陳 琳, 葛紅飛, 喻安永
(1.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 急診科,貴州 遵義 563003;2.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院 神經(jīng)外科,重慶 400037)
創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury, TBI)是由外部機(jī)械力對(duì)顱腦直接撞擊造成的開(kāi)放性或閉合性損傷,是導(dǎo)致青年人群死亡和殘疾的最常見(jiàn)原因之一,尤其在第三世界國(guó)家及發(fā)展中國(guó)家中多見(jiàn)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)基于人群的腦外傷死亡率約為13/10萬(wàn),與其他國(guó)家報(bào)告的死亡率相似[2]。TBI因高致死率和致殘率,已經(jīng)成為嚴(yán)重影響全球人民生命健康的公共衛(wèi)生問(wèn)題。TBI后局部腦組織水腫和血腫引起顱內(nèi)壓升高,腦血流相對(duì)下降,導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞缺血缺氧或直接死亡。而壞死的腦組織和炎癥介質(zhì)釋放,加劇局部炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激(oxidative stress, OS)、神經(jīng)元凋亡和軸突變性,進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙的病理生理并發(fā)癥[3-5]。其中繼發(fā)性腦損傷(secondary traumatic brain injury, sTBI)導(dǎo)致的神經(jīng)功能障礙一直是臨床上治療TBI的重點(diǎn)和難點(diǎn),亦是導(dǎo)致患者高致殘率的最主要原因。
紅景天(rhodiola rosea)是廣泛分布于歐洲、亞洲和美國(guó)的一種天科類植物,紅景天苷(salidroside, Sal)是其主要生物活性成分之一,在我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中被廣泛用于預(yù)防和治療各種疾病。在藥代動(dòng)力學(xué)中,Sal顯示出快速吸收和消除,在非生理?xiàng)l件下Sal的生物利用度升高,該成分及其代謝物(酪醇)能夠分布到腦組織并保持較高的濃度[6]。而且,在各種動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)中Sal幾乎沒(méi)有明顯的毒性或副作用[7-8]。已有研究表明,正常大鼠在靜脈或口服給藥后,Sal在大腦中呈低水平分布[9],TBI后放大的促炎機(jī)制以及內(nèi)皮緊密連接蛋白表達(dá)下降[10],導(dǎo)致血腦屏障(blood brain barrier, BBB)開(kāi)放[11-12],大量Sal進(jìn)入腦組織后,通過(guò)抑制NF-κB/NLRP3通路下調(diào)腦組織中炎癥小體釋放,促進(jìn)腦組織中能量代謝和BBB中緊密連接蛋白閉塞帶-1(zonula occludens-1, ZO-1)、閉塞蛋白(occludin)和claudin-5的表達(dá)[13],達(dá)到改善神經(jīng)傳導(dǎo)功能、減輕神經(jīng)炎癥,促進(jìn)神經(jīng)再生和屏障功能恢復(fù)的作用[14-17]。雖然針對(duì)TBI各國(guó)都采取了相應(yīng)措施(如配戴頭盔、安全帶立法等),但TBI在全球的發(fā)生率仍呈上升趨勢(shì)[18]。而Sal作為一種對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有益的治療藥物,如何恢復(fù)TBI后神經(jīng)活性及功能,其作用機(jī)制還尚無(wú)總結(jié),因此本文就其在sTBI中促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)的作用機(jī)制進(jìn)行綜述,以期為sTBI的臨床治療提供借鑒和參考。
sTBI是在原發(fā)顱腦損傷的基礎(chǔ)上,一系列生化級(jí)聯(lián)反應(yīng)誘導(dǎo)并加重的腦組織損傷。它產(chǎn)生的OS是伴隨TBI整個(gè)過(guò)程并導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙的最重要原因之一。sTBI患者體內(nèi)H2O2和活性氧自由基(reactive oxide species, ROS)含量持續(xù)升高,抗氧化酶產(chǎn)生減少[19-20],進(jìn)而誘導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化、核和線粒體DNA損傷、神經(jīng)元凋亡、BBB破壞和炎癥介質(zhì)大量釋放[21-22],導(dǎo)致腦組織中小膠質(zhì)細(xì)胞廣泛激活。