大黄素在治疗消化系统疾病中的研究进展

张 迪 朱恕强 程 开

(佳木斯大学附属第一医院,黑龙江 佳木斯 154000)

大黄素是从多种药用植物的根和树皮中提取的一种蒽醌类衍生物[1],化学名称为 1,3,8-三羟基-6-甲基蒽醌,分子式为C15H10O5,是大黄、芦荟、虎杖、何首乌和虎杖中的主要药效成分,具有显著的药理作用和有效的临床疗效。许多研究表明大黄素具有抗炎、抗病毒、抗菌、免疫调节、降脂、抗纤维化、抗肿瘤、抗糖尿病和保护胃肠道黏膜屏障等作用,对多种疾病的治疗有疗效。作者综述了近年来大黄素在治疗消化系统疾病中潜在的分子机制,对于了解大黄素对消化系统疾病的治疗作用有一定的意义。

1 大黄素与胰腺炎

急性胰腺炎(AP)是临床上常见的炎症性疾病,能进展为急性重症胰腺炎(SAP),SAP病情较严重,可伴随发生全身炎症反应综合征(SIRS),甚至还会发展成为多器官功能障碍综合征(MODS)。研究表明,大黄素是治疗临床和实验性AP及SAP的潜在候选药物,其能够抑制胰酶分泌、抑制多种炎症因子,有效减轻胰腺炎症及水肿。随着研究的深入,我们发现了其更多潜在的作用机制。

Xia等[2]发现AP大鼠胰腺肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-6水平升高与细胞旁通透性增加及claudin-5、occludin表达降低有关。大黄素可降低AP大鼠胰腺TNF-α和IL-6水平,降低细胞旁通透性,促进claudin-5和occludin表达,在胰腺保护中发挥重要作用。Ni等[3]的一项体外细胞实验表明,大黄素显著增加SAP/SIRS大鼠巨噬细胞细胞间黏附分子3(ICAM-3)蛋白表达,从而促进ICAM-3与CD14的相互作用,增强腹腔巨噬细胞的识别和吞噬能力,缓解炎症反应。该研究还发现与地塞米松相比,大黄素可增强腹腔巨噬细胞的识别和吞噬能力。Yu等[4]观察到AP大鼠的胰腺腺泡细胞中存在自噬小体,将大黄素以40 mg·kg-1的剂量对AP大鼠进行灌胃后,发现可调节自噬相关蛋白LC3(B/A)和p62的表达,减轻胰腺的病理损伤。还有证据表明,含有大黄素和其他活性物质(如黄芩素、肾素或白杨素)的草药汤剂对抑制与促炎信号通路相关的mRNA和Toll样受体4(TLR4)/NLRP3蛋白的表达有作用,可改善AP[5]。一项临床研究对114例AP患者采用大黄素联合奥曲肽治疗,结果显示大黄素联合奥曲肽治疗较单用奥曲肽能达到更好的治疗效果,能够改善临床症状并减轻病情,可能是通过下调患者血清IL-6和TNF-α水平减弱机体过度的炎症反应[6]。用大黄素处理雨蛙素建立的AR42J胰腺腺泡细胞损伤模型发现,大黄素可通过使超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)活性上调及MDA活性下调减弱急性胰腺炎胰腺腺泡细胞的氧化应激反应,并且研究中还发现大黄素可能是通过减少AP胰腺腺泡细胞中外泌体而发挥治疗作用[7]。同时一项体外实验研究证明大黄素可能通过调控JAK2/STAT3信号通路减轻雨蛙素诱导的胰腺腺泡细胞损伤[8]。

