枸杞多糖抗衰老的研究進展

李毛毛 李潔華

細胞衰老是以永久性增殖停滯為顯著特點的細胞應答[1],伴有細胞表型的改變,包括染色質重塑、促炎因子分泌、自噬受損、代謝重編程[2-4]。衰老和心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)、腫瘤、神經退行性疾病、DM等與年齡相關的健康問題密切相關。細胞衰老發(fā)生在自發(fā)性內源性應激和外源性應激下,包括癌基因激活和端粒縮短(復制性耗竭)、持續(xù)的DNA損傷[5],其中DNA損傷是引起衰老最重要的因素[6]。

枸杞是一種干燥成熟的寧夏特產植物,屬于茄科,廣泛分布于歐亞大陸、非洲、北美洲和南美洲的干旱至半干旱環(huán)境中,具有豐富的藥用和食用功能[7]。枸杞富含多種功效成分,包含枸杞多糖(lycium barbarum polysaccharide,LBP)、生物堿、枸杞色素、黃酮、氨基酸等[8]。枸杞的主要功能成分是多糖,具體來說就是LBP[9],它具有抗衰老、抗氧化、抗癌、免疫調節(jié)、生殖保護和細胞保護活性[10]。近年來,LBP在抗衰老方面的作用愈加受到國內外學者的關注,眾多研究深入探討了LBP延緩衰老進展的分子機制。本文系統地介紹了枸杞中可以延緩衰老的活性成分LBP,以期在臨床與預防保健中更好地應用LBP。

1 LBP的組成及提取

1.1 LBP的組成 多糖是一種高分子化合物,它由多個單糖分子連接而成,并廣泛存在于動物細胞膜和植物細胞壁中。多糖作為高分子物質,其生物活性受到單糖組成和空間結構等因素的影響[11]。LBP成分復雜,高達95%的LBP由聚糖組成,包括葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、木糖、鼠李糖以及巖藻糖[12]。

1.2 LBP提取方法 多糖的結構、分子及理化性質會因萃取方法的不同而不同,所得到不同萃取物的生物活性也不盡相同,LBP有著兩類提取方法:第一種是較為傳統的提取方法,包括經典熱水萃取法(hot water extraction,HWE)、酸堿溶液萃取法、酒精萃取、發(fā)酵萃取、酶解萃取;第二種是較為新型的萃取方法,包括微波輔助萃取法、超聲輔助萃取和加壓液體萃取[13]。HWE操作的簡易性和低成本使其成為常用的多糖提取方法,然而,在提取過程中,過高的溫度可能會導致多糖結構受損,影響其功能效用。發(fā)酵萃取設備簡單,操作安全方便,不產生有毒廢物,且其提取多糖的條件溫和、高效、可持續(xù)。酶解萃取需要維持酶的最佳活性,在最佳溫度及最適宜pH下進行反應。與HWE法提取多糖相比,新型萃取方法能夠提高提取效率、縮短提取時間、減少溶劑的消耗,增加多糖產出率[14-16]。

2 LBP抗衰老機制

2.1 LBP通過減少內源性、外源性氧化DNA損傷來延緩衰老 DNA損傷可以分為兩種:一種是由于生物體內部的自發(fā)性因素,例如活性氧(reactive oxygen species,ROS)和細胞代謝副產物等引起的內源性損傷;另一種是由外界環(huán)境如電離輻射、紫外線、致突變化學物質引起的外源性損傷[17-18]。細胞中ROS的主要來源之一為線粒體產生的大量氧自由基[19]。細胞內線粒體功能障礙或內質網應激可導致ROS產生[20],ROS超過一定量會導致細胞內氧化/抗氧化失衡,從而導致氧化應激增加和進一步的DNA損傷[21]。ROS水平可通過增強抗氧化酶的活性來消除,ROS過多時機體自身通過分泌超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)等抗氧化因子對抗氧化應激,維持氧化和抗氧化之間的平衡狀態(tài)。

核因子紅系2相關因子2(nuclear factor-E2-related factor 2,Nrf2)是一種關鍵的氧化還原敏感轉錄因子,HO-1是其下游基因。在生理條件下,Nrf2在細胞質中與抑制劑環(huán)氧氯丙烷相關蛋白1(kelch-like epichlorohydrin-associated protein 1,Keap1)結合。然而,當細胞受損時,Nrf2會與Keap1解離并轉位到細胞核,從而觸發(fā)下游HO-1表達。實驗表明,LBP可通過Nrf2/HO-1通路緩解過氧化氫(H2O2)誘導的細胞損傷,表現為LBP提前處理可顯著降低ROS和丙二醛(malondialdehyde,MDA)的水平,有效地將顯著降低的抗氧化酶SOD和CAT的活性恢復到正常水平,使細胞內氧化和抗氧化之間達到平衡,最終緩解氧化應激,進而延緩衰老[22-23]。

