黄酮类物质的生物功能及作用机制研究进展

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黄酮类(Flavonoid)物质是已被证明具有多种生物活性的多元酚物质[1]，主要包括黄酮(Flavone)、黄烷酮(Flavanone)、黄烷醇(Flavanols)与异黄酮(Isoflavones)等。迄今为止，已证实黄酮类物质具有平喘、抗炎症、抗感染、抗血管生成与抗癌等多重生物活性功能。现就近年来黄酮类物质的研究进展进行综述。

1 黄酮类物质概述

自然界存在许多富含黄酮类物质的植物，比如满山红、大豆与黄芩。现主要介绍这3种植物中所含黄酮的作用及机制。

1.1 满山红(Rhododendron dauricum L) 满山红是一种属于杜鹃花科(Ericaceae)的传统中草药植物[2]，主要分布于中国北方、韩国、日本、蒙古北方与俄罗斯[3]。在中国，满山红主要被应用于支气管炎的治疗[4]。至今已经从杜鹃花科植物中探测并分离出约90种生物活性物质，包括黄酮、香豆素(Coumarins)、挥发油(volatile oils)、有机酸(organic acids)与萜烯类(terpenes)物质等[5]。而近年来的研究热点之一杜鹃素(farrerol)则是从满山红中提取分离出来的典型野生黄酮类物质[6]。

1.2 大豆制品(soy products) 大豆制品是众多亚洲国家的主要食品，如中国、韩国与印度尼西亚。已经有研究证实在这些饮食中高摄入豆制品(豆腐、豆粉、豆奶或豆豉等)国家人群中，体液中黄酮的比例要高于其他国家的人群[7]。大豆苷元(daidzein)与染料木黄酮(genistein)是目前研究较多的两种大豆异黄酮，其主要活性作用是抗氧化作用[8]。

1.3 黄芩(Scutellaria baicalensis) 黄芩是一种属于唇形科(Labiatae family)的传统中草药，其成分主要包括黄芩素(Baicalein)、黄芩苷(Baicalin)与汉黄芩素(Wogonin)。经证实黄芩可以用来治疗炎症、高血压、心血管疾病、细菌或病毒感染[9]。

2 黄酮类物质的生物活性作用及机制

2.1 抑制血管生成 血管新生(angiogenesis)是广泛存在于人体生理或病理过程中的重要机制[10]，如炎症、肿瘤。经多年研究证实，在血管新生的过程中，有多种调节因子如血管内皮生长因子(VEGF)、信号通路蛋白Akt、Erk与mTOR，信号转录激活因子Stat起到重要的调节作用[11]。至今已有应用于临床的靶向作用于血管新生过程的药物[12]。2016年Dai等[13]经实验证实，杜鹃素可以通过抑制Akt、Erk、mTOR、Jak2与Stat3等关键因子的磷酸化从而抑制人脐静脉上皮细胞与人微血管上皮细胞的增殖与迁移，从而达到抑制新生血管生成的目的。

2.2 舒张血管 现今高血压已经成为全球最普遍的公共卫生问题之一，2005年全球共有25%的成人患有原发性高血压，并且预计患病人数比例将在2025年提升至29%[14]。尽管已有许多药物被用来治疗高血压，但其中大部分药品都存在一些问题，如血压控制不稳定或对机体其他脏器具有毒副作用等。所以，近十几年来人们纷纷将眼光转向传统的中草药，并且发现黄酮类物质对治疗高血压有明显的疗效[15]。Qin等[6]发现杜鹃素可以通过减少大鼠主动脉的血管平滑肌细胞(VSMCs)的钙离子内流从而抑制血管收缩，具体减少钙离子内流的机制可能与降低L型电压门控钙离子通道(LVGC)的活性有关。2015年Qin等[16]又发现在自发性高血压大鼠模型(SHR)中，杜鹃素不仅具有与维拉帕米相近的降压作用，而且可以显著降低血管中膜的厚度，使中膜与内膜厚度的比值下调，从而证明杜鹃素不仅可以降压，还可以降低高血压对小鼠动脉的损伤。

