中藥提取物對細(xì)胞線粒體功能的影響及研究進(jìn)展

郝懌隆，汪引芳，黃亦童，劉宗軍，張 鵬※

(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬普陀醫(yī)院 a.中心實驗室,b.心血管內(nèi)科，上海 200333)

線粒體是生物能量來源和生物合成的細(xì)胞器，對調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)ATP生成及Ca2+水平和分布等生物學(xué)過程發(fā)揮重要作用，線粒體也是細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵細(xì)胞器之一。線粒體依賴電子傳遞鏈發(fā)揮作用，電子傳遞鏈不僅可產(chǎn)生ATP，也是活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的主要來源[1]。電子傳遞鏈異常引起ATP生成不足或ROS產(chǎn)生過多，誘發(fā)DNA和蛋白質(zhì)損傷，參與疾病的發(fā)生與發(fā)展。此外，線粒體可通過自身裂變/融合從線粒體網(wǎng)絡(luò)中去除受損的線粒，進(jìn)而通過自噬將受損的線粒體清除。線粒體結(jié)構(gòu)與功能異常是引起心血管疾病、神經(jīng)功能異常、腫瘤、糖尿病、遺傳疾病、發(fā)育異常、免疫功能失調(diào)等臨床常見重大疾病發(fā)生和發(fā)展的重要原因，可見對線粒體功能的有效干預(yù)是治療疾病的重要策略之一。傳統(tǒng)中醫(yī)藥對很多疾病具有良好的療效，在臨床治療中起重要作用，許多中藥可影響線粒體功能(如干預(yù)線粒體途徑的凋亡、調(diào)控線粒體呼吸、調(diào)節(jié)線粒體下游信號通路等)，從而干預(yù)細(xì)胞生物學(xué)事件?，F(xiàn)就中藥對線粒體結(jié)構(gòu)和功能調(diào)控的分子機制以及對線粒體功能影響機制的研究進(jìn)展予以綜述。

1 中藥對線粒體能量生成的影響

機體細(xì)胞的大部分能量由線粒體供給。線粒體電子傳遞鏈傳遞電子的過程(線粒體氧化磷酸化)偶聯(lián)ATP的生成，線粒體生物能量學(xué)的缺陷造成ATP生成不足，嚴(yán)重影響細(xì)胞和器官功能。研究發(fā)現(xiàn)，黃芪甲苷、肉蓯蓉、人參、紅參和生脈散提取物等可不同程度地促進(jìn)三羧酸循環(huán)，改善線粒體生物能量合成[2-3]。黃芪甲苷能夠抑制線粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運體活性，降低線粒體Ca2+水平，刺激細(xì)胞代謝酶合成ATP[2]。人參可通過增強Na+-K+-ATPase活性，促進(jìn)細(xì)胞ATP生成[3]。中藥通過影響細(xì)胞內(nèi)供能物質(zhì)的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)細(xì)胞的衰老和分裂進(jìn)程，干預(yù)能量需求相關(guān)的基因表達(dá)與信號通路，進(jìn)而影響器官功能和疾病進(jìn)程。

2 中藥對線粒體鈣穩(wěn)態(tài)的影響

線粒體參與Ca2+信號形成，并作為細(xì)胞內(nèi)局部Ca2+緩沖器，能夠快速攝取大量鈣，防止細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+水平過度升高，抑制鈣超載。線粒體中生理水平的Ca2+決定了線粒體脫氫酶與電子傳遞復(fù)合物之間的偶聯(lián)能力，進(jìn)而調(diào)節(jié)線粒體能量生成。中藥可以直接或間接調(diào)控線粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運體蛋白或線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶之間的相互作用，干預(yù)細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)，如雙黃連通過激活線粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運體增強線粒體Ca2+攝取[4]，降低肥大細(xì)胞胞質(zhì)Ca2+水平，抑制肥大細(xì)胞脫顆粒，發(fā)揮抗過敏治療作用；二氫青蒿素[5]、水飛薊賓[6]等中藥則抑制線粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運體活性；白藜蘆醇和白皮杉醇抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶活性，導(dǎo)致線粒體內(nèi)鈣超載，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡[7]；黃芪甲苷、雙黃連、甜菊苷、梔子苷和羅望子種皮提取物可以促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶活性，抑制線粒體鈣超載[2,4]。生理水平的鈣可激活鈣敏感的線粒體脫氫酶和電子傳遞復(fù)合物，維持細(xì)胞功能；但是過量的鈣可導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)開放，進(jìn)而觸發(fā)細(xì)胞功能障礙。由于線粒體是Ca2+信號和細(xì)胞內(nèi)局部Ca2+水平的緩沖器，特定的Ca2+通道或離子泵可能成為有價值的藥物靶標(biāo)，故以上中藥可以通過調(diào)節(jié)線粒體鈣穩(wěn)態(tài)，干預(yù)多種細(xì)胞的病理進(jìn)程。

