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基于神经炎症的神经退行性疾病模型及中药治疗策略

2020-11-04 来源:保捱科技网
2017年8月 中国实验动物学报 August 2017 第25卷第4期 ACTA LABORATORIUM ANIMALIS SCIENTIA SINICA V01.25 NO.4 基于神经炎症的神经退行性疾病模型 及中药治疗策略 强伟杰 ,陈颖 ,蔡维艳 ,杨庆 ,李玉洁 ,李琦 ,王娅杰 ,翁小刚 ,朱晓新 (1.安徽中医药大学,合肥230012;2.中国中医科学院中药研究所,北京100700) 【摘要】 神经退行性疾病严重威胁着人们的健康。炎症在神经退行性疾病的发生与发展中始终扮演着重要 角色,其主要特征是小胶质细胞的激活和炎性因子的水平升高。本文综述了神经炎症与多种退行性疾病的关系和 体内外模型,并结合中医对“脑病”的认识,总结多种中药提取物及其单体化合物阻止小胶质细胞活化、抑制神经炎 症的药理作用和机制,为逐步揭示中医治疗脑病“证一方一药”的相关规律、特征,提高临床用药的准确性和开发防治 脑病的新药物提供基础。 【关键词】 神经退行性疾病;神经炎症;中药 【中图分类号】Q95-33 【文献标识码】A 【文章编号】1005-4847(2017)04-0461-06 Doi:10.3969/i.issn.1005—4847.2017.04.020 Research model of neur0degenerative diseases based on neuroinflammation and its traditional Chinese medicine treatment strategies QIANG Wei—jie ,CHEN Ying“,CAI Wei.yan ,YANG Qing ,LI Yu.jie ,LI Qi ,WANG Ya—jie , WENG Xiao.gang .ZHU Xiao.xin ・ (1.Anhui University of Chinese Medicine,Hefei 230012,China;2.Institute of Chinese Materia Medica,China Academy of Chinese Medical Sciences,Beijing 100700,China) 【Abstract】 Neurodegenerative diseases are threating our health seriously.Inflammation plays an important role in the initiation and development of neurodegenerative diseases,and its primary characteristics are the activation of microglia and the increasing level of inflammation cytokines.This review describes the relationship between neuroinflammation and several neurodegenerative diseases,and the models in vivo and in vitro.In addition,combining with traditional Chinese medicines knowledge of encephal0pathy,we summarizes pharmac0logic8l effects and mechanisms of multiple herb extracts and monomer compounds in preventing the activation of mieroglia and inhibiting neuroinflammation,thus,to provide the basis for gradually revealing the related rules and characteristics of treating encephalopathy by traditional Chinese medicine, and improving the accuracy of the clinical drugs,as well as developing new drugs for the prevention and control of eneepha— lopathy. 