姜黃素保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷分子機(jī)制的研究進(jìn)展

王彤，龍明智

(南京醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，江蘇 南京 210011)

姜黃素是一種天然疏水性多酚，提取于多年生草本植物姜黃的干燥根莖中，是日常生活中常用的調(diào)味品和天然色素，作為藥食兩用的傳統(tǒng)藥材已有數(shù)百年的使用歷史。1815年德國(guó)學(xué)者Vogel和Pelletier首次從姜黃根莖中分離出姜黃素，并確定其分子式為C21H20O6。越來越多的證據(jù)表明，姜黃素系通過多靶點(diǎn)調(diào)節(jié)細(xì)胞基因表達(dá)或直接作用而發(fā)揮抗腫瘤[1-3]、抗增殖[4]、抗炎[5]等多方面生物學(xué)效應(yīng)。近年來有關(guān)姜黃素保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞、抗動(dòng)脈粥樣硬化的研究不斷深入，特別是姜黃素抑制氧化應(yīng)激所致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷的分子機(jī)制研究，為姜黃素應(yīng)用于心血管病的防治提供了理論依據(jù)。

1 自噬

細(xì)胞自噬是由Ashford和Porter于1962年發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)有“自己吃自己”的現(xiàn)象后首次提出的，由溶酶體介導(dǎo)完成細(xì)胞質(zhì)內(nèi)從可溶蛋白到完整細(xì)胞器的批量降解，系真核細(xì)胞中高度保守的一類亞細(xì)胞降解途徑，在生物體細(xì)胞器更新、細(xì)胞程序性死亡、生長(zhǎng)發(fā)育、腫瘤抑制等方面具有非常重要的作用[6]。2016年度諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者Yoshinori Ohsumi于1993年首次通過構(gòu)建釀酒酵母液泡模型，從突變菌株篩選出15種細(xì)胞自噬相關(guān)基因[7](APG genes，最初的命名)，4年后他的團(tuán)隊(duì)又成功克隆出了細(xì)胞自噬相關(guān)基因(ATG)，為細(xì)胞自噬分子機(jī)制研究奠定了基礎(chǔ)，到目前為止已經(jīng)有近40種ATG基因被發(fā)現(xiàn)。2000年Yoshinori Ohsumi研究組又首次報(bào)道了鑒定細(xì)胞自噬的金標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵蛋白Atg8的同源蛋白LC3，還建立微管相關(guān)蛋白1輕鏈3-Ⅱ(LC3-Ⅱ)的檢測(cè)方法，用于評(píng)定哺乳動(dòng)物自噬水平[8]。2009年Yoshinori Ohsumi研究發(fā)現(xiàn)，線粒體錨定受體Atg32在呼吸運(yùn)動(dòng)過程中被誘導(dǎo)，并與Atg8、Atg11蛋白相互作用，調(diào)節(jié)線粒體以自噬依賴性的方式進(jìn)行降解[9]。線粒體作為細(xì)胞能量加工廠，通過氧化磷酸化高效釋放能量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生活性氧(ROS)等副產(chǎn)物，而ROS的大量釋放將導(dǎo)致氧化應(yīng)激，持久嚴(yán)重的氧化應(yīng)激將引起線粒體功能障礙及結(jié)構(gòu)破壞，從而啟動(dòng)自噬體捕獲、銷毀受損的線粒體。新近研究發(fā)現(xiàn)，在氧化應(yīng)激過程中，ROS能通過多個(gè)信號(hào)通路調(diào)控自噬調(diào)節(jié)因子mTOR，從而誘導(dǎo)自噬發(fā)生，包括抑制PI3K-Akt-mTOR信號(hào)通路，激活MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制Atg4活性致LC3-Ⅱ堆積等途徑來實(shí)現(xiàn)[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)姜黃素預(yù)處理的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)暴露于過氧化氫(H2O2)，其LC3-Ⅱ水平、自噬體的數(shù)量、P62的降解均顯著提高，進(jìn)一步研究證實(shí)在氧化應(yīng)激作用下，姜黃素通過抑制PI3K-Akt-mTOR信號(hào)通路、促進(jìn)BECN1表達(dá)、逆轉(zhuǎn)FOXO1的核定位，提高其乙?；降确绞秸T導(dǎo)自噬達(dá)到保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞作用[12]。本研究小組曾將5～20 μmol·L-1的姜黃素預(yù)處理的hy926細(xì)胞(HUVECs)與200 μmol·L-1的H2O2共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)姜黃素能通過抑制PI3K-Akt-mTOR信號(hào)通路激活自噬，保護(hù)HUVECs細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷，并抑制其凋亡[13]。Zheng等[14]研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合應(yīng)用5.0 mg·L-1的羥基乙?；S素和超聲誘導(dǎo)，可以促進(jìn)Bcl-2和BAX蛋白表達(dá)，通過線粒體自噬，一方面減輕了由ROS所致氧化應(yīng)激損傷，另一方面也抑制了巨噬細(xì)胞所致的脂質(zhì)聚集作用。Chen等[15]在大鼠頸內(nèi)動(dòng)脈球囊損傷實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，血管內(nèi)皮細(xì)胞經(jīng)姜黃素預(yù)處理后，細(xì)胞內(nèi)LC3-Ⅱ水平顯著提高，P62降解明顯，證實(shí)了姜黃素能通過誘導(dǎo)自噬抑制氧化應(yīng)激對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷、凋亡作用。

