靶向Nrf2 信號(hào)通路的神經(jīng)保護(hù)作用研究進(jìn)展

張思銳，張嫚嫚，孫若男，王丹

（大連大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，遼寧大連 116622）

氧化應(yīng)激是體內(nèi)的氧化還原平衡被打破時(shí)的一種機(jī)體自我保護(hù)狀態(tài)，它在不同部位均可造成一定程度的應(yīng)激損傷和神經(jīng)炎癥，而核因子E2 相關(guān)因子（Nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2）主要通過激活Keap1（Kelch 樣ECH 相關(guān)蛋白1，Kelch-like ECH-associating protein 1）-Nrf2-ARE（抗氧化反應(yīng)元件，Antioxidant Response Element）途徑并由其調(diào)控下游相關(guān)靶基因的表達(dá)，發(fā)揮抵抗氧化傷害和神經(jīng)保護(hù)作用。近年來，有多種研究表明，Nrf2可能是神經(jīng)退行性疾病、腦血管疾病等潛在的藥物治療靶點(diǎn)，這使之成為未來治療多種相關(guān)疾病的新希望。本文綜述了Keap1-Nrf2-ARE 信號(hào)通路在神經(jīng)退行性疾病及其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的神經(jīng)保護(hù)作用。

1 Keap1-Nrf2-ARE 信號(hào)通路及其激活過程

Keap1-Nrf2-ARE 是人體內(nèi)抵抗內(nèi)源性氧化應(yīng)激和發(fā)揮抗炎癥作用的經(jīng)典信號(hào)途徑，已經(jīng)被廣泛認(rèn)可為治療某些相關(guān)疾病的新藥理學(xué)靶點(diǎn)，尤其在神經(jīng)保護(hù)作用中發(fā)揮了不可忽視的作用。

在正常生理?xiàng)l件下，Neh2 結(jié)構(gòu)域中的DLG 和ETGE 基序在胞質(zhì)中與Keap1 蛋白中的雙甘氨酸重復(fù)結(jié)構(gòu)域（Double Glycine Repeat，DGR）、C-末端結(jié)構(gòu)域（C-Terminal Region，CTR）形成的螺旋結(jié)構(gòu)直接結(jié)合，由激動(dòng)蛋白組成的細(xì)胞骨架是它們錨定的場(chǎng)所，最終致使Nrf2 無法進(jìn)入細(xì)胞核中發(fā)揮轉(zhuǎn)錄表達(dá)作用。一旦細(xì)胞在氧化應(yīng)激時(shí)受到親電試劑和活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的刺激，Keap1-IVR（干預(yù)區(qū)，Intervening Region）構(gòu)象改變導(dǎo)致Nrf2 與Keap1 分離，隨后Nrf2 轉(zhuǎn)移至胞核中，其Neh1 結(jié)構(gòu)域的CNC-bZIP 區(qū)與sMaf 蛋白（small Maf proteins）聚合成異二聚體后，可識(shí)別ARE 特異性DNA 序列[1]，隨后激活一系列抗氧化、細(xì)胞保護(hù)及解毒蛋白的ARE 依賴性基因表達(dá)，如血紅素氧合酶1（Heme Oxygenase-1，HO-1/HMOX1）、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（Glutathione S-Transferase，GST）、NAD(P)H：醌氧化還原酶1（NAD(P)H：quinone oxidoreductase 1，NQO1）、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、谷胱甘肽還原酶（Gluthatione Reductase，GR）等[2]，最終增強(qiáng)細(xì)胞抵抗氧化應(yīng)激的能力。多項(xiàng)研究表明，自然界中多種物質(zhì)，如天然植物多酚類（姜黃素、槲皮素等）、含硫化合物（異硫氰酸酯類、鄰二硫醇類等）、含硒化合物（如硒多糖等）、部分重金屬（如鎘）等，都可以通過調(diào)控Keap1-Nrf2-ARE 信號(hào)通路的抗氧化發(fā)揮藥理作用[3]。

