[摘" "要]" "對近年來蝦青素(astaxanthin, AST)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病防治中的生物學功能和研究進展進行分析總結,特別關注其抗炎、抗氧化及抗細胞凋亡的作用機制,著重概括其在阿爾茨海默病、帕金森病、腦和脊髓損傷、癲癇和糖尿病腦病中的作用及其機制。AST作為一種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的多靶點藥物,有良好的臨床應用前景,值得深入研究。
[關鍵詞]" "蝦青素;阿爾茲海默病;帕金森病;腦損傷;脊髓損傷;癲癇;糖尿病腦病
[中圖分類號]" "R741" " " " " " " "[文獻標志碼]" "B" " " " " " " "[文章編號]" "1674-7887(2024)03-0266-05
神經(jīng)系統(tǒng)疾病是構成人類殘疾和死亡的主要原因之一。據(jù)估計,全球每年有數(shù)百萬人遭受神經(jīng)系統(tǒng)疾病的影響[1]。神經(jīng)炎癥、氧化應激以及神經(jīng)細胞凋亡等治療過程異常復雜,涉及多個細胞類型、作用靶點以及不同的治療階段[2]。近年來,干細胞移植和電磁場刺激等新型治療方法在神經(jīng)退行性疾病的治療中嶄露頭角,而特定神經(jīng)營養(yǎng)因子的輔助治療也取得了顯著效果。蝦青素(astaxanthin, AST)作為一種針對阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)、帕金森?。≒arkinson′s disease, PD)、腦和脊髓損傷、癲癇以及糖尿病腦?。╠iabetic encephalopathy, DE)等神經(jīng)系統(tǒng)疾病有潛在治療效果的多靶點藥物,日益受到更廣泛的關注[3]。AST是一種青素,為類胡蘿卜素的一種,也是類胡蘿素合成的最高級別產(chǎn)物,被稱為紅色海洋維生素,存在于自然界的蝦、蟹、鮭魚等水生動物體內(nèi)。AST與β-胡蘿卜素、葉黃素和玉米黃質(zhì)密切相關,它們具有許多共同的生物學功能,如抗氧化性和抗炎活性等。AST作為一種脂溶性化合物是唯一能通過血腦屏障的一種類胡蘿卜素[4-5]。AST展現(xiàn)出多種生物學功能,包括強大的抗氧化作用[6]和抗炎性能[7],為治療急、慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了可能的應用潛力。本綜述專注于探討AST在神經(jīng)保護中的關鍵角色,特別是其如何通過抗炎、抗氧化以及抑制細胞凋亡等機制發(fā)揮作用,并深入解析這些作用的潛在機制。
1" "AST與AD
AD是一種在老年群體中較為常見的神經(jīng)退行性疾病,其確切的病理機制尚未完全明了。目前普遍認為AD的主要特征為β-淀粉樣蛋白在大腦皮層和海馬區(qū)形成的老年斑和神經(jīng)纖維纏結,這些變化導致了局部神經(jīng)元的丟失[8]。此外,β-淀粉樣蛋白的聚集和斑塊沉積、tau蛋白的過度磷酸化、神經(jīng)血管功能障礙、細胞周期的異常、炎癥、氧化應激和線粒體功能障礙等因素在AD的發(fā)展中扮演著關鍵角色[9]。有趣的是,AST具備穿透哺乳動物血腦屏障的能力,從而增強大腦的抗氧化防護。
AST通過多種機制展現(xiàn)了其對抗AD的潛力。它能降低Caspase-3酶的活性,減少Bax蛋白和NF-κB的激活,從而緩解IL-1β和TNF-α引起的大腦損傷[10]。同時,AST通過減輕線粒體氧化應激,激活T細胞核因子,以及增加RyR2基因表達,有效對抗β-淀粉樣蛋白對海馬原代細胞的傷害[11]。此外,它還可以通過限制鈣離子的流入,降低細胞毒性,保護大腦細胞。因此,AST成為治療AD及其他神經(jīng)退行性疾病的有力候選物質(zhì)。