Zhang等[9]研究发现,大黄素以剂量依赖性方式降低SAP大鼠血清淀粉酶和脂肪酶水平,抑制P2X7/NLRP3信号通路并降低血浆中促炎因子IL-1β和IL-18的浓度。在SAP大鼠模型中研究大黄素对SAP的影响,研究结果表明大黄素可显著抑制核因子NF-κ活性和TNFα、白细胞介素IL-6和IL-1β的血清表达水平,大黄素还降低丙二醛浓度和增加超氧化物歧化酶水平,从而调节氧化应激反应,显著缓解SAP[10]。有研究发现SAP患者存在Treg/Th17免疫失衡和细胞因子异常分泌的情况[11]。伍洋等[12]通过对雨蛙素联合脂多糖法制备SAP小鼠模型腹腔注射2.5 mg·kg-1·d-1大黄素,实验结果表明大黄素可通过调节Treg/Th17平衡及相关炎症因子分泌治疗SAP。杨宝晶[13]也认为大黄素可改善 Treg/Th17免疫失衡,降低疾病的严重程度。有研究通过大黄素干预牛黄胆酸钠建立SAP大鼠模型的实验,得出结论:大黄素可能是通过提高CD4+T细胞含量及CD4+/CD8+值使机体免疫功能增强,或者通过降低Treg比例减轻机体免疫抑制状态,增加Bregs比例促进IL-10和TGF-β1的分泌和释放,进而抑制炎性反应[14]。

有研究表明大黄素可能主要通过上调HIF-1α蛋白的表达,提高肾脏细胞耐缺氧的能力来发挥对SAP相关性肾损伤的保护作用[15]。Gao等[16]也同样为大黄素在AP相关并发症中的保护作用提供了证据,即大黄素通过激活Nrf2/HO-1信号通路抑制NLRP3炎性体激活来保护大鼠免受AP相关的肺损伤[16]。大黄素还可作用于肠道起到治疗作用。有研究表明大黄素通过抑制肠黏膜细胞caspase-1的蛋白表达及其通路下游IL-1β和IL-18等大量炎症因子和炎症介质的激活和释放,保护肠道黏膜屏障,减轻肠内细菌和内毒素易位入血对AP大鼠引起的炎症风暴[17]。AP患者由于大量炎症介质的释放加之血容量不足,可影响肠道黏膜屏障通透性及其水代谢,导致AQPs表达异常,其中AQP3表达异常会导致肠黏膜屏障受损,通透性增加。陈锋等[18]通过对SAP大鼠采用大黄素灌胃治疗,证实大黄素能够下调AQP3表达水平,降低肠黏膜的通透性,从而保护SAP的器官功能,降低炎症因子释放。还有研究表明大黄素联合奥曲肽可上调血清AQP-5和AQP-6水平,从而调节肠道血管透通性及水代谢等,促进胃肠功能的恢复[6]。大黄素可以干预多种机制以治疗AP及SAP,并防治相关并发症,具有很高的研究价值。

2 大黄素与溃疡性结肠炎

溃疡性结肠炎(UC)是一种慢性非特异性肠道疾病。该病病程长,易反复发作,严重影响患者身心健康及生活品质。UC具体病因不明,与机体遗传、免疫反应、肠道菌群、环境、精神心理状态等多种因素有关。既往报道大黄素有保护肠黏膜的作用,最近的研究首次发现大黄素通过抑制鞭毛蛋白-TLR5-NF-κB信号通路,降低TLR5和MyD88的表达,上调IκB水平,抑制NF-κB p65的核转位,减少IL-8的释放,从而改善DSS诱导的小鼠UC症状[19]。后续研究发现大黄素治疗UC的机制依赖于其对PPARγ信号通路的调节,从而调节包括氧化磷酸化和瓜氨酸代谢在内的结肠代谢,并影响氧和硝酸盐的腔内利用率,促进结肠上皮细胞缺氧环境的恢复,从而抑制肠杆菌科的生长和扩张,恢复肠道稳态[20]。因此大黄素在减轻UC方面有益,其潜在机制还有待继续深入研究。