2 Nrf2 信號(hào)通路與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

2.1 Nrf2 信號(hào)通路與癲癇

癲癇是一種常見的短暫腦功能失調(diào)綜合征，常常表現(xiàn)為反復(fù)且毫無預(yù)兆性地癇性發(fā)作[4]。關(guān)于癲癇的發(fā)病機(jī)制，比較成熟的觀點(diǎn)包括遞質(zhì)失衡、免疫炎癥等。近年來也有研究發(fā)現(xiàn)癲癇的發(fā)作可能與氧化應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)，如癲癇發(fā)作時(shí)ROS 大量產(chǎn)生引起氧化應(yīng)激，加重神經(jīng)毒性損傷，致使抗氧化酶系，SOD、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、GR 等，表達(dá)水平異常[5]。吳可等[6]研究發(fā)現(xiàn)，相比于癲癇模型組，經(jīng)過左乙拉西坦治療的大鼠海馬中Nrf2 及其下游抗氧化酶HO-1、NQO1 的含量顯著升高，治療組大鼠癲癇發(fā)作和認(rèn)知障礙明顯改善，這表明Nrf2-ARE 信號(hào)途徑在抗癲癇治療中發(fā)揮重要作用。孫光濤等[7]報(bào)道，強(qiáng)抗氧化劑己酮可可堿（PTX）也可通過特異性激活Keap1-Nrf2-ARE 途徑改善癲癇大鼠癇性發(fā)作早期的腦內(nèi)氧化應(yīng)激狀態(tài)，進(jìn)而抑制癲癇的發(fā)作。秦瑞怡等[8]的實(shí)驗(yàn)表明，天麻素一方面通過激活p38MAPK（絲裂原活化蛋白激酶，Mitogen-Activated Protein Kinase）-Nrf2 信號(hào)途徑使得HO-1 表達(dá)水平升高，另一方面也通過激活Nrf2-ARE 通路抑制誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS）等促炎介質(zhì)的表達(dá)和生成，進(jìn)而減輕癲癇的炎癥損傷，最終發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。以上研究表明氧化應(yīng)激參與癲癇的病理過程，同時(shí)也激活了Nrf2 信號(hào)通路，其抗氧化作用對(duì)癲癇的發(fā)生有保護(hù)作用，提示Nrf2 信號(hào)通路可以作為治療癲癇的有前途、有希望的靶點(diǎn)和新策略。

2.2 Nrf2 與阿爾茨海默病

阿爾茨海默?。ˋizheimer’s Disease，AD），俗稱老年性癡呆癥，是高發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。進(jìn)行性認(rèn)知障礙和行為損傷為AD 的顯著特點(diǎn)[9]，目前沒有根治方法，臨床主要通過綜合對(duì)癥治療來減輕病情，延緩疾病進(jìn)展[10]。AD 的主要病理病變是在大腦中形成淀粉樣蛋白斑塊和神經(jīng)原纖維纏結(jié)（Neurofibrillary Tangles，NFTs），二者分別由β-淀粉樣蛋白（Amyloid-β，Aβ）、高磷酸化Tau（P-Tau）組成[11]，從而使突觸強(qiáng)度降低、突觸丟失及誘發(fā)神經(jīng)炎癥，阻礙細(xì)胞間的交流。

有許多研究證明，在AD 進(jìn)展的早期可觀察到氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥的異常現(xiàn)象[12]，其機(jī)制與線粒體功能障礙有關(guān)，這一點(diǎn)在AD 動(dòng)物模型和AD 患者體內(nèi)均已得到證實(shí)[13]，而Keap1-Nrf2 信號(hào)通路在防御氧化應(yīng)激和抗擊炎癥方面起著不可忽視作用[14]。AD 模型小鼠認(rèn)知障礙的改善可通過Nrf2 的誘導(dǎo)來抑制氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥[15]，而Nrf2 的敲除會(huì)加重這一病理過程[16]，這表明Nrf2 可以作為治療AD 的重要新型靶點(diǎn)。但比較有意思的是RAMSEY 等[17]研究發(fā)現(xiàn)在AD 患者海馬體神經(jīng)元中雖然存在較明顯的氧化應(yīng)激標(biāo)志物，但其海馬體CA1 區(qū)域的核Nrf2 相較于對(duì)照組表達(dá)較低。推測(cè)其原因可能為Nrf2 入核活動(dòng)被阻斷，使得核內(nèi)Nrf2 表達(dá)水平大大降低，從而阻斷其下游信號(hào)的激活和抗氧化酶的生成，導(dǎo)致或加重AD 患者的神經(jīng)元功能障礙[18]。這一研究結(jié)果也表明了Nrf2 信號(hào)通路的有效激活方能對(duì)氧化應(yīng)激所造成的神經(jīng)損傷有保護(hù)作用。其他研究也證明了Nrf2 信號(hào)蛋白是對(duì)抗AD 病理過程的保護(hù)因子[19]，未來應(yīng)用Nrf2 激活劑可能成為治療阿爾茨海默病的新靶點(diǎn)。

