黃酮類物質(zhì)的生物功能及作用機制研究進展

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黃酮類(Flavonoid)物質(zhì)是已被證明具有多種生物活性的多元酚物質(zhì)[1]，主要包括黃酮(Flavone)、黃烷酮(Flavanone)、黃烷醇(Flavanols)與異黃酮(Isoflavones)等。迄今為止，已證實黃酮類物質(zhì)具有平喘、抗炎癥、抗感染、抗血管生成與抗癌等多重生物活性功能?，F(xiàn)就近年來黃酮類物質(zhì)的研究進展進行綜述。

1 黃酮類物質(zhì)概述

自然界存在許多富含黃酮類物質(zhì)的植物，比如滿山紅、大豆與黃芩?，F(xiàn)主要介紹這3種植物中所含黃酮的作用及機制。

1.1 滿山紅(Rhododendron dauricum L) 滿山紅是一種屬于杜鵑花科(Ericaceae)的傳統(tǒng)中草藥植物[2]，主要分布于中國北方、韓國、日本、蒙古北方與俄羅斯[3]。在中國，滿山紅主要被應(yīng)用于支氣管炎的治療[4]。至今已經(jīng)從杜鵑花科植物中探測并分離出約90種生物活性物質(zhì)，包括黃酮、香豆素(Coumarins)、揮發(fā)油(volatile oils)、有機酸(organic acids)與萜烯類(terpenes)物質(zhì)等[5]。而近年來的研究熱點之一杜鵑素(farrerol)則是從滿山紅中提取分離出來的典型野生黃酮類物質(zhì)[6]。

1.2 大豆制品(soy products) 大豆制品是眾多亞洲國家的主要食品，如中國、韓國與印度尼西亞。已經(jīng)有研究證實在這些飲食中高攝入豆制品(豆腐、豆粉、豆奶或豆豉等)國家人群中，體液中黃酮的比例要高于其他國家的人群[7]。大豆苷元(daidzein)與染料木黃酮(genistein)是目前研究較多的兩種大豆異黃酮，其主要活性作用是抗氧化作用[8]。

1.3 黃芩(Scutellaria baicalensis) 黃芩是一種屬于唇形科(Labiatae family)的傳統(tǒng)中草藥，其成分主要包括黃芩素(Baicalein)、黃芩苷(Baicalin)與漢黃芩素(Wogonin)。經(jīng)證實黃芩可以用來治療炎癥、高血壓、心血管疾病、細菌或病毒感染[9]。

2 黃酮類物質(zhì)的生物活性作用及機制

2.1 抑制血管生成 血管新生(angiogenesis)是廣泛存在于人體生理或病理過程中的重要機制[10]，如炎癥、腫瘤。經(jīng)多年研究證實，在血管新生的過程中，有多種調(diào)節(jié)因子如血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、信號通路蛋白Akt、Erk與mTOR，信號轉(zhuǎn)錄激活因子Stat起到重要的調(diào)節(jié)作用[11]。至今已有應(yīng)用于臨床的靶向作用于血管新生過程的藥物[12]。2016年Dai等[13]經(jīng)實驗證實，杜鵑素可以通過抑制Akt、Erk、mTOR、Jak2與Stat3等關(guān)鍵因子的磷酸化從而抑制人臍靜脈上皮細胞與人微血管上皮細胞的增殖與遷移，從而達到抑制新生血管生成的目的。

2.2 舒張血管 現(xiàn)今高血壓已經(jīng)成為全球最普遍的公共衛(wèi)生問題之一，2005年全球共有25%的成人患有原發(fā)性高血壓，并且預(yù)計患病人數(shù)比例將在2025年提升至29%[14]。盡管已有許多藥物被用來治療高血壓，但其中大部分藥品都存在一些問題，如血壓控制不穩(wěn)定或?qū)C體其他臟器具有毒副作用等。所以，近十幾年來人們紛紛將眼光轉(zhuǎn)向傳統(tǒng)的中草藥，并且發(fā)現(xiàn)黃酮類物質(zhì)對治療高血壓有明顯的療效[15]。Qin等[6]發(fā)現(xiàn)杜鵑素可以通過減少大鼠主動脈的血管平滑肌細胞(VSMCs)的鈣離子內(nèi)流從而抑制血管收縮，具體減少鈣離子內(nèi)流的機制可能與降低L型電壓門控鈣離子通道(LVGC)的活性有關(guān)。2015年Qin等[16]又發(fā)現(xiàn)在自發(fā)性高血壓大鼠模型(SHR)中，杜鵑素不僅具有與維拉帕米相近的降壓作用，而且可以顯著降低血管中膜的厚度，使中膜與內(nèi)膜厚度的比值下調(diào)，從而證明杜鵑素不僅可以降壓，還可以降低高血壓對小鼠動脈的損傷。

