藏紅花素在慢性阻塞性肺疾病中的研究進展

陳明明 許云鵬 昌淑婷 張露 郭鴻 劉健,3

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是全球三大死因之一,僅次于心血管疾病和腫瘤[1]。COPD是由于大量暴露于環(huán)境中的有害顆粒或氣體,導(dǎo)致氣道和(或)肺泡異常,從而引發(fā)進行性的呼吸綜合征和不完全可逆的氣流限制的疾病[2]。吸煙是COPD的罪魁禍?zhǔn)?典型的COPD患者已經(jīng)吸煙數(shù)十年,直到晚年才出現(xiàn)疾病癥狀[3]。不幸的是,目前美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)的藥物還沒有在臨床試驗中顯示出降低疾病進展終點或死亡率的效果[4],而且大多數(shù)藥物都會對人體產(chǎn)生不同程度的副作用。因此尋找無副作用或副作用低的治療COPD的候選藥物非常有意義。

藏紅花素又名藏紅花苷、西紅花苷或番紅花苷,為藏紅花的主要活性成分。一直以來,藏紅花素的抗炎、抗氧化、抗抑郁以及抗癌等特性的相關(guān)分子機制不斷被研究中。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)藏紅花素是罕見的水溶性類胡蘿卜素,具有毒性低、功效強的特點[5]。最近,幾項研究表明,藏紅花素的抗炎、抗氧化特性也反映在COPD患者炎癥標(biāo)志物減少、運動能力和肺功能改善上[6-8]。本文旨在對有關(guān)藏紅花素在COPD方面的的研究進展和作用機制進行整理并作一綜述,為未來關(guān)于藏紅花素用于COPD的治療提供參考。

一、COPD的發(fā)病機制

COPD的發(fā)生和發(fā)展是一個非常復(fù)雜的病理過程,涉及多種炎癥細(xì)胞、炎癥介質(zhì)和相關(guān)細(xì)胞信號通路[9]。目前,人們尚未研究清楚其發(fā)病機制,但已有的研究結(jié)果顯示,氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)以及粘液分泌過多是COPD的重要病理生理學(xué)特征[10-12]。包括巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等炎癥細(xì)胞[13]以及氣道上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞等組織細(xì)胞[14]在內(nèi)的多種細(xì)胞都參與COPD的發(fā)病機制。這些細(xì)胞產(chǎn)生的多種介質(zhì)是活性氧(reactive oxygen species,ROS)的重要來源,ROS繼而導(dǎo)致肺部的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)。氧化應(yīng)激通過磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶 B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)、核紅細(xì)胞相關(guān)因子2(nuclear factor E2-related factor 2,Nrf2)、核因子κB(nuclear transcription factor-kappa B,NF-κB)、過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子1α/去乙酰化酶3(peroxisome proliferator receptor gamma coactivator-1α/Sirtuin-3, PGC-1α/SIRT3)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等信號通路調(diào)控各種炎癥因子水平、蛋白酶活性以及粘蛋白基因表達增加致粘液分泌過多[9,15-18]。這些參與COPD發(fā)病的信號通路為臨床治療COPD癥狀或延緩COPD進展提供了作用靶點。

二、藏紅花素的生理作用

藏紅花是一種多年生草本植物,屬于鳶尾科,是一種有價值的植物,被用作食品添加劑和藥用植物[19]。研究表明,藏紅花中最具生物活性的化合物是番紅花醛、藏紅花素和番紅花素等[20-21]。藏紅花素包括藏紅花素-Ⅰ、藏紅花素-Ⅱ、藏紅花素-Ⅲ和藏紅花素-Ⅳ以及其他結(jié)構(gòu)類似物[22]。作為藏紅花的活性成分,藏紅花素的抗氧化[23-24]、抗炎[23-24]、抗抑郁[25]、抗動脈粥樣硬化[26]、抗血小板聚集[27]、改善腎功能[28]、降低血糖[29]、抗遺傳毒性[30]和抗癌特性[31]等相關(guān)分子機制不斷被研究中。已有的研究表明藏紅花素通過抑制和/或激活多種信號通路來發(fā)揮治療作用。

三、藏紅花素對COPD的保護作用

目前,國內(nèi)外有研究發(fā)現(xiàn)藏紅花素干預(yù)可以通過多種信號通路改善COPD患者的運動能力和肺功能,表現(xiàn)在患者血清總抗氧化能力水平升高,血清白介素-6(interleukin-6,IL-6)、白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)水平降低,6分鐘步行試驗?zāi)褪苄蕴岣叩萚7-8]。Boskabady MH與Mokhtari-Zaer A等人此前也曾研究過藏紅花對豚鼠氣管鏈的松弛作用及其可能機制,提出藏紅花提取物可以通過刺激β-腎上腺素受體、抑制毒蕈堿/組胺H1受體、阻斷鈣通道、開放鉀通道等機制舒張支氣管平滑肌從而擴張支氣管改善肺通氣[32-33]。

