姜黄素干预霉菌毒素诱导毒性的研究进展

李泓霖，李怡芳，张 驰，周鸿媛,3，郭 婷,3，张宇昊,2,3,4，马 良,3,4,

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.发光分析和分子传感教育部重点实验室，重庆 400715；3.川渝共建特色食品重庆市重点实验室，重庆 400715；4.国家市场监管重点实验室（调味品监管技术），重庆 400715）

通过农产品或食品中功能成分对霉菌毒素毒性进行干预是控制霉菌毒素危害的热点研究方向，近几年国内外报道了很多相关植物源天然物质对霉菌毒素毒性影响的研究，如姜黄素通过调控猪卵巢颗粒细胞中相关酶的活性可以减轻ZEN 引起的氧化还原紊乱及其对组织器官的损害[4]；动物饲料中添加姜黄素能有效缓解饲料中霉菌毒素导致的进食量下降及蛋白质转化率降低等不良影响，在一定程度上减轻农业、畜牧业的经济损失[5]。大量研究证明姜黄素能减弱霉菌毒素对机体的伤害，并且对其干预机理进行深入研究，本文就姜黄素摄入对动物体内、体外霉菌毒素毒性的干预作用及诸如减少霉菌毒素诱导的动物体内活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）增加、霉菌毒素引起的蛋白表达改变、酶活性改变等相关机理展开综述，重点分析近5 年来姜黄素在霉菌毒素毒性干预方面的研究进展和发展趋势，为姜黄素在大健康产业中的深度开发利用和未来发展提供理论依据，也为其他植物源性功能成分的研发拓宽思路。

1 典型霉菌毒素及其毒性

霉菌毒素带来的问题在全球范围内仍无法完美的解决，严重威胁着人类食品、动物饲料的安全，食用受污染的食物会对动物和人类产生多种毒性效应，透彻研究霉菌毒素背后的毒性机理是开发研制解毒物质和控制其危害所必需的。

1.1 黄曲霉毒素

食品及农产品安全中危害最大、关注度最高的一类霉菌毒素是AFT。AFT 污染广泛，主要污染花生、玉米等粮油作物及其制品，具有肝毒性、肾毒性、致畸性、致癌性、神经毒性以及免疫毒性等[6]。黄曲霉毒素B1（Aflatoxin B1，AFB1）是AFT 中急性毒性最强的一种，被国际癌症研究机构（International Agency for Research on Cancer，IARC）归类为Ⅰ类致癌化合物，可在肝脏中蓄积，AFB1作用于肝细胞后会降低富组氨酸糖蛋白地表达和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性，这可能与AFB1诱导的肝细胞损伤和癌变的机制有关[7]。同时，肝脏中的细胞色素P450酶，会使AFB1羟基化产生黄曲霉毒素M1（Aflatoxin M1，AFM1），进而影响细胞中脯氨酸脱氢酶和凋亡蛋白地表达，导致细胞凋亡，最终造成组织损伤[8-9]。此外，AFB1可促进DNA 加合物形成，使DNA 片段化，导致DNA 损伤[10]。AFB1还可通过诱导ROS 的形成引起氧化应激，最终损伤细胞[11]。

1.2 玉米赤霉烯酮

ZEN 作为一种非甾体雌激素类真菌毒素[12]，分布广泛，主要污染玉米、大麦、小麦和高粱等谷物及其副产品，具有细胞毒性、血液毒性、免疫毒性和遗传毒性等多种毒性效应[13]，最突出的是其雌激素样作用，可引发较强的生殖毒性。ZEN 通过上调WNT1和β-catenin 表达，激活Wnt/β-catenin 信号通路促进猪子宫内膜上皮细胞的增殖和发育，使子宫异常增殖造成子宫肥大[14]。ZEN 还能通过抑制小鼠睾丸间质细胞核心生物钟基因（Bmal1、DBP、PER2 和Nr1d1）以及类固醇生成基因（STAR、Hsd3b2 和Cyp11a1）的转录，干扰小鼠睾丸间质细胞内源性生物钟，影响生殖系统，导致雄性小鼠的生殖功能障碍[15]。此外，ZEN 还可通过降低谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽还原酶的活性，诱导细胞内ROS 和丙二醛的产生，造成线粒体损伤，引发细胞凋亡[16]。

