管秀菊 王康鋒 畢淑月 韓歡 劉長(zhǎng)寧 張立娟

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)由德國(guó)病理學(xué)家Alois Alzheimer于1906年首次描述[1],是最常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變[2],主要表現(xiàn)為進(jìn)行性的認(rèn)知功能障礙及行為異常,可伴有焦慮、抑郁等精神癥狀,最終影響日常生活。當(dāng)前全球AD患者達(dá)5000多萬(wàn)人,其中中低收入國(guó)家AD患者占全球患者的58%,該比例預(yù)計(jì)至2050年可上升至68%[3],AD的護(hù)理成本無(wú)疑為全球的衛(wèi)生保健系統(tǒng)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)[4]。在AD患者大腦的學(xué)習(xí)和記憶區(qū)域可觀察到老年斑、Tau纖維纏結(jié)、神經(jīng)元丟失、突觸損傷、自由基增加等多種細(xì)胞變化[5-6]。目前AD的治療方法仍不能有效遏制或逆轉(zhuǎn)其進(jìn)展,因此探索發(fā)病機(jī)制,尋找早期識(shí)別、治療AD的生物標(biāo)志物仍迫在眉睫。線粒體功能障礙是AD早期病理特征之一,近年來(lái)在AD研究領(lǐng)域倍受關(guān)注,中醫(yī)藥在調(diào)控線粒體功能防治AD方面亦進(jìn)行了大量探索并有望取得進(jìn)展,本文結(jié)合近年文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行綜述。

1 線粒體功能異常與AD的關(guān)系

1.1 線粒體結(jié)構(gòu)與功能

線粒體是廣泛分布在神經(jīng)元中的高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器,具有自己的遺傳物質(zhì)-mitochondrial DNA(mtDNA)[7],由雙膜結(jié)構(gòu)將其分為線粒體外膜、膜間隙、線粒體內(nèi)膜、基質(zhì)四部分[8]。線粒體呼吸鏈(electron transport chain,ETC)位于線粒體內(nèi)膜,由五種復(fù)合物(復(fù)合物I-V)組成。線粒體可以通過(guò)呼吸鏈酶復(fù)合物進(jìn)行氧化磷酸化合成腺嘌核苷三胺酸(adenosinetriphosphate,ATP),滿足神經(jīng)元持續(xù)的能量需求,具有“動(dòng)力工廠”之稱[9],并且可以參與調(diào)控氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡,維持鈣的平衡及突觸的可塑性,還可以通過(guò)線粒體自噬選擇性識(shí)別、降解受損的線粒體,維持線粒體正常功能狀態(tài)[10]。通過(guò)執(zhí)行不同的功能,線粒體在糖尿病及相關(guān)并發(fā)癥、腫瘤、脂肪肝、精神分裂癥、心力衰竭等心血管疾病和神經(jīng)退行性病變等疾病的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用[11]。

1.2 線粒體功能障礙參與AD的作用機(jī)制

線粒體功能障礙是神經(jīng)退行性疾病發(fā)病的關(guān)鍵因素,包括AD,并且在AD的病理生理學(xué)中起著關(guān)鍵的上游作用。Swerdlow等[12]提出“線粒體級(jí)聯(lián)假說(shuō)”,作為”淀粉樣蛋白級(jí)聯(lián)假說(shuō)”的補(bǔ)充,認(rèn)為線粒體損傷是遲發(fā)型和散發(fā)型AD的主要病理因素。近幾十年的研究相繼發(fā)現(xiàn)AD患者線粒體結(jié)構(gòu)及功能的變化,促使研究人員進(jìn)一步探究線粒體功能障礙在AD發(fā)病中的作用機(jī)制。目前認(rèn)為,線粒體膜等超微結(jié)構(gòu)的變化以及線粒體動(dòng)力學(xué)損傷、線粒體呼吸鏈異常、線粒體自噬異常等功能變化會(huì)誘發(fā)能量代謝異常、氧化代謝紊亂、突觸功能障礙,導(dǎo)致神經(jīng)元損傷以及認(rèn)知功能下降[13],加重AD的病理學(xué)進(jìn)展。

