紅景天抗缺氧損傷作用的研究進(jìn)展

任衛(wèi)合， 羅龍龍， 蔡林海， 劉斯汝， 烏拉木別克·對(duì)謝喀德?tīng)枺?張 棚， 丁功濤，謝瑞扎·阿里瑪， 陳士恩*

(1.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.西北民族大學(xué)生物研究中心，中國(guó)-馬來(lái)西亞國(guó)家聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730124；3.甘肅省農(nóng)業(yè)工程規(guī)劃院，甘肅 蘭州 730046；4.馬來(lái)西亞化學(xué)局飲用水食品和環(huán)境安全分析中心生物技術(shù)處，馬來(lái)西亞 吉隆坡 46661)

紅景天為景天科景天屬植物大花紅景天Rhodiolacrenulata(Hook. f. et Thoms.) H. Ohba的干燥根、莖，是主要生長(zhǎng)于3 000～4 000 m高海拔地區(qū)的一種傳統(tǒng)藏藥，具有抗腫瘤[1-2]、抗哮喘[3]、調(diào)節(jié)腸道微生物[4]、抗缺氧等功效，被譽(yù)為“高原人參”。紅景天不僅功效多樣，且生命力頑強(qiáng)、極易存活，在2020年版《中國(guó)藥典》、中藥和藏藥的文獻(xiàn)中均有記載[5]。紅景天根部及莖中的主要活性提取物為紅景天苷、沒(méi)食子酸、酪醇及沒(méi)食子酸乙酯[6]，這些生物活性物質(zhì)在紅景天多種療效中起著不可替代的作用，其中最主要的是紅景天苷。氧是維持生命活動(dòng)最基礎(chǔ)的物質(zhì)之一，缺氧刺激會(huì)引起機(jī)體多個(gè)組織器官的病理反應(yīng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究表明，紅景天在緩解機(jī)體缺氧方面有著重要作用，可在機(jī)體的多個(gè)器官發(fā)揮療效。本文對(duì)紅景天緩解機(jī)體心、肺、腦等器官缺氧損傷的保護(hù)機(jī)制及其對(duì)氧化應(yīng)激因子的影響進(jìn)行綜述，以期為紅景天的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 紅景天抗缺氧中氧化應(yīng)激因子的變化

氧化應(yīng)激是機(jī)體氧化還原狀態(tài)的失衡，會(huì)導(dǎo)致大量活性氧產(chǎn)生，不可逆地氧化細(xì)胞中遺傳物質(zhì)DNA及多種生物分子[7]。機(jī)體中氧化應(yīng)激相關(guān)因子主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)、乳酸鹽脫氫酶(LDH)、丙二醛(MDA)、乳酸脫氫酶(LDH)、一氧化氮(NO)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)等。缺氧刺激會(huì)導(dǎo)致機(jī)體中這些氧化應(yīng)激因子水平發(fā)生變化，MDA水平升高會(huì)加劇細(xì)胞衰老凋亡，SOD活性升高則會(huì)清除活性氧(ROS)，減少氧化作用，進(jìn)而抑制細(xì)胞凋亡[8]。

