姜黃素干預霉菌毒素誘導毒性的研究進展

李泓霖，李怡芳，張 馳，周鴻媛,3，郭 婷,3，張宇昊,2,3,4，馬 良,3,4,

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.發光分析和分子傳感教育部重點實驗室，重慶 400715；3.川渝共建特色食品重慶市重點實驗室，重慶 400715；4.國家市場監管重點實驗室（調味品監管技術），重慶 400715）

通過農產品或食品中功能成分對霉菌毒素毒性進行干預是控制霉菌毒素危害的熱點研究方向，近幾年國內外報道了很多相關植物源天然物質對霉菌毒素毒性影響的研究，如姜黃素通過調控豬卵巢顆粒細胞中相關酶的活性可以減輕ZEN 引起的氧化還原紊亂及其對組織器官的損害[4]；動物飼料中添加姜黃素能有效緩解飼料中霉菌毒素導致的進食量下降及蛋白質轉化率降低等不良影響，在一定程度上減輕農業、畜牧業的經濟損失[5]。大量研究證明姜黃素能減弱霉菌毒素對機體的傷害，并且對其干預機理進行深入研究，本文就姜黃素攝入對動物體內、體外霉菌毒素毒性的干預作用及諸如減少霉菌毒素誘導的動物體內活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）增加、霉菌毒素引起的蛋白表達改變、酶活性改變等相關機理展開綜述，重點分析近5 年來姜黃素在霉菌毒素毒性干預方面的研究進展和發展趨勢，為姜黃素在大健康產業中的深度開發利用和未來發展提供理論依據，也為其他植物源性功能成分的研發拓寬思路。

1 典型霉菌毒素及其毒性

霉菌毒素帶來的問題在全球范圍內仍無法完美的解決，嚴重威脅著人類食品、動物飼料的安全，食用受污染的食物會對動物和人類產生多種毒性效應，透徹研究霉菌毒素背后的毒性機理是開發研制解毒物質和控制其危害所必需的。

1.1 黃曲霉毒素

食品及農產品安全中危害最大、關注度最高的一類霉菌毒素是AFT。AFT 污染廣泛，主要污染花生、玉米等糧油作物及其制品，具有肝毒性、腎毒性、致畸性、致癌性、神經毒性以及免疫毒性等[6]。黃曲霉毒素B1（Aflatoxin B1，AFB1）是AFT 中急性毒性最強的一種，被國際癌癥研究機構（International Agency for Research on Cancer，IARC）歸類為Ⅰ類致癌化合物，可在肝臟中蓄積，AFB1作用于肝細胞后會降低富組氨酸糖蛋白地表達和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性，這可能與AFB1誘導的肝細胞損傷和癌變的機制有關[7]。同時，肝臟中的細胞色素P450酶，會使AFB1羥基化產生黃曲霉毒素M1（Aflatoxin M1，AFM1），進而影響細胞中脯氨酸脫氫酶和凋亡蛋白地表達，導致細胞凋亡，最終造成組織損傷[8-9]。此外，AFB1可促進DNA 加合物形成，使DNA 片段化，導致DNA 損傷[10]。AFB1還可通過誘導ROS 的形成引起氧化應激，最終損傷細胞[11]。

1.2 玉米赤霉烯酮

ZEN 作為一種非甾體雌激素類真菌毒素[12]，分布廣泛，主要污染玉米、大麥、小麥和高粱等谷物及其副產品，具有細胞毒性、血液毒性、免疫毒性和遺傳毒性等多種毒性效應[13]，最突出的是其雌激素樣作用，可引發較強的生殖毒性。ZEN 通過上調WNT1和β-catenin 表達，激活Wnt/β-catenin 信號通路促進豬子宮內膜上皮細胞的增殖和發育，使子宮異常增殖造成子宮肥大[14]。ZEN 還能通過抑制小鼠睪丸間質細胞核心生物鐘基因（Bmal1、DBP、PER2 和Nr1d1）以及類固醇生成基因（STAR、Hsd3b2 和Cyp11a1）的轉錄，干擾小鼠睪丸間質細胞內源性生物鐘，影響生殖系統，導致雄性小鼠的生殖功能障礙[15]。此外，ZEN 還可通過降低谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽還原酶的活性，誘導細胞內ROS 和丙二醛的產生，造成線粒體損傷，引發細胞凋亡[16]。