2.3 抗病毒作用 一直以來人類對病毒的研究并未如同對細菌的研究一樣透徹，且抗病毒藥物的研制也不能滿足臨床工作的需求。病毒自身的特殊結(jié)構(gòu)與其極強的變異能力都給研究工作帶來了困擾。早在1992年Baylor等[17]就已證實黃芩苷可以有效抑制人T細胞白血病病毒(HTLV-1)對T細胞與B細胞的感染。之后1995年日本學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)20 μg/mL的黃芩素對白血病CEM細胞沒有毒性，但是對被人類免疫缺陷病毒(HIV)感染的CEM細胞有誘導(dǎo)凋亡的作用[18]。Wu等[19]研究發(fā)現(xiàn)黃酮類物質(zhì)可以抑制EB病毒在細胞內(nèi)的表達，從而抑制EB病毒對細胞的作用。實驗人員用近20年的時間證實中草藥可以作為一個研究抗病毒機制的方向，進而取得更大的臨床獲益。

2.4 抗細菌作用 金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)是十分常見的病原菌，之后耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistant S.aureus，MRSA)的出現(xiàn)使抗金黃色葡萄球菌感染的臨床工作更為棘手。Qiu等[20]闡明在濃度范圍為4 μg/mL～16 μg/mL的杜鵑素即可對MRSA和甲氧西林敏感的金黃色葡萄球菌(Methicillin-sensitive S.aureus，MSSA)同時表現(xiàn)出抑制作用，且杜鵑素對實驗細胞模型小鼠腹腔巨噬細胞RAW264.7沒有產(chǎn)生毒副作用。此外，杜鵑素在牛的乳腺炎模型中也表現(xiàn)出了極強的抑制金黃色葡萄球菌生長的作用，且對牛的乳腺上皮細胞(bMEC)同樣無毒副作用[21]。由此可見，杜鵑素可能是一種對細胞無毒且對金黃色葡萄球菌有較強抑制作用的黃酮類物質(zhì)。

2.5 抗氧化作用 活性氧(reactive oxygen species，ROS)是哺乳動物細胞內(nèi)由線粒體產(chǎn)生的由氧組成且性質(zhì)活潑的物質(zhì)總稱，其過度生成可能會導(dǎo)致脂質(zhì)、蛋白質(zhì)與脫氧核糖核酸(DNA)的損傷，已經(jīng)證實機體內(nèi)一系列的病理反應(yīng)，如慢性炎癥與癌癥都與活性氧的過度生成有關(guān)[22]。在體內(nèi)，細胞自身會產(chǎn)生如NQO1，GST，血紅素氧合酶-1(HO-1)與GSH-Px等抗氧化物質(zhì)[23]來保護細胞。2013年人們發(fā)現(xiàn)在過氧化氫介導(dǎo)的人臍靜脈上皮細胞損傷模型中，杜鵑素可以通過抗氧化作用而減少上皮細胞的損傷與凋亡[24]。2015年有實驗顯示，20 mg/L的杜鵑素在作用于RAW264.7細胞18 h后，細胞內(nèi)的HO-1表達明顯增加，且隨著杜鵑素濃度的增加與作用時間的延長，HO-1的表達也隨之增加[25]，而具體杜鵑素使HO-1表達增加的機制可能與核因子相關(guān)因子(NF-E2-related factor，Nrf2)的釋放增多有關(guān)。

2.6 抗腫瘤作用 惡性腫瘤的治療一直是全世界科學(xué)家致力研究的熱點及難點。在目前的臨床工作中對于腫瘤全身治療的方法仍是化療占主導(dǎo)地位?；熕幬镒鳛橐环N細胞毒藥物，雖然對腫瘤細胞有很強的殺傷力，但對機體其他正常細胞的毒副作用不容忽視，而且惡性腫瘤對化療產(chǎn)生的耐藥性給病人的預(yù)后帶來極其不利的影響。近年來，國內(nèi)外開始將研究目光轉(zhuǎn)向中草藥部分，并且已經(jīng)得到一些令人鼓舞的研究成果。現(xiàn)主要總結(jié)黃酮類物質(zhì)對腫瘤的作用及其作用機制。

2.6.1 干擾腫瘤細胞的細胞周期 周期素(cyclins)、周期素依賴性激酶(cyclin-dependent kinases，CDKs)與周期素依賴性激酶抑制劑(CDK inhibitors， CDKIs)是調(diào)節(jié)細胞周期的重要因子。據(jù)統(tǒng)計，與G1期有關(guān)的周期調(diào)節(jié)因子主要有cyclin D、CDK4/CDK6；與G1期過渡到S期有關(guān)的周期調(diào)節(jié)因子主要有cyclin E、CDK2；與S期有關(guān)的周期調(diào)節(jié)因子則是cyclin A、CDK2；而在G2/M期中則是cyclin A/cyclin B起到調(diào)節(jié)作用[1]。許多研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在多種腫瘤細胞中CDKs的表達水平比其他正常細胞的表達水平要高，表達增多的原因主要是CDKs或CDKIs基因的異常突變[26]。大豆苷元在作用于人乳腺癌細胞MCF-7與MDA-MB-453 72 h后，兩種細胞均發(fā)生了細胞周期在G1期與G2/M期的停滯[8]。漢黃芩素可以導(dǎo)致人單核白血病細胞THP-1的細胞周期停滯于G2/M期[27]。此外，同樣在人肝癌細胞系(Hep G2 cells)中也發(fā)現(xiàn)，黃芩苷、黃芩素與漢黃芩素均可造成Hep G2細胞在細胞培養(yǎng)過程中處于G2/M期的細胞數(shù)目明顯增加，從而阻斷Hep G2細胞的增殖[28]。

