黃芪甲苷對心肌細胞保護作用機制的研究進展

張博雅，高晟

黃芪甲苷（Astragaloside Ⅳ，AS-Ⅳ）是中藥材黃芪的重要有效化學成分之一，具有抗氧化、抗癌、抗老化、抗炎癥等多種效應［1］。AS-Ⅳ在諸多的藥理作用中，以其對心臟的保護作用最為重要，主要表現為抑制心臟重構、改善血管內皮細胞功能、保護心肌缺血以及抑制心肌細胞凋亡等方面的作用［2］。研究顯示，AS-Ⅳ抑制急性心肌梗死導致的心室重構及心力衰竭與其參與調節心肌細胞內鈣離子水平、調節心肌細胞能量，調控相關信號通路等機制密切相關［3］，AS-Ⅳ可通過調節心肌細胞能量代謝抑制缺血再灌注導致的心功能不全［4］。目前國內外大量研究關注AS-Ⅳ對于心肌細胞的保護機制。本文就AS-Ⅳ對缺血心肌保護機制、心肌細胞線粒體保護機制及抗氧化機制的相關研究進展綜述如下。

1 AS-Ⅳ抑制心肌細胞氧化損傷

活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生于心肌及其他組織中，作為細胞代謝產物之一，通過機體的抗氧化途徑減少或轉化，維持在相對較低的水平。ROS 作為二級信使或信號分子介導心肌細胞凋亡。一般情況下，心肌細胞正常氧化代謝過程中可產生少量ROS。細胞自身的正常防御機制可以維持ROS產生和清除之間的平衡，但是在缺血缺氧或炎癥等損傷性因素作用下，ROS會不斷堆積，從而對細胞產生毒性作用。當ROS 穩態循環失衡時，自身堆積過多的ROS會造成組織損傷。ROS可通過多種機制促進心肌衰竭的發生，而AS-Ⅳ對心臟的保護機制與細胞中的ROS到底有何相互作用？Li等［5］發現AS-Ⅳ能夠抑制心肌細胞中ROS 的產生，從而減少對心肌細胞生物膜的損害，提高細胞生存能力。超氧化物歧化酶（SOD）為心肌組織清除自由基，而丙二醛（MDA）是脂質過氧化反應生成物，SOD 的降低和MDA含量增加會對心肌細胞產生損傷。AS-Ⅳ對心肌梗死的大鼠具有清除自由基、減輕脂質過氧化反應的作用，從而對心肌產生保護作用。Liu等［6］研究發現AS-Ⅳ可有效改善缺氧心肌細胞的損傷程度，可能與其降低心肌細胞內ROS，減輕脂質過氧化損傷，提高SOD 的活性，改善心肌細胞生存能力有關。Wang等［7］研究發現AS-Ⅳ可明顯改善缺氧和復氧心肌細胞的生存能力，其機制主要是通過降低心肌細胞內ROS，上調心肌細胞Hesl蛋白表達，進而調控心肌細胞 Notchl/Hesl 信號通路實現的。Mehmood 等［8］研究發現ROS 可降低損傷人主動脈內皮細胞活性，破壞線粒體的抗氧化功能，而AS-Ⅳ可抑制此類作用。

黃芪甲苷能明顯提高損傷心肌細胞的存活率，降低細胞內ROS和MDA的含量，抑制還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶（NAPDH）催化亞基的同源物NADPH氧化酶的表達，從而減少高糖對乳鼠心肌所產生的氧化損傷［9］。在阿霉素誘導的心力衰竭大鼠模型中，AS-Ⅳ能明顯增加大鼠血清和左心室SOD活性，降低MDA含量，從而清除ROS，降低心肌細胞的氧化損傷。Ma等［10］研究結果表明，AS-Ⅳ可抑制H2O2引起的大鼠腎上腺嗜鉻細胞瘤細胞氧化應激損傷并產生細胞保護作用。

