虾青素对缺血-再灌注损伤的防治作用进展

刘婧怡，左青青，冯 壤，陈晓红，李海波

（中国人民解放军第三军医大学，重庆 400038）

虾青素对缺血-再灌注损伤的防治作用进展

刘婧怡，左青青，冯 壤，陈晓红，李海波

（中国人民解放军第三军医大学，重庆 400038）

目的 研究虾青素对缺血-再灌注损伤（IRI）的预防保护作用及可能的作用机制。方法 收集虾青素及其预防保护缺血-再灌注损伤作用的相关文献，对虾青素和缺血-再灌注损伤之间的关系进行综述。结果缺血-再灌注损伤是一种氧化损伤，而虾青素具有强大的抗氧化活性。经过虾青素预处理后，缺血-再灌注损伤情况可得到有效改善。结论 虾青素作为抗氧化剂，能有效预防及减轻缺血-再灌注损伤，其作用机制可能与其抗氧化、抗细胞凋亡相关。

虾青素；缺血-再灌注损伤；抗氧化；抗细胞凋亡

缺血-再灌注损伤（IRI）是一种在缺血基础上恢复血流后组织损伤反而加重，甚至发生不可逆性损伤的现象[1]。缺血-再灌注损伤的发病机制暂时还不明确，目前认为氧自由基增多是其重要原因[2]。虾青素又称虾黄素，是一种红色脂溶性的类胡萝卜素，广泛存在于自然界，尤其是微生物和一些海生动物(龙虾、蟹等)体内[3]。虾青素的化学名称为 3，3′-二羟基-4，4′-二酮基-β，β′-胡萝卜素，分子式为C40H52O4，属于萜烯类不饱和化合物。虾青素与其他类胡萝卜素结构相似，具有共轭双键长链结构。但虾青素在共轭双键链的两端还存在羰基和羟基等基团，形成了α-羟基酮结构。这种共轭结构显著增强了虾青素的电子效应，使其更容易与自由基的未配对电子相吸引，因此虾青素具有很好的清除氧自由基的能力[4]，从而表达出强大的抗氧化能力，在预防和治疗缺血-再灌注损伤表现出了巨大潜力。

1 缺血－再灌注损伤的发病机制

缺血-再灌注损伤是指组织缺血一段时间，当血流重新恢复后，组织的损伤程度较缺血时进一步加重、器官功能进一步恶化的综合征。在缺血-再灌注过程中，缺血导致的低氧条件会诱导三磷酸腺苷（ATP）大量消耗、黄嘌呤氧化酶形成增多、次黄嘌呤堆积、中性粒细胞聚集及激活、线粒体膜损伤、儿茶酚胺自氧化增加等，导致自由基增多。而大量的自由基的产生，会导致膜脂质过氧化增强、蛋白质功能抑制及核酸染色体破坏等细胞损伤情况的发生。再灌注不仅使自由基生成增多，而且使自由基的清除能力下降[5]，而自由基增多导致组织受损又进一步促进了缺血-再灌注损伤的发生发展，进而形成恶性循环。

2 虾青素的生理活性及安全性

2．1 来源

虾青素的来源有人工合成和生物获取2种方式，人工合成是以胡萝卜素为原料制得，而生物获取主要是从水产品中提取获得。虾青素作为叶黄素家族的一员，广泛存在于微藻、高等植物及海洋动物之中。由于人工合成的虾青素价格昂贵且同天然虾青素在结构、功能、安全性等方面差异较大，目前已经投入商业应用的虾青素几乎都是从藻类和酵母中天然提取的。

2．2 生理活性

虾青素具有强大的抗氧化活性，能预防心脑血管疾病，对神经、皮肤、眼睛等系统与器官具有保护作用，也表现出抗炎、抗癌等作用，同时能缓解肌肉运动损伤，增强免疫力[6]。与其他叶黄素家族成员相同的是，虾青素具有很强的清除氧自由基的能力，但虾青素并不在人体内表现出维生素A原的活性[7-11]。因其广泛的生理活性，特别是强大的抗氧化活性，虾青素被广泛应用于保健品和日化领域。

2．3 生物利用度

虾青素同时具有亲脂性和亲水性，故能被脂肪分子吸收然后直接传送至目标器官或组织中，如脑、视网膜及骨骼肌等[12]。虾青素经肠上皮细胞吸收后被动扩散与脂肪分子相结合[13]，未酯化的部分能和乳糜微粒相结，合并通过淋巴系统转运进入肝脏[14]。

