石菖蒲抗血管性痴呆的药理机制研究进展

李玉芳 杨瑞林 高媛 徐冰

血管性痴呆(vascular dementia,VaD)是一类脑血管疾病引起的获得性的痴呆综合征,临床表现除典型的神经系统损害外,还以记忆、认知缺损为主,兼或伴有语言、运动空间等方面异常[1]。VaD是老年人中常见的一种痴呆类型,仅次于阿尔茨海默病,约占所有痴呆病例的15%～20%[2],对个人、家庭及全社会有着深远影响,是一个严重的公共卫生问题[3]。石菖蒲在VaD的中药治疗中使用频率最高[4-6],具有不可小觑的作用。石菖蒲首载于《神农本草经》,以根茎入药,为上品中药,归芳香开窍类。其性辛、苦、温,归心、胃经,具有开窍豁痰、醒神益智、化湿开胃的功效[7],自古被用于治疗癫痫、痰厥、热病神昏、健忘失眠、中风失语等症[8]。现代药理研究发现,石菖蒲化学成分复杂,主要包括挥发油成分以及生物碱类、黄酮类、有机酸等非挥发性成分,具有多种药理作用,如抗痴呆、抗帕金森、抗抑郁、抗癫痫、抗炎、抗菌、抗肿瘤等[8-9]。其中石菖蒲挥发油的α-细辛醚和β-细辛醚因其广泛的药理活性成为研究热点[10]。本文对石菖蒲抗血管性痴呆的药理机制进行综述,为石菖蒲的运用提供理论依据及循证支持。

1 石菖蒲对血脑屏障的调节作用

1.1 通过改变血脑屏障的结构增加其通透性

血脑屏障的完整性对于维持维持脑内稳态、保护神经元具有重要意义[11]。与正常老化的大脑相比,VaD患者的血脑屏障结构发生明显变化,通透性增加与VaD的发病和进展密切相关[12]。研究发现[13],石菖蒲挥发油能改变大鼠血脑屏障的超微结构,降低缺血再灌注损伤。具体而言,石菖蒲使内皮细胞膜变薄、局部出现缺损,基膜外星形胶质细胞及其足板水肿,结构模糊,内皮细胞之间的紧密连接松弛,从而导致血脑屏障通透性的增加,脑组织内药物的浓度和生物利用度得以提高,从而发挥醒脑开窍的治疗作用[14]。

血管内皮细胞因其无孔洞依靠紧密连接(tight junction,TJ)构成一个连续密封的网,控制药物入脑。黄丽平等[15]研究发现β-细辛醚显著减少紧密连接蛋白-1、Claudin-5、闭合蛋白(Occludin)和肌动蛋白的表达,增加血脑屏障通透性。紧密连接蛋白-1、Occludin和Claudin-5是TJ蛋白质,可见在调控血脑屏障通透性中发挥关键作用。P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)是一种跨膜转运蛋白,将物质外排出血脑屏障。多数研究证实,P-gp与血脑屏障的关系密不可分,抑制P-gp的外排能提高药物对血脑屏障的渗透性和在脑内的浓度[16-17]。杨洋等[18]发现石菖蒲等开窍药能显著提高Caco-2细胞对Rho-123的摄取,明显抑制P-gp的外排,从而提高血脑屏障通透性,说明石菖蒲能通过抑制P-gp来调节血脑屏障通透性。研究证实α-细辛醚[19]下调TJ蛋白Claudine家族基因表达、内皮细胞的P-gp表达;而β-细辛醚[18]可调节血脑屏障P-gp和TJ,二者均可疏松TJ,抑制P-gp,使内皮细胞皱缩,来开启血脑屏障,增加其通透性。

1.2 通过调节多种因子来影响血脑屏障通透性

大脑低灌注后,血脑屏障损伤,与脑损伤和淀粉样蛋白β积聚或清除有关的分子基因表达增加,加重脑损伤,促进VaD的发生发展[20]。单胺类神经递质如5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)的变化能改变血脑屏障通透性[21]。谢婷婷等[22]在石菖蒲各提取部分对5-HT含量影响的实验中发现石菖蒲挥发油组、水煎液及全方组的5-HT含量均显著升高。这说明石菖蒲极可能是通过上调5-HT的含量,暂时性增加血脑屏障的通透性。此外石菖蒲还可通过调节炎症介质及氧化应激产物,抑制炎症、减少氧化应激以此降低血脑屏障通透性,从而保护脑内神经元免受损伤。