血漿中谷胱甘肽含量與AD患者的認知功能衰退程度存在顯著關聯(lián)[12]。天冬氨酸能防護L-谷氨酸引起的PC12細胞死亡,這一保護作用主要通過調(diào)節(jié)Bax/Bcl2信號通路實現(xiàn)[13],表明其具備預防或修復神經(jīng)元疾病的潛力。此外,向雙轉基因小鼠投喂AST及其衍生物二十二碳六烯酸?;疉ST二酯(docosahexaenoic acid acylated AST diester, AST-DHA)的實驗,展現(xiàn)了AST-DHA作為潛在AD治療藥物的可能性;通過徑向八臂迷宮實驗、水迷宮實驗、β-淀粉樣蛋白濃度測定及蛋白質(zhì)印跡分析,觀察到小鼠的認知功能明顯改善[14]。AST通過降低氧化應激減輕了腦缺血相關損傷,并激活抗氧化酶血紅素加氧酶1(heme oxygenase 1, HO-1)的表達,保護神經(jīng)母細胞瘤細胞免遭β-淀粉樣蛋白引起的氧化性細胞死亡。這些發(fā)現(xiàn)進一步證實了AST在防治AD及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的潛在價值[10]。
2" "AST與PD
PD是繼AD之后,全球第二大常見的神經(jīng)退行性疾病,其發(fā)病與年齡顯著相關,全球患病率為0.1%~0.2%,而80歲以上人群上升至3%[15]。該病的典型病理特征包括中腦內(nèi)多巴胺能神經(jīng)元的大量丟失和α-突觸核蛋白(又稱路易小體)的異常聚集,這些變化不僅導致了運動功能的顯著障礙,還引發(fā)了多種非運動性癥狀,如認知障礙和情緒問題,這些癥狀反映了非多巴胺能通路的損傷[16]。
在PD的發(fā)病機制中,氧化應激和神經(jīng)炎癥扮演著關鍵角色[17],因此尋找能夠抑制關鍵分子通路,從而阻斷疾病進展的策略成為研究的重要方向。在這一背景下,AST作為一種具有多重靶點的潛在藥物發(fā)揮了顯著效果,特別是在同型半胱氨酸誘導的大鼠海馬區(qū)神經(jīng)毒性和細胞凋亡模型中,AST有效調(diào)節(jié)了活性氧(reactive oxygen species, ROS)介導的氧化損傷和線粒體功能障礙,并抑制了PI3K/AKT和MAPK等關鍵信號通路的激活,表明AST具有治療PD等神經(jīng)退行性疾病的潛能[18]。
B.GRIMMIG等[19]在1-甲基-4-苯基-1, 2, 3, 6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1, 2, 3, 6-tetrahydropyridine, MPTP)誘導PD的實驗模型中,比較了老年小鼠和幼齡小鼠黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的反應,結果表明,AST能保護幼齡小鼠的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元免受MPTP的損害,但對老年小鼠中黑質(zhì)酪氨酸羥化酶的失活沒有保護作用。因此,衰老可能是開發(fā)新的PD治療方法時需要考慮的一個關鍵因素。
在另一項研究[20]中,AST能減緩1-甲基-4-苯基吡啶離子(1-methyl-4-phenylpyridinium ion, MPP+)誘導的人神經(jīng)母細胞瘤細胞SH-SY5Y中ROS的生成,這一效果可能與α-突觸核蛋白水平的降低、半胱氨酸天冬氨酸氨基轉移酶-3的改變以及Bax/Bcl2比值的減少有關,同時還觀察到超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和酪氨酸羥基酶水平的升高。
此外,X.B.LIU等[21]研究表明,AST通過其抗氧化作用和對線粒體的保護能力,有效抑制了6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine, 6-OHDA)或DHA過氧化氫誘導的SH-SY5Y細胞凋亡、細胞內(nèi)ROS產(chǎn)生和線粒體功能障礙。AST還通過阻斷p38MAPK的磷酸化、降低Caspase3/9的活性以及減少聚ADP核糖聚合酶的聚集來抑制由6-OHDA引起的細胞凋亡和線粒體功能障礙[22]。