1.3 呕吐毒素

DON 常存在于小麦、玉米等各种粮谷类产品中，对农业、畜牧业造成严重的损失[13]。DON 会对人和动物产生明显的毒性效应，急性毒性症状常表现为腹泻、呕吐、白细胞增多、内脏出血、甚至死亡；慢性毒性表现为免疫毒性、遗传毒性和生殖毒性等[17]。在体外研究中发现，DON 通过促进ROS 积聚、激活NF-κB 通路能对猪小肠上皮细胞（IPEC-J2）产生直接的毒性作用[18]。DON 还可上调猪小肠上皮细胞（IPEC-1）中TNFR1、RIP3、DRP1 和HMGB1 基因表达激活坏死下垂信号通路，引起细胞损伤和死亡[19]。动物实验表明，DON 能穿过血脑屏障，使大脑不同区域的荷尔蒙水平变化，损伤脑组织，影响动物行为[20]。

1.4 赭曲霉毒素A

OTA 也是一类引起世界广泛关注的霉菌毒素[21]，污染植物性食品和肉、蛋等动物性制品，对人体和动物产生肾毒性等多种毒性效应，可导致脏器和胚胎的损伤，破坏神经和免疫系统，甚至致畸和致癌等[13]。其毒性机制主要有引起机体氧化应激、破坏钙稳态、抑制蛋白质合成、损伤DNA 分子等。Lee 等[22]研究发现OTA 能激活Nrf2 信号通路产生氧化应激，诱导肾脏细胞凋亡。OTA 还可以通过干扰mTORC1，使肾小管上皮细胞发生自噬，引起肾毒性[23]。当OTA作用于肺上皮细胞时产生DNA 加合物，诱导癌变[24]。有关OTA 生殖毒性方面也有较多研究，其能影响猪卵母细胞的转录和翻译，造成生殖毒性；通过AMPK和PTEN 信号通路影响小鼠精子的活力[25]。

1.5 伏马菌素B1

FB1具有高毒、高稳定性等特征，容易污染食物链各个阶段，主要污染玉米及其制品[26]，其污染率逐年升高，可损害机体的消化系统、免疫系统、生殖系统、神经内分泌系统，且与人类食管癌关系密切，受到消费者和科研人员的广泛关注[13]。最新研究发现FB1在肝细胞中会影响参与RNA N6-腺苷酸甲基化的相关酶（去甲基化酶、甲基化酶等）活性，干扰Keap1-Nrf2 信号通路，产生毒性效应[27]。同时，在肝脏组织中FB1可降低HepG2 细胞中DNA 甲基转移酶的活性并上调甲基化CpG 结合域蛋白2（Mbd2）的表达，促进DNA 甲基化，导致染色质不稳定，甚至引发肿瘤[28]。

2 姜黄素对霉菌毒素毒性的影响及作用机理

姜黄素等许多生物活性物质被报道能有效干预霉菌毒素毒性[29-31]。其中，姜黄素是从姜科植物姜黄根茎中提取的一种来源丰富的天然多酚类化合物，是联合国粮农组织食品法典委员会批准的食品添加剂（FAO/WHO-1995），也是我国最早允许用于食品工业中的9 种天然色素之一，根据GB 2760-2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》姜黄素在食品中的最大允许使用量为0.7 g·kg-1，具有较高食用安全性[32]，同时还有改善风味、色泽等多种作用[33]。

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姜黄素主链为不饱和脂肪族和芳香族基团，含有两个酚羟基、两个甲氧基和三个共轭双键（图1）[4]。姜黄素结构中的酚羟基和甲氧基是其具有抗炎、抗氧化、抗癌等多种生物活性的主要功能基团[34]。姜黄素可作为体内氧自由基清除剂，减少ROS 含量、抑制脂质过氧化，帮助缓解部分慢性疾病并且具有潜在的抗癌作用[35-36]。大量研究发现姜黄素对霉菌毒素毒性具有不同的干预作用（表1），主要通过降低ROS 水平、调控CYP2A6 等蛋白表达和Nrf2/HO-1、PI3KAKT 等信号通路对生物体进行调节。

