槲皮素及其衍生物对心肌缺血再灌注损伤的作用机制研究进展*

王鹏宇,张 硕,马官迪,蓝 青,张又枝**

(1.湖北科技学院医学部药学院,湖北 咸宁 437100;2.湖北科技学院药学院鄂南特色中药湖北省工程研究中心)

2021年《中国心血管健康与疾病报告》中指出,我国约有3.3亿心血管疾病患者,且急性心肌梗死死亡率呈快速上升趋势,严重危害居民健康[1]。目前,通过溶栓或机械再通等再灌注策略是急性心肌梗死的首选治疗策略,这些方法可以迅速恢复心脏缺血区域的血液循环,挽救缺血损伤的细胞,然而,这将会造成心肌细胞的进一步损伤,即心肌缺血再灌注损伤(MIRI)[2]。心肌缺血再灌注损伤的病理过程十分复杂,主要涉及氧化应激、炎症反应、细胞凋亡,细胞自噬和钙离子过载等多种机制,在临床上尚未发现较好的治疗手段,因此,心肌缺血再灌注损伤的治疗方案需进一步研究。

近几年,祖国医药事业发展迅猛,国内学者对植物药物进行了深入的发掘,发现一些中药的有效成分对MIRI治疗效果明显,有较好的临床应用价值[3]。槲皮素(quercetin)是一种常见的黄酮类多酚,它具有抗氧化[4]、抗炎[5]、抑制细胞凋亡[6]等药理活性,经体外实验和网络药理学研究也证实了槲皮素的有效性。目前,常见的槲皮素类衍生物有异槲皮素(isoquercetin,ISO)和二氢槲皮素(dihydroquercetin,DHQ)。异槲皮素,化学名是槲皮素-3-O-β-D-吡喃葡萄糖苷,是槲皮素的主要糖甙形式,其不仅生物学活性相当广泛,而且在稳定性、生物利用率以及某些活性上也比槲皮素具有一定的优势[7]。异槲皮素在降低高血压、减轻外周血管脆性、提高外周血管抗性、扩张冠状动脉、增加冠状动脉血流量、降低高血脂等方面具有较好的应用前景[8];二氢槲皮素(dihydroquercetin),化学名是5,7,3',4'-四羟基二氢黄酮,是槲皮素一个最常见的衍生物,具有显著的抗氧化特点[9],通常被用于预防和治疗心血管疾病。这两种化合物在医药领域得到了广泛的应用。但是,有关槲皮素及其衍生物防治MIRI的作用机制和小分子靶点尚不清楚,因此,本文就近10年槲皮素及其衍生物在MIRI中的国内外研究进行了综述,旨在为MIRI的防治提供一定的理论依据。

1 槲皮素及其衍生物在防治MIRI中的作用机制

1.1 抑制氧化应激

氧化应激是指机体内氧化过程和细胞抗氧化功能失调的一种病理现象,偏向于细胞抗氧化,引起中性粒细胞炎性浸润,蛋白酶产生增多,形成了大量的氧化中间物,被认为是导致衰老和疾病的主要原因。研究已经证实[10],氧化应激也是引起大鼠急性缺氧与再灌注破坏的主要因素之一。心肌坏死是由最初的缺血性损伤引起的,再灌注引起的进一步损伤是由于缺血性线粒体对氧恢复的代谢变化,再灌注的进展可导致活性氧(ROS)过度积累,ROS随后充当炎症信号介质并引发炎症反应。炎症反应和氧化应激相互加强,最终导致心肌程序性细胞死亡[11]。

房仙颖等[12]最早提出了ISO的心脏防护作用,其作用机理为异槲皮素对H2O2所引起的H9C2心肌损害大鼠的细胞的氧化破坏有抑制作用。Wang等[13]指出,ISO通过抑制TLR4-NF-κB通路,从而保护氧-葡萄糖剥夺-再灌注中皮质神经元的诱导损伤,使心肌细胞避免再次受损。宣学习等[14]认为槲皮素具有清除自由基、降低过氧化作用,通过抑制AMPK/TSC2/mTOR信号通路,从而降低氧化应激对MIRI心肌的损害。

