基于線粒體探討小檗堿作用機(jī)制的研究進(jìn)展

吳文玉，張永萍，2，3?，徐劍，2，3，劉耀，2，3

（1. 貴州中醫(yī)藥大學(xué)，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省中藥民族藥炮制與制劑工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550025；3. 國家苗藥工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550025）

小檗堿（Berberine，BBR）又名黃連素，其分子式為C20H19NO5，是從黃連、黃柏等小檗科植物中提取的季銨類化合物。早在1 400多年前就有相關(guān)記載，用黃連和黃柏治療腸胃炎所致腹痛、腹瀉，而現(xiàn)代藥理研究發(fā)現(xiàn)小檗堿是黃連和黃柏中抗菌的主要藥理活性成分。小檗堿的廣譜抗菌能力對(duì)許多革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌都具有良好的抑制作用，治療腸道細(xì)菌感染所致的腹痛、痢疾效果顯著。小檗堿來源廣泛、價(jià)格低廉、副作用小，隨著國內(nèi)外科研人員研究的深入，發(fā)現(xiàn)小檗堿在抗炎、抗腫瘤、心血管保護(hù)、調(diào)節(jié)血脂等方面效果顯著。

線粒體是細(xì)胞內(nèi)ATP 的主要來源，為細(xì)胞生存提供能量，是細(xì)胞生存的關(guān)鍵細(xì)胞器［1］。其擁有自己的遺傳物質(zhì)和遺傳體系，是半自主細(xì)胞器，保留了編碼rRNA、tRNA 和呼吸所必須蛋白質(zhì)的基因組。線粒體作為半自主細(xì)胞，能利用葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，通過氧化磷酸化（OXPHOS）途徑，利用三羧酸循環(huán)酶產(chǎn)生電子載體NADH和FADH2［2］向蛋白質(zhì)復(fù)合物（ETC）提供電子，經(jīng)過ETC 上蛋白復(fù)合物（Ⅰ～Ⅳ）的電子傳遞，最終將氧氣完全還原為水［3-4］。同時(shí)，ETC中的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致呼吸鏈復(fù)合物的構(gòu)象變化，使它們能夠?qū)①|(zhì)子從基質(zhì)泵出到膜間隙，這一現(xiàn)象稱為線粒體跨膜電位（ΔΨm）的電化學(xué)梯度。復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ參與產(chǎn)生的電化學(xué)梯度生成質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力，由ATP合成酶（復(fù)合物V）磷酸化ADP以產(chǎn)生ATP［4］。

除了在能量生成中的基本作用外，線粒體還在調(diào)節(jié)多種細(xì)胞死亡形式中發(fā)揮著核心作用。細(xì)胞凋亡是細(xì)胞程序性死亡，通過激活兩種Bcl-2促凋亡蛋白Bak和Bax 控制線粒體外膜透化，誘導(dǎo)基質(zhì)成分（mtDNAD等）暴露于細(xì)胞質(zhì)［5］，導(dǎo)致促凋亡因子細(xì)胞色素c 的釋放，細(xì)胞色素c與Apaf-1及Caspase-9形成凋亡前體，在細(xì)胞質(zhì)存在的dATP 共同作用下誘導(dǎo)Caspase-3 激活，進(jìn)而引發(fā)Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡［6］。

此外，線粒體還參與調(diào)節(jié)Ca2+穩(wěn)態(tài)、氧化應(yīng)激等任務(wù)。故線粒體與許多人類疾病的發(fā)病機(jī)制相關(guān)，包括癌癥、糖尿病及其并發(fā)癥等。可見，小檗堿廣泛的治療作用和線粒體與疾病緊密的聯(lián)系，因此近些年已有學(xué)者開始研究二者之間的聯(lián)系，基于此，筆者重點(diǎn)圍繞小檗堿通過影響線粒體進(jìn)行疾病治療機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 癌癥

癌癥是對(duì)人類健康的威脅，是導(dǎo)致人們過早死亡的主要原因。癌癥具有細(xì)胞分化和增殖異常、生長(zhǎng)失去控制、浸潤(rùn)性和轉(zhuǎn)移性等生物學(xué)特征，其侵襲和轉(zhuǎn)移是一個(gè)多因子、多步驟的復(fù)雜過程。已有大量研究表明，小檗堿對(duì)宮頸癌、胃癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤等均表現(xiàn)出明顯的抑制作用。由于其良好的抗腫瘤作用，并對(duì)非癌細(xì)胞的影響較小，故常用于癌癥治療及預(yù)后藥物，成為廣泛用于癌癥的天然產(chǎn)物之一。