鈣調蛋白激酶（CaMKⅡ）被認為是腎上腺素受體下游靶信號，而異丙腎上腺素通過膜轉位后形成G-蛋白偶聯受體激酶磷酸化-腎上腺素受體復合物來增加CaMKⅡ的活性［11］。對于鈣離子通道來說，ROS 可特異性地作用于CaMKⅡ并降低細胞膜的鈣離子通透性，使得心臟興奮-收縮偶聯功能損傷，導致肌漿網鈣離子ATP 酶活性降低，最終影響心肌收縮能力［12］。而ROS 對鈣通道氧化作用是通過激活鈣依賴性鈣蛋白酶或氧化CaMKⅡ上的甲硫氨酸殘基來實現的［13］。Hool 等［14］研究表明，H2O2通過鈣通道上蛋白的直接谷胱甘肽化作用進而實現其氧化功能。細胞膜鈣離子通道中富含甲硫氨酸和半胱氨酸，僅α1端就有48個半胱氨酸位點，且其中大部分處于自由狀態，因此通道極易被ROS 直接氧化。在心肌氧化應激反應下，通道是最佳的降低氧化活性的作用位點，而通道的直接氧化作用使細胞鈣流入增加，此類現象在缺血性心肌細胞中表現明顯。另一方面，ROS 對鈣通道氧化機制的研究重點還集中在 Ca2+/CaM 的 CaMKⅡ的磷酸化。Liu 等［15］研究在排除Ca2+/CaM 干擾的情況下，發現ROS 可直接氧化CaMKⅡ上的甲硫氨酸。最近研究也發現，H2O2通過直接氧化鈣離子通道上的半胱氨酸、甲硫氨酸等來提高通道活性，使心肌細胞鈣穩態的失衡進而導致心臟疾病的發生。AS-Ⅳ并未對ROS引起的鈣通道直接氧化作用產生影響［16］。該發現對于進一步探究AS-Ⅳ在心肌細胞鈣離子通道中作用機制的研究以及心血管疾病預防中的作用具有重要的意義。

2 AS-Ⅳ抗心肌細胞凋亡及其分子機制

線粒體作為能量代謝的重要場所，在抗細胞凋亡方面一直受到廣泛關注，也成為了研究的主要方向和熱點。bcl-2作為細胞凋亡重要調節因子，可抑制線粒體膜，直接參與細胞能量代謝，調節呼吸鏈及線粒體通透性轉換孔（MPTP）開啟和細胞色素C 釋放，最終達到抑制細胞凋亡的作用。AS-Ⅳ預處理的心肌細胞可上調線粒體內bcl-2表達，促進心肌功能恢復，減小梗死面積和氧化應激，降低細胞凋亡指數［17］。

線粒體通過多種鈣轉運機制，從線粒體內膜攝取和釋放鈣，調節細胞內鈣離子濃度，AS-Ⅳ可以有效地減少心肌細胞內游離態鈣離子濃度，從而降低心律失常的發生。Yang等［18］發現AS-Ⅳ在心肌細胞發生缺氧的情況下為心臟提供保護作用，是源于其通過pkd1-hdac5-VEGF 信號通路部分促進心肌梗死大鼠心肌組織的血管生成，并通過Ca-ATP 激酶來提高胞內鈣離子處理效率，隨后激活胞漿內SOD-1 活性，從而達到在缺氧情況下保護氧化應激介導心肌損傷的作用。Zhang 等［19］報道AS-Ⅳ可以通過上調心肌肌漿網鈣泵改善慢性心力衰竭等心臟功能性障礙。Wang等［20］研究發現，AS-Ⅳ可減輕大鼠心肌細胞中由異丙腎上腺素（isoproterenol，ISO）或鈣敏感受體激動劑（gdcl3）誘導的心肌肥大，降低對心肌功能、線粒體結構和基質金屬蛋白酶的損傷，更為重要的是AS-Ⅳ抑制ISO和gdcl3誘導的鈣離子電流和鈣敏感受體表達。鈣敏感受體（CASR）作為一種廣泛表達的G 蛋白偶聯受體，對細胞維持Ca2+平衡起到關鍵作用，其潛在機制尚在探討中。Huang等［21］報道黃芪甲苷通過參與CASR 和CaMKⅡ的鈣調節活動，進而激活T細胞活化核因子，并最終達到保護心肌細胞的功能。Shi 等［22］報道，CASR 的過度表達激活了CaMKⅡ和cam信號通路，而由其介導的鈣電流和CaMKⅡ的變化參與了AS-Ⅳ對心肌損傷的保護作用。目前，在細胞內鈣穩態的研究中，更多的技術手段得到應用。Zhao 等［23］利用膜片鉗技術，通過測定豚鼠心肌細胞鈣電流以及電荷耦合成像系統動態觀察細胞內鈣變化，發現AS-Ⅳ可降低L 型鈣離子通道活性，并減弱心肌細胞外鈣內流，激活細胞內鈣離子釋放，使細胞內鈣保持穩態，維持正常生理功能。