1.3 AD促進(jìn)線粒體功能障礙的作用機(jī)制

阿爾茨海默病的病理產(chǎn)物Aβ、Tau蛋白以及氧化應(yīng)激反應(yīng)可以作用于線粒體進(jìn)一步加重線粒體功能障礙。Aβ可以誘發(fā)線粒體分裂融合異常[14-15]、Ca2+平衡失調(diào)[16],還可以作用于線粒體中的Aβ相關(guān)乙醇脫氫酶(Aβ-binding alcohol dehydrogenase,ABAD),加重Aβ對(duì)線粒體的損傷[17]。Tau蛋白高度磷酸化誘導(dǎo)的神經(jīng)元纖維纏結(jié)的形成可加重線粒體損傷,研究發(fā)現(xiàn),Tau蛋白磷酸化損傷線粒體膜電位并誘導(dǎo)氧化應(yīng)激的發(fā)生,而Tau蛋白敲除小鼠的氧化損傷顯著減少,線粒體功能改善,ATP生成增加[18]。線粒體是活性氧產(chǎn)生的主要位點(diǎn),故線粒體特別容易受到氧化應(yīng)激的損傷,氧化應(yīng)激可以損傷線粒體動(dòng)力學(xué)以及能量代謝。

2 中藥可以改善AD動(dòng)物模型的線粒體超微結(jié)構(gòu)

線粒體膜、線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜及線粒體呼吸鏈結(jié)構(gòu)的變化與Ca2+失衡、能量代謝障礙等AD早期的病理改變密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),AD動(dòng)物腦組織中線粒體膜通透性增加,伴見(jiàn)線粒體結(jié)構(gòu)發(fā)生腫脹且數(shù)目減少以及線粒體嵴斷裂等超微結(jié)構(gòu)的變化。林珍梅[19]以SAMP8小鼠為AD模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)三七總皂苷可以顯著提高SAMP8小鼠學(xué)習(xí)記憶能力,改善SAMP8小鼠腦組織神經(jīng)元形態(tài)。與模型組相比,三七總皂苷高劑量組可見(jiàn)線粒體雙層膜結(jié)構(gòu)完整,線粒體嵴排列整齊,形態(tài)趨于正常。曹玉成等[20]給予AD模型大鼠補(bǔ)腎填髓方灌胃治療,進(jìn)行水迷宮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與模型組相比,在定位航行試驗(yàn)中中藥組逃避潛伏期縮短(P＜0.01),在空間探索試驗(yàn)中,中藥組游泳時(shí)間和游泳時(shí)間的百分比升高(P＜0.05),并在電鏡下觀察線粒體超微結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)AD模型組線粒體形態(tài)不規(guī)則,分布不均,數(shù)目減少,內(nèi)嵴斷裂,線粒體腫脹,而中藥組大鼠線粒體組織結(jié)構(gòu)完整,內(nèi)嵴增多,排列整齊,部分線粒體腫脹改善,外膜完整光滑,說(shuō)明補(bǔ)腎填髓方可能通過(guò)改善AD大鼠線粒體超微結(jié)構(gòu),提高AD大鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力。黃倩倩等[21]發(fā)現(xiàn)地黃飲子可以增加線粒體膜電位,保護(hù)線粒體內(nèi)膜的完整性,降低線粒體腫脹程度,上調(diào)三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶-丙酮酸脫氫酶及α-酮戊二酸脫氫酶的活性,提示地黃飲子可以通過(guò)保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)與功能改善AD大鼠腦組織能量代謝障礙。

3 中藥可以改善AD動(dòng)物模型的線粒體功能

3.1 調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)

線粒體動(dòng)力學(xué)即線粒體通過(guò)分裂、融合、轉(zhuǎn)運(yùn)維持自身結(jié)構(gòu)及生理功能正常的過(guò)程,受線粒體分裂蛋白(dynamin-related protein 1,Drp1)、線粒體融合蛋白(mitofusion)1/2、視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1,Opa1)、銜接蛋白Miro/Milton等多種蛋白及部分miRNA的調(diào)控[22]。線粒體分裂、融合及轉(zhuǎn)運(yùn)功能異常將造成線粒體分布紊亂、軸突腫脹、Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡、突觸受損,而突觸受損可以直接損傷神經(jīng)元,導(dǎo)致AD等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展。臨床研究發(fā)現(xiàn)AD患者腦中Mfn1等融合蛋白表達(dá)下降,而Drp1等分裂蛋白表達(dá)增加[24],另有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在AD早期即可出現(xiàn)線粒體分裂/融合蛋白表達(dá)失衡以及轉(zhuǎn)運(yùn)功能障礙,提示線粒體動(dòng)力學(xué)失衡是AD早期重要的病理特征[25]。線粒體分裂、融合、轉(zhuǎn)運(yùn)任一環(huán)節(jié)的障礙均可繼發(fā)AD的發(fā)生發(fā)展,對(duì)其進(jìn)行早期干預(yù)或許成為AD治療的靶點(diǎn)。

