瞬时受体电位家族离子通道与四气五味(辛味)的关系研究

杨丽丽 宁艳梅 魏本君,3 海 洋,4 刘小瑞 任 珂 刘东玲

(1 甘肃中医药大学药学院,兰州,730000; 2 西北中藏药协同创新中心,兰州,730000; 3 甘肃中医药大学中医临床学院,兰州,730000; 4 甘肃中医药大学科研实验中心,兰州,730000)

中药药性理论是一种研究药物性质、功能特征及规律的理论,也是中医药理论的基本内容。中药药性主要是四气(四性)、五味、归经、升降浮沉、配伍、禁忌和毒性等。其中,四气是指寒、热、温、凉;五味包括酸、苦、甘、辛、咸5种基本药味。性味可反映药物本身的属性,是对中药功效主治的高度概括,是中药理论的核心部分,同时也是指导临床合理用药的重要依据,其对组方配伍有着深刻的影响。

随着现代研究的发展,同人类味觉相关的受体被发现。如感受苦味的苦味感2型受体(Bitter Taste-sensing Type 2 Receptors,TAS2Rs),甜味相关受体味觉1型受体2亚单位(Taste Receptor Type 1 Subunit 2,T1R2)和味觉1型受体2亚单位(Taste Receptor Type 1 Subunit3,T1R3),酸味受体多囊肾病2型1通道蛋白(Polycystic Kidney Disease-2-like 1,PKD2L1),咸味相关受体上皮钠通道(Epithelial Sodium Channel,ENaC)和辛味相关的温度型哺乳动物瞬时受体电位(Transient Receptor Potentials,TRPs)离子通道家族[1-6]。其中,TRPs家族离子通道所参与的生物学效应及药理作用与性温凉味辛中药的功效有着高度的相似性。如热敏感通道瞬时感受器电位香草酸受体1(Transient Receptor Potential Vanilloid 1,TRPV1)能被辣椒(辛、热)中的辣椒素激活,生姜(辛,微温)中的香草素等激活,吴茱萸(辛、苦、热)中的吴茱萸碱等激活,白芷(辛、温)中的欧前胡素激活;冷敏感通道瞬时受体电位Melastatin8型(Transient Receptor Potential Melastatin-related 8,TRPM8)的激活与薄荷(辛、凉)中的薄荷醇相关[7-12]。结合中药性味理论和现代生物医学的进展,特别是温度通道的发现,给中药药性的研究带来一些启发。因此,我们通过比较这些温度敏感分子与四气五味(辛味)中药的特性,试图分析性味理论和机体不同温度感受分子之间的联系。

1 中药激动剂与温度型TRPs相关通道功能

1.1 TRPV1 TRPV1被称为辣椒素受体或香草素受体1,在温度大于43 ℃被激活,亦被称为痛觉感受器。在中药中,以辣椒素、樟脑、大蒜素、姜辣素、姜烯酚、胡椒碱和吴茱萸碱等辛温药性的中药为热敏通道激动剂激活TRPV1。TRPV1在初级感觉神经、脑组织系统和非神经组织中均有表达[13]。但TRPV1被激活后不稳定,会出现脱敏现象,脱敏后对各种刺激都不敏感,因而在治疗疼痛方面非常具有潜力。在关节炎和神经性疼痛的治疗中,钙和钙调蛋白依赖的去磷酸化及Ca2+通道的长时程阻断,抑制TRPV1或使该通道脱敏可以缓解和阻断疼痛信号[14-16]。TRPV1介导的低温使缺血性卒中后的卒中体积减少了50%,促进了功能恢复,提示可能是缺血性卒中预后潜在治疗靶点[17-18]。在多发性骨髓瘤(Multiple Myeloma,MM)中,抑制TRPV1干扰了线粒体钙信号,抑制了抗MM药诱导的线粒体未折叠蛋白反应,并促进了有丝分裂吞噬[19]。奥氮平诱导的肥胖和炎症中,TRPV1拮抗剂(钌红和卡萨西平)逆转了奥氮平治疗的小鼠下丘脑的失调,减少了摄食量,增加了能量消耗,并使外周代谢变化正常化[20-21]。在糖尿病研究中,可通过抑制TRPV1进而预防糖尿病多神经病变的发展来改善糖尿病。在痛风的研究中,尿酸盐晶体激活TRPV1,由此产生的疼痛可被阻断[22]。在胰腺炎的研究中,抑制TRPV1可阻止急性胰腺炎发作时胰腺感觉神经纤维的激活,从而避免慢性神经病理性疼痛的发生[23]。TRPV1与治疗子宫膜异位以及慢性萎缩性胃炎等相关[24]。

