基于線粒體探討小檗堿作用機制的研究進展

吳文玉，張永萍，2，3?，徐劍，2，3，劉耀，2，3

（1. 貴州中醫藥大學，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省中藥民族藥炮制與制劑工程技術研究中心，貴州 貴陽 550025；3. 國家苗藥工程技術研究中心，貴州 貴陽 550025）

小檗堿（Berberine，BBR）又名黃連素，其分子式為C20H19NO5，是從黃連、黃柏等小檗科植物中提取的季銨類化合物。早在1 400多年前就有相關記載，用黃連和黃柏治療腸胃炎所致腹痛、腹瀉，而現代藥理研究發現小檗堿是黃連和黃柏中抗菌的主要藥理活性成分。小檗堿的廣譜抗菌能力對許多革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌都具有良好的抑制作用，治療腸道細菌感染所致的腹痛、痢疾效果顯著。小檗堿來源廣泛、價格低廉、副作用小，隨著國內外科研人員研究的深入，發現小檗堿在抗炎、抗腫瘤、心血管保護、調節血脂等方面效果顯著。

線粒體是細胞內ATP 的主要來源，為細胞生存提供能量，是細胞生存的關鍵細胞器［1］。其擁有自己的遺傳物質和遺傳體系，是半自主細胞器，保留了編碼rRNA、tRNA 和呼吸所必須蛋白質的基因組。線粒體作為半自主細胞，能利用葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等營養物質，通過氧化磷酸化（OXPHOS）途徑，利用三羧酸循環酶產生電子載體NADH和FADH2［2］向蛋白質復合物（ETC）提供電子，經過ETC 上蛋白復合物（Ⅰ～Ⅳ）的電子傳遞，最終將氧氣完全還原為水［3-4］。同時，ETC中的氧化還原反應導致呼吸鏈復合物的構象變化，使它們能夠將質子從基質泵出到膜間隙，這一現象稱為線粒體跨膜電位（ΔΨm）的電化學梯度。復合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ參與產生的電化學梯度生成質子驅動力，由ATP合成酶（復合物V）磷酸化ADP以產生ATP［4］。

除了在能量生成中的基本作用外，線粒體還在調節多種細胞死亡形式中發揮著核心作用。細胞凋亡是細胞程序性死亡，通過激活兩種Bcl-2促凋亡蛋白Bak和Bax 控制線粒體外膜透化，誘導基質成分（mtDNAD等）暴露于細胞質［5］，導致促凋亡因子細胞色素c 的釋放，細胞色素c與Apaf-1及Caspase-9形成凋亡前體，在細胞質存在的dATP 共同作用下誘導Caspase-3 激活，進而引發Caspase級聯反應，誘導細胞發生凋亡［6］。

此外，線粒體還參與調節Ca2+穩態、氧化應激等任務。故線粒體與許多人類疾病的發病機制相關，包括癌癥、糖尿病及其并發癥等。可見，小檗堿廣泛的治療作用和線粒體與疾病緊密的聯系，因此近些年已有學者開始研究二者之間的聯系，基于此，筆者重點圍繞小檗堿通過影響線粒體進行疾病治療機制進行綜述。

1 癌癥

癌癥是對人類健康的威脅，是導致人們過早死亡的主要原因。癌癥具有細胞分化和增殖異常、生長失去控制、浸潤性和轉移性等生物學特征，其侵襲和轉移是一個多因子、多步驟的復雜過程。已有大量研究表明，小檗堿對宮頸癌、胃癌、神經膠質瘤等均表現出明顯的抑制作用。由于其良好的抗腫瘤作用，并對非癌細胞的影響較小，故常用于癌癥治療及預后藥物，成為廣泛用于癌癥的天然產物之一。

