中藥對氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性的抑制研究進展

宋伏洋, 黃壯壯, 李 波, 李金晟, 劉 峰, 3, 4*

1.陜西中醫(yī)藥大學, 咸陽 712046; 2.陜西國際商貿學院, 咸陽 712046; 3.陜西步長制藥有限公司, 西安 710075; 4.陜西省中藥綠色制造技術協(xié)同創(chuàng)新中心, 咸陽 712046

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計,全球約4.6億人患有聽力障礙,藥物性耳聾是其重要原因之一[1],其中氨基糖苷類藥物和順鉑是近年來應用較多的致耳毒性藥物。氨基糖苷類藥物包括鏈霉素、慶大霉素、妥布霉素、阿米卡星和依替米星等。由于其對耳、腎具有毒性和不良反應,在過去一段時間內,較少應用于臨床,但隨著多重耐藥細菌感染事件的增多,人們重新開始關注氨基糖苷類藥物,由于其價格低廉且具有廣譜抗菌的特性,目前仍然是全球廣泛使用的抗生素之一[1-2]。順鉑是臨床上治療多種實體瘤的一線藥物[3],廣泛用于肺癌、睪丸癌、卵巢癌、胃癌、間皮瘤等的治療[4],但其具有較大的毒性和不良反應,即使癌癥痊愈后,也會影響患者的生活質量。

氨基糖苷類藥物和順鉑導致耳毒性往往與內耳毛細胞受損有關,由于哺乳動物聽覺毛細胞再生功能障礙,內耳毛細胞受損后往往是不可逆的[5]。目前中藥對氨基糖苷類藥物和順鉑導致的內耳毛細胞損傷有較好的治療作用,凸顯出了該類中藥潛在的臨床應用價值,因此,概述當前氨基糖苷類藥物和順鉑誘發(fā)耳毒性的研究現(xiàn)狀,梳理對氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性有預防作用的中藥,并歸納其共同的作用機制,可為后續(xù)開發(fā)基于靶點的耳毒性中藥提供重要的依據(jù)。

1 氨基糖苷類藥物和順鉑進入毛細胞的主要途徑

氨基糖苷類藥物和順鉑主要通過轉運蛋白或轉運離子從血管紋進入內淋巴液。其中順鉑可能通過邊緣細胞中的有機陽離子轉運蛋白2(organic cation transporter 2,OCT2)和銅轉運蛋白1(copper transporter 1,CTR1)等進入內淋巴液,氨基糖苷類藥物進入內淋巴液的途徑尚不清楚,但有研究表明,瞬時受體電位V1(transient receptor potential vanilloid 1,TRPV1)和瞬時受體電位V4(transient receptor potential vanilloid 4,TRPV4)可能是其進入內淋巴液的途徑[6]。最終藥物通過立體纖毛機械電傳導(mechanoelectrical transducer,MET)通道、瞬時感受器電位(transient receptor potential,TRP)通道等從毛細胞的頂端進入毛細胞[7]。

圖1 氨基糖苷類藥物和順鉑進入毛細胞途徑示意圖

2 氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性機制的研究進展

氨基糖苷類藥物導致的細胞毒性是由于線粒體核糖體與細菌核糖體的競爭性結合導致的。氨基糖苷類藥物原本與細菌核糖體結合發(fā)揮抗菌作用,但因線粒體核糖體與細菌核糖體的相似性,使得氨基糖苷類藥物誤與線粒體核糖體結合,抑制線粒體中蛋白的生物合成,從而導致呼吸鏈功能出現(xiàn)異常,氧自由基增多[8]。

順鉑誘導的細胞毒性是由于順鉑進入耳蝸細胞后,順鉑上的氯原子被水分子取代后形成潛在的親電子體水合順鉑,可與核和線粒體脫氧核糖核酸(deoxyribo nucleic acid,DNA)上2個相鄰鳥嘌呤共價結合,形成加合物,阻斷了DNA轉錄并導致雙鏈斷裂[9]。此外,順鉑還能激活內質網(wǎng)應激途徑和線粒體活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成途徑,產生過量的ROS[10]。

ROS作為正常細胞氧代謝的副產物,可參與多種酶促反應,在細胞信號轉導中具有重要的作用。然而在一些耳毒性藥物如氨基糖苷類和順鉑的刺激下,ROS水平會顯著升高。ROS作為一種強氧化劑,與一些分子相互作用,促進自由基的產生,從而嚴重破壞細胞結構。為了維持體內氧化還原穩(wěn)態(tài),細胞內的過氧化氫酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、還原性谷胱甘肽(glutathione,GSH)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)等抗氧化酶可中和過量的ROS以減輕耳毒損傷[11]。當抗氧化酶消耗過多,毛細胞內殘余的ROS會破壞細胞結構,導致毛細胞凋亡[12]。

