大黄素生物活性及在畜牧领域的研究进展

马中华，符清瑶，姜宏正，周汉林，荀文娟*

（1.海南大学动物科技学院，海口570228；2.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，海南儋州571737）

近年来随着人们对天然化合物活性成分的探究，大黄素逐渐受到国内外学者的特别关注，其生物活性与化学结构紧密相关。例如，大黄素的蒽醌环以及酚羟基具有清除自由基和抗炎抗菌等多种生物活性[1]。作为芦荟、大黄等传统中草药的有效成分，在临床上也有一定的应用。本文综述近几年有关大黄素的生物活性方面以及畜牧相关领域的研究成果，以期对当前畜牧领域的发展提供指导。

1 大黄素的生物活性及在畜牧领域研究概况

1.1 抗肿瘤

大黄素通过多种机制发挥抗癌作用，例如，通过抑制人乳腺癌MCF-7和MDA-MB-231细胞中的雌激素受体α基因组和PI3K/Akt非基因组途径来有效抑制细胞增殖[2]。但是大肠癌SW620细胞的研究结论正好相反，大黄素可以提高肿瘤细胞的浸润能力[3]。大黄素在肿瘤细胞凋亡及抗转移等途径发挥作用[4]，这些研究结果也促使学者们转向对大黄素抗癌机制的探索。

线粒体和内质网应激在介导大黄素诱导的抗癌作用中也起着重要作用[5]。大黄素通过线粒体膜电位的丧失，Bcl-2家族蛋白的调节以及人结直肠癌CoCa细胞和肝癌HepaRG细胞中caspase酶的活化来诱导凋亡[6]。大黄素也具有免疫调节作用，通过阻断巨噬细胞和癌细胞之间促进肿瘤的前馈回路来抑制细胞生长和转移[7]。研究发现，大黄素的另一种衍生物大黄酸也可以诱导人胰腺癌Panc-1细胞凋亡，并抑制胰腺癌异种移植肿瘤生长[8]。大黄素和其他化学疗法的组合也可以用于癌症治疗，大黄素可以促进吉西他滨在胰腺癌中的抗肿瘤作用[9]。通过抑制NF-κB途径增强人胰腺癌SW1990细胞的凋亡，进一步抑制SW1990异种移植的肿瘤生长[10]。大黄素和姜黄素的组合还可以增强对人乳腺癌MDA-MB-231，MDA-MB-435和184A1细胞的细胞增殖，存活和侵袭的抑制作用[11]。此外，大黄素通过在人膀胱癌T24和J82细胞中产生活性氧和多重耐药相关蛋白1降低毒性[12]。大黄素已被证明在体外和体内具有显著的抗癌作用，并且其与其他疗法的结合对癌症的治疗非常有效。因此，评估大黄素作为一种抗癌药的安全性和有效性非常重要。虽然目前大黄素还尚未大量投入抗癌药用，但可以继续将其运用到模型动物机体中，深入探究其抗癌机制。

1.2 抗病毒

在畜牧领域中，新城疫病毒的治疗与大黄素提取物的注射量有一定关系，当大黄乙醇提取物为5.0 mL·kg-1的剂量组时，对试验鸡是安全的[13]，能保证鸡对此病毒的抗病能力达到最大化。流行性感冒病毒即流感病毒，这种病毒可由空气传播，通过侵袭上呼吸道，致机体死亡，畜牧生产中的猪、牛、马等均易感，且都以大周期流行，对世界公共卫生安全造成巨大威胁。早期有研究发现大黄素对A、B两种类型的流感病毒均有明显抑制作用，随后经过深入研究，芦荟大黄素通过半乳糖凝集素-3（Galectin-3）上调对甲型流感病毒的抗病毒活性，其作用机制主要是调控半乳糖凝集素-3（Galectin-3）的表达，而重组的Galectin-3能增强抗病毒基因干扰素IFN-β、IFN-γ和双链RNA依赖性蛋白激酶（Protein kinase resource，PKR）的表达来抵抗病毒入侵机体，与此同时，芦荟大黄素也能抑制甲型流感病毒的复制从而发挥双重作用[14]。