3" "AST與腦和脊髓損傷
腦和脊髓損傷是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最常見的損傷類型,全球每年都有數(shù)百萬人遭受此類傷害[23]。損傷過程包括原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷,后者涉及炎癥反應、氧化應激、細胞凋亡等多個復雜機制,導致血腦屏障功能障礙、進一步的水腫和神經(jīng)細胞損害[24]。
在腦損傷研究[25]中,AST能有效減輕腦水腫、血腦屏障的損壞以及Caspase-3相關的細胞凋亡,尤其是在蛛網(wǎng)膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage, SAH)模型中,其神經(jīng)保護作用主要歸因于強大的抗氧化能力,包括在嚙齒類動物模型中減少丙二醛水平,提高谷胱甘肽和超氧化物歧化酶的活性。體內(nèi)研究[26]也發(fā)現(xiàn),AST能顯著阻止過氧化氫誘導的細胞凋亡,改善神經(jīng)功能障礙并減小梗死體積。此外,AST通過上調(diào)SH-SY5Y細胞中HO-1、熱休克蛋白(heat shock protein, Hsp)32和Hsp90的表達,對抗氧糖剝奪引起的氧化應激,進一步證實了其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷中的神經(jīng)保護作用。
AST改善血腦屏障功能紊亂、腦水腫和細胞凋亡等[27]。通過降低SAH后大鼠前額葉皮質(zhì)中Caspase-3、Bax/Bcl2比值及細胞色素C的水平,AST改善了線粒體膜電位、腦血管痙攣和與線粒體相關的神經(jīng)元凋亡[28]。X.S.ZHANG等[29]研究表明,AST能通過抑制Toll樣受體4信號通路、增加Sirtuin 1和隨后的炎癥反應來預防SAH損傷,進一步揭示了炎癥在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷中的重要作用。在SAH大鼠模型中,AST下調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶-9的表達,這與抑制中性粒細胞和小膠質(zhì)細胞的浸潤以及降低TNF-α和IL-1β的表達有關[30]。
近期研究成果進一步闡釋了Na+/K+/Cl-共轉運體(Na+-K+-Cl- cotransporter, NKCCs)和水通道蛋白(aquaporin, AQPs)在創(chuàng)傷性腦損傷引發(fā)的腦水腫中發(fā)揮的關鍵作用。AST被發(fā)現(xiàn)能降低小鼠腦組織中的AQP4和NKCC1水平,從而減輕腦水腫[31]。M.K.ZHANG等[32]研究顯示,AST通過調(diào)節(jié)NF-κB信號通路來降低NKCC1的表達,進而抑制炎癥因子的產(chǎn)生,保護星形膠質(zhì)細胞免受傷害。
在脊髓損傷的大鼠模型研究中,S.FAKHRI等[33]稱,AST能有效降低n-甲基-d-天冬氨酸受體亞基2B(n-methyl-d-aspartate receptor subunit 2B, NR2B)、TNF-α和磷酸化p38MAPK的表達,保護大鼠脊髓壓迫模型中的組織和神經(jīng)元免遭損害,并顯著改善感覺運動功能。此外,脊髓損傷后,AST能適當調(diào)整p-AKT/AKT和p-ERK/ERK的蛋白表達水平,進一步強調(diào)了其在促進脊髓損傷修復中的潛在神經(jīng)保護作用[34]。
4" "AST與癲癇
