姜黃素的功能特性及其毒理學(xué)研究進(jìn)展

周阿容，葛勝晗，孔子浩，林少玲，曾紹校

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350000）

姜黃素是從印度香料姜黃根莖中提取的一種多酚類化合物，具有良好的熱穩(wěn)定性與著色性，是世界上銷量最大的天然食用色素之一。目前，姜黃素作為食品添加劑已被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中。在我國的傳統(tǒng)醫(yī)藥文化中，姜黃素常被用于驅(qū)蚊蟲、祛風(fēng)活血、行氣血、通經(jīng)止痛等，具有良好的醫(yī)療保健效果。姜黃素因深厚的藥用價值與生物活性而備受關(guān)注，國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗微生物作用等生物活性[1]，并且許多臨床研究顯示姜黃素在預(yù)防和治療各種人類疾病中的有效性與安全性[2]。

近幾十年來，使用營養(yǎng)保健品和功能性食品來預(yù)防和治療人類疾病已經(jīng)日趨盛行。姜黃素?fù)碛蟹植紡V、藥用價值高和應(yīng)用普遍的特點，國內(nèi)外學(xué)者對姜黃素的生物活性和藥理作用進(jìn)行了廣泛的研究。姜黃素不僅應(yīng)用在食品工業(yè)中，還被廣泛用于藥用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和日用化學(xué)品中。大量的研究表明姜黃素對多種疾病具有一定功效[3]，見圖1。盡管姜黃素具有明顯的藥理作用和安全性，但尚未被批準(zhǔn)用作藥物。對于姜黃素的研究，不僅要關(guān)注其良好的功能活性，更需要了解其發(fā)揮活性作用的機(jī)制及可能潛在的毒性。本文就姜黃素的幾種功能活性與作用機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納，并對其毒性研究成果進(jìn)行總結(jié)和探索。

1 姜黃素的理化性質(zhì)

姜黃素化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含兩個鄰甲基化的酚，以及一個β－二酮功能基團(tuán)（化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖2），其結(jié)構(gòu)特點與其生物活性及毒性大小具有相關(guān)性[4]。姜黃素熔點為180 ℃～183 ℃，常溫下呈橙黃色結(jié)晶性粉末，有特殊氣味，易溶于有機(jī)溶劑，難溶于水和乙醚；對光不穩(wěn)定，易分解；此外，溶液的pH 值對姜黃素的穩(wěn)定性有較大的影響，姜黃素在酸性（pH≤5）的溶液中穩(wěn)定，隨著溶液的pH 值升高，姜黃素的降解速率明顯加快，其降解反應(yīng)為一級動力學(xué)過程[5]。

姜黃素具有顯著的光化學(xué)反應(yīng)特性并能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，已成為一種高效、低毒的新型光敏劑[6]。姜黃素對溶劑敏感，在液體中具有光吸收最大值，并且在不同溶劑中的光譜不同：408 nm～434 nm 用于吸收，460 nm～560 nm 用于發(fā)射[7]。

姜黃素的口服生物利用度較低[8-9]，英國萊斯特大學(xué)研究者針對姜黃素口服劑量問題進(jìn)行了臨床試驗研究，研究者將姜黃素提供給晚期結(jié)直腸癌患者口服（180 mg/d），連續(xù)服用4 個月后，發(fā)現(xiàn)該劑量姜黃素對患者幾乎無不良反應(yīng)，但生物利用度非常低。大鼠給予高劑量口服姜黃素后（飲食中含2%姜黃素，相當(dāng)于口服給于姜黃素1.2 g/kg），卻在血漿、肝臟和結(jié)腸黏膜組織中只檢測到納摩爾級含量的姜黃素[10]。

圖1 姜黃素針對不同疾病的活性Fig.1 The activity of curcumin against different diseases

圖2 姜黃素化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.2 The chemical structural formula of curcumin