2.2 LBP通過調節(jié)細胞凋亡延緩衰老 激酶級聯包括磷酸肌苷3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)、蛋白激酶B (protein kinase B,Akt)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)。PI3K/Akt/mTOR信號通路是參與細胞轉錄、翻譯、遷移、代謝、增殖和存活的核心級聯,與細胞凋亡和自噬密切相關。該信號通路在激活時可以減弱自噬,抑制細胞凋亡,促進細胞周期。必需的凋亡相關蛋白包括裂解的Caspase-3、Caspase-3、B淋巴細胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)和Bcl-2相關X蛋白(Bcl-2-associated X Protein,Bax)。實驗表明,LBP可下調裂解Caspase-3/Caspase-3、LC3II/LC3I、Beclin-1,上調Bcl-2/Bax和p62表達,磷酸化PI3Ks、Akt和mTOR,減少凋亡細胞的數量[24]。

Bcl-2和bax是與凋亡密切相關的基因。Bcl-2是抑制凋亡的基因,bax是促進凋亡的基因。Bax過度表達導致bax/bax同源二聚體的形成,從而促進細胞死亡。Bcl-2過表達導致Bcl-2/bax異二聚體的形成,進而防止細胞死亡。因此,Bcl-2/bax比值決定了細胞是否接收到誘導凋亡的信號。實驗表明,與H2O2一起孵育導致ARPE-19細胞中Bcl-2陽性表達顯著降低,bax陽性表達升高,Bcl-2/bax比值顯著降低,提示細胞凋亡增加。然而,在與H2O2孵育之前先用LBP處理H2O2,通過上調Bcl-2的表達和下調bax的表達,可顯著提高Bcl-2/bax的比值,表明LBP可通過調節(jié)Bcl-2/bax的表達水平,進而控制細胞凋亡,延緩衰老[25]。

p53參與DNA修復、代謝途徑控制和細胞衰老,其主要功能是誘導細胞凋亡和細胞周期停滯[26]。p21是一種細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑,可阻斷細胞周期進程并參與轉錄、細胞凋亡和DNA損傷修復[27]。當DNA損傷導致的雙鏈斷裂未完全修復時,共濟失調毛細血管擴張突變激酶(ataxia telangiectasia-mutated,ATM)與ATM和Rad3相關激酶(ATM-and rads-related,ATR)的激活觸發(fā)p53的磷酸化,p53的磷酸化形式調節(jié)p21誘導的細胞周期停滯,隨后觸發(fā)細胞衰老或凋亡。實驗表明,LBP通過抑制斑馬魚發(fā)育早期細胞死亡和凋亡,降低p53、p21和Bax基因的表達水平,增加Mdm2和TERT基因的表達,緩解斑馬魚衰老[28]。

2.3 LBP通過抑制內質網應激和自噬來延緩衰老 內質網是蛋白質折疊和加工的主要場所,當細胞受到干擾因素的刺激時,內質網應激反應將被激活以維持細胞穩(wěn)態(tài)和功能[29]。但過度刺激會誘導凋亡轉錄因子C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)的表達并觸發(fā)細胞凋亡。自噬是指所有類型的細胞內成分的溶酶體降解和再循環(huán),它是一種高度選擇性的細胞清除途徑,與維持細胞和組織穩(wěn)態(tài)有關[30]。自噬是細胞自我保護的一種機制,但大量證據也表明,自噬可以誘導細胞凋亡并增強細胞毒性[31]。內質網是最大的Ca2+貯存細胞器,內質網應激可導致細胞內Ca2+不平衡,LBP可改善細胞內Ca2+的失衡。實驗表明,LBP一方面顯著抑制PM2.5觸發(fā)的細胞內ROS的增加,恢復SOD的活性,并降低細胞內MDA水平;另一方面LBP可抑制內質網應激-CHOP凋亡信號,抑制內質網應激反應,降低GRP78和CHOP的表達,減少PM2.5誘導的自噬標志蛋白LC3I向LC3II的轉化,使PM2.5誘導的自噬體水平、細胞凋亡和毒性顯著降低,進而延緩衰老[32]。