癲癇也是神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的一員,其核心特征為中樞神經(jīng)系統(tǒng)突發(fā)性異常過度放電。研究[35]表明,孕期母體的癲癇病史與子代出現(xiàn)腦損傷和認知缺陷的風險增加有著密切關聯(lián)。在這一過程中,氧化應激扮演了重要角色,通過減少ROS的生成,可能對抗癲癇并減輕炎癥反應,進而將癲癇的復發(fā)和(或)加重降至最低水平。
研究[36]發(fā)現(xiàn),AST能有效改善孕鼠在妊娠期癲癇發(fā)作引起的新生大鼠海馬神經(jīng)元損傷。出生前給予AST,可顯著減輕仔鼠的海馬神經(jīng)元損傷,降低氧化應激水平,并促進cAMP反應元件結合蛋白(cAMP response element binding protein, CREB)和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的表達。
因此,AST在改善癲癇母體胎盤的缺血性損傷方面展現(xiàn)出了潛在的效用,為癲癇產(chǎn)婦的子代腦損傷的預防提供新的希望。
5" "AST與DE
眾所周知,高血糖狀況易對海馬區(qū)和大腦皮層的神經(jīng)元造成損傷,進而嚴重影響空間學習和記憶能力。AST具有降低血糖、抗氧化和抗細胞凋亡的多重功效,能有效改善DE引發(fā)的認知功能障礙。然而,AST緩解DE導致的認知障礙及其作用機制尚不明確。
X.Y.ZHOU等[37]通過使用鏈脲佐菌素(STZ, 150 mg/kg)誘發(fā)ICR小鼠的DE模型,研究了AST對DE小鼠認知功能的影響及其潛在機制。結果顯示,在Morris水迷宮測試中,AST顯著減短了小鼠的潛伏期,并增加了小鼠在目標象限內(nèi)的游泳距離和停留時間。同時,AST治療后,海馬區(qū)CA3區(qū)和額葉皮質(zhì)的神經(jīng)元存活率顯著提高。R.MATTEI等[38]通過免疫印跡法檢測大鼠海馬區(qū)和額葉皮質(zhì)中的NF-κB p65的核內(nèi)轉移及TNF-α的表達,結果顯示,AST可能通過抑制NF-κB的活化和減少TNF-α的表達來保護神經(jīng)元免受炎癥的損害,從而有效改善認知功能。因此,AST對于糖尿病所致的認知障礙展現(xiàn)了顯著的神經(jīng)保護作用,其作用機制涉及減輕海馬區(qū)和額葉皮質(zhì)的細胞炎癥反應及細胞死亡。AST的神經(jīng)保護特性為治療DE提供了一種可能的治療策略。
6" "AST的應用與局限性
目前,AST已在歐美、日本及東南亞多個國家的生物醫(yī)學領域與科學研究領域得到廣泛應用。然而在我國,除科學研究領域和醫(yī)療保健領域外,對其知之甚少??赡茉颍菏紫?,AST的生物利用度還較低,僅有一部分能被腸道細胞所吸收。其次,AST在水溶液中的分散性和溶解性較差,易受光照、氧化和熱應力的影響而降解,提取高純度和高質(zhì)量的AST成為研究的重點和難點。最后,雖然AST在體外展現(xiàn)出顯著的神經(jīng)保護特性,但因缺乏針對中樞神經(jīng)的有效遞送系統(tǒng),還未能充分發(fā)揮其潛在的效應,同時也限制了其在生物醫(yī)學和藥物開發(fā)領域的應用。
為進一步擴展AST的應用領域和提高其效用,當前的研究焦點包括利用納米技術、脂質(zhì)包裹體以及乳化技術等藥物輸送系統(tǒng)[39],以增強AST的穩(wěn)定性、提高其在水環(huán)境中的溶解度,并實現(xiàn)對特定組織或器官的靶向傳輸,特別是中樞神經(jīng)系統(tǒng)。通過這些高效的輸送平臺,可以優(yōu)化AST的生物活性,使其在防治神經(jīng)退行性疾病、抗炎以及抗氧化應用中發(fā)揮更大的潛力。這不僅促進了自然產(chǎn)物臨床效能方面的新進展,也展現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)療保健領域利用天然資源應對健康挑戰(zhàn)的新趨勢。
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[收稿日期] 2023-09-22