Front Aging Neurosci︱马涛团队揭示中药复方多途径多靶点改善阿尔茨海默病能量代谢的作用机制

撰文︱韩广卉，甄伟哲

责编︱王思珍

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是最常见的神经系统退行性疾病之一，是老年痴呆的最主要形式。AD发病机制复杂，涉及多个途径和环节，目前仍缺乏有效治疗手段[1]。大脑作为机体对能量需求和消耗最多的器官，对能量代谢障碍尤为敏感。能量代谢障碍也是AD早期的重要病理事件之一，是AD治疗的潜在有效靶标，因而成为国际研究的关注热点[2]。传统中药复方具有多成分、多途径、多靶点的作用特点，在长期临床实践中，表现出较好的临床疗效和应用潜力。地黄饮子（Dihuang-Yinzi）是传统中药复方，出自金代医学名家刘完素的《黄帝素问·宣明论方》，由熟地黄，肉苁蓉，巴戟天等15味中药组成，在临床上长期用于治疗包括AD在内的神经系统退行性疾病[3]。然而，地黄饮子治疗AD多途径、多靶点的整合作用机制尚不清楚。

2022年4月1日，北京中医药大学东方医院（第二临床医学院）马涛团队在《衰老神经科学前沿》（Frontiers in Aging Neuroscience）上在线发表了题为“Dihuang-Yinzi Alleviates Cognition Deficits via Targeting Energy-Related Metabolism in an Alzheimer Mouse Model as Demonstrated by Integration of Metabolomics and Network Pharmacology”的研究论文。韩广卉、甄伟哲、代渊为论文共同第一作者，马涛为论文通讯作者。该研究整合网络药理学、代谢组学和分子生物学研究技术，证实地黄饮子可通过调控与能量相关的4个代谢途径、5个关键靶蛋白和14种差异代谢物发挥多途径、多靶点抗AD作用，其作用机制的核心环节是对线粒体结构和功能的保护。同时该研究为探索中药复方治疗复杂性疾病作用机制的研究范式提供了一种有益的尝试。

首先研究者通过行为学实验证实，地黄饮子可以缩短APP/PS1小鼠Morris水迷宫实验的逃避潜伏期，增加穿越平台区次数。结果表明地黄饮子可以明显改善APP/PS1小鼠的空间学习记忆能力（图1）。

图1 地黄饮子对APP/PS1小鼠空间学习记忆能力的改善作用

（图源：Han G et al., Front Aging Neurosci, 2022）

研究者接着采用网络药理学分析，发现了地黄饮子治疗AD的192个潜在靶点。通过PPI网络构建，筛选出地黄饮子治疗AD的15个关键靶基因，包括NDUFA12、NDUFS1、GAPDH、IL10、AKT1、SIRT1、HIF1A、NOS3、HSPA1A、PARP1、ARG1、LDHA、ACHE、ALDH3B2、DAO等。GO与KEGG分析发现，上述192个治疗靶点主要与能量代谢、氧化损伤、线粒体功能的保护、氧化磷酸化、氧化还原酶系统等有关，主要涉及AD、PD和HD等神经退行性疾病（图2）。

图2 地黄饮子治疗AD的网络药理学分析

（图源：Han G et al., Front Aging Neurosci, 2022）

通过非靶向代谢组学分析，筛选得到地黄饮子治疗APP/PS1小鼠的22种差异代谢物。通过聚类分析，研究人员发现：这些差异代谢物涉及的主要代谢途径包括三羧酸（TCA）循环、丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生、精氨酸生物合成、烟酸、烟酰胺代谢和甘油磷脂代谢等（图3 ）。

图3 地黄饮子干预APP/PS1小鼠非靶向代谢组学分析

（图源：Han G et al., Front Aging Neurosci, 2022）

为了系统分析地黄饮子对APP/PS1小鼠代谢影响的作用机制，研究人员通过代谢组学和网络药理学联合分析，构建了地黄饮子干预APP/PS1小鼠的“代谢物-反应-酶-基因”作用网络（图4）。通过作用网络分析，研究者发现：DAO、HIF1A、ALDH3B2、PARP1 和ACHE等5个蛋白靶点，丙酮酸、L-乳酸等14个差异代谢物和TCA循环、糖酵解、烟酸/烟酰胺代谢以及甘油磷脂代谢等4个代谢途径在地黄饮子对APP/PS1小鼠的干预中发挥关键作用。

图4 地黄饮子干预APP/PS1小鼠的代谢组学与网络药理学相互作用网络

（图源：Han G et al., Front Aging Neurosci, 2022）

乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）是与学习和记忆最密切的神经递质，是甘油磷脂代谢的重要代谢产物之一。为了验证上述联合分析结果，研究者证实地黄饮子可以下调乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，AchE）表达，提高APP/PS1小鼠脑内Ach的水平（图5）。心磷脂（cardiolipin，CL）是线粒体内膜上最主要的磷脂成分，是甘油磷脂代谢中的关键代谢产物。研究者证实地黄饮子可以明显提高APP/PS1小鼠脑内心磷脂水平。鉴于心磷脂与线粒体内膜完整性及其功能的密切相关性，研究者进一步发现，地黄饮子可以明显改善APP/PS1小鼠脑组织线粒体结构损伤，减少线粒体肿胀，提高线粒体膜电位和线粒体内膜呼吸链复合物活性，降低ROS释放（图5）。这些结果表明：地黄饮子通过调节甘油磷脂代谢，提高APP/PS1小鼠脑内Ach和心磷脂水平，改善线粒体结构与功能，减少ROS释放。