2．4 安全性

天然虾青素作为膳食添加剂，已被证明是非常安全的[15]。统计数据显示，目前尚未收到任何关于天然虾青素不良反应的报告[16]。同时，一项临床随机跟踪研究表明，食物中6 mg／d的虾青素添加量对健康成人来说非常安全[17]。1999年，美国食品药物管理局（FDA）已批准将天然虾青素作为膳食补充剂添加进入食物中[10]。

3 虾青素防治缺血－再灌注损伤的应用

3．1 抗氧化作用

研究表明，虾青素能保护细胞对抗H2O2介导的细胞氧化，也可保持肾脏的功能和组织学结构，同时缓和细胞氧化带来的影响[18]。通过建立小鼠肾缺血 -再灌注模型，研究人员发现浓度为250 nmol／L的虾青素，能减轻浓度为100 μmol／L的H2O2介导的管状上皮细胞缺血-再灌注损伤。而在生物体体内，虾青素能在缺血-再灌注发生后12～24 h内继续维持肾功能。而研究中另一项试验表明，经过虾青素灌胃预处理14 d的小鼠，在缺血-再灌注发生后24 h，才会出现相应的组织学损伤。组织学、免疫学等各项指标、结果都表明，在用虾青素对小鼠进行预处理以后，小鼠肾脏缺血-再灌注模型中各项表示损伤程度的指标都显著下降；缺血-再灌注24 h后，氧化程度和炎症症状也得到了显著控制[19]。

在另一项研究中，经过虾青素预处理的小鼠，在肝脏缺血-再灌注发生后损伤程度也明显降低。研究人员将虾青素以5 mg／(kg·d)的剂量通过灌胃方式注入小鼠体内14 d作为预处理，第15天中断小鼠左外侧肝叶血供60 min后再恢复60 min再灌注。在试验后期，取右心室血样测定血浆中丙氨酸氨基转移酶(ALT)和黄嘌呤氧化酶(XO)的含量，并处死小鼠获得非缺血组织和缺血组织，通过透视电镜和组织病理学评价来评析小鼠肝部超微结构，从而评估虾青素对缺血-再灌注损伤的作用。结果显示，虾青素预处理后小鼠的缺血-再灌注损伤程度明显降低[20]。

在探讨虾青素对脑部缺血-再灌注损伤的作用试验中，采用线栓法建立大鼠局灶性脑缺血-再灌注损伤(MCAO)模型，通过对神经学评分、脑梗体积、超氧化物歧化酶（SOD）和丙二醛（MDA）水平等指标测定，结果显示，虾青素能明显改善试验大鼠的神经学症状，减小脑梗体积，具有神经保护作用[21]。

以上2项研究均提示，通过用虾青素对试验动物进行预处理，能明显提高血清SOD、降低MDA水平，加快对氧自由基的清除。虾青素的抗氧化活性对维持缺血-再灌注后的肾脏功能和组织学结构具有显著效果。

3．2 抗细胞凋亡作用

除了抗氧化作用，文献[22]报道，在经虾青素预处理的小鼠模型中，虾青素能通过减少活性氧簇（ROS），下调相关蛋白活性，最终起到抗细胞凋亡的作用。因此，虾青素还具有抗细胞凋亡作用。

虾青素可能通过 ROS／丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路降低由于缺血-再灌注损伤引起的细胞凋亡和细胞自噬现象[23]。由于缺血-再灌注损伤经常出现在肝脏手术或肝移植中，成为影响手术疗效的一个重要问题。研究人员建立了小鼠肝脏缺血-再灌注模型，以了解虾青素的作用。将小鼠随机分为两组，分别给予30 mg／d和60 mg／d连续14 d做预处理，在缺血-再灌注损伤发生2，8，24 h后通过腹腔手术收集血清样本和组织样本，检测ALT、天冬氨酸氨基转移酶（AST）、炎性因子、ROS和MAPK家族关键蛋白含量。研究结果显示，虾青素通过下调MAPK家族中如P38 MAPK，JNK和ERK等相关蛋白的磷酸化修饰作用活性，减少了ROS和细胞炎性因子的释放，从而抑制了细胞凋亡和细胞自噬现象。在对成年小鼠用虾青素预处理后构造脑部缺血-再灌注模型的试验中，也观察到了虾青素的抗细胞凋亡作用[24]。

