中药提取物对细胞线粒体功能的影响及研究进展

郝怿隆，汪引芳，黄亦童，刘宗军，张 鹏※

(上海中医药大学附属普陀医院 a.中心实验室,b.心血管内科，上海 200333)

线粒体是生物能量来源和生物合成的细胞器，对调节细胞内ATP生成及Ca2+水平和分布等生物学过程发挥重要作用，线粒体也是细胞内信号转导的关键细胞器之一。线粒体依赖电子传递链发挥作用，电子传递链不仅可产生ATP，也是活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的主要来源[1]。电子传递链异常引起ATP生成不足或ROS产生过多，诱发DNA和蛋白质损伤，参与疾病的发生与发展。此外，线粒体可通过自身裂变/融合从线粒体网络中去除受损的线粒，进而通过自噬将受损的线粒体清除。线粒体结构与功能异常是引起心血管疾病、神经功能异常、肿瘤、糖尿病、遗传疾病、发育异常、免疫功能失调等临床常见重大疾病发生和发展的重要原因，可见对线粒体功能的有效干预是治疗疾病的重要策略之一。传统中医药对很多疾病具有良好的疗效，在临床治疗中起重要作用，许多中药可影响线粒体功能(如干预线粒体途径的凋亡、调控线粒体呼吸、调节线粒体下游信号通路等)，从而干预细胞生物学事件。现就中药对线粒体结构和功能调控的分子机制以及对线粒体功能影响机制的研究进展予以综述。

1 中药对线粒体能量生成的影响

机体细胞的大部分能量由线粒体供给。线粒体电子传递链传递电子的过程(线粒体氧化磷酸化)偶联ATP的生成，线粒体生物能量学的缺陷造成ATP生成不足，严重影响细胞和器官功能。研究发现，黄芪甲苷、肉苁蓉、人参、红参和生脉散提取物等可不同程度地促进三羧酸循环，改善线粒体生物能量合成[2-3]。黄芪甲苷能够抑制线粒体Ca2+单向转运体活性，降低线粒体Ca2+水平，刺激细胞代谢酶合成ATP[2]。人参可通过增强Na+-K+-ATPase活性，促进细胞ATP生成[3]。中药通过影响细胞内供能物质的产生，调节细胞的衰老和分裂进程，干预能量需求相关的基因表达与信号通路，进而影响器官功能和疾病进程。

2 中药对线粒体钙稳态的影响

线粒体参与Ca2+信号形成，并作为细胞内局部Ca2+缓冲器，能够快速摄取大量钙，防止细胞质内Ca2+水平过度升高，抑制钙超载。线粒体中生理水平的Ca2+决定了线粒体脱氢酶与电子传递复合物之间的偶联能力，进而调节线粒体能量生成。中药可以直接或间接调控线粒体Ca2+单向转运体蛋白或线粒体与内质网Ca2+-ATP酶之间的相互作用，干预细胞内钙稳态，如双黄连通过激活线粒体Ca2+单向转运体增强线粒体Ca2+摄取[4]，降低肥大细胞胞质Ca2+水平，抑制肥大细胞脱颗粒，发挥抗过敏治疗作用；二氢青蒿素[5]、水飞蓟宾[6]等中药则抑制线粒体Ca2+单向转运体活性；白藜芦醇和白皮杉醇抑制内质网Ca2+-ATP酶活性，导致线粒体内钙超载，从而促进肿瘤细胞凋亡[7]；黄芪甲苷、双黄连、甜菊苷、栀子苷和罗望子种皮提取物可以促进内质网Ca2+-ATP酶活性，抑制线粒体钙超载[2,4]。生理水平的钙可激活钙敏感的线粒体脱氢酶和电子传递复合物，维持细胞功能；但是过量的钙可导致线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)开放，进而触发细胞功能障碍。由于线粒体是Ca2+信号和细胞内局部Ca2+水平的缓冲器，特定的Ca2+通道或离子泵可能成为有价值的药物靶标，故以上中药可以通过调节线粒体钙稳态，干预多种细胞的病理进程。

