阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是临床最常见的神经退行性疾病,主要特征为β-淀粉样蛋白(Amyloid-β,Aβ)斑块和神经原纤维缠结的积累,导致脑功能的进行性丧失
[1]。AD的主要临床表现为进行性认知功能障碍,且随着病程进展,可出现致精神与行为异常
[2]。作为最常见的痴呆原因,AD具有一定的遗传倾向,约占痴呆总病例的60%~80%
[3]。目前,全球AD患者超过5 000万,其中中国的AD患病已超过1 000万
[4,5]。此外,AD已成为65岁及以上人群的第五大死因,给社会和经济带来了巨大的负担
[6]。尽管如此,迄今为止尚无针对AD患者的有效治疗手段。因此,积极探索有效的治疗方法并深入阐明其作用机制,已成为当前医学研究亟待解决的关键问题。
代谢组学作为一项高通量分析技术,通过质谱、核磁共振等方法对生物体内所有代谢物进行全面定量分析,旨在揭示代谢途径、代谢网络及其与疾病、环境或遗传背景的关系。该技术已被广泛运用于疾病发病机制的研究和中药药效学的探索,尤其是AD
[7,8]。安神定志方为治疗痴呆的经典方剂,具有益智安神、开销豁痰的功效,已在临床中用于AD的治疗。前期研究表明,安神定志方能够显著改善AD大鼠认知功能和记忆障碍
[9-11]。本研究拟通过血清代谢组学联合体外实验相结合,从而深入探讨安神定志方治疗AD的分子机制及其物质基础。通过本研究,以期为安神定志方在临床应用中的科学依据提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 实验动物与细胞
SD大鼠(8周龄,230~250 g)购于河北固安赛业生物科技有限公司[许可证号:SCXK(冀)2021-003]。大鼠饲养于标准的实验笼中,铺设适当垫料,定期更换。饲养环境:温度(24±1) ℃,湿度:40%,光照强度200~300 lux,12 h光照/12 h黑暗,自由饮水及进食。实验过程严格遵循3R原则,即替代、减少、优化,最大程度减少动物使用数量并减轻实验动物的痛苦。所有操作均由经过专业培训的人员按照规范进行,确保实验的科学性与伦理合规。本研究经黑龙江省中医药大学附属第一医院伦理委员会批准(No. HZYLLKT202426701)。
小鼠小胶质细胞系BV2和神经母细胞瘤细胞系Neuro-2a购于中国典型培养物保藏中心细胞库(编号为GDC0311和GDC0162)。BV2细胞培养使用含10%胎牛血清和1%青霉素/链霉素的DMEM培养基椎中培养,并置于37 ℃的恒温培养箱内孵育(含5%的CO2浓度以维持培养基的pH值)。
1.2 药物与试剂
安神定志方(药物组成:党参片15 g,茯苓15 g,煅龙齿25 g,茯神15 g,蜜远志5 g,石菖蒲5 g)购于黑龙江中医药大学附属第一医院草药局,药物经过浸泡、煎煮后过滤,并浓缩生药浓度为5.6 g/mL的浓缩液;盐酸多奈哌齐片购于卫材药业有限公司(商品名:安理申,规格为5 mg/片,国药准字:H20050978);二氢山柰酚购于德国Merck公司(货号为PHL80430);Aβ1-42注射液购于美国Sigma-Aldrich公司(货号:SCP0038)。苏木素伊红(hematoxylin eosin,H&E)染色试剂盒、尼氏染色试剂盒、TUNEL细胞凋亡试剂盒和CCK-8试剂盒均购于北京索莱宝科技有限公司(货号:G1120、G1434、T2196和CA1210)。Aβ兔单克隆抗体购于美国CST公司(货号:9888);辣根过氧化物酶标记山羊抗兔IgG购于上海碧云天生物科技有限公司(货号:A0208);小鼠肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor,TNF-α)、白细胞介素1β(IL-1β)和白细胞介素-6(IL-6)ELISA科研试剂盒购于江苏酶免实业有限公司(货号分别为MM-0132M2、MM-0040M2和MM-0163M2);RNA提取、逆转录和定量PCR试剂盒均购于北京全式金生物技术有限司(货号:ER501-01、AE341、AQ601)。