1.3 促进药物通过血脑屏障

石菖蒲的有效成分顺式甲基异丁香酚、榄香烯、α-细辛醚、β-细辛醚等因其高脂溶性可快速通过血脑屏障,进入脑组织。吴雪等[13]观察到石菖蒲水提液能明显提高葛根素、川芎嗪等在脑与血的药物浓度,由此说明石菖蒲提高血脑屏障的通透性,促进其他药物透过血脑屏障进入脑组织发挥作用。此外相关研究β-细辛醚可快速通过血脑屏障,减轻铅中毒程度,显著增加大鼠海马树突棘密度及齿状回等,一定程度保护铅致学习记忆障碍神经,并呈剂量依赖性[23]。提示使用石菖蒲需严格控制剂量和时间,避免对血脑屏障造成不可逆性的损伤。

综上,石菖蒲作为芳香开窍药,在防治VaD中,石菖蒲挥发油易于通过血脑屏障发挥益智作用,而且石菖蒲有效成分可能通过改变血脑屏障的结构,调节转运蛋白及各种因子,影响其通透性,促使药物通过血脑屏障到达脑内,增加脑组织内血药浓度及药物生物利用度,改善认知功能。

2 石菖蒲具有抗氧化应激作用

2.1 通过清除自由基减轻氧化损伤

慢性大脑低灌注引起的脑氧化应激是VaD发病机制中的主要危险因素[24]。大脑缺血缺氧时,星形胶质细胞、小胶质细胞可产生病理性一氧化氮(nitric oxide,NO);同时抗氧化防御系统中活性氧活性氧(reactive oxygen species,ROS)、氧自由基积聚,改变抗氧化的内源性酶,如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)、过氧化氢酶(catalase,CAT)等,导致氧化应激反应[25]。氧自由基性质活泼,可直接攻击磷脂内的不饱和脂肪酸,启动脂质过氧化作用从而诱发细胞水肿和兴奋递质的释放,同时裂解细胞内溶酶体使神经元自溶,继而产生连锁反应,进一步侵袭其他细胞内生物膜使细胞坏死数量剧增,脑梗死面积急剧扩大,最后诱发VaD。而NO是重要自由基之一,是诱导学习记忆及时程增强效应的重要物质;丙二醛(malondialdehyde ,MDA)是氧自由基攻击脂质产生的重要代谢产物,具有细胞毒性。龚磊等[26]发现石菖蒲挥发油能减少NO含量,增加SOD的含量,以此清除氧自由基,减轻脑组织损伤,预防脑萎缩,提高学习记忆能力。蒋征奎等[27]在痴呆模型小鼠中发现石菖蒲挥发油和水提取物降低小鼠MDA含量,抑制氧自由基生成,提高SOD的活力。朱梅菊等[28]研究发现α-细辛醚能够调节海马脑组织中MDA含量,从而提高大鼠学习记忆功能。

2.2 通过提高抗氧化物质防止氧化损伤

VaD患者血中氧化应激水平发生了变化,主要表现为抗氧化物质降低,如维生素C、维生素E;同时氧化损伤产物升高,如8-羟2-脱氧鸟苷及8-羟鸟苷[29]。α-细辛醚可调节抗氧化酶SOD、CAT以及抗氧化物维生素C、维生素E含量;β-细辛醚可调节抗氧化酶GPX、CAT含量;二者维持缺血损伤后的抗氧化系统稳态,利于脑缺血损伤的恢复。Daniel等人[30]研究发现α-细辛醚可以增强Aβ25-35大鼠脑ROS水平,提高SOD、GPX和CAT含量,降低NO水平,防止氧化损伤,改善记忆能力。

综上,石菖蒲可通过调节VaD患者血液中的氧化应激水平,提高抗氧化物质,清除自由基,提高SOD的活性,共同维持抗氧化系统稳态,减少脑氧化损伤,进一步防治VaD。

3 石菖蒲通过调节炎症因子发挥抗炎作用

炎症是组织对内源性或外源性的侵害所产生的修复过程。有研究表明,大脑血管发生损伤时,激活免疫细胞,分泌炎症介质,使白细胞浸润,激活细胞因子级联反应,促进中枢神经系统的炎症反应,神经组织会出现初期的结构功能损伤和后期的反复重构,加速神经细胞的死亡导致VaD症状[31]。

卒中后,β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein,Aβ)沉积,被其包围的神经元释放促炎性细胞因子和趋化因子,持续的炎症和免疫细胞的过度趋化加剧VaD的进展,故控制炎症是防治VaD的重要环节[32-33]。研究表明,石菖蒲的多种化合物具有抗炎活性,显著降低免疫细胞中白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白细胞介素-1β(interleukin-1,IL1β)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等炎性细胞因子分泌,发挥体外抗炎作用[34]。在体外Aβ1-42诱导星形胶质细胞和PC12细胞两种模型中,β-细辛醚抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的活性,降低细胞外调节蛋白激酶、p38-丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)以及c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)磷酸化水平和炎症因子IL1β、TNF-α的表达,促进脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)的释放,抑制星形胶质细胞活化来保护细胞[35-36]。徐飞飞等[10]、Liu等[37]的体外/体内实验发现,α-细辛醚能够阻断NF-κB激酶的降解,调节NF-κB转录水平,抑制小胶质细胞介导的神经炎症;而β-细辛醚可抑制炎性细胞因子的产生,并保护细胞免受Aβ25-35诱导的炎性反应[38]。