3 大黄素与非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪肝(NAFLD)是一种代谢综合征,患病率在全球范围内持续上升。NAFLD的阶段范围从单纯性脂肪变性(NAFL)到非酒精性脂肪性肝炎(NASH),后者可发展为肝硬化和肝细胞癌[21]。目前尚无批准用于治疗该病的药物。改善生活方式和加强锻炼可以缓解症状,但患者依从性较差[22]。越来越多的研究表明:大黄素具有治疗NAFLD和代谢综合征方面的潜力。过去的研究表明大黄素能够调节肝脏脂质合成基因和上调脂肪酸氧化基因的表达;降低血清瘦素水平,提高胰岛素敏感性,改善胰岛素抵抗;增加肝内脂联素受体R2表达,这些都是改善NAFLD脂质沉积可能的潜在机制。有报道称大黄素可能通过调节NF-κB的激活,下调肝脏 IL-1,TNF-α的表达,从而改善NASH的炎症病变程度[23]。大黄素通过抑制全身炎症和巨噬细胞炎症,抑制受到LPS攻击的高脂血症小鼠从NAFL向NASH的转变[24]。刘涛等[25]研究结果显示,大黄素可能通过抑制TLR4-MyD88-TRAF6信号通路的表达及TNF-α、IL-1等炎性因子的分泌,改善NAFLD大鼠肝脏脂质沉积。大黄素能够通过ERS-SREBP1c途径改善果糖诱导的NAFLD中的脂质积累[26]。Li等[27]证明大黄素通过降低高脂饮食(HFD)小鼠肝脏和脂肪组织中SREBP1和SREBP2的表达改善HFD引起的肥胖和代谢紊乱,从而进一步抑制脂质生物合成和摄取。大黄素通过激活CaMKK-AMPK-mTOR-p70S6K-SREBP1 信号通路有效改善肝脂肪变性[28]。有研究表明大黄素可上调AMPK抑制SREBP-1c及其下游脂肪酸合成相关蛋白的表达,减少肝脏脂质沉积对NAFLD 早期病变的作用[29]。还有研究发现大黄素可通过激活AMPK/m TOR信号通路抑制IL-17/IL-23调控轴介导的炎症反应,防止NAFLD往NASH方向发展[30]。这些研究表明大黄素可作为一种新型的AMPK激动剂,在NAFLD的治疗中有着重大意义和研究价值。最新文献表明大黄素还可通过激活FXR信号来缓解HFD诱导的NAFLD,从而改善脂质积累、胰岛素抵抗、炎症和氧化应激[31]。

4 大黄素与消化系统肿瘤

癌症是21世纪威胁人类健康的主要疾病,据全球癌症统计报告显示,亚洲是癌症的多发地区,其中消化系统肿瘤的发病率、死亡率位居前列[32]。癌症的常规治疗包括化学疗法和放射疗法,这些治疗通常费用昂贵且有很多副作用。研发安全有效的抗肿瘤药物刻不容缓。越来越多的研究表明,大黄素具有通过复杂的机制发挥抗多种人类恶性肿瘤的抗癌潜力,临床已显示出作为治疗癌症的天然抗癌剂的前景。近年来大量研究表明大黄素在消化系统肿瘤治疗上发挥出很大作用。

