姜黄素对炎症性肠病的作用研究进展

刘雨，郝才帅，徐子媛，李校天

(河北工程大学临床医学院，河北 邯郸 056004)

0 引言

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一种慢性且危及生命的胃肠道炎性病症，其特征是肠道炎症的反复发作。姜黄素(curcumin)具有显著的抗炎特性以及抗氧化、调脂、抗癌、抗衰老等广泛作用，被认为是极具希望成为治疗IBD的新型药物。对姜黄素的作用机制，基础与临床方面的实验已开展多年，本文将围绕IBD的发病机制及姜黄素对IBD的治疗作用的进展作一综述。

1 IBD的流行病学特征

克罗恩病(crohn’s disease, CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)已知作为炎症性肠病，是慢性、复发性的胃肠道炎性病症。IBD肠粘膜炎症的特征是腹痛、腹泻、血便、体重减轻以及中性粒细胞和巨噬细胞的大量浸润，这些细胞产生细胞因子、蛋白水解酶和自由基，导致炎症和溃疡的产生[1]。克罗恩病通常涉及回肠末端、盲肠、肛周和结肠，但它可以不连续的方式影响肠道的任何区域，而溃疡性结肠炎往往涉及直肠，并且可以连续的方式影响结肠的一部分或整个结肠[2]。克罗恩病在组织学上表现为粘膜下层增厚、透壁炎症、裂开性溃疡和肉芽肿，而溃疡性结肠炎的炎症仅限于粘膜和粘膜下层，常伴有隐窝炎和隐窝脓肿[3]。

尽管IBD可以从婴儿期到八九十岁的任何年龄被诊断，但大多数的初次确诊都是在青春期和成年早期。在欧洲，有250～300万人患有IBD，美国患病人数则超过100万[4]。二十世纪，IBD在西方发达国家的发病率持续上升，但在发展中国家相对较少。然而，在过去的几十年里，亚洲、南美和中东的新兴工业化国家相继出现了IBD[5]，虽然发病率大大低于西方世界，但发病率的上升速度要高得多。

2 IBD的发病机制

IBD是遗传易感性个体在暴露于环境触发因素后对肠道微生物所产生的异常免疫反应。遗传因素在IBD的发病中得到了学界证实。全基因组关联研究(GWAS)、下一代测序研究和其他分析已经确定了超过240个不重叠的遗传风险基因座，其中约30个基因座在克罗恩病和溃疡性结肠炎之间重合[6-8]。对在IBD中发现的基因和基因位点的分析表明，如下几种途径在维持肠道内环境稳定中发挥重要作用，包括上皮屏障功能、先天粘膜防御、免疫调节、细胞迁移、自噬、适应性免疫和与细胞内稳态相关的代谢途径[9-11]。核苷酸结合寡聚化结构域2(nucleotide-binding oligomerization domain2,NOD2)是发现的第一个与克罗恩病相关的基因，约有三分之一的克罗恩病患者发生该基因的突变。与NOD2基因1007fs突变相关的克罗恩病患者表现出更严重的疾病表型，而R702W和G908R突变则导致炎症细胞因子水平增加[12]。大多数与患病风险相关的基因座在IBD患者中是共有的，但是一些基因座在患病人群中表现出异质性。例如，NOD2和IL23R变异在大多数欧洲患者中存在，但在东亚患者中不存在[13]。

IBD的核心发病机制是细菌移位、粘膜屏障功能障碍和肠道免疫稳态丧失[14]。肠道细菌移位的增加与肥胖和克罗恩病都有独立的联系，这两者都降低了细菌多样性，并伴有菌群失调[15]。细菌移位与脂肪细胞和前脂肪细胞的活化有关，随后发生促炎因子表达和免疫稳态的变化。Harrison等[16]研究表明，肠内分泌细胞通过分泌PYY、GLP-1和GLP-2等肠内分泌激素在IBD的炎症传播中发挥重要作用。GLP-2是一种具有抗炎特性的上皮生长因子，可降低结肠炎模型动物的肠道损伤程度。循环PYY水平与克罗恩病导致的恶心和厌食症有关。Friedrich等[17]研究表明，肠内分泌细胞可能是促炎因子白介素-17(interleukin-17, IL-17)的主要产生者和调节者。在P物质、脂肪细胞和IL-17之间存在脂肪组织-结肠反馈回路，神经元-内分泌细胞和激素的变化可能参与并加强这种反馈机制，从而进一步促进炎症反应。因此，通过旁分泌、肠内分泌和微生物因素的结合，肥胖(尤其是内脏肥胖)可能导致IBD炎症(尤其是克罗恩病)的发展和持续。

