0 引 言
多甲氧基黄酮(polymethoxyflavonoids,PMFs)是柑橘属药食同源植物类黄酮的一个亚类,其苯基色原酮基本骨架上含有4个以上甲氧基(OCH
3)
[1]。现有文献至少已报道135种PMFs,主要存在于芸香科柑橘属植物中
[2],在马鞭草科的黄荆属和紫珠属、芸香科的九里香属、茜草科的栀子属和耳草属、豆科的榼藤子属、爵床科的穿心莲属、唇形科的刺蕊草属及禾本科的薏苡属植物中也分离鉴定出多种类型的PMFs
[2]。PMFs以橘红素(4′,5,6,7,8-pentamethoxyflavone)、川 陈 皮 素(3′,4′,5,6,7,8-hexamethoxyflavone)、甜 橙 黄 酮(3′,4′,5,6,7-pentamethoxyflavone)含量居高。在不同品种柑橘属药食同源植物中,PMFs含量差异较大,广陈皮中川陈皮素和橘红素含量居高,其次是枳壳和枳实
[3]。近年研究发现, PMFs具有预防和治疗神经退行性疾病、神经系统疾病的潜力,涉及阿尔茨海默病、帕金森、脑缺血及LPS诱导的神经损伤等方面。
本文重点关注PMFs对中枢神经系统功能障碍的保护和改善作用及其分子机制,希望为开发可预防或改善中枢神经系统疾病的柑橘属等药食同源类的功能性食品或药物提供理论依据。
1 PMFs和阿尔茨海默病
阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种进行性神经系统疾病,临床表现为记忆力和认知功能下降等,以神经原纤维缠结和淀粉样斑块为主要病理改变
[4]。研究表明,PMFs通过减少
β-淀粉样蛋白(amyloid-
β protein,A
β)的产生和降解,抑制Tau 蛋白过度磷酸化,保护胆碱能神经系统、抗氧化应激和炎症反应等发挥改善和治疗AD的作用。
1.1 PMFs对Aβ的影响
淀粉样斑块是含有A
β蛋白的细胞外异常积累聚集成的斑状病变,是AD的标志并且与疾病的进展相关。A
β是淀粉样蛋白前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)通过两步蛋白水解生成的。
β-分泌酶(
β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme1,BACE1)促进第一个蛋白水解步骤,是催化APP生成的A
β的限速步骤
[5]。
川陈皮素可下调淀粉样蛋白前体/早老素1(amyloid precusor protein/presenilin-1,APP/PS1)双转基因小鼠大脑皮层
APP基因和
BACE1基因的mRNA表达,降低APP蛋白水平,并显著改善A
β斑块
[6],还可降低三转基因AD(triple transgenic AD mice,3×Tg-AD)小鼠脑内可溶性 A
β1-40的水平
[7]。橘红素能够减少APP/PS1小鼠大脑海马和皮层A
β1-40沉积
[8]。川陈皮素、橘红素和甜橙黄酮以剂量依赖的方式特异性地抑制BACE1蛋白活性
[9]。BACE1-PMFs复合物对接结果显示,川陈皮素、橘红素和甜橙黄酮稳定定位于BACE1蛋白残基的变构位点,并与其几个重要的氨基酸残基形成很强的氢键。川陈皮素的氢原子与BACE1氨基酸序列中Ala157和Val336的2个氮原子以及Thr232的1个氧原子形成3个氢键。橘红素与BACE1中Ser10和Thr232的氧原子形成两个氢键。甜橙黄酮与BACE1中的Tyr71、Lys75、Trp76的氮原子和Tyr198的氧原子形成4个氢键
[9]。进一步研究发现,川陈皮素、橘红素和甜橙黄酮的共同结构包括A环中C5、C6和C7处3个甲氧基和B环中C4΄处的1个甲氧基,起到了部分抗BACE1蛋白的活性。其中,橘红素A环中额外的C8-OCH
3显著增强其抗BACE1蛋白活性,而川陈皮素和甜橙黄酮中B环中C3΄-OCH
3的表现为降低其抗BACE1蛋白活性
[9]。
此外,脑内A
β总量不仅由A
β的产生决定,还与A
β的清除和降解密切相关。A
β的清除剂包括胰岛素降解酶(insulin‐degrading enzyme,IDE)和脑啡肽酶(neprilysin,NEP)等
[10]。川陈皮素以剂量和时间依赖性方式增加SK-N-SH细胞中
NEP基因和蛋白表达以及活性
[11]。川陈皮素也可通过上调人诱导多能干细胞衍生的AD模型神经元中
NEP基因 mRNA表达水平,从而减少释放到细胞介质中的A
