甘草抗衰老药理作用及机制的研究进展

齐爽 张飞 王佳贺

衰老是机体多系统功能随时间推移逐渐衰退、老化的持续性复杂生理过程,是死亡的前奏。2020年由国家统计局发布的统计报告显示,我国有2.64亿的60岁及以上人口,占总人口比重为18.7%,我国已经进入老龄化时代。中医药是中华民族的重要瑰宝,延年益寿是人类健康发展史上无数人追求的目标,经过千年的实践与发展,中医药为抗衰老研究提供了重要借鉴意义。延缓衰老,降低公共卫生支出成本是医学领域目前的重要研究主题。

甘草(licorice)为豆科多年生草本植物,是一种常见的中药,其在《本草纲目·草部》中位列第一,被认为是可以“解七十二毒”的调和药[1]。甘草中含有的300多种黄酮类和20多种三萜类化合物是其发挥药理作用的核心物质[2]。本文就甘草的多系统抗衰老药理作用及其可能的机制进行综述,以期为甘草抗衰老的研究和应用提供理论基础和参考依据。

1 甘草抗衰老活性成分及药理作用

甘草的化学组成中存在几种生物活性的化合物,包括甘草酸(glycyrrhizic acid, GL)、甘草次酸(glycyrrhetinic acid, GA)、甘草苷(liquiritin, LQ)、异甘草素(isoliquiritigenin, ISL)、甘草查尔酮 A(licochalcone A, LA)和甘草多糖(glycyrrhiza polysaccharide, GPS),具有抗氧化、抗炎、抗病毒、抗肿瘤等多种药理作用。

1.1 抗氧化 机体在氧化代谢反应中会产生一些含氧大分子,这些大分子物质会损伤DNA、蛋白质等大分子,被认为是衰老的重要机制之一[3]。甘草及其活性成分可通过以下机制对抗机体氧化应激,进而发挥抗氧化作用。首先是抑制活性氧(reactive oxygen species, ROS)的产生,ROS是机体中性质活泼的含氧生物化学物的总称,被认为与衰老有关。GL通过下调高迁移率族蛋白-1(high mobility group box-1 protein, HMGB1)和Toll样受体-5(Toll-like receptor 5, TLR5)的表达,维持细胞内氧化还原平衡,消除线粒体ROS[4],LQ则是通过减少相关黏附分子的表达,减少ROS的产生[5]。其次是捕捉自由基,自由基是细胞在有氧呼吸过程中产生的,具有信号传递等多种功能。Hu等[6]通过网络药理学、分子对接技术、体外清除自由基实验、过氧化氢诱导的人永久生化角质形成细胞氧化应激损伤实验、D-半乳糖诱导的小鼠衰老模型和蛋白质印记实验明确了甘草绿茶饮料清除氧自由基的分子机制。此外,甘草及其药理活性成分通过其他分子机制发挥抗氧化作用,例如LQ通过下调磷酸化细胞外调节蛋白激酶(ERK)1/2、磷酸化核因子κB抑制蛋白α(I-κBα)、磷酸化核因子kappa B(nuclear factor kappa B, NF-κB)等蛋白的表达水平,进而抑制与D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢相关的细胞外调节蛋白激酶(ERK)1/2-NF-κB途径。同时,LQ通过上调核因子红细胞2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2 related factor 2, Nrf2)、Keap1、血红素加氧酶1(HO-1)、NAD(P)H醌脱氢酶1(NQO1)的蛋白表达水平,激活了与谷胱甘肽(glutathione,GSH)代谢相关的Nrf2-Keap1途径,提高了超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)的活性,从而发挥抗氧化作用[7]。另外,在生甘草的基础上,应用蜂蜜加工炮制可得到炙甘草,提示不同加工方式会改变甘草的药理作用。Zhou等[8]的研究表明,炙甘草可以减轻甲硝唑诱导的氧化应激损伤,并抑制偶氮二异丁脒盐酸盐诱导的过量ROS的产生。体内外进一步研究发现,炙甘草可以通过上调Nrf2信号通路中的关键基因如HO-1、NQO1、谷氨酸-半胱氨酸连接酶修饰亚基和谷氨酸-半胱氨酸连接酶催化亚基的表达来调节其氧化活性。

1.2 抗炎 炎症是机体对生物因素、理化因素以及异物或坏死组织的免疫反应。甘草的多种提取物被证实具有抗炎作用。ISL通过抑制NF-κB上游,激活Nrf2途径,以及抑制Nod样受体蛋白3(NLRP3)途径和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)途径等调节多种细胞过程进而发挥抗炎作用[9]。GA通过抑制多聚ADP核糖聚合酶1[Poly(ADP-ribose) polymerase 1, PARP1]介导的NF-κB和HMGB1信号通路减轻巴氏杆菌引起的血管内皮细胞炎症[10]。LA通过MAPK、NF-κB、NLRP3和Nrf2等信号传导途径相互作用而发挥出抗炎活性[11]。