過(guò)量的ROS和活化的小膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)激活非經(jīng)典核因子-κB(noncanonical nuclear factor-κB, NF-κB)和分泌煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)氧化酶[23],促進(jìn)白細(xì)胞介素1β(interleukin 1β, IL-1β)、白細(xì)胞介素6(interleukin 6, IL-6)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)、ROS等過(guò)量產(chǎn)生[24-25],形成炎癥-氧化級(jí)聯(lián)反應(yīng)。此外,ROS與神經(jīng)元一氧化氮合酶(neuronal nitric oxide synthase, nNOS)以及突觸后密度蛋白95(postsynaptic density protein 95, PSD95)相互作用,形成高活性的過(guò)氧亞硝酸鹽,其與突觸表面谷氨酸能相關(guān)蛋白n-甲基-d-天冬氨酸(n-methyl-d-aspartate, NMDA)受體的酪氨酸殘基相互作用,導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞功能障礙[1]。隨后,小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥和OS產(chǎn)生慢性和進(jìn)行性神經(jīng)退行性改變,導(dǎo)致晚期神經(jīng)功能障礙和認(rèn)知缺陷[26-27]。由此可見(jiàn),sTBI源于ROS、炎癥介質(zhì)、過(guò)氧化物的過(guò)量產(chǎn)生,其中ROS與nNOS以及NMDA受體的物理偶聯(lián)是氧化損傷的關(guān)鍵。這種關(guān)聯(lián)表明,sTBI的抗氧化系統(tǒng)功能障礙可能與損傷后突觸病有關(guān)。
Sal是一種生物活性提取物,主要來(lái)自傳統(tǒng)藥用植物紅景天,其憑借更高的療效和安全性,已成為預(yù)防和治療sTBI的潛在神經(jīng)保護(hù)劑。已有研究發(fā)現(xiàn),Sal能顯著減小腦梗塞面積,預(yù)防腦水腫并改善神經(jīng)功能,對(duì)缺血性卒中具有強(qiáng)大的治療作用[7]。sTBI由于局部腦組織缺血缺氧、壞死,大量炎癥因子釋放,導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生大量的ROS,而過(guò)度富集的ROS誘導(dǎo)線粒體嵴擴(kuò)張、線粒體外膜破裂和細(xì)胞色素C釋放[28],受損線粒體進(jìn)一步釋放到細(xì)胞質(zhì)中,激活半胱天冬酶依賴性凋亡級(jí)聯(lián)事件,最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。值得我們關(guān)注的是,已有研究證明Sal誘導(dǎo)大腦中動(dòng)脈閉塞(middle cerebral artery occlusion, MCAO)大鼠腦組織中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione-S-transferase, GST)的活性升高[29-31],降低丙二醛(malondialdehyde, MDA)和8-羥基-2′-脫氧鳥(niǎo)苷(8-hydroxy-2′-deoxyguanosine, 8-OHdG)、NADPH氧化酶(NOx)水平,抑制ROS的產(chǎn)生[32],并通過(guò)增強(qiáng)PINK1-Parkin信號(hào)通路,促進(jìn)線粒體自噬,消除受損的線粒體[33],進(jìn)而顯著減輕缺血再灌注和神經(jīng)退行性疾病導(dǎo)致的神經(jīng)功能障礙。同時(shí)研究證明,Sal通過(guò)抑制NF-κB途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激來(lái)抑制脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)刺激的BV-2細(xì)胞中小膠質(zhì)細(xì)胞由M1型極化為M2型,使BV-2細(xì)胞中炎癥酶的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)降低,降低誘導(dǎo)性一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)、環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2, COX-2)和前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE)的產(chǎn)生,增加腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)、cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein, CREB)、神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor, NGF)等表達(dá)[34],解除nNOS與NMDA受體的物理偶聯(lián),從而降低神經(jīng)炎癥反應(yīng)和OS,促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)損傷后神經(jīng)再生[28,35-36]。