1.3 方法
1.3.1 动物分组
30只大鼠适应性饲养1周后随机分为假手术、模型组和安神定志方组,每组各10只。除假手术组外,模型组和安神定志方组大鼠对照文献[
12]中方法按照Aβ
1-42(2 μg/μL,5 μL)侧脑室注射建立AD大鼠模型,假手术组则注射等体积的生理盐水。术后,各组大鼠腹腔注射4×10
4 U青霉素以预防感染,连续3 d。
1.3.2 模型制备与药物干预
造模后,各组给予相应的药物进行干预。安神定志方组大鼠参照人和动物药物等效剂量换算公式给予安神定志方浓缩液(0.2 g/kg)灌胃治疗,假手术组与模型组给予等体积的蒸馏水灌胃,各组给药均为1 mL,每日1次。连续4周。末次给药后1 h,采用3%戊巴比妥钠(60 mg/kg)腹腔注射麻醉大鼠,分离海马组织,用于指标检测。
1.3.3 含药血清制备
20只SD大鼠在适应性饲养1周后,随机分为空白血清组和含药血清组,每组10只。含药血清组大鼠每日灌胃给予安神定志方浓缩液(0.2 g/kg),空白血清组大鼠则给予等体积的蒸馏水灌胃,给药体积均为1 mL,每日1次,连续1周。末次给药后1 h,采用3%戊巴比妥钠(60 mg/kg)腹腔注射麻醉大鼠,随后通过腹主动脉取血,并在4 ˚C下以3 000 rpm离心10 min分离血清。收集血清后置于55 ℃水浴中灭菌30 min,在通过0.22 µm微孔滤膜过滤,最后在-80 ℃下储存备用。
1.3.4 细胞分组与药物干预
取对数生长期的BV2细胞以5×10
3细胞/孔接种于96孔板中,并在37 ℃、5% CO₂的培养箱中培养24 h,以确保细胞达到80%~90%的汇合度。细胞随机分为空白组、脂多糖组、安神定志方组和二氢山柰酚组,除空白组外,余下3组对照文献[
13]中标准采用脂多糖(200 ng/mL)预处理30 min构建神经炎症细胞模型。随后安神定志方组给予10%安神定志方含药血清进行干预,二氢山柰酚组给予二氢山柰酚(10 μmol/L)进行干预,而空白组和脂多糖组给予10%空白血清进行干预。另设立共培养实验,分别将上述细胞通过Transwell小室与Neuro-2a细胞共培养。24 h收集上述各组细胞,用于指标检测。
1.3.5 指标检测
1.3.5.1 H&E染色
取分离后的海马组织置于4%多聚甲醛4 ℃下固定24 h。梯度酒精脱水、二甲苯透明、浸蜡、包埋。切片厚度为5 μm。将载玻片放入苏木精染液中15 min,分化处理后加入伊红染色液1 min后,然后梯度酒精脱水和二甲苯透明。中性树胶封固后光学显微镜下观察海马CA1区组织病理形态的改变。
1.3.5.2 尼氏染色
取包埋后的海马组织蜡块,以5 μm的厚度进行切片,加入亚甲蓝染色液染色10 min,随后尼氏分化液分化处理1 min。无水酒精脱水和二甲苯透明。中性树胶封固后光学显微镜下观察海马CA1区尼氏体的数量。
1.3.5.3 免疫组化染色
取包埋后的海马组织蜡块,以5 μm的厚度进行切片,置于二甲苯中脱蜡。水化后于微波炉中用柠檬酸抗原修复缓冲液进行抗原修复,与3%的过氧化氢溶液中孵育切片10 min以阻断内源性过氧化物酶。山羊血清封闭液封闭30 min,加入Aβ一抗4 ℃下孵育过夜后,将切片与生物素偶联的山羊抗兔IgG二抗继续孵育30 min。使用光学显微镜观察CA1区老年斑的数量和分布。Aβ染色通常在海马CA1区显示为棕色颗粒,这些颗粒即为老年斑。