2.6.2 影響B(tài)cl-2家族的表達 Bcl-2家族是調(diào)控細胞凋亡的重要蛋白質(zhì)家族，是凋亡研究的熱點之一。Bcl-2家族分為抑制凋亡蛋白Bcl-2和促進凋亡蛋白Bax兩大類，在多數(shù)腫瘤病人中Bax表達下降，而Bcl-2表達水平升高[29]。Bcl-2家族在調(diào)節(jié)細胞凋亡過程中會與細胞內(nèi)的細胞器(如線粒體)產(chǎn)生作用。Bcl-2家族的大多數(shù)蛋白中都包含有一段可以嵌入到線粒體外膜上的C-跨膜域，從而使Bcl-2家族的蛋白與線粒體相連接。Bax蛋白與線粒體結(jié)合會發(fā)生線粒體外膜通透化(MOMP)，導(dǎo)致caspase活化。相反Bcl-2蛋白則起到保護線粒體外膜完整性的作用，從而阻止細胞凋亡的發(fā)生[30]。通過RT-PCR測得，在杜鵑素處理過24 h的胃癌細胞(SGC-7901)中，Bax蛋白表達升高，Bcl-2蛋白表達減少，同時Bax/Bcl-2比值明顯增加[31]，揭示了杜鵑素誘導(dǎo)腫瘤細胞的凋亡機制與Bcl-2家族的調(diào)控作用有關(guān)。

2.6.3 抑制前列腺素E2(PGE2)的生成 PGE2是一種由花生四烯酸轉(zhuǎn)化來的前列腺素(PGs)，環(huán)加氧酶(COX)是花生四烯酸轉(zhuǎn)化過程中重要的限速酶。Klapan等[32]發(fā)現(xiàn)頭頸部鱗狀細胞癌病人的血清中PGE2的水平明顯升高，且在手術(shù)切除腫瘤后PGE2水平立即下降。之后的實驗證實黃芩可以誘導(dǎo)頭頸部鱗狀細胞癌的癌細胞凋亡，同時能夠通過抑制COX-2的催化作用來有效抑制PGE2的產(chǎn)生[33]。由此可見抑制PGE2的生成可能是黃芩誘導(dǎo)癌細胞凋亡的機制之一。

3 流行病學(xué)調(diào)查

除外大量的實驗研究證實黃酮類物質(zhì)具有抗腫瘤作用，一些流行病學(xué)調(diào)查同樣也能揭示黃酮類物質(zhì)的抗腫瘤作用是否可靠。早在19世紀80年代就已經(jīng)有調(diào)查顯示木脂素(Lignans)與異黃酮類物質(zhì)可以預(yù)防乳腺癌的發(fā)生。之后的流行病學(xué)調(diào)查也反映出乳腺癌、膀胱癌與直腸癌的發(fā)病率在飲食中高攝入含有黃酮類物質(zhì)食物(如大豆)的人群中要低于其他人群[34]。而這種流行病學(xué)差異則被歸功于植物雌激素(phyto-oestrogens)的作用。植物雌激素是一類擁有與甾體類雌激素相似化學(xué)結(jié)構(gòu)存在于多種植物中的一類物質(zhì)。至今人們已發(fā)現(xiàn)植物雌激素具有抗腫瘤、抗血管新生等活性。1997年發(fā)表在《柳葉刀》雜志(The Lancet)上的1篇病例對照研究進一步證實高攝入含有植物雌激素的食物如異黃酮類物質(zhì)的女性早期乳腺癌的發(fā)病率要明顯降低，從而提示含有植物雌激素的食物可以預(yù)防乳腺癌的發(fā)生[35]，之后的研究則明確顯示植物雌激素可以抑制乳腺癌、膀胱癌與直腸癌的癌細胞的增殖[36]。

4 小結(jié)與展望

近年來研究人員證實黃酮類物質(zhì)的生物功能主要包括抑制血管新生、舒張血管、抗病毒及細菌感染、抗細胞氧化、抗腫瘤等，且這些功能并不是獨立存在的，而是存在一定聯(lián)系的，這些作用之間的相互聯(lián)系會使黃酮類物質(zhì)的生物功能變得更加全面、廣泛。希望能夠通過更多的基礎(chǔ)和臨床實驗來使人們認識到黃酮類物質(zhì)的醫(yī)學(xué)價值，為以后的實驗和臨床工作開辟一個新的方向。