基于线粒体探讨小檗碱作用机制的研究进展

吴文玉，张永萍，2，3✉，徐剑，2，3，刘耀，2，3

（1. 贵州中医药大学，贵州 贵阳 550025；2. 贵州省中药民族药炮制与制剂工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025；3. 国家苗药工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025）

小檗碱（Berberine，BBR）又名黄连素，其分子式为C20H19NO5，是从黄连、黄柏等小檗科植物中提取的季铵类化合物。早在1 400多年前就有相关记载，用黄连和黄柏治疗肠胃炎所致腹痛、腹泻，而现代药理研究发现小檗碱是黄连和黄柏中抗菌的主要药理活性成分。小檗碱的广谱抗菌能力对许多革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都具有良好的抑制作用，治疗肠道细菌感染所致的腹痛、痢疾效果显著。小檗碱来源广泛、价格低廉、副作用小，随着国内外科研人员研究的深入，发现小檗碱在抗炎、抗肿瘤、心血管保护、调节血脂等方面效果显著。

线粒体是细胞内ATP 的主要来源，为细胞生存提供能量，是细胞生存的关键细胞器［1］。其拥有自己的遗传物质和遗传体系，是半自主细胞器，保留了编码rRNA、tRNA 和呼吸所必须蛋白质的基因组。线粒体作为半自主细胞，能利用葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等营养物质，通过氧化磷酸化（OXPHOS）途径，利用三羧酸循环酶产生电子载体NADH和FADH2［2］向蛋白质复合物（ETC）提供电子，经过ETC 上蛋白复合物（Ⅰ～Ⅳ）的电子传递，最终将氧气完全还原为水［3-4］。同时，ETC中的氧化还原反应导致呼吸链复合物的构象变化，使它们能够将质子从基质泵出到膜间隙，这一现象称为线粒体跨膜电位（ΔΨm）的电化学梯度。复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ参与产生的电化学梯度生成质子驱动力，由ATP合成酶（复合物V）磷酸化ADP以产生ATP［4］。

除了在能量生成中的基本作用外，线粒体还在调节多种细胞死亡形式中发挥着核心作用。细胞凋亡是细胞程序性死亡，通过激活两种Bcl-2促凋亡蛋白Bak和Bax 控制线粒体外膜透化，诱导基质成分（mtDNAD等）暴露于细胞质［5］，导致促凋亡因子细胞色素c 的释放，细胞色素c与Apaf-1及Caspase-9形成凋亡前体，在细胞质存在的dATP 共同作用下诱导Caspase-3 激活，进而引发Caspase级联反应，诱导细胞发生凋亡［6］。

此外，线粒体还参与调节Ca2+稳态、氧化应激等任务。故线粒体与许多人类疾病的发病机制相关，包括癌症、糖尿病及其并发症等。可见，小檗碱广泛的治疗作用和线粒体与疾病紧密的联系，因此近些年已有学者开始研究二者之间的联系，基于此，笔者重点围绕小檗碱通过影响线粒体进行疾病治疗机制进行综述。

1 癌症

癌症是对人类健康的威胁，是导致人们过早死亡的主要原因。癌症具有细胞分化和增殖异常、生长失去控制、浸润性和转移性等生物学特征，其侵袭和转移是一个多因子、多步骤的复杂过程。已有大量研究表明，小檗碱对宫颈癌、胃癌、神经胶质瘤等均表现出明显的抑制作用。由于其良好的抗肿瘤作用，并对非癌细胞的影响较小，故常用于癌症治疗及预后药物，成为广泛用于癌症的天然产物之一。

有研究发现在癌细胞中糖酵解率比分化细胞的糖酵解率高得多，即使在常氧条件下也更倾向糖酵解［7］。对此有学者推测，癌细胞具有高度增殖性与糖酵解率密切相关，虽然有氧糖酵解对生成ATP 的效率较低，但细胞在有丝分裂时，为了复制细胞内容物，有氧糖酵解途径产生的核苷酸、氨基酸和脂质等生物质前体，有利于细胞快速增殖［8］。此外，癌细胞仍会通过OXPHOS 产生很大比例的ATP，表明线粒体产生ATP功能在癌细胞中仍然重要［9-10］。有研究显示，通过小檗碱预处理人肝癌细胞导致线粒体膜损伤抑制线粒体ATP 的产生，导致体内AMP/ATP 比例的升高激活，磷酸化AMP 活化蛋白激酶（AMPK）。AMPK 的激活伴随着通过线粒体途径以半胱天冬酶依赖性方式发生的凋亡效应，并伴随着线粒体释放细胞色素c和Caspase-9、Caspase-3的激活，细胞凋亡程序启动，抑制了人肝癌细胞增殖［11］。

此外，不稳定的自由基会夺取相邻分子的电子，形成连锁反应让细胞的结构受到破坏，造成细胞功能丧失、基因突变，为了抵消过多自由基可能产生的有害影响，生物系统具有一系列抗氧化防御，每当自由基的产生速度超过生物系统中它们的能力时，就会产生氧化应激。所以癌细胞活性氧（ROS）过度增多，会导致DNA、蛋白质和脂质损伤，在癌症发展的各个阶段，许多植物化学物质通过调节ROS 介导的信号通路发挥调节癌细胞的发展。研究表明，胰腺癌细胞中小檗碱可通过ROS增多，增强氧化水平，引起的mtDNA 损伤，从而严重影响三羧酸循环的活性，导致能量代谢失调，诱导胰腺癌细胞凋亡并抑制细胞转移［12］。而小檗碱可通过ROS 的产生和线粒体相关的凋亡途径在乳腺癌细胞中发挥抗肿瘤活性［13］。这些发现可深入了解小檗碱调节线粒体抗癌治疗中的潜力。