2 姜黃素的功能特性及作用機(jī)制

2.1 抗腫瘤作用及機(jī)制研究

1987年，Kuttan 等首次進(jìn)行了姜黃素的臨床試驗[11]。此后，研究者們使用姜黃素進(jìn)行了許多臨床試驗，發(fā)現(xiàn)姜黃素具有影響多個靶標(biāo)的能力，使其能夠針對不同癌癥類型發(fā)揮顯著的活性[12]。姜黃素具有廣譜抗癌性，對乳腺癌、肺癌、胃癌、結(jié)腸癌、前列腺癌、多發(fā)性骨髓瘤、胰腺癌和白血病等均能發(fā)揮顯著的活性[13-14]，因其具有毒副作用小，藥理效用高等優(yōu)點在預(yù)防癌癥和抗腫瘤方面有巨大的應(yīng)用價值。據(jù)報道，高純度的雙脫甲氧基姜黃素能顯著抑制腫瘤組織內(nèi)血管生成，有望成為抗腫瘤或抗人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）藥物[15]。

姜黃素主要是通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡和調(diào)節(jié)細(xì)胞存活通路來實現(xiàn)抗腫瘤作用，比如雙脫甲氧基姜黃素可以通過抑制黑色素瘤B16-F10 細(xì)胞的增殖，從而誘導(dǎo)黑色素瘤B16-F10 細(xì)胞凋亡[16]。姜黃素可減少癌細(xì)胞中亞硝酸類化合物的形成，阻滯細(xì)胞周期，使多種腫瘤細(xì)胞聚集在S 期（DNA 復(fù)制期），無法進(jìn)入下一個增殖周期，并且呈劑量效應(yīng)關(guān)系[17]。增殖期細(xì)胞對姜黃素殺傷作用較敏感，屬于優(yōu)勢殺滅增殖期細(xì)胞從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，如通過線粒體激活caspase 級聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)人白血病細(xì)胞株、淋巴瘤細(xì)胞株等凋亡[18]。此外，在治療膀胱癌，口腔白斑，子宮頸上皮內(nèi)瘤等惡性病變的臨床試驗中發(fā)現(xiàn)，姜黃素治療可改善組織學(xué)上的癌前病變[19]。

血管生成對腫瘤的生長起著至關(guān)重要的作用，抗血管生成已成為腫瘤治療的研究熱點，已有許多植物提取物被證實具有抗腫瘤血管生成作用[20-21]。研究表明姜黃素具有抗腫瘤血管生成和轉(zhuǎn)移的作用[22]。

另外，姜黃素具有化學(xué)增敏和放射增敏性，姜黃素聯(lián)合輻照作用能有效增強腫瘤細(xì)胞的凋亡，研究比較姜黃素、射線輻照以及姜黃素聯(lián)合射線輻照對人視網(wǎng)膜神經(jīng)膠質(zhì)瘤WERI-Rb-1 細(xì)胞的細(xì)胞周期阻滯、線粒體膜電位變化及對細(xì)胞凋亡的影響，結(jié)果顯示與單獨的姜黃素處理相比，姜黃素聯(lián)合射線輻照能夠顯著降低細(xì)胞活性，并且低劑量的射線即可增強姜黃素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[23]。李剛等[24]以人腎癌細(xì)胞ACHN 為研究對象，發(fā)現(xiàn)姜黃素對人腎癌細(xì)胞ACHN 具有放射增敏作用，有利于改善腎癌的放射療效。此外，低劑量的姜黃素即可使U87 細(xì)胞的放射敏感時相G2/M 期阻滯，從而起到放射增敏作用[25]。

2.2 抗纖維化作用及機(jī)制研究

纖維化是由多細(xì)胞、多因子、多途徑參與的復(fù)雜的病理變化，是引發(fā)多種疾病致殘、致死的主要原因。姜黃素具有抗多種器官纖維化的功效，其對抗纖維化發(fā)展的機(jī)制研究為臨床藥物開發(fā)提供了重要依據(jù)。姜黃素抗纖維化的過程可歸納為抑制細(xì)胞外基質(zhì)的異常增生與積聚，以及通過姜黃素的抗炎作用保護(hù)相應(yīng)的器官與組織[26]。

