创伤性脑损伤（TBI）是导致死亡和永久性神经功能障碍的主要原因，使其成为一个重大的全球性健康问题。目前缺乏有效的神经保护药物疗法加剧了这一问题。虾青素，一种具有强效抗氧化和抗炎特性的天然类胡萝卜素，已成为一个有前景的治疗候选物。本系统评价旨在整合并批判性地评估虾青素在实验性TBI模型中疗效的临床前证据。根据PRISMA（系统综述和荟萃分析优先报告条目）指南，对PubMed和Scopus数据库进行了全面检索，最终纳入了六项研究。本综述一致表明，虾青素治疗可显著改善TBI后的神经功能、运动功能和认知功能。虾青素靶向继发性损伤级联反应的多个通路，具有多效性作用。它通过抑制核因子κB（NF-κB）通路减少神经炎症，通过下调水通道蛋白4（AQP4）和钠-钾-氯协同转运蛋白1（NKCC1）通道的表达减轻脑水肿，并通过激活沉默信息调节因子1/核因子E2相关因子2/过氧化物氧化还原蛋白2（SIRT1/Nrf2/Prx2）信号轴来减轻氧化应激和细胞凋亡。此外，通过提高脑源性神经营养因子（BDNF）和突触蛋白水平，虾青素促进了神经修复。总体而言，本综述发现，虾青素是一种具有巨大潜力的多靶点神经保护剂，需要在多种临床前模型中进行深入研究。
1 引言
创伤性脑损伤（TBI）仍然是全球范围内导致急性和长期残疾的主要原因之一。TBI通常由多种活动（如跌倒、运动、交通事故以及物体进入大脑）引起的钝性创伤导致。TBI导致广泛的生理变化，涵盖身体、认知、行为和感觉症状。TBI后的临床症状包括头痛、昏迷、癫痫、意识丧失、睡眠困难、记忆问题和情绪波动等。这些临床症状可能在TBI后数分钟出现，并持续数月甚至数年。平民，尤其是年轻人群，是这种脑损伤发病率最高的群体。TBI仍然是一个主要的公共卫生问题，2021年全球新增TBI病例达2084万例，自1990年以来增长了22.6%。
通常，TBI会造成脑神经元细胞的机械性损伤。此外，TBI还会引发紧随原发伤害之后的继发性损伤。TBI的继发性脑损伤中会发生多种生化、细胞和生理功能障碍。氧化应激和神经炎症的显著增加是创伤性脑损伤后继发性脑损伤的主要原因。这种情况可能会干扰大脑其他区域（如海马体）的神经元信号传导，从而影响认知功能。创伤性脑损伤的长期临床症状与这种继发性损伤反应有关。因此，减轻这种继发性反应对TBI治疗至关重要。
近年来，针对继发性病理生理过程并利用天然化合物改善神经元修复的新干预措施已广泛开展。虾青素是改善神经功能的潜在化合物之一。虾青素是一种红橙色类胡萝卜素色素，属于叶黄素类。它天然存在于多种海洋生物中，包括微藻、酵母、细菌、鲑鱼、鳟鱼、磷虾、虾和龙虾。先前研究表明，虾青素可以轻松穿过血脑屏障（BBB）并直接作用于中枢神经系统。虾青素已知具有抗氧化和抗炎作用。此外，虾青素还具有抗凋亡和神经保护作用，这使其成为TBI的一种潜在疗法。多项临床前实验已证明虾青素有减轻脑损伤的潜力。本综述讨论了多项在实验性TBI模型中展示虾青素作用的研究，重点关注行为学结果和分子机制。
2 方法
2.1 数据库和检索策略
本系统评价是按照PRISMA指南设计和进行的。在PubMed和Scopus电子数据库中进行了全面的文献检索，以识别所有相关研究，未对发表年份设置限制。本研究中使用的检索词如下：“(astaxanthin) AND (“traumatic brain injury” OR TBI OR “head injury” OR “brain injury”)”。
2.2 纳入标准