1.3 嘔吐毒素

DON 常存在于小麥、玉米等各種糧谷類產品中，對農業、畜牧業造成嚴重的損失[13]。DON 會對人和動物產生明顯的毒性效應，急性毒性癥狀常表現為腹瀉、嘔吐、白細胞增多、內臟出血、甚至死亡；慢性毒性表現為免疫毒性、遺傳毒性和生殖毒性等[17]。在體外研究中發現，DON 通過促進ROS 積聚、激活NF-κB 通路能對豬小腸上皮細胞（IPEC-J2）產生直接的毒性作用[18]。DON 還可上調豬小腸上皮細胞（IPEC-1）中TNFR1、RIP3、DRP1 和HMGB1 基因表達激活壞死下垂信號通路，引起細胞損傷和死亡[19]。動物實驗表明，DON 能穿過血腦屏障，使大腦不同區域的荷爾蒙水平變化，損傷腦組織，影響動物行為[20]。

1.4 赭曲霉毒素A

OTA 也是一類引起世界廣泛關注的霉菌毒素[21]，污染植物性食品和肉、蛋等動物性制品，對人體和動物產生腎毒性等多種毒性效應，可導致臟器和胚胎的損傷，破壞神經和免疫系統，甚至致畸和致癌等[13]。其毒性機制主要有引起機體氧化應激、破壞鈣穩態、抑制蛋白質合成、損傷DNA 分子等。Lee 等[22]研究發現OTA 能激活Nrf2 信號通路產生氧化應激，誘導腎臟細胞凋亡。OTA 還可以通過干擾mTORC1，使腎小管上皮細胞發生自噬，引起腎毒性[23]。當OTA作用于肺上皮細胞時產生DNA 加合物，誘導癌變[24]。有關OTA 生殖毒性方面也有較多研究，其能影響豬卵母細胞的轉錄和翻譯，造成生殖毒性；通過AMPK和PTEN 信號通路影響小鼠精子的活力[25]。

1.5 伏馬菌素B1

FB1具有高毒、高穩定性等特征，容易污染食物鏈各個階段，主要污染玉米及其制品[26]，其污染率逐年升高，可損害機體的消化系統、免疫系統、生殖系統、神經內分泌系統，且與人類食管癌關系密切，受到消費者和科研人員的廣泛關注[13]。最新研究發現FB1在肝細胞中會影響參與RNA N6-腺苷酸甲基化的相關酶（去甲基化酶、甲基化酶等）活性，干擾Keap1-Nrf2 信號通路，產生毒性效應[27]。同時，在肝臟組織中FB1可降低HepG2 細胞中DNA 甲基轉移酶的活性并上調甲基化CpG 結合域蛋白2（Mbd2）的表達，促進DNA 甲基化，導致染色質不穩定，甚至引發腫瘤[28]。

2 姜黃素對霉菌毒素毒性的影響及作用機理

姜黃素等許多生物活性物質被報道能有效干預霉菌毒素毒性[29-31]。其中，姜黃素是從姜科植物姜黃根莖中提取的一種來源豐富的天然多酚類化合物，是聯合國糧農組織食品法典委員會批準的食品添加劑（FAO/WHO-1995），也是我國最早允許用于食品工業中的9 種天然色素之一，根據GB 2760-2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》姜黃素在食品中的最大允許使用量為0.7 g·kg-1，具有較高食用安全性[32]，同時還有改善風味、色澤等多種作用[33]。

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姜黃素主鏈為不飽和脂肪族和芳香族基團，含有兩個酚羥基、兩個甲氧基和三個共軛雙鍵（圖1）[4]。姜黃素結構中的酚羥基和甲氧基是其具有抗炎、抗氧化、抗癌等多種生物活性的主要功能基團[34]。姜黃素可作為體內氧自由基清除劑，減少ROS 含量、抑制脂質過氧化，幫助緩解部分慢性疾病并且具有潛在的抗癌作用[35-36]。大量研究發現姜黃素對霉菌毒素毒性具有不同的干預作用（表1），主要通過降低ROS 水平、調控CYP2A6 等蛋白表達和Nrf2/HO-1、PI3KAKT 等信號通路對生物體進行調節。

