靶向Nrf2 信号通路的神经保护作用研究进展

张思锐，张嫚嫚，孙若男，王丹

（大连大学 医学院，辽宁大连 116622）

氧化应激是体内的氧化还原平衡被打破时的一种机体自我保护状态，它在不同部位均可造成一定程度的应激损伤和神经炎症，而核因子E2 相关因子（Nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2）主要通过激活Keap1（Kelch 样ECH 相关蛋白1，Kelch-like ECH-associating protein 1）-Nrf2-ARE（抗氧化反应元件，Antioxidant Response Element）途径并由其调控下游相关靶基因的表达，发挥抵抗氧化伤害和神经保护作用。近年来，有多种研究表明，Nrf2可能是神经退行性疾病、脑血管疾病等潜在的药物治疗靶点，这使之成为未来治疗多种相关疾病的新希望。本文综述了Keap1-Nrf2-ARE 信号通路在神经退行性疾病及其他中枢神经系统疾病中的神经保护作用。

1 Keap1-Nrf2-ARE 信号通路及其激活过程

Keap1-Nrf2-ARE 是人体内抵抗内源性氧化应激和发挥抗炎症作用的经典信号途径，已经被广泛认可为治疗某些相关疾病的新药理学靶点，尤其在神经保护作用中发挥了不可忽视的作用。

在正常生理条件下，Neh2 结构域中的DLG 和ETGE 基序在胞质中与Keap1 蛋白中的双甘氨酸重复结构域（Double Glycine Repeat，DGR）、C-末端结构域（C-Terminal Region，CTR）形成的螺旋结构直接结合，由激动蛋白组成的细胞骨架是它们锚定的场所，最终致使Nrf2 无法进入细胞核中发挥转录表达作用。一旦细胞在氧化应激时受到亲电试剂和活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的刺激，Keap1-IVR（干预区，Intervening Region）构象改变导致Nrf2 与Keap1 分离，随后Nrf2 转移至胞核中，其Neh1 结构域的CNC-bZIP 区与sMaf 蛋白（small Maf proteins）聚合成异二聚体后，可识别ARE 特异性DNA 序列[1]，随后激活一系列抗氧化、细胞保护及解毒蛋白的ARE 依赖性基因表达，如血红素氧合酶1（Heme Oxygenase-1，HO-1/HMOX1）、谷胱甘肽硫转移酶（Glutathione S-Transferase，GST）、NAD(P)H：醌氧化还原酶1（NAD(P)H：quinone oxidoreductase 1，NQO1）、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、谷胱甘肽还原酶（Gluthatione Reductase，GR）等[2]，最终增强细胞抵抗氧化应激的能力。多项研究表明，自然界中多种物质，如天然植物多酚类（姜黄素、槲皮素等）、含硫化合物（异硫氰酸酯类、邻二硫醇类等）、含硒化合物（如硒多糖等）、部分重金属（如镉）等，都可以通过调控Keap1-Nrf2-ARE 信号通路的抗氧化发挥药理作用[3]。

2 Nrf2 信号通路与中枢神经系统疾病

2.1 Nrf2 信号通路与癫痫

癫痫是一种常见的短暂脑功能失调综合征，常常表现为反复且毫无预兆性地痫性发作[4]。关于癫痫的发病机制，比较成熟的观点包括递质失衡、免疫炎症等。近年来也有研究发现癫痫的发作可能与氧化应激反应有关，如癫痫发作时ROS 大量产生引起氧化应激，加重神经毒性损伤，致使抗氧化酶系，SOD、过氧化氢酶（Catalase，CAT）、GR 等，表达水平异常[5]。吴可等[6]研究发现，相比于癫痫模型组，经过左乙拉西坦治疗的大鼠海马中Nrf2 及其下游抗氧化酶HO-1、NQO1 的含量显著升高，治疗组大鼠癫痫发作和认知障碍明显改善，这表明Nrf2-ARE 信号途径在抗癫痫治疗中发挥重要作用。孙光涛等[7]报道，强抗氧化剂己酮可可碱（PTX）也可通过特异性激活Keap1-Nrf2-ARE 途径改善癫痫大鼠痫性发作早期的脑内氧化应激状态，进而抑制癫痫的发作。秦瑞怡等[8]的实验表明，天麻素一方面通过激活p38MAPK（丝裂原活化蛋白激酶，Mitogen-Activated Protein Kinase）-Nrf2 信号途径使得HO-1 表达水平升高，另一方面也通过激活Nrf2-ARE 通路抑制诱导型一氧化氮合酶（inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS）等促炎介质的表达和生成，进而减轻癫痫的炎症损伤，最终发挥神经保护作用。以上研究表明氧化应激参与癫痫的病理过程，同时也激活了Nrf2 信号通路，其抗氧化作用对癫痫的发生有保护作用，提示Nrf2 信号通路可以作为治疗癫痫的有前途、有希望的靶点和新策略。