图1 姜黄素的化学结构式Fig.1 Chemical structure formula of curcumin

表1 姜黄素对霉菌毒素毒性的干预机理Table 1 Intervention mechanism of curcumin on mycotoxin toxicity

2.1 减少ROS 生成，降低脂质过氧化

目前姜黄素对霉菌毒素毒性影响机理中报道最多的是在动物体内或细胞中减少ROS 生成和降低脂质过氧化作用。主要集中在AFB1、FB1、OTA、ZEN、DON 的相关研究上。

细胞实验表明，AFB1、FB1、DON、ZEN 会引起细胞氧化应激反应，产生过量ROS。研究发现姜黄素能在一定程度上减弱AFB1诱导的氧化应激，清除ROS，减少DNA 损伤[38]。Ledur 等[29]发现，对于PK-15 细胞，姜黄素（1 μmol·L-1）的预处理可以有效干预FB1（50 μmol·L-1）及DON（0.25 μmol·L-1）的毒性，有效抑制ROS 产生的同时提高细胞存活率。对于ZEN 来说，在ZEN（30 μmol·L-1或60 μmol·L-1）处理猪卵巢颗粒细胞前用姜黄素（20 μmol·L-1）预处理可明显减弱ZEN 对SOD1 和CAT 信号通路的抑制，维持相关氧化还原通路平衡（超氧阴离子（O2-）在SOD1 作用下分解为过氧化氢（H2O2）和O2；H2O2在GPX1、CAT 作用下转化为水，减少自由基积累减轻氧化应激[4]。

体内研究表明，霉菌毒素摄入会导致动物肝脏、肾脏等器官充血、变色、增大、坏死，引发急性或慢性炎症，损伤器官[36]。Li 等[37]的研究表明，肉鸡每天进食姜黄素（300 mg·kg-1）能有效减轻饲料中AFB1（5 mg·kg-1）诱导的毒性效应，姜黄素通过抑制肉鸡体内ROS、AFB1-DNA 加合物和血清中AFB1-赖氨酸加合物的产生，减轻肉鸡体内的氧化应激及肝损伤。禽类摄入一定量FB1后也会产生大量的ROS，扰乱氧化还原平衡，损害DNA、蛋白质、脂质，从而影响细胞增殖，造成肝脏损伤[5]。而摄入姜黄素纳米胶囊（10 mg·kg-1）可以减轻饲料中FB1（600 mg·kg-1）对肉鸡神经酰胺合成酶活性的抑制，稳定鞘氨醇和二氢鞘氨醇水平，减弱过量鞘脂碱基对呼吸链复合体I 生成的抑制以及ROS 水平升高和脂质过氧化，一定程度上保护了肝脏[52]。Verma 等[41]发现姜黄素（10 mg·mL-1）还可以改善小鼠肝、肾脏中AFB1（25～50 μg·0.2 mL-1）对琥珀酸脱氢酶（SDH）和三磷酸腺苷酶（ATPase）活性的影响，提高有氧代谢程度，维持内环境稳定，且对高剂量毒素污染组小鼠酶活的改善影响尤其突出。同样，姜黄素（100 mg·kg-1）能显著提高机体内抗氧化酶活性，减少OTA（0.5 mg·kg-1）对大鼠肾脏中主要抗氧化酶GPX 的抑制[45]，降低大鼠体内的脂质过氧化值，减弱OTA 诱导的慢性应激引起的肾损伤[44]。

不论是在细胞层面还是在体内实验中，姜黄素对于AFB1以及FB1毒性的干预都是十分有效的，但目前还缺乏流行病学数据的支撑，这类研究表明姜黄素添加至动物饲料中减少动物遭受霉菌毒素毒害，增强其抗病能力是较为可行的新型饲料开发方向，其通过减少霉菌毒素引起的氧化应激，维持氧化还原平衡的研究大多停留在表象，未涉及相关机制，还可以进一步深入研究。