1.2 瞬时受体电位香草素2型(Transient Receptor Potential Vanilloid 2,TRPV2) TRPV2(>52 ℃)又称为脂质感受器,广泛地表达在组织和细胞中[25]。辛温中药大麻二酚(火麻叶)是其热敏通道的激动剂。在胰腺中表达的TRPV2是葡萄糖稳态的重要调节因子[26]。在肌营养不良、扩张型心肌病以及心力衰竭型心肌病动物模型研究中发现,通过抑制TRPV2活性可有效改善心功能,抑制心肌纤维化,改善预后[27]。通过基因剔除实验,从小鼠心脏中清除TRPV2,可导致严重的心功能不全,因此,TRPV2是维持心脏结构和功能的关键决定因素。在动物模型中,通过过度表达TRPV2的氨基末端结构域蛋白来减少TRPV2在肌膜中的积聚,可以防止心功能障碍[26,28]。有研究者发现TRPV2是癌症生物标志物,与多种癌症相关[29]。在前列腺癌中,溶血磷脂通过Gq/Go蛋白(Gq/Go-protein,Gq/Go)和磷脂酰肌醇3-激酶(Phosphatidylinositol3-kinase,PI3K)信号转位诱导TRPV2介导的Ca2+内流,使PC3前列腺癌细胞迁移增加。在裸鼠异种移植中,TRPV2沉默降低了PC3细胞的生长和侵袭,促使TRPV2成为晚期前列腺癌的预后和治疗靶点[30-31]。

高级别尿路上皮癌研究中,TRPV2在尿路上皮癌细胞中过度表达,用TRPV2激动剂大麻二醇治疗可诱导细胞凋亡[32]。膀胱癌中,激活TRPV2可增加细胞内Ca2+水平,降低细胞存活率,并诱导细胞凋亡[33]。肝癌中,过氧化氢处理的肝癌细胞中TRPV2表达水平升高,加强蛋白激酶B(Protein Kinase B,AKT)和核因子红系2相关因子2(Nuclear Factor-erythroid 2-related Factor 2,Nrf2)氧化应激抑制,增强p38促分裂原活化的蛋白激酶(p38 Mitogen-activated Protein Kinases,MAPK)/c-Jun氨基末端激酶1(c-Jun N-terminal Kinase 1,JNK1)激活和细胞死亡,TRPV2可能通过增加氧化应激诱导的细胞毒性和癌症的耐药性而起作用[34]。中药激动剂激活TRPV2通道机制与功能见表1。

表1 中药激动剂激活TRPV2通道机制与功能

1.3 瞬时受体电位香草素3型(Transient Receptor Potential Vanilloid 3,TRPV3) TRPV3(34～38 ℃)通道则主要分布在皮肤角质化细胞中,具有敏化特性。辛温中药樟脑、牛至、香芹酚、乳香、百里香酚和丁香酚等可激活TRPV3温敏通道。在奥氮平诱导的肥胖和炎症中研究发现,TRPV3的拮抗剂DPTHF可能是TRPV3通道调节腹侧被盖区采食量的一个指标,TRPV3特异性拮抗和享乐性进食量减少,从而减少肥胖[20]。过度增殖性皮肤疾病研究中发现,TRPV3激活使Ca2+内流,导致随后的转化生长因子α释放,并以自分泌方式刺激表皮生长因子受体,使表皮生长因子受体、PI3K和核因子κB(Nuclear Factor-κB,NF-κB)磷酸化,导致角质形成细胞增殖[38]。TRPV3的强烈激活可能导致细胞死亡,但TRPV3的中度激活可促进角质形成以及细胞的增殖。TRPV3是角质形成及细胞增殖的关键调节因子,发现其与遗传性皮肤病-奥姆斯特德综合征以及遗传性掌跖角化病(Palmoplantar Keratoderma,PPK)密切相关[39-40],可能是治疗遗传性皮肤病-奥姆斯特德综合征和PPK的新靶点[38]。