4.1 大黄素与胃癌

早期很多体外实验表明大黄素能够抑制各种胃癌细胞的生长。大黄素可显著抑制人胃腺癌细胞SGC-7901的生长,诱导凋亡,影响细胞周期[33],亦可使人胃癌BGC-823细胞的增殖周期停滞于G0/G1期并明显抑制其迁移[34]。Chihara等[35]检测了0.05 mmol·L-1芦荟大黄素和0.05 mmol·L-1大黄素对人胃癌细胞系MKN45增殖的抑制作用,结果表明,芦荟大黄素和大黄素均能显著抑制MKN45细胞的增殖。虽然芦荟大黄素和大黄素具有非常相似的结构,但大黄素的抑制作用强于芦荟大黄素。随着研究的深入,发现了大黄素的潜在抑癌机制,其可能通过调控癌基因PRL-3mRNA及蛋白表达抑制人胃腺癌细胞SGC-7901的增殖、促进其凋亡,同时也表明大黄素通过调控PI3K/AKT信号通路中相关信号分子蛋白的表达,促进胃癌细胞凋亡的机制[36]。大黄素促进人胃癌细胞MKN45发生凋亡的机制是p53依赖性的,并且p53、p21/WAF1蛋白水平随着药物浓度的不断增加而表现出明显的逐渐增强趋势[37]。据报道,Prx V的过表达通过增加细胞增殖和侵袭性以及减少细胞凋亡来增强胃癌的致癌性[38]。研究表明,大黄素能浓度依赖性地抑制BGC-823细胞增殖、葡萄糖消耗、降低乳酸水平,并降低己糖激酶Ⅱ的表达,促进凋亡蛋白Bax表达。PI3K抑制剂可抑制胃癌细胞糖酵解水平。将大黄素与PI3K抑制剂联合使用后,与单一抑制剂对比,对细胞糖酵解抑制水平进一步加强;大黄素可下调PI3K下游蛋白及HIF-α的表达,对人胃癌BGC-823细胞的增殖有抑制作用。其作用机制与调节PI3K途径及HIF-α,并抑制己糖激酶Ⅱ表达降低胃癌细胞糖酵解水平相关[39]。张秋菊等[40]模拟了实体瘤的低氧微环境,采用不同浓度的大黄素干预胃癌SGC7901细胞,发现低氧环境下,大黄素可通过抑制缺氧诱导因子-1α的表达、增强其下游靶基因E-钙黏蛋白的表达,使胃癌SGC7901细胞增殖、迁移活性下降甚至死亡。Jin等[41]证实,大黄素能够显著抑制AGS人胃癌细胞存活率,并通过抑制AGS人胃癌细胞凋亡过程中过氧化物还原酶5Prx V蛋白水平,导致细胞内ROS水平升高,促进AGS人胃癌细胞凋亡。还有研究表明大黄素可能通过抑制ERK1/2-PKM2通路诱导P53高表达,从而抑制MGC803胃癌细胞的增殖及迁徙,促进其凋亡[42]。

4.2 大黄素与胰腺癌

以剂量和时间依赖性方式,大黄素在胰腺癌治疗中的作用已在不同细胞系上进行了研究,发现其有治疗效果。有研究表明,大黄素在体外和体内均对胰腺癌具有抗增殖和抗转移活性,这可能与下调NF-κB及其调节生存素survivin分子和MMP-9蛋白分子有关[43]。最近的研究进一步发现,大黄素在表观遗传调控中具有潜力。DNA甲基化在表观遗传上参与正常细胞中基因表达和染色质组织的过程,并已被证实在肿瘤发生中起重要作用。0～80 μmol·L-1的大黄素通过抑制甲基转移酶DNMT1、DNMT3a和DNMT3b的表达来抑制胰腺癌细胞PANC-1的生长,从而诱导肿瘤抑制基因的启动子去甲基化,包括P16、Ras关联域家族1亚型A(RASSF1A)和前脑啡肽原(ppENK)并增强它们的转录[44]。据报道,大黄素(20～80 mg·kg-1)通过增强MicroRNA-20b(miR-20b)表达和抑制血管生成相关的TGF-β/SMAD通路,在SW1990细胞原位移植小鼠胰腺癌模型中具有抗血管生成和抗上皮间质转化(EMT)能力[45]。HIF-1α在正常细胞中无法检测到,但癌细胞经常表达HIF-1α以支持其生长、血管生成和高糖酵解(也称为Warburg效应)。癌细胞中的Warburg效应会增加能量消耗,从而参与癌症诱导的代谢紊乱、癌症恶病质。有研究表明,大黄素和大黄酸可拟制胰腺癌细胞的生长和HIF-1α表达,并减轻携带癌细胞的无胸腺小鼠的癌症恶病质[46]。据报道miR-1271通过抑制肿瘤细胞中的EMT并诱导肿瘤细胞凋亡,具有广泛的肿瘤抑制作用。Li等[47]研究表明大黄素能够增加miR-1271的表达水平,显著抑制胰腺癌细胞SW1990的EMT和侵袭能力,此外通过体内实验验证了大黄素具有抑制胰腺癌肝转移的作用。