1.3.5.4 免疫荧光染色
取包埋后的海马组织蜡块,以5 μm的厚度进行切片。置于二甲苯和梯度酒精中脱蜡和水化。滴加终浓度为20 µg/mL的蛋白酶K 100 µL。加入50 μL TUNEL反应液以均匀覆盖样本。37 ℃避光孵育2 h。PBS冲洗后加入终浓度为5 μg/mL的DAPI染液100 μL,室温避光孵育5 min。荧光显微镜下观察TUNEL阳性细胞数。另取干预后Neuro-2a细胞置于载玻片上以4%多聚甲醛于室温下固定,随后进行TUNEL染色。
1.3.5.5 血清代谢组学分析
将血清样本与甲醇混合,通过涡旋、超声和静置处理沉淀蛋白,离心后取上清用于代谢组学分析。色谱分析使用Acquity UPLC HSS T3色谱柱,采用梯度洗脱程序分离血清样品,流动相为水相(含乙酸铵和乙酸)和乙腈,柱温35 ℃。质谱分析使用Xevo G2-XS QTof高分辨质谱仪,ESI离子源,正、负离子同时采集。使用MassLynx V4.2采集的原始数据通过Progenesis QI软件做峰提取、峰对齐等数据处理操作,基于Progenesis QI软件在线METLIN数据库、公共数据库以及百迈客自建库进行鉴定,同时进行理论碎片识别。结果利用OmicShare在线工具进行PCA和OPLS-DA分析,差异代谢物依据log2FC>1,VIP>1和P<0.01进行筛选。
1.3.5.6 细胞活性检测
于24 h收集各组Neuro-2a细胞,PBS洗涤后加入100 μL新鲜培养基。每孔加入10 μL CCK8溶液后37 ℃与5%CO2的培养箱中,孵育1 h。使用酶标仪在450 nm波长处读取各孔的吸光度(OD值)。
1.3.5.7 RT‑qPCR检测
于24 h收集各组BV2细胞,使用总RNA分离试剂盒提取总RNA,采用Novogene超微量分光光度计测定RNA浓度。使用逆转录试剂盒将RNA逆转录为cDNA,并进行qPCR反应。以GAPDH为内参基因,使用2-ΔΔCT法计算BV2细胞中脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表达水平。
1.3.5.8 ELISA检测
收集各组BV2细胞,4 ℃环境下1 000×g离心10 min后收集上清,参照试剂盒说明书使用酶标仪在450 nm波长处读取各孔的吸光度(OD值)并计算TNF-α、IL-1β和IL-6的浓度。
1.4 统计分析
数据以均数±标准差()表示,采用SPSS 29.0软件进行统计学分析。多组间的数据采用单因素方差分析(one-way ANOVA),组间两两的比较采用LSD检验。以P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 H&E染色结果的比较
假手术组大鼠海马CA1区神经元细胞排列整齐,核染色均匀。模型组大鼠海马CA1区神经元细胞数量明显减少,且细胞排列紊乱。与模型组相比,安神定志方处理显著改善了海马CA1区的病理结构,增加神经元细胞数,见
图1。
2.2 尼氏染色结果的比较
尼氏染色结果显示,与假手术组相比,模型组大鼠海马CA1区尼氏小体数量显著减少,差异具有统计学意义(
P<0.01)。相较于模型组,安神定志方能显著恢复海马CA1区尼氏小体数量,差异具有统计学意义(
P<0.01),见
图1、
表1。
2.3 Aβ免疫组化结果的比较
免疫组化结果显示,与假手术组相比,模型组大鼠海马CA1区老年斑数量显著增加,差异具有统计学意义(