2.3 Nrf2 與帕金森氏病

帕金森氏?。≒arkinson’s Disease，PD），又可稱為震顫麻痹（paralysis agitans），是一種主要表現(xiàn)為進(jìn)行性椎體外系功能障礙的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。臨床上可以依據(jù)患者體內(nèi)是否存在路易體（Lewy Bodies，LBs）而確診，α-突觸核蛋白（α-Synuclein，α-Syn）是LBs 的主要成分，在突觸傳遞和多巴胺（dopamine，DA）遞質(zhì)水平調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用。目前PD 發(fā)病機(jī)制較公認(rèn)的是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的退行性病變，其中氧化應(yīng)激學(xué)說比較受肯定[20]。

研究表明，α-Syn 的病理性傳播受到氧化應(yīng)激的調(diào)控，主要影響酪氨酸羥化酶的磷酸化和活性以及細(xì)胞膜上DA 轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)水平，并且Nrf2 激活可以抵消α-Syn 的產(chǎn)生[21]。還有實(shí)驗(yàn)證明，小鼠中Nrf2的化學(xué)誘導(dǎo)改善了α-Syn 引起的損傷[22]；在突變?chǔ)?Syn 轉(zhuǎn)基因小鼠模型中Nrf2 的表達(dá)水平上升，起到了神經(jīng)保護(hù)的作用[23]；在Nrf2 激活之前或神經(jīng)毒素暴露時(shí)激活Nrf2 可防止PD 相關(guān)的神經(jīng)毒素誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性[24]。研究證實(shí)，激活Nrf2 信號(hào)通路的藥物或者化合物可以發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，使谷胱甘肽過氧化物酶4（Glutathione Peroxidase 4，GPX4）的蛋白表達(dá)水平提高，從而減少多巴胺能神經(jīng)元中的過氧化作用，抑制多巴胺能神經(jīng)元的鐵死亡，減少多巴胺能神經(jīng)元的壞死以及丟失，最終治療PD[25]。同時(shí)也有研究證實(shí)，Nrf2 缺乏將提高神經(jīng)元對(duì)神經(jīng)毒素的敏感性，從而更容易發(fā)生神經(jīng)損傷；并且炎癥變化可能加重潛在的中樞退行性病變，導(dǎo)致多種反應(yīng)和信號(hào)傳導(dǎo)，例如PD 患者血清中促炎細(xì)胞因子腫瘤壞死因子（TNF）、干擾素γ（IFNγ）、白介素-1β（IL-1β）、IL-6、IL-2、IL8 和趨化因子配體2（CCL2）的水平升高[20]。此外，α-Syn 可以繞過或克服免疫耐受，啟動(dòng)外周驅(qū)動(dòng)的CD4+和CD8+ T 細(xì)胞反應(yīng)，從而加速黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性[26]；Nrf2 激活已被證明可減少炎癥，從而預(yù)防PD 的進(jìn)展[27]?；谝陨蠑?shù)據(jù)，Nrf2 信號(hào)通路活性的降低會(huì)加重PD 中的神經(jīng)炎癥，而增加Nrf2 表達(dá)可提供神經(jīng)保護(hù)作用。

2.4 Nrf2 與肌萎縮側(cè)索硬化癥

肌萎縮側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS），又稱漸凍人癥、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病（MND）或Lou Gehrig 病等，著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金也是此病的患者之一。它是一種致命且無法根治的神經(jīng)退行性疾病，進(jìn)行性進(jìn)展是該病的典型特征。

