黃連素通過調控絲裂原活化蛋白激酶信號通路治療各科疾病的藥理機制研究進展

陳維萍 南楚 劉怡伽 蘇丹穎

黃連素又名小檗堿,是一種淡黃色異喹啉生物堿,廣泛存在于黃連、黃柏、黃芩和小檗等中草藥的根、根莖和莖皮中[1],被用作治療腹瀉的非處方藥,不良反應小。黃連素已被證實具有多種藥理活性,如抗腫瘤,抗糖尿病,神經保護,抗病毒等[2]。黃連素由于其生物活性的多樣性、低毒性和低成本特性,近年來對黃連素的研究已成為熱點,受到了國內外學者的廣泛關注。絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路廣泛表達于大多數哺乳動物細胞中,將細胞外信號與控制細胞生長、增殖、分化、遷移和凋亡等基本細胞過程聯系起來[3]。MAPK家族成員眾多,主要被分為4個亞族,包括細胞外信號調節蛋白激酶1/2(extracellular-signal-regulated kinase 1/2,ERK1/2)、p38、氨基末端激酶(c-Jun-amino-terminal kinase,JNK)和ERK5[3, 4]。MAPK信號通路不僅是細胞生理過程所必須,還參與眾多疾病發病機理。目前從調控MAPK信號通路角度探討黃連素藥理作用的研究越來越多,并發現在不同疾病中,黃連素對MAPK通路的影響存在差異。本文將對黃連素所治療的疾病涉及到MAPK信號通路的研究進行綜述,以期進一步機制研究和臨床應用提供思路。

1 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮抗癌作用

癌癥可以被看作是細胞之間和細胞內部的一種通信疾病,許多癌癥的發生存在MAPK信號通路的異常[5]。由于癌癥的復雜性和MAPK通路的廣泛性,不同腫瘤中以及不同環境下,MAPK通路之間的整合可能有很大的不同。黃連素具有直接抗癌作用,機制包括調節細胞周期、細胞凋亡和細胞自噬,抑制細胞侵襲,調節microRNA表達、端粒酶活性以及腫瘤微環境等[6]。此外,黃連素具有癌癥治療化療/放射增敏和保護作用,可以被用作治療癌癥的輔助藥物,改善癌癥的耐藥和復發[7]。

1.1 基于ERK1/2通路抗癌作用

在ERK1/2通路中,存在RAS/RAF/MEK1/2/ERK1/2信號轉導級聯反應,其在超過三分之一的人類癌癥中異常激活[5]。在三陰性乳腺癌細胞中,Kim等發現黃連素可通過抑制癌細胞EGFR/MEK/ERK通路下調白細胞介素(interleukin,IL)-8的表達抑制癌細胞轉移[8]。Jin等論述了黃連素可通過抑制VEGFR2/ERK通路抑制人膠質母細胞瘤血管生成[9]。Puthdee等論證了黃連素通過ERK1/2通路將膽管癌細胞細胞周期阻滯在G1期,從而抑制細胞生長[10]。在黃連素輔助用藥方面,有報道稱黃連素可以通過ERK1/2信號通路誘導替莫唑胺耐藥膠質母細胞瘤細胞自噬和凋亡,從而降低膠質母細胞瘤對替莫唑胺的耐藥性[11]。

1.2 基于p38和JNK通路抗癌作用

JNK和p38通路參與應激信號傳遞,介導細胞凋亡、炎癥、細胞代謝和細胞周期調節等細胞過程[3]。其在癌癥中的功能是復雜的,即可表現抗增殖和促凋亡,又可能有助于腫瘤發生[5]。Wang等研究發現黃連素通過阻斷JNK和p38通路來抑制胃癌細胞的遷移和侵襲[12]。在人軟骨肉瘤HTB94細胞中,黃連素通過激活PI3K和p38誘導p53和p21的表達,從而將HTB94細胞的細胞周期阻滯在G2/M期,以抑制細胞增殖[13]。Wang等論述了黃連素聯合光動力療法可通過激活ROS/P38/CASPASE級聯反應使順鉑耐藥黑色素瘤細胞對順鉑誘導的細胞凋亡敏感[14]。

目前有大量的研究顯示,黃連素被用作抗癌藥或抗癌輔助藥具有巨大的潛能,且在多種癌中可顯示藥理作用,比如肺癌、乳腺癌、膠質母細胞瘤、黑色素瘤和食管癌等,可見黃連素可能通過作用于癌癥的共同發生機制,比如MAPK信號通路異常,但是黃連素在不同癌中對MAPK通路的調控有所不同,未來需要進一步闡明黃連素調控MAPK信號通路的上下游效應因子信號傳導機制以及相關的表觀遺傳。