3 中药对线粒体ROS产生的影响

线粒体呼吸链电子传递过程中的电子泄漏，可能导致ROS的产生，线粒体ROS可在细胞生物学中发挥重要作用。许多中药能够调节细胞ROS的产生，如紫草素可通过激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/核因子E2相关因子2信号，抑制线粒体生成ROS，减少氧化型低密度脂蛋白胆固醇诱导的单核细胞炎症反应。槲皮素、茶多酚、甘松挥发油、巴戟甲素、二氢杨梅素、葛根芩连汤、菟丝子草、石菖蒲等通过核因子E2相关因子2-核仁蛋白识别元件信号增加细胞内抗氧化酶表达，抑制线粒体来源的ROS，还可清除细胞内过多的ROS，减少ROS引起的细胞损伤；罗望子种皮提取物、黑升麻三萜糖苷、贯叶金丝桃、槲皮素、桑葚果实花青素、六味地黄可增加细胞超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶活性[8]。六味地黄、泽兰叶黄素等还可通过抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶活性减少线粒体ROS的产生[9]。部分中药(如黄芪多糖、槲皮素)可通过络合产生自由基必需的金属离子发挥抗氧化作用[10]。此外，去亚甲基小檗碱可穿透线粒体膜直接靶向线粒体，进而抑制细胞色素P450、缺氧诱导因子和诱导型一氧化氮合酶，改善线粒体功能，减少ROS的产生。正常情况下，线粒体ROS可以作为信号分子调节细胞功能，如通过诱导缺氧诱导因子和核因子E2相关因子2参与细胞抗氧化的过程。高水平ROS引起mPTP的氧化损伤，导致线粒体膜电位消失，使线粒体和细胞均发生不可逆转损伤，启动细胞内源性凋亡。可见，中药对ROS生成的调节干预氧化应激造成的细胞损伤。

4 中药对mPTP的影响

mPTP是一种非特异性通道，由ATP合成酶二聚体组成，并由线粒体基质钙含量和ROS通过亲环素进行门控调节。mPTP异常与线粒体功能障碍密切相关，其受许多中药的调节。mPTP的开放一直被认为是导致细胞凋亡的病理性事件，但有研究表明，短暂的mPTP开放可能是防止线粒体钙超载的生理学“复位”机制，已在原代心肌线粒体中观察到mPTP的罕见、短暂开口[11]。急性和慢性心脏病中，mPTP开放的倾向性增加。有研究表明，人参皂苷Rg5可抑制mPTP的开放，降低mPTP对外界刺激的敏感性，从而增加心肌细胞对缺氧/复氧损伤的抵抗性[12]。槲皮素可以抑制醛固酮增多症大鼠心脏中Ca2+触发的mPTP通道开放，或与线粒体中的分子靶标相互作用，进而抑制mPTP开放，干预心肌细胞功能紊乱[13]。辣椒素则通过上调沉默信息调节因子1和Bcl-2的表达，抑制mPTP开放，抑制缺氧/复氧引起的线粒体功能障碍，防止心肌损伤[14]。此外，五子衍宗丸可抑制mPTP异常开放，提高大鼠睾丸和附睾器官系数，提高精子浓度和活力[15]。但也有少部分中药可增加mPTP开放(如雷公藤内酯等)。因此，有针对性的多中药联用，抑制雷公藤内酯增加mPTP开放的效应，可消除该药物的心脏不良反应，并实现抗肿瘤治疗[16]。

