Phytomedicine︱张岚/周先礼/刘博团队揭示黄酮类化合物萹蓄苷抑制铁死亡并改善阿尔茨海默病的认知障碍的新机制

学术   2024-11-08 00:00   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文︱李自祥

审阅︱张岚,刘博

责编︱王思珍


阿尔茨海默病Alzheimer’s DiseaseAD)是一种常见的中枢神经系统退行性疾病,主要表现为逐渐加重的认知功能障碍与记忆缺失。作为当代医学研究的重点难题,其发病过程与氧化应激、神经炎症、铁死亡等多个因素密切相关,而氧化应激更是被认为在AD病理中占据核心地位[1-2]然而,AD的复杂病因使得当前临床治疗效果有限,现有药物仅能在一定程度上缓解症状,而无法逆转病情因此,开发具有多靶点作用的低毒性天然化合物作为治疗AD的新途径,逐渐受到研究者的关注。花椒Zanthoxylum bungeanum Maxim)果皮中的一种黄酮类化合物萹蓄苷AvicularinAvi),已在抗炎、抗氧化以及神经保护等方面展现出良好的活性,作为一种潜在的神经保护剂得到了广泛关注[3-4]Avi通过调节氧化应激相关信号通路,能够有效减轻神经细胞损伤。然而,Avi在阿尔茨海默病中的具体作用机制,尤其是在抑制铁死亡方面的潜力尚未得到深入研究。


近日,西南交通大学张岚副教授团队与周先礼教授团队,联合四川大学生物治疗全国重点实验室刘博研究员团队,在Phytomedicine期刊上发表了题为Avicularin inhibits ferroptosis and improves cognitive impairments in Alzheimer's disease by modulating the NOX4/Nrf2 axis”的研究成果。该研究通过体内外结合的方式,全面考察了AviAD治疗中的作用和机制。证明了Avi作为潜在AD治疗剂,通过调控NOX4/Nrf2通路,以抑制氧化应激和铁死亡的方式发挥神经保护作用,为AD临床药物治疗提供新思路。(拓展阅读:刘博课题组相关研究进展,详见姊妹号“岚翰生命科学”报道(点击阅读):Med Res Rev 综述︱高慧媛/刘博团队共同撰写双靶点小分子药物在癌症治疗的新策略APSB 综述︱重新回顾靶向“Warburg效应:四川大学刘博团队回顾从其分子机制到传统与革新的肿瘤治疗策略Trends Pharmacol Sci 综述 四川大学刘博团队合作评述SIRT3在癌症中的情境依赖性作用J Adv Res 综述︱刘博等评述in silico方法调控自噬治疗人类疾病四川大学刘博团队综述双靶点小分子克服肿瘤耐药性的治疗策略


实验首先在H₂O₂诱导的SH-SY5Y细胞模型中探讨了Avi的抗氧化应激效果。Avi显著提升了H₂O₂处理的SH-SY5Y细胞的存活率,降低了H₂O₂诱导的细胞凋亡和Edu阳性率增加(图1这些结果说明Avi不仅能抑制氧化应激引起的细胞凋亡,还能够促进细胞存活和恢复。

 
1 Avi能减弱H₂O₂引起的细胞毒性。


随后,为探究Avi的分子机制,研究人员使用SwissTargetPrediction进行靶标预测,研究聚焦于NOX4这一氧化应激和细胞凋亡的关键调控因子。通过分子对接,细胞热迁移,BLI等实验验证了AviNOX4的结合(图2

 
2 NOX4Avi增强细胞抗氧化防御的潜在靶点


为了探索NOX4/Nrf2轴是否介导Avi抗氧化作用,研究者在H2O2诱导的氧化应激模型中评估了NOX4Nrf2HO1的表达。结果提示抗氧化途径被激活。为了进一步证实这种机制,通过NOX4过表达模型(pCMV-NOX4)来模拟H2O2诱导的氧化应激。结果表明Avi处理可以中和NOX4过表达的影响。蛋白质印迹和免疫荧光分析进一步表明Avi通过促进Nrf2进入细胞核来增强抗氧化防御,在细胞核中它激活了参与氧化应激反应的基因(图3这些结果共同表明Avi通过调节NOX4/Nrf2轴发挥其保护性抗氧化作用,促进Nrf2核易位并随后激活下游抗氧化途径。

