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染料木素抗阿尔茨海默病的机制研究进展

更新时间:2024年11月08日阅读:194次 下载:12次 下载 手机版

作者: 赵明勇 1 凌迎春 2 李玲玲 3 钟芳芳 4

作者单位: 1. 绍兴文理学院医学院附属精神卫生中心精神科(浙江绍兴 312000) 2. 绍兴文理学院医学院附属精神卫生中心检验科(浙江绍兴 312000) 3. 绍兴文理学院医学院附属精神卫生中心产科(浙江绍兴 312000) 4. 绍兴文理学院附属医院/绍兴人民医院神经内科(浙江绍兴 312000)

关键词: 染料木素 植物活性药物 阿尔茨海默病 神经保护 雌激素 研究进展

DOI: 10.12173/j.issn.2097-4922.202408105

基金项目: 浙江省医药卫生科技计划基金项目(2022KY1309)

引用格式: 赵明勇,凌迎春,李玲玲,钟芳芳.染料木素抗阿尔茨海默病的机制研究进展[J]. 药学前沿,2024, 28(2):290-299.DOI: 10.12173/j.issn.2097-4922.202408105.

ZHAO Mingyong, LING Yingchun, LI Lingling, ZHONG Fangfang.Research progress on the mechanism of genistein in Alzheimer's disease[J].Yaoxue QianYan Zazhi,2024, 28(2):290-299.DOI: 10.12173/j.issn.2097-4922.202408105.[Article in Chinese]

摘要| Abstract

随着世界人口的老龄化,阿尔茨海默病(AD)的发病率不断上升。目前,AD已成为现代医学面临的最严重问题之一。染料木素是一种黄酮类的植物活性物质,由于其结构与雌激素相似,可以模拟雌激素的作用,具有多种生物活性,因其具有多途径靶向性和低毒性等特点,被认为是AD的一种有效的潜在治疗药物。本文对染料木素的药动学进行介绍,并从其类雌激素作用、抗氧化、抗炎、抗β-淀粉样蛋白、调节胆碱能神经传递和抑制Tua蛋白磷酸化等多个方面对染料木素在AD中的神经保护作用及作用机制进行综述。

全文| Full-text

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是痴呆的主要原因,其最常见、最典型的临床表现是老年患者隐匿性的、进行性的短时记忆的丧失 [1]。目前AD的确切发病机制仍不清楚,不同机制之间亦存在错综复杂的关系,AD的治疗也仍在不断的研究与摸索中。

近年来,诸多研究证实染料木素可通过多种机制发挥神经保护作用。染料木素,又名金雀异黄酮,是一种黄酮类的植物活性药物,其化学结构为5,7-二羟基-3-(4-羟基苯基)色烯-4-酮,分子式为C15H10O5(表1),其具有的多酚羟基结构是其发挥抗氧化活性的关键,而其苯酚环上的C4和C7在结构和功能上与雌激素E2上的酚基团相似,从而使其发挥类雌激素的生理活性。本文将对染料木素的药动学进行介绍,并对染料木素在体内外实验中所表现的类雌激素作用、抗氧化、抗炎、抗β-淀粉样蛋白(Aβ)、调节胆碱能神经传递和抑制Tua蛋白磷酸化等多种抗AD作用及其机制进行阐述,以期揭示其在改善患者认知功能、延缓疾病进展等方面的潜在临床应用价值,为AD的治疗提供新的思路和方法。

  • 表格1 染料木素的基本信息
    Table 1.Basic information of genistein

1 染料木素的药动学

药动学研究表明染料木素的口服生物利用度很低,其组织或血浆浓度已远低于其体外半抑制浓度,这可能影响其体内效率[2-3]。同时,门静脉血浆水平的生物利用度研究表明,染料木素苷元的生物利用度大于其糖苷的生物利用度,染料木素以糖苷形式被部分吸收[4]。与其他异黄酮类似,染料木素的内分泌作用也可归因于其主要代谢物(-)-(S)-雌马酚,这是一种由肠道微生物代谢产生的植物雌激素,染料木素被摄入体内后即被肠道微生物群代谢,这一代谢步骤包括β-葡萄糖苷酶水解糖部分,释放染料木素的苷元形式被认为是最活跃的代谢产物,但由于肠道和肝脏的广泛代谢,大多数吸收的染料木素在血浆中以葡萄糖醛酸盐或硫酸偶联的形式循环[5]。