姜黃素潛在的抗纖維化作用已有報道，如趙珍東[27]使用二甲基亞硝胺誘導(dǎo)建立大鼠肝纖維化模型，采用姜黃素治療后，觀察肝組織的病理變化情況，檢測大鼠肝組織的各項指標(biāo)，并用逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（reverse transcription-polymerase chain reaction，RT-PCR）檢測纖維化大鼠肝組織血小板衍生生長因子受體β（platelet derived growth factor receptor，PDGFRβ）重組蛋白，信號調(diào)節(jié)激酶（extra cellular regulated protein kinases 1，ERK1）mRNA 的表達(dá)。結(jié)果顯示姜黃素治療可明顯改善肝纖維化大鼠病理損害，其作用機(jī)理主要與抑制人血小板衍生生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF-BB）以及受體ERK1 表達(dá)有關(guān)。Sreedevi Avasarala 等[28]通過組織學(xué)和生物化學(xué)分析研究姜黃素在病毒性急性呼吸窘迫綜合癥小鼠模型中抑制纖維化效果，發(fā)現(xiàn)姜黃素通過抑制肌成纖維細(xì)胞活化的關(guān)鍵標(biāo)志物α-平滑肌肌動蛋白和腱生蛋白-C的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)小鼠的肌成細(xì)胞纖維化。Xu S 等[29]研究發(fā)現(xiàn)對于由2，4，5-三硝基苯磺酸（TNBS）誘導(dǎo)的大鼠腸纖維化模型，通過口服姜黃素能增加過氧化物酶體增殖物激活受體 （peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ）和E-鈣粘蛋白的表達(dá)并減少結(jié)腸組織中α-平滑肌肌動蛋白，纖維連接蛋白和結(jié)締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）的表達(dá)，顯著改善腸纖維化。

高血糖引起的纖維化在腎臟疾病和心肌病中扮演著重要角色，腎纖維化通常被認(rèn)為是間質(zhì)區(qū)域的活化和增殖以及由纖維連接蛋白和膠原蛋白引起的細(xì)胞外基質(zhì)成分的過度合成和聚集。一些姜黃素衍生物已被證實對高血糖誘發(fā)的炎癥和纖維化具有抑制作用。Chen H 等[30]通過體內(nèi)口服給藥有效抑制了高血糖引起的炎癥，肥大和纖維化，改善了糖尿病小鼠的腎和心臟組織中的纖維化和病理學(xué)改變，并認(rèn)為姜黃素衍生物的抗纖維化活性與抑制蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）信號途徑有關(guān)。轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）與結(jié)締組織生長因子（CTGF）是公認(rèn)的纖維化關(guān)鍵因子，在對于糖尿病模型大鼠的研究中，姜黃素可通過減弱TGF-β、CTGF 及其受體的表達(dá)，從而達(dá)到抗纖維化的作用。

另外，有研究者探究了姜黃素對心肌纖維化的作用效果，試驗中用蘇木精-伊紅染色法（hematoxylineosin staining，HE）觀察小鼠心肌病理損傷和纖維化情況，結(jié)果表明，高濃度姜黃素可顯著降低小鼠心肌纖維化程度，并顯著減少心肌組織Ⅲ型膠原的表達(dá)。最后通過蛋白質(zhì)印跡法（western blot）證實姜黃素能夠通過激活心肌組織自噬活化有效抑制血管緊張素（angiotensin II，ANG II）誘導(dǎo)的小鼠心肌纖維化發(fā)生[31]。

2.3 腎臟保護(hù)作用及機(jī)制研究

流行病學(xué)資料顯示，急性或慢性腎功能衰竭已成為全世界范圍內(nèi)嚴(yán)重的健康和經(jīng)濟(jì)問題。姜黃素在抗腎臟損傷，保護(hù)腎功能方面能發(fā)揮很好的作用。在糖尿病的應(yīng)用研究中顯示，姜黃素可以通過減弱促炎性細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子-α 和單核細(xì)胞趨化蛋白來減少炎性腎反應(yīng)。此外，通過減弱腎巨噬細(xì)胞浸潤，促纖維化細(xì)胞因子TGF-β，誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthesis，iNOS）和環(huán)氧合酶-2（Cyclooxygenase-2，COX-2）的表達(dá)可改善糖尿病[32]。