β1-42的水平
[12]。
1.2 PMFs对Tau蛋白磷酸化的影响
神经原纤维缠结是由磷酸化Tau蛋白组成的不溶性纤维束。在AD发生发展过程中,Tau 蛋白的异常磷酸化会导致配对螺旋样纤维和神经纤维缠结的形成,从而引发神经元功能障碍,最终导致认知能力下降
[13]。用川陈皮素处理可逆转 SAMP8小鼠脑组织中Tau蛋白在Ser202和Thr231处的过度磷酸化,并抑制Ser396磷酸化水平,从而改善SAMP8与年龄相关的认知障碍
[14]。
1.3 PMFs对炎症反应的影响
近年研究表明,大脑的神经炎症(neuroinflammation)促进了阿尔茨海默病的发展,是AD发病机制上游不可或缺的关键环节
[15]。这一过程的标志是小胶质细胞和星形胶质细胞等固有免疫细胞产生促炎细胞因子,例如白介素-1
β(interleukin-1,IL-1
β)、IL-6、IL-18、肿瘤坏死因子-
α(tumour necrosis factor-
α,TNF-
α)、趋化因子如C-C基序趋化因子配体1(C-C motif chemokine ligand 1,CCL1)、CCL5、C-X-C基序趋化因子配体1(C-X-C motif chemokine ligand 1,CXCL1)、前列腺素、一氧化氮(nitric oxide,NO)以及活性氧等
[16]。
川陈皮素可降低APP/PS1小鼠海马组织中高迁移率族蛋白B1(high mobility group box1,HMGB-1)蛋白表达,接着抑制小胶质细胞激活,减少IL-1
β、TNF-
α和IL-18水平,进而减轻炎症反应
[17]。川陈皮素也可抑制A
β25-35所诱导的PC12细胞中核因子抑制蛋白(inhibitor kappa B alpha,I
κB-
α)磷酸化和核因子
κB(nuclear factor-kappa B,NF-
κB)释放,进一步降低NO合酶和环氧合酶2(cyclooxygenase,COX-2)表达,减少IL-1
β、TNF-
α、NO和前列腺素 E2(prostaglandin E2,PGE2)的产生
[18]。利用双侧海马CA1亚区定向注射A
β1-40诱导AD小鼠模型,发现川陈皮素也可抑制海马组织内Toll 样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)信号通路,致使炎症相关因子TLR4、NF-
κB和TNF-
α表达量下降
[19]。甜橙黄酮通过TLR4/NF-
κB信号通路减弱 A
β25-35 诱导SH-SY5Y细胞中TLR4蛋白表达,进一步抑制NF-
κB蛋白的激活,控制p65亚基的核转位,从而减少NO、TNF-
α、IL-1
β、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)和COX-2等炎症因子的产生和释放
[20],说明PMFs可减少AD的神经炎症损伤。
1.4 PMFs对氧化应激的影响
氧化应激是活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)的产生与抗氧化防御之间失衡所致。氧化损伤在AD的病理早期即已出现,并促进AD的发生发展
[21]。川陈皮素能够降低注射A
β1-40诱导的小鼠模型海马组织中丙二醛(malondialdehyde,MDA)和ROS水平,部分逆转超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性,但对谷胱甘肽(glutathione,GSH)和过氧化氢酶无明显影响
[19];而A
β25-35诱导的SH-SY5Y 细胞损伤中,川陈皮素可显著增加谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)和过氧化氢酶(catalase,CAT)活性,减少MDA含量
[22]。在SAMP8小鼠中,川陈皮素可显著恢复大脑皮质、海马和纹状体中GSH/谷胱甘肽二硫化物(oxidized glutathione,GSSG)比率,增加SAMP8小鼠纹状体中锰-超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase,Mn-SOD)和GSH-Px活性,降低蛋白质羰基化水平
[14]。利用甜橙黄酮孵育可显著抑制 A
β25-35 诱导SH-SY5Y细胞中SOD和CAT活性增加以及GSH水平降低,并且抑制MDA水平的升高
