姜黄素保护血管内皮细胞氧化应激损伤分子机制的研究进展

王彤，龙明智

(南京医科大学第二附属医院，江苏 南京 210011)

姜黄素是一种天然疏水性多酚，提取于多年生草本植物姜黄的干燥根茎中，是日常生活中常用的调味品和天然色素，作为药食两用的传统药材已有数百年的使用历史。1815年德国学者Vogel和Pelletier首次从姜黄根茎中分离出姜黄素，并确定其分子式为C21H20O6。越来越多的证据表明，姜黄素系通过多靶点调节细胞基因表达或直接作用而发挥抗肿瘤[1-3]、抗增殖[4]、抗炎[5]等多方面生物学效应。近年来有关姜黄素保护血管内皮细胞、抗动脉粥样硬化的研究不断深入，特别是姜黄素抑制氧化应激所致血管内皮细胞损伤的分子机制研究，为姜黄素应用于心血管病的防治提供了理论依据。

1 自噬

细胞自噬是由Ashford和Porter于1962年发现细胞内有“自己吃自己”的现象后首次提出的，由溶酶体介导完成细胞质内从可溶蛋白到完整细胞器的批量降解，系真核细胞中高度保守的一类亚细胞降解途径，在生物体细胞器更新、细胞程序性死亡、生长发育、肿瘤抑制等方面具有非常重要的作用[6]。2016年度诺贝尔生理学和医学奖获得者Yoshinori Ohsumi于1993年首次通过构建酿酒酵母液泡模型，从突变菌株筛选出15种细胞自噬相关基因[7](APG genes，最初的命名)，4年后他的团队又成功克隆出了细胞自噬相关基因(ATG)，为细胞自噬分子机制研究奠定了基础，到目前为止已经有近40种ATG基因被发现。2000年Yoshinori Ohsumi研究组又首次报道了鉴定细胞自噬的金标准关键蛋白Atg8的同源蛋白LC3，还建立微管相关蛋白1轻链3-Ⅱ(LC3-Ⅱ)的检测方法，用于评定哺乳动物自噬水平[8]。2009年Yoshinori Ohsumi研究发现，线粒体锚定受体Atg32在呼吸运动过程中被诱导，并与Atg8、Atg11蛋白相互作用，调节线粒体以自噬依赖性的方式进行降解[9]。线粒体作为细胞能量加工厂，通过氧化磷酸化高效释放能量的同时会产生活性氧(ROS)等副产物，而ROS的大量释放将导致氧化应激，持久严重的氧化应激将引起线粒体功能障碍及结构破坏，从而启动自噬体捕获、销毁受损的线粒体。新近研究发现，在氧化应激过程中，ROS能通过多个信号通路调控自噬调节因子mTOR，从而诱导自噬发生，包括抑制PI3K-Akt-mTOR信号通路，激活MAPK信号转导，抑制Atg4活性致LC3-Ⅱ堆积等途径来实现[10-11]。研究发现经姜黄素预处理的人脐静脉内皮细胞(HUVECs)暴露于过氧化氢(H2O2)，其LC3-Ⅱ水平、自噬体的数量、P62的降解均显著提高，进一步研究证实在氧化应激作用下，姜黄素通过抑制PI3K-Akt-mTOR信号通路、促进BECN1表达、逆转FOXO1的核定位，提高其乙酰化水平等方式诱导自噬达到保护血管内皮细胞作用[12]。本研究小组曾将5～20 μmol·L-1的姜黄素预处理的hy926细胞(HUVECs)与200 μmol·L-1的H2O2共培养，发现姜黄素能通过抑制PI3K-Akt-mTOR信号通路激活自噬，保护HUVECs细胞免受氧化应激损伤，并抑制其凋亡[13]。Zheng等[14]研究发现联合应用5.0 mg·L-1的羟基乙酰化姜黄素和超声诱导，可以促进Bcl-2和BAX蛋白表达，通过线粒体自噬，一方面减轻了由ROS所致氧化应激损伤，另一方面也抑制了巨噬细胞所致的脂质聚集作用。Chen等[15]在大鼠颈内动脉球囊损伤实验中发现，血管内皮细胞经姜黄素预处理后，细胞内LC3-Ⅱ水平显著提高，P62降解明显，证实了姜黄素能通过诱导自噬抑制氧化应激对血管内皮细胞的损伤、凋亡作用。

