姜黃素對炎癥性腸病的作用研究進展

劉雨，郝才帥，徐子媛，李校天

(河北工程大學臨床醫學院，河北 邯鄲 056004)

0 引言

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)是一種慢性且危及生命的胃腸道炎性病癥，其特征是腸道炎癥的反復發作。姜黃素(curcumin)具有顯著的抗炎特性以及抗氧化、調脂、抗癌、抗衰老等廣泛作用，被認為是極具希望成為治療IBD的新型藥物。對姜黃素的作用機制，基礎與臨床方面的實驗已開展多年，本文將圍繞IBD的發病機制及姜黃素對IBD的治療作用的進展作一綜述。

1 IBD的流行病學特征

克羅恩病(crohn’s disease, CD)和潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis, UC)已知作為炎癥性腸病，是慢性、復發性的胃腸道炎性病癥。IBD腸粘膜炎癥的特征是腹痛、腹瀉、血便、體重減輕以及中性粒細胞和巨噬細胞的大量浸潤，這些細胞產生細胞因子、蛋白水解酶和自由基，導致炎癥和潰瘍的產生[1]。克羅恩病通常涉及回腸末端、盲腸、肛周和結腸，但它可以不連續的方式影響腸道的任何區域，而潰瘍性結腸炎往往涉及直腸，并且可以連續的方式影響結腸的一部分或整個結腸[2]。克羅恩病在組織學上表現為粘膜下層增厚、透壁炎癥、裂開性潰瘍和肉芽腫，而潰瘍性結腸炎的炎癥僅限于粘膜和粘膜下層，常伴有隱窩炎和隱窩膿腫[3]。

盡管IBD可以從嬰兒期到八九十歲的任何年齡被診斷，但大多數的初次確診都是在青春期和成年早期。在歐洲，有250～300萬人患有IBD，美國患病人數則超過100萬[4]。二十世紀，IBD在西方發達國家的發病率持續上升，但在發展中國家相對較少。然而，在過去的幾十年里，亞洲、南美和中東的新興工業化國家相繼出現了IBD[5]，雖然發病率大大低于西方世界，但發病率的上升速度要高得多。

2 IBD的發病機制

IBD是遺傳易感性個體在暴露于環境觸發因素后對腸道微生物所產生的異常免疫反應。遺傳因素在IBD的發病中得到了學界證實。全基因組關聯研究(GWAS)、下一代測序研究和其他分析已經確定了超過240個不重疊的遺傳風險基因座，其中約30個基因座在克羅恩病和潰瘍性結腸炎之間重合[6-8]。對在IBD中發現的基因和基因位點的分析表明，如下幾種途徑在維持腸道內環境穩定中發揮重要作用，包括上皮屏障功能、先天粘膜防御、免疫調節、細胞遷移、自噬、適應性免疫和與細胞內穩態相關的代謝途徑[9-11]。核苷酸結合寡聚化結構域2(nucleotide-binding oligomerization domain2,NOD2)是發現的第一個與克羅恩病相關的基因，約有三分之一的克羅恩病患者發生該基因的突變。與NOD2基因1007fs突變相關的克羅恩病患者表現出更嚴重的疾病表型，而R702W和G908R突變則導致炎癥細胞因子水平增加[12]。大多數與患病風險相關的基因座在IBD患者中是共有的，但是一些基因座在患病人群中表現出異質性。例如，NOD2和IL23R變異在大多數歐洲患者中存在，但在東亞患者中不存在[13]。

IBD的核心發病機制是細菌移位、粘膜屏障功能障礙和腸道免疫穩態喪失[14]。腸道細菌移位的增加與肥胖和克羅恩病都有獨立的聯系，這兩者都降低了細菌多樣性，并伴有菌群失調[15]。細菌移位與脂肪細胞和前脂肪細胞的活化有關，隨后發生促炎因子表達和免疫穩態的變化。Harrison等[16]研究表明，腸內分泌細胞通過分泌PYY、GLP-1和GLP-2等腸內分泌激素在IBD的炎癥傳播中發揮重要作用。GLP-2是一種具有抗炎特性的上皮生長因子，可降低結腸炎模型動物的腸道損傷程度。循環PYY水平與克羅恩病導致的惡心和厭食癥有關。Friedrich等[17]研究表明，腸內分泌細胞可能是促炎因子白介素-17(interleukin-17, IL-17)的主要產生者和調節者。在P物質、脂肪細胞和IL-17之間存在脂肪組織-結腸反饋回路，神經元-內分泌細胞和激素的變化可能參與并加強這種反饋機制，從而進一步促進炎癥反應。因此，通過旁分泌、腸內分泌和微生物因素的結合，肥胖(尤其是內臟肥胖)可能導致IBD炎癥(尤其是克羅恩病)的發展和持續。