【Key words】 Neurodegenerative diseases;Neuroinflammation;Chinese medicine Corresponding author:ZHU Xiao—xin.Email:zhuxx@icmm.ae.en;CHEN Ying.E-mail:ychen@icmm.ae.en 神经退行性疾病(neur0degenerative disease)是 经元不可控制的丢失和特定蛋白大量的聚集为病理 一类慢性、进行性的神经系统疾病,以脑和脊髓中神 特征,伴随脑功能下降,特别是认知功能和运动功能 [基金项目]国家自然科学基金项目(81403171,81573649);中国中医科学院中药研究所自选课题(QZPT001)。 [作者简介]强伟杰,女,硕士研究生。研究方向:中药神经药理学。E—mail:qiangwj92@163.corn [通讯作者】朱晓新,男,研究员,研究方向:中药药理学,E—mail:zhuxiaoxin@icmm.ac.cn;陈颖,女,副研究员,研究方向:中药药代动力学和 中药药理学。E-mail:ychen@icmm.ac.ca.}共同通讯作者 462 中国实验动物学报2017年8月第25卷第4期 Acta Lab Aniat Sci Sin,August 2017,Vo1.25.No.4 的下降…。它包括最常见的老年痴呆,即阿尔茨海 默病(Alzheimer’s disease,AD),以及以静止性震颤 为特征的帕金森病(Parkinson’S disease,PD)、以运 动缺陷为特征的多发性硬化症(multiple sclerosis, MS)、以进行性肌无力为特征的肌萎缩侧索硬化症 (amyotrophic lateral sclerosis,ALS)等。随着全球人 口老龄化及人均寿命延长,急剧升高的慢性病和健 康减损水平将成为主要全球公共卫生挑战,神经退 行性疾病日益成为人类的健康负担。以AD为例, 全世界患者数量预计将由现在的4400万增加到 2050年的13 500万 J,将给社会和家庭造成巨大负 担。 1 神经炎症是多种神经退行性疾病重 要的共同病理特征 在多种神经退行性疾病的疾病进程中,神经炎 症被认为是关键的发病机制。神经炎症以神经胶质 细胞的激活为主要特征。炎症可使脑内胶质细胞反 复被激活,导致修复机制失调或激活信号持续存在, 转变为神经系统疾病中常见的相对难以控制的慢性 炎症损伤;同时又会释放大量的神经毒性因子等,增 加神经元的氧化应激,从而导致受损脑区神经元的 退行性病变。例如,AD患者脑内炎症因子可通过 多种通路促进B一淀粉样蛋白(amyloid p.peptide, AB)的产生、tau蛋白的磷酸化;继而A13的聚集又 可通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen—activated pro— tein kinase,MAPK)信号通路上调肿瘤坏死因子一仅 (tumor necrosis factor—alpha,TNF- )、诱导型一氧化 氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)和白介 素-6(interleukin一6,IL-6)mRNA的表达 。另外, 113可刺激神经胶质细胞激活,释放大量的炎症因 子,如TNF一仪、转化生长因子。B(transforming growth factor—B,TGF—B)、IL一6和白介素.1(interleukin一1,IL一 1)等 ,诱导突触的变性、神经元的死亡 。PD 神经炎症的发生主要由于中枢和外周的免疫细胞相 互作用,释放促炎细胞因子(TNF. 、IL一1B和IL一6) 放大炎症信号,产生神经毒素直接作用于多巴胺神 经元,最终导致多巴胺神经元死亡E 7]。MS大鼠脑 组织血管周围和脑实质有明显的炎性细胞浸润;脊 髓血管周围有大量炎性细胞密集环绕,呈“袖套样” 改变;脊髓髓鞘大面积脱失,且髓鞘板层松散 。 