氨基糖苷類藥物和順鉑還會使毛細胞內誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)表達增加,iNOS催化L-精氨酸引起體內大量一氧化氮(nitric oxide,NO)的產生。NO除本身細胞毒性外,還會與ROS發(fā)生反應,生成氮的過氧化物, 也對細胞有較強的毒性作用[12]。

氨基糖苷藥物和順鉑還可激活信號轉導和轉錄激活因子1(signal transducer and activator of transcription 1,STAT1),增加促炎細胞因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)和核因子-κB(nuclear factor κB,NF-κB)的產生,進而激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)家族中caspase-3和caspase-49,最終導致細胞凋亡[11]。

此外,鈣離子(Ca2+)也會影響細胞凋亡,Ca2+在細胞膜上是以與磷酸肌醇酯相結合的狀態(tài)存在的,由于氨基糖苷類藥物和順鉑等也會與磷酸肌醇酯結合,競爭性結合后,胞內Ca2+釋放,胞外Ca2+增多,大量的Ca2+會通過MET等通道進入毛細胞內,從而激活胱天蛋白酶凋亡通路,導致聽覺系統(tǒng)損傷[13]。

3 氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性的影響因素

當人體內某些基因發(fā)生突變時,使用這兩類藥物導致耳毒性的風險會大幅增高。研究表明,當特定的線粒體基因(如A1555G、C1494T、T1095C、A839G和A1027G)發(fā)生突變時,會使氨基糖苷類藥物與線粒體核糖體有更好的親和力,導致蛋白質合成過程中mRNA的錯誤翻譯,最終導致細胞死亡[7]。順鉑致耳毒性發(fā)生也與特定的基因有關,張維真等[14]確定了TPMT和COMT基因的變異與順鉑誘導的兒童聽力損傷相關。還有證據(jù)表明ACYP2基因變異也與順鉑誘導的耳毒性有關[15]。

此外,給藥頻率及患者年齡也會影響耳毒性的發(fā)生。在對藥物清除率的研究中發(fā)現(xiàn),依替米星在大鼠內耳清除半衰期(t1/2)為(155.96±19.95),在耳組織的清除t1/2遠長于在血漿的t1/2,表明其在體內的清除速度緩慢[16]。若長期服用,或短期頻繁使用,容易造成藥物蓄積,使藥物穿過血-迷路屏障((blood-lybrinth barrier,BLB),蓄積于內淋巴液中,從而損傷內耳毛細胞[17]。患者年齡也會影響耳毒性的發(fā)生,兒童患者內耳累積量高于普通成年人,其原因可能與兒童患者腎小球、腎小管發(fā)育不全導致清除率低有關[18]。

4 中藥對氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性抑制作用的研究進展

4.1 中藥單體化合物對氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性的抑制作用 見表1。

表1 中藥單體化合物對氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性的抑制作用

4.1.1淫羊藿苷 淫羊藿苷已被證實能抑制細胞自噬,從而減少細胞凋亡[19]。胡月[1]在慶大霉素耳毒性模型中發(fā)現(xiàn),慶大霉素還可以通過激活與氧化應激密切相關的腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)/沉默信息調節(jié)因子3(sirtuin 3,SIRT3)信號通路抑制氧化應激來發(fā)揮耳毒性抑制作用。

4.1.2二氫楊梅素 韓賀舟[8]用慶大霉素構建氨基糖苷類藥物耳毒性模型,結果發(fā)現(xiàn),二氫楊梅素可通過激活過氧化物酶體增殖物活化受體γ協(xié)同刺激因子-1α(peroxisome proli-ferator-activated receptorgamma coactivator,PGC-1α)/去乙酰化酶蛋白sirtuin 3(SIRT3)信號通路抑制由慶大霉素引起的細胞凋亡和氧化應激反應,進而發(fā)揮耳毒性抑制作用。

4.1.3柚皮苷 柚皮苷在不影響氨基糖苷類藥物抑菌效果和順鉑抗腫瘤效果的前提下,可以降低與細胞凋亡相關的caspase-3、P53蛋白、bcl-2相關的X基因(bcl-2-associated X protein,BAX)和B淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,bcl-2)表達的水平和線粒體ROS自由基的水平從而降低耳毒性[20-21]。

4.1.4葛根素 馬婷婷等[22-23]研究發(fā)現(xiàn),葛根素通過降低耳蝸內基質交感分子1(stromal interaction molecule,STIM1)、orai1瞬時感受器電位、TRPV1、鈣蛋白酶2(calpain2,CAPN2)的高表達,抑制耳蝸細胞發(fā)生鈣超載,減輕順鉑致耳毒性。