圖1 姜黃素的化學結構式Fig.1 Chemical structure formula of curcumin

表1 姜黃素對霉菌毒素毒性的干預機理Table 1 Intervention mechanism of curcumin on mycotoxin toxicity

2.1 減少ROS 生成，降低脂質過氧化

目前姜黃素對霉菌毒素毒性影響機理中報道最多的是在動物體內或細胞中減少ROS 生成和降低脂質過氧化作用。主要集中在AFB1、FB1、OTA、ZEN、DON 的相關研究上。

細胞實驗表明，AFB1、FB1、DON、ZEN 會引起細胞氧化應激反應，產生過量ROS。研究發現姜黃素能在一定程度上減弱AFB1誘導的氧化應激，清除ROS，減少DNA 損傷[38]。Ledur 等[29]發現，對于PK-15 細胞，姜黃素（1 μmol·L-1）的預處理可以有效干預FB1（50 μmol·L-1）及DON（0.25 μmol·L-1）的毒性，有效抑制ROS 產生的同時提高細胞存活率。對于ZEN 來說，在ZEN（30 μmol·L-1或60 μmol·L-1）處理豬卵巢顆粒細胞前用姜黃素（20 μmol·L-1）預處理可明顯減弱ZEN 對SOD1 和CAT 信號通路的抑制，維持相關氧化還原通路平衡（超氧陰離子（O2-）在SOD1 作用下分解為過氧化氫（H2O2）和O2；H2O2在GPX1、CAT 作用下轉化為水，減少自由基積累減輕氧化應激[4]。

體內研究表明，霉菌毒素攝入會導致動物肝臟、腎臟等器官充血、變色、增大、壞死，引發急性或慢性炎癥，損傷器官[36]。Li 等[37]的研究表明，肉雞每天進食姜黃素（300 mg·kg-1）能有效減輕飼料中AFB1（5 mg·kg-1）誘導的毒性效應，姜黃素通過抑制肉雞體內ROS、AFB1-DNA 加合物和血清中AFB1-賴氨酸加合物的產生，減輕肉雞體內的氧化應激及肝損傷。禽類攝入一定量FB1后也會產生大量的ROS，擾亂氧化還原平衡，損害DNA、蛋白質、脂質，從而影響細胞增殖，造成肝臟損傷[5]。而攝入姜黃素納米膠囊（10 mg·kg-1）可以減輕飼料中FB1（600 mg·kg-1）對肉雞神經酰胺合成酶活性的抑制，穩定鞘氨醇和二氫鞘氨醇水平，減弱過量鞘脂堿基對呼吸鏈復合體I 生成的抑制以及ROS 水平升高和脂質過氧化，一定程度上保護了肝臟[52]。Verma 等[41]發現姜黃素（10 mg·mL-1）還可以改善小鼠肝、腎臟中AFB1（25～50 μg·0.2 mL-1）對琥珀酸脫氫酶（SDH）和三磷酸腺苷酶（ATPase）活性的影響，提高有氧代謝程度，維持內環境穩定，且對高劑量毒素污染組小鼠酶活的改善影響尤其突出。同樣，姜黃素（100 mg·kg-1）能顯著提高機體內抗氧化酶活性，減少OTA（0.5 mg·kg-1）對大鼠腎臟中主要抗氧化酶GPX 的抑制[45]，降低大鼠體內的脂質過氧化值，減弱OTA 誘導的慢性應激引起的腎損傷[44]。

不論是在細胞層面還是在體內實驗中，姜黃素對于AFB1以及FB1毒性的干預都是十分有效的，但目前還缺乏流行病學數據的支撐，這類研究表明姜黃素添加至動物飼料中減少動物遭受霉菌毒素毒害，增強其抗病能力是較為可行的新型飼料開發方向，其通過減少霉菌毒素引起的氧化應激，維持氧化還原平衡的研究大多停留在表象，未涉及相關機制，還可以進一步深入研究。