1.4 瞬时受体电位香草素4型(Transient Receptor Potential Vanilloid 4,TRPV4) 中药穿心莲可激活TRPV4温敏通道,但在皮肤角质形成细胞中表达的TRPV4,可引起组胺能瘙痒原引起的Ca2+内流,导致瘙痒[41]。在阿尔茨海默病研究中发现,血流诱导的扩张是由冠状动脉内皮细胞TRPV4介导的,通过Ca2+进入和线粒体快速活性氧信号转导,提示TRPV4可能是阿尔茨海默病潜在治疗靶点[42]。高血压等心血管疾病研究中,TRPV4的生理性激活以及通过外源性和内源性激动剂的直接激活,影响G蛋白偶联受体信号和血流诱导的切应力,通过内皮依赖的超极化来调节血管张力。抑制TRPV4在体外和体内都被证明对脑缺血损伤具有神经保护作用[43]。TRPV4基因阻断和敲除可减少炎症介质释放,此外由细胞外基质硬度变化触发的TRPV4信号与脂多糖诱导的信号协同作用,介导巨噬细胞吞噬功能和肺损伤的缓解,降低肺损伤,在急性肺损伤中的治疗中有显著效果[44]。TRPV4与咳嗽,哮喘等呼吸道疾病密切相关,研究表明TRPV4和嘌呤受体P2X3拮抗剂可抑制TRPV4激动剂或低渗溶液(可激活TRPV4)引起的A-δ感觉神经纤维激活和咳嗽,确认TRPV4-腺苷三磷酸(Adenosine Triphosphate,ATP)-P2X3轴是咳嗽等气道感觉神经反射的驱动因素[45]。在哮喘中TRPV4激动剂可能不是直接导致收缩,而是可能通过激活气道平滑肌上的半胱氨酸白三烯受体1(Cysteinyl Leukotriene Receptor 1,cystLt1)受体而触发半胱氨酰白三烯的释放,从而导致收缩[46]。

1.5 瞬时受体电位A1(Transient Receptor Potential A1,TRPA1) TRPA1又称为化学感受器,激活温度因物种不同而不同[47]。肉桂醛、芥子油、大蒜素、姜辣素、丙泊酚及薄荷醇是能激活TRPA1寒敏通道的中药激动剂,TRPA1激动剂通过激活TRPA1而释放神经肽,并在神经末梢释放炎症介质,进而启动相关的信号转导通路,激活或增敏伤害感受器神经元细胞膜上的相关受体,使痛觉感受器兴奋,进而产生炎症和痛觉,因此阻断该离子通道可以使炎症性疼痛以及神经性疼痛得到有效缓解[48]。抑制TRPA1则可减少膀胱过度活动和疼痛,缓解膀胱炎[49]。TRPA1的选择性拮抗剂可以通过调节巨噬细胞的极化来减轻心肌压力超负荷,可用于治疗心肌肥大等疾病[50]。TRPA1和TRPV1在支配呼吸道的神经中共同表达,有着相似的功效,可引起咳嗽且与多种原因所致哮喘有密切联系,通过激活神经源性和非神经源性炎症反应,促进呼吸系统疾病的发生,所以TRPV1拮抗剂是潜在的咳嗽和哮喘治疗药物[51]。在动物试验中表明TRPA1可能与抑郁相关,TRPA1拮抗剂抗抑郁作用的神经回路目前尚不清楚,但实验老化的小鼠的记忆力有所改善,TRPA1在与年龄相关的记忆衰退中发挥了作用,是抗抑郁研究的一个潜在方向[52]。阿尔茨海默病研究中发现,β淀粉样蛋白激活TRPA1有助于网络过度兴奋,可能导致静止性癫痫发作,抑制TRPA1可能是治疗阿尔茨海默病的潜在靶点[53-54]。中药激动剂激活TRPA1通道机制与功能见表2。