1.3 抗病毒 现阶段的研究表明,GL及其代谢产物对肝炎病毒、疱疹病毒和严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2(SARS-coV-2)等病毒具有广泛的抗病毒活性[12]。双荧光素酶报告试验结果表明,LA通过调节内部核糖体进入位点(internal ribosome entry site, IRES)的翻译进而抑制肠道病毒D68的复制[13]。甘草及其衍生物可以抑制病毒复制,杀灭潜伏病毒,在未来可作为有潜力的抗病毒药物。

1.4 其他药理作用 现阶段的抗肿瘤治疗方案都会带来不同程度的不良反应,限制了其治疗前景。甘草作为一种天然中药,在抗肿瘤领域具有广阔的研究前景,目前的研究已从甘草中分离并鉴定了约56个查尔酮类化合物,其中14个被证实具有抗肿瘤作用。这些查尔酮类化合物可以通过阻断癌细胞周期来抑制癌细胞的存活、增殖和迁移,从而诱导细胞凋亡和自噬,然而,查尔酮抗癌作用的分子机制仍需要进一步的研究加以明确[14]。此外,GL对肺癌、结肠癌、肝癌、黑色素瘤、白血病、恶性神经胶质肿瘤等多种肿瘤具有抗癌作用,并且还能抑制化疗引起的肝毒性、肾毒性、遗传毒性、神经毒性和肺毒性等不良反应[15]。同时,现阶段的研究表明,甘草还具有调节免疫[16]、调节糖脂代谢[17-18]等功能。

2 甘草抗衰老的多系统表现

2.1 神经系统 甘草提取物LQ具有神经保护作用。Li等[7]基于代谢组学的液相色谱/质谱技术研究发现,LQ的神经保护机制与调节代谢紊乱、激活Nrf2-Keap1通路、抑制ERK1/2-NF-κB通路、抑制线粒体凋亡通路有关。即通过降低细胞内钙离子浓度,改善线粒体膜基质,上调Bcl2表达,下调Bax、细胞色素C、裂解半胱氨酸天冬氨酸酶3的表达水平,从而抑制线粒体的凋亡,进而保护神经系统。另有研究表明,LQ通过抑制氧化应激和内质网应激,从而维持血脑屏障的完整性[5]。

2.2 心血管系统 甘草对心肌损伤有保护作用,ISL是从甘草中提取的一种黄酮类单体。相关研究表明,ISL可通过提高心肌梗死后心肌细胞核Nrf2和细胞质HO-1的水平,减轻急性心肌梗死后的氧化应激反应[19]。GL亦被证实对糖尿病大鼠心肌损伤具有保护作用。具体机制为GL通过激活Nrf2、抑制CXCR4/SDF1和转化生长因子-β/p38MAPK信号通路实现降低心肌组织磷酸化p38 MAPK、糖基化终产物受体(RAGE)、Na(V)1.5和转化生长因子-β的表达,改变缝隙连接蛋白43(CX43)、CXC族趋化因子受体4(CXCR4)、Nrf2和肌钙蛋白Ⅰ的表达[20]。LQ可促进AMPKα磷酸化和sirtuin1蛋白表达,抑制NF-κB p65磷酸化,调节AMPK/SIRT1/NF-κB信号通路,减轻心肌细胞氧化损伤,并通过降低ROS、丙二醛、乳酸脱氢酶、TNF-α、IL-1β、IL-6水平,提高ATP、SOD、GSH-Px、GSH还原酶和CAT等多种酶或因子减轻氧化应激和炎症[21]。

2.3 呼吸系统 甘草能对抗肺上皮细胞损伤。Shi等[22]采用颗粒物所致肺损伤(particulate matter-induced lung injury, PILI)小鼠模型和人支气管上皮细胞体外模型研究GL的呼吸保护作用。结果发现,GL通过抗氧化Nrf2信号通路,减轻氧化应激介导的内质网应激和NLRP3炎症介导的焦亡,可作为PILI的未来治疗方向。Gu等[23]的研究发现,GL可减轻脓毒症所致的急性呼吸窘迫综合征(ARDS),减少肺组织中中性粒细胞外诱捕网(Net)的形成,其机制可能与抑制HMGB1/TLR9途径有关。GA通过其抗氧化和抗炎作用对多药耐药鲍曼不动杆菌(multidrug-resistant acinetobacter baumannii, MDR-AB)诱导的肺上皮细胞损伤具有保护作用。具体机制为:GA能逆转MDR-AB诱导的细胞凋亡,阻止MDR-AB对细胞的黏附和侵袭,抑制促炎细胞因子IL-1β、IL-6和TNF的表达,另外,GA可影响TLR/髓样分化因子88(MYD88)途径来抑制MDR-AB诱导的肺上皮细胞损伤,从而减轻炎症反应[24]。

