中医药调控线粒体功能异常治疗阿尔茨海默病的研究进展

管秀菊 王康锋 毕淑月 韩欢 刘长宁 张立娟

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)由德国病理学家Alois Alzheimer于1906年首次描述[1],是最常见的神经系统退行性病变[2],主要表现为进行性的认知功能障碍及行为异常,可伴有焦虑、抑郁等精神症状,最终影响日常生活。当前全球AD患者达5000多万人,其中中低收入国家AD患者占全球患者的58%,该比例预计至2050年可上升至68%[3],AD的护理成本无疑为全球的卫生保健系统带来沉重的负担[4]。在AD患者大脑的学习和记忆区域可观察到老年斑、Tau纤维缠结、神经元丢失、突触损伤、自由基增加等多种细胞变化[5-6]。目前AD的治疗方法仍不能有效遏制或逆转其进展,因此探索发病机制,寻找早期识别、治疗AD的生物标志物仍迫在眉睫。线粒体功能障碍是AD早期病理特征之一,近年来在AD研究领域倍受关注,中医药在调控线粒体功能防治AD方面亦进行了大量探索并有望取得进展,本文结合近年文献对此进行综述。

1 线粒体功能异常与AD的关系

1.1 线粒体结构与功能

线粒体是广泛分布在神经元中的高度动态的细胞器,具有自己的遗传物质-mitochondrial DNA(mtDNA)[7],由双膜结构将其分为线粒体外膜、膜间隙、线粒体内膜、基质四部分[8]。线粒体呼吸链(electron transport chain,ETC)位于线粒体内膜,由五种复合物(复合物I-V)组成。线粒体可以通过呼吸链酶复合物进行氧化磷酸化合成腺嘌核苷三胺酸(adenosinetriphosphate,ATP),满足神经元持续的能量需求,具有“动力工厂”之称[9],并且可以参与调控氧化应激、细胞凋亡,维持钙的平衡及突触的可塑性,还可以通过线粒体自噬选择性识别、降解受损的线粒体,维持线粒体正常功能状态[10]。通过执行不同的功能,线粒体在糖尿病及相关并发症、肿瘤、脂肪肝、精神分裂症、心力衰竭等心血管疾病和神经退行性病变等疾病的发生发展中起着关键作用[11]。

1.2 线粒体功能障碍参与AD的作用机制

线粒体功能障碍是神经退行性疾病发病的关键因素,包括AD,并且在AD的病理生理学中起着关键的上游作用。Swerdlow等[12]提出“线粒体级联假说”,作为”淀粉样蛋白级联假说”的补充,认为线粒体损伤是迟发型和散发型AD的主要病理因素。近几十年的研究相继发现AD患者线粒体结构及功能的变化,促使研究人员进一步探究线粒体功能障碍在AD发病中的作用机制。目前认为,线粒体膜等超微结构的变化以及线粒体动力学损伤、线粒体呼吸链异常、线粒体自噬异常等功能变化会诱发能量代谢异常、氧化代谢紊乱、突触功能障碍,导致神经元损伤以及认知功能下降[13],加重AD的病理学进展。

1.3 AD促进线粒体功能障碍的作用机制

阿尔茨海默病的病理产物Aβ、Tau蛋白以及氧化应激反应可以作用于线粒体进一步加重线粒体功能障碍。Aβ可以诱发线粒体分裂融合异常[14-15]、Ca2+平衡失调[16],还可以作用于线粒体中的Aβ相关乙醇脱氢酶(Aβ-binding alcohol dehydrogenase,ABAD),加重Aβ对线粒体的损伤[17]。Tau蛋白高度磷酸化诱导的神经元纤维缠结的形成可加重线粒体损伤,研究发现,Tau蛋白磷酸化损伤线粒体膜电位并诱导氧化应激的发生,而Tau蛋白敲除小鼠的氧化损伤显著减少,线粒体功能改善,ATP生成增加[18]。线粒体是活性氧产生的主要位点,故线粒体特别容易受到氧化应激的损伤,氧化应激可以损伤线粒体动力学以及能量代谢。

