD中的Aβ寡聚体和原纤维结合[9]，还可与其他淀粉样蛋白结合，如PD中的α-突触核蛋白(α-syn)，HD中的亨廷顿蛋白(HTT)，AD中的磷酸化tau蛋白(p-tau)，以及朊病毒病中的朊病毒蛋白。脑组织的高脂质含量允许亲脂性Cur分子穿过血脑屏障(BBB)，抑制淀粉样蛋白的聚集[10]。

1.4 调节分子伴侣的活性

细胞蛋白质的质量是由一组称为分子伴侣的蛋白质控制，它们对于将未展开或错误折叠的蛋白质还原为其天然形式较为重要，其中一个重要的分子伴侣是热休克蛋白(HSPs)，这些蛋白在不同的神经系统疾病中下调[11]。研究表明，Cur通过激活HSP70、HSP90、HSP60和HSP40以及热休克同源蛋白70(HSC70)等分子伴侣具有神经保护作用[12]。

1.5 增加神经营养因子

研究表明，神经元生长因子(如NGF、BDNF、GDNF)以及其他生长因子(如PDGF)的显著下降可导致突触损伤和神经元死亡。含Cur的饮食可刺激体内NGF、BDNF、GDNF、PDGF的水平。Cur还能促进大鼠的神经发生、突触发生并改善认知功能，这可能与促进这些神经营养因子有关[13]。此外，在Cur治疗后观察到神经疾病动物模型的记忆功能得到改善，可能是由于这些神经元生长因子的水平增加。在不同的神经退行性疾病动物模型中，经Cur治疗后，突触前和突触后标记物如突触体素和PSD95也得到恢复[14]。

1.6 金属螯合剂

重金属在不同的神经系统疾病中可诱导错误折叠的蛋白聚集和ROS的产生[15]。Cur中的两个酚基团(OH)和一个活性亚甲基基团(CH2)可使其成为金属螯合的配体[16]。例如，Cur可以与Cd、Pb相互作用并防止这些金属所引起的神经毒性,Cur还能有效地与Cu、Fe、Zn结合，使其无法诱导淀粉样蛋白聚集。

2 姜黄素对神经性疾病的作用机制

2.1 阿尔茨海默病

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种主要与年龄有关的神经退行性疾病，其特征是神经行为异常，早期记忆缺陷，认知和智力功能逐渐下降，最终导致痴呆。AD的典型病理特征是β淀粉样蛋白(Aβ)在细胞外以老年斑的形式沉积，磷酸化Tau蛋白在细胞内以神经纤维缠结(NFT)的形式沉积。这些异常或错误折叠蛋白的积累是导致许多脑区突触缺陷、神经元损失、氧化损伤和神经炎症增加的主要原因[17]。在AD中严重紊乱的信号通路包括神经营养因子、PI3K/Akt、TNF和TLR信号通路，它们与神经元生长和存活、炎症和免疫反应密切相关。作为一种多因素疾病，AD可以通过多靶点治疗得到适当的控制。Cur可以抑制磷酸化早老蛋白1的激酶(GSK-3β)，通过抑制GSK-3β介导的PS1激活从而减少Aβ的产生;Cur还能诱导热休克蛋白，参与Tau蛋白的聚集体清除。此外，Cur可以减少现有的缠结，并可以改善Tau依赖的行为缺陷;Cur抑制脂质过氧化，进而减少淀粉样蛋白积累和氧化应激介导的神经毒性。一些体内研究也表明了Cur可介导对Aβ诱导的神经毒性和记忆损伤的神经保护作用，还能增强AD患者中巨噬细胞对Aβ的摄取[18]。

2.2 帕金森病

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是第二常见的年龄相关神经退行性疾病，其特征是运动迟缓、震颤、僵硬和步态姿势异常。黑质致密部(SNpc)中多巴胺能神经元的逐渐选择性退化，以及黑质-纹状体通路中多巴胺(DA)水平的随后下降也与PD相关[19]。PD的主要病理特征是在路易小体(LBs)的神经元内包涵体中存在由α-syn组成的不可溶性纤维聚集物。Cur可以抑制α-syn的聚集，并在体外阻止LB的积累，降低α-syn低聚物对细胞的毒性，减弱DA水平的降低，并使DA神经元退化[20]。Cur还可降低氧化应激、记忆缺陷和运动障碍，螯合铁、铜和其他金属，从而防止α-syn或LB聚集[21]。此外Cur通过激活转录因子EB促进细胞自噬，从而减少细胞死亡和神经毒性[22]。Cur通过抑制单胺氧化酶的活性，从而恢复DA水平，减少抑郁[23]。Cur可以降低ROS水平，维持线粒体功能，并通过Cur衍生物CNB001减轻神经炎症来保护大脑中的DA神经元，还可以抑制JNK通路并通过凋亡阻止多巴胺能神经元的丢失[24]。

