刺梨抑制氧化應激作用的研究進展*

萬 哲,程文敬,彭 璐,莫啟貴

(湖北科技學院糖尿病心腦血管病變湖北省重點實驗室,湖北 咸寧 437100)

氧化應激(oxidative stress)是細胞促氧化劑和抗氧化劑之間失去平衡的表現,外源性或者內源性刺激會使機體代謝產生大量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),當ROS超過機體氧化體系的還原能力,機體則處于氧化應激狀態。氧化應激會導致機體應激性氧化損傷,從而使機體產生相應病變,如慢性腎病等[1],也被認為是細胞衰老的一大成因。抗氧化劑(antioxidants)是阻止機體因氧化反應而產生不良影響的物質,抗氧化劑的作用機制包括:去除O2(例如,在N2下包裝食品)、清除ROS和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)、抑制ROS和RNS的形成、結合催化ROS生成所需的金屬離子以上調內源性抗氧化防御。自上個世紀五十年代,一些人工合成抗氧化劑相繼問世,如丁基羥基茴香醚(butyl hydroxyl anisole,BHA)、二丁基羥基甲苯(butylated hydroxytoluene,BHT)和沒食子酸丙酯(propyl gallate,PG)等,豐富了抗氧化劑的種類。但隨后,一些人工合成抗氧化劑被發現存在某些病理病變的可能,如高劑量的BHA和BHT被證實可增加機體患肝細胞腺瘤和肝細胞癌的風險[2],而PG也被發現具有致癌風險[3]。而相比之下,天然抗氧化劑副作用較小,更容易被人們接受,現如今已成為抗氧化劑研究和應用的一項重要內容。

刺梨是薔薇科薔薇屬多年生落葉叢生灌木繅絲花(RosaroxburghiiTratt)的果實,主要分布于我國黔、川東南、滇西北、桂西北、湘西、鄂西南和陜南等地。全國先后有20多個省市從貴州引種試種,建立了大面積的人工栽培基地。僅貴州,繅絲花的人工種植面積就接近117 300公頃,年產果實高達130 000噸[4]。刺梨是傳統中藥,用于消食健脾、收斂止瀉,苗醫體系中用刺梨治療積食和腹瀉已有很長歷史。刺梨具有“維生素C之王”的美譽,其含量高達1700～2900mg/100g鮮果實,是奇異果(kiwi fruit)的10倍[5]。此外,刺梨富含刺梨黃酮、多酚、多糖和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)等多種具有抗氧化活性的物質[6-8]。本文對刺梨抑制氧化應激的物質基礎、抑制方式和生物學意義進行綜述,為其進一步研究提供方向。

1 刺梨抗氧化活性成分

刺梨多糖、黃酮、多酚類化合物和維生素都具有良好的抗氧化活性[6-8]。刺梨黃酮可以消除ROS[9],減少細胞凋亡。刺梨黃酮主要成分是蘆丁、異槲皮素、槲皮素、山奈酚和木犀草素等[9]。刺梨多糖的主要組成是阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖等,也具有良好的抗氧化活性,表現在其對二苯基苦味酰基苯肼基自由基(1,1-Diphenyl-2- picrylhydrazyl,DPPH)、羥基自由基(hydroxyl radical,·OH)和超氧陰離子自由基(superoxide anion free radical,O2-·)具有明顯的清除活性[7]。刺梨多酚有較強的自由基清除能力和鐵離子還原能力[6],可以通過調節機體膽固醇和脂肪酸的合成與分解,提高機體抗氧化能力,減少氧化應激損傷[10],并通過調控核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nfr2)信號通路,減輕氧化應激[11]。同時,刺梨三萜也具有一定的抗氧化活性[6]。

2 刺梨抑制氧化應激作用的方式

刺梨抑制氧化應激作用的主要方式有3種:①清除自由基活性;②提升抗氧化酶活性;③阻斷生成ROS的反應。

2.1 清除自由基活性

在清除自由基方面,刺梨黃酮對O2-·、H2O2和DPPH·等自由基均表現出良好的清除作用[12]。刺梨多糖也可以清除自由基,且粗品的清除作用強于純品[13]。刺梨葉醇提取物具有較強的自由基清除能力[14]。此外,刺梨水提取物對DPPH和2,2′-聯氮-雙(3-乙基苯噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽[2,20-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid),ABTS]自由基也有較強的清除作用[15]。