4 结语

虾青素在应对缺血-再灌注损伤方面有潜在的研究价值，目前对虾青素的在缺血-再灌注损伤预防和治疗的研究主要集中在抗氧化作用和抗细胞凋亡作用2个方面。

更多试验数据表明，虾青素具有强抗氧化活性，通过对缺血-再灌注损伤建立模型后进行试验的数据也证明了虾青素在抗缺血-再灌注损伤方面有巨大的潜在研究价值。虾青素主要是通过升高SOD活性，降低血浆中ROS和MDA水平，下调相关蛋白的修饰活性来发挥抗细胞氧化作用，以及通过下调MAPK家族中的磷酸化来抗细胞凋亡的作用，从而对缺血-再灌注损伤起到有效的预防和治疗作用。相对其他抗氧化剂来说，虾青素有内部亲脂、两端亲水的结构，与细胞膜结构相近，故能很好地吸附在细胞膜两侧，更加有效地表达抗氧化活性[25-26]。与此同时，虾青素在消除自由基时，本身不会参加反应，也就说虾青素几乎不会消耗[27]，相比于其他抗氧化剂利用率大幅提高。因此虾青素具有相当广阔的临床应用前景，但目前仍然需要更充分的临床试验来探究虾青素的生物功能，为虾青素作为膳食补充剂及其在医药方面的应用提出更加科学、详实的理论依据。

[1]李树清．缺血-再灌注损伤[M]／／金慧铭，王建枝．病理生理学．第8版．北京:人民卫生出版社，2013:152-159．

[2]Carden DL，Granger DN．Pathophysiology of ischaemia-reperfusion injury[J]．J Pathol，2000，190(3):255-266．

[3]HusseinI G，Sankawa U，Goto H，et al．Astaxanthin，a ca-rotenoid with potential in human health and nutrition[J]．J Nat Prod，2006，69(3):443-449．

[4]凌关庭．虾青素及其抗氧化能力[M]／／保健食品原料手册．北京:化学工业出版社，2002:7-33．

[5]王四海，郭 桢，张秀敏，等．清除自由基对脑缺血损伤的保护作用[J]．河北北方学院学报，2014，30(5):107-109．

[6]武万强，刘学波．虾青素生物功能的研究进展[J]．农产品加工·学刊，2012，292(9):91-96．

[7]Shimidzu N．Carotenoids as singlet oxygen quenchers in marine organisms[J]．Fish Sci，1996，62(1):134-137．

[8]Hussein，G，Nakamura M，Zhao Q，et al．Antihypertensive and neuroprotective effects of astaxanthin in experimental animals[J]．Biol Pharm Bull，2005，28(1):47-52．

[9]Stahl W，Sies H．Bioactivity and protective effects of natural carotenoids[J]．Biochim Biophys Acta，2005，1 740(2):101-107．

[10]Guerin M，Huntley ME，Olaizola M．Haematococcus astaxanthin: Applications for human health and nutrition[J]．Trends Biotechnol，2003，21(5):210-216．

[11]Jyonouchi H，Sun S，Gross M．Effect of carotenoids on in vitro immunoglobulin production by human peripheral blood mononuclear cells:Astaxanthin，a carotenoid without vitamin A activity，enhances in vitro immunoglobulin production in response to a T-dependent stimulantand antigen[J]．Nutr Cancer，1995，23(2):171-183．

[12]Higuera-Ciapara I，Felix-Valenzuela L，Goycoolea F M．Astaxanthin:A review of its chemistry and applications[J]．Crit Rev Food Sci Nutr，2006，46(2):185-196．

[13]Okada Y，Ishikura M，Maoka T．Bioavailability of astaxanthin in Haematococcus algal extract:The effects of timing of diet and smoking habits[J]．Biosci Biotechnol Biochem，2009，73(9): 1 928-1 932．

[14]Coral-Hinostroza GN，Ytrestøyl T，Ruyter B，et al．Plasma appearance of unesterified astaxanthin geometrical E／Z and optical R／S isomers in men given single doses of a mixture of optical 3 and 3′R／S isomers of astaxanthin fatty acyl diesters[J]．Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol，2004，139(1-3): 99-110．