2 中药可以改善AD动物模型的线粒体超微结构

线粒体膜、线粒体相关内质网膜及线粒体呼吸链结构的变化与Ca2+失衡、能量代谢障碍等AD早期的病理改变密切相关。研究发现,AD动物脑组织中线粒体膜通透性增加,伴见线粒体结构发生肿胀且数目减少以及线粒体嵴断裂等超微结构的变化。林珍梅[19]以SAMP8小鼠为AD模型进行研究发现三七总皂苷可以显著提高SAMP8小鼠学习记忆能力,改善SAMP8小鼠脑组织神经元形态。与模型组相比,三七总皂苷高剂量组可见线粒体双层膜结构完整,线粒体嵴排列整齐,形态趋于正常。曹玉成等[20]给予AD模型大鼠补肾填髓方灌胃治疗,进行水迷宫实验发现,与模型组相比,在定位航行试验中中药组逃避潜伏期缩短(P＜0.01),在空间探索试验中,中药组游泳时间和游泳时间的百分比升高(P＜0.05),并在电镜下观察线粒体超微结构,发现AD模型组线粒体形态不规则,分布不均,数目减少,内嵴断裂,线粒体肿胀,而中药组大鼠线粒体组织结构完整,内嵴增多,排列整齐,部分线粒体肿胀改善,外膜完整光滑,说明补肾填髓方可能通过改善AD大鼠线粒体超微结构,提高AD大鼠的空间学习记忆能力。黄倩倩等[21]发现地黄饮子可以增加线粒体膜电位,保护线粒体内膜的完整性,降低线粒体肿胀程度,上调三羧酸循环关键酶-丙酮酸脱氢酶及α-酮戊二酸脱氢酶的活性,提示地黄饮子可以通过保护线粒体结构与功能改善AD大鼠脑组织能量代谢障碍。

3 中药可以改善AD动物模型的线粒体功能

3.1 调控线粒体动力学

线粒体动力学即线粒体通过分裂、融合、转运维持自身结构及生理功能正常的过程,受线粒体分裂蛋白(dynamin-related protein 1,Drp1)、线粒体融合蛋白(mitofusion)1/2、视神经萎缩蛋白1(optic atrophy 1,Opa1)、衔接蛋白Miro/Milton等多种蛋白及部分miRNA的调控[22]。线粒体分裂、融合及转运功能异常将造成线粒体分布紊乱、轴突肿胀、Ca2+稳态失衡、突触受损,而突触受损可以直接损伤神经元,导致AD等神经退行性疾病的发生发展。临床研究发现AD患者脑中Mfn1等融合蛋白表达下降,而Drp1等分裂蛋白表达增加[24],另有相关研究发现在AD早期即可出现线粒体分裂/融合蛋白表达失衡以及转运功能障碍,提示线粒体动力学失衡是AD早期重要的病理特征[25]。线粒体分裂、融合、转运任一环节的障碍均可继发AD的发生发展,对其进行早期干预或许成为AD治疗的靶点。

贾醌[25]发现丹参根茎提取物-丹酚酸B可以通过维持线粒体形状、抑制分裂/融合蛋白的异常表达来改善Aβ诱导的线粒体动力学失衡。李鑫洁等[26]对锁阳醋酸乙酯提取物(ethyl acetate extract of cynomorium songaricum,ECS)进行研究发现,ECS可通过上调AD小鼠Mfn1、Opal蛋白表达,下调Drp1蛋白表达,改善AD小鼠行为学,推测其取效机制与改善线粒体动力学相关。

3.2 调控线粒体能量代谢

线粒体通过对体内摄入的葡萄糖、脂肪酸、氨基酸进行三羧酸循环及氧化磷酸化,合成机体所需的能量,并以ATP的形式储存起来。大脑作为高能量消耗器官,易受能量代谢障碍的影响[27]。使用氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描观察发现AD大脑海马和皮层葡萄糖代谢率下降,并伴随线粒体数目减少、肿胀等结构的变化,该现象被认为与线粒体氧化磷酸化功能受损相关[28]。氧代谢是大脑能量代谢的另一途径,AD患者额叶、颞叶、顶叶脑氧代谢率明显下降,提示线粒体呼吸功能受损。

灯盏细辛的主要化学成分咖啡酸奎宁酸可以通过上调ETC蛋白的基因表达、促进糖酵解从而增加ATP的合成,改善线粒体功能[29]。知母宁是从中药知母、龙胆草、射干中提取的天然化合物,可以激活三羧酸循环中丙酮酸脱氢酶的活性,提高生物能量合成[30]。虎杖苷可以增加Aβ25-35诱导的SH-SY5Y细胞内ATP含量,促进线粒体能量代谢[31]。