5 中药对线粒体途径细胞凋亡的影响

线粒体凋亡的触发事件是线粒体外膜的透化，导致细胞色素C、第2种线粒体衍生的胱天蛋白酶激活剂、丝氨酸蛋白酶HTRA2、细胞凋亡诱导因子和核酸内切酶G等释放入细胞质，启动活化胱天蛋白酶，从而引起细胞凋亡。线粒体途径的凋亡影响细胞和组织功能，参与疾病进程。中药可以通过调节ATP生成、ROS的含量、钙稳态、mPTP的功能干预细胞凋亡的发生，如和厚朴酚、藤黄酸、山竹子素、欧当归内酯A、龙葵水提物、紫草素、槐定碱、冬凌草提取物、丹参新酮、粉防己碱、巨大戟二萜醇、桃花心木属艽、满天星类黄酮糖苷和雷公藤内酯醇可增加细胞内ROS含量或调节细胞内Ca2+，进而触发线粒体途径的细胞凋亡[17-18]。部分中药能通过ROS级联信号通路促进细胞凋亡(如紫草素、粉防己碱可增加c-Jun氨基端激酶磷酸化)，从而促进细胞Fas相关性死亡结构域样白细胞介素-1β转换酶抑制蛋白泛素化降解，并稳定Bcl-2蛋白，发挥抗凋亡作用；冬凌草提取物、丹参的甲醇提取物、桃花心木属艽、藤黄酸等可上调p53，南蛇藤可抑制蛋白激酶B的活性，从而触发氧化应激与凋亡[19-20]。此外，一些中药还能恢复被破坏的线粒体功能，抑制细胞凋亡，如金盏花苷E、橙皮苷、二氢槲皮素可以恢复线粒体膜电位、逆转细胞色素C释放[21-22]。异甘草苷、黄芩素抑制线粒体钙超载诱发的凋亡；益心舒、二氢槲皮素和异甘草苷也能通过Janus激酶/信号转导及转录激活因子信号转导途径抑制ROS诱导的凋亡[22-23]。怀牛膝多肽的活性成分可以调节凋亡相关基因表达，从而发挥抑制神经元凋亡的作用。加减地黄饮子通过抑制胱天蛋白酶12分子，保护多巴胺神经元[24]。

研究表明，线粒体基质中Ca2+水平的增加是强效的诱导剂，可引起线粒体内膜中mPTP的持续开放，触发细胞凋亡事件[25]。线粒体内过量Ca2+可与心磷脂大量结合，导致呼吸链复合体Ⅱ的解体和氧化应激，从而诱导细胞凋亡。从土贝母中提取的小檗碱可以增加线粒体基质内Ca2+水平，刺激mPTP开放，同时刺激胱天蛋白酶活性，从而诱导细胞凋亡[26]。白杨素可以抑制线粒体电压依赖性阴离子通道1与己糖激酶2蛋白的结合，改变Ca2+水平诱导细胞凋亡[27]。由此可见，恰当运用以上中药，可通过促进细胞凋亡发挥抗肿瘤和调节免疫作用，也可通过抑制凋亡发挥抗心肌细胞损伤等作用。

6 中药对线粒体结构和数量的影响

6.1中药对线粒体融合裂变的影响 线粒体是高度动态的细胞器，沿细胞骨架迁移，并通过不断融合分裂形成分支或管状网络状结构。这种融合分裂也调节线粒体的形状、大小、数量和生物能量合成等，有利于线粒体与其他细胞器(如内质网)之间的主动信号沟通，以应对氧化损伤等。目前认为，线粒体的融合分裂主要受控于GTP酶线粒体融合蛋白、视神经萎缩蛋白1和动力相关蛋白1等。现发现，一些中药(如槲皮素、益气复脉、黄芩苷、白藜芦醇、淫羊藿苷、黄芪多糖、科罗索酸和参麦饮等)具有调节分裂蛋白动力相关蛋白1功能，可降低动力相关蛋白1表达，抑制ROS或腺苷酸依赖的蛋白激酶激发的线粒体过度分裂[28-29]。部分中药通过抑制动力相关蛋白1募集线粒体的过程减少线粒体裂变，抑制异丙基肾上腺素诱导的心肌缺血性损伤，如人参皂苷Rg5[12]。人参皂苷Rg3可通过恢复丙型肝炎病毒诱导的动力相关蛋白1介导的线粒体裂变，发挥其抗丙型肝炎病毒的作用[30]。藤黄属植物的生物活性多环聚丙烯酰基花青素可以促进人乳腺癌细胞中动力相关蛋白1的功能，诱导线粒体长度缩短。槲皮素、黄芩苷、淫羊藿苷和黄芪多糖能够增加线粒体融合蛋白M的表达，调节线粒体结构[28,31]。黄芪多糖可以逆转过氧化氢叔丁基引起的线粒体融合蛋白1和线粒体融合蛋白2表达的下降，并抑制过度运动后疲劳引起的线粒体融合蛋白1、线粒体融合蛋白2和线粒体分裂蛋白1表达的异常，抗细胞损伤。