2 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮抗病原體作用

2.1 抗病毒作用

參與病毒復制的一條重要通路是MAPK信號通路[15]。多項研究證實,黃連素對柯薩奇病毒、腸道病毒、流感病毒、呼吸道合胞病毒等多種病毒表現出顯著的抗病毒作用,其機制與MAPK通路抑制有關[16-19]。Pawe等論述了黃連素可通過下調ERK1通路抑制甲型流感病毒復制[16]。在腸道病毒71型中,黃連素可抑制JNK磷酸化下調病毒誘導的自噬和抑制MEK/ERK通路抑制病毒復制[19]。Dai等報道了黃連素通過抑制JNK和p38活化抑制柯薩奇病毒B3型復制[17]。

2.2 抗菌作用

Liu等用黃連素衍生物干預感染耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和腸侵入性大腸桿菌的小鼠BMDM細胞,發現其可以有效清除病原菌,機制研究發現,黃連素衍生物并不直接殺滅細菌,而是通過激活JNK和AMPK通路增強細胞溶酶體活性,進而清除細菌[20]。脂多糖是革蘭陰性菌外膜內的主要糖脂,是細菌致病的重要成分之一。研究表明,黃連素能有效抑制脂多糖刺激引起的豬腸上皮細胞促炎細胞因子IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)mRNA表達和抑制p-ERK1/2、p-JNK和p-p38蛋白水平,可見黃連素可以抑制細菌脂多糖誘導的腸道炎癥,其機制與MAPK通路抑制有關[21]。白色念珠菌是臨床上常見的真菌感染菌屬,高滲透性甘油促分裂原活化蛋白激酶信號通路(high osmolarity glycerol mitogen-activated protein kinase,HOG-MAPK)是白色念珠菌中的一條經典途經MAPK通路,調控其對外界刺激的適應、細胞的形態轉換及細胞壁的合成。Huang等研究發現黃連素顯著提高白色念珠菌胞內甘油和活性氧(reactive oxidative species,ROS)水平,抑制芽管和菌絲的形成,增加胞壁甲殼素和β-1,3-葡聚糖的暴露,從而發揮抗菌作用,這可能與黃連素影響HOG-MAPK通路有關[22]。

目前發現黃連素調控MAPK信號通路發揮的抗菌作用主要是通過影響哺乳動物細胞宿主來實現,而在不同種屬之間MAPK信號通路存在差異,未來可以進一步研究黃連素是否可以通過調控細菌細胞內的MAPK通路發揮抗菌作用。

3 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮抗糖尿病作用

3.1 降血糖

黃連素可增進周圍組織葡萄糖攝取,Cheng等研究發現黃連素通過促進p38磷酸化增加骨骼肌細胞葡萄糖攝取,且p38抑制劑SB202190能使黃連素促進的攝糖作用減少53%[23]。進一步研究顯示,黃連素通過激活MAPK通路提高葡萄糖轉運體1表達和活性,進而促進組織葡萄糖攝取[24]。

3.2 改善胰島素抵抗

肥胖是一種脂肪組織中低級別的慢性炎癥狀態,導致胰島素抵抗和II型糖尿病。在飲食誘導肥胖小鼠模型中,黃連素可以抑制脂肪組織中M1巨噬細胞活化相關炎癥,從而抑制炎癥因子介導JNK通路激活,改善胰島素敏感性受損[25]。在多囊卵巢綜合征大鼠模型中,黃連素上調卵巢葡萄糖轉運體4和下調胰島素抵抗值的同時抑制了p38、ERK和JNK磷酸化水平,這提示黃連素可能通過抑制MAPK通路改善多囊卵巢綜合征胰島素抵抗[26]。

3.3 保護胰島β細胞

I型糖尿病是由T細胞介導的β細胞破壞和嚴重的胰島炎癥引起的,有研究發現,黃連素可以通過激活ERK1/2抑制Th17分化和下調p38和JNK抑制Th1分化延緩非肥胖糖尿病小鼠I型糖尿病的發病[27]。此外,Bi等人研究發現,黃連素干預糖尿病小鼠,可以改善糖代謝,減少胰島β細胞凋亡,進一步體外實驗發現,機制可能與抑制p38和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3(caspase-3)的表達有關[28]。

現有研究表明黃連素抗糖尿病的機制涉及還涉及到抗炎和抗氧化應激作用,而MAPK通路則參與機體炎癥反應和氧化應激過程,未來可以進一步進行相關機制研究。

科學家如今已經建立了一些不同類型的基因編碼電壓指示器（GEVIs）。其中主要的一種（上）將電壓感受蛋白，譬如鈉離子通道的膜結合部位，與一個或多個熒光視紫紅質相融合，一個膜通道將直接改變其對電場反應的熒光特質。