所有评估虾青素对创伤性脑损伤影响的体内和体外研究均被选择，不考虑动物种类、年龄、性别、给药途径和脑卒中类型。使用以下筛选标准：（1）虾青素被施用于模拟创伤性脑损伤的体内或体外模型，无论途径、剂量或持续时间；（2）使用创伤性脑损伤动物模型，无论严重程度如何；（3）通过使用细胞损伤控制器进行细胞拉伸损伤诱导的体外创伤性脑损伤模型。
2.3 排除标准
以下是排除标准：（1）研究是观点、书籍章节、综述、病例报告、临床研究和非英文全文文章；（2）虾青素经过修饰（衍生物）或联合治疗；（3）使用NMDA和LPS等一般诱导方法的体外研究；（4）未包括神经功能障碍或神经元损伤结果。
3 结果
3.1 研究筛选
从PubMed和Scopus数据库共提取了86项研究。使用EndNote版本21的自动工具识别并删除了23项重复研究。通过手动筛选研究的作者、标题、出版商和摘要，删除了6项被识别为重复的研究。对剩余的57项研究进行了标题和摘要筛选；随后有50项研究因以下原因被排除：[1] 综述文章（n=24）；[2] 病例报告研究（n=1）；[3] 非创伤性脑损伤研究，包括蛛网膜下腔出血、缺血、化学诱导的神经毒性、高血糖诱导的脑损伤、脊髓损伤、非神经保护研究；[4] 虾青素衍生物。此外，有1项研究因非英文全文而被排除。最终，有6项研究被纳入本综述。
3.2 虾青素对创伤性脑损伤的影响
系统评价确定了6项直接研究虾青素在已建立的TBI模型中有效性的研究。这些研究发表于2016年至2021年之间。其中一项研究同时提供了体内和体外结果，而其他研究则侧重于体内或体外设计。因此，本综述包括了关于虾青素在TBI中作用的5项体内研究和2项体外研究。这些研究采用了各种经过充分验证的TBI模型，包括可控皮层撞击和闭合性颅脑损伤，主要在小鼠中进行。此外，还使用94A细胞损伤控制器来模拟TBI中的神经元损伤。测试了一系列虾青素剂量和给药途径，治疗在损伤前后启动。基于体外细胞研究，本综述发现虾青素剂量范围在10到100微摩尔之间。
总体而言，本综述发现所有纳入的研究中虾青素的有益用途具有一致的发现。虾青素给药显示出在多种生理反应（包括运动、认知和情绪）方面的显著且稳健的改善。五项研究表明虾青素改善了TBI模型中的神经运动功能。此外，四项研究表明虾青素在改善TBI后的学习和记忆表现方面具有作用。此外，一项体内研究还发现虾青素改善了与抑郁行为相关的情绪。
在TBI研究中观察到虾青素治疗后大脑的若干显著改善。三项研究发现虾青素改善了由TBI诱导引起的脑水肿状况。虾青素还在五项研究中显示出抗凋亡作用。此外，TBI诱导的多个分子方面的改变，如炎症反应、内源性抗氧化剂、神经营养因子、水转运蛋白和凋亡蛋白的表达，在虾青素治疗后均得到缓解。
4 讨论
4.1 对神经功能结果的影响
在本综述中，研究人员发现虾青素治疗在TBI后的神经学结果方面产生了显著改善。研究报告了神经功能缺损评分、运动协调、认知功能和绝望行为等行为学结果的改善表现。虾青素减轻了TBI诱导的神经功能障碍。此外，虾青素治疗通过降低旋转棒测试中的跌落潜伏期，改善了运动协调和平衡能力。肌肉力量作为神经肌肉能力的一部分也得到虾青素治疗的改善。此外，通过物体识别和Y迷宫测试结果证实，虾青素增加了TBI后的认知表现。Zhang等人和Ji等人的研究也通过莫里斯水迷宫测试证实了虾青素在空间记忆改善方面的作用。除了对认知的影响外，虾青素还能减轻TBI诱导的绝望行为，表明其具有对抗抑郁样行为的保护作用。综上所述，这些改善表明虾青素促进了TBI后的神经功能恢复。
4.2 对脑水肿的影响