综上,石菖蒲有效成分通过诱导抗炎症因子的释放,抑制NF-κB、MAPK、JNK等信号通路发挥抗炎作用,减缓VaD的发生发展。由此推测,细辛醚是一种很有前途的神经保护剂。

4 石菖蒲对神经可塑性的调节作用

4.1 通过清除Aβ以促进突触可塑性

脑缺血缺氧后,神经系统损伤,正常神经环路及突触联系遭到破坏,影响神经信息的正常处理造成大脑的认知功能障碍。Aβ沉积能引发痴呆病病理的潜在级联反应[39]。而突触可塑性是学习记忆的神经生物学基础。Aβ低聚物为具有神经毒性的寡聚体,对神经元和神经突触超微结构具有极大的毒性损坏。卒中后大脑低灌注会加快Aβ的沉积,促进脑淀粉样血管病的进展导致脑小血管病;破坏线粒体蛋白的功能,导致线粒体功能障碍,神经突触功能异常,造成突触可塑性损伤;增强血管收缩来影响脑血流,直接加重脑损伤,从而导致或加重VaD发生与发展[40-41]。张春霞等[42]发现石菖蒲有效成分β-细辛醚和丁香酚通过抑制双转基因小鼠Aβ前体蛋白的过度表达,降低Aβ产生量,减轻Aβ海马神经元以及与学习记忆关系密切的突触毒性损伤,对突触的结构、界面、数目等起到保护与修复作用,以提高学习记忆能力。荣华等人[43]研究发现β-细辛醚能上调小鼠海马区PSD-95蛋白及mRNA的表达,改善小鼠海马神经突触可塑性功能,发挥益智作用。因此,石菖蒲挥发油可通过清除Aβ促进神经元的突触可塑性,提高突触传递效率,增强神经信息的传递。

4.2 调节各类细胞参与神经胶质元可塑性

研究表明石菖蒲水提物具有神经营养作用[44]。石菖蒲可上调海马神经元可塑性因子蛋白的表达,激活神经元信号保护通路,促进海马内自分泌,进而保护海马细胞,改善海马神经重塑[45]。YANG等人[46]研究发现β-细辛醚可上调NR2B、Wnt7a蛋白的表达,下调Wnt7a蛋白和mRNA表达,提示可能通过Wnt信号通路保护神经记忆细胞。除了对神经元的调节作用外,石菖蒲挥发油还可影响神经胶质的功能,可促进星形胶质细胞的增殖和活化,增加星形胶质细胞的支持和修复功能,从而促进神经元的再生和修复。

综上,神经可塑性是指神经系统对外部刺激或内部变化做出的可逆性结构和功能改变的能力,包括突触可塑性与神经胶质元可塑性。而石菖蒲通过清除有神经毒性的Aβ,减轻神经突触的毒性损伤,影响各类细胞等多种方面调节神经可塑性,增强神经元之间的联系和信息传递,促进神经元修复,完善海马神经重塑,减轻其病理改变,以此改善学习记忆能力。

5 石菖蒲通过调节神经递质保护胆碱能神经

乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)是中枢神经系统兴奋性的神经递质,以胆碱、乙酰辅酶A等为原料,经乙酰胆碱转移酶(acetylcholinesterase,AChE)催化合成,一旦从囊泡释放就会很快被胆碱酯酶(cholinesterase,ChAT)水解成胆碱、乙酸等物质。酶在胆碱能系统中的动态平衡对学习记忆等认知功能发挥重要作用。ACh缺乏和认知障碍存在显著正相关[47]。