[20]。表明PMFs可有效改善AD病理过程中的氧化应激反应。
1.5 PMFs对胆碱能神经系统的影响
胆碱能神经元中的胆碱乙酰转移酶(choline-acetyltransferase,ChAT)催化胆碱和乙酰辅酶A合成大量乙酰胆碱(acetylcholine,Ach),分布于大脑皮层和海马区域,与记忆的形成密切相关。在AD病理过程中,大量的胆碱能神经元丢失,ChAT活性降低,引起Ach的合成、存储与释放大幅度减少,导致认知功能障碍
[23]。在双侧嗅球切除的AD小鼠中,川陈皮素可以通过增加海马组织中ChAT和乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase,AChE)活性提高学习记忆能力
[24]。在体外实验中,川陈皮素增加PC12D细胞系中
ChAT基因 mRNA水平,并促进
ChAT基因启动子区域介导的转录活性
[25]。上述研究表明,PMFs可改善AD的胆碱能神经损害。
2 PMFs和帕金森病
帕金森病(Parkinson’s disease,PD)也是常见的神经退行性疾病,主要表现为运动功能障碍,病变包括中脑黑质部多巴胺(dopamine,DA)神经元减少和残存神经元胞质内出现嗜酸性包涵体,即路易小体
[26]。研究发现,川陈皮素可恢复1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP)诱导的PD小鼠模型纹状体和海马CA1区钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca
2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ,CaMKⅡ)的自磷酸化水平和环磷腺苷调节的磷酸化蛋白-32(dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein-32,DARPP-32)在Thr34位点的磷酸化水平,进而改善运动和认知功能障碍,但川陈皮素治疗未能阻止脑中DA能神经元丢失,也未能增加纹状体或海马CA1区酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase,TH)蛋白水平
[27]。此外,在1-甲基-4-苯基吡啶(1-methyl-4-phenylpyridinium,MPP)诱导的PD大鼠模型中,川陈皮素能显著保护大脑黑质(substantia nigra,SN)中的DA 神经元,抑制小胶质细胞活化和IL-1
β的表达,并增加 SN中胶质细胞源性神经营养因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)的表达
[28]。总之,这些结果表明川陈皮素保护DA神经元免受MPTP和MPP诱导的毒性,可能有助于预防PD。
橘红素显著增加6-羟基多巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA)致PD大鼠模型TH阳性细胞的数量和纹状体DA含量
[29]。利用MPTP致PD大鼠模型,橘红素也可降低DA变性和海马神经元丢失,降低COX-2、iNOS、IL-1
β、IL-6和IL-2等炎症因子的表达,最终减轻记忆缺陷以及改善运动和认知功能
[30]。将橘红素添加到转基因PD果蝇的饮食后,发现橘红素能够增加TH阳性细胞的数量、纹状体DA含量和GSH水平,减少GST和单胺氧化酶的活性以及蛋白羰基化水平,进而改善果蝇认知和嗅觉缺陷,提高求爱行为和攀爬能力
[31, 32]。
3 PMFs与脑缺血
缺血性中风是由脑动脉闭塞、长时间缺血引起的脑损伤
[33]。有研究发现,PMFs可通过降低细胞凋亡作用缓解脑缺血所造成的脑损伤。在大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)所造成的缺血/再灌注模型中,川陈皮素调节脑组织中凋亡通路蛋白的表达,如B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)、BCL2相关X蛋白(Bcl-2-associated X protein,Bax)和caspase 3,从而改善神经功能缺陷、脑含水量和脑指数,增强学习和记忆能力,以及显著降低梗死面积
