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脑卒中是威胁人类健康的三大疾病之一,是我国成年人致死和致残的首要原因,且呈年轻化趋势,其中缺血性脑卒中占60-80%。目前,治疗缺血性脑卒中主要采用溶栓法进行血管再通,但严格的时间窗限制使中国患者受益率只有2.4%。超时间窗溶栓虽能取得一定的治疗效果,但有可能引起再灌注损伤,即脑缺血/再灌注损伤(Cerebral ischemia-reperfusion injury,CI/RI)。缺血中心区细胞已坏死无法逆转,但周边脑区即缺血半暗带细胞还可以挽回,因此,保护缺血半暗带组织和细胞,阻止脑损伤进一步发展,对于治疗脑卒中具有重要意义。太白楤木特产于我国“三大药山”之一的太白山区,其主要成分太白楤木总皂苷(Saponins from Aralia taibaiensis,sAT),具有抗氧化、抗炎、抑制凋亡等生物学作用,但其对CI/RI的防治作用尚不明确,同时,其脑保护活性成分和作用机制也未见报道。目的:1.揭示sAT对抗CI/RI的药理学作用,尤其对CI/RI关键环节(氧化应激和线粒体障碍)的作用;2.阐明sAT对抗CI/RI的可能分子机制,以此为基础,筛选sAT对抗CI/RI的可能药效物质,为开发和利用sAT提供理论和实验基础。方法:体内采用大鼠局灶性脑缺血/再灌注(Middle cerebral artery occlusion/reperfusion,MCAO/R)模型,体外采用HT22小鼠海马神经元细胞氧糖剥夺/复氧(Oxygen and glucose deprivation/reoxygenafion,OGD/R)模型,验证sAT的脑保护作用。采用网络药理学技术预测可能作用的通路和靶点以寻找sAT的潜在作用机制。根据网络药理学预测结果,Western blotting检测腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activatedprotein kinase,AMPK)、蛋白激酶B(Protein kinase B,又称Akt)、过氧化物增殖子激活-受体因子γ辅激活因子(Peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator-1α,PGC-1α)和叉头框蛋白O 3a(Forkhead box protein O 3a,FOXO3a)蛋白的乙酰化水平和磷酸化水平,以及下游相关蛋白的表达情况。采用siRNA干扰技术、特异性激动剂或抑制剂证明相关蛋白的调控作用。通过采用siRNA干扰技术证明sAT通过Apelin 13调控AMPK/Akt。明确sAT对P38 MAPK、ATF4和HIF-1α的作用后,采用P38 MAPK的特异性激活剂(anisomycin)和抑制剂(SB203580),或者siRNA干扰HIF-1α或ATF4表达,观察对sAT促Apelin13表达能力和脑保护作用的影响,以明确sAT是否通过HIF-1α和P38 MAPK/ATF4调控Apelin 13。为明确sAT的药效物质基础,对sAT中的单体成分进行活性筛选。采用RT-PCR、荧光报告基因细胞筛选模型,测定不同单体成分对缺氧反应元件(Hypoxia response elements,HREs)和CCAAT/增强子结合蛋白β(CCAAT/enhancer binding protein beta,C/EBPβ)转录活性的影响。最后采用siRNA干扰HIF-1α或P38 MAPK的特异性激活剂和抑制剂验证筛选出的皂苷单体的药效学作用及其是否分别通过影响HIF-1α和P38 MAPK/ATF4促进Apelin 13表达。结果:1.药效学研究。在体内,MCAO/R引起脑梗死面积显著增加(46.6±2.86%vs 0,P<0.01)、脑组织含水量增加(85.13±1.36%vs 77.6±4.03%,P<0.01)、神经功能学评分升高(4.33±0.82 vs 0,P<0.01),而sAT能够剂量依赖性的抑制脑梗死面积(34.27±3.69%,26.97±2.15%,17.57±2.72%vs 46.6±2.86%,P<0.01)、减少脑组织含水量(81.97±1.36,79.9±2.29,77.97±2.46 vs 85.13±1.36,P<0.01)、改善脑神经功能障碍(3.5±1.05,2.67±1.03,1.0±0.89 vs 4.33±0.82,P<0.01),同时,能够抑制脑组织中的氧化应激(P<0.01)和细胞凋亡水平(P<0.01)。在体外,OGD/R使细胞存活率显著下降(0.46±0.09 vs 1±0,P<0.01)、LDH释放增加(149.6±14.19 vs 39.63±8.89,P<0.01)、凋亡率增加、线粒体功能异常以及氧自由基水平增加,而sAT显著抑制细胞损伤,增加细胞内抗氧化酶表达、ATP水平,改善线粒体膜电位稳态和功能。