1.2 抑制炎性因子表达和改善心肌功能

炎症反应是心血管疾病和心肌功能障碍的关键因素,它在心血管疾病的发展中处于至关重要的地位。白细胞介素6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)是心肌缺血再灌注期间由中性粒细胞分泌的细胞因子,可在心肌细胞中成为主要炎性细胞因子从而引起炎症反应[15]。TNF-α还能促进心毛细血管内皮细胞的中性粒细胞表达,导致心脏毛细血管内栓塞,从而增加心肌缺血再灌注损伤的严重程度。NF-κB是一种重要的转录因子,它可以参与由再灌注损伤引起的炎症和坏死反应。研究发现降低H9C2细胞缺氧/复氧的JNK/NF-κB信号转导,可以有效控制促炎细胞因子TNF-α和IL-6中的mRNA和蛋白质水平[16]。

研究表明[17],槲皮素通过激活mitoKATP通路改善线粒体功能障碍和细胞死亡,并显著降低IL6、IL1和TNF-α的表达,从而降低心肌细胞的炎症反应。Dai等[18]发现,ISO通过核因子E相关因子2(Nrf2)介导的NOX4/ROS/NF-κB通路,减少了缺血后再灌注组织的氧化应激和心肌细胞坏死。同时,有学者也证实了异槲皮素显著抑制心肌缺血大鼠TLR4和NF-κB的基因表达,调节TLR4-NF-κB的通道,进而减少炎症反应,从而保护心肌细胞[19]。

1.3 抑制细胞凋亡

细胞凋亡,即细胞的程序性死亡。在特定的病理条件形成,并有特定的基因调节和各种酶的参与[20]。常见的有抗凋亡因子B淋巴细胞瘤-2基因(Bcl-2)、促凋亡因子Bcl-2相关X蛋白(Bax)和半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)等。心肌缺血-再灌注损伤的严重程度取决于细胞凋亡的数量,因此,在介入治疗过程中,通过调节凋亡基因,可以有效抑制细胞的凋亡,减少心肌的损伤。NAD依赖性蛋白脱乙酰酶Sirtuin-1(SIRT1)作为衰老引起的疾病的潜在治疗靶点被广泛关注[21]。体内研究结果证实[22],槲皮素通过作用于SIRT1/PGC-1α通路,抑制由心肌缺血/再灌注所引起的心肌细胞坏死,细胞凋亡也明显得到了控制(P<0.01)。

有科学研究发现[23],DHQ通过激活Nrf2/HO-1信号通路,降低了心脏损伤、氧化应激、炎症和细胞死亡的严重程度,从而改善心肌细胞的损伤。有学者通过western blot分析结果表明[24],DHQ抑制了细胞凋亡途径和促凋亡蛋白CHOP、Caspase-12和p-JNK的表达,具体的机理很可能是通过激活PI3K/Akt通道,来减缓由氧化反应和内质网应激所诱发的细胞凋亡,因此,对MIRI具有保护作用。同时,异槲皮素可通过改善心肌细胞内线粒体膜电位的途径,有效减少缺血/再灌注损伤诱导的细胞色素C释放,进而下调Caspase-9、Caspase-3等凋亡因子的表达,发挥抗凋亡作用[8]。

1.4 调控细胞自噬

细胞自噬指细胞中化学物质被溶酶体所分解的总称,是维持心脏正常结构和功能的关键[25]。在正常状况下,人类心肌细胞处于较低的自噬水平。在心肌缺血发展阶段,细胞自噬降解为心肌细胞供给重要营养的非功能性细胞质蛋白,进而阻止细胞凋亡和坏死,然而在再灌注阶段自噬对心脏产生负面影响。mTOR和Beclin1(BECN1)作为MIRI中2种主要的细胞自噬因子,在MIRI的不同阶段发挥着重要作用。在缺血阶段,mTOR通过AMPK/mTOR和PI3k/Akt/mTOR通路发挥作用[26],而Beclin1通过其在就灌注阶段发挥促进作用,这可能与Bcl2相关[27]。

有研究表明,NO可能会激活细胞中的自噬反应,并对心肌缺血再灌注具有保护功能[28]。Chang等[29]认为线粒体是ROS的重要原料,主要负责调节细胞凋亡和细胞自噬的活化过程,槲皮素通过调节SIRT1/TMBIM6通路,抑制TMBIM6的mRNA及蛋白的表达,从而抑制线粒体细胞自噬和内质网应激,进而提高了人类心肌细胞的耐受性。因此,槲皮素通过调节细胞自噬尤其是线粒体自噬对MIRI具有较大的影响,并进一步突出槲皮素调节线粒体和内质网的潜力。

究竟如何调控自噬对心肌缺血再灌注损伤进行改善,尚未得到定论。现阶段关于心肌细胞自噬,争论的焦点集中于再灌注阶段Bcl-2下调或Bnip3上调可以通过Beclin1激活和细胞死亡激活自噬。然而,Bnip3诱导的自噬激活是否有助于心肌细胞自噬死亡,或者这种自噬是否与细胞凋亡途径相冲突[30-31]。