2 染料木素治疗AD的作用机制

2.1 类雌激素作用

雌激素已被发现可以改善记忆力并降低AD的风险。雌激素是主要的甾体类女性性激素,主要在刺激初级卵泡发育时合成,具有控制排卵的多种生理作用之一。雌激素均具有神经活性,有显著的神经保护作用;更年期由于原始女性卵泡池的自然耗竭导致雌激素产生停止,内源性激素水平迅速下降,可能导致女性患AD的易感性增加[6-7]。早期流行病学研究发现,与未接受激素替代疗法(hormone replacement therapy,HRT)的妇女相比,接受HRT的妇女AD发病率降低[8- 9]。然而,由于雌激素对非神经元细胞(乳腺细胞)也有增殖和致癌作用,极大增加了使用雌激素的风险[10]。因此,结构与雌激素相似、能结合并激活雌激素受体的植物雌激素备受关注。

染料木素是所有异黄酮中雌激素活性最高的,由于其结构与雌激素相似,因此也被称为植物雌激素[11]。根据结合的雌激素受体不同,染料木素可以作为雌激素激动剂与内源性激素(雌二醇、E2或17β-雌二醇)发挥协同作用,或作为雌激素拮抗剂阻断雌激素受体(雌激素受体和β)诱导其构象变化从而导致其功能特性丧失,因此,染料木素又被称为选择性雌激素受体调节剂[12- 13]。Setiawan等[14]通过评估含染料木素食物喂养卵巢子宫切除大鼠模型中的雌激素水平发现,含染料木素的食物显著提高了大鼠血清雌二醇水平。Liu等[15]实验则是通过生物信息学的手段阐明了雌激素受体通过细胞焦亡通路导致神经炎症,并加重AD的过程。还通过进一步的分子对接试验证明染料木素与雌激素受体具有良好的结合能力,其有望成为AD治疗的相关靶点。既往体内研究表明,染料木素可能依赖于老年女性内源性大脑雌激素水平的方式发挥改善AD病理的作用,使β-分泌酶的mRNA 和蛋白质表达下调,减少大脑淀粉样斑块形成[16]。而且作为一种植物雌激素,染料木素并不会增加乳腺癌风险,因为植物雌激素为雌激素受体调节剂,而非与雌二醇类似以同样的亲和力与雌激素受体结合。相较于雌激素替代疗法治疗AD可能增加癌症发生的风险,染料木素在治疗AD的同时还具有抗肿瘤作用的优势。研究表明,染料木素可促进肿瘤细胞凋亡和细胞周期阻滞,抑制血管生成和转移,在预防癌症方面具有较大潜力[17]。因此,染料木素有望作为一种植物雌激素且低致癌风险的潜在HRT药物在AD中起保护作用。

2.2 抗氧化作用

氧化应激在AD的神经退行性变过程中也起重要作用,研究结果支持氧化应激是AD的早期事件,并随着疾病进展和病变形成而减少。此外,Aβ本身是一种促氧化剂,Aβ肽毒性是由自由基对细胞膜的损伤介导,Aβ可引起了脑细胞细胞膜的脂质过氧化。染料木素具有较强的抗氧化性能,可以消除活性氧和自由基, 染料木素在预防和治疗AD方面也显示出良好的抗氧化作用。一项探究染料木素抑制Aβ毒性作用及其机制的研究显示,染料木素可显著减轻转基因表达Aβ肽的秀丽隐杆线虫AD模型的神经毒性,并揭示了染料木素促进衰变加速因子蛋白16(decay acceleration factor protein 16,DAF-16)入核,提高热休克蛋白-16.2(heat shock protein-16.2,HSP-16.2)的表达水平;并通过其抗氧化活性降低脂褐素水平,调节固醇代谢通路抑制Aβ毒性的作用机制 [18]。而一项探究染料木素与核红细胞2相关因子(Nrf2)关系在AD发病机制中的研究提示,染料木素可促进血红素氧合酶-1 (heme oxygenase,HO-1)mRNA和蛋白的表达,以及磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)p85的磷酸化水平,此外,染料木素通过HO-1信号通路增加了Aβ  25-35处理过的人神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y)的存活率,而这一过程可被Nrf2的小干扰核糖核酸(siRNA)抑制 [19]。汪婷婷等[20]也探究了染料木素对AD模型小鼠氧化应激水平和B淋巴细胞-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)的影响,通过使用不同剂量染料木素连续49 d灌胃处理Aβ 25-35构建的AD大鼠模型,发现AD大鼠血清超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)及谷胱甘肽(glutathione,GSH)的水平明显升高,丙二醛(malondialdehyde,MDA)水平降低,表明染料木素可提高机体抗氧化能力,同时染料木素还可上调凋亡相关蛋白Bcl-2的表达,有效减少神经元丢失,改善AD模型大鼠的学习记忆能力。此外,一项探究胆固醇氧化产物与AD发病机制的研究证明24-羟化胆固醇可促进神经元细胞的氧化,增强Aβ诱导的神经元细胞坏死和凋亡,而染料木素可抑制促氧剂24-羟化胆固醇的作用,减少Aβ诱导的大鼠脑突触中活性氧的过量产生以及氧化型GSH/GSH比,从而保护神经元细胞 [21]。Petry等[22]发现10 mg/kg染料木素灌胃10 d可显著减轻Aβ 42引起的大鼠额叶皮质的神经节苷脂水平的降低。锰-SOD(Mn-SOD)可以消除超氧化物自由基,在线粒体功能障碍中起关键防御作用, MnSOD的缺失会增加AD脑中斑块和神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFT)的形成,Kairane等[23]探究了AD患者中染料木素与脑皮质MnSOD活性的关系,发现染料木素可直接清除自由基,增加MnSOD的表达。Setiawan等[14]研究还发现,含染料木素的食物喂养大鼠显著提高了大鼠血清SOD水平,表明染料木素可通过抗氧化活性发挥神经保护作用(表2)。