正电子发射计算机断层扫描显影显示在ALS患者 的脑中有小胶质细胞的激活 。 炎症过程并非仅是发展至中晚期出现的继发性 反应,而在始发阶段就参与其病理过程。因此,抑制 神经炎症的发生与发展对于中枢神经系统疾病的防 治具有重要意义。 2神经炎症的体内外模型 神经炎症的主要病理特征是脑内小胶质细胞的 激活,小胶质细胞是脑内常驻的免疫效应细胞,是大 脑受感染或损伤时的最初反应细胞。 2.1神经炎症体外细胞模型 体外筛选药物的抗神经炎症活性主要采用小胶 质细胞BV2细胞株 、N9细胞株和直接分离的大/ 小鼠原代小胶质细胞¨ 。原代小胶质细胞取材 于胎鼠/新生鼠/成年小鼠脑组织,用木瓜蛋白酶/胰 酶消化,采用手动振摇法 、抗体标记结合流式细 胞分选¨ , 或免疫磁珠分选技术¨ 分离纯化后培 养。造模诱导剂有脂多糖(1ip0polysaccharide, LPS) 、AB… 、鱼藤酮 ’ 、微囊藻毒素一LR(MC. LR) ¨和血清白蛋白 等。诱导剂通常可促进IL. 6、IL一1B、TNF.ol等炎性因子的分泌和增加IL一6、单 核细胞趋化蛋白一1(monocyte chemotactic protein一1, MCP一1)、iNOS和环氧酶2(cyclooxygenase一2,COX2) 等蛋白表达的上调。例如,支楠等… 采用LPS激活 大鼠脑皮质原代小胶质细胞,取其培养液作用于神 经元细胞,发现小胶质细胞分泌TNF一仅、一氧化氮 (NO)、IL一1 B和白介素一l0(interleukin一10,IL一10)增 多,培养液对神经元细胞有毒性作用。刘长安等 采用A13 刺激BV2小胶质细胞建立炎症模型,发 现A 能够激活IL一1 G、IL一6、TNF一仅和iNOS等促炎 性基因的表达。赵天智等 则采用N9小胶质细胞 株,以血清白蛋白作为诱导剂,发现TNF.仪和IL.1 B mRNA表达显著增强。 小胶质细胞的表型具有高度可塑性,其表型的 改变及活化状态可在大脑中发挥着神经保护和神经 毒性的双相作用。急性的神经系统损伤可激活小胶 质细胞为M1和M2两种功能显著不同的激化形式。 M1是经典激活的小胶质细胞,释放IL一1B、TNF一 等炎性因子对中枢神经系统有损伤;M2是选择性 激活的小胶质细胞,可清除细胞碎片以及释放大量 保护性的营养因子,如脑源性生长因子 。所以, 在体外模型中有研究者利用不同的炎性因子对小胶 质细胞进行极化诱导,用于寻找能诱导其向M2型 方向转变的化合物/提取物,作为治疗CNS疾病的 潜在药物。张坤等 分别利用LPS、LPS+血清干 中国实验动物学报2017年8月第25卷第4期Acta Lab Anita Sci Sin,August 2017Vo1.25 N0.4 463 扰素- (serum inte ̄ron一 ,INF一 )和白介素_4(inter. 1eukin4,IL4)诱导N9细胞,发现LPS和LPS+INF. 可使其向M1型极化,iNOS和CD86的mRNA及 蛋白表达水平明显升高;IL_4可使其向M2型极化, 精氨酸1(Arg1)和CD206的mRNA及蛋白表达水 平均明显上调;并且LPS与IFN— 二者在极化N9 小胶质细胞中具有协同作用。于红¨引也在原代小 胶质细胞模型上,证明了LPS和TNF. 联合刺激可 诱导其向M1型分化,IL_4、IL一10和TGF.B联合刺 激可诱导其向M2型分化。 2.2神经炎症体内模型 神经炎症体内模型的常用动物为大鼠和小鼠, 因给药途径的不同或给药剂量的差异导致病变程度 或损害范围不同。根据模拟疾病的不同在不同部位 注射不同的诱导剂,常见的有LPS、Ag和6.羟基多 巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA)等,注射部位常 为脑部海马体和黑质等。这些模型均可以引起动物 不同程度的脑内神经炎症表现,导致神经元的病理 改变,学习记忆能力的减退。 脑内注射是建立神经退行性疾病动物模型最为 常见的方法。朱耀峰 在大鼠海马注射LPS(10 L,1 g/ L),锥体神经元数目减少、排列散乱、细 胞间距加大,神经元有明显的丢失。陈鑫等 在大 鼠黑质注射LPS(5 L,1 g/ L)后,神经元数量明 显减少甚至消失,神经元胞体萎缩,突起变得不清 晰。鲍琛 ’ 在黑质纹状体定位注射6-OHDA(4 L,2 g/ L)后大鼠大脑皮质丙二醛(MDA)、NO 和TNF 含量均显著增加,超氧化物歧化酶(SOD) 的含量显著减少。