2.2 调控相关通路，减少细胞损伤

姜黄素可调控相关通路，改变基因或蛋白的表达，起到保护细胞的作用。目前的报道主要集中在AFB1、ZEN、FB1的相关研究上。许多研究表明PTEN/PI3K/AKT 信号通路在细胞凋亡的调控中起关键作用，PTEN 基因与肿瘤发生有密切关系。ZEN 能通过PI3K-AKT 信号通路诱导小鼠睾丸间质细胞（TM3 细胞）凋亡，在此过程中PTEN 基因显著表达[50-51]。Chen 等[50]发现在TM3 细胞中姜黄素（20 μmol·L-1）能显著降低ZEN（50 μmol·L-1）引起的PTEN 基因表达，通过PI3K-AKT、Nrf2 和内质网应激信号通路减轻细胞凋亡，同时该研究也表明PTEN 蛋白可能是TM3 细胞中姜黄素的靶点。在该研究中还发现，姜黄素与ZEN 同时存在时可减少ZEN 诱导的Caspase-9 及下游效应因子Caspase-3蛋白的过度表达，减少细胞内环境紊乱，抑制细胞凋亡，但该机理还需在体内实验中进一步验证。Yin等[53]研究发现，使用FB1（20 μmol·L-1）处理MARC-145 非洲绿猴肾细胞，会使细胞内游离鞘氨醇碱基积累而破坏鞘脂代谢，引起内质网应激，激活ERN1-MAPK8/9/10 信号通路，进而引发自噬。加入姜黄素（25 μmol·L-1）则可抑制MAPK8/9/10 信号通路的激活，避免FB1诱导的细胞自噬的发生，保护肾细胞。

在体内实验中，CYP2A6 酶参与肉鸡体内AFB1的生物激活反应，其可能是肉鸡体内AFB1的主要生物转化酶之一，在被AFB1（5 mg·kg-1）污染的肉鸡饲料中添加姜黄素（450 mg·kg-1）能有效减少AFB1诱导的CYP2A6 相关蛋白表达，抑制CYP2A6 酶活性，减少AFB1对肝细胞及动物肝脏的损伤[39]。Li 等研究[37]发现，若肉鸡每日进食受AFB1（5 mg·kg-1）污染的饲料，氧化应激通路Nrf2/HO-1 会受到影响，相关基因及其蛋白表达水平显著降低，同时会引起DNA损伤标志物8-OHdG 增加。姜黄素（300 mg·kg-1）能在一定程度上维持Nrf2/HO-1 信号通路稳定，保持氧化还原平衡；减少AFB1-DNA 和AFB1-赖氨酸加合物的产生，从而有效减轻AFB1诱导的毒性效应。最新研究发现姜黄素减轻AFB1诱导的肉鸡肝脏损伤机制可能与lncRNA 的表达有关，虽然lncRNAmRNA 之间的关系在体外还需要进一步研究，但初步确定lncRNA 是通过调节其靶基因mRNA 的表达来减少AFB1带来的损伤[40]。

根据目前的研究，姜黄素对霉菌毒素进行干预时所调控的信号通路大多与氧化还原有关，在对霉菌毒素毒性进行干预时，哪些通路是其发挥作用的主要路径，不同生物体间是否有规律可循，对不同毒素毒性进行影响时是否作用于同一通路，究其机制后，作用于同一通路的其他类似多酚物质是否有与姜黄素协同作用的可能，将其共同添加至人类食品以及动物饲料中能否增强其对霉菌毒素毒性的干预作用，增强机体的抗氧化能力等问题还有较大的研究空间。

2.3 调节免疫系统，维持肠道内环境稳定

研究发现，姜黄素可以通过调控肠道中上皮淋巴细胞和T 细胞功能以改善动物肠道菌群的失调现象，在机体免疫中发挥重要作用，减轻霉菌毒素对肠道的损害。目前报道主要集中在OTA 相关研究上，用OTA 污染的饲料（2 mg·kg-1）饲喂白京鸭会增加其肠上皮内淋巴细胞数量，改变肠道绒毛结构，诱导T 细胞分泌TNF-α，增加肠道通透性，并可能直接或间接地抑制紧密连接蛋白的表达，损害肠道屏障[42]。在饲料中添加姜黄素（400 mg·kg-1）可有效控制上皮内淋巴细胞数量，抑制炎症细胞因子分泌，减少TNF-α数量，通过发挥其抗氧化和抗炎特性在一定程度上保护T 细胞免受OTA 的损伤，从而减少肠道结构损坏。姜黄素能在动物体内调节免疫细胞以维护肠屏障完整，达到干预OTA 毒性的作用[42-43]。