表2 中药激动剂激活TRPA1通道机制与功能

1.6 TRPM8 TRPM8(<25 ℃)被称为是调节血清胰岛素的代谢传感器[57]。其可被中药激动剂薄荷脑、桉油精等激活凉敏通道。在膀胱癌研究中,激动剂与尿路上皮细胞TRPM8受体结合后,改变了ATP等介质的释放,增强了整个膀胱的收缩[58]。TRPM8的敲除和拮抗可以抑制前列腺癌细胞的增殖、细胞周期进展和迁移[59]。乳腺癌研究中,TRPM8通过激活AKT/糖原合酶激酶-3β(Glycogen Synthase Kinase-3β,GSK-3β)途径调节上皮-间充质转化,促进乳腺癌细胞的侵袭性。有研究表明TRPM8的表达可增高偏头痛的风险,用TRPM8选择性拮抗剂、抗偏头痛药物舒马曲坦或一氧化氮合酶(Nitric-oxide Synthase,NOS)抑制剂预处理可减轻痛觉过敏[48]。在哮喘研究中,TRPM8激动剂可以抑制气道平滑肌细胞从收缩表型向增殖表型的转变,则抑制TRPM8可能是潜在的治疗方法[60]。此外TRPM8可抑制多种肿瘤癌症(膀胱癌、前列腺癌、结肠癌等)生长[61],还与慢性咳嗽、气道收缩、干眼病等疾病相关[62]。中药激动剂激活TRPM8通道机制与功能见表3。

表3 中药激动剂激活TRPM8通道机制与功能

自然界中,生物体常通过感受温度变化并对机体生理功能进行调整,从而保护机体结构和功能的稳定。但是温度感受与调整功能的分子机制直到近年才明确了它们的编码蛋白质属于TRPs家族。TRPs家族主要由TRPC、TRPV、TRPM、TRPML、TRPP、TRPA和TRPN等7个亚族组成[65]。TRPs除在神经系统分布以外,还分布于心血管、胃肠道、呼吸、泌尿生殖、造血和免疫系统等[66]。TRPV1、TRPV2、TRPV3、TRPV4、TRPM8及TRPA1等是已知的温度感受与调整功能的通道蛋白。其中TRPV1与TRPV2是热敏通道蛋白;TRPV3和TRPV4是温敏通道蛋白、TRPM8为凉敏通道蛋白;TRPA1是寒敏通道蛋白。而在中药中,激活寒热通道的代表分别为辣椒(辛、热)、干姜(辛、热)、薄荷(辛、凉)、牛蒡子(辛、寒)等。

2 中药性味与温度刺激的内在联系

《中药药性论》记述:“凡与疗效(医疗、保健)有关的药物性质或属性,或者决定一种物质成为中药的性质或属性,统称为药性。”即中药药性是指中药与治疗疾病有关的性质和功效[67],具体包括四气、五味、升降沉浮、归经和毒性。其中气和味是药物性能的重要标志之一,《神农本草经》序录云:“药有酸、咸、甘、苦、辛五味,又有寒、热、温、凉四气。”中药四气源于天地四时,又与四时相对应[66],《黄帝内经·素问·宝命全形论篇》曰:“人以天地之气生,四时之法成。”[68]人随着四时生长收藏的规律而生活着,均受到四时气候春温、夏热、秋燥、冬寒的节律性规律的约束。味在《说文解字》中意为“滋味也”,即食物入口产生的感官感觉。其中“辛”在甲骨文中写法,和刀具的外貌十分相似,是指机体受到外界机械或疼痛刺激之意[69]。中医上认为,味不仅指食物在口腔所带来的酸苦甜辣的感觉,更是食物进入机体对机体的刺激,机体作出反应的一种综合感受[70]。