1.5 抑制钙离子超载

1972年,Shen等[32]提出“钙超载”学说,该团队发现犬的心脏冠状动脉短暂闭塞后,再灌注可导致细胞内Ca2+快速聚集这一现象,使人们更加重视Ca2+对于心肌缺血再灌注损伤的意义。有研究显示[33],心肌细胞在缺氧状态下,细胞内的酸碱代谢发生异常,从而导致了体内Na+的增加;Na+在心肌细胞中的聚集,增加了Na+/Ca2+交换蛋白(NCX)的活性,这种作用能降低Na+在细胞中的积累,但也能将Ca2+转移到胞体中,导致Ca2+在胞浆中的含量增加,从而导致钙超载。钙超载引起MIRI可能与以下因素相关:①严重的钙超载会导致冠脉的结构与功能发生变化,改变血管的通透性,造成中性粒细胞的聚集和黏附,进而释放炎性因子,对心肌细胞造成损伤;②当大量的Ca2+在心肌中积累时,磷脂酶A2被活化并发生过氧化作用,从而使细胞膜磷脂降解,产生大量的氧自由基。游离的氧自由基会对细胞中各种物质进行氧化,导致细胞内外信号传递受到损害,从而导致心肌细胞的凋亡[34]。因此,减轻心肌细胞内的钙超载对防治MIRI有着深远的意义。

有学者研究发现[35],槲皮素可以抑制由A23187胞内钙离子载体引起的钙过载的细胞死亡。无独有偶,Guo等[36]也发现槲皮素作用于血管紧张素II-L 型钙通道(Ang II-LTCC)可缓解由钙超载引起的细胞损伤,并可减少Ca2+依赖性心肌细胞死亡。但ISO和DHQ对心肌细胞钙离子过载的影响还缺少研究,这将为槲皮素衍生物治疗MIRI的深入研究提供思路。

1.6 基因组学与RNA测序在MIRI中的应用

随着高通量测序技术的出现,基因组学和RNA测序的研究进入了一个新阶段。最新研究表明[37],长链非编码RNA(lncRNA)在心血管疾病的发生和发展中具有重要作用,Gm18840(lncRNA)具有编码蛋白质的潜力,它与组蛋白H2B结合后参与MIRI细胞的转录调控,敲低其表达能够上调Junb和BCL3的表达,从而抑制MIRI中HL-1细胞的凋亡。Ge等[38]发现circRNA主要参与心肌损伤后的炎症调节,主要涉及的通路有Eph/Ephrin信号通路,TGF-β受体复合物和内源性胆固醇信号通路。该团队认为一个circRNA可以作用于许多miRNA,且一个miRNA可以作用于多个circRNA,这将为circRNA-miRNA网络在MIRI治疗机制的进一步研究提供了基础。

最新的研究显示[39],槲皮素通过促进miR-135b的表达,抑制TGF-β/Smads通路,从而抑制心肌的纤维化,改善心肌缺血损伤,进而缓解房颤。He等[40]通过RNA测序得出,槲皮素可以抑制FOS的表达,从而改善心肌缺血再灌注损伤。目前,尚未有研究通过基因组学探讨槲皮素及其衍生物对MIRI的作用机制。

2 总结与展望

近年来,随着生活水平的不断提高,MIRI在心血管疾病中的地位日益凸显。生物信息学的发展日益完善,通过计算机模拟技术、基因组学和RNA测序预测药物作用于MIRI的靶点成为不可或缺的一部分,整合体内或体外实验的验证结果,使得MIRI的机制探究体系得到进一步完善。

槲皮素及其衍生物等化学成分的药理作用在不断挖掘,且ISO和DHQ在治疗心肌缺血再灌注损伤明显优于槲皮素。从本文总结来看槲皮素及其衍生物治疗MIRI机制广泛,包括抑制氧化应激、抑制心肌细胞凋亡、抑制炎性因子表达、调控细胞自噬和抑制钙离子超载等。因此,槲皮素及其衍生物对于治疗MIRI具有良好的发展空间。

但是,对于抑制钙离子超载机制,国内外研究多集中于槲皮素,在其衍生物方面研究较少。另外,关于MIRI细胞的自噬机制,尚未有定论。总之,本文对槲皮素及其衍生物治疗MIRI的药理作用机制进行综述,旨在为进一步深入研究提供一定的理论基础。