4 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮抗動脈粥樣硬化及調血脂作用

4.1 抗動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種復雜的慢性炎癥和代謝疾病,其特點是動脈壁出現異常炎癥反應和脂質代謝失調。在動脈粥樣硬化中,內皮細胞功能障礙、血管平滑肌細胞遷移和增殖、泡沫細胞形成和炎癥細胞募集有助于疾病進展。已有研究證明,黃連素可以通過抑制MAPK通路抑制機械牽張力引起的血管平滑肌細胞增殖,抑制氧化型低密度脂蛋白誘導人臍靜脈內皮細胞增殖和抑制血管緊張素Ⅱ誘導的人臍靜脈血管內皮細胞凋亡,這體現了黃連素發揮著保護血管平滑肌細胞和內皮細胞作用[29]。

4.2 調血脂

近年黃連素用于血脂異常患者的臨床隨機對照實驗顯示黃連素降脂效果明顯,黃連素降脂潛能巨大[30]。Cheng等論述了黃連素通過激活JNK通路促進PON1基因的轉錄,其中PON1蛋白與高密度脂蛋白相關,可以預防動脈粥樣硬化[31]。Ma等用黃連素干預高脂飲食小鼠后,發現小鼠血清血脂水平降低,動脈粥樣硬化斑塊減少,肝脂質沉積減輕,進一步機制研究發現,黃連素可以激活ERK1/2途徑下調PCSK9表達[32]。血清中低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)的清除主要通過肝臟低密度脂蛋白受體(low density lipoprotein receptor,LDLR)介導,研究發現黃連素可通過激活JNK通路誘導的肝臟LDLR上調,促進肝攝取LDL-C[33]。

黃連素在調血脂和抗動脈粥樣硬化作用上具有較大潛能,現有的大量臨床研究和Meta分析發現黃連素具有顯著的降脂作用[34],但機制研究方面主要有降血脂、抗氧化、抗炎癥和保護血管內皮,更多機制和具體分子通路還需進一步探索。

5 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮心臟保護作用

5.1 抗心肌缺血

冠心病是世界范圍內導致死亡和殘疾的主要原因之一,其危險因素包括高脂血癥、動脈粥樣硬化和高血壓等。在心肌缺血再灌注損傷模型中,黃連素的干預改善了心功能障礙,其機制是黃連素通過下調JNK介導的核轉錄因子(nuclear factor kappa B,NF-κB)信號通路降低炎癥因子表達和抑制心肌細胞凋亡[35]。在大鼠心肌梗死模型中,黃連素減弱心肌梗死后左室重構和心功能障礙,其機制與通過抑制p38通路來增強心肌梗死后的自噬有關[36]。

5.2 改善心肌重塑

Li等用黃連素干預主動脈縮窄誘導的心肌肥厚伴心功能障礙大鼠,發現黃連素可以改善心肌肥厚、心肌間質纖維化和心功能障礙,其機制與通過抑制p38和ERK1/2信號通路來增強自噬有關[37]。此外,在糖尿病心肌病中,黃連素也表現出抗心肌纖維化。李國華等研究顯示,黃連素可以改善糖尿病大鼠心臟功能和心肌纖維化,機制與抑制ERK有關[38]。

黃連素用于治療心率失常的研究較少,有研究發現黃連素可能具有抗心房顫動作用,未來研究黃連素對心臟疾病治療作用機制,可以著重研究黃連素抗心率失常的藥理機制。

6 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮神經系統保護作用

6.1 抗神經退行性疾病

神經退行性疾病是一組由于中樞神經系統特定神經元的逐漸喪失,出現明顯的運動和認知功能障礙的異質性疾病,主要包括阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)和帕金森病等。阿爾茨海默病是一種神經退行性的癡呆癥,其神經病理特點是β淀粉樣蛋白的積累、神經原纖維纏結和動脈硬化變化。黃連素可以改善AD的病理過程,分子機制與MAPK通路有關。研究顯示黃連素可以增加AD小鼠模型海馬神經生長因子、p-ERK和p-RCEB表達來改善認知損傷[39]。朱飛奇等報道了,黃連素可通過促進ERK1/2磷酸化水平抑制HEK293細胞β淀粉樣蛋白表達,且這種關系可以被ERK1/2抑制劑逆轉[40]。小膠質細胞內MAPK通路激活可引起促炎介質的合成和釋放,引發神經炎癥,從而驅動神經退行性疾病。Lu等論述了 黃連素可以有效地抑制脂多糖及干擾素誘導的BV-2小膠質細胞ERK激活,從而抑制IL-6、TNF-α和IL-1β炎癥因子的表達[41]。

