《Phytomedicine》：Astragaloside IV alleviates post-traumatic cytotoxic edema via inhibition of AQP4 expression and subcellular localization
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细胞毒性脑水肿是创伤性脑损伤的重要致死原因，本研究通过小鼠控制性皮质撞击模型，证实四物汤活性成分 Astragaloside IV（AS-IV）能显著减轻创伤后细胞毒性脑水肿，改善运动功能，其机制涉及抑制 Akt/FoxO3a 通路减少 AQP4 表达，以及通过 TRPV4/cAMP/PKA 通路抑制 AQP4 胞内定位。
沈伟琦|姜成朗|刘欣|王登峰|李光彦|崔宇航|丁彦平|李灿|邵宝平|侯博如
兰州大学第二医院暨临床医学院，中国甘肃省兰州市730000
摘要
背景
细胞毒性水肿是创伤性脑损伤（TBI）后导致神经功能障碍甚至死亡的主要原因之一。水通道蛋白-4（AQP4）的上调及其亚细胞定位的改变是引发创伤后细胞毒性水肿的关键因素。早期干预以减轻细胞毒性水肿可以显著改善患者预后。相关研究表明，黄芪苷IV（AS-IV）对脑水肿具有潜在的治疗效果。
目的
确定AS-IV是否能够缓解创伤后细胞毒性水肿，并探究其通过抑制AQP4表达和亚细胞定位来减轻细胞毒性水肿的机制。
方法
采用控制性皮质撞击（CCI）模型在小鼠中诱导中度创伤性脑损伤。在TBI后的第1天、第3天和第7天进行磁共振成像（MRI），以评估AS-IV的效果，通过表征脑水肿的性质和体积；同时使用皂苷钠（SA）作为阳性对照。通过透射电子显微镜（TEM）评估血脑屏障（BBB）的完整性，并注射Cy5.5标记的AS-IV进行体内荧光成像，以评估其穿越BBB的能力。在第3天进行组织病理学检查和TEM，观察水肿区域的细胞和细胞器水平的变化。使用神经功能严重程度评分（NSS）、旋转棒测试、开放场地测试、握力测试和粘附物移除测试全面评估运动功能。应用Western blotting（WB）、ELISA、分子对接和免疫荧光技术研究AS-IV的最佳给药浓度，并确定相关蛋白的表达和分布。
结果
TBI后第1天和第3天，小鼠的脑水肿主要为细胞毒性水肿。细胞毒性水肿的体积增加，运动功能障碍在第1-3天逐渐加重。第7天时，细胞毒性水肿部分消退并转变为梗死灶。AS-IV显著减轻了CCI小鼠的细胞毒性水肿，并改善了运动功能障碍，其效果与SA相当。进一步实验表明，AS-IV通过Akt/FoxO3a/AQP4通路下调AQP4表达，并通过TRPV4/cAMP/PKA通路抑制AQP4的亚细胞定位。
结论
AS-IV通过Akt/FoxO3a/AQP4通路抑制AQP4表达，以及通过TRPV4/cAMP/PKA通路抑制AQP4的亚细胞定位，从而缓解创伤后细胞毒性水肿。
引言
创伤性脑损伤（TBI）是一种由直接或间接外力引起的脑部机械性损伤（Capizzi等人，2020年）。根据世界卫生组织（WHO）的数据，全球每年约有6000万人遭受TBI（Maas等人，2022年）。这些损伤可能是致命的，或导致长期残疾、心理健康问题、药物滥用或自伤行为（Elser等人，2025年；Wilson等人，2017年）。TBI后患者常出现神经功能缺陷、行为改变和认知下降，严重影响日常生活（Lennon等人，2016年；Lu等人，2023年）。继发性损伤如颅内出血和脑水肿可能导致危及生命的脑疝（Kaur等人，2018年）。
脑水肿是一种病理状态，其特征是脑组织内的水分含量和体积增加（Jha等人，2019年）。主要分为细胞毒性水肿和血管源性水肿（Hu等人，2024年）。细胞毒性水肿与脑细胞代谢功能障碍及缺血和缺氧引起的液体滞留有关（Hladky等人，2024年）。脑水肿的进展会迅速升高颅内压，损害脑组织，导致癫痫发作、瘫痪、失语症和其他神经症状（Jha等人，2018年）。如果不及时有效治疗，不断扩大的水肿可能导致严重的并发症，如脑疝和脑干损伤，最终导致脑死亡（Raslan等人，2007年）。TBI后早期减轻脑水肿对于改善预后至关重要。目前的治疗方法——甘露醇、高渗盐水和皂苷钠（van Veen等人，2023年；Zhang等人，2020年）——只能部分缓解创伤后水肿（Cook等人，2020年）。它们无法满足所有TBI的临床需求，例如减少继发性损伤、促进神经恢复和降低并发症（Arora等人，2023年）。迫切需要新的、更有效的治疗方法。
水通道蛋白-4（AQP4）是水通道蛋白家族的关键成员，主要存在于星形胶质细胞的足突和质膜中（Nagelhus等人，2013年）。AQP4在创伤后脑水肿的发展中起关键作用（Dadgostar等人，2022年）。创伤后AQP4表达的增加和亚细胞定位的改变会加重脑水肿（Hao等人，2022年；Salman等人，2022年）。姜黄素和虾青素等化合物通过抑制AQP4表达来减轻水肿（Wang等人，2015年；Zhang等人，2016年）。类似地，影响AQP4亚细胞定位的突变也有助于减轻慢性水肿（Passchier等人，2023年）。因此，针对AQP4的表达或定位可能是管理脑水肿的有效方法。