2.4 消化系统 甘草在中医中被认为是一种很好的解毒药,可以保护肝脏功能。相关研究表明,GL可降低肝组织中α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、胶原α1、透明质酸、Ⅲ型胶原蛋白、层粘连蛋白等肝纤维化指标,并显著提高干扰素-γ(IFN-γ)、p-STAT1、Smad7的水平,降低CUGBP1的水平[25]。即GL可通过促进CUGBP1介导的IFN-γ/STAT1/Smad7信号通路减轻肝纤维化和肝星状细胞活化。还有研究表明,GA通过PI3K/Akt/GSK-3β途径增强Nrf-2介导的抗氧化作用,从而保护RTS诱导的肝损伤[26]。甘草和骨髓间充质干细胞的组合使顺铂诱导的大鼠肝损伤模型血清ALT、碱性磷酸酶(ALP)和丙二醛(malondialdehyde, MDA)水平由异常升高降低至正常范围,还能提高肝脏SOD和GSH水平,降低MDA水平。其主要机制涉及Caspase9、活化NF-κB和IL-1β[27]。甘草酸单铵(monoammonium glycyrrhizinate, MG)是甘草的主要活性成分,半胱氨酸盐酸盐(L-cysteine hydrochloride, CH)是GSH的一种成分,MG-CH对APAP诱导的DILI具有保护作用,可明显减轻肝损伤,降低ALT、AST、ALP、乳酸脱氢酶(LDH)活性及肝脏ROS和MOA含量,升高血清GSH和GSH-Px活性,其机制可能与抑制氧化应激,激活Keap1/Nrf2/ARE通路有关。此外,MG-CH还可促进Nrf2、HO-1、谷氨酸-半胱氨酸连接酶修饰亚单位(GCLM)和NQO1的表达,从而提高机体抗氧化及解毒能力[28]。

2.5 泌尿系统 甘草能保护泌尿系统结构完整,并延缓慢性肾脏病进展。ISL是甘草中主要的黄酮苷类化合物之一,可以恢复Sirt1和肾脏氧化-抗氧化平衡,抑制炎症反应,减少胶原堆积。ISL可能通过激活可溶性鸟苷酸环化酶(sGC),增加环磷酸鸟苷(cGMP)及其下游的蛋白激酶G来发挥肾脏保护作用。ISL的长期治疗呈剂量依赖性,能有效改善腺嘌呤引起的慢性肾脏和内皮功能障碍,并减轻肾纤维化,降低细胞凋亡标志物[29]。同时,ISL还能以剂量依赖方式减轻顺铂诱导的细胞损伤,对顺铂诱导的细胞凋亡起保护作用。此外,ISL可显著抑制顺铂诱导的Bax蛋白、caspase-3/caspase-3裂解比值、NF-κB/磷酸化NF-κB和IL-6水平以及ROS的产生。然而,尽管ISL可以通过拮抗细胞凋亡、氧化应激和炎症反应减轻顺铂诱导的肾小管上皮细胞损伤,却对细胞存活率无明显影响[30]。

2.6 其他系统 甘草可以延缓皮肤、感觉系统的衰老。甘草酸二钾(dipotassium glycyrrhizinate, DPG)是GL的副产物,相关研究表明,DPG可通过调节不同的机制和信号通路,减轻炎症过程,促进皮肤创面愈合,并且在减轻炎性渗出物的同时增加肉芽组织、组织再上皮化和总胶原,且不伴有活动性充血[31]。具体机制为DPG治疗降低了促炎细胞因子(TNF-α、环氧化酶-2、IL-8、白细胞介素受体相关激酶-2、NF-κB和IL-1)的表达,而增加了IL-10的表达。大鼠实验结果表明,与对照组相比,补充甘草提取物通过上调碱性成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子和转化生长因子-β基因表达水平,促进血管生成和胶原沉积,从而促进创面愈合[32]。这阐释了DPG等甘草制剂对抗皮肤衰老的潜力。在暴露的大鼠皮肤中应用LQ可降低中波紫外线照射引起的ROS、促炎因子和基质金属蛋白酶的增加,增加Sirtuin3和胶原α1的水平。LQ促进SIRT3抑制中波紫外线诱导的促炎介质的产生,可能通过SIRT3/ROS/NF-κB途径起作用[33]。以GL与白芍药苷(paeoniflorin, PF)为主要有效成分制备的凝胶对黄体酮注射和紫外线B照射所致的黄褐斑具有明显的预防作用,还可以减轻黄褐斑模型大鼠背部皮肤炎症,减少胶原纤维的丢失,这无疑为黄褐斑未来的防治方案提供了新的潜在的治疗方向[34]。最后,Alzahrani等[35]的研究表明,ISL可以通过下调miR-195表达,恢复视网膜SIRT1水平,减轻氧化应激、炎症反应和内皮损伤,保护视网膜正常组织学和超微结构等机制,改善糖尿病大鼠视网膜损伤,提示甘草制剂在对抗感觉系统衰老方面有潜力。

3 总结与展望

随着老龄人口比重的不断增加,抗衰老药物的研发逐渐成为研究的重中之重,中医药在我国有着上千年的悠久历史,随着时间的沉淀,许多中医药走进了科研人员的视野,甘草作为一种常见的中药也日益被人们熟知。现代医学科技手段已经验证了其在皮肤和神经系统、心血管系统、呼吸系统、消化系统、泌尿系统等人体多种系统中的抗衰老机制及原理,具有广阔的应用前景,但未来仍需要进一步的研究明确其生物安全性、药代动力学以及生物利用度。