[34, 35]。还有研究发现,在MCAO模型中川陈皮素促进大脑皮层中丝氨酸/苏氨酸激酶Akt、cAMP反应元件结合蛋白(cyclic AMP-responsive element binding protein,CREB)、脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、Bcl-2和紧密连接蛋白claudin-5的活性,进一步激活Akt/CREB信号通路来保护大脑免受缺血性损伤
[36]。细胞实验表明,川陈皮素能降低氧糖剥夺PC12细胞中Ras同源基因家族成员A(Ras homolog gene family, member A,Rho A)、ras相关C3肉毒毒素底物1 (ras-related C3 botulinum toxin substrate 1,Rac 1)、rho相关激酶1(Rho-associated kinase 1,ROCK 1)和ROCK 2的表达,进一步激活Rho/ROCK信号通路发挥促细胞增殖和迁移以及减少细胞凋亡的作用
[34]。此外,橘红素也可在缺氧条件下通过增加GSH水平和抗氧化酶,减少ROS和硫代巴比妥酸反应产物(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)生成,增加线粒体膜电位和Bcl-2/Bax比值,以及减少caspase-3活化,进一步改善HepG2细胞的存活率,推测其可减轻脑缺血所引起的脑损伤
[37, 38]。
此外,利用双侧颈总动脉闭塞(bilateral common carotid arteries occlusion,BCCAO)缺血大鼠模型,川陈皮素可增加海马CA1区CaMKⅡ、微管相关蛋白2 (microtubule-associated protein 2,MAP2)和谷氨酸受体 1(glutamate receptor 1,GluR1)的表达水平,并恢复细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)和CREB蛋白磷酸化以及CaMKⅡ蛋白自磷酸化,最终激活CaMKⅡ 信号传导发挥改善情景记忆障碍和长时程增强的作用
[39]。川陈皮素也可减少MCAO模型大脑皮层中IL-6、IL-1
β、TNF-
α、
p-p38和MAPKAP-2等促炎细胞因子的表达和增加IL-10等抗炎细胞因子水平
[34, 35],缓解脑缺血所造成的脑损伤。
4 PMFs与LPS诱导的神经损伤
脂多糖(lipopolysaccharide,LPS),也称为内毒素,是革兰氏阴性菌外膜的主要成分,可诱发神经炎症、细胞凋亡、突触功能障碍、学习记忆障碍和抑郁症等神经损伤
[40]。川陈皮素通过显著上调LPS诱导的BV2细胞中囊泡相关膜蛋白1(vesicle associated membrane protein 1,VAMP1)、突触体相关蛋白25(synaptosomal associated protein 25,SNAP25)和突触后致密物95(postsynaptic density 95,PSD95)基因 mRNA水平来改善突触功能障碍和神经元丢失所引起的记忆缺陷。此外,川陈皮素可阻断LPS触发的丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路激活,抑制I
κB蛋白磷酸化和NF-
κB核转位,进一步抑制小胶质细胞活化和促炎细胞因子的分泌,如TNF-
α、IL-6、IL-1
β、PGE2、COX-2和NO等
[41]。采用LPS致抑郁症大鼠模型,川陈皮素改善抑郁和焦虑行为,起到抗抑郁作用。通过腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)通路促进自噬蛋白表达水平,如
p-AMPK/AMPK 比值、LC3-Ⅱ/Ⅰ以及LC3-Ⅱ和beclin-1,进一步降低LPS诱导的核苷酸结合寡聚化结构域样受体3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor 3,NLRP3)炎性小体的表达,从而抑制海马小胶质细胞活化和 iNOS、IL-1
β、IL-6 和 COX-2等炎症因子的表达。选用BV2细胞和原代海马神经元,也得到了同样的结果。进一步研究发现,川陈皮素与AMPK蛋白紧密结合,并与AMPK蛋白的Lys29形成氢键,与Asn48形成π-π堆积