與健康受試者相比，IBD患者的腸道菌群組成發生了改變[18,19]。在IBD患者中觀察到具有抗炎能力的細菌減少和具有促炎能力的細菌增加，最一致的變化是腸道菌群多樣性的減少和厚壁菌門豐度的降低[20]。腸道生態的失調導致宿主粘膜完整性和免疫穩態遭到破壞，從而導致IBD的進一步發生、發展。人類腸道有100萬億種不同的微生物，包括細菌、真菌、病毒和原生生物，它們構成了微生物群落。擬桿菌門和厚壁菌門在健康成人的腸道菌群中占主導地位[20,21]。研究表明，細菌的數量和組成在胃腸道的不同部位有所不同，胃和小腸上部的細菌數量少、種類少，從空腸到結腸的細菌數量逐漸增多[22]。腸道菌群對宿主生理上的益處包括營養、免疫發育和宿主防御。腸道菌群為宿主提供能量和營養。厚壁菌門和擬桿菌門通過與用于寡糖發酵的菌種如雙歧桿菌作用，從難以消化的碳水化合物中生成短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)[23]。短鏈脂肪酸是結腸中的主要陰離子，主要是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，可被結腸和全身利用[24]。在IBD中，短鏈脂肪酸的水平顯著降低，這可能是損害腸道和免疫穩態的一個關鍵因素。腸道菌群在宿主免疫系統的發育中起重要作用。腸道菌群可維持免疫系統的正常功能，使機體分泌足量的IgA。同時，可調節T細胞的再生和輔助性T細胞的分布，增強屏障功能[25]。腸道菌群有助于宿主抵御病原體。腸道菌群中一些共生細菌通過競爭營養物質或促進抑制因子的產生來直接抑制腸道病原體。多形擬桿菌是一種豐富的結腸厭氧菌，通過消耗腸球菌所需的碳水化合物，競爭性地從腸腔中排除病原體[26]。一些菌群還能通過分泌抗微生物因子，如細菌素、抗菌肽等來直接或間接的抵御病原體[25]。腸道菌群改變所造成的腸道生態失調對宿主粘膜屏障功能和免疫穩態的影響體現在如下4個方面：(1)能粘附于腸上皮的病原菌的增加影響了腸道的滲透性，改變了腸道菌群的多樣性和組成，并通過調節炎癥基因的表達誘導炎癥反應，從而導致腸道炎癥的產生[27]。(2)熒光原位雜交分析顯示IBD粘膜相關細菌的豐度增加，可能是由于粘液溶解細菌如乳球菌屬的數量增加，導致粘液降解，從而使細菌入侵。(3)受腸道菌群破壞影響所產生的代謝產物與IBD的發病機制有關。Takahashi等[28]研究表明，IBD患者體內的短鏈脂肪酸濃度下降，這是由產丁酸鹽的細菌造成的，如梭狀芽孢桿菌第四、第十四、第十八群。SCFAs的減少影響Treg細胞的分化和擴張以及上皮細胞的生長，這些細胞對維持腸道內環境穩定起重要作用。(4)硫酸鹽還原菌的數量，如脫硫弧菌，在IBD患者中更高，導致硫酸氫鹽的大量產生，最終破壞腸上皮細胞并誘導腸粘膜炎癥[25]。IBD的免疫失調以上皮損傷(異常粘液生成、修復缺陷)為特征。腸道菌群和大量T細胞、B細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞和中性粒細胞等浸潤到固有層引起炎癥擴展，活化的固有層細胞在局部組織中產生高水平的促炎因子，包括腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)、干擾素-γ(interferon-γ, IFN-γ)和IL23/Th17途徑的細胞因子[29]。

3 姜黃素對IBD的作用機制

IBD的治療重點是控制炎癥，從而改善癥狀。姜黃素被認為是IBD的潛在治療藥物，因為它具有顯著的抗炎特性以及抗氧化、抗癌、保護神經的作用。目前，用抗炎藥物或免疫抑制劑治療IBD，臨床效果并不理想，且會產生嚴重的副作用。姜黃素被認為是安全、無毒的，可通過以下5種途徑來介導抗炎作用。

3.1 姜黃素抑制NF-κB炎癥通路的活性

NF-κB在炎性疾病中對炎性因子有重要的調節作用。NF-κB活化導致IBD的粘膜損傷，因此，姜黃素對NF-κB的抑制在減輕IBD的炎癥中至關重要。Toll樣受體4(tolllike receptor-4, TLR4)是天然免疫系統中的一種模式識別受體，在天然免疫和炎癥反應中起關鍵作用[30]，髓系分化因子88(myeloid differentiation factor88, MyD88)是其下游配體。高脂飲食可增高腸道通透性，提高血清脂多糖水平。在TLR4-MyD88/NF-κB信號通路中，脂多糖可刺激TLR4與MyD88相互作用，觸發細胞內炎癥反應，激活NF-κB，最終促進炎癥因子TNF-α、IL-1β的釋放[31]，TNF-α水平增高還可負反饋調節NF-κB的生成，從而產生一個炎癥反饋回路[32,33]。TLR4是姜黃素的分子靶標，它可以通過抑制該受體的同二聚體化而抑制其表達。同時，姜黃素還可抑制MyD88，從而顯著抑制TLR4-MyD88/NF-κB炎癥通路的活化，降低IBD的腸道炎癥反應。