TBI的常见后果包括脑水肿。血脑屏障功能障碍是脑水肿的原因之一。正常情况下，血脑屏障具有选择性限制物质进入大脑并维持稳态平衡的功能，但当其功能失调时，它会导致有害物质和液体在周围脑组织中积聚，从而导致细胞外水积聚。脑水肿的发生还与允许更多钠和水进入脑细胞的阳离子通道/转运蛋白的改变有关，导致细胞肿胀。脑水肿中过度的脑水含量会导致颅内压升高，从而损害脑组织和血管。已证明虾青素可以减少TBI引起的血脑屏障通透性渗漏。多项研究发现虾青素在限制脑水肿和损伤方面具有有益作用。这种效应与挫伤周围皮层中水通道蛋白4和钠-钾-氯协同转运蛋白1蛋白表达的下调有关，这两种蛋白在水和阳离子转运中发挥重要作用。在血脑屏障改变模型中，虾青素通过减少p75神经营养因子受体表达，随后增加脑毛细血管内皮细胞中紧密连接蛋白ZO-1和Claudin的表达，促进了血脑屏障的完整性。这些数据表明，虾青素通过多种机制预防脑水肿，包括防止血脑屏障结构改变、离子通道和水转运蛋白激活。
4.3 对细胞凋亡的影响
在细胞水平上，TBI常导致大脑神经元细胞的凋亡和坏死。多项研究发现TBI诱导了皮层区域的脑细胞死亡。这得到了皮层区域几种促凋亡蛋白的增加和抗凋亡蛋白表达的减少的支持。虾青素治疗在体内和体外研究中均显示出减轻TBI诱导的神经元脑细胞死亡的有益作用。Zhang等人的研究发现，75毫克/千克的虾青素治疗通过减少TBI诱导的神经元凋亡和脑损伤，维持了皮层的存活神经元。Ji等人的研究也发现了75毫克/千克虾青素治疗后脑损伤的改善。此外，虾青素改善神经元死亡的作用也伴随着促凋亡和抗凋亡蛋白表达的改善。已显示虾青素可减少TBI诱导后的促凋亡蛋白表达。另一方面，已知虾青素还能增加抗凋亡蛋白的表达。这些蛋白质的作用与Bax和Caspases相反。综上所述，虾青素通过调节促凋亡和抗凋亡蛋白的平衡发挥抗凋亡作用。
4.4 对神经炎症和神经修复的影响
神经炎症是TBI继发性损伤的另一个关键驱动因素。继发性神经炎症已成为TBI的一个标志。关于神经炎症效应，已知虾青素可减少星形胶质细胞的反应性，这是一种参与神经炎症过程的重要胶质细胞。与胶质细胞活性降低一致，虾青素还抑制了几种促炎细胞因子的表达。另一项值得注意的数据表明，虾青素抑制了核因子κB的激活和随后的核转位，核因子κB是炎症的关键调节因子，可驱动许多促炎基因的表达，这进一步解释了虾青素在减轻TBI引起的神经炎症反应方面的作用。
除了抑制凋亡程序的作用外，虾青素还能增加皮层区域生长因子的表达。虾青素增加了脑源性神经营养因子，这对于维持神经元细胞的增殖至关重要。此外，虾青素通过增加皮层中突触蛋白和突触素的表达水平，有助于神经传递过程。这种改善作用支持了体内研究中发生的认知行为改善。此外，生长相关蛋白43的水平（轴突重塑和再生的标志物）也因虾青素治疗而改善，这强化了虾青素在促进TBI后神经元恢复方面的有益作用。
4.5 抗氧化作用
虾青素减轻TBI诱导的脑损伤的另一个显著效应基于其抗氧化作用。先前研究已证明虾青素基于DPPH、ABTS和β-胡萝卜素漂白测试等多种测定法具有潜在的抗氧化清除作用。此外，这种抗氧化作用在TBI模型的研究中得到了证实。这些蛋白质是内源性抗氧化蛋白，在抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶p47phox 和p67phox 亚基活性方面起关键作用，这对于降低活性氧的产生和防止氧化损伤至关重要。此外，其他研究表明，虾青素治疗后皮层区域的氧化水平（如8-羟基脱氧鸟苷、丙二醛和过氧化氢）降低。虾青素降低氧化水平可能不仅通过虾青素对氧化性化合物的直接作用实现，还通过刺激细胞激活在减轻氧化应激攻击中起作用的信号传导来实现。