Nabavi S F 等[33]評估了姜黃素對氟化鈉誘導(dǎo)大鼠的腎臟保護(hù)作用，在氟化物給藥誘導(dǎo)前一周，對實驗組大鼠給予姜黃素（10 mg/kg 和20 mg/kg，腹膜內(nèi)），對照組大鼠接受維生素C（10 mg/kg）作為標(biāo)準(zhǔn)抗氧化劑。在1 周后，測量腎勻漿中脂質(zhì)過氧化水平，超氧化物歧化酶活性，過氧化氫酶和谷胱甘肽水平，并檢查血清樣品的肌酸酐，血清尿素和血尿素氮水平。結(jié)果表明，在給予氟化物之前，姜黃素和維生素C 處理可使大鼠血清肌酸酐，血清尿素和血液尿素氮的水平正?；４送?，姜黃素和維生素C 可防止抗氧化酶降低和脂質(zhì)過氧化水平失衡，實驗中姜黃素處理顯示出顯著的腎保護(hù)作用。

鎘是一種腎臟毒性污染物，代謝率較低，進(jìn)入機(jī)體后會積累在腎近端小管的上皮細(xì)胞，當(dāng)達(dá)到150 μg/g～200 μg/g 組織的閾值濃度時，會引起近端小管的廣泛功能障礙[34]。鎘進(jìn)入機(jī)體后可通過產(chǎn)生活性氧自由基，從而導(dǎo)致機(jī)體的氧化損傷。姜黃素對鎘誘導(dǎo)的腎臟損傷具有一定的保護(hù)作用。龔頻等[35]通過鎘誘導(dǎo)小鼠腎臟損傷，發(fā)現(xiàn)鎘的毒性引起小鼠腎臟損傷及功能性障礙。姜黃素可有效降低鎘誘導(dǎo)的氧化損傷，起到保護(hù)腎臟作用，這可能是因為姜黃素可以誘導(dǎo)抗氧化酶的生成和活化，部分起到超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和過氧化氫酶（catalase from micrococcus lysodeiktic，CAT）的作用。另外，Vladishv Eybl 等[36]研究發(fā)現(xiàn)姜黃素在不改變鎘在肝臟、腎臟以及大腦組織分布的情況下，可以改善各組織的脂質(zhì)過氧化狀態(tài)，起到對腎臟的保護(hù)作用。

2.4 防治肥胖作用及機(jī)制研究

姜黃素對脂肪細(xì)胞的血管生成、分化以及凋亡方面具有潛在作用，其對脂肪組織中血管生成以及脂肪細(xì)胞脂質(zhì)代謝的抑制作用有助于降低體脂和體重增加。Jeong Y J 等[37]發(fā)現(xiàn)姜黃素中的一種提取物對脂肪細(xì)胞和肥胖小鼠具有抗肥胖效應(yīng)。對于脂肪細(xì)胞的研究，采用分化誘導(dǎo)培養(yǎng)基在3T3-L1 細(xì)胞中測定CAE對脂肪細(xì)胞分化和脂肪形成的抑制作用。對于肥胖小鼠的研究，則是以提取物外加含60%脂肪的小鼠飼料喂養(yǎng)，連續(xù)喂養(yǎng)7 周后，對小鼠的進(jìn)行解剖，檢測小鼠總膽固醇，低密度脂蛋白膽固醇和甘油三酯的含量，通過實驗發(fā)現(xiàn)總膽固醇，低密度脂蛋白膽固醇和甘油三酯的增加在提取物的存在下被高度抑制，提取物具有抗肥胖作用，并且這種抗肥胖的機(jī)制與參與脂肪細(xì)胞分化和脂肪生成的基因的下調(diào)相關(guān)。