另外,Sal還可以抑制TNF-α和PI3K/Akt/NF-κB等表達(dá),降低OS、炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡,從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[37-39]。由此可見(jiàn),OS是sTBI神經(jīng)功能障礙的重要原因之一,Sal通過(guò)增加抗氧化酶的表達(dá),抑制氧化因子的產(chǎn)生,可有效降低了sTBI的神經(jīng)損傷和神經(jīng)退行性病變。
眾所周知,神經(jīng)源性神經(jīng)炎癥是中樞神經(jīng)系統(tǒng)維持代謝平衡,以及許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病(包括TBI)的病理發(fā)展和進(jìn)展的關(guān)鍵組成部分[40-41],對(duì)TBI愈后有重要影響。sTBI引起的慢性炎性反應(yīng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)周甚至數(shù)年,常引發(fā)腦部一系列慢性神經(jīng)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變和死亡。sTBI死亡神經(jīng)元的碎片刺激神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Fis1升高,介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)線粒體碎裂釋放至胞外,并激活為M1型[42],進(jìn)而激活幼稚星形膠質(zhì)細(xì)胞極化為A1型并吸引小膠質(zhì)細(xì)胞遷移到炎癥部位,兩種細(xì)胞分泌多種炎性細(xì)胞因子,包括TNF-α和IL-6,以及細(xì)胞粘附分子和蛋白酶等。過(guò)量的炎癥介質(zhì)作用于BBB,導(dǎo)致其通透性增加,而大量TNF-α浸潤(rùn)降低突觸表面氨甲基磷酸(aminomethyl phosphonic acid, AMPA)受體GluR2亞基的表達(dá),導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超負(fù)荷誘導(dǎo)神經(jīng)元死亡和變性。同時(shí),小膠質(zhì)細(xì)胞補(bǔ)體受體3(complement receptor 3, CR3)激活后,從分支狀變形為變形蟲(chóng)形狀,促使局部吞噬作用和促炎功能增強(qiáng)[43],而激活的NADPH氧化酶與突觸表面AMPA受體結(jié)合,觸發(fā)突觸傳遞的長(zhǎng)期抑制[44],導(dǎo)致神經(jīng)血管、血腦屏障和神經(jīng)元損傷,最終出現(xiàn)認(rèn)知缺陷的發(fā)生和神經(jīng)變性[45-47]。此外,Perez等[48]發(fā)現(xiàn)TBI后海馬神經(jīng)元下調(diào) d-絲氨酸水平,增強(qiáng)星形膠質(zhì)細(xì)胞d-絲氨酸的強(qiáng)直釋放,激活鈣調(diào)磷酸酶/活化T細(xì)胞核因子(nuclear factor of activated T cells, NFAT)信號(hào)通路,導(dǎo)致神經(jīng)元的突觸強(qiáng)度降低和突觸蛋白損失(PSD95和GluR1),加重神經(jīng)炎癥反應(yīng)。而利用腺相關(guān)病毒(adeno-associated virus, AAV)抑制鈣調(diào)磷酸酶/ NFAT通路后,可以發(fā)現(xiàn)突觸前因子SPARCL1(hevin)的表達(dá)顯著增加,突觸功能部分恢復(fù),神經(jīng)炎癥也得到緩解[49]。綜上所述,神經(jīng)炎癥反應(yīng)與小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活狀態(tài)密切相關(guān),細(xì)胞的極化狀態(tài)影響了神經(jīng)突觸的恢復(fù),決定了sTBI預(yù)后。因此,揭示小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的極化機(jī)制,在sTBI的治療中尤為重要。