2 血红素加氧酶(HO)-1

HO-1最早是在1968年由Tenhunen等在动物肝脏微粒体中发现的，是血红素分解代谢过程中的限速酶。在体内有3种同工酶，分别是HO-1、HO-2和HO-3，他们在分子结构、表达调节和组织分布中存在很大差异，其中HO-1在组织氧化损伤的病理条件下起着保护细胞作用。HO-1也被称之为热休克蛋白32(HSP32)，相对分子量为32 000，染色体定位22q12，诱导性表达于肝、脾、心、肺、血管平滑肌、脑等组织，诱导因素包括应激、缺氧、内毒素、过氧化氢、细胞因子、生长因子等。HO-1基因表达调控主要在转录水平，其减弱氧化应激损伤的机制与激活蛋白因子1(AP1)家族有关，其中NFE2相关因子2(Nrf2)最为重要[16]。Nrf2可以和HO-1基因抗氧化反应片段结合，调节相关基因，在氧化应激反应中起重要作用[17]。Motterlini等[18]研究发现，姜黄素在常氧和缺氧条件下均能有效地诱导血管内皮细胞HO-1基因表达并维持血红素加氧酶的活性，这种调节作用呈浓度-时间依赖性。Cui等[19]以鱼藤酮损伤大鼠为模型，发现经姜黄素预处理的大鼠血管内皮细胞内谷胱甘肽(GSH)水平显著提高，而ROS活性和丙二醛(MDA)含量明显下降，进一步研究揭示姜黄素通过Akt/Nrf2信号通路恢复了HO-1的表达水平，从而减轻氧化应激损伤。Dong等[20]以慢性酒精性肝损伤大鼠为模型，证实姜黄素可以增加Nrf2活性和HO-1的表达水平，上调超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)的活性以抑制氧化应激，从而减少脂质过氧化物的生成。有研究发现姜黄素可显著诱导HO-1表达并增加其活力，以减轻内皮细胞氧化应激损伤进而发挥抗动脉粥样硬化作用[21]。另外，对于造影剂泛影葡胺引起的肾组织细胞氧化应激损伤，研究发现姜黄素可诱导肾组织HO-1表达，抑制细胞凋亡，防止造影剂肾病发生[22]。

3 Notch信号通路

Notch基因最早于1917年由Thomas Hunt Morgan在果蝇中发现，因其功能部分缺失可导致果蝇翅缘出现缺口而得名。Notch信号通路是进化上高度保守、广泛分布于哺乳动物各个组织中，控制着细胞增殖、迁移、分化和死亡等细胞命运的信号转导系统，由配体、受体、下游相关信号转导分子及调节因子等共同组成，不需要第二信使与蛋白激酶参与，能够直接转入细胞核并激活核内靶基因的表达[23]。2009年Perumalsamy等[24]研究发现，Notch信号通路通过与线粒体重塑蛋白作用，影响线粒体的形态与功能的完整性，进而在氧化应激损伤中发挥调节作用。Yang等[25]以H2O2诱导氧化应激损伤的人脐静脉内皮细胞为模型，发现姜黄素通过抑制Notch信号通路，逆转Notch信号通路激活所致Bax、Bak细胞凋亡，以及阻断Bcl2表达下调所致内源性线粒体凋亡，认为增强内源性抗氧化保护作用和抑制内源性线粒体凋亡可能是姜黄素保护血管内皮细胞的主要机制。有研究发现，利用Notch1信号通路的特异性阻断剂——γ-分泌酶抑制剂(DAPT)和Notch1 siRNA阻断Notch1信号通路，DAPT+ H2O2组和Notch1 siRNA+ H2O2组细胞存活率和黏附能力较H2O2组显著提高，凋亡率明显下降，细胞LDH释放量和ROS含量降低，SOD、GSH-Px和MDA含量显著升高，提示姜黄素可通过Notch1信号通路抑制氧化应激所致血管内皮细胞损伤[26]。

4 其他机制

近年来，有关姜黄素保护血管内皮细胞免受氧化应激损伤的研究还有许多新机制、新通路不断被发现。Sun等[27]究发现，姜黄素可以通过沉默调节因子1途径减弱H2O2诱导的人脐静脉内皮细胞早衰。Verma等[28]以Ⅱ型含氟菊酯诱导的氧化应激和遗传毒性为模型，发现姜黄素可以通过抗脂质过氧化和提高细胞的抗氧化能力来保护细胞免于氧化应激损伤。另有研究发现[29]，姜黄素通过NF-κB信号通路抑制黏附分子和趋化分子(如VCAM-1和ICAM-1)表达，以及肿瘤坏死因子-α诱导的凝集素样氧化低密度脂蛋白α受体生成，从而起到抗炎、抗氧化作用，本研究小组在代谢综合征大鼠实验中发现，姜黄素可以明显降低代谢综合征大鼠血浆肿瘤坏死因子-α和血清sICAM-1水平，改善血管内皮细胞功能，延缓动脉粥样硬化的发生[30-31]。

5 展望

姜黄素是从草本植物姜黄干燥根茎中提取的疏水性多酚，具有明确的分子量和结构式，这有助于对其作用靶点分子机制和基因调控的研究。随着姜黄素对血管内皮细胞氧化应激损伤分子机制研究的深入，各种调控基因、靶点、信号通路不断被揭示，将为氧化应激介导的动脉粥样硬化防治提供新的方法和策略，也为天然药物的临床应用提供新的思路和依据。