有研究發現在癌細胞中糖酵解率比分化細胞的糖酵解率高得多，即使在常氧條件下也更傾向糖酵解［7］。對此有學者推測，癌細胞具有高度增殖性與糖酵解率密切相關，雖然有氧糖酵解對生成ATP 的效率較低，但細胞在有絲分裂時，為了復制細胞內容物，有氧糖酵解途徑產生的核苷酸、氨基酸和脂質等生物質前體，有利于細胞快速增殖［8］。此外，癌細胞仍會通過OXPHOS 產生很大比例的ATP，表明線粒體產生ATP功能在癌細胞中仍然重要［9-10］。有研究顯示，通過小檗堿預處理人肝癌細胞導致線粒體膜損傷抑制線粒體ATP 的產生，導致體內AMP/ATP 比例的升高激活，磷酸化AMP 活化蛋白激酶（AMPK）。AMPK 的激活伴隨著通過線粒體途徑以半胱天冬酶依賴性方式發生的凋亡效應，并伴隨著線粒體釋放細胞色素c和Caspase-9、Caspase-3的激活，細胞凋亡程序啟動，抑制了人肝癌細胞增殖［11］。

此外，不穩定的自由基會奪取相鄰分子的電子，形成連鎖反應讓細胞的結構受到破壞，造成細胞功能喪失、基因突變，為了抵消過多自由基可能產生的有害影響，生物系統具有一系列抗氧化防御，每當自由基的產生速度超過生物系統中它們的能力時，就會產生氧化應激。所以癌細胞活性氧（ROS）過度增多，會導致DNA、蛋白質和脂質損傷，在癌癥發展的各個階段，許多植物化學物質通過調節ROS 介導的信號通路發揮調節癌細胞的發展。研究表明，胰腺癌細胞中小檗堿可通過ROS增多，增強氧化水平，引起的mtDNA 損傷，從而嚴重影響三羧酸循環的活性，導致能量代謝失調，誘導胰腺癌細胞凋亡并抑制細胞轉移［12］。而小檗堿可通過ROS 的產生和線粒體相關的凋亡途徑在乳腺癌細胞中發揮抗腫瘤活性［13］。這些發現可深入了解小檗堿調節線粒體抗癌治療中的潛力。

2 糖尿病及其并發癥

糖尿病（Diabetes mellitus，DM）是世界范圍內最常見的代謝性疾病之一。糖尿病患者表現出由胰島素分泌（Ⅰ型）、胰島素作用（Ⅱ型）或兩者的損害引起的高血糖［14］。2 型糖尿病（T2DM）占糖尿病病例的不到90%，由于營養過剩和胰島素分泌缺陷，導致外周組織胰島素抵抗和血糖水平升高，胰腺β 細胞分泌功能的缺陷是2 型糖尿病發展的先決條件［15］。線粒體作為細胞能量代謝的中心角色，參與胰島素抵抗和T2DM 的機制。有研究推測T2DM 及其并發癥是由線粒體功能障礙引起，其表現為線粒體代謝和氧消耗的改變、氧化應激的增加［16］。

動物和臨床研究表明，小檗堿有良好的降糖特性［17］，在改變脂肪代謝和糖代謝中具有潛在作用，其治療效果與二甲雙胍等降糖參考藥相當［18］。同時也有研究證明，小檗堿通過抑制SIRT3 促進葡萄糖攝取并抑制糖異生，SIRT3 是一種線粒體脫乙酰酶，協調線粒體呼吸和ATP 的產生，為小檗堿調節線粒體通路作為抗糖尿病途徑提供了參考［19］。基于小檗堿的低毒性和良好的效果，在糖尿病相關疾病也有廣泛應用，如內皮功能障礙、視網膜病變和腎病等。