2 血紅素加氧酶(HO)-1

HO-1最早是在1968年由Tenhunen等在動(dòng)物肝臟微粒體中發(fā)現(xiàn)的，是血紅素分解代謝過程中的限速酶。在體內(nèi)有3種同工酶，分別是HO-1、HO-2和HO-3，他們?cè)诜肿咏Y(jié)構(gòu)、表達(dá)調(diào)節(jié)和組織分布中存在很大差異，其中HO-1在組織氧化損傷的病理?xiàng)l件下起著保護(hù)細(xì)胞作用。HO-1也被稱之為熱休克蛋白32(HSP32)，相對(duì)分子量為32 000，染色體定位22q12，誘導(dǎo)性表達(dá)于肝、脾、心、肺、血管平滑肌、腦等組織，誘導(dǎo)因素包括應(yīng)激、缺氧、內(nèi)毒素、過氧化氫、細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子等。HO-1基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，其減弱氧化應(yīng)激損傷的機(jī)制與激活蛋白因子1(AP1)家族有關(guān)，其中NFE2相關(guān)因子2(Nrf2)最為重要[16]。Nrf2可以和HO-1基因抗氧化反應(yīng)片段結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)基因，在氧化應(yīng)激反應(yīng)中起重要作用[17]。Motterlini等[18]研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素在常氧和缺氧條件下均能有效地誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞HO-1基因表達(dá)并維持血紅素加氧酶的活性，這種調(diào)節(jié)作用呈濃度-時(shí)間依賴性。Cui等[19]以魚藤酮損傷大鼠為模型，發(fā)現(xiàn)經(jīng)姜黃素預(yù)處理的大鼠血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽(GSH)水平顯著提高，而ROS活性和丙二醛(MDA)含量明顯下降，進(jìn)一步研究揭示姜黃素通過Akt/Nrf2信號(hào)通路恢復(fù)了HO-1的表達(dá)水平，從而減輕氧化應(yīng)激損傷。Dong等[20]以慢性酒精性肝損傷大鼠為模型，證實(shí)姜黃素可以增加Nrf2活性和HO-1的表達(dá)水平，上調(diào)超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)的活性以抑制氧化應(yīng)激，從而減少脂質(zhì)過氧化物的生成。有研究發(fā)現(xiàn)姜黃素可顯著誘導(dǎo)HO-1表達(dá)并增加其活力，以減輕內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷進(jìn)而發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化作用[21]。另外，對(duì)于造影劑泛影葡胺引起的腎組織細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，研究發(fā)現(xiàn)姜黃素可誘導(dǎo)腎組織HO-1表達(dá)，抑制細(xì)胞凋亡，防止造影劑腎病發(fā)生[22]。

