姜黃素保護血管內皮細胞氧化應激損傷分子機制的研究進展

王彤，龍明智

(南京醫科大學第二附屬醫院，江蘇 南京 210011)

姜黃素是一種天然疏水性多酚，提取于多年生草本植物姜黃的干燥根莖中，是日常生活中常用的調味品和天然色素，作為藥食兩用的傳統藥材已有數百年的使用歷史。1815年德國學者Vogel和Pelletier首次從姜黃根莖中分離出姜黃素，并確定其分子式為C21H20O6。越來越多的證據表明，姜黃素系通過多靶點調節細胞基因表達或直接作用而發揮抗腫瘤[1-3]、抗增殖[4]、抗炎[5]等多方面生物學效應。近年來有關姜黃素保護血管內皮細胞、抗動脈粥樣硬化的研究不斷深入，特別是姜黃素抑制氧化應激所致血管內皮細胞損傷的分子機制研究，為姜黃素應用于心血管病的防治提供了理論依據。

1 自噬

細胞自噬是由Ashford和Porter于1962年發現細胞內有“自己吃自己”的現象后首次提出的，由溶酶體介導完成細胞質內從可溶蛋白到完整細胞器的批量降解，系真核細胞中高度保守的一類亞細胞降解途徑，在生物體細胞器更新、細胞程序性死亡、生長發育、腫瘤抑制等方面具有非常重要的作用[6]。2016年度諾貝爾生理學和醫學獎獲得者Yoshinori Ohsumi于1993年首次通過構建釀酒酵母液泡模型，從突變菌株篩選出15種細胞自噬相關基因[7](APG genes，最初的命名)，4年后他的團隊又成功克隆出了細胞自噬相關基因(ATG)，為細胞自噬分子機制研究奠定了基礎，到目前為止已經有近40種ATG基因被發現。2000年Yoshinori Ohsumi研究組又首次報道了鑒定細胞自噬的金標準關鍵蛋白Atg8的同源蛋白LC3，還建立微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ(LC3-Ⅱ)的檢測方法，用于評定哺乳動物自噬水平[8]。2009年Yoshinori Ohsumi研究發現，線粒體錨定受體Atg32在呼吸運動過程中被誘導，并與Atg8、Atg11蛋白相互作用，調節線粒體以自噬依賴性的方式進行降解[9]。線粒體作為細胞能量加工廠，通過氧化磷酸化高效釋放能量的同時會產生活性氧(ROS)等副產物，而ROS的大量釋放將導致氧化應激，持久嚴重的氧化應激將引起線粒體功能障礙及結構破壞，從而啟動自噬體捕獲、銷毀受損的線粒體。新近研究發現，在氧化應激過程中，ROS能通過多個信號通路調控自噬調節因子mTOR，從而誘導自噬發生，包括抑制PI3K-Akt-mTOR信號通路，激活MAPK信號轉導，抑制Atg4活性致LC3-Ⅱ堆積等途徑來實現[10-11]。研究發現經姜黃素預處理的人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)暴露于過氧化氫(H2O2)，其LC3-Ⅱ水平、自噬體的數量、P62的降解均顯著提高，進一步研究證實在氧化應激作用下，姜黃素通過抑制PI3K-Akt-mTOR信號通路、促進BECN1表達、逆轉FOXO1的核定位，提高其乙酰化水平等方式誘導自噬達到保護血管內皮細胞作用[12]。本研究小組曾將5～20 μmol·L-1的姜黃素預處理的hy926細胞(HUVECs)與200 μmol·L-1的H2O2共培養，發現姜黃素能通過抑制PI3K-Akt-mTOR信號通路激活自噬，保護HUVECs細胞免受氧化應激損傷，并抑制其凋亡[13]。Zheng等[14]研究發現聯合應用5.0 mg·L-1的羥基乙酰化姜黃素和超聲誘導，可以促進Bcl-2和BAX蛋白表達，通過線粒體自噬，一方面減輕了由ROS所致氧化應激損傷，另一方面也抑制了巨噬細胞所致的脂質聚集作用。Chen等[15]在大鼠頸內動脈球囊損傷實驗中發現，血管內皮細胞經姜黃素預處理后，細胞內LC3-Ⅱ水平顯著提高，P62降解明顯，證實了姜黃素能通過誘導自噬抑制氧化應激對血管內皮細胞的損傷、凋亡作用。