此外，OTA 会影响生物体盲肠内微生物丰度和多样性，使盲肠内类杆菌数量上升，类杆菌数量过多或释放的脂多糖浓度高于正常浓度，会产生毒性损害肠道。Zhai 等[46]研究发现表明，北京鸭食用OTA（2 mg·kg-1）污染的饲料和姜黄素（400 mg·kg-1）后，姜黄素在肠道中保留的浓度较高，可与肠道微生物相互作用，增加肠道微生物多样性，与文献报道中姜黄素系统生物利用度较低相符；同时微生物产生的丁酸能调节肠道粘膜的酸碱度，为肠道有益微生物的生长创造酸性环境，减轻OTA 导致的肠道菌群紊乱。此外，肠道中微生物多样性与机体免疫功能密切相关[47]，微生物群能促进体液免疫（B 细胞发育和T 细胞反应），丁酸能在肠道中形成丁酸盐，有效抑制促炎细胞因子（IL-6、IL-12）产生，一些丁酸盐还可增强肉鸡肝脏的抗氧化能力，减轻肝脏氧化应激带来的损伤[48-49]。

姜黄素等多酚类物质对肠道群菌的影响是近几年的研究热点[54-55]，且最新的研究表明肠道菌群及其代谢产物能够有效减弱霉菌毒素带来的机体损伤，但目前被研究的霉菌毒素种类还较为单一，因多种霉菌毒素都会对肠道产生不良影响，引发菌群失调，推测该防御机制对多种霉菌毒素都有一定的效果，可进一步研究。此外，近年来，有较多学者将姜黄素进行改性和包埋，以提高其水溶性、稳定性和生物利用率等，可结合该类研究对姜黄素在肠道内的作用机制进行探究，优化其对霉菌毒素毒性干预的功能特性。

3 结论与展望

近些年，姜黄素的抗氧化、抗炎、抗癌等生物活性、保健功能和药理作用受到热切关注。在霉菌毒素诱导毒性的干预方面，姜黄素通过发挥抗氧化作用来降低体内霉菌毒素诱导的ROS 水平、调控信号通路等来维持机体氧化还原稳态，减少霉菌毒素引起的细胞损伤。此外，姜黄素还能通过调节肠道菌群丰度及多样性，维持肠道完整，缓解霉菌毒素对机体的损害。通过综述近些年姜黄素在霉菌毒素诱导毒性干预方面的研究，发现未来仍有一些方向具有较大的研究潜力。

第一，姜黄素对霉菌毒素毒性干预的机理研究仍较为缺乏，还需进一步丰富相关毒理学资料。其中，姜黄素对于AFB1和OTA 毒性干预的动物实验研究相对比较完整，但总体上缺乏人类流行病学数据和体液样本分析的支撑；姜黄素对于ZEN 和FB1的相关研究集中在体外实验中，缺少动物实验的验证。此外，姜黄素对毒素毒性干预机理研究中所针对的霉菌毒素种类较少，如AFM1、OTB、T-2 毒素等可进一步研究。

第二，目前对化学危害物毒性干预作用的研究多为单一成分（如槲皮素、芹菜素、绿原酸、橙皮苷、阿魏酸和迷迭香酸等），且很多成分对有害物质毒性干预机制与姜黄素相似，多为降低ROS 和脂质氧化产物的水平、调控CYP1A1、GPX 等相关酶水平以及炎症基因NF-κB 等[30-31,56-57]。这些组分与姜黄素之间是否具有协同作用？这些组分是否可以进行联合干预？多组分互作对霉菌毒素毒性具有什么样的影响？诸如此类研究均较为缺乏，未来还有较大研究的空间。

第三，姜黄素作为安全性较高的食用色素，在改性、包埋、递送等领域也常有研究，姜黄素对霉菌毒素的干预作用是否可以结合这些应用方式对霉菌毒素毒性进行控制，提高农产品、饲料等的消费安全是未来可以深入考虑和研究的一个方向。此外，以谷物为主食的人群存在较高的霉菌毒素暴露风险，基于姜黄素等植物源性天然产物开发具有针对性的健康膳食食谱、绿色食疗产品、功能型食品以及膳食补充剂等也具有较大的市场潜力。