卒中后,脑灌注不足和缺血缺氧可导致葡萄糖氧化障碍,乙酰辅酶A产生量降低,继而ACh合成量降低,从而导致海马区血流量持续降低,增加胆碱能系统损伤;且脑白质缺血损伤可阻断胆碱能皮质广泛投射并影响胆碱能通路网络连接[48]。而对于VaD,研究表明机体大脑和脑脊液存在明显的胆碱能系统紊乱,AChE和ChAT的活性降低,ACh合成减少,且血清素能和多巴胺能系统也可能受到影响,那么神经递质系统特别是中枢胆碱能系统可能是VaD的治疗靶点[49]。金虹等[50]研究石菖蒲根和叶的不同溶剂萃取部分对AchE活性的影响,实验发现石菖蒲根和叶的挥发油均能明显抑制AchE。而且α-细辛醚为强抑酶活性成分,说明石菖蒲挥发油能提高乙酰胆碱神经递质的水平。邓敏贞等人[51]通过紫外分光光度法检测石菖蒲挥发油联合人参总皂苷使小鼠脑组织AChE活性增强,ChAT含量显著降低,确保乙酰胆碱不丢失,促进神经信号高效传递,来增强学习与记忆。

综上,石菖蒲通过调节神经递质,保护胆碱能神经,促使胆碱能发挥作用,达到改善VaD的认知功能。由此推测,神经递质系统特别是中枢胆碱能系统可能是VaD的治疗靶点。

6 石菖蒲通过减少细胞凋亡保护海马神经元

细胞凋亡受机体中各种基因调控,对维持内环境稳态具有重要作用[52]。细胞凋亡的发生机制复杂,具有多种途径调控,且与凋亡蛋白家族表达、Caspase家族的活化相关[53]。B淋巴细胞瘤-2基因相关启动子(Bcl-2 associated death promoter,Bad)、B淋巴细胞瘤-2相关X蛋白(Bcl-2 associated X,Bax)等促凋亡蛋白与Bcl-2等抗凋亡蛋白是细胞的凋亡基因,而半胱天冬酶(Caspase-3)是信号通路中的关键枢纽[54]。凋亡酶的激活可引起海马区神经元变性,是脑血管病导致机体认知功能障碍的主要病理基础[55]。

研究表明,慢性脑低灌注、缺血缺氧可导致大鼠海马神经元凋亡和自噬,促进VaD的发生发展[56]。因此神经元凋亡是造成VaD的主要原因。王彦平等人[57]的实验表明,石菖蒲通过抑制糖原合成酶激酶-3β/β-连环蛋白信号通路的激活,减少Bax、Caspase-3 mRNA和蛋白的表达量,减少神经细胞凋亡,以此改善脑梗死大鼠认知功能障碍。欧阳恩鸿等[58]在Aβ25-35诱导的PC12细胞模型中发现,β-细辛醚减少PC12细胞Caspase-3、Caspase-6及Caspase-9的表达,减少乳酸脱氢酶漏出,提高细胞存活率,提示β-细辛醚能抗凋亡,保护神经细胞。LIU L等人[59]实验得出β-细辛醚可降低缺血再灌注大鼠鼠JNK和p-JNK的水平,增加Bcl-2水平,降低Bec-1的功能,减轻自噬反应,减少神经元的凋亡,也提示JNK是自噬反应的重要通路。王晓丽等人[60]研究β-细辛醚在缺糖缺氧和再灌注损伤海马神经元保护方面作用的实验表明,β-细辛醚可通过抑制海马神经元c-Jun氨基末端激酶磷酸化,上调Bcl-2下游抑凋亡蛋白表达,再下调Caspase-3表达,来抗海马神经元凋亡,进而防治VaD。

综上,石菖蒲通过多途径调控凋亡因子,激活Caspase-3,降解重要蛋白酶,减弱自噬反应,抗神经细胞凋亡,保护神经元,来防治VaD。

7 结语

石菖蒲的有效成分研究主要集中在石菖蒲挥发油(如细辛醚系列),通过调节血脑屏障通透性、保护胆碱能神经、清除Aβ、抗氧化应激、抗炎、抗凋亡等,多靶点、多通路、多途径参与VaD病理生理过程的多个环节,进而发挥益智、脑保护等作用,不仅为治疗VaD提供一定理论依据,更能为VaD新型药物开发提供方向。石菖蒲作为一味可长期使用且具有重要研究价值的芳香开窍类中药,不仅是治疗血管性痴呆的最高频中药,而且对卒中、抑郁、帕金森等神经系统疾病的血脑屏障、非神经元、神经元均具有重要作用。虽然石菖蒲在临床中应用广泛,但有研究表明α-细辛醚、β-细辛醚具有一定的毒副作用,临床应用时需注意用药剂量及与其他药物相配伍,还应探索对其化学结构修饰来提高药物稳定性,进而提高生物利用度和药物作用的安全性。笔者在整理文献发现缺少石菖蒲非挥发性成分如生物碱、黄酮、有机酸、氨基酸、多糖等治疗VaD的药理作用,故应从分子、细胞水平多角度对石菖蒲药效成分及药理机制深入研究,使石菖蒲成为临床常用防治VaD的更高效、更安全、更科学的药物,以提高临床应用价值。