这通过TBI模型中虾青素治疗后内源性抗氧化相关蛋白（如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽、SIRT1、Prx2和Nrf2）表达的增加得到证实。此外，该研究还通过拮抗模型证实了SIRT1/NRF2/Prx2/ASK1/p38信号在虾青素减轻TBI不良影响中的作用。Nrf2的敲低导致虾青素无法刺激抗氧化防御机制和TBI模型体内研究中的神经行为改善。这种内源性抗氧化信号通路在通过虾青素减少继发性损伤中的重要性也通过修改Prx2表达的类似模型得到证实。已知Prx2刺激可改善TBI的不良影响。此外，数据显示虾青素治疗后的Prx2刺激对TBI治疗具有协同效应。相反，使用小干扰RNA注射抑制Prx2导致虾青素治疗无法在分子、细胞或神经行为水平上提供任何改善。此外，还证实EX527对SIRT1的抑制也抑制了虾青素在TBI模型中的改善效应。综上所述，这表明虾青素在减轻TBI继发性损伤方面的作用在很大程度上是由其抗氧化效应介导的，特别是通过SIRT1/NRF2/Prx2/ASK1/p38信号通路。
4.6 研究局限性与未来展望
总体而言，本综述发现了使用虾青素减轻TBI诱导的继发性脑损伤的潜在益处。本综述未发现冲突的数据；然而，关于虾青素在此模型中效应的证据仍然相当有限。积累的证据描述了虾青素在TBI修复中可能起作用的机制。这些机制中的一些已得到充分证实且一致，但需要进一步研究以填补关于虾青素效应的知识空白。此外，虾青素如何对认知功能提供特定改善尚未深入探讨。鉴于TBI与认知功能之间的联系主要由海马体调节，未来的研究应侧重于虾青素对与海马体相关的认知功能的影响。此外，虾青素改善情绪的作用可以进一步探索，随后研究与相关脑区神经递质的变化。
尽管临床前研究为虾青素在减轻TBI中的作用提供了宝贵的见解，但将这些发现转化为人类临床实践仍然具有挑战性。这主要是由于当前临床前模型在模拟人类TBI的真实特征方面存在局限性。此外，需要强调的是，这些临床前研究中使用的有效剂量相对较高，这给将其转化为临床试验带来了挑战。临床前研究中通常使用高剂量以确保全身暴露。先前研究表明虾青素的生物利用度较差，这很可能解释了为什么在临床前研究中经常使用高剂量。然而，这种物理化学性质的缺点可以通过使用先进的药物递送系统来改善以获得更好的药代动力学特征。考虑到化合物的剂量不能直接从临床前研究转化到临床试验，进一步优化虾青素的药物递送似乎是一个有前景的未来研究方向。
除了在人类应用转化方面的挑战外，本综述强调有5项研究在中国进行，其余一项在以色列进行。本综述还指出，张实验室贡献了两项证据。综述强调，缺乏更广泛的地理覆盖和独立重复可能限制了当前证据的普遍性和稳健性。因此，需要在不同的实验室和地理范围内进行进一步的独立研究以验证结果。
尽管存在这些局限性，考虑到其益处和最小的毒性特征，以及其穿越血脑屏障的能力，表明虾青素有希望作为TBI患者恢复的治疗选择或辅助治疗。
5 结论
综合考虑所有可用的临床前数据，本系统评价将虾青素确定为一种具有巨大潜力的多靶点神经保护药物，可用于预防TBI的继发性损伤。来自实验模型的一致且可靠的证据表明，虾青素治疗可增强认知、运动和神经功能结果。虾青素通过同时抑制SIRT1/Nrf2/Prx2信号轴介导的氧化应激和细胞凋亡，通过下调促炎细胞因子表达和阻断NF-κB核转位来抑制神经炎症，以及通过下调AQP4和NKCC1通道来降低脑水肿，从而显著减轻继发性损伤级联反应。除了急性神经保护外，它似乎还通过上调BDNF和关键突触蛋白来促进恢复，表明其在长期神经修复潜力方面的作用。
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