2.3 抗病毒作用 一直以来人类对病毒的研究并未如同对细菌的研究一样透彻，且抗病毒药物的研制也不能满足临床工作的需求。病毒自身的特殊结构与其极强的变异能力都给研究工作带来了困扰。早在1992年Baylor等[17]就已证实黄芩苷可以有效抑制人T细胞白血病病毒(HTLV-1)对T细胞与B细胞的感染。之后1995年日本学者研究发现20 μg/mL的黄芩素对白血病CEM细胞没有毒性，但是对被人类免疫缺陷病毒(HIV)感染的CEM细胞有诱导凋亡的作用[18]。Wu等[19]研究发现黄酮类物质可以抑制EB病毒在细胞内的表达，从而抑制EB病毒对细胞的作用。实验人员用近20年的时间证实中草药可以作为一个研究抗病毒机制的方向，进而取得更大的临床获益。

2.4 抗细菌作用 金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)是十分常见的病原菌，之后耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistant S.aureus，MRSA)的出现使抗金黄色葡萄球菌感染的临床工作更为棘手。Qiu等[20]阐明在浓度范围为4 μg/mL～16 μg/mL的杜鹃素即可对MRSA和甲氧西林敏感的金黄色葡萄球菌(Methicillin-sensitive S.aureus，MSSA)同时表现出抑制作用，且杜鹃素对实验细胞模型小鼠腹腔巨噬细胞RAW264.7没有产生毒副作用。此外，杜鹃素在牛的乳腺炎模型中也表现出了极强的抑制金黄色葡萄球菌生长的作用，且对牛的乳腺上皮细胞(bMEC)同样无毒副作用[21]。由此可见，杜鹃素可能是一种对细胞无毒且对金黄色葡萄球菌有较强抑制作用的黄酮类物质。

2.5 抗氧化作用 活性氧(reactive oxygen species，ROS)是哺乳动物细胞内由线粒体产生的由氧组成且性质活泼的物质总称，其过度生成可能会导致脂质、蛋白质与脱氧核糖核酸(DNA)的损伤，已经证实机体内一系列的病理反应，如慢性炎症与癌症都与活性氧的过度生成有关[22]。在体内，细胞自身会产生如NQO1，GST，血红素氧合酶-1(HO-1)与GSH-Px等抗氧化物质[23]来保护细胞。2013年人们发现在过氧化氢介导的人脐静脉上皮细胞损伤模型中，杜鹃素可以通过抗氧化作用而减少上皮细胞的损伤与凋亡[24]。2015年有实验显示，20 mg/L的杜鹃素在作用于RAW264.7细胞18 h后，细胞内的HO-1表达明显增加，且随着杜鹃素浓度的增加与作用时间的延长，HO-1的表达也随之增加[25]，而具体杜鹃素使HO-1表达增加的机制可能与核因子相关因子(NF-E2-related factor，Nrf2)的释放增多有关。

2.6 抗肿瘤作用 恶性肿瘤的治疗一直是全世界科学家致力研究的热点及难点。在目前的临床工作中对于肿瘤全身治疗的方法仍是化疗占主导地位。化疗药物作为一种细胞毒药物，虽然对肿瘤细胞有很强的杀伤力，但对机体其他正常细胞的毒副作用不容忽视，而且恶性肿瘤对化疗产生的耐药性给病人的预后带来极其不利的影响。近年来，国内外开始将研究目光转向中草药部分，并且已经得到一些令人鼓舞的研究成果。现主要总结黄酮类物质对肿瘤的作用及其作用机制。

2.6.1 干扰肿瘤细胞的细胞周期 周期素(cyclins)、周期素依赖性激酶(cyclin-dependent kinases，CDKs)与周期素依赖性激酶抑制剂(CDK inhibitors， CDKIs)是调节细胞周期的重要因子。据统计，与G1期有关的周期调节因子主要有cyclin D、CDK4/CDK6；与G1期过渡到S期有关的周期调节因子主要有cyclin E、CDK2；与S期有关的周期调节因子则是cyclin A、CDK2；而在G2/M期中则是cyclin A/cyclin B起到调节作用[1]。许多研究已经发现在多种肿瘤细胞中CDKs的表达水平比其他正常细胞的表达水平要高，表达增多的原因主要是CDKs或CDKIs基因的异常突变[26]。大豆苷元在作用于人乳腺癌细胞MCF-7与MDA-MB-453 72 h后，两种细胞均发生了细胞周期在G1期与G2/M期的停滞[8]。汉黄芩素可以导致人单核白血病细胞THP-1的细胞周期停滞于G2/M期[27]。此外，同样在人肝癌细胞系(Hep G2 cells)中也发现，黄芩苷、黄芩素与汉黄芩素均可造成Hep G2细胞在细胞培养过程中处于G2/M期的细胞数目明显增加，从而阻断Hep G2细胞的增殖[28]。