  • 表格2 染料木素抗氧化机制
    Table 2.Antioxidant mechanism of genistein

2.3 抗炎作用

神经炎症假说被认为是AD的发生机制之一,其标志是中枢神经系统的固有免疫细胞,主要是小胶质细胞和星形胶质细胞,在各种病理损伤的情况下产生一系列促炎细胞因子,这些促炎因子的释放会导致突触功能障碍,抑制神经形成,甚至导致神经元死亡[24]。AD患者最初的神经系统改变是Aβ沉积部位周围的小胶质细胞激活,增加促炎细胞因子水平,同时,核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信号通路中激活引起的炎症也是AD等神经退行性疾病发生的关键[25]。

染料木素具有抗炎作用。为探究染料木素在小胶质细胞活化与神经炎症这两个与AD发病密切相关的病理进程中的作用,Zhou等[26]研究发现,随着Aβ 25-35的积累,BV-2小胶质细胞中Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)的表达增加,TLR4被激活后,可通过信号转导激活NF-κB信号通路,NF-κB可通过调节几种炎症介质和细胞因子的表达引起炎症反应。其结果显示,经50 µmol/L染料木素预处理BV-2小胶质细胞2  h后,可抑制TLR4的表达,说明染料木素可通过阻断TLR4抑制NF-κB活性,从而发挥抗炎作用。这与Seo等[27]探究染料木素抗神经炎症作用机制的研究相一致,即染料木素可以阻断NF-κB与靶向DNA的结合,从而拮抗AD的神经炎症作用。染料木素的抗炎作用还体现在抑制炎症因子水平上。在一项研究染料木素改善脂多糖诱导的认知功能障碍的研究中发现,染料木素可降低小鼠模型海马中白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、Nrf2、NF-κB、TLR4、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、环氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)等多种炎症因子水平,改善小鼠的神经炎症和认知功能 [28- 29]。Valles等[30]也为探究染料木素在改善神经炎症中的作用机制开展了相关研究,结果显示,使用染料木素预处理Aβ诱导损伤的星形胶质细胞后,过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator activated receptor,PPARs)表达上调,COX-2、iNOS、IL-1β和TNF-α等多种炎症介质也受到控制,表明染料木素的抗炎作用可能是通过PPARs介导和激活,进而抑制原代培养的星形胶质细胞中Aβ引起的多种炎症反应(表3)。

  • 表格3 染料木素抗炎机制
    Table 3.Anti-inflammatory mechanism of genistein

2.4 抗Aβ作用

淀粉样斑块,通常也称为老年斑块,在AD患者大脑中发现由Aβ沉积形成的,其蛋白沉积核心周围被结构异常的神经元包围,Aβ由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)水解,在正常生理条件下,APP分泌可溶性Aβ,可促进神经突生长,提高神经元存活率,保护神经元活性,然而,在病理状态下,APP在β位点APP切割酶1(β-site APP cleaving enzyme,BACE1)的作用可下分泌不溶性的Aβ,不溶性Aβ在沉积和聚集后具有强烈的神经毒性作用,导致AD神经元凋亡和功能障碍[31-32]。因此,减少Aβ生成与加速Aβ分解的尝试可能成为治疗AD的潜在有效手段。