2.2 Nrf2 与阿尔茨海默病

阿尔茨海默病（Aizheimer’s Disease，AD），俗称老年性痴呆症，是高发性中枢神经系统退行性疾病。进行性认知障碍和行为损伤为AD 的显著特点[9]，目前没有根治方法，临床主要通过综合对症治疗来减轻病情，延缓疾病进展[10]。AD 的主要病理病变是在大脑中形成淀粉样蛋白斑块和神经原纤维缠结（Neurofibrillary Tangles，NFTs），二者分别由β-淀粉样蛋白（Amyloid-β，Aβ）、高磷酸化Tau（P-Tau）组成[11]，从而使突触强度降低、突触丢失及诱发神经炎症，阻碍细胞间的交流。

有许多研究证明，在AD 进展的早期可观察到氧化应激和神经炎症的异常现象[12]，其机制与线粒体功能障碍有关，这一点在AD 动物模型和AD 患者体内均已得到证实[13]，而Keap1-Nrf2 信号通路在防御氧化应激和抗击炎症方面起着不可忽视作用[14]。AD 模型小鼠认知障碍的改善可通过Nrf2 的诱导来抑制氧化应激和神经炎症[15]，而Nrf2 的敲除会加重这一病理过程[16]，这表明Nrf2 可以作为治疗AD 的重要新型靶点。但比较有意思的是RAMSEY 等[17]研究发现在AD 患者海马体神经元中虽然存在较明显的氧化应激标志物，但其海马体CA1 区域的核Nrf2 相较于对照组表达较低。推测其原因可能为Nrf2 入核活动被阻断，使得核内Nrf2 表达水平大大降低，从而阻断其下游信号的激活和抗氧化酶的生成，导致或加重AD 患者的神经元功能障碍[18]。这一研究结果也表明了Nrf2 信号通路的有效激活方能对氧化应激所造成的神经损伤有保护作用。其他研究也证明了Nrf2 信号蛋白是对抗AD 病理过程的保护因子[19]，未来应用Nrf2 激活剂可能成为治疗阿尔茨海默病的新靶点。

2.3 Nrf2 与帕金森氏病

帕金森氏病（Parkinson’s Disease，PD），又可称为震颤麻痹（paralysis agitans），是一种主要表现为进行性椎体外系功能障碍的中枢神经系统退行性疾病。临床上可以依据患者体内是否存在路易体（Lewy Bodies，LBs）而确诊，α-突触核蛋白（α-Synuclein，α-Syn）是LBs 的主要成分，在突触传递和多巴胺（dopamine，DA）递质水平调节中发挥作用。目前PD 发病机制较公认的是黑质多巴胺能神经元的退行性病变，其中氧化应激学说比较受肯定[20]。