SARS冠状病毒（SARS coronavirus，SARS-CoV）的解码组3a形成了阳离子选择性通道，该通道可能在感染的细胞中表达，然后参与病毒释放。研究表明大黄素可以抑制冠状病毒SARS-CoV的3a离子通道[15]，进而可能抑制病毒的释放，有望成为开发新型治疗剂的来源。2019新型冠状病毒已严重威胁到人们的健康和生活，但目前尚无有效的预防和控制措施。作为纯天然植物的主要有效成分，大黄素有多种广谱的抗病毒活性，其用于治疗新型冠状病毒肺炎（Coronavirus disease 2019，COVID-19）有多种可能性[16]。大黄素的抗病毒性可以广泛应用于畜牧领域以及人类医疗方面，减轻生产损失的同时也可以防止人畜共患病毒的产生，在病毒学研究中前景十分广阔。

1.3 抗氧化

在畜牧生产中，大黄素的添加可以明显改善肉仔鸡抗氧化功能，抑制脂质过氧化和超氧自由基的生成，并且可显著改善其胸部和腿部肌肉的超氧化物歧化酶活性，减少丙二醛含量，且以400 mg·kg-1添加组的效果尤其明显。由于大黄素能提高肉仔鸡免疫功能，所以其脾脏指数、胸腺指数以及法氏囊指数增加，并且随着大黄素的添加量不断递增，各指数依次增加[17]。黄丽英等研究大黄素对超氧阴离子自由基的清除作用，结果表明，氧自由基的清除对大黄素有明显的剂量依赖性[18]。在饲粮中的脂质和脂肪酸参与细胞代谢和动物生理调节，但氧化的脂质可能会引起氧化应激，从而影响鱼类的正常生长和生理健康。研究发现，在氧化鱼油胁迫下，大黄素可以抑制生长性能，改善特殊生长率，降低饲料转化率和肝体指数[19]。这些研究的结果表明，氧自由基清除过程中大黄素起到关键作用，同时也可能在心血管疾病的治疗中应用广泛，为解决动物生产中的氧化应激提供了更好的选择途径。

1.4 提高胃肠道活性

在畜牧相关研究中，陈甜甜等为研究大黄素对猪流行性腹泻病毒（Porcine epidemic diarrhea virus，PEDV）感染对细胞病变的抑制效果和机理，采用了细胞形态观察法测定大黄素溶液在Vero细胞上的最大安全浓度，建立体外病毒感染Vero细胞模型并利用该模型开展大黄素对病毒抑制作用的研究[20]。结果显示大黄素在Vero细胞上的最大安全浓度为3.28 mg·mL-1；形态学观察法和MTT法均显示大黄素不仅能阻断病毒吸附Vero细胞，抑制病毒的合成复制，还可直接灭活病毒。从而为临床上预防和治疗猪流行性腹泻提供理论基础。大黄素添加也能够影响反刍动物对饲料的利用率，研究证实，当添加量大于1.0 mg·mL-1，可以显著加大氢气排放量，抑制甲烷的产出，促进瘤胃向丙酸型发酵[21]。在现代的大规模养殖中，鸡经常因为各种疾病而腹泻，卢宝林等使用生的大黄素（可以用酒炒），或者在煮熟后治疗鸡的腹泻[22]，为后续能够将其应用在饲料添加剂中提供参考。大黄素还能保护低血容量性休克大鼠胃肠黏膜上皮细胞间的紧密结合、促进胃肠活动、抑制肠内细菌的易位、降低胃肠黏膜通透性，防止肠感染以及引起多脏器功能衰竭[23]。郭向华的研究结果表明，大黄素可以增强肠壁蠕动刺激从而使渗透压变化，肠内废弃物的顺利的排放，大黄素作为刺激性泻药效果得以实现。这种刺激腹泻的作用，对便秘和痔疮的患者，特别是对中老年便秘的患者疗效特别明显[24]。黄伟等应用大黄素成功制作小鼠的腹泻模型，研究表明，连续6周服用大黄素后，小鼠的腹泻数明显减少，到12周明显减少[25]。