3.3 调控线粒体凋亡

细胞凋亡是有核细胞启动特定基因程序结束生命的过程,其诱发的神经元丢失是AD的病理特征之一,包括内源性细胞凋亡通路即线粒体通路、外源性细胞凋亡通路即死亡受体通路以及内质网通路。其中经典的线粒体凋亡通路参与调控大多数细胞凋亡过程,受Bcl-2家族调控[32],Bcl-2家族促凋亡因子Bax及抑凋亡因子Bcl-2、Bcl-xl相互作用调控线粒体膜的通透性以及相关凋亡因子的释放。凋亡因子细胞色素C(cytochrome c,Cyt-c)的释放是内源性细胞凋亡通路的关键环节。在促凋亡因素刺激下,存在于线粒体内外膜之间的Cyt-c释放至胞质,在ATP/dATP参与下与Apaf-1结合,活化Caspase-9,最终通过Caspase-3途径诱发细胞凋亡。而外源性细胞凋亡通路相关受体与配体相结合活化Caspase-8,导致Caspase-3活化[33]。

三七皂苷R1可以通过下调Bax/Bcl-2的比例,抑制线粒体通透性转换孔的开放,减少Caspase-9和Caspase-3的激活,抑制线粒体凋亡通路的激活,发挥抗凋亡作用[34]。中成药黄埔通窍胶囊可以上调Bcl-2蛋白表达,减少Cyt-c的释放,减少Caspase-3表达,提高AD模型大鼠的学习记忆能力,推测其取效机制可能与抑制线粒体凋亡通路激活相关[35]。毛蕊花糖苷是从中药肉苁蓉、熟地黄中提取的苷类化合物,毛蕊花糖苷通过下调Bax/Bcl-2的比值,调控Cyt-c的释放,抑制线粒体凋亡,保护神经元[36]。细胞膜电位的下降是线粒体凋亡过程的早期表现,补骨脂二氢黄酮[37]、姜黄素[38]可以通过减少线粒体膜电位的损耗,抑制线粒体凋亡。

3.4 调控氧化应激

氧化应激是AD病理进程的早期事件,其特征性表现为活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮释放增多及机体抗氧化防御酶功能损伤。线粒体是ROS的主要生产车间及作用靶点。据估计,90%的ROS由线粒体产生[39],由于线粒体抗氧化系统的存在,ROS的产生和清除在生理状态下处于动态的平衡之中。病理状态下,ROS在体内大量聚集,又可反作用于线粒体,通过下调线粒体呼吸链复合物活性,导致线粒体氧化磷酸化受损,影响ATP的合成,也可引发线粒体膜通透性改变,导致Cyt-c的释放及细胞凋亡的发生[40]。ROS还能够损伤mtDNA,造成其结构破坏,干扰后续的转录与翻译过程[41],甚至直接攻击细胞体蛋白、核酸、脂质等大分子,造成细胞氧化损伤、线粒体功能障碍,最终形成恶性循环[42]。

丙二醇(maleic dialdehyde,MDA)为氧化反应的终产物,淫羊藿的主要活性成分淫羊藿苷(icariin,ICA)可以改善线粒体氧化应激水平,在SAMP8小鼠AD模型中,发现ICA降低了SAMP8小鼠脑线粒体中ROS及MDA水平,提高SAMP8小鼠的学习记忆能力[43]。姜黄素可以上调Nrf2基因表达,提高HO1、NQO1两种抗氧化蛋白水平,保护线粒体结构完整性,提高线粒体抗氧化能力[44]。补肾填髓方由经典名方孔圣枕中丹加减化裁而来,研究发现补肾填髓方可以上调AD模型小鼠血清超氧化物歧化酶活性,下调MDA活性,提高AD模型认知功能[20],推测其取效机制亦与改善线粒体氧化应激相关。

3.5 调控线粒体mtDNA表达

由于mtDNA缺乏有效的防御修复系统,损伤后易致突变,突变后可以下调氧化磷酸化相关蛋白的表达,损伤线粒体功能[45]。Morrisa C D等[46]研究发现,与正常人相比,AD患者脑中相关区域存在mtDNA缺失,证明线粒体mtDNA缺失与AD发展相关。

师冉等[47]观察到开心散可以显著改善SAMP8小鼠学习记忆能力,治疗后海马区mtDNA表达水平明显增高,推测开心散可以通过上调mtDNA表达,改善神经元老化,保护神经元。

4 小结与展望

综上所述,线粒体功能障碍在AD发生发展中起着至关重要的作用,是AD潜在的治疗靶点。中药复方及中药单体已被证实可以改善线粒体结构及功能,但中药组分异常复杂,相关复方的有效成分仍需进一步明确。此外,当前研究虽然已经确定线粒体功能障碍在AD发病机制中起重要作用,但是线粒体如何演变至功能障碍仍需进一步探讨,未来研究应着眼于线粒体变化的机制,以其为治疗靶点,探讨中药治疗AD的相关分子机制,并且应进行相关临床试验,观察中医药能否通过改善线粒体功能在AD患者体内取得疗效。