孟庆慧 和郑为娜 采用双侧 海马注射Ap1_42(2.5 L,5 g/ L或10 L,1 g/ )建立AD模型,大鼠脑内皮层小胶质细胞呈现 激活状态,Mo ̄is水迷宫测试中大鼠的平均逃避潜 伏期明显延长。董晓华 在侧脑室注入聚集态 Ap (5 L)后,大鼠Mo ̄is水迷宫测试中逃避潜 伏期延长,目标象限搜寻时间百分率和穿过站台次 数减少,空间学习记忆能力减退。 腹腔注射LPS、1一甲基-4一苯基一1,2,3,6一四氢吡 啶(MPTP)或东莨菪碱(Seop)建立的AD、PD等学 习记忆障碍模型动物脑内均可产生神经炎症。较高 剂量的LPS(2—3 rag/kg,i.P.)腹腔注射 可致大 鼠24 h内出现外周炎症,继而免疫激活小胶质细 胞,使得大鼠体温升高、活动减少 ,伴有皮质、海 马部位微粒体前列腺素E 合成酶(mPGES一1)呈时 .间依赖性表达上调,前列腺素E (PGE )生成显著 增加。单次给予小鼠低剂量的LPS(0.33 mg/kg,i. P.)可以短时降低小鼠的学习记忆能力;给药4 h 后,小鼠在水迷宫测试中逃避潜伏期明显延长,穿越 原平台的游泳时间百分比明显减少 。单次和长 期重复间歇给予中低剂量LPS(0.75~1.25 mg/kg, i.P.) ,小鼠海马的促炎性细胞因子TNF.o【、IL. 1p、IL一6和IL一17A水平升高,抗炎性细胞因子IL.10 水平降低。神经毒素MPTP可通过破坏黑质DA神 经细胞而导致PD样症状。C57/BL小鼠连续7 d腹 腔注射MPTP(30 mg/kg,i.P.)建立的PD模型行为 学测定发现:模型小鼠的爬杆时间明显延长,转杆时 间明显减少;旷场实验中的自主活动总路程和平均 速度均明显减少;小鼠纹状体内TNF.d和IL.1B含 量显著增多[35 3。C57小鼠多次腹腔注射MPTP(20 mg/kg,4次)的急性PD模型发现:小鼠中脑黑质区 多巴胺能神经元死亡增加;TNF.d和IL一10表达升 高 。腹腔注射东莨菪碱(3 mg/kg)可诱导小鼠学 习记忆障碍,对新旧事物的鉴别指数降低,炎症因子 IL.1B和TNF一 的含量明显升高 。 基因缺陷或转基因模型动物脑内也呈现明显的 神经炎症表现。APP/PS1双转基因小鼠是通过阿 尔茨海默病主要的相关基因B.淀粉样蛋白前体蛋 白APP基因和早老素基因转入培育的AD动物模 型,该小鼠脑内淀粉样斑块从月龄开始出现并随年 龄增加而增加;与野生型小鼠比较,其学习记忆能力 下降,IL.1B、TNF 和iNOS水平显著增加,IL4、IL- 10水平显著下降 。多巴胺受体D2(Drd2)敲除 小鼠可表现出帕金森病样的运动迟缓症状和病理特 征。Drd2敲除小鼠脑内IL.1B、IL-2、IL一6、COX-2、 IFN.d等炎症因子的蛋白水平和mRNA水平均有不 同程度的上升 。颜楠 叫发现Rgs5基因敲除帕 金森病小鼠脑内炎症因子IL.1B、IL一12b水平增加。 3 中医药对神经退行性疾病的治疗策 略及抗神经炎症中药的作用机理 中医将相当大部分的精神神经性疾病称之为神 志病(现或称为中医脑病)。防治中医脑病传承了 大量医案和方药。长期的临床认为:痴(痴呆、呆 痴、愚痴、文痴、武痴、白痴、痴病等)、呆(呆病、呆 证、呆傻)、忘(健忘、喜忘、多忘、易忘、好忘、遗 忘)、抑郁等“脑病”的主要病变主要与心、肾、肝等 脏腑相关,肝肾亏损、瘀血伤络、痰浊阻窍。中医药 治疗神志病以“补虚”、“通瘀”、“豁痰”为主要治 464 中国实验动物学报2017年8月第25卷第4期Acta Lab Aniat Sci Sin,August 2017,Vol・25 No・4 则。多种神志病均发生了复杂的炎症级联反应:包 括细胞信号通路的激活;多种细胞因子、趋化因子表 达;炎症的激活和表达(内皮细胞白细胞粘附受体 的激活、中性粒细胞和单核细胞的激活、中性粒细胞 粘附和跨膜、血小板活化等);胶质细胞活化、形状 改变和迁移等,继而影响整个内皮细胞、星形胶质细 胞乃至神经元的结构和功能。因此,中医药通过整 体综合调节,从多个环节抑制脑内胶质细胞活化,阻 滞神经炎症损伤神经元的进程已经成为防治中医脑 病的重要策略之一。 多种中药提取物及其单体化合物在体内外阻止 小胶质细胞活化,遵循“补虚”、“通瘀”、“豁痰”各 种治则的中药或成分均有抗神经炎症的作用。有效 成分也包涵了黄酮类、生物碱类、皂苷类、酚酸类、苯 丙素等多种类型的化合物。 