3 Notch信號(hào)通路

Notch基因最早于1917年由Thomas Hunt Morgan在果蠅中發(fā)現(xiàn)，因其功能部分缺失可導(dǎo)致果蠅翅緣出現(xiàn)缺口而得名。Notch信號(hào)通路是進(jìn)化上高度保守、廣泛分布于哺乳動(dòng)物各個(gè)組織中，控制著細(xì)胞增殖、遷移、分化和死亡等細(xì)胞命運(yùn)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，由配體、受體、下游相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子及調(diào)節(jié)因子等共同組成，不需要第二信使與蛋白激酶參與，能夠直接轉(zhuǎn)入細(xì)胞核并激活核內(nèi)靶基因的表達(dá)[23]。2009年P(guān)erumalsamy等[24]研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號(hào)通路通過與線粒體重塑蛋白作用，影響線粒體的形態(tài)與功能的完整性，進(jìn)而在氧化應(yīng)激損傷中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。Yang等[25]以H2O2誘導(dǎo)氧化應(yīng)激損傷的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞為模型，發(fā)現(xiàn)姜黃素通過抑制Notch信號(hào)通路，逆轉(zhuǎn)Notch信號(hào)通路激活所致Bax、Bak細(xì)胞凋亡，以及阻斷Bcl2表達(dá)下調(diào)所致內(nèi)源性線粒體凋亡，認(rèn)為增強(qiáng)內(nèi)源性抗氧化保護(hù)作用和抑制內(nèi)源性線粒體凋亡可能是姜黃素保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞的主要機(jī)制。有研究發(fā)現(xiàn)，利用Notch1信號(hào)通路的特異性阻斷劑——γ-分泌酶抑制劑(DAPT)和Notch1 siRNA阻斷Notch1信號(hào)通路，DAPT+ H2O2組和Notch1 siRNA+ H2O2組細(xì)胞存活率和黏附能力較H2O2組顯著提高，凋亡率明顯下降，細(xì)胞LDH釋放量和ROS含量降低，SOD、GSH-Px和MDA含量顯著升高，提示姜黃素可通過Notch1信號(hào)通路抑制氧化應(yīng)激所致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷[26]。

4 其他機(jī)制

近年來，有關(guān)姜黃素保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷的研究還有許多新機(jī)制、新通路不斷被發(fā)現(xiàn)。Sun等[27]究發(fā)現(xiàn)，姜黃素可以通過沉默調(diào)節(jié)因子1途徑減弱H2O2誘導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞早衰。Verma等[28]以Ⅱ型含氟菊酯誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和遺傳毒性為模型，發(fā)現(xiàn)姜黃素可以通過抗脂質(zhì)過氧化和提高細(xì)胞的抗氧化能力來保護(hù)細(xì)胞免于氧化應(yīng)激損傷。另有研究發(fā)現(xiàn)[29]，姜黃素通過NF-κB信號(hào)通路抑制黏附分子和趨化分子(如VCAM-1和ICAM-1)表達(dá)，以及腫瘤壞死因子-α誘導(dǎo)的凝集素樣氧化低密度脂蛋白α受體生成，從而起到抗炎、抗氧化作用，本研究小組在代謝綜合征大鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，姜黃素可以明顯降低代謝綜合征大鼠血漿腫瘤壞死因子-α和血清sICAM-1水平，改善血管內(nèi)皮細(xì)胞功能，延緩動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生[30-31]。

5 展望

姜黃素是從草本植物姜黃干燥根莖中提取的疏水性多酚，具有明確的分子量和結(jié)構(gòu)式，這有助于對(duì)其作用靶點(diǎn)分子機(jī)制和基因調(diào)控的研究。隨著姜黃素對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷分子機(jī)制研究的深入，各種調(diào)控基因、靶點(diǎn)、信號(hào)通路不斷被揭示，將為氧化應(yīng)激介導(dǎo)的動(dòng)脈粥樣硬化防治提供新的方法和策略，也為天然藥物的臨床應(yīng)用提供新的思路和依據(jù)。