ALS 發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，截至目前，超氧化物歧化酶1（SOD1）基因突變是唯一確定與家族性ALS 發(fā)病相關(guān)的遺傳畸變因素，除了遺傳因素，研究人員發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激、神經(jīng)炎癥等因素也與ALS 發(fā)病有關(guān)[21]。如有相關(guān)研究表明，ALS 患者最顯著的一個(gè)特征是運(yùn)動(dòng)皮層和脊髓中核酸、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)的氧化損傷升高，Keap1 水平升高，Nrf2 靶基因和下游調(diào)控酶減少[28]；在散發(fā)性ALS（sALS）中，ROS 的增加誘導(dǎo)了由Nrf2 介導(dǎo)的抗氧化反應(yīng)途徑，分析發(fā)現(xiàn)Nrf2（NEF2L2）mRNA 水平和Nrf2 依賴的基因（如HMOX1、NQO1 和TXN）在sALS 淋巴母細(xì)胞中增加，揭示ALS 亞型特異性的改變[29]；SFI（由黨參和黃芪兩種中藥材調(diào)制而成的參芪扶正注射液）治療ALS是通過減輕氧化應(yīng)激損傷和激活A(yù)LS 動(dòng)物模型中的Nrf2 途徑來實(shí)現(xiàn)的，藥物干預(yù)后可有效地延長模型動(dòng)物的總生存期并改善大腦的病理狀況，SFI 在SOD1-G93A 轉(zhuǎn)基因小鼠中通過激活Nrf2 途徑，誘導(dǎo)HO-1、GST 和SOD 等抗氧化酶的表達(dá)，減少大腦中運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元（MNs）的丟失和星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活，從而減輕了中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)的氧化應(yīng)激損傷[30]。這些結(jié)果提示Nrf2-Keap1-ARE 信號(hào)通路的失調(diào)與ALS 疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)，可能是ALS 神經(jīng)變性進(jìn)行性進(jìn)展的潛在機(jī)制之一，在未來研究中Nrf2 靶基因亦可以作為治療ALS 的另一思路。

2.5 Nrf2 與缺血性腦卒中

缺血性腦卒中是最常見的中風(fēng)類型之一，是由各種原因?qū)е履X部血液循環(huán)受阻，進(jìn)而因?yàn)槿毖毖鯇?dǎo)致部分腦組織壞死的一種病癥，發(fā)病率占急性腦血管病的70%左右[31]，是全球第二大死亡原因和第三大致殘?jiān)騕32]。常見原因包括大動(dòng)脈粥樣硬化、心源性栓塞等，但及時(shí)干預(yù)治療可以減少致死率和致殘率[33]。

氧化應(yīng)激是缺血性腦損傷的機(jī)制之一，在缺血性腦卒中病理進(jìn)展中起著至關(guān)重要的作用。氧化應(yīng)激可引起神經(jīng)元凋亡、炎癥信號(hào)通路激活和血腦屏障（BBB）受損，促進(jìn)神經(jīng)變性和細(xì)胞死亡[31]；亦有研究表明，通過內(nèi)源性或外源性激活Nrf2 可以發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[34]。TAKAGI 等[35]研究證明，腦梗死發(fā)生后，內(nèi)源性激活可使Nrf2 及其調(diào)控的下游靶基因的mRNA 和蛋白質(zhì)（譬如HO-1、NQO1 蛋白等）表達(dá)水平顯著提高，從而對(duì)抗氧化應(yīng)激損傷；而Nrf2 敲除的動(dòng)物相對(duì)于其他組腦梗死面積更大、神經(jīng)功能障礙更嚴(yán)重且患腦梗死的風(fēng)險(xiǎn)更高，表明Nrf2 信號(hào)通路的激活在減輕腦梗死相關(guān)損傷方面具有重要作用。有研究證明，姜黃素、白藜蘆醇、蘿卜硫素等Nrf2 信號(hào)通路激活劑可外源性誘導(dǎo)Nrf2 的活性并能夠發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[36]。姜黃素可抑制氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)NQO1的表達(dá)，增強(qiáng)Nrf2 與ARE 的結(jié)合活性[37]；白藜蘆醇的神經(jīng)保護(hù)作用一部分是由于其能夠激活Keap1-Nrf2 途徑，進(jìn)而調(diào)節(jié)炎癥介質(zhì)和抗氧化酶的表達(dá)[38]，并且通過上調(diào)Nrf2 活性，促進(jìn)參與控制自由基水平的ARE-調(diào)節(jié)基因的表達(dá)[39]；MA 等[40]證明，體內(nèi)蘿卜硫素治療抑制了NF-κB（核因子κB，Nuclear Factor κ B）信號(hào)通路，從而降低了大腦中動(dòng)脈的促炎細(xì)胞因子、一氧化氮和環(huán)氧合酶-2 的表達(dá)。