黄芪苷IV（AS-IV）是一种从黄芪中提取的天然生物活性化合物，属于环阿斯特拉根醇型四环三萜皂苷，是这种传统中药的主要活性成分之一（Liang等人，2023年）。大量药理学研究表明，AS-IV具有多种作用机制，包括免疫调节、抗炎、抗氧化、抗疲劳、抗病毒和抗肿瘤作用（Yao等人，2023年）。它对多种形式的神经损伤具有治疗潜力，包括TBI、缺血-再灌注损伤和辐射引起的脑损伤（Zhao等人，2024年；Wang等人，2023年；Liu等人，2024年）。值得注意的是，AS-IV还对缺血和缺氧条件下引起的脑水肿具有保护作用。研究表明，AS-IV通过减少AQP4表达来缓解缺血性中风后的急性脑水肿（Li等人，2023年）。AS-IV与芍药花苷联合使用还可以通过抑制连接蛋白-43（CX43）和增强ERK磷酸化来减轻缺血性脑水肿（Chu等人，2017年）。这些发现共同表明，AS-IV对缺血和缺氧条件下引起的脑水肿具有有益作用，同时也能缓解相关的神经症状。然而，AS-IV在管理创伤后脑水肿方面的治疗效果尚未得到实验验证，其具体机制仍需进一步阐明。
以往的研究主要集中在TBI引起的细胞毒性水肿及其后果上，对其潜在的分子机制和治疗方法的理解仍然有限。关于AS-IV作为创伤后细胞毒性水肿潜在有效治疗手段及其相关机制的研究也相对较少。因此，有必要进行相应的研究来探讨这一问题。
在本研究中，我们使用小鼠控制性皮质撞击（CCI）模型，通过神经成像、组织病理学和行为测试来研究AS-IV对创伤后细胞毒性水肿的影响，并通过分子生物学方法进一步阐明其潜在的分子机制和信号通路。我们的目标是确定AS-IV是否能够缓解创伤后细胞毒性水肿，并通过研究其抑制AQP4表达和亚细胞定位的机制来探索其治疗效果。
实验组
实验组
本研究采用了不同的实验组来验证各自的实验假设。小鼠被随机分为两组进行透射电子显微镜观察血脑屏障的破坏情况：1. 对照组；2. CCI组。小鼠被随机分为三组进行体内成像，以确定该药物是否能够穿越血脑屏障：1. 对照组：仅给予溶剂；2. 对照组+ AS-IV：给予Cy5.5标记的AS-IV（40 mg/kg）。
AS-IV能够穿越受损的血脑屏障，发挥治疗效果
血脑屏障（BBB）是存在于毛细血管和大脑之间的天然屏障，可防止分子量大于400-600 kDa的蛋白质进入大脑。因此，药物能否穿越BBB成为评估中枢神经系统（CNS）疾病治疗药物的重要指标（Mulay等人，2024年）。尽管AS-IV的分子量为784.97 kDa，理论上会阻碍其穿过完整的BBB
讨论
TBI后，主要损伤区域会发生严重的结构破坏和功能丧失，而相邻的挫伤区域由于血脑屏障破坏和血管损伤最初会出现血管源性水肿（Jha等人，2019年）。随后，在脑缺血、神经炎症级联反应和氧化应激途径的共同作用下，这些区域逐渐发展为细胞毒性水肿（Turtzo等人，2021年）。
结论
总之，本研究首次提供了体内成像证据，证明AS-IV能够穿越CCI小鼠的血脑屏障并进入大脑。通过神经成像、病理学和行为实验，我们证明AS-IV能有效缓解创伤后细胞毒性脑水肿，并改善相关的运动功能障碍，其治疗效果与SA相当。从机制上看，我们的发现初步表明AS-IV可以通过
未引用的参考文献
Fullerton等人，2024年；Gallelli等人，2019年；García Ríos和Leon-Rojas等人，2025年；Hladky和Barrand等人，2024年；Jha和Kochanek等人，2018年；Kaur和Sharma等人，2018年；Lennon等人，2023年；Li等人，2013年；Loukin等人，2015年；Nagelhus和Ottersen等人，2013年；Obenaus和Badaut等人，2022年；Raslan和Bhardwaj等人，2007年；Song等人，2024年；Zhang等人，2023年
CRediT作者贡献声明
沈伟琦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，验证，软件使用，方法学设计，数据分析。姜成朗：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，验证，软件使用。刘欣：数据验证，软件使用，数据管理。王登峰：数据验证，软件使用，数据管理。李光彦：数据验证，软件使用，数据管理。崔宇航：数据验证，软件使用，数据管理。丁彦平：数据验证，软件使用，数据管理。监督工作，资金提供。
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沈伟琦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，验证，软件使用，方法学设计，数据分析。姜成朗：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，验证，软件使用。刘欣：数据可视化，软件使用，数据管理。王登峰：数据可视化，软件使用，数据管理。李光彦：撰写 – 审稿与编辑，项目构思。崔宇航：数据验证，软件使用，监督工作。利益冲突声明
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致谢
本研究得到了甘肃省中医药科学研究项目（项目编号：GZKZ-2024-28，负责人：BRH）、兰州市科技计划（项目编号：2023-3-5，负责人：BRH）、甘肃省自然科学基金（项目编号：22JR5RA970，负责人：BRH）、兰州大学第二医院科技创新计划（项目编号：CY2022-MS-B02，负责人：BRH）以及甘肃省健康产业科学研究项目的支持。