6.2中药对线粒体自噬的影响 细胞可以通过自噬将自身的蛋白或细胞器运送到溶酶体，降解其所包裹的内容物，实现细胞器的更新。随着细胞分裂和代谢进程，或受到病理进程的影响，细胞也经常需要进行线粒体自噬，以清除多余、老化、损伤的线粒体，并将其递送至溶酶体降解后循环利用，这些异常的线粒体可能积累并成为细胞毒性ROS的主要来源，此时线粒体分裂是线粒体自噬的关键诱导步骤之一[32]。研究发现，萝卜子素可以触发线粒体自噬，抑制淋巴瘤细胞增殖[33]。粉防己碱可能通过诱导氧化应激促进线粒体自噬[34]。槲皮素衍生物可通过作用于人热激蛋白90的ATP酶激活因子1，诱导乳腺癌细胞中未成熟的线粒体自噬[35]。中药还可以通过控制细胞自噬发挥细胞保护作用，梓醇增加葡萄糖饥饿的心肌细胞线粒体自噬，发挥心脏保护作用[36]。红景天通过增强线粒体活性，激活心肌中的自噬和线粒体生物合成，改善小鼠骨骼肌和心肌的应激损伤[37]。三七总皂苷增强缺氧诱导因子-1α/Bcl-2蛋白相互作用蛋白3/Beclin-1信号通路，诱导线粒体自噬，减轻顺铂的肾毒性[38]。五苓散通过减少易位蛋白介导的线粒体自噬改善习得性无助模型小鼠的抑郁样行为[39]。黄芪苷Ⅳ显著降低糖尿病db/db小鼠中的线粒体动力相关蛋白1和线粒体分裂蛋白1表达，进而抑制PTEN诱导的推定的激酶1/Parkin介导的线粒体自噬，延缓糖尿病的病理生理进程[40]。

7 小 结

肿瘤的发生和发展、心脏损伤、免疫紊乱、神经退行性病变以及衰老等多种病理生理过程都伴随着线粒体功能的异常，致病因素与线粒体功能异常互为因果，影响临床疾病的进程。综上所述，中药可直接或间接调节线粒体功能，发挥药理作用。但大多数小分子的被动扩散几乎不可渗透线粒体的双层膜结构，故线粒体双层膜结构是药物递送的屏障，中药的作用大多限于通过线粒体外信号调控线粒体功能，为了确保中药在复杂生物系统发挥预期作用，进一步发现天然的线粒体靶向药或采用纳米等技术辅助中药靶向线粒体，是未来中药研究迫切需要解决的问题之一。线粒体的分布和转运是许多细胞功能的核心，包括细胞分化[41]。目前，中药对线粒体功能影响研究比较多的是线粒体途径的ROS产生、线粒体途径的细胞凋亡以及mPTP，而线粒体动力学方面的研究较少，有待进一步研究。此外，线粒体与其他细胞器存在相互作用，亚细胞器之间的协调可影响脂质合成和运输，线粒体的形态，内质网应激等众多生物学过程，但具体机制还需要深入研究。