黄芪多糖抗氧化作用的分子机制研究进展

黎 晨，尤培蒙，王晨曦，何俊霞，肖文媛，郭 忠

(西北民族大学 医学院，甘肃 兰州 730030)

黄芪(Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge.)，又名绵芪，是一种豆目蝶形花科山羊豆族黄芪属的多年生被子植物，原产于中国的东部和北部[1].黄芪多糖(Astragalus polysaccharides)，简写为APS，是从黄芪的茎秆或干燥根系中分离提取出的一种具有生物活性效应的水溶性杂多糖,其成分复杂多样，各个单体多糖之间主要由α-型糖苷键连接而成的高分子碳水化合物，主要包括葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖等.其结构范围从线性到高度分支不等，一般公式为Cx(H2O)y.在水解时可被分解为单糖或低聚糖并存在于植物种子、茎叶、细胞壁和动物细胞的体液等.研究表明[2,3,4]，黄芪多糖具有的抗氧化、免疫调节降血糖等显现或潜在药理作用在疾病治疗与预防、药物的研究中发挥着重要的推进作用.氧化应激在许多疾病的发生发展中起着重要作用.因自由基的清除和活性氧的激活，各种信号通路可保护组织细胞免受氧化应激损伤，于是相关抗氧化损伤作用的抗氧化剂便应运而生.这些抗氧化剂可能是内源的，也可能是外源性的，其中黄芪被认为是强大的潜在外源性抗氧化剂.笔者拟对黄芪多糖的抗氧化作用及其可能的分子机制展开综述，为黄芪多糖成分的深层次研究及利用提供参考.

1 概述

氧化损伤引起的应激反应(Oxidative Stress)可诱导激活体内活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)的产生，其在各种病理条件下均有一定的致病作用[5].活性氧可作为一种信息传递信使，当生理水平较低时，发挥细胞内信号传递和调节的作用.过量ROS可抑制相关蛋白功能，诱导细胞大分子氧化应激，加速细胞死亡[6].活性氧增加或抗氧化能力降低、细胞内氧化还原平衡的破坏和脂质、蛋白质或DNA的不可逆氧化修饰可引起氧化应激诱导的细胞凋亡信号[7].体外抗氧化活性表明，黄芪多糖对活性氧、DPPH自由基、超氧阴离子及过氧化氢具有相对较强的清除能力.还能防止运动过度引起的衰老和疲劳所引起的氧化应激，提高氧化应激酶的活性[8].

2 抗氧化作用机制

2.1 NRF1、NRF2/ARE信号通路

通过NRF1信号的积聚可抑制ROS介导的心肌细胞(HCMS)凋亡作用，Zhang等用PAL(棕榈酸酯)与APS联合应用,经PAL处理后，HCMS中ROS水平明显升高.APS处理后可显著抑制棕榈酸诱导ROS的产生，降低早期凋亡细胞的百分率.NRF1表达过度可减轻由ROS诱导的心肌细胞毒性，并增加心肌细胞中SOD1和SOD2的表达.说明APS可以通过减少活性氧和NRF1在HCMS中的积累来部分改善PAL诱导的心肌细胞毒性[9].通过给予大鼠APS注射后检测MDA、ROS、TNF-α、ROS蛋白表达、RNS蛋白表达、Keap 1 mRNA表达、Maf mRNA表达与空白对照组均有显著性差异，左心室收缩压(LVSP)、左心室舒张压(LVEDP)表达均增高且与Keap1-Nrf2/ARE信号通路激活程度呈正相关，提示APS抗氧化能力和改善心功能作用可能与激活NRF2/ARE信号通路的表达密切相关[10].

2.2 P13K/Akt/eNOS信号通路

Zhou等[11]用APS处理心肌微血管内皮细胞(MMECs)后，通过检测发现细胞凋亡率降低，细胞存活率、NO含量及信号通路相关蛋白表达增加，说明APS可通过介导PI3K/Akt/eNOS信号通路来改善氧化应激所致损伤.Liu D等[12]发现,硒化APS(sAPS)对氧化应激诱导的猪圆环病毒2型(PCV 2)复制有保护作用，能显著抑制HO激活的自噬，增加Akt和mTOR的磷酸化，特异性磷酸肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)抑制剂LY 294002可明显减轻SAPS对自噬和PCV 2复制的影响.另有研究表明，阿霉素可降低心肌细胞活力，诱导C57BL/6J小鼠心力衰竭，同时促进ROS的生成和凋亡平衡速率，但APS可通过p38MAPK和AKT通道激活来明显地抑制和减轻这种作用[13].

2.3 NF-κb信号通路

Liu等[14]报道，通过APS预处理的电离辐射(IR)，发现小鼠体内天冬氨酸转氨酶、NF-κB表达、丙氨酸氨基转移酶和乳酸脱氢酶水平显著下降，抗氧化酶含量增高，且表现出对IR诱导的硫代巴比妥酸反应物质增加均有一定的抑制作用.而IR处理可致超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽活性降低.Farag MR[15]等用APS处理大鼠替考米星(TIL)中毒发现,APS可使中毒大鼠的休克蛋白70(HSP 70)和核因子κB(NF-κB)相关的mRNA表达增多，进而阻断Nrf 2/HO-1介导的应激反应，达到减轻氧化损伤的目的.在猪圆环病毒2型的研究中，Xue等[16]还报道了在PCV 2感染前加入APS可显著降低PK15猪肾细胞的PCV 2基因复制量、感染细胞数、丙二醛水平、活性氧含量和NF-κB通道活性，相反可使PK15细胞的GSH含量增加，SOD活性升高.LPS作为一种NF-κB激活剂，可降低APS对PCV 2复制的抑制作用，而BAY 11-7082作为NF-κB抑制剂，可增强APS对PCV 2复制的抑制作用.提示APS可通过降低氧化应激反应和抑制NF-κB信号通路来抑制PCV 2基因复制.