2.2 提升抗氧化酶活性

刺梨可以提升抗氧化酶活性。在鵝飼料中添加適量刺梨提取物后,鵝的血清中谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)和SOD活性顯著升高[16]。此外,刺梨果渣可通過提高SOD和過氧化氫酶(catalase,CAT)活性,降低ROS水平[10]。而且,刺梨葡萄糖苷和槲皮素可以增加Nrf2、血紅素氧合酶(heme oxygenase,HO-1)和NADPH∶醌氧化還原酶1(NADPH∶NQO1)的蛋白水平,以增加CAT、SOD和GSH-Px水平,調解氧化應激和慢性炎癥[17]。刺梨葉水提取物也可以提高SOD表達水平[18]。

2.3 阻斷生成ROS的反應

刺梨富含的黃酮類化合物可以抑制ROS的生成。在受輻射損傷后的胸腺細胞ROS介導的DNA研究中,刺梨黃酮可以抑制多聚ADP核糖聚合酶1[poly(ADP-ribose) polymerase 1,PARP-1]的活性,從而減少細胞凋亡所產生的ROS[9]。此外,刺梨中的酚類物質含量較高的游離部分也表現出較好的抗氧化活性和對α -葡萄糖苷酶的抑制能力,有效減少了部分依靠α-葡萄糖苷酶產生ROS的反應[19]。

刺梨抑制氧化應激的作用方式并不繁雜,且抑制方式多樣,如刺梨黃酮,既可以清除自由基,又可以阻斷生成ROS的反應,表明刺梨抑制氧化應激的可行性和有效性。

3 刺梨抑制氧化應激的作用機制及意義

3.1 抑制氧化還原敏感轉錄因子

氧化還原敏感轉錄因子是一系列控制氧化還原平衡的轉錄因子,包括SOD1、SOD2和HO-1等,它們通過與Nrf2、過氧化物酶體增殖受體γ輔激活因子(peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator α,PGC-1α)、p53、核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)和叉頭框轉錄因子O(forkhead box O,FoxO)等細胞因子相作用從而調節氧化還原狀態[20]。刺梨可以通過調控氧化還原敏感轉錄因子,進而控制氧化酶和抗氧化酶的表達,來緩解氧化應激。

刺梨以上調Nrf2、HO-1蛋白的表達介導Nrf2信號通路,從而抑制氧化還原敏感轉錄因子,發揮抑制氧化應激的作用[21]。刺梨可以阻止砷激活Nrf2/GPX4信號通路,從而減輕砷性肝損傷[22],表明刺梨可作為一種預防和控制砷中毒的水果。刺梨本身也可以阻止ROS激活氧化還原敏感轉錄因子,刺梨富含維生素C、黃酮、SOD等多種抗氧化成分,可以激活體內去乙酰化酶1(sirtuin 1,SIRT1酶),從而激活Smad7(small mothers against decapentaplegic 7)轉錄因子,以抑制轉化生長因子β1(transforming growth factor β1,TGF-β1)、轉化生長因子β受體1(transforming growth factor β receptor 1,TGF-βR1)及Smad2、Smad3的表達[23]。

3.2 激活蛋白激酶

刺梨含有表達L-半乳糖苷-1,4-內酯脫氫酶(L-galactono-1-1,4-lactone dehydrogenase,GalLDH)的基因,其介導表達的GalLDH是催化植物內抗壞血酸(ASA)的關鍵酶,將該基因導入煙草植株,培育出了ASA過表達煙草植株,顯示出更高的抗百草枯氧化應激能力[24]。富含多酚的刺梨提取物可以通過增加糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)的磷酸化和降低其表達,改善氧化應激[17],有效保護了肝臟脂肪免受損傷和功能障礙。

刺梨籽油可以減輕氧化應激和炎癥反應,上調產熱相關基因的表達,如解偶聯蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen activated protein kinase,p38 MAPK),減輕氧化應激和炎癥反應[25]。

3.3 抑制離子通道過度開放

離子通道參與許多細胞過程,作用于離子通道的藥物長期以來被用于治療神經系統等涉及電興奮的疾病[26]。ROS失衡會導致細胞內的Ca2+穩態的紊亂,Ca2+會從內質網和其他儲存單元中釋放出來,其原因是ROS能激活ER膜上的鈣釋放通道[27]。而刺梨中具有抗氧化性質的物質能夠抑制ROS,減弱其對Ca2+穩態的影響,使Ca2+通道打開指數趨于正常,減少因離子通道過度開放而造成的細胞損傷。

3.4 抑制脂質過氧化

脂質過氧化一般可以描述為自由基或非自由基等氧化劑攻擊含有碳碳雙鍵的脂質,特別是多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)的過程[28]。ROS對脂質的損傷作用不容忽視,失控的氧化應激促進了脂質過氧化,引起細胞、組織和器官的損傷。