补虚类中药的影响:葛根中的乙酰葛根素可抑 制A13沉积所引起的小胶质细胞激活,下调脑组织 PKC.8和IKK—B的表达 。灵芝孢子粉可明显降 低脑组织中MDA、NO和TNF一 含量,减轻氧化应 激损伤和神经炎症反应 。在小胶质细胞一神经元 共培养模型中,灵芝提取物可显著降低炎症因子和 细胞毒性因子(NO、TNF一 、IL一1B)产生,下调TNF— 和IL 1 B mRNA水平的表达 。另外,人参皂苷 Rgl ]、黄芪甲苷ⅣH 、五味子素B 在LPS诱导 的BV2模型中均可下调iNOS、TNF—ol、IL一1B的表 达,抑制炎症反应。 通瘀类中药的影响:三七总皂苷可减轻海马神 经元的损伤,降低激活的小胶质细胞数目,引起炎症 因子IL一1B的释放减少 。在LPS诱导的模型中, 去氢丹参新酮 、去甲氧基姜黄素 、绿原酸 ]、 小豆蔻明¨ 均可抑制促炎介质(如TNF—oL、IL一1B和 IL一6等)的释放。雷公藤抗神经炎症效果明显,其 活性成分雷公藤内酯醇可降低TNF—Q、IL 12等促炎 性因子表达,增高TGF—B等保护性细胞因子表 达 …;雷公藤甲素可显著抑制黑色致密部小胶质细 胞的激活,降低TNF一仪和IL.1B的过度产生 。 豁痰类中药的影响:羟基积雪草苷可抑制氧糖 剥夺复供(OGD/R)造成的小胶质细胞M1型激 活 。青藤碱可防护LPS所致大鼠黑质DA能神 经元损伤,具有抗炎及神经保护作用 。粉防己碱 可显著改善慢性脑缺血损伤引起的学习记忆障碍和 病理损伤,抑制胶质细胞激活,减少IL一1B和iNOS 释放 。在LPS诱导BV2模型中,瓜子金皂苷 己t 55]、柚皮素 、川皮苷 、天麻苷元 、合金欢 素 ]、小檗碱 可降低NO和主要炎症因子TNF一 等的释放。 4结语与展望 脑科学研究是当前世界科技竞争的重要前沿。 神经精神障碍和退行性病变等脑健康问题已成为社 会、家庭的重负。虽然目前很多神经退行性疾病的 病因还不是十分明确,如AD等仅有Ap、Tau蛋白等 几个假说,药物研发道路上困难重重,到目前为止, 还没有一种药物可以从根本上治疗。但是,抗神经 炎症已经成为防治中医脑病的重要策略之一。如果 将AD比喻成一场脑内的“野火”;蛋白斑块、神经元 纤维缠结则是催生了最初局部病变的“星星之火”; 神经小胶质细胞的作用则像“风”。在始发阶段,小 胶质细胞被AB或外源性感染或损伤迅速激活,上 调表面受体,招募相关的单核细胞,释放各种炎症因 子,发动免疫反应及组织修复,吹灭这些“小火苗” 回归到正常状态。但是在患者的脑内,由于胶质细 胞被反复的激活,释放出大量的炎性因子和神经毒 性因子所致的“狂风”不仅在局部加重了“火势”,即 加速Tau蛋白的异常磷酸化,还使“燎原大火”殃及 更大的范围,进一步加重AD的范围及进程。由于 AD临床前期(无症状但有病理改变)的精准诊断很 困难,待病人开始出现轻度认知功能障碍期症状,疾 病大多已经进入早期和中期,AD的野火已经进入 燎原之势,此时再仅仅进行抗A13等浇灭局部病灶 的小火苗的策略对于控制整个疾病变得无济于事, 所以针对A13、Tau蛋白等单一靶点的抗AD的新药 研发屡屡失败。现在已经有研究者将调节参与调控 胶质细胞功能的CD33、TREM2基因作为除了AB和 Tau蛋白之外的第三个靶标研发抗AD新药 。尽 管神经炎症可能不是神经退行性疾病的触发因素, 但是持续的炎症会使神经元病变之间构成恶性循 环,导致更多的神经元死亡。因此,我们的治疗不仅 仅需要“局部的灭火”,还同时需要对胶质细胞炎症 采取“息风”的策略,即限制小胶质细胞的激活,以 及限制致炎因子和氧化应激的过度产生。 前贤发明了许多治疗中医脑病的著名方剂至今 仍用于临床。也发现很多中药成分在体内外具有抑 制炎症的作用,但是现在仍缺乏强效对抗AD等疾 病发生发展的现代中药。中医药治疗神志病以“补 虚”、“通瘀”、“豁痰”为治则治法的多靶点策略可为 中国实验动物学报2017年8月第25卷第4期Acta Lab Anim Sci Sin,August 2017,Vo1.25 No.4 465 AD等复杂疾病的药物研发提供新的思路。如何从 海量古籍宝库中挖掘出快速有效、针对性强的方剂; [16] 于红.小鼠型小胶质细胞保护海马神经元免除诱导的神经毒 性作用[D].吉林大学,2015. 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