在sTBI病程發(fā)展過(guò)程中,炎癥反應(yīng)亦是造成神經(jīng)功能損傷和細(xì)胞死亡的重要原因之一。已有研究發(fā)現(xiàn),sTBI產(chǎn)生的炎癥介質(zhì)通過(guò)抑制基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)的活化、誘導(dǎo)緊密連接蛋白復(fù)合物的變異和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白下調(diào),促使BBB和血管內(nèi)皮滲透性升高。Sal激活SH-SY5Y 細(xì)胞中 DJ-1 -Nrf2 抗氧化途徑抑制MMP-9的活化[50],逆轉(zhuǎn)緊密連接蛋白(如claudin-5和occludin)的減少,從而改善BBB和血管內(nèi)皮滲透性、增強(qiáng)缺血后海馬CA1區(qū)域的神經(jīng)發(fā)生和功能重建[51]。另外,Sal誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞 (mesenchymal stem cells,MSCs) 分化為多巴胺能神經(jīng)元,并增加 DA 釋放[52],從而抑制神經(jīng)炎癥和促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)[53-54]。同時(shí),Sal通過(guò)激活PI3K/Akt信號(hào)通路,促進(jìn)Akt磷酸化水平和線粒體Bcl-2/Bax比值的增加[55],在氧-葡萄糖剝奪(CM-OGD)條件下,Sal激活A(yù)kt/GSK-3途徑,刺激大腦膠質(zhì)細(xì)胞增生[56-57],極化小膠質(zhì)細(xì)胞為M2型,星形膠質(zhì)細(xì)胞為A2型,從而顯著抑制炎癥因子的釋放并促進(jìn)微管相關(guān)蛋白2(microtubule-associated protein 2, MAP-2)的表達(dá)[58],進(jìn)而阻止腦內(nèi)皮中C3及其活性片段C3a的增加,降低大腦內(nèi)皮膠質(zhì)細(xì)胞活化和中性粒細(xì)胞浸潤(rùn),在OS后恢復(fù)抗炎內(nèi)皮表型[59]。Xiao等[60]研究發(fā)現(xiàn),Sal激活SIRT1通路增加自噬相關(guān)蛋白(Beclin-1和P62)的表達(dá),降低炎癥因子(TNF-降、IL-1降和IL-6)和ROS產(chǎn)生,以及凋亡相關(guān)基因表達(dá)(BAX和BCL-2),顯著緩解膿毒性腦病小鼠神經(jīng)炎癥和神經(jīng)損傷。由此可見(jiàn),Sal可以促進(jìn)sTBI神經(jīng)細(xì)胞再生,抑制神經(jīng)炎癥和神經(jīng)細(xì)胞凋亡。雖然部分機(jī)制已被揭示,但其如何調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)的機(jī)制尚不完全清楚,仍需要進(jìn)一步探索。
谷氨酸興奮性神經(jīng)毒性反應(yīng)是sTBI的早期事件,是加速缺血損傷區(qū)域細(xì)胞死亡的重要原因。谷氨酸是脊椎動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的氨基酸,主要由神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中的谷氨酰胺通過(guò)磷酸鹽依賴性線粒體谷氨酰胺酶的作用,以及谷氨酸脫氫酶對(duì)α-酮戊二酸的轉(zhuǎn)氨酰胺反應(yīng)合成,從所有興奮性突觸中釋放出來(lái)[61]。sTBI的缺血損傷區(qū)域細(xì)胞裂解,細(xì)胞外谷氨酸水平迅速升高,游離谷氨酸作用于正常突觸后膜的2個(gè)主要神經(jīng)遞質(zhì)受體:NMDA受體和AMPA受體,導(dǎo)致突觸后膜離子門(mén)控通道開(kāi)放,促使Na+內(nèi)流和Ca2+超載,細(xì)胞骨架破壞,線粒體膜電位崩潰,電子傳遞鏈異常,導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元去極化和神經(jīng)炎性改變、死亡[1]。另外,缺血損傷后線粒體膜電位的改變導(dǎo)致ATP水平降低,無(wú)法滿足其較高的能量的需求,促使細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載和ROS的應(yīng)激損傷,加劇一系列促凋亡物質(zhì)的產(chǎn)生,如一氧化氮(nitric oxide, NO)、超氧化物(O2-)和過(guò)氧化氫等,最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[28]。由此可見(jiàn),谷氨酸神經(jīng)毒性反應(yīng)是sTBI神經(jīng)細(xì)胞死亡的重要途徑,細(xì)胞外基質(zhì)中谷氨酸富集和Ca2+超載引起細(xì)胞骨架破壞、線粒體崩解、電子傳遞鏈異常和神經(jīng)細(xì)胞死亡。而如何干預(yù)這一級(jí)聯(lián)反應(yīng),減少sTBI谷氨酸釋放和線粒體損傷,及時(shí)清除凋亡介質(zhì)和受損線粒體,維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài),是sTBI治療面臨的最大挑戰(zhàn)之一。