2.3 亨廷顿病

亨廷顿病(Huntington’s disease,HD)是一种多聚谷氨酰胺(PolyQ)常染色体显性遗传疾病，以进行性神经退行性变和运动、精神以及认知功能受损为特征。HD的病理是错误折叠的突变亨廷顿蛋白(mHTT)作为细胞内聚集物的异常积累，导致选择性神经元损失，主要发生在皮层和纹状体的中型多棘神经元。谷氨酸兴奋性毒性、线粒体功能障碍、蛋白质降解受损、蛋白质错误折叠、caspase激活、转录通路失调、蛋白酶体功能下降和蛋白质水解异常是导致该疾病的主要原因[25]。因琥珀酸脱氢酶活性在3-硝基丙酸(3-NP)HD大鼠模型中受到抑制，注射Cur可改善运动和认知能力，降低氧化应激，恢复琥珀酸脱氢酶活性[26]。此外，HD中下调的脑源性神经营养因子(BDNF)也通过Cur治疗得以恢复。JANA等[27]研究了Cur通过损伤泛素-蛋白酶体系统来诱导细胞凋亡，抑制JNK通路，通过凋亡防止多巴胺能神经元损失。实验证明，将Cur暴露于N2a细胞中会导致蛋白酶体活性的剂量依赖性下降和泛素化蛋白的增加。与分化细胞相比，Cur可以通过降低线粒体膜电位、向细胞质中释放细胞色素C、激活caspase-9和caspase-3来诱导增殖细胞更多地凋亡。

2.4 癫痫

癫痫(Epilepsy)是一种以大脑功能障碍为特征的中枢神经系统紊乱[28]。Cur的抗癫痫机制包括减少炎症细胞因子，阻断一氧化氮合酶的作用，减少神经胶质细胞的活化，减轻氧化应激，激活腺苷A1受体等。Cur增加了戊四氮点燃的小鼠脑匀浆中去甲肾上腺素的水平，其治疗剂量还可依赖性地减弱戊四唑点燃的小鼠脑匀浆中的总亚硝酸盐水平和AChE活性。最近的实验表明Cur通过激活腺苷A1受体，下调一氧化氮合酶，使乳酸脱氢酶失活以及增加癫痫啮齿动物脑匀浆中的SOD和GSH含量发挥抗惊厥作用。另外，Cur降低了戊四唑诱导的点燃小鼠的脑匀浆中的MDA含量并增加了GSH水平，还可显著预防海藻酸诱导的癫痫发作和氧化应激[29]。在动物研究中，Cur的慢性治疗通过阻断神经元一氧化氮合酶的作用减轻了戊四唑点燃的大鼠的癫痫样放电[30]。研究表明，长期给予Cur可显著下调慢性癫痫戊四唑模型的皮质和海马中IL-1β，IL-6，TNF-α和MCP-1的表达。此外，Cur显著降低了癫痫大鼠皮层和海马中的神经胶质活化。补充Cur可减轻戊四唑治疗的癫痫大鼠海马和皮质中ROS、脂质过氧化物、蛋白质羰基化合物和线粒体功能障碍的产生[31]。Cur可明显逆转海藻酸盐诱导的大鼠颞叶癫痫。在类似的研究中，Cur给药显著降低了癫痫大鼠海马区的亚硝酸盐、硝酸盐和MDA含量，从而减少了氧化损伤和炎症反应[32]。Cur预处理剂量依赖性地降低了锂-毛果芸香碱引起的大鼠癫痫发作的强度和频率[33]。

2.5 抑郁和焦虑

抑郁症和焦虑症是不同的神经系统疾病，但是抑郁症患者经常会出现焦虑症等症状，例如烦躁不安，神经质以及注意力不集中和睡眠不足。抑郁症和焦虑症具有其自身的病理生理以及行为和情绪症状。Cur治疗的作用机制包括抑制脑单胺氧化酶(MAO)-A/B活性，调节5-羟色胺受体，改善脑多巴胺、5-羟色胺和去甲肾上腺素水平，增加神经营养因子，促进神经元生长，增加神经保护，减少神经炎症，细胞凋亡和氧化应激[34]。在一项随机双盲的安慰剂对照的试验中，Cur治疗4～8周可以使重度抑郁症患者的症状得到部分改善[35]。在动物研究中，Cur治疗可通过多种机制减轻慢性应激状态下的抑郁表型，即降低肾上腺与体质量的比例，降低血清皮质酮水平，降低肾上腺皮质厚度以及上调BDNF与COX-2在脑中的表达和pCREB/CREB水平的降低。Cur可增加杏仁核中突触素和BDNF的水平，同时减轻慢性应激大鼠的抑郁样行为[36]。Cur可抑制突触体中谷氨酸的释放并诱导N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)亚基GluN2B的活化，从而产生类似抗抑郁药的作用[37]。