有研究發(fā)現(xiàn)在癌細(xì)胞中糖酵解率比分化細(xì)胞的糖酵解率高得多，即使在常氧條件下也更傾向糖酵解［7］。對(duì)此有學(xué)者推測(cè)，癌細(xì)胞具有高度增殖性與糖酵解率密切相關(guān)，雖然有氧糖酵解對(duì)生成ATP 的效率較低，但細(xì)胞在有絲分裂時(shí)，為了復(fù)制細(xì)胞內(nèi)容物，有氧糖酵解途徑產(chǎn)生的核苷酸、氨基酸和脂質(zhì)等生物質(zhì)前體，有利于細(xì)胞快速增殖［8］。此外，癌細(xì)胞仍會(huì)通過OXPHOS 產(chǎn)生很大比例的ATP，表明線粒體產(chǎn)生ATP功能在癌細(xì)胞中仍然重要［9-10］。有研究顯示，通過小檗堿預(yù)處理人肝癌細(xì)胞導(dǎo)致線粒體膜損傷抑制線粒體ATP 的產(chǎn)生，導(dǎo)致體內(nèi)AMP/ATP 比例的升高激活，磷酸化AMP 活化蛋白激酶（AMPK）。AMPK 的激活伴隨著通過線粒體途徑以半胱天冬酶依賴性方式發(fā)生的凋亡效應(yīng)，并伴隨著線粒體釋放細(xì)胞色素c和Caspase-9、Caspase-3的激活，細(xì)胞凋亡程序啟動(dòng)，抑制了人肝癌細(xì)胞增殖［11］。

此外，不穩(wěn)定的自由基會(huì)奪取相鄰分子的電子，形成連鎖反應(yīng)讓細(xì)胞的結(jié)構(gòu)受到破壞，造成細(xì)胞功能喪失、基因突變，為了抵消過多自由基可能產(chǎn)生的有害影響，生物系統(tǒng)具有一系列抗氧化防御，每當(dāng)自由基的產(chǎn)生速度超過生物系統(tǒng)中它們的能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生氧化應(yīng)激。所以癌細(xì)胞活性氧（ROS）過度增多，會(huì)導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷，在癌癥發(fā)展的各個(gè)階段，許多植物化學(xué)物質(zhì)通過調(diào)節(jié)ROS 介導(dǎo)的信號(hào)通路發(fā)揮調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的發(fā)展。研究表明，胰腺癌細(xì)胞中小檗堿可通過ROS增多，增強(qiáng)氧化水平，引起的mtDNA 損傷，從而嚴(yán)重影響三羧酸循環(huán)的活性，導(dǎo)致能量代謝失調(diào)，誘導(dǎo)胰腺癌細(xì)胞凋亡并抑制細(xì)胞轉(zhuǎn)移［12］。而小檗堿可通過ROS 的產(chǎn)生和線粒體相關(guān)的凋亡途徑在乳腺癌細(xì)胞中發(fā)揮抗腫瘤活性［13］。這些發(fā)現(xiàn)可深入了解小檗堿調(diào)節(jié)線粒體抗癌治療中的潛力。

2 糖尿病及其并發(fā)癥

糖尿?。―iabetes mellitus，DM）是世界范圍內(nèi)最常見的代謝性疾病之一。糖尿病患者表現(xiàn)出由胰島素分泌（Ⅰ型）、胰島素作用（Ⅱ型）或兩者的損害引起的高血糖［14］。2 型糖尿病（T2DM）占糖尿病病例的不到90%，由于營養(yǎng)過剩和胰島素分泌缺陷，導(dǎo)致外周組織胰島素抵抗和血糖水平升高，胰腺β 細(xì)胞分泌功能的缺陷是2 型糖尿病發(fā)展的先決條件［15］。線粒體作為細(xì)胞能量代謝的中心角色，參與胰島素抵抗和T2DM 的機(jī)制。有研究推測(cè)T2DM 及其并發(fā)癥是由線粒體功能障礙引起，其表現(xiàn)為線粒體代謝和氧消耗的改變、氧化應(yīng)激的增加［16］。

動(dòng)物和臨床研究表明，小檗堿有良好的降糖特性［17］，在改變脂肪代謝和糖代謝中具有潛在作用，其治療效果與二甲雙胍等降糖參考藥相當(dāng)［18］。同時(shí)也有研究證明，小檗堿通過抑制SIRT3 促進(jìn)葡萄糖攝取并抑制糖異生，SIRT3 是一種線粒體脫乙酰酶，協(xié)調(diào)線粒體呼吸和ATP 的產(chǎn)生，為小檗堿調(diào)節(jié)線粒體通路作為抗糖尿病途徑提供了參考［19］?；谛￠迚A的低毒性和良好的效果，在糖尿病相關(guān)疾病也有廣泛應(yīng)用，如內(nèi)皮功能障礙、視網(wǎng)膜病變和腎病等。