与健康受试者相比，IBD患者的肠道菌群组成发生了改变[18,19]。在IBD患者中观察到具有抗炎能力的细菌减少和具有促炎能力的细菌增加，最一致的变化是肠道菌群多样性的减少和厚壁菌门丰度的降低[20]。肠道生态的失调导致宿主粘膜完整性和免疫稳态遭到破坏，从而导致IBD的进一步发生、发展。人类肠道有100万亿种不同的微生物，包括细菌、真菌、病毒和原生生物，它们构成了微生物群落。拟杆菌门和厚壁菌门在健康成人的肠道菌群中占主导地位[20,21]。研究表明，细菌的数量和组成在胃肠道的不同部位有所不同，胃和小肠上部的细菌数量少、种类少，从空肠到结肠的细菌数量逐渐增多[22]。肠道菌群对宿主生理上的益处包括营养、免疫发育和宿主防御。肠道菌群为宿主提供能量和营养。厚壁菌门和拟杆菌门通过与用于寡糖发酵的菌种如双歧杆菌作用，从难以消化的碳水化合物中生成短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)[23]。短链脂肪酸是结肠中的主要阴离子，主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，可被结肠和全身利用[24]。在IBD中，短链脂肪酸的水平显著降低，这可能是损害肠道和免疫稳态的一个关键因素。肠道菌群在宿主免疫系统的发育中起重要作用。肠道菌群可维持免疫系统的正常功能，使机体分泌足量的IgA。同时，可调节T细胞的再生和辅助性T细胞的分布，增强屏障功能[25]。肠道菌群有助于宿主抵御病原体。肠道菌群中一些共生细菌通过竞争营养物质或促进抑制因子的产生来直接抑制肠道病原体。多形拟杆菌是一种丰富的结肠厌氧菌，通过消耗肠球菌所需的碳水化合物，竞争性地从肠腔中排除病原体[26]。一些菌群还能通过分泌抗微生物因子，如细菌素、抗菌肽等来直接或间接的抵御病原体[25]。肠道菌群改变所造成的肠道生态失调对宿主粘膜屏障功能和免疫稳态的影响体现在如下4个方面：(1)能粘附于肠上皮的病原菌的增加影响了肠道的渗透性，改变了肠道菌群的多样性和组成，并通过调节炎症基因的表达诱导炎症反应，从而导致肠道炎症的产生[27]。(2)荧光原位杂交分析显示IBD粘膜相关细菌的丰度增加，可能是由于粘液溶解细菌如乳球菌属的数量增加，导致粘液降解，从而使细菌入侵。(3)受肠道菌群破坏影响所产生的代谢产物与IBD的发病机制有关。Takahashi等[28]研究表明，IBD患者体内的短链脂肪酸浓度下降，这是由产丁酸盐的细菌造成的，如梭状芽孢杆菌第四、第十四、第十八群。SCFAs的减少影响Treg细胞的分化和扩张以及上皮细胞的生长，这些细胞对维持肠道内环境稳定起重要作用。(4)硫酸盐还原菌的数量，如脱硫弧菌，在IBD患者中更高，导致硫酸氢盐的大量产生，最终破坏肠上皮细胞并诱导肠粘膜炎症[25]。IBD的免疫失调以上皮损伤(异常粘液生成、修复缺陷)为特征。肠道菌群和大量T细胞、B细胞、巨噬细胞、树突状细胞和中性粒细胞等浸润到固有层引起炎症扩展，活化的固有层细胞在局部组织中产生高水平的促炎因子，包括肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)、干扰素-γ(interferon-γ, IFN-γ)和IL23/Th17途径的细胞因子[29]。

3 姜黄素对IBD的作用机制

IBD的治疗重点是控制炎症，从而改善症状。姜黄素被认为是IBD的潜在治疗药物，因为它具有显著的抗炎特性以及抗氧化、抗癌、保护神经的作用。目前，用抗炎药物或免疫抑制剂治疗IBD，临床效果并不理想，且会产生严重的副作用。姜黄素被认为是安全、无毒的，可通过以下5种途径来介导抗炎作用。

3.1 姜黄素抑制NF-κB炎症通路的活性

NF-κB在炎性疾病中对炎性因子有重要的调节作用。NF-κB活化导致IBD的粘膜损伤，因此，姜黄素对NF-κB的抑制在减轻IBD的炎症中至关重要。Toll样受体4(tolllike receptor-4, TLR4)是天然免疫系统中的一种模式识别受体，在天然免疫和炎症反应中起关键作用[30]，髓系分化因子88(myeloid differentiation factor88, MyD88)是其下游配体。高脂饮食可增高肠道通透性，提高血清脂多糖水平。在TLR4-MyD88/NF-κB信号通路中，脂多糖可刺激TLR4与MyD88相互作用，触发细胞内炎症反应，激活NF-κB，最终促进炎症因子TNF-α、IL-1β的释放[31]，TNF-α水平增高还可负反馈调节NF-κB的生成，从而产生一个炎症反馈回路[32,33]。TLR4是姜黄素的分子靶标，它可以通过抑制该受体的同二聚体化而抑制其表达。同时，姜黄素还可抑制MyD88，从而显著抑制TLR4-MyD88/NF-κB炎症通路的活化，降低IBD的肠道炎症反应。