P<0.01)。相较于模型组,安神定志方能显著抑制大鼠海马CA1区老年斑的形成,差异具有统计学意义(
P<0.01),见
图1、
表1。
2.4 海马TUNEL免疫荧光结果的比较
免疫荧光染色结果显示,与假手术组相比,模型组大鼠海马CA1区TUNEL阳性细胞数显著增加,差异具有统计学意义(
P<0.01)。相较于模型组,安神定志方能显著抑制大鼠海马CA1区TUNEL阳性细胞数,差异具有统计学意义(
P<0.01),见
图2、
表2。
2.5 差异代谢物筛选
如
图3A所示,假手术组、模型组和安神定志方组样品明显分离,表明各组代谢物存在显著差异。OPLS-DA结果显示,三组件均呈现离散群(
图3B和
3C)。置换检验结果表明,两组血清样品的Q
2值所对应的回归线在Y轴上的截距小于0,并且左侧所有Q
2及R
2值均低于右侧原始值。这一结果提示所构建的统计模型具有良好的解释力和预测力,模型具有较高的可靠性(
图3D和
3E)。
将筛选参数设置为
P<0.01,VIP>1及log2FC>1。筛选假手术组和模型组的差异代谢物共813个,安神定志方组和模型组间的差异代谢物共774个(
图4)。将假手术组
vs.模型组中下调的差异代谢物和安神定志方组
vs.模型组中下调的差异代谢物去交集后得到378个差异代谢物。378个差异代谢产物中,二氢山柰酚的含量存在显著的差异,因此本研究取二氢山柰酚进行后续研究。
2.6 ELISA结果的比较
与空白组相比,脂多糖组BV2细胞上清中炎症因子TNF-α、IL-1β与IL-6的含量均明显增加,差异均具有统计学意义(
P<0.01)。相较于脂多糖组,安神定志方和二氢山柰酚能显著抑制BV2细胞上清中TNF-α、IL-1β与IL-6的含量,差异均具有统计学意义(
P<0.01),见
表3。
2.7 RT‑PCR结果的比较
与空白组相比,脂多糖组BV2细胞中
BDNF和
VEGF mRNA的表达均明显降低,差异均具有统计学意义(
P<0.01)。相较于脂多糖组,安神定志方和二氢山柰酚能显著上调BV2细胞中
BDNF和
VEGF mRNA的表达,差异均具有统计学意义(
P<0.01),见
表4。
2.8 CCK8结果的比较
空白组Neuro-2细胞形态规整,突起长,呈现纺锤形,细胞间连接通常紧密,排列有序。脂多糖组细胞胞体明显萎缩,突起变短,细胞间连接变得松散且排列紊乱。安神定志方组和二氢山柰酚组细胞形态和细胞间链接均明显改善。此外,与空白组相比,脂多糖组细胞活性显著降低,差异具有统计学意义(
P<0.01)。相较于脂多糖组,安神定志方和二氢山柰酚均能显著改善Neuro-2的细胞活性,差异均具有统计学意义(
P<0.01),见
图5、
表5。
2.9 TUNEL免疫荧光结果的比较
与空白组相比,脂多糖组TUNEL阳性细胞数显著增加,差异具有统计学意义(
P<0.01)。相较于脂多糖组,安神定志方和Neuro-2能显著抑制Neuro-2a中TUNEL阳性细胞数,差异均具有统计学意义(
P<0.01),见
图6、
表5。
3 讨论
小胶质细胞是中枢神经系统中的主要免疫细胞,在神经发育、生理维持以及疾病状态下的神经炎症和损伤修复中发挥关键作用
[14]。根据单一起源学说,小胶质细胞起源于卵黄囊中的胚胎造血祖细胞。这些原始的造血祖细胞随后经历复杂的迁移过程终抵达并驻留于中枢神经系统,分化形成具备特定功能的小胶质细胞
[15]。作为中枢神经系统不可或缺的单核吞噬细胞,小胶质细胞通过识别并清除受损或死亡的神经元、突触和细胞碎片,保持脑内环境的稳态