盡管有學(xué)者已提出將Nrf2 作為治療腦梗死的藥理靶點(diǎn)，但其在臨床應(yīng)用上仍具有缺點(diǎn)和不足，如使用Nrf2 激活劑治療極端急性代謝損傷（如嚴(yán)重缺血性中風(fēng)）時(shí)，位于缺血核心附近的代謝受損細(xì)胞不能適當(dāng)上調(diào)Nrf2 和相關(guān)下游蛋白[41]。

2.6 Nrf2 與顱內(nèi)出血

顱內(nèi)出血（Intracerebral Hemorrhage，ICH）是出血性腦卒中的別稱，也是顱內(nèi)各種部位出血的總稱。根據(jù)病因可分為原發(fā)性腦出血和繼發(fā)性腦出血；而依據(jù)出血部位又可劃分為腦實(shí)質(zhì)、腦室、硬膜及蛛網(wǎng)膜下腔出血[42]。大部分患者在臨床上表現(xiàn)為神經(jīng)功能障礙、顱內(nèi)高壓等癥狀。

與Nrf2 對(duì)缺血性卒中的保護(hù)作用類似，許多臨床研究表明Nrf2 信號(hào)傳導(dǎo)在實(shí)驗(yàn)性腦出血（ICH）動(dòng)物模型中具有重要意義和治療潛力。ROS 水平失衡可激活Keap1-Nrf2 途徑以適應(yīng)性地抵消ICH 后的氧化損傷，已有實(shí)驗(yàn)表明缺乏Nrf2 基因的ICH 小鼠的血腫更大、細(xì)胞損傷及神經(jīng)功能缺陷更嚴(yán)重[43]。除此之外，Nrf2 的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)水平在ICH 的病理過程中也具有不容忽視的影響，如星形膠質(zhì)細(xì)胞中HO-1的過表達(dá)可減輕腦損傷[44]；miR-27b 可直接調(diào)控Nrf2 mRNA，促進(jìn)Nrf2 途徑的激活，在ICH 發(fā)生后的24 ～72 h 內(nèi)，觀察到Nrf2、HMOX1、SOD1、NQO1和核Nrf2 蛋白水平顯著上調(diào)，使SOD 和NQO1 的表達(dá)水平提高，減輕了ICH 后的神經(jīng)炎癥，發(fā)揮了保護(hù)大腦的作用[45]；ZHAO 等[46]報(bào)道，過氧化物酶體增殖物激活受體γ（Peroxisome Proliferators-Activated Receptors γ，PPARγ）激動(dòng)劑也可通過激活Nrf2 途徑和增加CAT 和SOD 來發(fā)揮抗氧化作用，增加ICH損傷抵抗力?；谝陨涎芯砍晒?，Nrf2 在顱內(nèi)出血中也具有神經(jīng)保護(hù)作用。

3 結(jié)語

綜上所述，Nrf2-Keap1-ARE 信號(hào)通路在癲癇、中樞神經(jīng)退行性疾病、缺血性腦卒中、顱內(nèi)出血等疾病中發(fā)揮著神經(jīng)保護(hù)作用，提示干預(yù)此信號(hào)通路可能成為這些疾病的治療靶點(diǎn)，如有研究證明原花青素B2[47]、黃岑素[48]、丁酸鈉[49]等藥物成分通過干預(yù)Nrf2-Keap1-ARE 信號(hào)通路有望治療上述疾病。盡管本文綜述了Nrf2 在上述疾病中有利的一面，但是目前也有研究支持Nrf2 及其調(diào)控的下游靶基因（如HO-1）的過度表達(dá)起到相反作用的報(bào)道[50]，因此這一靶點(diǎn)的神經(jīng)保護(hù)/損傷作用還需要進(jìn)一步探索，如何找到二者的平衡從而通過Nrf2 發(fā)揮最大的神經(jīng)保護(hù)作用是未來急需解決的問題和努力的方向。