2.4 AMPK通路

张玲等[17]研究用同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)损伤后发现，Hcy+APS处理组比Hcy处理组活性氧的活性明显提高，且AMPKα蛋白水平亦明显升高；宋杰等[18]用APS处理游离脂肪酸诱导人脐静脉内皮细胞损伤结果提示，游离脂肪酸+APS组的蛋白激酶(p-AMPK)、NO含量和一氧化氮合酶(p-eNOS)水平相比，对照组明显降低，提示APS可能通过激活AMPK信号通路来抑制游离脂肪酸对HUVEC细胞的氧化损伤作用[19].

2.5 Caspase-3信号通路

Yu等[20]研究表明，APS可通过调节Bax/Bcl-2比值来抑制H2O2诱导的细胞凋亡和Cyt-C细胞色素的释放，并反过来抑制caspase-3信号通路.结果表明,细胞内的Bax/Bcl-2比值增大，说明APS预处理后能降低C2C12成肌细胞的凋亡率.Xie等[21]发现APS可通过降低ROS活性、Ca2+、MDA和Bax表达水平，进而抑制caspase-3蛋白酶通道活性，提高了NO含量、SOD活性及Bcl-2、PI3K和磷酸化AKT水平，从而保护Na2S2O4导致的人心肌微血管内皮细胞(HCMECs)缺氧后复氧损伤.另外，APS处理可抑制db/db小鼠心脏的细胞凋亡和ROS的生成，改善其血流动力和超微结构.另外，APS还可调节氧化靶基因的蛋白表达，抑制db/db小鼠心脏促细胞凋亡靶基因Bax、Bcl-2和caspase-3表达，增强GPX基因表达，降低SOD 2活性和过氧化氢酶水平[22].

2.6 相关蛋白调节

Chen W等[23]发现APS预处理对高糖诱导SOD 2沉默的H9C2大鼠心肌细胞的线粒体超微结构具保护作用，减少细胞凋亡、细胞超氧化物歧化酶(DHE)的产生，降低胞质蛋白硝基酪氨酸的氧化损伤和细胞核氧化应激(8-OH-DG)，同时诱导SOD 2酶活性和蛋白水平的升高.链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病小鼠，APS可提高小鼠的SOD 2蛋白含量和酶活性，减少CSPC的ROS生成[24].Chen J等[25]报道加入200 mg/L的APS能显著提高H2O2处理后的MRC-5(人胚肺成纤维细胞)APE/Ref-1和TRX的蛋白水平，降低8-OH-DG的含量和MRC-5细胞的凋亡，提高了细胞存活率.提示APS能促进损伤后MRC-5细胞内APE/Ref-1和TRX的表达，减轻氧化损伤.

2.7 其他

除上述信号通路外，仍然还有其他抑制氧化应激损伤的途径.研究报道，APS还可通过ErbB/AKT信号通路[26]、提高细胞抗氧化能力和NO的生物利用度[27]来减轻外源性及内源性因素的氧化损伤.

相关研究表明[11]，APS不仅能减轻氧化应激导致的损伤，还可减轻缺氧诱导的组织细胞损伤.有报道称[28]，与常氧组相比，用APS预处理后进行缺氧造模可促进miR-138的表达，抑制JNK和p38-MAPK通路.提示APS对神经干细胞缺氧损伤的保护作用可能与通过促进miR-138表达和抑制JNK和p38-MAPK通路有关.

3 结论

综上所述，黄芪多糖关于抗氧化作用分子机制方面的研究已经取得一定的成果.上述对NRF1、NRF2/ARE、P13K/Akt/eNOS、NF-kb、AMPK/PKC通路的研究已经比较深入，能直接说明该通路有无抗氧化作用以及作用程度和相关影响因素等.但是，仍有其他通路的研究仍然处于萌芽阶段，如AKT Foxo1通路[29]只是从小鼠的生存情况侧面提示其可能减轻氧化损伤的作用，而无实际的数据能够证明该通路的激活或抑制与抗氧化损伤是否相关，也没有阐明其相关机制.所以，可对提示有抗氧化损伤作用的通路进行更深入的定性定量研究，从而能确切地说明该通路的抗氧化作用机制以及其发挥作用的相关分子表达.

另外，目前大多数的研究数据皆从实验动物的试验结果中得出.今后的研究中如果从人体中分离出相应细胞组织进行黄芪多糖的抗氧化作用研究会更具临床意义.

4 展望

除了对多糖分子相关药理作用机制的研究之外，还可探究结构的改变会对生物活性有无影响.更重要的是，加大体外试验力度，阐明多糖药理作用对机体确切的疗效情况.明确多糖对人体有无其他不良反应，并考虑如何消除其不良反应，从而不影响其疗效，加快多糖进入临床使用的进程，对已知的副反应进行相应的处理并减轻或消除其不良反应.