现代研究表明,产生热量和发散热量影响机体的温度变化。任何一方的增多或减少,机体的温度均会随之改变。如果产热一方减少或散热增多,机体的温度则会下降。反之亦然。机体的产热或散热过程属于生理条件下的能量代谢变化范畴。但在中医学中,限于当时的科学水平,人们对自身的寒热感受和体温变化的认识尚不能达到如此层面。对自身感受寒热的变化方面或身体温度的异常状态,只能通过对来自“望闻问切”所收集到信息加以概括并描述为寒证或热证。在《黄帝内经·素问·至真要大论篇》中就有“寒者热之,热者寒之”。《神农本草经》曰:“疗寒以热药,疗热以寒药。”即热证用寒凉药,寒证用温热药,以阴胜阳,以阳胜阴,在实际应用中用于阳证和热证、阴证和寒证,目的就是利用中药药性之偏性,调节机体阴阳之偏性,以达到阴阳之间的相对平衡,疾病痊愈。现代生物学的研究发现,这种“寒者热之,热者寒之”的寒热感受是一种机体的适应性调节状态,是通过中药中的有效成分激活机体位于感觉神经上相应的TRPs家族通道蛋白而获知的。由此我们大胆推断,处于寒(凉)证或热(温)证的机体对“寒”或“热”的药性喜恶可能是机体对自身某个或某些环节的异常状态所做出的反馈调节。从这方面讲,机体的寒证或热证的客观描述与现代医学中的能量代谢异常有着高度重叠与相容性。与此同时,作为研究对象的中药恰恰都属于五味中的辛味药性。这也就提示我们辛味中药发挥药效的分子机制可能与激活TRPs家族离子通道存在一定的相关性。

相关研究显示,寒性药物能下调中枢神经系统兴奋性,且可抑制机体的基础代谢功能,从而减弱呼吸、代谢、循环以及肌肉的活动。辛热及辛温药能作用于肾上腺系统,产生激素及其分泌物,增加器官组织耗氧量,进而刺激中枢神经系统兴奋,刺激机体的基础代谢功能,从而使呼吸、循环、心率、体温等有不同程度的增加。辛热及辛温药对TRPs通道具有调节作用,如辣椒作用于机体通过辣椒素激活TRPV1通道,进而使机体产生痛觉,若长期使用辣椒素使TRPV1处于激活状态,则TRPV1的敏感性会降低或失去敏感性,阻断疼痛[71];温药及寒药如赤芍、三七、枇杷叶和川贝母可以降低由辣椒素刺激引起的痛感;寒药大黄、黄芩及黄连等药可抑制TRPV1激活,进而起到止痛的作用[72]。

大黄和黄连均为寒性药物,具有清热泻火解毒的功效,研究表明大黄和黄连的解热作用可能与抑制TRPV1和激活TRPM8相关[73]。穿心莲性寒,具有清热解毒、凉血消肿的作用,其活性成分穿心莲内酯可以选择性地激活TRPV1-4通道,显示出心脏保护作用,此外双穿心莲内酯A可激活TRPV4通道[74]。寒性药物苦参具有清热燥湿、杀虫利尿的功效,其标志性成分氧化苦参碱可通过抑制TRPA1和TRPV1mRNA的表达,发挥抗炎止痛作用[75]。丹参性微寒,具有活血止痛,凉血消痈,除烦安神的功效,其药效成分丹参酮ⅡA抑制炎症介质IL-1β、IL-6、TNF-β及TRPV1的表达,对完全弗氏佐剂诱导的大鼠炎症疼痛模型具有明显的抗伤害性作用[76]。百合科植物平贝母和川贝母,性微寒,均为清热润肺,化痰止咳常用药,平贝母和川贝母提取物对TRPA1有抑制作用,不同之处为川贝母提取物能激活TRPV1使TRPV1脱敏进而产生抑制作用,平贝母不能直接激活TRPV1,对TRPV1产生直接抑制作用[77]。