2 血紅素加氧酶(HO)-1

HO-1最早是在1968年由Tenhunen等在動物肝臟微粒體中發現的，是血紅素分解代謝過程中的限速酶。在體內有3種同工酶，分別是HO-1、HO-2和HO-3，他們在分子結構、表達調節和組織分布中存在很大差異，其中HO-1在組織氧化損傷的病理條件下起著保護細胞作用。HO-1也被稱之為熱休克蛋白32(HSP32)，相對分子量為32 000，染色體定位22q12，誘導性表達于肝、脾、心、肺、血管平滑肌、腦等組織，誘導因素包括應激、缺氧、內毒素、過氧化氫、細胞因子、生長因子等。HO-1基因表達調控主要在轉錄水平，其減弱氧化應激損傷的機制與激活蛋白因子1(AP1)家族有關，其中NFE2相關因子2(Nrf2)最為重要[16]。Nrf2可以和HO-1基因抗氧化反應片段結合，調節相關基因，在氧化應激反應中起重要作用[17]。Motterlini等[18]研究發現，姜黃素在常氧和缺氧條件下均能有效地誘導血管內皮細胞HO-1基因表達并維持血紅素加氧酶的活性，這種調節作用呈濃度-時間依賴性。Cui等[19]以魚藤酮損傷大鼠為模型，發現經姜黃素預處理的大鼠血管內皮細胞內谷胱甘肽(GSH)水平顯著提高，而ROS活性和丙二醛(MDA)含量明顯下降，進一步研究揭示姜黃素通過Akt/Nrf2信號通路恢復了HO-1的表達水平，從而減輕氧化應激損傷。Dong等[20]以慢性酒精性肝損傷大鼠為模型，證實姜黃素可以增加Nrf2活性和HO-1的表達水平，上調超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)的活性以抑制氧化應激，從而減少脂質過氧化物的生成。有研究發現姜黃素可顯著誘導HO-1表達并增加其活力，以減輕內皮細胞氧化應激損傷進而發揮抗動脈粥樣硬化作用[21]。另外，對于造影劑泛影葡胺引起的腎組織細胞氧化應激損傷，研究發現姜黃素可誘導腎組織HO-1表達，抑制細胞凋亡，防止造影劑腎病發生[22]。

3 Notch信號通路

Notch基因最早于1917年由Thomas Hunt Morgan在果蠅中發現，因其功能部分缺失可導致果蠅翅緣出現缺口而得名。Notch信號通路是進化上高度保守、廣泛分布于哺乳動物各個組織中，控制著細胞增殖、遷移、分化和死亡等細胞命運的信號轉導系統，由配體、受體、下游相關信號轉導分子及調節因子等共同組成，不需要第二信使與蛋白激酶參與，能夠直接轉入細胞核并激活核內靶基因的表達[23]。2009年Perumalsamy等[24]研究發現，Notch信號通路通過與線粒體重塑蛋白作用，影響線粒體的形態與功能的完整性，進而在氧化應激損傷中發揮調節作用。Yang等[25]以H2O2誘導氧化應激損傷的人臍靜脈內皮細胞為模型，發現姜黃素通過抑制Notch信號通路，逆轉Notch信號通路激活所致Bax、Bak細胞凋亡，以及阻斷Bcl2表達下調所致內源性線粒體凋亡，認為增強內源性抗氧化保護作用和抑制內源性線粒體凋亡可能是姜黃素保護血管內皮細胞的主要機制。有研究發現，利用Notch1信號通路的特異性阻斷劑——γ-分泌酶抑制劑(DAPT)和Notch1 siRNA阻斷Notch1信號通路，DAPT+ H2O2組和Notch1 siRNA+ H2O2組細胞存活率和黏附能力較H2O2組顯著提高，凋亡率明顯下降，細胞LDH釋放量和ROS含量降低，SOD、GSH-Px和MDA含量顯著升高，提示姜黃素可通過Notch1信號通路抑制氧化應激所致血管內皮細胞損傷[26]。

4 其他機制

近年來，有關姜黃素保護血管內皮細胞免受氧化應激損傷的研究還有許多新機制、新通路不斷被發現。Sun等[27]究發現，姜黃素可以通過沉默調節因子1途徑減弱H2O2誘導的人臍靜脈內皮細胞早衰。Verma等[28]以Ⅱ型含氟菊酯誘導的氧化應激和遺傳毒性為模型，發現姜黃素可以通過抗脂質過氧化和提高細胞的抗氧化能力來保護細胞免于氧化應激損傷。另有研究發現[29]，姜黃素通過NF-κB信號通路抑制黏附分子和趨化分子(如VCAM-1和ICAM-1)表達，以及腫瘤壞死因子-α誘導的凝集素樣氧化低密度脂蛋白α受體生成，從而起到抗炎、抗氧化作用，本研究小組在代謝綜合征大鼠實驗中發現，姜黃素可以明顯降低代謝綜合征大鼠血漿腫瘤壞死因子-α和血清sICAM-1水平，改善血管內皮細胞功能，延緩動脈粥樣硬化的發生[30-31]。

5 展望

姜黃素是從草本植物姜黃干燥根莖中提取的疏水性多酚，具有明確的分子量和結構式，這有助于對其作用靶點分子機制和基因調控的研究。隨著姜黃素對血管內皮細胞氧化應激損傷分子機制研究的深入，各種調控基因、靶點、信號通路不斷被揭示，將為氧化應激介導的動脈粥樣硬化防治提供新的方法和策略，也為天然藥物的臨床應用提供新的思路和依據。