1 抑制PI3K/Akt信號通路

藏紅花素在COPD個體中發(fā)揮作用的關(guān)鍵分子機制之一是抑制磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信號通路。PI3K/Akt通路是調(diào)節(jié)肺泡上皮細(xì)胞增殖代謝和炎癥反應(yīng)的核心通路之一[34]。PI3K和Akt的活化可以介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的發(fā)生以及杯狀細(xì)胞增生引起的氣道粘液高分泌[35]。此前Ito K等人在PI3K抑制劑的相關(guān)研究中稱,大多數(shù)參與COPD發(fā)病的炎癥細(xì)胞以及ROS積累受PI3K及其下游組分控制,PI3K抑制劑可用于對類固醇不敏感的COPD的治療,且效果顯著[36]。多項研究已證明藏紅花素對PI3K/Akt信號通路起抑制作用。Hashemzaei M.等人系統(tǒng)綜述了藏紅花素對呼吸系統(tǒng)的抗炎作用,認(rèn)為藏紅花素可以通過抑制PI3K/Akt介導(dǎo)的炎癥途徑發(fā)揮其抗炎作用[37]。Xie Y.等人的研究稱香煙煙霧會顯著上調(diào)PI3K和Akt的表達,藏紅花素干預(yù)之后會使PI3K和Akt的表達及活化急劇下降,從而抑制氣道炎癥反應(yīng)以及減少粘液分泌,緩解COPD患者的氣道阻塞癥狀[38]。

2 激活Nrf2信號通路

核紅細(xì)胞相關(guān)因子2(Nrf2)是細(xì)胞對氧化應(yīng)激抵抗力的調(diào)節(jié)劑。Nrf2及其下游靶向抗氧化基因的功能已被證明對細(xì)胞保護免受氧化損傷很重要[39]。在各種抗氧化酶中,血紅素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)是一種主要的抗氧化和抗炎酶,主要由Nrf2活化調(diào)節(jié),藏紅花素在香煙煙霧介導(dǎo)的COPD個體中通過Nrf2通路顯著誘導(dǎo)HO-1表達,抑制多種細(xì)胞中促炎介質(zhì)的產(chǎn)生而發(fā)揮抗氧化、抗炎作用[40]。此外,谷胱甘肽(glutathione,GSH)是一種重要的肺抗氧化劑,缺乏谷肽會導(dǎo)致氣道損傷和肺泡損傷。Nrf2通過調(diào)控谷氨酰半胱氨酸連接酶催化亞基基因轉(zhuǎn)錄從而調(diào)節(jié)GSH水平[41]。Dianat M.等人的研究結(jié)果表明藏紅花素激活上游信號激酶,如蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)、PI3K和MAPK等,Nrf2通過上游信號激酶被磷酸化,磷酸化的Nrf2從kelch樣ECH關(guān)聯(lián)蛋白-1中釋放出來,上調(diào)GSH水平,減弱香煙煙霧介導(dǎo)的氧化應(yīng)激,減少炎癥因子的釋放,從而抵抗氧化應(yīng)激,改善肺組織的損傷[42]。

3 抑制NF-κB信號通路

核因子-κB(NF-κB)被認(rèn)為是多種炎癥通路中的重要轉(zhuǎn)錄因子,在調(diào)節(jié)氣道免疫反應(yīng)和炎癥因子活性中起著關(guān)鍵作用[43-44]。研究表明,在 COPD 個體的支氣管活檢和炎癥細(xì)胞中,NF-κB信號通路被激活,NF-κB的表達和NF-κB抑制劑的磷酸化增加,釋放促炎細(xì)胞因子引起炎癥反應(yīng)[45]。Kim JH等人的研究表明,藏紅花素誘導(dǎo)HO-1的表達抑制NF-κB活性,從而下調(diào)誘導(dǎo)性一氧化氮合酶(introduce nitric oxide synthase,iNOS)的表達及一氧化氮(nitric oxide,NO)的產(chǎn)生[46]。NO累積與包括COPD在內(nèi)的許多慢性炎癥性疾病有關(guān),因此,抑制NO的產(chǎn)生是抑制COPD炎癥的一種臨床策略。此外,藏紅花素通過抑制NF-κB磷酸化以及NF-κB p65亞基核易位及其與脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)上κB結(jié)合基序的結(jié)合活性,從而降低了促炎細(xì)胞因子、趨化因子和其他酶的基因表達,最終減輕了炎癥反應(yīng)的嚴(yán)重程度[47]。Du J.等人在煙曲霉誘導(dǎo)的人支氣管上皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)藏紅花素通過清除ROS來調(diào)控NF-κB的激活,從而抑制COPD的氧化應(yīng)激[48]。皮質(zhì)類固醇治療COPD的原理是抑制NF-κB活性,從而降低炎癥因子水平,這與藏紅花素干預(yù)對在COPD患者中起到的效果是一樣的[8]。