辛味,能散能行;苦味,能泄能燥;辛温、辛热药物多具有祛风散寒及行气的作用[78-79]。延胡索、苍术和蛇床子虽都为味辛性温药物,但其对瞬时受体电位(Transient Receptor Potentials,TRPs)通道作用不尽相同,延胡索总生物碱对TRPV1具有抑制作用,苍术素可通过激活TRPA1使其脱敏来介导抗伤害性反应,蛇床子素对TRPV3有抑制作用[80-82]。川乌和吴茱萸均味辛,性热,研究表明川乌与吴茱萸次碱均对TRPV1具有抑制作用,此外乌头碱亦可激活TRPV2[83-85]。肉桂为辛大热药物,研究发现肉桂主要成分肉桂醛可降低IL-1β诱导的TRPV4的表达,亦能激活TRPA1抑制心血管疾病进程[86]。栾思宇[86]和CLAPHAM等[87]通过研究辛大热药物肉桂和寒性药物知母对寒热体质大鼠TRPV1和TRPV4表达影响,发现肉桂使寒体质组大鼠下丘脑TRPV1、TRPV4通道表达出现上升趋势,而知母使热体质组大鼠呈下降趋势。其进一步阐释了药物性味不同对TRPs通道的不同影响,但因为中药多成分多靶点调控的特性及现有研究大多停留在中药单味成分对某一TRPs通道的影响,对TRPs相关通路蛋白的影响缺乏系统性研究,亦与用药剂量有一定联系,有研究表明药物不同剂量对TRPs通道有不同的效应,这也是中药与TRPs通道联系密切但难以找寻到一定规律的原因。

3 讨论

从本研究的结果来看,TRPs家族受体与辛温药性高度相关。辛温类药物的有效成分均能作用于TRPs家族离子通道,发挥着多种生理功能和相关的药理作用。从化学成分和作用机制通路到中药药性均体现了辛味相关药性的一致性,一定程度上体现了TRPs离子通道与辛味药性之间存在相关性。

TRPs家族离子通道所参与的生理功能与辛味中药表现的药理作用具有高度的同质性。当TRPs家族离子通道被激活后,其与机体内多条通路和化学成分结合产生变化;其中以Ca2+信号通路变化为主,主要调节参与细胞增殖、分化、凋亡、神经递质传递、酶的合成代谢以及葡萄糖代谢的调节等,进而对机体产生不同的生理作用。而阳离子内流常引起机体产生烧灼性疼痛[88],如分布于舌味蕾上的TRPs离子通道受体会产生电信号,通过中枢神经使人产生辛辣味感,而分布于脏器中的TRPs离子通道常发出降温信号,通过舒张毛孔、排汗等方式来不断调节体温[89],这与辛味中药的发汗解表功效高度一致。除此之外,TRPs离子通道家族还参与了炎症反应和痛觉过敏的形成,如慢性炎性痛、偏头痛等。临床研究表明,疼痛的形式可能与温度感受的稳定程度相关;哺乳类的温度感觉可能通过一些中枢结构感受外周表面的温、热、凉和冷的刺激。热诱导是一种烧灼痛感[90];然而,冷诱导的痛包括烧灼、酸痛和刺痛[91],这种通过冷热诱导的痛感在温度为15～43 ℃这一范围之间变化。在TRPs通道中,TRPV1和TRPV2通道产生热痛的温度需分别高于43 ℃和52 ℃;TRPA1通道在低于17 ℃时产生冷痛,而TRPM8、TRPV3和TRPV4温度范围在8～39 ℃之间产生疼痛。根据这一结果并结合中医对四性的解释,TRPV1、TRPV2、TRPV3和TRPV4离子通道可能与“温”和“热”相关;TRPM8和TRPA1可能与“寒”和“凉”相关。同时,TRPs离子通道家族与心血管系统有密切的关联,如对心肌梗死和动脉粥样硬化等心血管疾病均有调节作用。而辛味药的数据挖掘与TRPs家族离子通道密切相关,因此,TRPs家族离子通道可能是辛味药性作用的潜在靶点之一。

我们探讨了TRPs离子通道家族及其生理功能与四性五味之间的关系。然而,中药化学成分复杂,进入人体后常通过多靶点多途径发挥效应,所以从药性理论与TRPs离子通道家族的功能来探讨辛温热类中药在机体内的作用仍需要更多的研究支持。

利益冲突声明:无。