3 中藥對線粒體ROS產(chǎn)生的影響

線粒體呼吸鏈電子傳遞過程中的電子泄漏，可能導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生，線粒體ROS可在細(xì)胞生物學(xué)中發(fā)揮重要作用。許多中藥能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞ROS的產(chǎn)生，如紫草素可通過激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/核因子E2相關(guān)因子2信號，抑制線粒體生成ROS，減少氧化型低密度脂蛋白膽固醇誘導(dǎo)的單核細(xì)胞炎癥反應(yīng)。槲皮素、茶多酚、甘松揮發(fā)油、巴戟甲素、二氫楊梅素、葛根芩連湯、菟絲子草、石菖蒲等通過核因子E2相關(guān)因子2-核仁蛋白識別元件信號增加細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶表達(dá)，抑制線粒體來源的ROS，還可清除細(xì)胞內(nèi)過多的ROS，減少ROS引起的細(xì)胞損傷；羅望子種皮提取物、黑升麻三萜糖苷、貫葉金絲桃、槲皮素、桑葚果實花青素、六味地黃可增加細(xì)胞超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶活性[8]。六味地黃、澤蘭葉黃素等還可通過抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶活性減少線粒體ROS的產(chǎn)生[9]。部分中藥(如黃芪多糖、槲皮素)可通過絡(luò)合產(chǎn)生自由基必需的金屬離子發(fā)揮抗氧化作用[10]。此外，去亞甲基小檗堿可穿透線粒體膜直接靶向線粒體，進(jìn)而抑制細(xì)胞色素P450、缺氧誘導(dǎo)因子和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶，改善線粒體功能，減少ROS的產(chǎn)生。正常情況下，線粒體ROS可以作為信號分子調(diào)節(jié)細(xì)胞功能，如通過誘導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)因子和核因子E2相關(guān)因子2參與細(xì)胞抗氧化的過程。高水平ROS引起mPTP的氧化損傷，導(dǎo)致線粒體膜電位消失，使線粒體和細(xì)胞均發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)損傷，啟動細(xì)胞內(nèi)源性凋亡?？梢姡兴帉OS生成的調(diào)節(jié)干預(yù)氧化應(yīng)激造成的細(xì)胞損傷。

4 中藥對mPTP的影響

mPTP是一種非特異性通道，由ATP合成酶二聚體組成，并由線粒體基質(zhì)鈣含量和ROS通過親環(huán)素進(jìn)行門控調(diào)節(jié)。mPTP異常與線粒體功能障礙密切相關(guān)，其受許多中藥的調(diào)節(jié)。mPTP的開放一直被認(rèn)為是導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的病理性事件，但有研究表明，短暫的mPTP開放可能是防止線粒體鈣超載的生理學(xué)“復(fù)位”機制，已在原代心肌線粒體中觀察到mPTP的罕見、短暫開口[11]。急性和慢性心臟病中，mPTP開放的傾向性增加。有研究表明，人參皂苷Rg5可抑制mPTP的開放，降低mPTP對外界刺激的敏感性，從而增加心肌細(xì)胞對缺氧/復(fù)氧損傷的抵抗性[12]。槲皮素可以抑制醛固酮增多癥大鼠心臟中Ca2+觸發(fā)的mPTP通道開放，或與線粒體中的分子靶標(biāo)相互作用，進(jìn)而抑制mPTP開放，干預(yù)心肌細(xì)胞功能紊亂[13]。辣椒素則通過上調(diào)沉默信息調(diào)節(jié)因子1和Bcl-2的表達(dá)，抑制mPTP開放，抑制缺氧/復(fù)氧引起的線粒體功能障礙，防止心肌損傷[14]。此外，五子衍宗丸可抑制mPTP異常開放，提高大鼠睪丸和附睪器官系數(shù)，提高精子濃度和活力[15]。但也有少部分中藥可增加mPTP開放(如雷公藤內(nèi)酯等)。因此，有針對性的多中藥聯(lián)用，抑制雷公藤內(nèi)酯增加mPTP開放的效應(yīng)，可消除該藥物的心臟不良反應(yīng)，并實現(xiàn)抗腫瘤治療[16]。