4.1.5原花青素 原花青素可使細胞內ROS自由基含量降低,bax、caspase-3、caspase-8表達量降低[24]。

4.1.6紅景天苷 紅景天苷通過激活核因子E2相關因子2(nuclear factorerythroid 2-related factor 2,NRF2)/抗氧化反應元件(antioxidant response element,ARE)信號通路,增加SOD活性和GSH活性, 降低丙二醛 (malondialdehyde,MDA)含量,發(fā)揮抗氧化作用,減輕耳蝸毛細胞損傷[25]。

4.1.7人參皂苷Rg1人參皂苷Rg1可使耳蝸內氧化水平降低,減輕豚鼠內耳外毛細胞及螺旋神經(jīng)節(jié)的損傷。研究表明,其主要是通過抑制耳蝸組織內促凋亡蛋白caspase-3及p53的表達,激活耳蝸內與氧化應激密切相關的蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/ Nrf2信號通路發(fā)揮作用的[26]。

4.1.8熊果酸 熊果酸可拮抗順鉑導致的小鼠耳毒性,其通過抑制3-硝基酪氨酸(3-nitro-l-tyrosine,3-NT)、鈣蛋白酶1(calpain1,CAPN1)、TRPV1的高表達以及細胞內Ca2+的濃度,從而改善順鉑導致的聽力損傷程度[27-28]。

4.1.9銀杏葉內酯B 銀杏葉內酯B通過上調Nrf2的表達或降低促凋亡因子P53及其下游靶標NOX4的表達水平來減少超氧化物的產生[29-30]。

4.1.10川芎嗪 在對順鉑的研究中,楊佳慧等[31]研究發(fā)現(xiàn),川芎嗪可抑制信號轉導和轉錄激活 (signal transducer and activator of transcription,STAT)家族中STAT1蛋白的表達, 減少細胞內ROS的生成, 繼而抑制由細胞氧化反應引起的細胞凋亡或壞死。冷輝等[32-33]研究發(fā)現(xiàn),川芎嗪通過抑制順鉑與細胞膜表面的自殺相關因子(fatty acid synthase,FAS)及其配體(fatty acid synthase,FASL)結合、抑制促凋亡基因p53的表達、抑制絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)家族的重要成員c-jun氨基末端激酶 (c-junN-terminal kinase,JNK)及其下游蛋白的表達,來防止細胞凋亡執(zhí)行階段關鍵蛋白caspase-3的活化,從而抑制由caspase家族級聯(lián)反應導致的細胞凋亡。在對氨基糖苷類藥物的研究中還發(fā)現(xiàn),川芎嗪通過提高SOD含量抑制MDA產生,或通過抑制iNOS活性的異常增高, 減少NO的過量生成, 從而減少自由基生成, 保護耳蝸組織免受氨基糖苷類藥物毒性的破壞[34]。

4.1.11連翹酯苷 連翹酯苷在一定程度上可以防治順鉑所致的耳蝸損傷,其機制與上調耳蝸組織抑凋亡蛋白bcl-2的表達,下調caspase-3蛋白、c-jun蛋白表達水平有關[35-37]。此外,趙安未等[38]研究表明,與順鉑組相比,使用連翹酯苷后,豚鼠耳蝸磷酸化蛋白激酶B(phosphorylated Akt protein,P-Akt)表達水平升高,表明連翹酯苷對耳蝸的保護作用也可能與上調P-Akt表達有關。

4.1.12丁香酚 丁香酚可通過提高抗氧化酶水平和降低氧化參數(shù)水平來保護內耳毛細胞,其抗氧化活性來自其甲氧基酚結構[39]。

4.1.13姜油酮 姜油酮可致大鼠耳蝸內MDA水平明顯降低,SOD和GSH-Px明顯升高,炎癥相關因子TNF-α表達降低。表明姜油酮主要通過抵抗氧化應激和炎性反應預防耳毒性[40]。

4.1.14姜黃素 姜黃素可能是一種自由基清除劑。研究發(fā)現(xiàn),與對照組相比,順鉑可增加1.2 倍ROS的量[41]。當與姜黃素類化合物CLEFMA和EF24 聯(lián)合使用后,ROS降低,且姜黃素聯(lián)合順鉑組的細胞凋亡率明顯低于順鉑組[42]。結果表明,姜黃素可能通過清除順鉑產生的ROS,減少細胞凋亡發(fā)揮抗耳毒性作用。