研究表明，α-Syn 的病理性传播受到氧化应激的调控，主要影响酪氨酸羟化酶的磷酸化和活性以及细胞膜上DA 转运体的表达水平，并且Nrf2 激活可以抵消α-Syn 的产生[21]。还有实验证明，小鼠中Nrf2的化学诱导改善了α-Syn 引起的损伤[22]；在突变α-Syn 转基因小鼠模型中Nrf2 的表达水平上升，起到了神经保护的作用[23]；在Nrf2 激活之前或神经毒素暴露时激活Nrf2 可防止PD 相关的神经毒素诱导的神经毒性[24]。研究证实，激活Nrf2 信号通路的药物或者化合物可以发挥神经保护作用，使谷胱甘肽过氧化物酶4（Glutathione Peroxidase 4，GPX4）的蛋白表达水平提高，从而减少多巴胺能神经元中的过氧化作用，抑制多巴胺能神经元的铁死亡，减少多巴胺能神经元的坏死以及丢失，最终治疗PD[25]。同时也有研究证实，Nrf2 缺乏将提高神经元对神经毒素的敏感性，从而更容易发生神经损伤；并且炎症变化可能加重潜在的中枢退行性病变，导致多种反应和信号传导，例如PD 患者血清中促炎细胞因子肿瘤坏死因子（TNF）、干扰素γ（IFNγ）、白介素-1β（IL-1β）、IL-6、IL-2、IL8 和趋化因子配体2（CCL2）的水平升高[20]。此外，α-Syn 可以绕过或克服免疫耐受，启动外周驱动的CD4+和CD8+ T 细胞反应，从而加速黑质多巴胺能神经元的变性[26]；Nrf2 激活已被证明可减少炎症，从而预防PD 的进展[27]。基于以上数据，Nrf2 信号通路活性的降低会加重PD 中的神经炎症，而增加Nrf2 表达可提供神经保护作用。

2.4 Nrf2 与肌萎缩侧索硬化症

肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS），又称渐冻人症、运动神经元病（MND）或Lou Gehrig 病等，著名物理学家斯蒂芬·霍金也是此病的患者之一。它是一种致命且无法根治的神经退行性疾病，进行性进展是该病的典型特征。

ALS 发病机制复杂，截至目前，超氧化物歧化酶1（SOD1）基因突变是唯一确定与家族性ALS 发病相关的遗传畸变因素，除了遗传因素，研究人员发现氧化应激、神经炎症等因素也与ALS 发病有关[21]。如有相关研究表明，ALS 患者最显著的一个特征是运动皮层和脊髓中核酸、蛋白质及脂质的氧化损伤升高，Keap1 水平升高，Nrf2 靶基因和下游调控酶减少[28]；在散发性ALS（sALS）中，ROS 的增加诱导了由Nrf2 介导的抗氧化反应途径，分析发现Nrf2（NEF2L2）mRNA 水平和Nrf2 依赖的基因（如HMOX1、NQO1 和TXN）在sALS 淋巴母细胞中增加，揭示ALS 亚型特异性的改变[29]；SFI（由党参和黄芪两种中药材调制而成的参芪扶正注射液）治疗ALS是通过减轻氧化应激损伤和激活ALS 动物模型中的Nrf2 途径来实现的，药物干预后可有效地延长模型动物的总生存期并改善大脑的病理状况，SFI 在SOD1-G93A 转基因小鼠中通过激活Nrf2 途径，诱导HO-1、GST 和SOD 等抗氧化酶的表达，减少大脑中运动神经元（MNs）的丢失和星形胶质细胞的激活，从而减轻了中枢神经系统和外周神经系统的氧化应激损伤[30]。这些结果提示Nrf2-Keap1-ARE 信号通路的失调与ALS 疾病的严重程度相关，可能是ALS 神经变性进行性进展的潜在机制之一，在未来研究中Nrf2 靶基因亦可以作为治疗ALS 的另一思路。

2.5 Nrf2 与缺血性脑卒中

缺血性脑卒中是最常见的中风类型之一，是由各种原因导致脑部血液循环受阻，进而因为缺血缺氧导致部分脑组织坏死的一种病症，发病率占急性脑血管病的70%左右[31]，是全球第二大死亡原因和第三大致残原因[32]。常见原因包括大动脉粥样硬化、心源性栓塞等，但及时干预治疗可以减少致死率和致残率[33]。