5 中藥對線粒體途徑細(xì)胞凋亡的影響

線粒體凋亡的觸發(fā)事件是線粒體外膜的透化，導(dǎo)致細(xì)胞色素C、第2種線粒體衍生的胱天蛋白酶激活劑、絲氨酸蛋白酶HTRA2、細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子和核酸內(nèi)切酶G等釋放入細(xì)胞質(zhì)，啟動活化胱天蛋白酶，從而引起細(xì)胞凋亡。線粒體途徑的凋亡影響細(xì)胞和組織功能，參與疾病進(jìn)程。中藥可以通過調(diào)節(jié)ATP生成、ROS的含量、鈣穩(wěn)態(tài)、mPTP的功能干預(yù)細(xì)胞凋亡的發(fā)生，如和厚樸酚、藤黃酸、山竹子素、歐當(dāng)歸內(nèi)酯A、龍葵水提物、紫草素、槐定堿、冬凌草提取物、丹參新酮、粉防己堿、巨大戟二萜醇、桃花心木屬艽、滿天星類黃酮糖苷和雷公藤內(nèi)酯醇可增加細(xì)胞內(nèi)ROS含量或調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+，進(jìn)而觸發(fā)線粒體途徑的細(xì)胞凋亡[17-18]。部分中藥能通過ROS級聯(lián)信號通路促進(jìn)細(xì)胞凋亡(如紫草素、粉防己堿可增加c-Jun氨基端激酶磷酸化)，從而促進(jìn)細(xì)胞Fas相關(guān)性死亡結(jié)構(gòu)域樣白細(xì)胞介素-1β轉(zhuǎn)換酶抑制蛋白泛素化降解，并穩(wěn)定Bcl-2蛋白，發(fā)揮抗凋亡作用；冬凌草提取物、丹參的甲醇提取物、桃花心木屬艽、藤黃酸等可上調(diào)p53，南蛇藤可抑制蛋白激酶B的活性，從而觸發(fā)氧化應(yīng)激與凋亡[19-20]。此外，一些中藥還能恢復(fù)被破壞的線粒體功能，抑制細(xì)胞凋亡，如金盞花苷E、橙皮苷、二氫槲皮素可以恢復(fù)線粒體膜電位、逆轉(zhuǎn)細(xì)胞色素C釋放[21-22]。異甘草苷、黃芩素抑制線粒體鈣超載誘發(fā)的凋亡；益心舒、二氫槲皮素和異甘草苷也能通過Janus激酶/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑抑制ROS誘導(dǎo)的凋亡[22-23]。懷牛膝多肽的活性成分可以調(diào)節(jié)凋亡相關(guān)基因表達(dá)，從而發(fā)揮抑制神經(jīng)元凋亡的作用。加減地黃飲子通過抑制胱天蛋白酶12分子，保護(hù)多巴胺神經(jīng)元[24]。

研究表明，線粒體基質(zhì)中Ca2+水平的增加是強效的誘導(dǎo)劑，可引起線粒體內(nèi)膜中mPTP的持續(xù)開放，觸發(fā)細(xì)胞凋亡事件[25]。線粒體內(nèi)過量Ca2+可與心磷脂大量結(jié)合，導(dǎo)致呼吸鏈復(fù)合體Ⅱ的解體和氧化應(yīng)激，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。從土貝母中提取的小檗堿可以增加線粒體基質(zhì)內(nèi)Ca2+水平，刺激mPTP開放，同時刺激胱天蛋白酶活性，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[26]。白楊素可以抑制線粒體電壓依賴性陰離子通道1與己糖激酶2蛋白的結(jié)合，改變Ca2+水平誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[27]。由此可見，恰當(dāng)運用以上中藥，可通過促進(jìn)細(xì)胞凋亡發(fā)揮抗腫瘤和調(diào)節(jié)免疫作用，也可通過抑制凋亡發(fā)揮抗心肌細(xì)胞損傷等作用。

6 中藥對線粒體結(jié)構(gòu)和數(shù)量的影響

6.1中藥對線粒體融合裂變的影響 線粒體是高度動態(tài)的細(xì)胞器，沿細(xì)胞骨架遷移，并通過不斷融合分裂形成分支或管狀網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。這種融合分裂也調(diào)節(jié)線粒體的形狀、大小、數(shù)量和生物能量合成等，有利于線粒體與其他細(xì)胞器(如內(nèi)質(zhì)網(wǎng))之間的主動信號溝通，以應(yīng)對氧化損傷等。目前認(rèn)為，線粒體的融合分裂主要受控于GTP酶線粒體融合蛋白、視神經(jīng)萎縮蛋白1和動力相關(guān)蛋白1等?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)，一些中藥(如槲皮素、益氣復(fù)脈、黃芩苷、白藜蘆醇、淫羊藿苷、黃芪多糖、科羅索酸和參麥飲等)具有調(diào)節(jié)分裂蛋白動力相關(guān)蛋白1功能，可降低動力相關(guān)蛋白1表達(dá)，抑制ROS或腺苷酸依賴的蛋白激酶激發(fā)的線粒體過度分裂[28-29]。部分中藥通過抑制動力相關(guān)蛋白1募集線粒體的過程減少線粒體裂變，抑制異丙基腎上腺素誘導(dǎo)的心肌缺血性損傷，如人參皂苷Rg5[12]。人參皂苷Rg3可通過恢復(fù)丙型肝炎病毒誘導(dǎo)的動力相關(guān)蛋白1介導(dǎo)的線粒體裂變，發(fā)揮其抗丙型肝炎病毒的作用[30]。藤黃屬植物的生物活性多環(huán)聚丙烯酰基花青素可以促進(jìn)人乳腺癌細(xì)胞中動力相關(guān)蛋白1的功能，誘導(dǎo)線粒體長度縮短。槲皮素、黃芩苷、淫羊藿苷和黃芪多糖能夠增加線粒體融合蛋白M的表達(dá)，調(diào)節(jié)線粒體結(jié)構(gòu)[28,31]。黃芪多糖可以逆轉(zhuǎn)過氧化氫叔丁基引起的線粒體融合蛋白1和線粒體融合蛋白2表達(dá)的下降，并抑制過度運動后疲勞引起的線粒體融合蛋白1、線粒體融合蛋白2和線粒體分裂蛋白1表達(dá)的異常，抗細(xì)胞損傷。