[42],从而减少LPS诱导的炎症。
此外,基于LPS诱导的BV2细胞和原代小胶质细胞,橘红素也可显著抑制MAPK信号通路,降低ERK和N末端激酶(N-terminal Kinase,JNK)活性,减少p38、I
κB-
α和IKK-
β磷酸化,进一步减弱NF-
κB p65亚基的核转位,从而抑制NO、PGE2、iNOS、COX-2、TNF-
α、IL-1
β和IL-6等炎症因子的表达
[43]。橘红素还抑制LPS诱导的BV2细胞中MAPK和Akt磷酸化,上调sirtuin 1和磷酸腺苷激活的蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase,AMPK),进一步抑制NF-
κB活性,最终减少NO、TNF-
α、IL-6 和IL-1
β等炎症因子的产生。此外,橘红素还能够抑制活性氧产生和 p47(phox)磷酸化,以及增强血红素加氧酶-1和核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid2-related factor 2,Nrf2)的活性,进而发挥抗氧化作用
[44]。
川陈皮素和橘皮素在LPS诱导的神经损伤中的作用机制略有不同。在LPS诱导NO释放的BV-2细胞模型中,川陈皮素和橘红素通过调节JAK2/STAT3通路抑制NO释放和NF-
κB、IL-1
β、IL-6和TNF-
α等炎症相关细胞因子的表达。进一步探索发现,川陈皮素和橘红素虽然均抑制JAK2蛋白表达和磷酸化,但橘红素影响STAT3磷酸化,川陈皮素不调节STAT3蛋白水平
[45]。
5 PMFs和其他神经损伤
近年来,有研究也发现PMFs通过抗炎、抗氧化和降低细胞凋亡等作用在其他神经损伤中发挥保护作用。橘红素可作为维甲酸受体相关孤儿受体(retinoic acid receptor-related orphan receptors,ROR
α/γ)激动剂,激活海马组织中ROR
α/γ的活性,增加腺病毒E4启动子结合蛋白-4(adenovirus E4 promoter binding protein-4,E4BP4)的表达,进一步降低ERK1/2、TNF-
α和IL-1
β的表达以及小胶质细胞的活化,预防谵妄小鼠模型的认知功能下降
[46]。橘红素也可降低毛果芸香碱诱导的癫痫发作评分和首次癫痫发作的潜伏期,并通过激活PI3K/Akt 信号和调节基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)-2 和-9的蛋白活性和表达,进一步调节线粒体中凋亡诱导因子(apoptosis-inducing factor,AIF)蛋白水平以及凋亡通路蛋白的表达,如caspase-3、Bad、Bcl-2、Bcl-xL 和 Bax
[47]。橘红素还通过调节Nrf2信号通路抑制重铬酸钾诱导的急性脑损伤模型中细胞凋亡、氧化应激以及TNF-
α和IL-6等炎症因子的释放
[48]。而川陈皮素能增加顺氯氨铂诱导的神经毒性大鼠模型脑内BDNF浓度和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphatedehydrogenase,G6PD)蛋白活性,进一步发挥抗氧化、抗细胞凋亡和神经保护作用
[49]。川陈皮素通过调节JNK/ERK1/2和Akt/mTOR通路抑制镉诱导大鼠脑组织中细胞凋亡和氧化应激
[50]。
6 结论与展望
随着老龄化的加剧,中枢神经系统疾病患者的数量也逐年增加。尽管在过去几十年中,人类已针对中枢神经系统疾病进行了大量的实验和临床研究,但仍然缺乏有效的药物。因此,采用功能性食品来预防神经系统相关疾病十分必要。PMFs作为类黄酮中的亚类,是柑橘属药食同源植物中一类丰富的次生代谢产物,并且是安全性较高的天然活性化合物。目前的研究表明,PMFs在多种动物和细胞模型中具有神经保护作用,可透过血脑屏障,减轻胆碱能神经的损伤,减少Aβ的异常积累,抗氧化和抗炎,改善缺血性损伤,抑制Tau蛋白的过度磷酸化,提高脑啡肽酶水平,逆转LPS诱导的神经毒性,调节PD所引起的级联反应等,对神经退行性疾病等具有预防作用。因此,有必要进一步探索PMFs在中枢神经系统中的主要分子靶标,为预防PMFs和保护中枢神经提供实验依据,也为阐明柑橘属药食同源植物作为神经保护的功能性食品功效机制,推动其新产品研发提供理论基础。
国家自然科学基金(81771152)