4.3 大黄素与肝细胞癌(HCC)

Yu等[48]在其研究中观察到大黄素诱导HepG2细胞凋亡,并导致G1期细胞显著积累,研究结果表明大黄素处理上调P53蛋白并通过引起ROS的产生来抑制NF-κB的表达,诱导细胞凋亡。有研究发现大黄素(20～200 μmol·L-1)通过抑制HepG2细胞中的PI3K/AKT和ERK信号通路抑制HIF-1生物合成、维持能量稳态并发挥抗癌作用[49]。还有研究证明大黄素(5～200 μM)通过激活p38MAPK信号和抑制ERK/MAPK、PI3K/AKT信号来抑制MMP-2和MMP-9的表达,从而抑制HCC的MHCC-97H细胞迁移和侵袭[50]。

此外,最近的生物信息学分析进一步确定了5个差异表达基因(DEG),包括溶血磷脂酸受体6(LPAR6)、补体C5(C5)、生长抑素受体5(SSTR5)、G蛋白偶联受体68(GPR68)和嘧啶能受体P2Y4(P2RY4)。大黄素呈剂量依赖性(25～100 μmol·L-1)并显著降低HepG2细胞中这些DEG的mRNA水平,表明这些推定的靶标可能参与HCC的大黄素治疗,而潜在的分子机制仍有待通过实验证据来验证[51]。大黄素通过同时抑制VEGFR2-AKT-ERK1/2信号通路和促进miR-34a水平来抑制HepG2细胞生长并抑制SMAD2/SMAD4表达[52]。

4.4 大黄素与结肠癌

在Wang等[53]最近的一项研究中,通过在HCT116和LOVO细胞中使用20和40 μmol·L-1剂量的大黄素,大黄素以剂量依赖和时间依赖的方式显著降低细胞变异性,抑制细胞增长,同时观察到自噬相关蛋白LC3-2积累增加以及p62和Beclin-1水平的变化,表明大黄素是通过ROS积累介导的自噬激活诱导人结肠癌细胞凋亡。有研究表明,在结肠癌的治疗中大黄素(10～80 μmol·L-1)增加促凋亡BCL-2家族蛋白Bax和Bak的表达以及降低线粒体膜电位呈时间和剂量依赖性[54]。同时也有人在结肠癌细胞和异种移植小鼠中也发现了类似的结果,大黄素(20～80 mg·kg-1)通过抑制HCT116细胞异种移植小鼠模型中VEGFR2、PI3K和p-AKT的表达来抑制结直肠癌的发展[55]。大黄素处理(体外5～20 μmol·L-1或体内40 mg·kg-1)通过抑制人结肠癌细胞系中的Wnt/β-catenin信号传导至下游靶标(如TCF4、Cyclin D1和C-MYC)来阻断EMT并抑制肿瘤生长[56]。

5 结语

综上所述,大黄素有很大潜力成为消化系统疾病的治疗选择。考虑到目前大黄素的药理学研究存在不足,进一步研究大黄素给药的药代动力学,针对不同疾病进行更准确的剂量设计,以及提高生物利用度的新型给药系统是当务之急。科学地解决这些问题将极大地促进大黄素在未来几年被广泛接受,不仅作为食品调味剂、膳食补充剂和工业原材料,而且作为一种治疗疾病的中药。