[16]。此外,静息状态下的小胶质细胞还通过分泌神经营养因子,促进神经元的存活和再生。BDNF属于神经营养因子家族的一员,在神经元的存活、分化、突触可塑性和神经再生中起关键作用。BDNF通过结合酪氨酸激酶受体B激活细胞内信号传导,调节钙离子稳态,拮抗自由基损伤,从而促进神经元修复和抑制凋亡途径
[17]。研究证实,脑组织BDNF水平与老年个体生前认知能力的衰退速度呈负相关
[18]。VEGF具有促进血管生成、改善血管通透性和调节血管结构和功能的多重作用。研究证实,AD患者血清VEGF的水平显著降低,其含量与神经退行性变程度呈负相关
[19]。此外,VEGF还可以促进神经前体细胞的的增殖和神经元轴突的生长,从而发挥神经保护的作用
[20]。
Aβ的形成和聚集是阿尔茨海默病的核心病理特征之一,其中神经炎症在Aβ形成过程中起着发挥着重要的作用。适度的神经炎症有助于清除Aβ和促进神经保护,但过度的神经炎症可能导致神经元凋亡、突触丢失和认知功能下降
[21]。小胶质细胞在中枢神经系统神经炎症反应中发挥着重要的作用,激活后的小胶质细胞呈现显著的异质性
[22]。根据活化模式,小胶质细胞可分为经典活化状态(M1型)和选择性活化状态(M2型)。M1型小胶质细胞主要通过分泌多种促炎因子、细胞趋化因子以及神经毒性物质来诱导和维持有害的炎症反应。相比之下,M2型小胶质细胞更多地表现出抗炎和神经保护的功能,通过分泌BDNF等,促进神经元的存活和再生,从而在神经保护和修复中扮演重要角色
[23]。在AD中,TNF-α通过激活NF-κB信号通路,促进神经元凋亡和突触丢失。此外,TNF-α还能上调β-分泌酶和γ-分泌酶的表达,增强Aβ的生成,进一步加剧Aβ在脑内的积累
[24]。IL-1β能够进一步激活小胶质细胞,促进其向M1型转化,分泌更多的促炎因子,形成炎症级联反应
[25]。IL-6的高表达可能导致血脑屏障的功能紊乱,增加血管通透性,使更多的Aβ和炎症介质进入脑实质
[26]。
本研究代谢组学的结果显示,二氢山柰酚在AD小鼠血清中的含量显著降低,而在安神定志方能够显著增加血清中二氢山柰酚的含量,提示二氢山柰酚可能为安神定志方治疗AD的重要活性成分。二氢山柰酚是一种源于天然植物中的黄酮类次生代谢产物,相对分子质量为272.25,具有抗氧化、抗炎和抗肿瘤等多种生物活性。已有研究证实,二氢山柰酚可通过SIRT1/NF-κB通路减轻脂多糖诱导的人成纤维细胞WI-38的活性氧的产生和抑制细胞凋亡,从而改善炎症损伤
[27]。此外,二氢山柰酚通过调节Keap1/Nrf2通路和调节氧化应激损伤来改善胰腺腺泡细胞损伤
[28]。不仅如此,二氢山柰酚通过激活SIRT1通路促进自噬、减少氧化应激损伤和抑制炎症反应来防止对乙酰氨基酚诱导的肝损伤
[29]。本研究结果显示,安神定志方和二氢山柰酚均能显著抑制BV2细胞TNF-α、IL-1β与IL-6的分泌,从而改善神经炎症反应。同时,安神定志方和二氢山柰酚均能显著上调BDNF和VEGF mRNA的表达,促进神经元的存活和再生。进一步共培养结果显示,安神定志方和二氢山柰酚均能显著抑制Neuro-2a细胞凋亡,改善细胞活性。
综上所述,本研究揭示了二氢山柰酚在安神定志方治疗AD中的关键作用。二氢山柰酚不仅通过多条生物通路发挥其抗氧化、抗炎和抗凋亡的作用,还显著改善了神经炎症反应和神经元的存活与再生。这些发现为安神定志方的临床应用提供了坚实的科学依据,并为进一步探索其分子机制开辟了新的研究方向,也为中医药在神经系统疾病治疗中的应用提供了新的视角和证据。
作者贡献度说明:
本研究由王欣波设计,邵音、赵宇完成动物实验,齐明明和朴勇洙完成细胞实验,朴勇洙对数据进行统计分析,论文由王欣波撰写。
所有作者声明无利益冲突关系。