染料木素已被证明具有抗Aβ作用。Fang等 [33]通过分子对接和分子动力学模拟来揭示染料木素对Aβ 42多肽构象改变机制的研究表明,染料木素对其构象转换有抑制作用,降低Aβ 42肽的β-片层二级结构比例,同时诱导无规则卷曲结构的形成。Youn等[34]通过BACE1抑制实验及酶动力学预测评估了染料木素体外抗AD活性,结果显示染料木素通过可逆非竞争性机制与BACE1中的重要氨基酸残基,如ASN37、GLN73和TRP76,通过氢键相互作用,显著抑制BACE1,从而减少不溶性Aβ的产生。Das等[35]的研究筛选了抑制BACE1的天然活性药物,并通过硫黄素T及绿色荧光蛋白偶联的Aβ筛选出的染料木素还具有抑制Aβ聚集的作用。此外,Shentu等[36]发现染料木素可以抑制APP T668位点的磷酸化,从而抑制Aβ的产生。Hirohata等 [37]观察到染料木素与Aβ单体、寡聚体和纤维均可相互作用,还与多种不同Aβ片段相互作用,并可直接结合聚集程度最高的Aβ 25-35片段,防止Aβ 25-35聚集体的形成,这表明染料木素的抗淀粉样变性特性是由其与Aβ结合所介导的。染料木素还被发现具有很强的抑制能力,可以抑制Aβ的聚集,改变Aβ的二级结构,将Aβ重塑为无结构并且具有较低的神经毒性的聚集体,当Aβ-染料木素的摩尔比为1 ∶ 5时,对Aβ诱导损伤的细胞保护效果最好[12]。Sang等[38]在其前期研究的基础上开发了染料木素的多靶点靶向配体,体外实验证实其显著抑制了自诱导、人源乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase,AChE)诱导和铜离子诱导的Aβ聚集,并具有良好的血脑屏障通透性。Viña等[39]建立在前期动物实验的基础上,开展了染料木素治疗伴有前驱症状的AD患者的双盲、安慰剂对照的二期临床研究,发现每天口服补充120 mg染料木素持续1年可显著改善患者神经认知功能,并且可减少前扣带回的Aβ的沉积。因此,染料木素能有望成为AD中针对形成的预防策略的一种治疗选择(表4)。

  • 表格4 染料木素的抗Aβ机制
    Table 4.Anti-Aβ Mechanism of Genistein

2.5 调节胆碱能神经传递

中枢胆碱能神经系统功能障碍和神经递质乙酰胆碱缺乏是AD患者认知能力下降的关键机制。与正常人相比,AD患者基底核胆碱能神经元丢失严重,健康成人约五十万个,而晚期AD患者不到十万个[40],并且剩余的神经元中胆碱乙酰转移酶的转录水平也有显著的降低[41]。鉴于AD的典型临床表现,Rosenberg等[42]推断胆碱能神经元的丧失以及随之而来的多巴胺传递受损可能是导致AD相关精神症状的重要因素。

越来越多的研究证明染料木素可能通过调节胆碱能神经传递在AD治疗中发挥作用。Jhamandas等[43]通过膜片钳检测到Aβ可引起胆碱能布洛卡斜角带(diagonal band of broca,DBB)神经元兴奋性增加和适应性丧失,而染料木素除了可以作为一种酪氨酸蛋白激酶(protein  tyrosine kinase,PTK)抑制剂发挥作用外,还可以改善Aβ介导的胆碱能神经元细胞K+电流的降低及Ca2+、K+通道开放。Guo等[44]亦观察到染料木素能有效逆转Aβ引起的海马神经元细胞烟碱型乙酰胆碱受体(nictinic acetylcholine receptor,nAChR)的降低。Orhan等[45]报道染料木素及多种黄酮类化合物对AChE和丁酰胆碱酯酶均有不同程度的抑制作用。李长兴等[46]同样证明低剂量染料木素可降低雌激素诱导的AD大鼠海马区内乙酰胆碱、5-羟色胺、多巴胺等多种神经递质水平,改善AD大鼠的学习记忆功能。此外,低剂量的染料木素会延长大鼠的逃避潜伏周期,表明染料木素可能促进乙酰胆碱与胆碱能受体的结合能力或促进了突触前膜对胆碱的摄取能力。时健 [3]设计了一种新型的染料木素-O-烷基胺衍生物,体外试验表明该衍生物是一种可逆的高选择性的AChE抑制剂,进而通过动力学研究和分子对接分析发现该衍生物是一种混合型AChE抑制剂,可与AChE上的催化活性位点结合。一项评估染料木素对Aβ 42诱导的大鼠认知功能障碍的保护作用的研究发现,连续10 d的侧脑室注射10 mg/kg的染料木素可显著减轻Aβ 42引起的突触小泡及突触后密度蛋白95的减少和胞外信号调节激酶(extracelluar regulated protein kinases,ERK)失活[47]。Qiang等[48]通过设计一系列染料木素衍生物探究其改善AD的作用及其相关机制,发现一些染料木素的衍生物表现出良好的AChE抑制作用,从而改善小鼠的认知障碍和记忆障碍,表明染料木素可以通过调节胆碱能神经传递来发挥神经保护作用(表5)。