在進(jìn)一步的研究中，Kuroda M 等[38]發(fā)現(xiàn)姜黃素的乙醇提取物可以促進(jìn)人體脂肪細(xì)胞分化，通過過氧物酶激活受體γ，與脂肪細(xì)胞中的配體結(jié)合，從而實現(xiàn)對脂肪細(xì)胞分化的抑制作用。在體外研究中證實姜黃素可以顯著降低血清膽固醇，影響脂肪形成和生成中的2 個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。姜黃素降低體重的原因是姜黃素可以抑制脂肪細(xì)胞分化，促進(jìn)脂肪細(xì)胞凋亡[39]。

肥胖經(jīng)常誘發(fā)心血管疾病的發(fā)生[40]，姜黃素具有抗氧化、抗炎、抗肥大和抗纖維化的功效，可以明顯緩解由肥胖引起的相關(guān)心肌的損傷[41]。姜黃素也有可能用于肥胖相關(guān)的心臟疾病的治療。

2.5 抗炎作用及機(jī)制研究

姜黃素對動物和人體模型中的急性或慢性炎癥均有良好的緩解效果。姜黃素可以通過抑制促炎細(xì)胞因子的分泌而改善炎癥性腸道疾病、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、心肌炎等炎癥疾病。V Vetvicka 等[42]研究了姜黃素對體外和體內(nèi)細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素4（interleukin 4，IL-4）、白細(xì)胞介素 10（interleukin 10，IL-10）、γ-干擾素（interferon-γ，IFN-γ）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis Factor，TNF-α）的影響，TNF-α 是參與炎癥的主要細(xì)胞因子，研究發(fā)現(xiàn)每日口服姜黃素有助于降低實驗小鼠血清中的TNF-α、谷丙轉(zhuǎn)氨酶（alanine aminotransferase，ALT）和谷草轉(zhuǎn)氨酶（aspartate aminotransferase，AST）水平，顯著降低肝臟毒性的炎癥反應(yīng)。

已經(jīng)有許多臨床試驗表明姜黃素在治療骨關(guān)節(jié)炎中的抗炎作用。Chin K Y[43]總結(jié)了來自臨床研究的姜黃素的抗骨關(guān)節(jié)炎作用，服用姜黃素后可改善骨關(guān)節(jié)炎患者的疼痛，生理功能和生活質(zhì)量，姜黃素對骨關(guān)節(jié)炎的作用可歸因于其可以阻止由炎癥引起的軟骨細(xì)胞的凋亡，抑制蛋白多糖和金屬蛋白酶的釋放以及軟骨細(xì)胞中環(huán)氧合酶，前列腺素E-2 和炎性細(xì)胞因子的表達(dá)。

當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)炎癥反應(yīng)后，姜黃素可以降低產(chǎn)生活性氧簇酶類的活性，抑制巨噬細(xì)胞中氮氧化物的形成和蛋白激酶的表達(dá)[44]。姜黃素能夠抑制機(jī)體細(xì)胞中信號通路的傳導(dǎo)，減少炎癥細(xì)胞因子的釋放，從而減輕患者疼痛和不適感。趙蕓等[45]以人血管內(nèi)皮細(xì)胞為細(xì)胞模型，研究姜黃素對血管內(nèi)皮細(xì)胞炎癥的作用，發(fā)現(xiàn)姜黃素干預(yù)并顯著抑制了炎癥小體活化基因NRLP3 的表達(dá)，從而干預(yù)了細(xì)胞炎癥反應(yīng)的發(fā)生。另外，姜黃素具有強烈的廣譜抗真菌作用，對紅色發(fā)癬菌，須癬毛癬菌，表皮癬菌、白色念珠菌、立枯絲核菌，致病疫霉和禾白粉菌等有強烈的抑制作用，可以用于治療皮膚炎癥[46]。