2.1 抑制氧化應(yīng)激

小檗堿通過抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NADPH）的表達(dá)來降低氧化應(yīng)激，NADPH 也是ROS 的關(guān)鍵來源。ROS 過度生成的原因可能是NADPH 被氧化參與多種合成代謝反應(yīng)，導(dǎo)致各種糖基化產(chǎn)物、脂肪酸和葡萄糖的含量上調(diào)，NADPH 氧化酶能通過NADPH 依賴的單電子還原將體內(nèi)氧分子還原成超氧負(fù)離子，是體內(nèi)ROS 的主要來源，NADPH 氧化酶存在于不同的亞型中［20］。NADPH 氧化酶2/4是唯一被小檗堿抑制的亞型，通過此途徑可導(dǎo)致ROS 生成減少，從而改善糖尿病。有研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病的發(fā)病與NADPH 氧化酶的激活有關(guān)［21］。因此，NADPH 氧化酶是治療糖尿病、腎病和神經(jīng)病變等疾病的一個(gè)有希望的靶點(diǎn)。另一方面，AMPK（AMP 活化蛋白激酶）的激活對(duì)NADPH 氧化酶的調(diào)節(jié)產(chǎn)生負(fù)面影響［22］，因此AMPK 可能參與小檗堿抗糖尿病的作用機(jī)制。然而，目前尚不清楚小檗堿是否通過激活A(yù)MPK 來下調(diào)NADPH氧化酶，并無直接證據(jù)顯示。

在糖尿病并發(fā)癥中，小檗堿通過抑制了Rho/ROCK 通路，增強(qiáng)了線粒體膜電位和降低ROS，減輕了糖尿病腦病大鼠的認(rèn)知功能障礙和病理損傷［23］。

抑制氧化激化涉及AMPK 的參與，體內(nèi)AMP/ATP比例的升高能激活A(yù)MPK，與此同時(shí)ATP的產(chǎn)生與線粒體密切關(guān)聯(lián)，為以上研究推測(cè)T2DM的發(fā)生于線粒體障礙引起提供了支撐?；诖耍苡绊懓屑?xì)胞線粒體代謝和氧消耗的方法都能用于糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)展。

2.2 抑制促炎因子

糖尿病早期，炎性細(xì)胞浸潤(rùn)胰臟，釋放多種細(xì)胞因子，這些細(xì)胞因子會(huì)產(chǎn)生過量的一氧化氮（NO），產(chǎn)生線粒體代謝抑制等連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡和胰島素分泌受損［24］。同時(shí)，慢性炎癥被認(rèn)為是導(dǎo)致T2DM 及其并發(fā)癥的關(guān)鍵因素［25］，而小檗堿抗炎作用廣為人知。研究證明，小檗堿可通過顯著降低促炎細(xì)胞因子（TNF-α、IL-6）、一氧化氮（NO）生成，減少鏈脲佐菌素處理的胰島細(xì)胞凋亡［26］。

此外，小檗堿誘導(dǎo)抗炎過程中AMPK 是重要的一環(huán)［27］。在AMPK 被阻斷的情況下，小檗堿不能抑制促炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生，如COX-2和iNOS［28］。COX-2參與前列腺素合成［29］，而前列腺素是介導(dǎo)糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制。以上兩種都能導(dǎo)致糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生。通過AMPK 活性的調(diào)節(jié)現(xiàn)在已經(jīng)引起了人們的興趣，這樣的通路因?yàn)樗鼌⑴c了涉及多種機(jī)制的糖尿病調(diào)節(jié)，若能進(jìn)一步研究可能有助于釋放小檗堿的真正治療潛力。

3 小結(jié)

小檗堿可以通過改善線粒體能量代謝、抑制細(xì)胞凋亡、改善線粒體自噬等機(jī)制修復(fù)線粒體等，治療各種疾病。這些疾病都有涉及線粒體參與ATP 的產(chǎn)生以及細(xì)胞凋亡，說明線粒體穩(wěn)態(tài)對(duì)細(xì)胞的生存和疾病的發(fā)生和進(jìn)展有著極其重要的作用。而線粒體穩(wěn)態(tài)涉及生物能量代謝調(diào)節(jié)關(guān)鍵分子——AMPK，AMPK通過參與許多分解和合成代謝信號(hào)通路，在細(xì)胞內(nèi)維持適當(dāng)?shù)腁TP 水平，以響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)能量應(yīng)激反應(yīng)。新的研究表明，除了作為細(xì)胞內(nèi)能量開關(guān)作用外，AMPK 在抑制癌癥、糖尿病及其并發(fā)癥等疾病進(jìn)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。同時(shí)，越來越多的研究表明AMPK 與線粒體之間存在串?dāng)_［30］，如AMPK 作為細(xì)胞對(duì)能量應(yīng)激反應(yīng)的中心調(diào)節(jié)因子如何維持線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)并作為細(xì)胞對(duì)能量應(yīng)激和線粒體損傷的反應(yīng)的中心介質(zhì)發(fā)揮作用。這顯示了以AMPK 因子作為維持線粒體穩(wěn)態(tài)藥物開發(fā)，治療或抑制相關(guān)疾病是有潛力的。

雖然許多文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)小檗堿可以通過各種方式調(diào)節(jié)線粒體治療或抑制相關(guān)疾病，但很少用于臨床治療成為治療患者的臨床藥物，今后仍需要進(jìn)一步研究。