2.6.2 影响Bcl-2家族的表达 Bcl-2家族是调控细胞凋亡的重要蛋白质家族，是凋亡研究的热点之一。Bcl-2家族分为抑制凋亡蛋白Bcl-2和促进凋亡蛋白Bax两大类，在多数肿瘤病人中Bax表达下降，而Bcl-2表达水平升高[29]。Bcl-2家族在调节细胞凋亡过程中会与细胞内的细胞器(如线粒体)产生作用。Bcl-2家族的大多数蛋白中都包含有一段可以嵌入到线粒体外膜上的C-跨膜域，从而使Bcl-2家族的蛋白与线粒体相连接。Bax蛋白与线粒体结合会发生线粒体外膜通透化(MOMP)，导致caspase活化。相反Bcl-2蛋白则起到保护线粒体外膜完整性的作用，从而阻止细胞凋亡的发生[30]。通过RT-PCR测得，在杜鹃素处理过24 h的胃癌细胞(SGC-7901)中，Bax蛋白表达升高，Bcl-2蛋白表达减少，同时Bax/Bcl-2比值明显增加[31]，揭示了杜鹃素诱导肿瘤细胞的凋亡机制与Bcl-2家族的调控作用有关。

2.6.3 抑制前列腺素E2(PGE2)的生成 PGE2是一种由花生四烯酸转化来的前列腺素(PGs)，环加氧酶(COX)是花生四烯酸转化过程中重要的限速酶。Klapan等[32]发现头颈部鳞状细胞癌病人的血清中PGE2的水平明显升高，且在手术切除肿瘤后PGE2水平立即下降。之后的实验证实黄芩可以诱导头颈部鳞状细胞癌的癌细胞凋亡，同时能够通过抑制COX-2的催化作用来有效抑制PGE2的产生[33]。由此可见抑制PGE2的生成可能是黄芩诱导癌细胞凋亡的机制之一。

3 流行病学调查

除外大量的实验研究证实黄酮类物质具有抗肿瘤作用，一些流行病学调查同样也能揭示黄酮类物质的抗肿瘤作用是否可靠。早在19世纪80年代就已经有调查显示木脂素(Lignans)与异黄酮类物质可以预防乳腺癌的发生。之后的流行病学调查也反映出乳腺癌、膀胱癌与直肠癌的发病率在饮食中高摄入含有黄酮类物质食物(如大豆)的人群中要低于其他人群[34]。而这种流行病学差异则被归功于植物雌激素(phyto-oestrogens)的作用。植物雌激素是一类拥有与甾体类雌激素相似化学结构存在于多种植物中的一类物质。至今人们已发现植物雌激素具有抗肿瘤、抗血管新生等活性。1997年发表在《柳叶刀》杂志(The Lancet)上的1篇病例对照研究进一步证实高摄入含有植物雌激素的食物如异黄酮类物质的女性早期乳腺癌的发病率要明显降低，从而提示含有植物雌激素的食物可以预防乳腺癌的发生[35]，之后的研究则明确显示植物雌激素可以抑制乳腺癌、膀胱癌与直肠癌的癌细胞的增殖[36]。

4 小结与展望

近年来研究人员证实黄酮类物质的生物功能主要包括抑制血管新生、舒张血管、抗病毒及细菌感染、抗细胞氧化、抗肿瘤等，且这些功能并不是独立存在的，而是存在一定联系的，这些作用之间的相互联系会使黄酮类物质的生物功能变得更加全面、广泛。希望能够通过更多的基础和临床实验来使人们认识到黄酮类物质的医学价值，为以后的实验和临床工作开辟一个新的方向。