賈醌[25]發(fā)現(xiàn)丹參根莖提取物-丹酚酸B可以通過(guò)維持線粒體形狀、抑制分裂/融合蛋白的異常表達(dá)來(lái)改善Aβ誘導(dǎo)的線粒體動(dòng)力學(xué)失衡。李鑫潔等[26]對(duì)鎖陽(yáng)醋酸乙酯提取物(ethyl acetate extract of cynomorium songaricum,ECS)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),ECS可通過(guò)上調(diào)AD小鼠Mfn1、Opal蛋白表達(dá),下調(diào)Drp1蛋白表達(dá),改善AD小鼠行為學(xué),推測(cè)其取效機(jī)制與改善線粒體動(dòng)力學(xué)相關(guān)。

3.2 調(diào)控線粒體能量代謝

線粒體通過(guò)對(duì)體內(nèi)攝入的葡萄糖、脂肪酸、氨基酸進(jìn)行三羧酸循環(huán)及氧化磷酸化,合成機(jī)體所需的能量,并以ATP的形式儲(chǔ)存起來(lái)。大腦作為高能量消耗器官,易受能量代謝障礙的影響[27]。使用氟脫氧葡萄糖正電子發(fā)射斷層掃描觀察發(fā)現(xiàn)AD大腦海馬和皮層葡萄糖代謝率下降,并伴隨線粒體數(shù)目減少、腫脹等結(jié)構(gòu)的變化,該現(xiàn)象被認(rèn)為與線粒體氧化磷酸化功能受損相關(guān)[28]。氧代謝是大腦能量代謝的另一途徑,AD患者額葉、顳葉、頂葉腦氧代謝率明顯下降,提示線粒體呼吸功能受損。

燈盞細(xì)辛的主要化學(xué)成分咖啡酸奎寧酸可以通過(guò)上調(diào)ETC蛋白的基因表達(dá)、促進(jìn)糖酵解從而增加ATP的合成,改善線粒體功能[29]。知母寧是從中藥知母、龍膽草、射干中提取的天然化合物,可以激活三羧酸循環(huán)中丙酮酸脫氫酶的活性,提高生物能量合成[30]。虎杖苷可以增加Aβ25-35誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞內(nèi)ATP含量,促進(jìn)線粒體能量代謝[31]。

3.3 調(diào)控線粒體凋亡

細(xì)胞凋亡是有核細(xì)胞啟動(dòng)特定基因程序結(jié)束生命的過(guò)程,其誘發(fā)的神經(jīng)元丟失是AD的病理特征之一,包括內(nèi)源性細(xì)胞凋亡通路即線粒體通路、外源性細(xì)胞凋亡通路即死亡受體通路以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路。其中經(jīng)典的線粒體凋亡通路參與調(diào)控大多數(shù)細(xì)胞凋亡過(guò)程,受Bcl-2家族調(diào)控[32],Bcl-2家族促凋亡因子Bax及抑凋亡因子Bcl-2、Bcl-xl相互作用調(diào)控線粒體膜的通透性以及相關(guān)凋亡因子的釋放。凋亡因子細(xì)胞色素C(cytochrome c,Cyt-c)的釋放是內(nèi)源性細(xì)胞凋亡通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在促凋亡因素刺激下,存在于線粒體內(nèi)外膜之間的Cyt-c釋放至胞質(zhì),在ATP/dATP參與下與Apaf-1結(jié)合,活化Caspase-9,最終通過(guò)Caspase-3途徑誘發(fā)細(xì)胞凋亡。而外源性細(xì)胞凋亡通路相關(guān)受體與配體相結(jié)合活化Caspase-8,導(dǎo)致Caspase-3活化[33]。

三七皂苷R1可以通過(guò)下調(diào)Bax/Bcl-2的比例,抑制線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放,減少Caspase-9和Caspase-3的激活,抑制線粒體凋亡通路的激活,發(fā)揮抗凋亡作用[34]。中成藥黃埔通竅膠囊可以上調(diào)Bcl-2蛋白表達(dá),減少Cyt-c的釋放,減少Caspase-3表達(dá),提高AD模型大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力,推測(cè)其取效機(jī)制可能與抑制線粒體凋亡通路激活相關(guān)[35]。毛蕊花糖苷是從中藥肉蓯蓉、熟地黃中提取的苷類化合物,毛蕊花糖苷通過(guò)下調(diào)Bax/Bcl-2的比值,調(diào)控Cyt-c的釋放,抑制線粒體凋亡,保護(hù)神經(jīng)元[36]。細(xì)胞膜電位的下降是線粒體凋亡過(guò)程的早期表現(xiàn),補(bǔ)骨脂二氫黃酮[37]、姜黃素[38]可以通過(guò)減少線粒體膜電位的損耗,抑制線粒體凋亡。