紅景天在緩解機(jī)體缺氧損傷中能通過(guò)改變機(jī)體氧化應(yīng)激因子水平，從而降低活性氧，達(dá)到抑制細(xì)胞衰老凋亡的目的。缺氧損傷會(huì)造成機(jī)體血清及大腦海馬組織MDA、GSSG、LDH水平升高，SOD、GSH水平降低，通過(guò)紅景天水提物治療后，可以逆轉(zhuǎn)這種現(xiàn)象，從而對(duì)缺氧損傷發(fā)揮保護(hù)作用[9]。低氧刺激后肺組織中氧化應(yīng)激標(biāo)志物ROS、MDA水平升高，髓過(guò)氧化物酶(MPO)活性升高，紅景天水提物預(yù)處理則可以減少ROS、MDA水平、降低MPO活性，提示紅景天在動(dòng)物模型中表現(xiàn)出抗氧化劑和ROS清除劑活性，進(jìn)而緩解缺氧所致肺損傷[10]。缺氧誘導(dǎo)的心臟ROS增加會(huì)導(dǎo)致生物分子(如DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì))的氧化損傷，從而可能抑制心肌收縮和功能障礙[11]。銅鋅超氧化物歧化酶(SOD1)存在于細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)中，是細(xì)胞內(nèi)廣泛存在的抗氧化酶，能夠維持細(xì)胞內(nèi)ROS穩(wěn)態(tài)，含錳超氧化物歧化酶(SOD2)存在于線粒體中，具有清除ROS的作用。低壓缺氧誘導(dǎo)后心臟組織中ROS、MDA和羰基蛋白表達(dá)升高，紅景天處理后可降低ROS水平，提示紅景天給藥能夠降低心臟氧化應(yīng)激；同時(shí)觀察抗氧化酶(SOD2)，發(fā)現(xiàn)其活性在缺氧時(shí)降低，服用紅景天后能夠緩解低氧抑制的SOD2低表達(dá)[12]。此外，紅景天苷也可以保護(hù)腎小管上皮細(xì)胞HK-2免受體外缺氧損傷，并且降低HK-2細(xì)胞中ROS、MDA水平，升高SOD水平[13]。在低氧性肺動(dòng)脈高壓大鼠肺組織氧化應(yīng)激因子研究中，發(fā)現(xiàn)缺氧使NOX4表達(dá)及MDA水平升高、SOD1、SOD活性降低，紅景天苷能使SOD1、SOD活性升高，并呈劑量依賴性，表明紅景天苷通過(guò)恢復(fù)氧化/抗氧化系統(tǒng)平衡而起到改善肺動(dòng)脈高壓的作用[14]。紅景天提取物對(duì)缺氧損傷的內(nèi)皮細(xì)胞也存在保護(hù)作用[15]，缺氧增加的ROS、MDA水平，均可通過(guò)紅景天提取物預(yù)處理而降低。各組織器官中氧化因子見(jiàn)表1。

表1 各組織器官中氧化因子標(biāo)準(zhǔn)

2 紅景天對(duì)各系統(tǒng)抗缺氧保護(hù)作用

2.1 紅景天對(duì)肺的保護(hù)作用 氧氣穩(wěn)態(tài)是地球上大多數(shù)生物生存重要條件之一，參與氧化反應(yīng)可以促進(jìn)必要的生物學(xué)進(jìn)程，合適的氧氣濃度可驅(qū)動(dòng)碳代謝以產(chǎn)生能量[16]。氧氣濃度降低時(shí)，一些重要代謝途徑受到干擾，從而導(dǎo)致器官損傷，例如處于高海拔地區(qū)的人與動(dòng)物會(huì)受到缺氧環(huán)境損害，供氧不足的器官進(jìn)而缺血也會(huì)損害健康[17]。高海拔肺水腫和肺動(dòng)脈高壓(PAH)是人們?cè)谌毖醐h(huán)境中容易導(dǎo)致的典型高海拔疾病[18]。

紅景天活性成分可以逆轉(zhuǎn)大鼠模型的缺氧損傷，與未經(jīng)治療的低氧大鼠相比，紅景天活性成分可以降低右心室肥厚指數(shù)、平均肺動(dòng)脈壓、小肺動(dòng)脈平滑肌增厚和肺毛細(xì)血管重構(gòu)[19]，提示該成分可用于治療遺傳性肺動(dòng)脈高壓。肺水腫可以通過(guò)測(cè)定干/濕(W/D)質(zhì)量比和BALF蛋白表達(dá)來(lái)評(píng)估，組織切片觀察可用于評(píng)價(jià)紅景天水提物對(duì)低氧引起肺損傷的保護(hù)作用[20]。缺氧環(huán)境中W/D比重和BALF蛋白表達(dá)升高，紅景天提取物處理后可有效降低BALF蛋白表達(dá)；缺氧導(dǎo)致肺組織出現(xiàn)間隔增厚、紅細(xì)胞逸出、肺泡中性粒細(xì)胞過(guò)濾、肺泡毛細(xì)血管破裂、血管壁嚴(yán)重充血等癥狀，紅景天提取物能減輕肺組織中這些病理變化，提示紅景天提取物能夠減少肺泡-毛細(xì)血管屏障功能障礙，從而減輕由低壓缺氧引起的肺水腫，在維持低氧損傷肺泡-毛細(xì)血管屏障完整性方面具有顯著功效[10]。

肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞PASMCS異常生長(zhǎng)、過(guò)度細(xì)胞增殖和凋亡抗性引起的主動(dòng)血管收縮和血管重塑是肺動(dòng)脈高壓病理學(xué)主要癥狀[21]。紅景天中分離得到的主要生物活性標(biāo)記物紅景天苷，可用于緩解高原反應(yīng)和肺動(dòng)脈高壓急性加重[22]。缺氧刺激后，PAMSCS細(xì)胞形狀不一致、線粒體脊中斷并充滿液泡、細(xì)胞雜亂無(wú)章，通過(guò)紅景天苷預(yù)處理后PASMCS細(xì)胞組織良好、膠原纖維異常生長(zhǎng)減少，且線粒體脊中斷和液泡數(shù)量減少，表明紅景天苷抑制缺氧引起的肺動(dòng)脈重塑[23]。高、低劑量紅景天苷均能在一定程度上緩解小動(dòng)脈官腔狹窄、管壁增厚、中膜平滑肌細(xì)胞增生等癥狀，并能抑制心室重構(gòu)、改善肺組織病理?yè)p傷[24]。

腺苷單磷酸激活蛋白激酶(AMPK)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過(guò)開(kāi)啟分解代謝途徑和關(guān)閉合成代謝在能量代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[25]。AMPK在細(xì)胞增殖、自噬、凋亡以及其他細(xì)胞命運(yùn)中起關(guān)鍵作用，并在心血管保護(hù)中起著重要作用[26]。Chen等[23]研究發(fā)現(xiàn)，紅景天苷處理后大鼠肺動(dòng)脈、肺組織、PASMCS細(xì)胞中總AMPKα1和磷酸化AMKPα1活性升高，并呈劑量依賴性，其可能通過(guò)AMPKα1-P53-Bax/Bcl-2-caspase 9-caspase 3途徑逆轉(zhuǎn)低氧誘導(dǎo)的凋亡抗性，具體途徑分為2個(gè)部分，第1個(gè)部分是抑制PASMCS細(xì)胞增殖，紅景天苷能使磷酸化AMKPα1活性升高，升高后的磷酸化AMKPα1使P53表達(dá)升高，進(jìn)而使P53下游效應(yīng)物P21、P27表達(dá)隨之升高，從而起到抑制細(xì)胞增殖的作用，為AMPKα1-P53-P27/P21信號(hào)通路；第2個(gè)部分是增加PASMCS細(xì)胞凋亡，磷酸化AMKPα1活性升高后導(dǎo)致P53表達(dá)升高，促凋亡因子Bax水平降低，抗凋亡因子Bcl-2水平升高，caspase-9與caspase-3凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)升高，從而起到促進(jìn)細(xì)胞凋亡的作用。由此可知，紅景天苷通過(guò)AMPKα1-P53-Bax/Bcl-2-caspase 9-caspase 3途徑誘導(dǎo)PASMCS細(xì)胞的增殖和凋亡。

2.2 紅景天對(duì)心臟的保護(hù)作用 低壓缺氧被認(rèn)為是心臟應(yīng)激源，可能導(dǎo)致某些心血管疾病，例如心肌梗塞和肺動(dòng)脈高壓誘發(fā)的右心室功能障礙[27]。處于缺氧環(huán)境中，除肺部改變外，心臟驟停是另一種常見(jiàn)疾病[28]。紅景天提取物對(duì)體內(nèi)缺氧的心臟存在保護(hù)作用，可用于預(yù)防包括突發(fā)性心臟死亡在內(nèi)的高原疾病。缺氧誘導(dǎo)小鼠心臟組織可觀察到異常心肌結(jié)構(gòu)，包括間質(zhì)空間增加、輕度纖維化和膠原蛋白沉積增，TUNEL染色發(fā)現(xiàn)心臟左心室TUNEL陽(yáng)性心肌細(xì)胞增加，紅景天苷治療后這種心臟損傷和心肌細(xì)胞凋亡減少，提示紅景天苷對(duì)缺氧誘導(dǎo)小鼠心臟具有保護(hù)作用[29]。組織病理學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，缺氧導(dǎo)致心肌結(jié)構(gòu)異常，組織間隙增大，低、高劑量紅景天苷處理后可使異常結(jié)構(gòu)降低；細(xì)胞凋亡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，缺氧導(dǎo)致TUNEL陽(yáng)性心肌細(xì)胞增多，紅景天預(yù)處理后得到抑制[30]。