2.2 調控相關通路，減少細胞損傷

姜黃素可調控相關通路，改變基因或蛋白的表達，起到保護細胞的作用。目前的報道主要集中在AFB1、ZEN、FB1的相關研究上。許多研究表明PTEN/PI3K/AKT 信號通路在細胞凋亡的調控中起關鍵作用，PTEN 基因與腫瘤發生有密切關系。ZEN 能通過PI3K-AKT 信號通路誘導小鼠睪丸間質細胞（TM3 細胞）凋亡，在此過程中PTEN 基因顯著表達[50-51]。Chen 等[50]發現在TM3 細胞中姜黃素（20 μmol·L-1）能顯著降低ZEN（50 μmol·L-1）引起的PTEN 基因表達，通過PI3K-AKT、Nrf2 和內質網應激信號通路減輕細胞凋亡，同時該研究也表明PTEN 蛋白可能是TM3 細胞中姜黃素的靶點。在該研究中還發現，姜黃素與ZEN 同時存在時可減少ZEN 誘導的Caspase-9 及下游效應因子Caspase-3蛋白的過度表達，減少細胞內環境紊亂，抑制細胞凋亡，但該機理還需在體內實驗中進一步驗證。Yin等[53]研究發現，使用FB1（20 μmol·L-1）處理MARC-145 非洲綠猴腎細胞，會使細胞內游離鞘氨醇堿基積累而破壞鞘脂代謝，引起內質網應激，激活ERN1-MAPK8/9/10 信號通路，進而引發自噬。加入姜黃素（25 μmol·L-1）則可抑制MAPK8/9/10 信號通路的激活，避免FB1誘導的細胞自噬的發生，保護腎細胞。

在體內實驗中，CYP2A6 酶參與肉雞體內AFB1的生物激活反應，其可能是肉雞體內AFB1的主要生物轉化酶之一，在被AFB1（5 mg·kg-1）污染的肉雞飼料中添加姜黃素（450 mg·kg-1）能有效減少AFB1誘導的CYP2A6 相關蛋白表達，抑制CYP2A6 酶活性，減少AFB1對肝細胞及動物肝臟的損傷[39]。Li 等研究[37]發現，若肉雞每日進食受AFB1（5 mg·kg-1）污染的飼料，氧化應激通路Nrf2/HO-1 會受到影響，相關基因及其蛋白表達水平顯著降低，同時會引起DNA損傷標志物8-OHdG 增加。姜黃素（300 mg·kg-1）能在一定程度上維持Nrf2/HO-1 信號通路穩定，保持氧化還原平衡；減少AFB1-DNA 和AFB1-賴氨酸加合物的產生，從而有效減輕AFB1誘導的毒性效應。最新研究發現姜黃素減輕AFB1誘導的肉雞肝臟損傷機制可能與lncRNA 的表達有關，雖然lncRNAmRNA 之間的關系在體外還需要進一步研究，但初步確定lncRNA 是通過調節其靶基因mRNA 的表達來減少AFB1帶來的損傷[40]。

根據目前的研究，姜黃素對霉菌毒素進行干預時所調控的信號通路大多與氧化還原有關，在對霉菌毒素毒性進行干預時，哪些通路是其發揮作用的主要路徑，不同生物體間是否有規律可循，對不同毒素毒性進行影響時是否作用于同一通路，究其機制后，作用于同一通路的其他類似多酚物質是否有與姜黃素協同作用的可能，將其共同添加至人類食品以及動物飼料中能否增強其對霉菌毒素毒性的干預作用，增強機體的抗氧化能力等問題還有較大的研究空間。

2.3 調節免疫系統，維持腸道內環境穩定

研究發現，姜黃素可以通過調控腸道中上皮淋巴細胞和T 細胞功能以改善動物腸道菌群的失調現象，在機體免疫中發揮重要作用，減輕霉菌毒素對腸道的損害。目前報道主要集中在OTA 相關研究上，用OTA 污染的飼料（2 mg·kg-1）飼喂白京鴨會增加其腸上皮內淋巴細胞數量，改變腸道絨毛結構，誘導T 細胞分泌TNF-α，增加腸道通透性，并可能直接或間接地抑制緊密連接蛋白的表達，損害腸道屏障[42]。在飼料中添加姜黃素（400 mg·kg-1）可有效控制上皮內淋巴細胞數量，抑制炎癥細胞因子分泌，減少TNF-α數量，通過發揮其抗氧化和抗炎特性在一定程度上保護T 細胞免受OTA 的損傷，從而減少腸道結構損壞。姜黃素能在動物體內調節免疫細胞以維護腸屏障完整，達到干預OTA 毒性的作用[42-43]。