3.4 調(diào)控氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是AD病理進(jìn)程的早期事件,其特征性表現(xiàn)為活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮釋放增多及機(jī)體抗氧化防御酶功能損傷。線粒體是ROS的主要生產(chǎn)車間及作用靶點(diǎn)。據(jù)估計(jì),90%的ROS由線粒體產(chǎn)生[39],由于線粒體抗氧化系統(tǒng)的存在,ROS的產(chǎn)生和清除在生理狀態(tài)下處于動(dòng)態(tài)的平衡之中。病理狀態(tài)下,ROS在體內(nèi)大量聚集,又可反作用于線粒體,通過(guò)下調(diào)線粒體呼吸鏈復(fù)合物活性,導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化受損,影響ATP的合成,也可引發(fā)線粒體膜通透性改變,導(dǎo)致Cyt-c的釋放及細(xì)胞凋亡的發(fā)生[40]。ROS還能夠損傷mtDNA,造成其結(jié)構(gòu)破壞,干擾后續(xù)的轉(zhuǎn)錄與翻譯過(guò)程[41],甚至直接攻擊細(xì)胞體蛋白、核酸、脂質(zhì)等大分子,造成細(xì)胞氧化損傷、線粒體功能障礙,最終形成惡性循環(huán)[42]。

丙二醇(maleic dialdehyde,MDA)為氧化反應(yīng)的終產(chǎn)物,淫羊藿的主要活性成分淫羊藿苷(icariin,ICA)可以改善線粒體氧化應(yīng)激水平,在SAMP8小鼠AD模型中,發(fā)現(xiàn)ICA降低了SAMP8小鼠腦線粒體中ROS及MDA水平,提高SAMP8小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力[43]。姜黃素可以上調(diào)Nrf2基因表達(dá),提高HO1、NQO1兩種抗氧化蛋白水平,保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)完整性,提高線粒體抗氧化能力[44]。補(bǔ)腎填髓方由經(jīng)典名方孔圣枕中丹加減化裁而來(lái),研究發(fā)現(xiàn)補(bǔ)腎填髓方可以上調(diào)AD模型小鼠血清超氧化物歧化酶活性,下調(diào)MDA活性,提高AD模型認(rèn)知功能[20],推測(cè)其取效機(jī)制亦與改善線粒體氧化應(yīng)激相關(guān)。

3.5 調(diào)控線粒體mtDNA表達(dá)

由于mtDNA缺乏有效的防御修復(fù)系統(tǒng),損傷后易致突變,突變后可以下調(diào)氧化磷酸化相關(guān)蛋白的表達(dá),損傷線粒體功能[45]。Morrisa C D等[46]研究發(fā)現(xiàn),與正常人相比,AD患者腦中相關(guān)區(qū)域存在mtDNA缺失,證明線粒體mtDNA缺失與AD發(fā)展相關(guān)。

師冉等[47]觀察到開(kāi)心散可以顯著改善SAMP8小鼠學(xué)習(xí)記憶能力,治療后海馬區(qū)mtDNA表達(dá)水平明顯增高,推測(cè)開(kāi)心散可以通過(guò)上調(diào)mtDNA表達(dá),改善神經(jīng)元老化,保護(hù)神經(jīng)元。

4 小結(jié)與展望

綜上所述,線粒體功能障礙在AD發(fā)生發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用,是AD潛在的治療靶點(diǎn)。中藥復(fù)方及中藥單體已被證實(shí)可以改善線粒體結(jié)構(gòu)及功能,但中藥組分異常復(fù)雜,相關(guān)復(fù)方的有效成分仍需進(jìn)一步明確。此外,當(dāng)前研究雖然已經(jīng)確定線粒體功能障礙在AD發(fā)病機(jī)制中起重要作用,但是線粒體如何演變至功能障礙仍需進(jìn)一步探討,未來(lái)研究應(yīng)著眼于線粒體變化的機(jī)制,以其為治療靶點(diǎn),探討中藥治療AD的相關(guān)分子機(jī)制,并且應(yīng)進(jìn)行相關(guān)臨床試驗(yàn),觀察中醫(yī)藥能否通過(guò)改善線粒體功能在AD患者體內(nèi)取得療效。