[15]Ranga Rao A，Raghunath Reddy RL，Baskaran V，et al．Characterization of microalgal carotenoids by mass spectrometry and their bioavailability and antioxidant properties elucidated in rat model[J]．J Agric Food Chem，2010，58(15):8 553-8 559．

[16]Stewart JS，Lignell A，Pettersson A，et al．Safety assessment of astaxanthin-rich microalgae biomass:Acute and subchronic toxicity studies in rats[J]．Food Chem Toxicol，2008，46(9): 3 030-3 036．

[17]Spiller GA，Dewell A．Safety of an astaxanthin-rich Haematococcus pluvialis algal extract:A randomized clinical trial[J]．J Med Food，2003，6(1):51-56．

[18]付 凯，袁逸民，蒋 昊，等．虾青素在小鼠肾脏缺血再灌注损伤方面的保护作用[J]．东南大学学报(医学版)，2015，34(2):222-225．

[19]Qiu X，Fu K，Zhao X，et al．Protective effects of astaxanthin against ischemia／reperfusion induced renal injury in mice[J]．J Transl Med，2015（13）:28．

[20]Curek GD，Cort A，Yucel G，et al．Effect of astaxanthin on hepatocellular injury following ischemia／reperfusion[J]．Toxicology，2010，267(1-3):147-153．

[21]潘 雷，周 莹，刘路明，等．天然虾青素对大鼠MCAO模型的保护作用研究[J]．中国民族民间医药，2014，23(23)：9-11．

[22]龚志刚，丁世芳，姜其钧，等．虾青素保护线粒体和抑制氧化应激诱导的内皮祖细胞凋亡[J]．医药导报，2014，33(6): 712-717．

[23]Li J，Wang F，Xia Y，et al．Pretreatment Attenuates Hepatic Ischemia Reperfusion-Induced Apoptosis and Autophagy via the ROS／MAPK Pathway in Mice[J]．Mar Drugs，2015，13(6): 3 368-3 387．

[24]Shen H，Kuo CC，Chou J，et al．Astaxanthin reduces ischemic braininjury inadultrats[J]．FASEB J，2009，23(6):1958-1968．

[25]Pashkow FJ，Watumull DG，Campbell CL．Astaxanthin:a novel potential treatment for oxidative stress and inflammation in cardiovascular disease[J]．Am J Cardiol，2008，101(10A):58D-68D．

[26]Fassett RG，Coombes JS．Astaxanthin:a potential therapeutic agent in cardiovascular disease[J]．Mar Drugs，2011，9(3): 447-465．

[27]Kurashige M，Okimasu E，Inoue M，et al．Inhibition of oxidative injury of biological membranes by astaxanthin[J]．Physiol Chem Phys Med NMR，1990，22(1):27-38．

Research Progress of Astaxanthin on Ischemia Reperfusion Injury

Liu Jingyi,Zuo Qingqing,Feng Rang,Chen Xiaohong,Li Haibo
(PLA Third Military Medical University,Chongqing,China 400038)

Objective To observe the efficacy of astaxanthin in the prevention and treatment of ischemia reperfusion injury(IRI)and its probable mechanism．M ethods References about astaxanthin and its prevention and protection of ischemia reperfusion injury(IRI)were collected and a review was written to explain the relationship between the astaxanthin and the prevention of IRI．Results Ischemia reperfusion injury was a kind of oxidative damage,yet astaxanthin was a strong antioxidant．The situation of IRI can be obviously improved following ATX pretreatment．Conclusion Astaxanthin,as an antioxidant,is capable to prevent IRI effectively,and its mechanism is possibly related to anti-oxidant and antiapoptosis．

astaxanthin;ischemia reperfusion injury;anti-oxidant;antiapoptosis

R282；R285．5

A

1006－4931(2016)11－0001－03

刘婧怡（1994-），女，大学本科在读，研究方向为线粒体靶向抗氧化药物的设计、合成及活性研究，（电话）023-68772363（电子信箱）494628830＠qq．com；李海波（1980-），男，博士研究生，副教授，研究方向为抗氧化药物及疫苗佐剂的设计与合成，本文通讯作者，（电话）023-68772363（电子信箱）sculhb＠126．com。

2016－01－06；

2016－02－24)

国家自然科学基金，项目编号：31400788；重庆市基础与前沿一般项目，项目编号：cstc2013jcyjA1037。