2.6 多发性硬化症

多发性硬化症(Multiple sclerosis,MS)是神经系统中的一种慢性自身免疫性神经退行性疾病，其基本发病机制是免疫系统攻击有髓鞘纤维，导致神经传导延迟，对神经纤维和神经元造成永久性损伤。主要症状为疲劳、长时间双视或视力模糊、行走困难、身体不同部位麻木或刺痛感、协调和平衡困难、肌肉僵硬、肌肉痉挛等。在自身免疫性脑脊髓炎(EAE)实验大鼠模型中，Cur可降低炎症细胞对脊髓的渗透，减少髓鞘碱性蛋白(MBP)反应淋巴细胞的积累，下调TGF-β、IL-6、IL-17、IL-21、RAR相关孤儿受体γ(RORγt)、STAT3的表达[38]。Cur通过抑制线粒体和内质网应激来保护线粒体并抑制细胞凋亡，从而降低caspase-12和细胞色素C的表达，并且Cur的抗氧化能力能显著降低神经元的死亡[39]。星形胶质细胞的激活促进神经炎症和多发性硬化的发展，Cur通过抑制抗炎介质如PGE2、NO和促炎细胞因子如IL-6、IL-1β和TNF-α来抑制星形胶质细胞的活化。Cur可降低iNOS和COX-2的表达，抑制NF-κB通路[40]。轴突变性是多发性硬化症的特征性病理特征，主要由一氧化氮的过量产生、MyD88/p38 MAPK信号通路的激活和JNK磷酸化引起。TEGENGE等[41]研究表明，Cur通过抑制NO和JNK磷酸化的产生来保护神经元轴突。

2.7 脊髓损伤

脊髓损伤(Spinal cord injury,SCI)是一个复杂的病理过程，包括炎症反应导致星形胶质细胞形成胶质瘢痕，严重阻碍神经再生，导致神经元死亡和不可逆组织坏死。Cur在脊髓损伤大鼠模型和星形胶质细胞再活化细胞培养模型中均有神经保护作用。LPS诱导的星形胶质细胞培养液中RANTES和iNOS mRNA的表达量减少，神经保护作用减弱[42]。LIN等[43]研究了Cur可以增加脊髓损伤和LPS处理的星形胶质细胞中CISD2的表达。CDGSH铁硫结构域2(CISD2)是一种生存基因，有助于神经损伤的拮抗作用。Cur降低GFAP和RANTES的表达，增加CISD2的表达，减少神经炎症，从而改善SCI。Cur还可以抑制细胞凋亡和神经元丢失，抑制星形胶质细胞活化，减少巨噬细胞和T细胞浸润，减少星形胶质细胞中趋化因子MCP-1、RANTES和CXCL10的表达，从而减少胶质瘢痕形成，同时调节NF-κB和SOX9信号通路[44]。Cur可以显著降低IL-1β的表达和Iba1炎症细胞的数量，通过抑制胶质瘢痕形成和炎症修复脊髓，从而表现出神经保护活性[45]。

2.8 神经胶质瘤

实验研究了Cur对基质金属蛋白酶(MMPs)异常表达的体内外抑制作用。在体外，Cur通过胶质母细胞瘤(GBM)存活途径(PI3K/Akt和NF-κB)和对癌症的选择性影响增殖、凋亡。在C6细胞植入GBM模型中，观察到Cur活性与细胞中p53和PTEN的突变状态无关，并且Cur活性降低了C6细胞植入大鼠脑肿瘤的大小[46]。此外，KIM等[47]发现Cur通过抑制PMA诱导的MAPK活性、抑制DNA结合和AP-1转录活性，对人星形胶质瘤细胞中MMP基因表达具有广谱抑制活性，表明Cur可能对胶质瘤有治疗价值。Cur还通过NF-κB和AP-1抑制MMP-9的表达，其DNA结合活性被Cur抑制。此外，PMA诱导的ERK、JNK和p38 MAPK被Cur抑制[48]。在恶性星形细胞瘤中，NF-κB被异常激活并促进增殖,通过DNA片段分析、形态学观察和细胞增殖实验，研究了Cur对人恶性星形细胞瘤NP-2细胞系NF-κB活性的抑制作用，Cur抑制细胞增殖，诱导细胞凋亡[49]。ROMERO-HEMNNDEZ等[50]研究表明，在不改变DNA的情况下，Cur<100 μmol/L的浓度会增加星形细胞瘤细胞系的形态变化并诱导细胞凋亡。

3 小结

神经系统疾病具有复杂的神经病理特征，神经损伤和认知功能障碍以及运动协调障碍是这些疾病的主要问题。Cur是一种多功能的分子，具有抗炎、抗氧化和抗增殖活性，能够相互作用和调节多种分子靶标信号通路抑制细胞增殖，诱导细胞凋亡、神经元丢失如转录因子、炎性细胞因子以及多种酶。Cur能有效地穿透血脑屏障和神经元膜，可以调节神经递质水平与细胞信号和脑功能，抑制线粒体功能障碍，减轻氧化应激，减少神经退行性变，从而改善神经元和行为功能障碍。然而Cur水溶性较低、肠道通透性差、代谢速率快等因素阻碍了其生物利用度，使其在体内作为神经保护剂的使用受到限制。随着纳米制剂的发展，Cur的吸收、分布和生物利用度等问题有望得到解决，基于如脂质体、纳米颗粒、胶束和树状大分子的递送系统的开发，新型药物传递系统正处于临床前阶段。而且未来需要进一步研究挖掘Cur的药代动力学和其对神经系统疾病的作用机制以及临床评价，这将有助于设计药物方案，了解其对疾病患者的安全性、有效性和耐受性，从而提高治疗效果。