6.2 抗神經損傷

在氧糖剝奪條件下培養的海馬神經元細胞中,黃連素減少神經細胞死亡與提高p-ERK1/2水平和降低Caspase-3活性有關[42]。在喹啉酸誘導的急性神經毒性小鼠中,黃連素能激活紋狀體PKC/ ERK/CREB通路增加腦源性神經營養因子表達和減少紋狀體損傷面積,從而發揮神經保護作用[43]。黃連素改善糖尿病性神經病變也可能涉及MAPK通路,在糖尿病海馬病變大鼠實驗中,黃連素改善糖尿病神經病變的微病理與下調p38和JNK有關[44]。

MAPK通路參與腦卒中、癲癇、多發性硬化等多種神經系統疾病的發生,未來的研究還可以探討黃連素對其他更多神經系統發揮藥理作用是否與調控MAPK通路有關。

7 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮消化系統保護作用

7.1 抗胃腸炎和胰腺炎

炎癥性腸病包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病。Zhai等研究表明黃連素能顯著改善葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎小鼠結腸組織損傷和炎癥反應,進一步細胞實驗證實黃連素可以通過抑制JNK活化來抑制胞漿磷脂酶A2α及內質網應激相關結腸炎癥反應[45]。慢性胃炎的常見病因是幽門螺桿菌感染,田華等人發現黃連素可以減輕幽門螺桿菌相關性胃黏膜損傷和炎癥因子產生,其機制與ERK1/2通路抑制有關[46]。在急性胰腺炎小鼠模型中,黃連素可以抑制胰腺損傷,降低血清淀粉酶和脂肪酶水平,這與黃連素抑制胰腺JNK和p38的活化有關[47]。

7.2 肝保護作用

有研究發現,黃連素具有保肝作用。在對甲氨蝶呤致肝中毒大鼠使用黃連素后,肝臟組織病理結構得到改善,血清谷丙轉氨酶、堿性磷酸酶、谷草轉氨酶和乳酸脫氫酶水平降低,其分子機制與肝臟p38基因下調有關[48]。Feng等研究發現黃連素可以減輕非酒精性脂肪肝大鼠肝脂質沉積,降低血清谷丙轉氨酶水平,同時下調TNF-α、NF-κB、p-ERK和p-JNK表達[49]。

黃連素被用治療腹瀉已經有上千年的歷史,除了通過抗菌作用來發揮治療腸道感染腹瀉外,還具有改善腸道菌群失調作用,這可能是黃連素在非腸道感染相關腹瀉發揮作用的機制。

8 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮腎臟保護作用

8.1 抗糖尿病腎病

糖尿病腎病是糖尿病的主要并發癥,也是導致終末期腎功能衰竭的主要原因,其主要病理特征是腎纖維化[50]。在糖尿病小鼠腎損傷模型中,黃連素可以改善腎功能,通過降低腎小球系膜細胞纖維連接蛋白發揮抗腎纖維化,其機制可能與黃連素抑制S1P2/MAPK密切相關[51]。Yang等也報道了BBR可通過抑制S1P2/MAPK通路降低高糖條件下腎小球系膜細胞纖維連接蛋白、細胞間黏附因子1和轉化生長因子β1水平[52]。

8.2 抗藥物性腎損傷

黃連素可以減輕藥物引起的腎毒性損傷,機制與抑制JNK和p38通路有關。Hassanein等論述了黃連素顯著改善甲氨蝶呤誘導的血清肌酐、尿素、尿酸升高和腎臟病理改變,這可能與黃連素抑制p38/NF-κB相關炎癥有關[53]。同樣的,在順鉑誘導的腎毒性大鼠模型中,黃連素可通過抑制JNK和p38激活抑制腎組織的炎癥來減輕腎損傷[54]。

8.3 抗腎缺血

缺血缺氧后再灌注復氧誘導的細胞凋亡被認為是腎缺血再灌注損傷的重要發病機制,Lu等研究表明黃連素可以降低人近端小管上皮HK-2細胞缺氧/復氧損傷誘導的細胞凋亡,其機制包括抑制p38和線粒體應激通路[55]。

MAPK通路廣泛參與腎臟生理和病理生理過程,比如腎缺血再灌注損傷過程中存在腎臟JNK和p38的激活,現有的小檗堿調控MAPK通路發揮腎保護作用的研究較少,可以進一步擴展。