氧化应激是缺血性脑损伤的机制之一，在缺血性脑卒中病理进展中起着至关重要的作用。氧化应激可引起神经元凋亡、炎症信号通路激活和血脑屏障（BBB）受损，促进神经变性和细胞死亡[31]；亦有研究表明，通过内源性或外源性激活Nrf2 可以发挥神经保护作用[34]。TAKAGI 等[35]研究证明，脑梗死发生后，内源性激活可使Nrf2 及其调控的下游靶基因的mRNA 和蛋白质（譬如HO-1、NQO1 蛋白等）表达水平显著提高，从而对抗氧化应激损伤；而Nrf2 敲除的动物相对于其他组脑梗死面积更大、神经功能障碍更严重且患脑梗死的风险更高，表明Nrf2 信号通路的激活在减轻脑梗死相关损伤方面具有重要作用。有研究证明，姜黄素、白藜芦醇、萝卜硫素等Nrf2 信号通路激活剂可外源性诱导Nrf2 的活性并能够发挥神经保护作用[36]。姜黄素可抑制氧化应激，诱导NQO1的表达，增强Nrf2 与ARE 的结合活性[37]；白藜芦醇的神经保护作用一部分是由于其能够激活Keap1-Nrf2 途径，进而调节炎症介质和抗氧化酶的表达[38]，并且通过上调Nrf2 活性，促进参与控制自由基水平的ARE-调节基因的表达[39]；MA 等[40]证明，体内萝卜硫素治疗抑制了NF-κB（核因子κB，Nuclear Factor κ B）信号通路，从而降低了大脑中动脉的促炎细胞因子、一氧化氮和环氧合酶-2 的表达。

尽管有学者已提出将Nrf2 作为治疗脑梗死的药理靶点，但其在临床应用上仍具有缺点和不足，如使用Nrf2 激活剂治疗极端急性代谢损伤（如严重缺血性中风）时，位于缺血核心附近的代谢受损细胞不能适当上调Nrf2 和相关下游蛋白[41]。

2.6 Nrf2 与颅内出血

颅内出血（Intracerebral Hemorrhage，ICH）是出血性脑卒中的别称，也是颅内各种部位出血的总称。根据病因可分为原发性脑出血和继发性脑出血；而依据出血部位又可划分为脑实质、脑室、硬膜及蛛网膜下腔出血[42]。大部分患者在临床上表现为神经功能障碍、颅内高压等症状。

与Nrf2 对缺血性卒中的保护作用类似，许多临床研究表明Nrf2 信号传导在实验性脑出血（ICH）动物模型中具有重要意义和治疗潜力。ROS 水平失衡可激活Keap1-Nrf2 途径以适应性地抵消ICH 后的氧化损伤，已有实验表明缺乏Nrf2 基因的ICH 小鼠的血肿更大、细胞损伤及神经功能缺陷更严重[43]。除此之外，Nrf2 的转录与表达水平在ICH 的病理过程中也具有不容忽视的影响，如星形胶质细胞中HO-1的过表达可减轻脑损伤[44]；miR-27b 可直接调控Nrf2 mRNA，促进Nrf2 途径的激活，在ICH 发生后的24 ～72 h 内，观察到Nrf2、HMOX1、SOD1、NQO1和核Nrf2 蛋白水平显著上调，使SOD 和NQO1 的表达水平提高，减轻了ICH 后的神经炎症，发挥了保护大脑的作用[45]；ZHAO 等[46]报道，过氧化物酶体增殖物激活受体γ（Peroxisome Proliferators-Activated Receptors γ，PPARγ）激动剂也可通过激活Nrf2 途径和增加CAT 和SOD 来发挥抗氧化作用，增加ICH损伤抵抗力。基于以上研究成果，Nrf2 在颅内出血中也具有神经保护作用。

3 结语

综上所述，Nrf2-Keap1-ARE 信号通路在癫痫、中枢神经退行性疾病、缺血性脑卒中、颅内出血等疾病中发挥着神经保护作用，提示干预此信号通路可能成为这些疾病的治疗靶点，如有研究证明原花青素B2[47]、黄岑素[48]、丁酸钠[49]等药物成分通过干预Nrf2-Keap1-ARE 信号通路有望治疗上述疾病。尽管本文综述了Nrf2 在上述疾病中有利的一面，但是目前也有研究支持Nrf2 及其调控的下游靶基因（如HO-1）的过度表达起到相反作用的报道[50]，因此这一靶点的神经保护/损伤作用还需要进一步探索，如何找到二者的平衡从而通过Nrf2 发挥最大的神经保护作用是未来急需解决的问题和努力的方向。