3 AS-Ⅳ改善心肌細胞能量代謝

在正常的人體心臟中，心肌細胞能量三磷酸腺苷（ATP）主要來自脂肪酸的氧化。線粒體是為細胞提供所需能量的重要場所，其功能依賴于內膜的化學電勢。其中線粒體膜電位（MMP）的穩態對化學電勢的平衡起到重要作用，MMP也被看作線粒體的產能狀態的重要參數指標。曲友直等［24］實驗發現了AS-Ⅳ抑制大鼠腹主動脈縮窄而導致心肌肥厚產生及對心肌能量代謝的影響。陳靖宇等［25］發現高劑量的AS-Ⅳ具有抑制心肌肥厚，改善心肌能量代謝的作用。線粒體鈣離子運載體的激活促進了線粒體鈣超載、ATP 耗竭、線粒體活性氧生成，細胞色素C 的釋放和快速誘導細胞凋亡。然而，AS-Ⅳ抑制了線粒體Ca2+運載體的激活，導致線粒體Ca2+超載的抵抗和細胞色素 C 的過度釋放。Gui 等［26］發現 AS-Ⅳ可增加心肌細胞中 ATP 含量。同樣，Du 等［27］報道，AS-Ⅳ可以穩定細胞MMP并通過降低肥大心肌中游離態的脂肪酸和乳酸相對含量，平衡線粒體膜內外pH 梯度，來抑制PTP 孔開放，為細胞能量代謝和ATP的產生提供穩定環境。

4 AS-Ⅳ抑制心肌纖維化及其分子機制

心肌纖維化是源于正常的組織中膠原成分沉積導致的各型膠原濃度升高，成分變化而產生的病理變化，是導致心功能惡化的關鍵步驟［28］。Lin等［29］提出，AS-Ⅳ可通過增加細胞肌質網鈣泵mRNA 的表達并激活鈣泵，從而抑制細胞凋亡、病毒性心肌炎以及心肌細胞的纖維化。對于心肌纖維化的預防和保護，更多的研究集中在AS-Ⅳ對蛋白的激活和信號通路調節上。Wang 等［30］發現AS-Ⅳ可抑制和阻斷轉化生長因子（TGF）-β1 和肌動蛋白α（α-SMA）的生成，降低蛋白多肽TGF-β1 和Smad 通路的活性，從而最終抑制心肌纖維化的形成。同樣Che等［31］也報道AS-Ⅳ通過調節凝血酶敏感蛋白（TSP）、TGF-β 3、MMP-13的表達以及通路活性來抑制和改善缺血狀態下心肌纖維化。

5 AS-Ⅳ抑制心室重構、心力衰竭及其分子機制

相關動物實驗和臨床試驗均證實，人體在心力衰竭過程中，AS-Ⅳ可抑制心臟收縮力降低等情況的發生，并通過對心肌細胞產生保護作用抑制和緩解心力衰竭，但是未完全揭示具體的分子調控機制。Zhang等［32］研究報道，AS-Ⅳ通過調節能量生物合成來抑制異丙腎上腺素誘導的心臟肥大，并且AS-Ⅳ影響PTEN/PI3K/AKT、NF-κB/PI3K/AKT、CaMKⅡ/CAN、CASR/ERK1/2、TLR4/NF-κB，Notch1/Jagged1等信號通路，激活ATP 敏感性鉀通道，減少ROS 生成，促進血管生成，刺激脂肪酸β-氧化，改善心肌能量代謝和線粒體功能，增強心肌收縮，減輕心肌損傷誘導的急性心肌梗死［33］。有研究發現黃芪甲苷可通過PKA 通路減輕缺氧復氧誘導的乳鼠心肌細胞損傷，實驗通過不同濃度AS-Ⅳ治療心肌炎模型小鼠，發現20μmol/L AS-Ⅳ可通過抑制炎癥介質、降低腫瘤壞死樣因子配體1A（TL1A）的表達發揮治療急性心肌炎的作用［34］。

綜上所述，AS-Ⅳ因其廣泛的藥理學價值和良好的應用前景吸引了醫學研究者們的關注，特別是對心臟功能的保護方面。AS-Ⅳ可起到抑制心肌細胞的纖維化，抗心肌細胞凋亡等作用，以及缺血狀態下對心肌細胞進行保護，增加心肌細胞中ATP含量，減少心肌細胞內游離態鈣離子濃度，抑制L 型鈣離子通道，減少心肌細胞外鈣內流，促進胞內鈣釋放，使細胞內鈣保持穩態，維持正常生理功能。AS-Ⅳ還可通過抑制細胞內ROS的產生以及自身的抗氧化功能，有效提升細胞的生存活力。以上機制相互協同并共同作用，為AS-Ⅳ對心臟的有效保護提供保障。隨著這些研究的不斷深入，其研究成果定會為臨床工作提供更多的參考并為篩選更多治療心臟疾病的有效藥物提供可靠的理論基礎。