图5 地黄饮子通过调节APP/PS1小鼠甘油磷脂代谢改善线粒体结构和功能

（图源：Han G et al., Front Aging Neurosci, 2022）

根据联合分析，烟酸/烟酰胺代谢和糖酵解是地黄饮子治疗APP/PS1小鼠的关键途径。研究者证实地黄饮子可以显著升高烟酸、烟酰胺水平以及NAD⁺的含量，下调PARP-1表达，进而改善APP/PS1小鼠的烟酸/烟酰胺代谢。地黄饮子还能上调糖酵解中的关键蛋白ALDH3B2 的表达。此外，研究者发现ALDH3B2与星形胶质细胞的特异性标志物S100B共定位，证实ALDH3B2在星形胶质细胞中特异性表达，而糖酵解主要在星形胶质细胞中完成，因而进一步证实地黄饮子对APP/PS1小鼠糖酵解具有改善作用（图6）。

图6 地黄饮子改善APP/PS1小鼠烟酸/烟酰胺代谢和糖酵解途径

（图源：Han G et al., Front Aging Neurosci, 2022）

中枢神经系统生理活动所需能量主要由线粒体中TCA循环及其偶联的氧化磷酸化提供。研究者进一步证实地黄饮子可以降低APP/PS1小鼠因TCA循环受阻而升高的丙酮酸、柠檬酸、琥珀酸和延胡索酸的水平。在AD发病中，HIF1A可以上调丙酮酸脱氢酶激酶1（PDHK1），进而促进丙酮酸脱氢酶（PDH）磷酸化，抑制丙酮酸进入TCA循环，导致TCA循环受阻。研究者证实地黄饮子下调APP/PS1小鼠HIF1A和PDHK1的表达，抑制PDH磷酸化，从而促进TCA循环改善能量代谢，增加APP/PS1小鼠脑组织能荷水平（图7）。

图7 地黄饮子改善APP/PS1小鼠TCA循环和脑能荷

（图源：Han G et al., Front Aging Neurosci, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，本研究通过整合代谢组学、网络药理学及实验验证，针对体内代谢过程，系统探究地黄饮子治疗阿尔茨海默病（AD）的作用机制。研究者运用网络药理学方法挖掘地黄饮子治疗AD的潜在靶点，对地黄饮子干预APP/PS1小鼠的尿液差异代谢物进行代谢组学分析。通过网络药理学和代谢组学联合分析，研究者发现中药复方地黄饮子可以多途径、多靶点的方式发挥抗AD的治疗作用，该作用涉及到与能量代谢密切相关的4个代谢途径，包括甘油磷脂代谢、烟酸/烟酰胺代谢、糖酵解和三羧酸循环。同时研究者进一步筛选出地黄饮子调节能量代谢的5个关键靶点，包括DAO、HIF1A、PARP1、ALDH3B2和ACHE。上述的能量代谢途径影响了14种差异代谢物水平。而上述途径、靶点及代谢物均以线粒体结构与功能为核心。本项研究采用联合分析的方法揭示和证实了中药复方地黄饮子治疗AD多途径、多靶点的作用特点。该工作为研究多组分中药复方治疗复杂性疾病的作用机制进行了有益的探索，为阐释中药复方多途径、多靶点作用方式提供一种有益的研究途径。在未来的研究中，采用多组学分析方法，多维度地阐释中药复方对阿尔茨海默病等复杂性疾病的作用机制值得研究者们投入更多的关注和精力。

原文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnagi.2022.873929/full

文章作者从左到右：共同第一作者韩广卉（左一）、甄伟哲（左二）、代渊（左三）；通讯作者马涛（右一）

（照片提供自：北京中医药大学东方医院马涛实验室）

本论文受到国家自然科学基金（81973786,81673929）资助。马涛团队的主要研究方向为阿尔茨海默病的发病机制及中医药防治研究。马涛团队网页介绍：https://www.dongfangyy.com.cn/Html/News/Articles/7063.html。

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1，Gate, D., Saligrama, N., Leventhal, O., Yang, A. C., Unger, M. S., Middeldorp, J., Chen, K., Lehallier, B., Channappa, D., De Los Santos, M. B., McBride, A., Pluvinage, J., Elahi, F., Tam, G. K., Kim, Y., Greicius, M., Wagner, A. D., Aigner, L., Galasko, D. R., Davis, M. M., … Wyss-Coray, T. (2020). Clonally expanded CD8 T cells patrol the cerebrospinal fluid in Alzheimer's disease. Nature, 577(7790), 399–404. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1895-7

2，Wang W, Zhao F, Ma X, Perry G, Zhu X. Mitochondria dysfunction in the pathogenesis of Alzheimer's disease: recent advances. Mol Neurodegener. 2020;15(1):30. doi:10.1186/s13024-020-00376-6

3，Lee, J. Y., Kim, J. Y., Lee, J. Y., Jung, J. H., and Jung, I. C. (2021). Efficacy of Jihwangeumja (Dihuang Yinzi) on cognitive function and activities of daily living in patients with Alzheimer disease: a protocol for a systematic review and meta-analysis. Medicine 100:e25592. doi: 10.1097/MD.0000000000025592

制版︱王思珍

本文完