盡管sTBI損傷的病理生理學(xué)機(jī)制多種多樣,但大部分學(xué)者認(rèn)為神經(jīng)元死亡是由細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)的。正常情況下谷氨酸主要來(lái)源是突觸的溢出,以及星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞釋放。而星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元上的興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(excitatory amino acid transporter, EAAT)通過(guò)再攝取去除組織中過(guò)多的谷氨酸,從而維持細(xì)胞內(nèi)外谷氨酸平衡。sTBI由于星形膠質(zhì)細(xì)胞變性和死亡,其表達(dá)谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(EAAT1和EAAT2)的比例相對(duì)下降,引起線粒體膜斷裂和活性降低、氧化還原系統(tǒng)失衡、鈣穩(wěn)態(tài)破壞,導(dǎo)致細(xì)胞外液(extracellular fluid, ECF)的谷氨酸值立即升高,重吸收障礙,進(jìn)而引起神經(jīng)興奮性毒性反應(yīng),甚至進(jìn)一步擴(kuò)大病理組織的體積[62]。已有研究發(fā)現(xiàn),Sal激活Nrf2 / HO1、PINK1 / Parkin和Sirt1/p53/Drp1信號(hào)通路,抑制過(guò)量Ca2+流入[38],增加星形膠質(zhì)細(xì)胞中線粒體自噬通量[63],誘導(dǎo)原發(fā)性小膠質(zhì)細(xì)胞極化為M2表型,增強(qiáng)其吞噬作用并抑制炎性細(xì)胞因子釋放[58,64]。通過(guò)上調(diào)Glu損傷的HT22細(xì)胞的細(xì)胞活力、ATP水平、Na+-K+-ATP酶活性和線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)穩(wěn)定性,降低脂質(zhì)過(guò)氧化和ROS水平,減少缺氧誘導(dǎo)的線粒體裂變,增加線粒體管狀或線狀形態(tài),從而維持線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài),有效地保護(hù)神經(jīng)元免受谷氨酸誘導(dǎo)的興奮性毒性,起到促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞再生和恢復(fù)神經(jīng)活性的作用[65-67]。上述研究表明,Sal對(duì)Ca2+水平的強(qiáng)調(diào)節(jié)作用,不僅可以減弱ROS對(duì)線粒體的損傷,促進(jìn)線粒體自噬,維持線粒體穩(wěn)態(tài);而且可以調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞表面標(biāo)志物的表達(dá),增強(qiáng)其吞噬和抑炎作用,有助于保護(hù)神經(jīng)元免受缺血性損傷引起的神經(jīng)興奮性毒性損傷。相關(guān)機(jī)制總結(jié)見(jiàn)圖1。
圖1 紅景天苷改善sTBI神經(jīng)功能障礙的相關(guān)機(jī)制
本文綜述了Sal在sTBI中的抗OS、神經(jīng)炎癥反應(yīng)和神經(jīng)興奮性毒性反應(yīng)中的作用和機(jī)制。TBI后,Ca2+超載、炎癥介質(zhì)釋放和ROS過(guò)剩,導(dǎo)致顱內(nèi)抗氧化機(jī)制和能量代謝失衡,BBB滲透性改變,進(jìn)而產(chǎn)生一系列神經(jīng)官能綜合征。而這一級(jí)聯(lián)反應(yīng)也為預(yù)防sTBI導(dǎo)致的神經(jīng)功能障礙提供了藥物干預(yù)的窗口期。Sal作為一種天然、安全的抗氧化劑,在多種全身性疾病模型中顯示出強(qiáng)大的抗氧化和神經(jīng)保護(hù)能力。Sal通過(guò)消除多余ROS、調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)、抑制炎癥因子釋放和穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu),有效減少神經(jīng)細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng),促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞再生。然而,隨著野生Sal的植物資源減少,傳統(tǒng)提取方法難以滿足市場(chǎng)需求。因此,化學(xué)合成和生物合成等方法已在當(dāng)前研究中得到開(kāi)發(fā)和利用。Sal在臨床上多用于中風(fēng)康復(fù)和治療高原缺氧。雖然sTBI及其治療的臨床研究和動(dòng)物研究較多,但大部分研究單一,實(shí)驗(yàn)成果有限,且尚無(wú)數(shù)據(jù)可以為患者提供安全有效的臨床證據(jù)。另外,到目前為止,還沒(méi)有一種Sal制劑進(jìn)入醫(yī)學(xué)臨床試驗(yàn)。因此,為了更好地指導(dǎo)Sal的臨床應(yīng)用,應(yīng)當(dāng)結(jié)合Sal在分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和代謝工程中的廣闊應(yīng)用前景,采用先進(jìn)的技術(shù)和方法對(duì)Sal進(jìn)行更深入的研究,以期待更多高質(zhì)量和大型的臨床實(shí)驗(yàn),為Sal在臨床中應(yīng)用提供進(jìn)一步的依據(jù)。