2.1 抑制氧化應激

小檗堿通過抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NADPH）的表達來降低氧化應激，NADPH 也是ROS 的關鍵來源。ROS 過度生成的原因可能是NADPH 被氧化參與多種合成代謝反應，導致各種糖基化產物、脂肪酸和葡萄糖的含量上調，NADPH 氧化酶能通過NADPH 依賴的單電子還原將體內氧分子還原成超氧負離子，是體內ROS 的主要來源，NADPH 氧化酶存在于不同的亞型中［20］。NADPH 氧化酶2/4是唯一被小檗堿抑制的亞型，通過此途徑可導致ROS 生成減少，從而改善糖尿病。有研究發現，糖尿病的發病與NADPH 氧化酶的激活有關［21］。因此，NADPH 氧化酶是治療糖尿病、腎病和神經病變等疾病的一個有希望的靶點。另一方面，AMPK（AMP 活化蛋白激酶）的激活對NADPH 氧化酶的調節產生負面影響［22］，因此AMPK 可能參與小檗堿抗糖尿病的作用機制。然而，目前尚不清楚小檗堿是否通過激活AMPK 來下調NADPH氧化酶，并無直接證據顯示。

在糖尿病并發癥中，小檗堿通過抑制了Rho/ROCK 通路，增強了線粒體膜電位和降低ROS，減輕了糖尿病腦病大鼠的認知功能障礙和病理損傷［23］。

抑制氧化激化涉及AMPK 的參與，體內AMP/ATP比例的升高能激活AMPK，與此同時ATP的產生與線粒體密切關聯，為以上研究推測T2DM的發生于線粒體障礙引起提供了支撐。基于此，能影響靶細胞線粒體代謝和氧消耗的方法都能用于糖尿病及其并發癥的發展。

2.2 抑制促炎因子

糖尿病早期，炎性細胞浸潤胰臟，釋放多種細胞因子，這些細胞因子會產生過量的一氧化氮（NO），產生線粒體代謝抑制等連鎖反應，導致細胞死亡和胰島素分泌受損［24］。同時，慢性炎癥被認為是導致T2DM 及其并發癥的關鍵因素［25］，而小檗堿抗炎作用廣為人知。研究證明，小檗堿可通過顯著降低促炎細胞因子（TNF-α、IL-6）、一氧化氮（NO）生成，減少鏈脲佐菌素處理的胰島細胞凋亡［26］。

此外，小檗堿誘導抗炎過程中AMPK 是重要的一環［27］。在AMPK 被阻斷的情況下，小檗堿不能抑制促炎癥細胞因子的產生，如COX-2和iNOS［28］。COX-2參與前列腺素合成［29］，而前列腺素是介導糖尿病及其并發癥的發病機制。以上兩種都能導致糖尿病及其并發癥的發生。通過AMPK 活性的調節現在已經引起了人們的興趣，這樣的通路因為它參與了涉及多種機制的糖尿病調節，若能進一步研究可能有助于釋放小檗堿的真正治療潛力。

3 小結

小檗堿可以通過改善線粒體能量代謝、抑制細胞凋亡、改善線粒體自噬等機制修復線粒體等，治療各種疾病。這些疾病都有涉及線粒體參與ATP 的產生以及細胞凋亡，說明線粒體穩態對細胞的生存和疾病的發生和進展有著極其重要的作用。而線粒體穩態涉及生物能量代謝調節關鍵分子——AMPK，AMPK通過參與許多分解和合成代謝信號通路，在細胞內維持適當的ATP 水平，以響應細胞內能量應激反應。新的研究表明，除了作為細胞內能量開關作用外，AMPK 在抑制癌癥、糖尿病及其并發癥等疾病進展方面發揮著關鍵作用。同時，越來越多的研究表明AMPK 與線粒體之間存在串擾［30］，如AMPK 作為細胞對能量應激反應的中心調節因子如何維持線粒體內穩態并作為細胞對能量應激和線粒體損傷的反應的中心介質發揮作用。這顯示了以AMPK 因子作為維持線粒體穩態藥物開發，治療或抑制相關疾病是有潛力的。

雖然許多文獻研究發現小檗堿可以通過各種方式調節線粒體治療或抑制相關疾病，但很少用于臨床治療成為治療患者的臨床藥物，今后仍需要進一步研究。