4 激活PGC-1α/SIRT3信號通路

PGC-1α是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,可調(diào)控與線粒體代謝、氧化應(yīng)激等相關(guān)基因的表達。SIRT3是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性線粒體脫乙酰酶,可使超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2,SOD2)脫乙?；?增強清除ROS的活性,降低ROS水平[49]。在謝等人的研究中,藏紅花素干預(yù)明顯上調(diào)了COPD大鼠肺組織中PGC-1α、SIRT3 信使核糖核酸與蛋白質(zhì)的表達水平,增加了脫乙?；富钚?從而降低ROS水平,抵抗氧化應(yīng)激以及降低肺泡上皮細(xì)胞的凋亡率,保護肺組織改善COPD肺功能,且藏紅花素對PGC-1α、SIRT3的表達的調(diào)節(jié)具有劑量依賴性[50]。

5 抑制MAPK信號通路

MAPK是絲蛋白/蘇氨酸激酶,在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞表達、存活、分化和增殖的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起主要作用[51]。MAPK信號通路包括細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)的蛋白激酶(extracellular signal regulated protein kinase,ERK)通路、c-Jun氨基末端激酶(jun n-terminal kinase,JNK)通路和p38 MAPK通路[52]。有研究證明藏紅花素可顯著抑制p38 MAPK、JNK和ERK活性發(fā)揮抑制氣道炎癥、降低氣道高反應(yīng)性以及粘液高分泌等功能[37,53-55]。香煙煙霧可誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞分泌粘糖蛋白(mucin,MUC)MUC5AC和MUC5B以及釋放炎癥因子IL-1β和TNF-α,從而誘導(dǎo)粘液高分泌及炎癥反應(yīng)。藏紅花素主要通過抑制表皮生長因子受體(EGFR)-MAPK激酶1/2(MEK1/2)-ERK1/2、p38 MAPK通路以及JNK通路的激活從而降低香煙煙霧誘導(dǎo)的粘蛋白MUC5AC和MUC5B和炎癥因子IL-1β和TNF-α的表達,從而發(fā)揮抗粘液分泌及抗炎作用。

6 激動β2-腎上腺素受體

分布于支氣管平滑肌上的β2-腎上腺素受體可以介導(dǎo)支氣管平滑肌松弛、擴張支氣管。此前的研究已證明激動β2-受體,可以激活腺苷酸環(huán)化酶,增加細(xì)胞內(nèi)的環(huán)磷腺苷,從而舒張支氣管平滑肌,改善通氣[56]。Nemati H.等人通過對豚鼠氣管鏈進行異丙腎上腺素誘導(dǎo)預(yù)收縮,研究藏紅花素對豚鼠氣管鏈中β2-腎上腺素受體的激動作用,結(jié)果顯示,藏紅花素對氣管平滑肌β2-受體有一定的激活效應(yīng)[57]。這證實了激動β2-腎上腺素受體是藏紅花素擴張支氣管的重要機制之一。

7 拮抗毒蕈堿受體

抗毒蕈堿藥物可拮抗毒蕈堿受體舒張支氣管平滑肌,驅(qū)動纖毛運動,抑制粘液高分泌狀態(tài)[58]。Saeideh S.等人在以茶堿作為陽性對照,研究不同濃度的藏紅花素對大鼠氣管平滑肌的舒張作用的研究中,發(fā)現(xiàn)與未孵育氣管平滑肌相比,兩種較高濃度的藏紅花素對阿托品孵育氣管組織的舒張效果顯著降低,這表明,藏紅花素可以通過抑制毒蕈堿受體來舒張支氣管[59]。Neamati N.等人此前的研究也支持藏紅花素可以拮抗毒蕈堿受體從而舒張支氣管平滑肌的結(jié)論[60]。

8 抑制組胺H1受體

組胺H1受體的激動會導(dǎo)致甘油二酯的生成,進而活化PKC,收縮支氣管平滑肌[61]。組胺H1受體阻斷藥物對氣管平滑肌的舒張作用先前已被證實[62]。但是,Saeideh S.的研究結(jié)果顯示,藏紅花素對經(jīng)氯苯那敏孵育并經(jīng)氯化鉀收縮的氣管平滑肌的舒張作用與非孵育氣管組織的結(jié)果并沒有顯著差異。他們認(rèn)為藏紅花素并不能通過抑制組胺H1受體來舒張支氣管平滑肌達到緩解通氣狀況的效果[59]。這一結(jié)果存在爭議,未來需要更多的優(yōu)質(zhì)研究來探討藏紅花素是否能通過此機制緩解COPD癥狀 。

四、小結(jié)與挑戰(zhàn)

COPD是一種不可逆的慢性炎癥性疾病,目前研究者們正在迫切尋找治療COPD的有效藥物。藏紅花素是一種水溶性的活性成分,具有抗氧化、抗炎、抗癌等特性。目前已有研究證明藏紅花素干預(yù)可以改善COPD患者運動能力和肺功能且毒副作用甚微,但其具體機制尚未明確。此外,盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)藏紅花素具有可觀的治療效果,但在提取成本和有效的藥物輸送中存在著不可忽略的問題。因此,未來不僅要更深層次的挖掘藏紅花素的作用機制與藥理作用,同時也要將研究集中在降低藏紅花素提取成本和提高藏紅花素的溶解度、穩(wěn)定性和生物利用度上。