证实sAT对缺血再灌注引起的脑损伤具有保护作用,且与降低氧化应激和改善线粒体功能关系密切。2.太白楤木中共收集31个皂苷单体,并根据结构预测到415个靶点,脑卒中筛选得到389个靶点,通过Venny分析二者交集筛选得到72个共同靶点。对72个共同靶点进行KEGG分析,获得248个生物过程,32个细胞组成,63个分子功能,对获得的104条KEGG通路分析发现,sAT调节的细胞通路包括TNF信号通路、PI3K/Akt信号通路、HIF-1信号通路、MAPK通路、FoxO通路、Toll样受体、AMPK通路和钙信号通路等。其中PI3K/Akt、AMPK、MAPK、HIF-1、Fox O等信号通路与上一章发现的抗氧化应激和线粒体稳态具有密切关系,是本研究下一章关注的重点。3.sAT通过AMPK/Akt调控SIRT1抑制氧化应激和线粒体功能障碍。sAT能够促进AMPK和Akt的磷酸化水平,同时促进SIRT1蛋白表达,以及FOXO3a和PGC-1α去乙酰化和磷酸化。通过si RNA干扰SIRT1表达,证实sAT通过SIRT1调控FOXO3a和PGC-1α乙酰化水平从而影响其活性;采用siRNA干扰Akt表达,证实sAT通过Akt促进FOXO3a和PGC-1α磷酸化水平影响其活性,同时可通过Akt调控SIRT1表达,继而影响下游蛋白的表达。siRNA干扰和抑制剂实验证实sAT对AMPK和Akt的交互调节关系。最终证明sAT通过活化AMPK/Akt促进SIRT1表达,从而调控FOXO3a和PGC-1α活性抑制线粒体损伤和氧化应激。4.sAT通过P38MAPK/ATF4和HIF-1α调控Apelin 13/AMPK/Akt。与模型组比较,sAT各剂量组使脑组织中Apln基因表达量分别增加约2.26倍、2.73倍和5.31倍,Aplnr基因表达量分别增加约1.5倍、2.75倍和3.27倍(P<0.01),同时观察到sAT能够促进Apelin 13蛋白表达,表明sAT能够促进脑细胞内Apelin 13的基因和蛋白表达。采用基因干扰Apelin 13受体证实Apelin 13在sAT调控AMPK/Akt及其下游蛋白表达发挥脑保护作用中的关键作用。为研究Apelin 13的上游调节通路,本研究关注了P38MAPK/ATF4和HIF-1α的表达情况。sAT可梯度依赖性的抑制P38 MAPK磷酸化和ATF4表达。OGD/R通过促进P38MAPK磷酸化和ATF4表达,抑制Apelin 13表达,而sAT可以逆转这些作用。sAT能够促进HIF-1α表达,而siHIF-1α使sAT的促Apelin13表达能力降低,同时对细胞的保护作用明显降低(P<0.01)。上述结果表明sAT通过促进HIF-1α表达和抑制P38 MAPK/ATF4活化上调脑细胞中Apelin 13表达。5.sAT中活性单体成分筛选。通过RT-PCR实验共筛选出12个皂苷单体对Apln基因表达具有明显的促进作用,其中6个皂苷单体(10号、14号、15号、19号、20号和21号单体)对HRE转录活性具有明显影响。Western blotting和siRNA干扰实验进一步证实这6个单体对HIF-1α蛋白表达均具有促进作用,siHIF-1α使它们显著降低对细胞的保护作用。5个皂苷单体(10号、11号、14号、19号和21号)对C/EBP转录活性具有调控作用。采用抑制剂和激活剂验证发现,10、14和19号皂苷单体是通过P38 MAPK/ATF4调控Apelin 13表达发挥细胞保护作用的。10号单体为楤木皂苷A,14号单体为去葡萄糖竹节参皂苷IVa,19号单体为竹节参皂苷IVa,这三个单体可同时影响P38 MAPK/ATF4和HIF-1α信号通路,促进Apelin 13表达。15号单体为竹节参皂苷Ib,20号单体为刺嫩芽皂苷F,21号单体为拟人参皂苷RT1可通过影响HIF-1α信号通路,促进Apelin 13表达。11号单体为楤木皂苷D和21号单体为拟人参皂苷RT1虽然对P38 MAPK/ATF4没有影响,但对C/EBPβ转录活性和Apelin13表达均有显著影响,推测其可能通过其他途径或者直接影响C/EBPβ转录活性。结论:本研究首次系统研究了sAT对CI/RI的保护作用,并借助网络药理学技术和分子生物学技术阐明了sAT发挥脑保护作用可能的分子机制,以此为基础,筛选了sAT中的皂苷单体成分,发现不同皂苷单体分别通过影响P38 MAPK/ATF4和HIF-1α信号通路共同促进Apelin 13表达,调控AMPK/Akt/SIRT1信号通路,抑制氧化应激和线粒体功能障碍,发挥脑保护作用。本研究揭示了sAT脑保护作用的药效物质基础和分子作用机制,为太白楤木的开发和应用提供理论和实验依据。