6.2中藥對線粒體自噬的影響 細(xì)胞可以通過自噬將自身的蛋白或細(xì)胞器運送到溶酶體，降解其所包裹的內(nèi)容物，實現(xiàn)細(xì)胞器的更新。隨著細(xì)胞分裂和代謝進(jìn)程，或受到病理進(jìn)程的影響，細(xì)胞也經(jīng)常需要進(jìn)行線粒體自噬，以清除多余、老化、損傷的線粒體，并將其遞送至溶酶體降解后循環(huán)利用，這些異常的線粒體可能積累并成為細(xì)胞毒性ROS的主要來源，此時線粒體分裂是線粒體自噬的關(guān)鍵誘導(dǎo)步驟之一[32]。研究發(fā)現(xiàn)，蘿卜子素可以觸發(fā)線粒體自噬，抑制淋巴瘤細(xì)胞增殖[33]。粉防己堿可能通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激促進(jìn)線粒體自噬[34]。槲皮素衍生物可通過作用于人熱激蛋白90的ATP酶激活因子1，誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞中未成熟的線粒體自噬[35]。中藥還可以通過控制細(xì)胞自噬發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用，梓醇增加葡萄糖饑餓的心肌細(xì)胞線粒體自噬，發(fā)揮心臟保護(hù)作用[36]。紅景天通過增強線粒體活性，激活心肌中的自噬和線粒體生物合成，改善小鼠骨骼肌和心肌的應(yīng)激損傷[37]。三七總皂苷增強缺氧誘導(dǎo)因子-1α/Bcl-2蛋白相互作用蛋白3/Beclin-1信號通路，誘導(dǎo)線粒體自噬，減輕順鉑的腎毒性[38]。五苓散通過減少易位蛋白介導(dǎo)的線粒體自噬改善習(xí)得性無助模型小鼠的抑郁樣行為[39]。黃芪苷Ⅳ顯著降低糖尿病db/db小鼠中的線粒體動力相關(guān)蛋白1和線粒體分裂蛋白1表達(dá)，進(jìn)而抑制PTEN誘導(dǎo)的推定的激酶1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，延緩糖尿病的病理生理進(jìn)程[40]。

7 小 結(jié)

腫瘤的發(fā)生和發(fā)展、心臟損傷、免疫紊亂、神經(jīng)退行性病變以及衰老等多種病理生理過程都伴隨著線粒體功能的異常，致病因素與線粒體功能異常互為因果，影響臨床疾病的進(jìn)程。綜上所述，中藥可直接或間接調(diào)節(jié)線粒體功能，發(fā)揮藥理作用。但大多數(shù)小分子的被動擴散幾乎不可滲透線粒體的雙層膜結(jié)構(gòu)，故線粒體雙層膜結(jié)構(gòu)是藥物遞送的屏障，中藥的作用大多限于通過線粒體外信號調(diào)控線粒體功能，為了確保中藥在復(fù)雜生物系統(tǒng)發(fā)揮預(yù)期作用，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)天然的線粒體靶向藥或采用納米等技術(shù)輔助中藥靶向線粒體，是未來中藥研究迫切需要解決的問題之一。線粒體的分布和轉(zhuǎn)運是許多細(xì)胞功能的核心，包括細(xì)胞分化[41]。目前，中藥對線粒體功能影響研究比較多的是線粒體途徑的ROS產(chǎn)生、線粒體途徑的細(xì)胞凋亡以及mPTP，而線粒體動力學(xué)方面的研究較少，有待進(jìn)一步研究。此外，線粒體與其他細(xì)胞器存在相互作用，亞細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)可影響脂質(zhì)合成和運輸，線粒體的形態(tài)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等眾多生物學(xué)過程，但具體機制還需要深入研究。