3.2 姜黄素激活过氧化物酶体增殖物活化受体γ(peroxisome proliferator-activated receptors gamma, PPARγ)

PPARγ与促炎因子的产生和环氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)以及细胞间粘附分子-1(intercellular adhesion molecule-1, 1CAM-1)的转录活化相关[34]。慢性炎症期间PPARγ的表达降低，其恢复可使组织炎症显著改善以及ICAM-1、COX-2和TNF-α向正常水平调节。Liu等[35]实验证明，姜黄素具有增强PPARγ的表达和活化的作用，并抑制COX-2、前列腺素J2和前列腺素E2的表达。此外，PPARγ具有调节巨噬细胞向IBD肠道炎症病灶聚集的作用，并且能抑制NF-κB的活化。

3.3 姜黄素抑制NLRP3炎症体的激活和IL-1β的产生

NLRP3属于核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族，作为细胞内病原体识别受体发挥作用[36]。受到刺激的NLRP3与凋亡相关颗粒样蛋白(apoptosis associated speck-like protein,ASC)以及促半胱天冬酶-1相互作用，结合成大的胞质复合物，即活性半胱天冬酶-1，随后促进高度促炎因子IL-1β的成熟和分泌，参与各种炎性疾病的发展，包括IBD[37]。IL-1β是IBD发生、发展中最重要的促炎因子之一，其产生依赖于炎症体的激活，血浆中高水平的IL-1β与肠道炎症和疾病活动的严重程度密切相关。Gong[38]等实验证明，姜黄素显著抑制了脂多糖刺激的巨噬细胞中NLRP3炎症体的激活，表现为IL-1β分泌减少、半胱天冬酶-1激活减少和ASC的减少。机制上，姜黄素阻止了葡聚糖硫酸钠诱导的K+流出、细胞内活性氧的形成和组织蛋白酶B的释放，这是介导NLRP3炎症体激活的主要三种细胞途径。同时，姜黄素显著降低了多种炎性细胞因子(包括成熟IL-1β、IL-6、单核细胞趋化蛋白-1)的表达，降低了半胱天冬酶-1的活性以及组织病理学损伤。

3.4 姜黄素调节自噬

自噬是指细胞通过回收长期存活和受损的蛋白质来实现细胞内溶酶体的降解过程，以此来维持正常的细胞内环境稳定。许多研究已经证实，包括ATG16L1和IRGM在内的几种与自噬相关的遗传变异与IBD患病风险增加密切相关[39,40]。此外，用于IBD治疗的药物可通过自噬调节而生效[41]。就自噬过程而言，beclin-1与磷酸肌醇3-激酶复合物共同参与了ATG蛋白在起始阶段的聚集。然而，与beclin-1结合的bcl-2可以阻止自噬过程。在接下来的延伸阶段，ATG5和LC-3II对自噬体的形成起重要作用。Yue等[42]实验中，葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠beclin-1、ATG5和LC-311水平明显升高，而bcl-2水平降低，表明结肠炎作为一种有效的应激引起自噬增强。而姜黄素的给药下调了beclin-1、ATG5和LC-3II的水平，上调了bcl-2的水平，从而改善了结肠炎，表明自噬作用在一定程度上被姜黄素抑制。

3.5 姜黄素与许多细胞靶点相互作用[43]，对p38MAPK炎症通路、环氧合酶-1(cyclooxygenase-1, COX-1)、COX-2、TNF-α、IFN-γ、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)具有抑制作用。炎症刺激激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)中的一种，导致p44/42MAPK、JNK或p38MAPK的激活。爱泼斯坦等[44]研究表明，姜黄素能够降低IBD患者肠道粘膜组织中p38MAPK的活化，并且增强IL-10、降低IL-1的表达，姜黄素很可能成为治疗IBD的一种新型药物。Chen等[45]实验表明，姜黄素能降低COX-2、前列腺素J2和前列腺素E3的表达，可能是由于COX-2激活所必需的核因子的受体下调。它还降低促炎因子的释放，如IL-1β、IL-12、IFN-γ和TNF-α，并显示伴随炎症因子的增加，抗炎因子如IL-4和IL-10的表达上调[46]。iNOS酶活性在IBD患者肠道组织中有较高的表达，可通过脂质过氧化、蛋白质变性和脱氧核糖核酸损伤等机制诱发细胞的损伤和坏死。de Lange[47]等研究发现，姜黄素可下调结肠粘膜中iNOS酶蛋白的表达，减少亚硝酸盐的产生，从而降低IBD的严重程度。

目前，IBD的发病率在全球范围内呈不断上升趋势，严重影响患者身心健康的同时，给家庭和社会也带来了巨大的经济负担。IBD确切的病因和发病机制仍不清楚，目前尚无具有针对性的有效治疗药物。大量基础与临床方面的实验已经证明姜黄素具有显著的抗炎作用，对IBD的相关症状具有治疗效果，且具备安全、价廉等优点，姜黄素有极大可能成为IBD的新型治疗药物。