4.1.15白藜蘆醇 白藜蘆醇預防順鉑耳毒性的有效性已在多項研究中得到證實,其主要通過減少ROS增強抗氧化作用從而抑制耳毒性[43-45]。

4.1.16大蒜素 大蒜素能顯著降低耳蝸組織中bax、caspase-9、caspase-3的表達,增加bcl-2的表達,減少順鉑誘導的螺旋神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元中線粒體的損傷,同時減少耳蝸中轉、底轉外毛細胞p53的表達及耳蝸中轉支持細胞中p53的表達,保護耳蝸外毛細胞和支持細胞的凋亡。大蒜素還能降低耳蝸組織中MAD水平,升高耳蝸組織中SOD的水平,通過抗氧化作用抑制順鉑誘導的耳蝸損傷[46]。

4.2 中成藥及中藥方劑對氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性的抑制作用 見表2。

表2 中成藥對氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性的抑制作用

4.2.1刺五加注射液 刺五加注射液可通過降低外源性谷氨酸的濃度,減少Ca2+大量內流,發(fā)揮抗耳毒性作用[47]。胡文良等[48]通過實驗證明,刺五加干預后螺旋神經(jīng)節(jié)磷酸化P38絲裂原活化蛋白激酶(P-P38 mitogen-activated protein kinase,P-P38MAPK)的表達降低,表明刺五加可能通過抑制P-P38MAPK蛋白的表達,清除自由基,從而抑制耳蝸細胞凋亡。

4.2.2丹參注射液 丹參注射液可抑制iNOS表達,減少NO合成,減少細胞毒性和細胞凋亡[49]。

4.2.3復方健耳劑 復方健耳劑中含有黃芪、丹參、骨碎補、葛根等藥材,通過上調硫氧還蛋白-1(thioredoxin-1,Trx-1)、硫氧還蛋白-2(thioredoxin-2,Trx-2) mRNA表達減少氧化還原反應,下調凋亡信號調節(jié)激酶1 (apoptosis signal-regulating kinase 1,ASK1) mRNA的表達,減少細胞凋亡[50]。

4.2.4柴胡聰耳湯 柴胡聰耳湯中含有連翹、柴胡、炙甘草等藥材,通過提高SOD、CAT含量,降低MDA含量,減少氧化應激反應,減輕慶大霉素誘發(fā)的耳毒性[51]。

5 結論

中藥對氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性的抑制機制主要通過以下幾個方面:一是激活與氧化應激密切相關的AMPK/SIRT3、PGC-1α/SIRT3、NRF2/ARE、Akt/Nrf2等信號通路,提高SOD和GSH-Px的活性,減少MDA和ROS的產生,防止過氧化導致細胞凋亡;二是抑制3-NT、Calpain1、TRPV1的表達,降低耳蝸毛細胞內Ca2+水平,防止耳蝸細胞發(fā)生鈣超載導致細胞凋亡;三是抑制炎癥因子,如TNF-α的表達,減少炎癥產生,防止細胞凋亡;四是抑制iNOS表達,減少NO過度產生,防止NO與自由基反應生成毒性更強的物質導致細胞凋亡;五是直接上調抗凋亡蛋白bcl-2和P-Akt的表達,或下調凋亡蛋白如bax、p53、c-jun的表達,抑制caspase家族級聯(lián)反應,防止細胞凋亡。

上述用于預防氨基糖苷類藥物和順鉑致耳毒性的中藥單體化合物中,抗氧化劑最多,且黃酮類化合物最多。大多數(shù)耳毒性抑制中藥研究對象為單體化合物,中成藥對氨基糖苷類和順鉑致耳毒性的抑制研究較少。

中醫(yī)認為耳毒性屬于瘀毒的范疇,其主要與腎精虧虛有關,古典醫(yī)集中有腎氣充實則耳聰、腎氣虛敗則耳聾之說,因此可以通過行氣解毒、化瘀通絡、補腎氣來抑制氨基糖苷類和順鉑致耳毒性[52-53]。在補腎藥中開發(fā)能有效預防或減輕氨基糖苷藥物和順鉑致耳毒性的藥物也是未來藥物研究的一個潛在方向。

內耳是一個復雜的立體腔隙結構,其組織取材過程較其他組織復雜,同時對于特定檢測指標的定位及定量評判需要更加專業(yè)的知識,導致了該領域技術發(fā)展緩慢[54]。內耳BLB的存在,使普通藥物難以直接作用于目標靶點,增加了治療難度。目前大多數(shù)患者主要依靠助聽器和人工耳蝸等輔助設備接收聲音,但這些設備都存在分辨率差的缺點。但在很多場合下,多數(shù)聽障人士雖然可以聽到聲音,卻無法分辨聲音,可能與周邊環(huán)境嘈雜及助聽器和人工耳蝸技術發(fā)展受限有關。未來改善聽力的方式或許可以向腦機接口等方向發(fā)展,用體外設備將聲音接收,無需經(jīng)過內耳途徑,直接與腦機接口連接,成為人們所理解的語言。