3 姜黃素毒理學(xué)評價研究

隨著食品工業(yè)的發(fā)展，視覺外觀漸漸成為消費者選擇產(chǎn)品的重要因素之一，食品著色劑已成為食品行業(yè)不可或缺的添加劑類別之一。盡管食品著色劑扮演著重要的角色，但人們越來越關(guān)注食品添加劑對人體健康的不良影響。姜黃素是一把“雙刃劍”，抗腫瘤和抗氧化作用可能伴隨著促氧化作用。另外，研究表明，姜黃素可能在特定條件下引起致癌作用[47]。根據(jù)糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO/World Health Organization，WHO）和歐洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）的報告，姜黃素的每日允許攝入量（acceptable daily intake，ADI）值為 0～3 mg/kg。已有眾多研究者對姜黃素的安全性和有效性進(jìn)行評估。

在對姜黃素進(jìn)行毒性試驗后發(fā)現(xiàn)，其毒性作用的研究結(jié)果不盡相同、作用機(jī)制也還不能得出明確結(jié)論，且姜黃素在體內(nèi)的吸收和代謝過程尚不完全明確。已有研究報道姜黃素經(jīng)動物毒性實驗，無明顯亞慢性毒性損害作用，也無潛在的致突變、致畸作用[48]，如Krishnaraju 等[49]對脫甲基姜黃素（DC）的安全性進(jìn)行毒理學(xué)評價，通過急性口服，急性皮膚，原發(fā)性皮膚和眼睛刺激，以及劑量依賴性90 d 亞慢性毒性研究，在雌性SD 大鼠中發(fā)現(xiàn)DC 的急性口服半數(shù)致死量（median lethal dose，LD50）＞ 5 000 mg/kg，急性真皮LD50＞2 000 mg/kg，并且尸檢后沒有觀察到體重變化或不良影響，證明了脫甲基姜黃素的廣譜安全性。Dandekar P 等[50]對姜黃素負(fù)載的納米粒子進(jìn)行毒理學(xué)評估，急性毒性研究發(fā)現(xiàn)劑量2 000 mg/kg 是無毒的，亞急性毒性研究證明了常用治療劑量100 mg/kg 姜黃素和兩倍治療劑量下長期給藥的安全性。

然而也有研究發(fā)現(xiàn)高劑量姜黃素對雌性大鼠和雌、雄小鼠上都有致癌性作用[51]。姜黃素脂質(zhì)體在胰腺癌和結(jié)腸直腸癌細(xì)胞系中體外和異種移植小鼠模型中，在劑量高達(dá)40 mg/kg 時未觀察到毒性。然而，姜黃素脂質(zhì)體在狗的臨床前毒理學(xué)研究顯示，劑量≥20 mg/kg 后出現(xiàn)劑量依賴性溶血[52]。Sharma 等[53]在患有癌癥的患者中觀察到口服3.6 g 姜黃素后的平均血漿濃度為11 nmol/L。在另一項臨床試驗中，給予4 g 姜黃素后血漿水平達(dá)到45 倍[54]，這些差異的原因是未知的。因此，姜黃素的潛在毒性作用和毒性發(fā)揮條件等問題上還有待進(jìn)一步研究。

4 展望

姜黃素是一種天然抗氧化劑和抗炎劑，因其來源廣、價格低廉，具有良好的開發(fā)利用價值和應(yīng)用前景。近幾年，對姜黃素及其衍生物的研究日益增多，為姜黃素的開發(fā)利用打下了良好的基礎(chǔ)。姜黃素的生物利用度一直被認(rèn)為是限制其功能活性的潛在原因。迄今為止，已經(jīng)研究了多種藥物遞送途徑以改善姜黃素的生物利用度，包括固體分散體、脂質(zhì)納米顆粒、微乳液的絡(luò)合等，有望進(jìn)一步提高姜黃素的生物利用度以及功能性應(yīng)用。另外，姜黃素在臨床應(yīng)用方面，使用的安全劑量以及人體對姜黃素的吸收率等問題，也需要更多的思考與研究。