Eugenol Attenuates Cerebral Ischemia-Reperfusion Injury by Enhancing Autophagy via AMPK-mTOR-P70S6K Pathway

Abstract

Eugenol, as an active compound isolated from Acorus gramineus, has been shown to protect against cerebral ischemia-reperfusion (I/R) injury. Nonetheless, the detailed neuroprotective mechanisms of eugenol in cerebral I/R injury have not been elaborated. In the present study, cerebral I/R injury model was established by middle cerebral artery occlusion (MCAO) in rats. HT22 cells were subjected to oxygen-glucose deprivation/ reperfusion (OGD/R) to mimic cerebral I/R injury in vitro. The results showed that eugenol pre-treatment relieved cerebral I/R injury as evidenced by improving neurological deficits and reducing infarct volume. Autophagy was induced by MCAO, which was further promoted by eugenol administration. Moreover, rapamycin, an activator of autophagy, promoted eugenol-induced decreases in neurological score, infarct volume, brain water content, and apoptosis. However, pretreatment with 3-MA, an inhibitor of autophagy, led to the opposite results. Similarly, eugenol pretreatment increased the viability and restrained apoptosis of OGD/R-challenged HT22 cells. OGD/R-induced autophagy was strengthened by eugenol. Mechanically, eugenol promoted autophagy through regulating AMPK/mTOR/P70S6K signaling pathway in vivo and in vitro. In conclusion, pretreatment with eugenol attenuated cerebral I/R injury by inducing autophagy via AMPK/mTOR/ P70S6K signaling pathway.

Selenium attenuates ischemia/reperfusion injury‑induced damage to the blood‑brain barrier in hyperglycemia through PI3K/AKT/mTOR pathway‑mediated autophagy inhibition

“…A total of 4 weeks after the induction of diabetes with streptozotocin (STZ), the rats were randomly divided into five groups: The hyperglycemia Sham (Sham), hyperglycemia I/R (HIR), sodium selenite-treated hyperglycemia I/R (Se), 3-methyladenine (3-MA)-treated hyperglycemia I/R (3-MA) and sodium selenite plus 3-MA-treated hyperglycemia I/R (Se + 3-MA) groups (20 rats per group). For the inhibition of autophagy, 3-MA (30 µ g; Merck KGaA) was dissolved in 10 µ l saline ( 36 ) and injected into the ipsilateral ventricle immediately after MCAO.…”

“…Immediately after the surgery, the 3-MA treatment group was intracerebroventricularly (i.c.v.) injected with 3-MA (30 µ g dissolved in 10 µ l saline) ( 36 ). Normal saline (10 µ l) was injected in the Sham group.…”

MicroRNA-9-3p Aggravates Cerebral Ischemia/Reperfusion Injury by Targeting Fibroblast Growth Factor 19 (FGF19) to Inactivate GSK-3β/Nrf2/ARE Signaling

“…To mimic cerebral I/R injury in vitro, HT22 cells were subjected to oxygen-glucose deprivation/reperfusion (OGD/R) treatment, as previously described. 30 In brief, approximately 2×10 4 HT22 cells were cultured in glucose-free DMEM in a hypoxic chamber with 3% O 2 , 5% CO 2 and 92% N 2 for 2 h, and then cells were transferred into glucose-containing DMEM for re-oxygenation under normal conditions (95% air and 5% CO 2 ) for 6 h, 12 h or 24 h. Cells still cultured in glucose-containing DMEM under normoxic conditions were considered as the control group.…”

The dual effects of autophagy in cerebral ischemia and small-molecular therapeutic drugs