在刺梨汁對低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)的體外氧化修飾、LDL誘導的巨噬細胞生長和細胞膽固醇酯(cholesteryl ester,CE)積累的影響的研究中,刺梨汁顯著降低了LDL的氧化易感性,并通過促進細胞膽固醇外排,有效抑制氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,ox-LDL)誘導的巨噬細胞生長,尤其是ox-LDL誘導的小鼠腹腔巨噬細胞CE積累[29]。

刺梨水醇提取物能提高抗氧化酶、脂蛋白脂肪酶和肝脂肪酶的活性,下調固醇調節元件結合蛋白1c(sterol regulatory element binding protein-1c,SREBP-1c)和乙酰輔酶A羧化酶的mRNA和蛋白表達,上調肝組織中過氧化物酶體增殖物激活受體α和低密度脂蛋白受體的mRNA和蛋白表達,降低了肝臟脂質水平[30]。

刺梨多糖也被證實可降低膜脂質過氧化產物丙二醛(malondialdehyde,MDA)的水平,具有顯著的抗氧化潛力[7];而刺梨葉水提物同樣也可以降低MDA水平,對脂質氧化損傷具有保護作用[18]。

此外,刺梨籽油也可以抑制脂質過氧化。檢測刺梨籽油對高脂肪飲食組(HFD)小鼠的生理影響,發現刺梨籽油上調脂肪酸氧化的相關基因、線粒體調控生物發生和發揮功能的關鍵基因的表達,如PGC-1α、肉毒堿棕櫚酰基轉移酶(carnitine palmitoyltransferase 1α,CPT-1α)和酰基輔酶A脫氫酶長鏈(long-chain specific acyl-CoA dehydrogenase,ACADL)的基因表達[25],從而介導線粒體的氧化代謝,阻止脂質積累和過氧化。

3.5 抑制DNA氧化損傷

自1956年Harman[31]提出了細胞衰老(cell aging)的自由基學說,關于自由基累積對于人類機體的影響開始被人重視,其中自由基引發的DNA損傷從而引發生物體的衰老和突變已而成為學術研究熱點,而如何有效減弱自由基對DNA的影響尚為一大技術攻關。刺梨抑制氧化應激可有效減少氧化應激導致的DNA鏈斷裂、DNA位點突變、DNA雙鏈畸變和原癌基因與腫瘤抑制基因突變等形式的DNA損傷。

刺梨黃酮可通過PARP-1實現對DNA的修復,降低ROS和γ-h2ax水平,從而提高細胞活力[9]。刺梨水提物活性成分含量較高,對DNA的氧化損傷有抑制作用,且抑制作用隨刺梨水提物濃度升高而增強,呈濃度依賴性[15]。

此外,刺梨黃酮具有抗輻射作用[32],可以抑制UVB誘導的DNA氧化損傷,糾正輻射引起的組織病理改變,促進脾結節形成,抵抗精子畸變,保護胸腺,減少細胞凋亡。

4 結 語

刺梨具有極高的經濟、食用、園林和藥用價值。目前我國大力發展中醫藥事業,而刺梨作為“三王之果”,其營養價值和藥用價值已引起重視。在以往刺梨的藥理研究中,抑制氧化應激的性質是其藥理活性的重要組成部分。現已發現刺梨抑制ROS生成的3種方式,其機制并不復雜。此外,刺梨多途徑抑制ROS生成的特點,也決定了刺梨通過氧化應激觸發的機體效應并不單一。刺梨抑制氧化應激,能對轉錄因子、蛋白質和離子通道等方面產生影響,從不同的分子水平或細胞水平發揮其藥用價值。

我國對刺梨的研究,在抑制氧化應激作用上還有很大的探索價值。而如果要更進一步地推動刺梨的藥用價值,有兩點值得重視。一是要對刺梨進行“拆分式”研究。在對過往的有關刺梨抑制氧化應激的研究進行總結后可發現,大部分抑制氧化應激性質的研究只涉及到刺梨果實,而事實上,刺梨有刺梨籽、刺梨核等細分部位,其成分會與整果有所異同,對這些細分部位抑制氧化應激的效果進行研究,將有利于進一步定位刺梨抑制氧化應激的有效部位。二是要細化刺梨成分。刺梨抑制氧化應激觸發的機體效應十分復雜,這是因為刺梨擁有復雜的藥理成分,當今對于刺梨抑制氧化應激的化學物質基礎進行闡述時,通常只定位到有效活性部位,如刺梨多糖、刺梨黃酮和刺梨三萜等。對刺梨抑制氧化應激的化學成分進行分離和進一步的研究,將有助于挖掘刺梨抑制氧化應激的作用。