同时也有研究发现，大黄素通过抑制NF-κB和HIF-1α信号通路发挥对肠粘膜屏障的保护作用[26]。大黄素可以通过抑制NF-κB信号通路显著减轻LPS缺氧复氧所致肠上皮细胞株Caco-2细胞旁紧密连接蛋白ZO-1表达的下降，从而有效抑制Caco-2上皮细胞旁的通透性，维护肠黏膜上皮的完整[27]。同时动物试验表明，大黄素可降低单核，巨噬细胞膜表面TLR4表达，抑制释放炎症介质的肥大细胞活化，降低IL-8等多种促炎细胞因子释放，减轻小肠黏膜结构损伤，起到保护肠机械屏障的作用[28]。大黄素的胃肠保护作用，可以使其作为胃肠道保护剂添加到日粮中，缓解动物生产中腹泻等相关问题。

1.5 保护神经

相关研究同时也发现，大黄素通过激活神经元细胞的保护机制，使得神经元细胞在体外的耐受力显著提高[29]。氟化物是一种常见的微量元素，对人类和动物健康至关重要。但是，过量的氟化物会引起一系列有害影响，包括牙齿氟中毒，骨骼氟中毒以及对肝脏、肾和中枢神经系统（Central nervous system，CNS）的损害。研究发现，大黄素减轻了暴露于氟化物中神经母细胞瘤细胞的突触损伤和氧化应激损伤，从而通过抑制ERK1/2信号通路和抗氧化剂提供了防御氟化物神经毒性的机制[30]。

体外和体内研究表明，大黄素可发挥有效的神经保护作用，与核相关因子2以及血红素加氧酶-1紧密相关，并具有细胞外调节作用激酶（ERK）1/2信号通路[31]。Gu等报道大黄素通过减少大鼠CA1区的谷氨酸释放来抑制兴奋性突触后电位[32]。此外，Liu等发现，大黄素明显降低了β-淀粉样蛋白诱导的皮质神经元死亡，大黄素降低了高同型半胱氨酸血症所致痴呆大鼠大脑中神经元丧失，突触损伤和炎症，并减轻了氧化应激和甲基化损伤[33]。大黄素已证明具有上述这些神经保护作用，但该化合物需要进一步阐明其基本药理作用和机理。

1.6 抗炎

大黄素赋予动物抗多种炎症的抗炎活性，在经过试验验证的miRNA中，miR-21由于其在炎症中的重要作用而引起了广泛关注。例如，miR-21可增强巨噬细胞对腹膜炎的抗炎功能[34]，miR-21的表达可以作为平衡抗炎和促炎的开关[35]。大黄素减轻炎症反应，通过上调miR-21抑制炎症因子IL-1b，IL-6，Cox-2和iNOS以及调节NF-κB和PTEN/PI3K/AKT信号，但需要进一步临床实践[36]。

Llipopolysaccharide（LPS）是位于革兰氏阴性细菌最外层的大分子。大量研究表明，LPS可以通过提高促炎细胞因子水平来触发炎症反应，例如IL-1b，IL-6和TNF-a[37]。LPS触发的动物和细胞肝炎模型已广泛用于寻找新的抗炎药，此外，研究已经证明，NF-κB信号通路的激活还通过进入细胞核刺激更多的炎症因子表达而促进LPS触发的炎症损伤[38]。

大黄素改善了LPS诱导的急性肺损伤的病理变化和炎性细胞浸润。可显著降低炎性因子（包括TNF-α，IL-1β和IL-6）的表达，并下调了肺组织中p-mTOR，HIF-1α和VEGF蛋白的表 达。在RAW264.7细胞中发现了类似的抗炎作用以及mTOR/HIF-1α/VEGF信号通路的下调[39]。Ha等报道大黄素抑制缺氧类风湿性关节炎的促炎反应并使组蛋白脱乙酰基酶失活[40]。Alisi等研究发现大黄素可以防止饮食刺激的大鼠肝脂肪变性的肝内脂肪积累，炎症反应和氧化还原状态失衡[41]。此外，Song等提出大黄素可减轻脂多糖（LPS）刺激的高脂血症小鼠的全身和肝脏炎症反应[42]。表明大黄素可以发挥抗炎作用，并在炎症治疗中作为潜在的治疗药物，可以通过饲料添加剂降低生产中动物的疾病风险。