9 黃連素通過調控MAPK信號通路發揮抗炎作用

9.1 抗過敏反應

I型超敏反應是過敏原刺激IgE抗體產生,并與肥大細胞或嗜堿性粒細胞表面的IgE受體結合后引發生物活性介質如組胺、前列腺素、IL-4和TNF-α等釋放引起的病理炎癥反應。Fu等用黃連素干預過敏反應體內和體外模型,發現黃連素抑制IL-4、TNF-α及組胺釋放,減輕被動皮膚過敏反應,相關機制是通過抑制MAPK通路來抑制肥大細胞活化和生物活性介質釋放[56]。Li等研究發現,黃連素對2,4-二硝基氟苯誘導的過敏性接觸性皮炎具有保護作用,機制部分與抑制p38通路來抑制肥大細胞脫顆粒有關[57]。

9.2 抗關節炎

類風濕關節炎是一種以滑膜關節炎癥為標志的自身免疫性疾病,可導致軟骨退化、骨損傷以及進行性殘疾。在類風濕關節炎大鼠模型中,黃連素在改善滑膜增生和炎癥浸潤的同時抑制p-ERK、p-p38和p-JNK蛋白表達水平,這表明抗類風濕關節炎的作用機制可能與MAPK通路抑制有關[58]。Wang等研究發現黃連素可以通過溶血磷脂酸受體1介導的p38和ERK通路調控溶血磷脂酸功能,從而抑制類風濕關節炎的成纖維細胞增殖和炎癥[59]。骨關節炎存在關節軟骨和軟骨下骨變性,病理特點包括關節軟骨細胞凋亡、軟骨細胞表型丟失和促炎介質產生過度等。在骨關節炎大鼠模型中,黃連素通過激活AMPK和抑制p38通路抑制大鼠軟骨細胞凋亡和軟骨變性,發揮抗骨關節炎作用[60]。

9.3 抗非特異性炎癥

牙周炎是由革蘭氏陰性菌及其產物引起的牙周組織慢性病變,是成人牙缺失的主要原因。在大鼠牙周炎模型中,黃連素通過調控G蛋白偶聯受體30介導的p38/NF-κB通路失活,抑制牙槽骨丟失和牙周炎癥反應,從而發揮抗牙周炎的作用[61]。

吸煙是慢性阻塞性肺疾病最常見的病因,由于黃連素具有抗炎作用,有人研究了黃連素對香煙引起的氣道炎。Xu等發現黃連素可以減輕香煙引起的氣道炎癥和粘液分泌亢進,其作用機制可能是抑制了ERK和p38活化[62]。

鼻息肉是一種源于鼻竇和副鼻竇黏膜的異常增生性炎癥病變,Moon等研究發現,黃連素在抑制鼻息肉源性肌成纖維細胞分化和細胞外基質的產生的同時抑制了p38的磷酸化,但對ERK1/2和JNK的磷酸化沒有影響,可見,黃連素可能是通過抑制p38通路起到抗鼻息肉作用[63]。

黃連素具有抗炎和免疫調節作用,調控MAPK通路是其發揮抗炎和免疫調節作用的重要途徑,炎癥和免疫異常相關的疾病數不勝數,可見黃連素對眾多疾病具有治療潛能。

10 結論與展望

黃連素具有著抗癌、抗病原體、抗糖尿病、抗動脈粥樣硬化、心臟保護、神經保護、抗胃腸炎保肝、腎臟保護和抗過敏抗關節炎等藥理作用,黃連素發揮藥理作用的機制與MAPK信號通路密切相關。在不同疾病中,黃連素激活或抑制MAPK信號通路存在差異性,比如黃連素發揮抗癌作用需要抑制ERK1/2通路,而黃連素發揮降脂作用則是通過激活ERK1/2通路,這種差異原因可能是不同環境下MAPK通路之間的平衡和整合是不同的?？v觀大量的最新研究成果,黃連素在發揮藥理作用時會對MAPK信號通路進行調控,維持疾病過程中MAPK通路信號傳導平衡。

目前的研究尚存一些問題需要解決。首先,現階段的關于黃連素調控MAPK信號通路的報道集中在ERK1/2、JNK和p38這三個亞族上,罕有黃連素與 ERK5信號通路關系的研究。其次,目前的研究僅是對MAPK通路主要成員進行活性、表達量的檢測,缺乏對通路上下游分子關系的研究。由于黃連素的藥理機制與MAPK通路關系密切,未來可以進一步拓展黃連素的應用。本文對黃連素調控MAPK信號通路治療疾病的最新研究進展進行了綜述,以期為進一步挖掘黃連素治療疾病的藥理機制基礎研究和將黃連素用于臨床疾病治療的研究提供參考。