  • 表格5 染料木素调节胆碱能神经传递的机制
    Table 5.Mechanism of regulation on cholinergic neural transmission by genistein

2.6 抑制Tua蛋白磷酸化

微管相关蛋白Tau的异常磷酸化导致的NFT是AD的病理特征之一,也是AD的主要发病机制之一。NFT主要出现在大脑皮层和海马区,这些区域与记忆和认知功能密切相关,随着缠结数量的增加,神经细胞逐渐失去其正常功能,最终导致细胞死亡[49]。NFT主要由异常的翻译后修饰、异常磷酸化的Tau蛋白聚集而成的,Tau蛋白属于一类与微管结构密切相关的蛋白质,其在微管的形成、维持稳定以及调控过程中扮演着关键角色,在神经细胞的生长发育以及神经元的正常功能和信号传递发挥重要作用,而异常磷酸化的Tua蛋白是导致NFT的关键机制,因此,抑制Tua蛋白磷酸化可能是治疗AD的一个潜在治疗策略[50]。

染料木素可通过多种途径抑制Tua蛋白磷酸化。Ye等[51]发现,Tau蛋白可被钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶IV(calmodulin-dependent protein kinase IV,CAMK4)磷酸化,其磷酸化导致NFT的形成,在AD模型大鼠海马中CAMK4和Tau蛋白均显著增多,使用染料木素(90 mg/ kg)腹腔注射给药49 d后,AD大鼠的CAMK4和Tau蛋白水平降低,因此,染料木素可能通过调节AD模型大鼠的CAMK4来抑制Tau蛋白的过度磷酸化。Petry等[47]评估了染料木素对Aβ 42诱导的大鼠认知功能障碍的保护作用,发现连续10 d的侧脑室注射10 mg/kg的染料木素可显著抑制Tau蛋白的过度磷酸化。占继贤 [52]的同样证明了染料木素可以通过CaM-CAMK4信号通路减少Tau蛋白的磷酸化。Tira等[53]在H4-APPswe神经胶质瘤细胞中验证了浓缩咖啡内提取物之一的染料木素具有防止Tau蛋白在神经元内以纤维状聚集体的形式积累的作用。蛋白酶磷酸酶2A(protein phosphatase 2A,PP2A)癌性抑制因子(cancerous inhibitor of PP2A,CIP2A)可抑制AD脑中的PP2A,在Tau/APP磷酸化和Tau/Aβ过量累积中发挥重要作用,有研究表明染料木素能通过抑制CIP2A对PP2A的作用,改善Tau的过度磷酸化,减少NFT的形成[32]。这些发现均表明,染料木素可能通过抑制Tau的过度磷酸化,在AD中发挥神经保护作用(表6)。

  • 表格6 染料木素抑制Tua蛋白磷酸化的机制
    Table 6.Mechanism of inhibition of Tua protein phosphorylation by genistein

3 结语

染料木素在治疗AD方面具有潜在的应用价值,具有多种生物活性,包括类雌激素作用、抗炎、抗氧化、抗Aβ、调节胆碱能神经传递和抑制Tua蛋白磷酸化等多重作用(图1),且不良反应低,因此染料木素有望成为治疗AD的一种新型生物活性药物。尽管染料木素在治疗AD方面具有广阔的前景,但目前关于染料木素抗AD作用的研究仍存在一些局限性。例如,对于染料木素的具体作用机制尚不完全清楚,其生物利用度也有待提高。此外,现有的研究主要集中在体外实验和动物模型上,尽管这些研究提供了染料木素在AD治疗中潜在价值的证据,可为后续的临床研究提供理论基础和临床依据,但这些证据尚不足以支持其作为临床治疗手段的直接应用。因此,未来的研究需要深入探讨作用机制,提高生物利用度,并进一步通过严格的临床研究来验证染料木素在AD治疗中的实际疗效,同时探索联合治疗的可行性和有效性。

  • 图1 染料木素治疗AD的作用机制
    Figure 1.The mechanism of genistein in the treatment of AD

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