1.7 抗菌

在畜牧生产中，副猪嗜血杆菌（Haemophilus parasuis，HPS）是一种寄生在猪的上呼吸道致病细菌，其会引起一系列的炎症，包括脑膜炎等，猪群的健康因此受到严重侵犯。研究发现，大黄素对HPS具有较显著的体外抗菌作用，其作用机制可以概括为两个方面：一是通过调控核糖体的合成，使得相关蛋白的表达受到抑制，最终抑制了HPS菌株的生长；二是通过抑制HPS中毒力因子的转录以及相关表达来降低HPS对宿主的致病力[43]。其实早在21世纪初期，Chukwujekwu等研究大黄素的抗菌性时，发现革兰氏阳性菌明显受到抑制[44]。随后，Xiang等研究发现芦荟大黄素显著抑制了生物膜的形成，最初是通过减少细胞外蛋白的产生，金黄色葡萄球菌生物膜的粘附和增殖阶段以剂量依赖的方式发生[45]。大黄素具有良好的抗甲氧西林抗性金黄色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）作用，其抗菌作用与其降低相关菌株细胞膜的流动性还有破坏膜的完整性相关，因此把大黄素归类为先导型化合物进行深入的研究，有利于发现药物的最新靶点，当然也是治疗MRSA感染的关键。Wang等从消化性溃疡患者中收集的幽门螺杆菌中发现芦荟大黄素在幽门螺杆菌培养物中以剂量依赖性方式显示出生长抑制作用。当芦荟大黄素的浓度达到925μmol·L-1时，抑制作用达到约90%[46]。

随着耐药性病原体和缺乏有效药物引起的感染增加，发现新的抗菌剂迫在眉睫。研究发现来自真菌和地衣的天然氯化大黄素1,3,8-三羟基-4-氯-6甲基蒽醌（Chlorinated emodin，CE）可显著抑制革兰氏阳性菌的生长，特别是对包括耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌在内的常见耐药菌菌株的生长。已确认CE会导致大量钾离子泄漏，细胞膜去极化并破坏细菌细胞中细胞膜的选择性通透性，从而导致细菌细胞死亡。此外，CE被证明与细菌DNA有很强的静电相互作用并诱导DNA凝聚。因此，CE是针对革兰氏阳性细菌，尤其是常见的耐药MRSA和VRE分离株的有前途的天然抗菌药效基团，具有破坏细菌细胞膜和DNA的双重抗菌机制[47]。大黄提取物抑菌活性强，添加剂量小，是一种天然的抑菌剂，应用于饲料添加剂领域必将有着极为广阔的前景。

2 大黄素的局限性

关于大黄素不利影响的报道数量正在增加。这些报告中的主要毒性是肝毒性和肾毒性，这是世界范围内广泛关注的问题。大黄素通过在Caspase-3依赖性途径和线粒体途径中诱导凋亡而显示出肝毒性和肾毒性。另外，还涉及谷胱甘肽代谢和脂肪酸代谢途径[48]。因此，需要进一步的研究来减轻大黄素的毒性。

另一个问题是大黄素同时具有保肝和肝毒性作用，存在矛盾。根据对文献的研究，推测原因是这些影响可能是给药剂量和递送时间。高剂量和长期药物输送更有可能导致肝毒性，而低剂量和短期药物输送可能导致肝得到保护作用。因此，这个问题需要进一步研究。

3 展望

大黄生长于我国多个地区，产量颇丰，大黄素作为中草药大黄最重要的活性成分，应用范围极广。如抗菌能力，可作为广谱的抗菌药物以及食品添加剂；抗炎能力，可应用于饲料添加剂领域；其抗肿瘤能力，可辅助癌症治疗和预防；其抗病毒能力，可作为新一代抗病毒药物被开发应用于人畜流行病；其对胃肠道活性，可开发成不同类型的保健品以及用于初生动物的胃肠道发育。大黄素具有广阔的应用前景，未来仍需要进一步研究以提高口服生物利用度，减轻副作用并提高其效率。对大黄素进一步的应用，有利于提高动物福利，为我国畜牧业的健康发展提供更多支撑。