此外，OTA 會影響生物體盲腸內微生物豐度和多樣性，使盲腸內類桿菌數量上升，類桿菌數量過多或釋放的脂多糖濃度高于正常濃度，會產生毒性損害腸道。Zhai 等[46]研究發現表明，北京鴨食用OTA（2 mg·kg-1）污染的飼料和姜黃素（400 mg·kg-1）后，姜黃素在腸道中保留的濃度較高，可與腸道微生物相互作用，增加腸道微生物多樣性，與文獻報道中姜黃素系統生物利用度較低相符；同時微生物產生的丁酸能調節腸道粘膜的酸堿度，為腸道有益微生物的生長創造酸性環境，減輕OTA 導致的腸道菌群紊亂。此外，腸道中微生物多樣性與機體免疫功能密切相關[47]，微生物群能促進體液免疫（B 細胞發育和T 細胞反應），丁酸能在腸道中形成丁酸鹽，有效抑制促炎細胞因子（IL-6、IL-12）產生，一些丁酸鹽還可增強肉雞肝臟的抗氧化能力，減輕肝臟氧化應激帶來的損傷[48-49]。

姜黃素等多酚類物質對腸道群菌的影響是近幾年的研究熱點[54-55]，且最新的研究表明腸道菌群及其代謝產物能夠有效減弱霉菌毒素帶來的機體損傷，但目前被研究的霉菌毒素種類還較為單一，因多種霉菌毒素都會對腸道產生不良影響，引發菌群失調，推測該防御機制對多種霉菌毒素都有一定的效果，可進一步研究。此外，近年來，有較多學者將姜黃素進行改性和包埋，以提高其水溶性、穩定性和生物利用率等，可結合該類研究對姜黃素在腸道內的作用機制進行探究，優化其對霉菌毒素毒性干預的功能特性。

3 結論與展望

近些年，姜黃素的抗氧化、抗炎、抗癌等生物活性、保健功能和藥理作用受到熱切關注。在霉菌毒素誘導毒性的干預方面，姜黃素通過發揮抗氧化作用來降低體內霉菌毒素誘導的ROS 水平、調控信號通路等來維持機體氧化還原穩態，減少霉菌毒素引起的細胞損傷。此外，姜黃素還能通過調節腸道菌群豐度及多樣性，維持腸道完整，緩解霉菌毒素對機體的損害。通過綜述近些年姜黃素在霉菌毒素誘導毒性干預方面的研究，發現未來仍有一些方向具有較大的研究潛力。

第一，姜黃素對霉菌毒素毒性干預的機理研究仍較為缺乏，還需進一步豐富相關毒理學資料。其中，姜黃素對于AFB1和OTA 毒性干預的動物實驗研究相對比較完整，但總體上缺乏人類流行病學數據和體液樣本分析的支撐；姜黃素對于ZEN 和FB1的相關研究集中在體外實驗中，缺少動物實驗的驗證。此外，姜黃素對毒素毒性干預機理研究中所針對的霉菌毒素種類較少，如AFM1、OTB、T-2 毒素等可進一步研究。

第二，目前對化學危害物毒性干預作用的研究多為單一成分（如槲皮素、芹菜素、綠原酸、橙皮苷、阿魏酸和迷迭香酸等），且很多成分對有害物質毒性干預機制與姜黃素相似，多為降低ROS 和脂質氧化產物的水平、調控CYP1A1、GPX 等相關酶水平以及炎癥基因NF-κB 等[30-31,56-57]。這些組分與姜黃素之間是否具有協同作用？這些組分是否可以進行聯合干預？多組分互作對霉菌毒素毒性具有什么樣的影響？諸如此類研究均較為缺乏，未來還有較大研究的空間。

第三，姜黃素作為安全性較高的食用色素，在改性、包埋、遞送等領域也常有研究，姜黃素對霉菌毒素的干預作用是否可以結合這些應用方式對霉菌毒素毒性進行控制，提高農產品、飼料等的消費安全是未來可以深入考慮和研究的一個方向。此外，以谷物為主食的人群存在較高的霉菌毒素暴露風險，基于姜黃素等植物源性天然產物開發具有針對性的健康膳食食譜、綠色食療產品、功能型食品以及膳食補充劑等也具有較大的市場潛力。