3.2 姜黃素激活過氧化物酶體增殖物活化受體γ(peroxisome proliferator-activated receptors gamma, PPARγ)

PPARγ與促炎因子的產生和環氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)以及細胞間粘附分子-1(intercellular adhesion molecule-1, 1CAM-1)的轉錄活化相關[34]。慢性炎癥期間PPARγ的表達降低，其恢復可使組織炎癥顯著改善以及ICAM-1、COX-2和TNF-α向正常水平調節。Liu等[35]實驗證明，姜黃素具有增強PPARγ的表達和活化的作用，并抑制COX-2、前列腺素J2和前列腺素E2的表達。此外，PPARγ具有調節巨噬細胞向IBD腸道炎癥病灶聚集的作用，并且能抑制NF-κB的活化。

3.3 姜黃素抑制NLRP3炎癥體的激活和IL-1β的產生

NLRP3屬于核苷酸結合寡聚化結構域樣受體家族，作為細胞內病原體識別受體發揮作用[36]。受到刺激的NLRP3與凋亡相關顆粒樣蛋白(apoptosis associated speck-like protein,ASC)以及促半胱天冬酶-1相互作用，結合成大的胞質復合物，即活性半胱天冬酶-1，隨后促進高度促炎因子IL-1β的成熟和分泌，參與各種炎性疾病的發展，包括IBD[37]。IL-1β是IBD發生、發展中最重要的促炎因子之一，其產生依賴于炎癥體的激活，血漿中高水平的IL-1β與腸道炎癥和疾病活動的嚴重程度密切相關。Gong[38]等實驗證明，姜黃素顯著抑制了脂多糖刺激的巨噬細胞中NLRP3炎癥體的激活，表現為IL-1β分泌減少、半胱天冬酶-1激活減少和ASC的減少。機制上，姜黃素阻止了葡聚糖硫酸鈉誘導的K+流出、細胞內活性氧的形成和組織蛋白酶B的釋放，這是介導NLRP3炎癥體激活的主要三種細胞途徑。同時，姜黃素顯著降低了多種炎性細胞因子(包括成熟IL-1β、IL-6、單核細胞趨化蛋白-1)的表達，降低了半胱天冬酶-1的活性以及組織病理學損傷。

3.4 姜黃素調節自噬

自噬是指細胞通過回收長期存活和受損的蛋白質來實現細胞內溶酶體的降解過程，以此來維持正常的細胞內環境穩定。許多研究已經證實，包括ATG16L1和IRGM在內的幾種與自噬相關的遺傳變異與IBD患病風險增加密切相關[39,40]。此外，用于IBD治療的藥物可通過自噬調節而生效[41]。就自噬過程而言，beclin-1與磷酸肌醇3-激酶復合物共同參與了ATG蛋白在起始階段的聚集。然而，與beclin-1結合的bcl-2可以阻止自噬過程。在接下來的延伸階段，ATG5和LC-3II對自噬體的形成起重要作用。Yue等[42]實驗中，葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎小鼠beclin-1、ATG5和LC-311水平明顯升高，而bcl-2水平降低，表明結腸炎作為一種有效的應激引起自噬增強。而姜黃素的給藥下調了beclin-1、ATG5和LC-3II的水平，上調了bcl-2的水平，從而改善了結腸炎，表明自噬作用在一定程度上被姜黃素抑制。

3.5 姜黃素與許多細胞靶點相互作用[43]，對p38MAPK炎癥通路、環氧合酶-1(cyclooxygenase-1, COX-1)、COX-2、TNF-α、IFN-γ、誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)具有抑制作用。炎癥刺激激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)中的一種，導致p44/42MAPK、JNK或p38MAPK的激活。愛潑斯坦等[44]研究表明，姜黃素能夠降低IBD患者腸道粘膜組織中p38MAPK的活化，并且增強IL-10、降低IL-1的表達，姜黃素很可能成為治療IBD的一種新型藥物。Chen等[45]實驗表明，姜黃素能降低COX-2、前列腺素J2和前列腺素E3的表達，可能是由于COX-2激活所必需的核因子的受體下調。它還降低促炎因子的釋放，如IL-1β、IL-12、IFN-γ和TNF-α，并顯示伴隨炎癥因子的增加，抗炎因子如IL-4和IL-10的表達上調[46]。iNOS酶活性在IBD患者腸道組織中有較高的表達，可通過脂質過氧化、蛋白質變性和脫氧核糖核酸損傷等機制誘發細胞的損傷和壞死。de Lange[47]等研究發現，姜黃素可下調結腸粘膜中iNOS酶蛋白的表達，減少亞硝酸鹽的產生，從而降低IBD的嚴重程度。

目前，IBD的發病率在全球范圍內呈不斷上升趨勢，嚴重影響患者身心健康的同時，給家庭和社會也帶來了巨大的經濟負擔。IBD確切的病因和發病機制仍不清楚，目前尚無具有針對性的有效治療藥物。大量基礎與臨床方面的實驗已經證明姜黃素具有顯著的抗炎作用，對IBD的相關癥狀具有治療效果，且具備安全、價廉等優點，姜黃素有極大可能成為IBD的新型治療藥物。