2 糖尿病及其并发症

糖尿病（Diabetes mellitus，DM）是世界范围内最常见的代谢性疾病之一。糖尿病患者表现出由胰岛素分泌（Ⅰ型）、胰岛素作用（Ⅱ型）或两者的损害引起的高血糖［14］。2 型糖尿病（T2DM）占糖尿病病例的不到90%，由于营养过剩和胰岛素分泌缺陷，导致外周组织胰岛素抵抗和血糖水平升高，胰腺β 细胞分泌功能的缺陷是2 型糖尿病发展的先决条件［15］。线粒体作为细胞能量代谢的中心角色，参与胰岛素抵抗和T2DM 的机制。有研究推测T2DM 及其并发症是由线粒体功能障碍引起，其表现为线粒体代谢和氧消耗的改变、氧化应激的增加［16］。

动物和临床研究表明，小檗碱有良好的降糖特性［17］，在改变脂肪代谢和糖代谢中具有潜在作用，其治疗效果与二甲双胍等降糖参考药相当［18］。同时也有研究证明，小檗碱通过抑制SIRT3 促进葡萄糖摄取并抑制糖异生，SIRT3 是一种线粒体脱乙酰酶，协调线粒体呼吸和ATP 的产生，为小檗碱调节线粒体通路作为抗糖尿病途径提供了参考［19］。基于小檗碱的低毒性和良好的效果，在糖尿病相关疾病也有广泛应用，如内皮功能障碍、视网膜病变和肾病等。

2.1 抑制氧化应激

小檗碱通过抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NADPH）的表达来降低氧化应激，NADPH 也是ROS 的关键来源。ROS 过度生成的原因可能是NADPH 被氧化参与多种合成代谢反应，导致各种糖基化产物、脂肪酸和葡萄糖的含量上调，NADPH 氧化酶能通过NADPH 依赖的单电子还原将体内氧分子还原成超氧负离子，是体内ROS 的主要来源，NADPH 氧化酶存在于不同的亚型中［20］。NADPH 氧化酶2/4是唯一被小檗碱抑制的亚型，通过此途径可导致ROS 生成减少，从而改善糖尿病。有研究发现，糖尿病的发病与NADPH 氧化酶的激活有关［21］。因此，NADPH 氧化酶是治疗糖尿病、肾病和神经病变等疾病的一个有希望的靶点。另一方面，AMPK（AMP 活化蛋白激酶）的激活对NADPH 氧化酶的调节产生负面影响［22］，因此AMPK 可能参与小檗碱抗糖尿病的作用机制。然而，目前尚不清楚小檗碱是否通过激活AMPK 来下调NADPH氧化酶，并无直接证据显示。

在糖尿病并发症中，小檗碱通过抑制了Rho/ROCK 通路，增强了线粒体膜电位和降低ROS，减轻了糖尿病脑病大鼠的认知功能障碍和病理损伤［23］。

抑制氧化激化涉及AMPK 的参与，体内AMP/ATP比例的升高能激活AMPK，与此同时ATP的产生与线粒体密切关联，为以上研究推测T2DM的发生于线粒体障碍引起提供了支撑。基于此，能影响靶细胞线粒体代谢和氧消耗的方法都能用于糖尿病及其并发症的发展。

2.2 抑制促炎因子

糖尿病早期，炎性细胞浸润胰脏，释放多种细胞因子，这些细胞因子会产生过量的一氧化氮（NO），产生线粒体代谢抑制等连锁反应，导致细胞死亡和胰岛素分泌受损［24］。同时，慢性炎症被认为是导致T2DM 及其并发症的关键因素［25］，而小檗碱抗炎作用广为人知。研究证明，小檗碱可通过显著降低促炎细胞因子（TNF-α、IL-6）、一氧化氮（NO）生成，减少链脲佐菌素处理的胰岛细胞凋亡［26］。

此外，小檗碱诱导抗炎过程中AMPK 是重要的一环［27］。在AMPK 被阻断的情况下，小檗碱不能抑制促炎症细胞因子的产生，如COX-2和iNOS［28］。COX-2参与前列腺素合成［29］，而前列腺素是介导糖尿病及其并发症的发病机制。以上两种都能导致糖尿病及其并发症的发生。通过AMPK 活性的调节现在已经引起了人们的兴趣，这样的通路因为它参与了涉及多种机制的糖尿病调节，若能进一步研究可能有助于释放小檗碱的真正治疗潜力。

3 小结

小檗碱可以通过改善线粒体能量代谢、抑制细胞凋亡、改善线粒体自噬等机制修复线粒体等，治疗各种疾病。这些疾病都有涉及线粒体参与ATP 的产生以及细胞凋亡，说明线粒体稳态对细胞的生存和疾病的发生和进展有着极其重要的作用。而线粒体稳态涉及生物能量代谢调节关键分子——AMPK，AMPK通过参与许多分解和合成代谢信号通路，在细胞内维持适当的ATP 水平，以响应细胞内能量应激反应。新的研究表明，除了作为细胞内能量开关作用外，AMPK 在抑制癌症、糖尿病及其并发症等疾病进展方面发挥着关键作用。同时，越来越多的研究表明AMPK 与线粒体之间存在串扰［30］，如AMPK 作为细胞对能量应激反应的中心调节因子如何维持线粒体内稳态并作为细胞对能量应激和线粒体损伤的反应的中心介质发挥作用。这显示了以AMPK 因子作为维持线粒体稳态药物开发，治疗或抑制相关疾病是有潜力的。

虽然许多文献研究发现小檗碱可以通过各种方式调节线粒体治疗或抑制相关疾病，但很少用于临床治疗成为治疗患者的临床药物，今后仍需要进一步研究。