“…在大鼠永久性大脑中动脉闭塞模型中， 观察到自噬体和自噬溶酶体数量的明 显增加，使用 3-MA 治疗可以有效地减少脑梗死体积，减轻脑水肿并改善大鼠的 运动障碍 [34] 。 对大鼠进行氧葡萄糖剥夺(oxygen-glucose deprivation, ODG) 24 小时 后，3-MA 和 WM 可以通过抑制自噬来减轻神经元的损伤 [35] 。对成年大鼠进行 全脑缺血再灌注损伤，缺血前 3-MA 治疗可抑制缺血损伤激活的自噬，防止海马 CA1 神经元程序性坏死的发生 [26] 。上述研究表明自噬对脑缺血损伤也存在促进 作用。Beclin-1 诱导的自噬对缺血性中风除了表现出保护作用外，在其他研究中 也表现出加重脑缺血损伤的有害作用。有研究探讨 Beclin-1 依赖性自噬在短暂 MCAO 后神经再生过程中的作用， 使用 RNA 干扰技术下调脑缺血大鼠的 Beclin-1 表达可以减少脑梗死体积，抑制组织损伤和改善神经功能障碍 [36] 。此外，通过 下调 Beclin-1 来抑制自噬可减轻局灶性脑梗死后的丘脑继发性退行性损伤 [37] 。研 究发现 AMPK 介导的自噬可以扩大脑缺血体积，加重病理损伤。Li 等人利用基 因敲除的方法检测 AMPK 亚型对缺血性中风的影响，发现 AMPK 在局灶性中风 模型中是有害的，AMPK 的催化异构体 α-2 参与了其有害作用的激活，使用 AMPK 抑制剂药理上抑制 AMPK 的激活可以减少中风损伤，即使在中风发生后 治疗也可以有效的保护神经细胞 [38] 。此外，自噬相关基因 ATG7 也是缺氧/缺血 性脑损伤诱导的神经元细胞死亡的关键基因。新生小鼠受到脑缺氧/缺血损伤后， 观察到自噬体的形成显著增加，海马神经元的大量死亡受到 caspase-3 依赖或非 依赖的调节 [39] 。 而对于 ATG7 基因缺失的新生小鼠， 对缺氧/缺血诱导的 caspase-3 激活和神经元死亡均表现出完全的抵抗作用，几乎没有受到神经功能的损伤 [39] 。 对小鼠神经元选择性缺失 AT G7 基因可以防止缺氧/缺血诱导的自噬，使小鼠脑 梗死体积减少 42%，并减少大脑多个区域的细胞死亡 [40] [41] 。体内外研究表明，丁香酚可以通过 调节 AMPK/mTOR/P70S6K 信号通路诱导细胞自噬， 明显减轻脑缺血再灌注损伤 及伴随的神经功能损伤 [41] 。 白藜芦醇(resveratrol)是一种非黄酮类多酚有机化合物， 可以通过抑制电子传递链来降低 ATP 水平，从而导致 AMPK 的激活 [42] 。在体外 培养的神经元和内皮细胞中，白藜芦醇激活 AMPK，并通过激活自噬对内皮细 胞中游离脂肪酸诱导的氧化应激表现出保护作用 [43] 。 二苯 乙 烯苷 (stilbene glycoside)是从何首乌中分离得到的具有神经保护作用的单体成分。机制研究表 明，二苯乙烯苷通过促进 SIRT3/AMPK 的表达，促进缺血神经元线粒体自噬， 抑制细胞凋亡 [44] 。Garciesculenxanthone B(GeB)是一种从藤黄中提取出的呫吨酮 类化合物，可稳定蛋白激酶 PINK1，并促进 PINK1-Parkin 介导的线粒体自噬， 对缺血再灌注诱导的小鼠脑损伤起到保护作用 [45] 。转录因子 EB(transcription factor EB, TFEB)作为自噬体和溶酶体生物发生的主要调节因子，通过激活自噬-溶酶体通路(autophagy-lysosomal pathway, ALP)对脑缺血诱导的神经元损伤具有 神经保护作用 [46] 。 番茄碱(tomatidine)是一种天然存在于茄科植物未成熟番茄中的 甾体生物碱，在哺乳动物细胞或线虫中可以激活自噬降解。最新研究表明，番茄 碱能够通过促进溶酶体活性对缺血损伤的神经元细胞起到保护作用， 这种保护可 能涉及到 TFEB 相关机制 [47] 。伪人参皂苷 F11(pseudoginsenoside F11, PF11)是一 种从西洋参中分离出来的奥克梯隆型皂苷，研究表明 PF11 可通过促进钙调磷酸 酶介导的 TFEB 核易位来减轻永久性脑缺血 ALP 功能障碍， 证实了 PF11 的抗脑 缺血自噬机制 [48] 。黄芪甲苷 IV(astragaloside IV)是从中药黄芪的干植物根中分离 得到的小分子皂苷，具有抗氧化、抗炎、抗病毒、抗衰老、抗血小板聚集等多种 生物活性 [49] 。体内外研究表明，黄芪甲苷 IV 通过增强脑缺氧缺血诱导的保护性 自噬抑制细胞凋亡，对缺氧缺血造成的脑损伤具有神经保护作用 [50] 。花青素 (anthocyanin)是一种苯并吡喃衍生物，广泛存在于绝大多数陆生植物的液泡中， 被报道可以减轻 MCAO 大鼠神经血管单元的损伤 [51] 。在 ODG 处理的 SH-SY5Y 细胞中， 花青素能显著增加细胞的自噬通量， 抑制氧化应激 [51] 。 自噬激动剂 RAPA 可增强花青素的抗炎作用， 而自噬抑制剂 3-MA 则抑制花青素的神经细胞保护作 用 [51] 。 此外，在长期的临床应用或实验室研究中，许多治疗其他疾病的小分子化合 物被发现具有诱导/促进自噬并减轻脑缺血损伤的作用。异丙酚(propofol)作为一 种静脉麻醉药，具有起效和恢复时间快，副作用少的优点，广泛应用于临床危重 患者的麻醉和镇静 [52] 。临床用药中发现异丙酚在缺血性中风、脑缺血再灌注损 伤、蛛网膜下腔出血、急性脑损伤等神经损伤病例中均表现出良好的保护作用。 在脑缺血再灌注大鼠模型中，异丙酚预处理可...…”