2.4 LBP的其他抗衰老機制 慢性炎癥會通過分泌細胞因子,促進炎癥、重塑細胞外基質和不利地改變非衰老細胞的行為,加劇氧化損傷,誘導ROS、H2O2和羥基自由基的產生,加劇DNA損傷,加速衰老和相關疾病的發(fā)生[33]。LBP可以通過下調TLR4/NF-κB信號通路相關mRNA和蛋白的表達水平,減少促炎細胞因子IL-6、IL-1β和腫瘤壞死因子-α的產生來抑制炎癥因子的釋放,延緩衰老[34]。從LBP中進一步提純可得到枸杞糖肽(lycium barbarum glycopeptide,LbGp),實驗表明,LbGp 促進了FADS1和FADS2(FADS1、FADS2 是 二十二碳六烯酸產生的關鍵酶)的高mRNA表達,誘導小膠質細胞分泌二十二碳六烯酸,抑制 MAPK-NF-κB/焦亡相關通路,進而使得p-p-65、細胞凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD,ASC)、半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1p45、Gasdermin D、GSDMD-N(裂解的Gasdermin D,一種細胞焦亡的執(zhí)行因子)、NOD樣受體蛋白-3(NOD-like receptor protein-3,NLRP3)、IL-1β以及IL-18蛋白表達降低,延緩衰老[35]。

轉錄因子DAF-16是人叉頭盒O(forkhead box protein,OFOXO)的同源物,是胰島素/胰島素樣生長因子(IGF-1)信號通路(insulin/IGF-1 signaling pathway,IIS)下游的關鍵效應因子,是氧化應激和衰老過程的主要下游調節(jié)因子之一,通過IIS影響秀麗隱桿線蟲的衰老速度。實驗表明,LbGp 可使DAF-16 靶基因(ctl-1、ctl-2、sod-2和sod-3)的轉錄水平顯著增加。LbGp延緩衰老進展的作用通過調節(jié)IIS和生殖信號通路介導,進而激活應激反應轉錄因子DAF-16、熱休克因子-1(heat shock factor,HSF-1)、熱休克蛋白-16.2(heat shock protein-16.2,hsp-16.2)和SKN-1以及核受體DAF-12,從而觸發(fā)下游長壽相關靶基因的表達以延長壽命[36-37]。

3 總結與展望

衰老是一個持續(xù)性的過程,發(fā)生在所有生命形式中。由于衰老細胞影響各種生理和病理過程,包括癌癥和與年齡相關的疾病,積極探索抗衰老療法具有重要意義。LBP作為傳統中藥枸杞的提取物,其主要通過以下機制延緩衰老:(1)通過增加抗氧化酶的表達,實現細胞內氧化與抗氧化的平衡,緩解ROS的過量產生,減少內源性DNA損傷,防止細胞周期停滯,改善衰老進程;(2)通過調節(jié)凋亡相關基因表達,減少凋亡細胞數量,控制衰老進程;(3)通過抑制內質網應激維持內質網內Ca2+水平和減少自噬來改善細胞衰老;(4)通過減少促炎因子的釋放來調控衰老進展。本綜述中的大多數研究僅評估了模式生物(如秀麗隱桿線蟲、斑馬魚、小鼠)的壽命、抗氧化酶、炎癥因子和衰老標志物水平。它們雖然在一定程度上與人類衰老狀態(tài)相似,但不能完全復制LBP在人類體內抗衰老的作用方式。因此,為更好地將LBP應用于臨床及預防保健中,仍需要大量體內外實驗以及臨床試驗。體內研究不僅將證實衰老的相關生理,而且還將深入了解衰老是由誘導因子和靶細胞之間的相互作用直接誘導的,還是由其他細胞類型(例如巨噬細胞和小膠質細胞)間接介導的。此外,對LBP延緩衰老進展機制的研究也局限于相關途徑、相關蛋白水平的變化,對其在衰老分子機制中的作用尚不明確。隨著分離提取技術的逐漸進步,LBP又可進一步提純出其他物質,關于這些物質的功效及作用機制目前研究較少。未來隨著新技術的逐漸發(fā)展,關于LBP的研究將會進入新的階段,其延緩衰老的作用機制也會更清晰明了,由此會探索出LBP更全面、系統地應用于延緩衰老進程、預防保健和改善年齡相關疾病進展中的具體方法,進而達到延長壽命、改善年齡相關疾病病人生存狀態(tài)的目的。