 
3 Avi增强了Nrf2的核转移


为了确定Avi是否能缓解H₂O₂引起的铁死亡,该研究评估了线粒体结构,这是铁死亡的一个关键特征。研究人员发现,Avi治疗后线粒体形态得到明显改善。且显示出降低细胞内Fe2+水平的有效性。脂质过氧化标志物(如SODMDAGPx)以及细胞内ROS和线粒体超氧化物的水平,在Avi给药后也显示出显著的正常化。为了更深入地研究AviH₂O₂诱导的铁死亡的影响,作者进一步研究了MPTP的行为。Avi处理后荧光强度恢复,减轻了H₂O₂引发的膜通透性增加(图4

 
H₂O₂模型中,Avi可减轻铁神经细胞铁死亡


研究者建立两种AD小鼠模型,在SCOP诱导的急性认知损伤小鼠模型中,Avi通过Y迷宫和NOR测试展现了显著的认知改善效果。在长期AD病理模型——APP/PS1转基因小鼠中,Avi通过水迷宫实验进一步验证了认知改善效果。此外,体外病理实验证明了Avi减少小鼠皮质和海马区斑块积累,支持其神经保护作用(图5

 
5 AviAPP/PS1小鼠认知功能的影响


最后,研究者使用透射电子显微镜检查小鼠皮质神经元的超微结构变化。发现与对照组相比,APP/PS1组显示线粒体嵴增厚的铁死亡特征性变化,而Avi治疗可逆转这一现象。为了进一步验证Avi的机制,研究人员采用Western Blot和免疫组化技术检测小鼠脑组织中NOX4Nrf2等关键蛋白的表达情况。结果表明Avi可以通过调节NOX4/Nrf2信号轴和相关氧化应激反应蛋白来提供神经保护(图6

 
APP/PS1小鼠模型中Avi具有神经保护作用


文章结论与讨论,启发与展望
本研究在细胞水平和动物水平上证明了Avi通过调控NOX4/Nrf2通路在氧化应激和铁死亡的双重作用下展现出显著的神经保护效果。这项研究为Avi作为天然产物抗AD药物的开发提供了坚实的科学基础,展示了其通过多途径调控延缓AD病理进展的可能性。

尽管Avi在体内外实验中展现出显著的神经保护和抗铁死亡作用,但其在AD病理中的其他潜在作用机制仍有待进一步研究。未来研究可探索Avitau蛋白病变和神经炎症等AD核心病理的影响,进一步揭示其作用机制。此外,在更复杂的AD动物模型中评估Avi的长期安全性和疗效,以及通过转录组和蛋白质组分析,探索AviNOX4/Nrf2轴外的其他分子靶标,将有助于推动Avi向临床应用的转化,为AD治疗提供新的可能。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.phymed.2024.156209

西南交通大学生命科学与工程学院博士生研究生李自祥、硕士生研究生陆迎莹甄泳棋副研究员为该论文的共同第一作者。西南交通大学张岚副教授、周先礼教授和四川大学刘博研究员为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到了四川省中医药管理局研发专项、四川省自然科学基金、中央高校基本业务费以及成都中医药大学西南特色中药资源国家重点实验室开放课题的多方面资助。



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参考文献
[1] Park, M.W., Cha, H.W., Kim, J., Kim, J.H., Yang, H., Yoon, S., Boonpraman, N., Yi, S.S., Yoo, I.D., Moon, J.S., 2021. NOX4 promotes ferroptosis of astrocytes by oxidative stress-induced lipid peroxidation via the impairment of mitochondrial metabolism in Alzheimer's diseases. Redox Biol 41, 101947.

[2] Bai, R., Guo, J., Ye, X.Y., Xie, Y., Xie, T., 2022. Oxidative stress: The core pathogenesis and mechanism of Alzheimer's disease. Ageing Res Rev 77, 101619.

[3] Liu, J.Q., Wang, F.Q., Huang, S., Chen, L., Zhou, X.L., 2022a. Chemical constituents from n-butanol fraction of pericarps of Zanthoxylum bungeanum Maxim. and their chemotaxonomic significance. Biochemical Systematics and Ecology 102.

[4] Samant, N.P., Gupta, G.L., 2022. Avicularin Attenuates Memory Impairment in Rats with Amyloid Beta-Induced Alzheimer's Disease. Neurotox Res 40, 140-153.

编辑︱王思珍
本文完

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