長(zhǎng)期缺血和缺氧后的再灌注會(huì)對(duì)心肌造成不可逆的功能和結(jié)構(gòu)損傷，這種損傷稱為心肌缺血再灌注損傷[31-32]。Liu等[33]研究發(fā)現(xiàn)，缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞活力降低，導(dǎo)致細(xì)胞LDH活性升高，而紅景天苷不僅能夠抑制H9c2細(xì)胞活力降低，還能降低LDH活性，同時(shí)減少H9c2細(xì)胞死亡，表明紅景天對(duì)缺氧/復(fù)氧的心肌細(xì)胞有保護(hù)作用。紅景天目前已經(jīng)被做成多種多樣的產(chǎn)品，紅景天破壁飲片便是其中一種，比較紅景天破壁飲片與傳統(tǒng)飲片對(duì)缺血缺氧H9c2細(xì)胞的影響，結(jié)果顯示兩者，均能改善缺血缺氧H9c2細(xì)胞存活率且抗細(xì)胞凋亡作用呈劑量依賴性，相同劑量下紅景天破壁飲片的H9c2細(xì)胞存活率高于傳統(tǒng)飲片[34]。缺糖缺氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞存活率隨大株紅景天給藥濃度的增加而上升，提示大株紅景天能抑制缺糖缺氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷[35]。

microRNA(miRNA)是一類內(nèi)源性，長(zhǎng)度約22個(gè)核苷酸的小型非編碼單鏈RNA，參與多種生理和病理生理過(guò)程的調(diào)節(jié)[36]。miR-21可有效降低大鼠心肌缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡水平和炎性因子釋放，心肌缺血再灌注損傷中miR-21表達(dá)降低，恢復(fù)miR-21表達(dá)可減輕心肌損傷[37-38]。Liu等[33]研究發(fā)現(xiàn)，紅景天苷可以通過(guò)上調(diào)miR-21來(lái)抑制缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的缺氧而增加的炎癥因子白細(xì)胞介素-9(IL-9)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)水平，進(jìn)而降低缺氧/復(fù)氧期間炎癥反應(yīng)，miR-21介導(dǎo)紅景天苷誘導(dǎo)的缺氧/復(fù)氧處理的H9c2細(xì)胞對(duì)炎癥反應(yīng)的抑制作用，減輕心肌細(xì)胞損害。

2.3 紅景天對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的生物效應(yīng)及分子機(jī)制 低壓缺氧引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的治療在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起越來(lái)越多關(guān)注[39-40]。鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞系PC-12對(duì)兒茶酚胺興奮、具有神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)與特征，廣泛用于細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和神經(jīng)化學(xué)研究[41-42]。氯化鈷(CoCl2)可誘導(dǎo)PC12細(xì)胞造成缺氧損傷，并使PC12細(xì)胞在12 h內(nèi)死亡，死亡細(xì)胞核仁消失、濃縮的染色質(zhì)重新定位于核膜，紅景天處理后PC12細(xì)胞損傷特征性超微結(jié)構(gòu)變化減輕[43]，使神經(jīng)元免受缺氧缺血損傷。Wang等[9]采用HE和Nissl染色對(duì)低壓低氧損傷后大鼠海馬神經(jīng)元活力進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)海馬細(xì)胞明顯腫脹，周?chē)?xì)胞間隙變寬，神經(jīng)元收縮且減少，細(xì)胞核深染，正常神經(jīng)元結(jié)構(gòu)受損并Nissl小體數(shù)量減少，紅景天水提物可改善這些病理變化；細(xì)胞凋亡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，海馬CA1錐體神經(jīng)元中觀察到更多的TUNEL陽(yáng)性細(xì)胞，這種增加通過(guò)紅景天提取物處理而減弱。

缺氧預(yù)處理在減少缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中起關(guān)鍵作用[44]，缺氧預(yù)處理可以觸發(fā)自主的內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制，以抵抗嚴(yán)重的缺氧損傷并減少缺氧或局部缺血誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[45]。與細(xì)胞抗缺氧有益的缺氧預(yù)處理相比，紅景天苷預(yù)處理后缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞活力喪失減少，并增加PC12細(xì)胞LDH活性釋放，紅景天苷可以抑制缺氧誘導(dǎo)的PC12細(xì)胞凋亡[46]。與正常組比較，缺氧乳鼠海馬神經(jīng)元存活率低，紅景天苷預(yù)處理后可以增加海馬神經(jīng)元存活率，并呈劑量依賴性[47]。缺氧/缺血大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力受損，海馬細(xì)胞凋亡增加，紅景天苷治療后得到明顯改善且凋亡細(xì)胞減少，表明紅景天苷能夠通過(guò)抑制缺氧/缺血大鼠海馬神經(jīng)元自噬減輕凋亡，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[48]。隨著間歇性低氧時(shí)間延長(zhǎng)，大鼠海馬區(qū)神經(jīng)元便逐漸出現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)紊亂、胞質(zhì)內(nèi)染色質(zhì)不均勻、外形呈三角形改變、細(xì)胞核皺縮、出現(xiàn)核溶解及空泡等癥狀，大株紅景天治療后神經(jīng)細(xì)胞排列規(guī)整、胞質(zhì)染色均勻，核皺縮、核溶解及空泡減少[49]。

缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)是調(diào)節(jié)氧穩(wěn)態(tài)的核心轉(zhuǎn)錄因子，在緩解機(jī)體缺氧損傷中起重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α是誘導(dǎo)缺氧基因、修復(fù)細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境的核心轉(zhuǎn)錄因子[50]。HIF-1α的mRNA和蛋白表達(dá)升高會(huì)刺激下游血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子和促紅細(xì)胞生成素生成，從而增強(qiáng)對(duì)低氧損傷的耐受性。缺氧刺激下，HIF-1α上調(diào)誘導(dǎo)的microRNA 210(miR-210)過(guò)表達(dá)會(huì)降低鐵硫簇組裝支架(ISCU1/2)和細(xì)胞色素C氧化酶裝配蛋白(COX10)表達(dá)[51]。Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，紅景天提取物處理后大鼠大腦海馬神經(jīng)HIF-1α、miR-210、ISCU1/2和COX10表達(dá)升高，caspase-3表達(dá)降低，表明紅景天提取物通過(guò)HIF-1α/microRNA 210/ISCU1/2(COX10)信號(hào)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和線粒體能量代謝，從而減輕缺氧誘導(dǎo)的大腦海馬神經(jīng)損傷。

2.4 紅景天對(duì)其他細(xì)胞保護(hù)的分子機(jī)制 AMPK激活可促進(jìn)內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)活性并保留內(nèi)皮細(xì)胞功能，細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)與缺氧刺激下內(nèi)皮細(xì)胞增殖、凋亡有關(guān)[52]。缺氧刺激導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞eNOS活性降低，凋亡細(xì)胞增加，從而使內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂，紅景天提取物給藥后磷酸化AMPK、ERK1/2活性升高，進(jìn)而使eNOS活性升高，以降低細(xì)胞凋亡、恢復(fù)內(nèi)皮細(xì)胞功能，為AMPK-Akt-eNOS信號(hào)通路[15]。

HIF-1α可通過(guò)調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)使骨內(nèi)新生血管增加，而促進(jìn)骨發(fā)育和骨折愈合過(guò)程中的骨生成。處在低氧狀態(tài)時(shí)，紅景天苷可以促進(jìn)HIF-1α大量增加并轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核內(nèi)與HIF-1β結(jié)合成復(fù)合物HIF-1，作為轉(zhuǎn)錄因子與低氧反應(yīng)元件(HER)結(jié)合，進(jìn)一步激活VEGF、紅細(xì)胞生成素等上百種下游靶基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而引發(fā)組織細(xì)胞耐氧適應(yīng)性反應(yīng)，改善組織、細(xì)胞低氧狀態(tài)，表明缺氧條件下紅景天苷通過(guò)調(diào)節(jié)HIF-1α/VEGF信號(hào)通路來(lái)調(diào)控成骨細(xì)胞的增殖、分化及凋亡[53]。

紅景天對(duì)各系統(tǒng)抗缺氧保護(hù)機(jī)制見(jiàn)表2。紅景天抗缺氧相關(guān)信號(hào)通路見(jiàn)表3。

表2 紅景天對(duì)各系統(tǒng)抗缺氧保護(hù)機(jī)制

表3 紅景天抗缺氧相關(guān)信號(hào)通路

3 展望

雖然紅景天抗缺氧方面研究取得眾多成果，但是紅景天緩解缺氧損傷的具體機(jī)制并不完全清楚，需要進(jìn)一步研究，明確其在基因及蛋白水平的調(diào)控機(jī)制。目前較多研究主要集中于紅景天對(duì)肺、心臟的抗缺氧和腦部神經(jīng)組織，但其他器官的研究卻幾乎沒(méi)有，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行此方面研究，以探究紅景天是否能緩解缺氧所致其他器官損傷。目前研究多采用細(xì)胞、大鼠和小鼠作為動(dòng)物模型，如果要進(jìn)一步明確其在人組織器官中的作用，需要在更接近人類病理狀況的不同動(dòng)物模型上研究紅景天抗缺氧損傷作用。紅景天是藥食同源性中藥材，食用時(shí)其生物活性化合物的劑量、毒性和安全性，也是需要研究的重要問(wèn)題。