黄芪化学成分抗纤维化作用及分子机制研究进展

王佳俊，向世勰，谢治深，王潘，苗晋鑫，张振强，张效威，徐江雁（河南中医药大学，河南郑州 450046）

纤维化是指多类型的组织损伤，尤其是在慢性炎症反应性疾病过程中，组织修复平衡失调导致胶原蛋白、纤维连接蛋白和细胞外基质（Extracellular matrix，ECM）成分持续积累，进而导致组织中纤维结缔组织异常增生的动态过程。其特征为成纤维细胞活化，ECM 异常增多、过度沉积。多种因素可引起纤维化，包括炎症感染、自身免疫性疾病、退行性疾病、肿瘤等[1-4]。纤维化虽不是具体的疾病，但可发生于任何组织器官的疾病中，其持续进展会导致器官功能障碍和衰竭，因纤维化相关疾病引起的死亡人数约占总死亡人数比例的45%[5-6]。目前纤维化的临床防治仍面临诸多难题，如纤维化难以早期发现、耐药性及药物的毒副作用等[7]。根据纤维化的症状和体征，中医将其归属为“络病”的范畴[8]。王永炎院士[9]提出络病发生的生物学基础与血管活性物质平衡的调控、ECM 代谢异常、细胞因子及信号传导通路调控异常等多种因素有关。牛建昭等[8]提出气虚、络脉失养、血瘀等因素是纤维化等络病发生的病机。姚宁顺等[10]认为肾间质纤维化的病机为“久病在络，气血皆塞”，指出虚滞、瘀阻和脉络损伤是其常见机理。黄芪自古以来就常被用于损伤性疾病的修复和各种慢性虚弱证的治疗，与上述纤维化的诊疗思路吻合。

黄芪为豆科植物蒙古黄芪[Astragalusmembranaceus（Fisch.）Bge.var.mongholicus（Bge.）Hsiao]或膜荚黄芪[Astragalusmembranaceus（Fisch.）Bge.]的根，味甘，性微温，入脾、肺经，是常用补气中药，具有益气升阳、生津养血、托毒排脓、敛疮生肌等功效[11]。黄芪首载于《五十二病方》：“[肉]睢（疽）[倍]黄蓍”[12]；《本草纲目》载：“味甘微温，主痈疽久败创，排脓止痛，……补虚”；李时珍赞其为“补药之长”[13]；《名医别录》中言：“逐五脏间恶血，补虚损，五劳羸弱，益气”[14]；张元素在《药类法象》中言：“黄蓍，补肺气、入皮毛，……脾胃虚弱，疮疡血脉不行，内托阴证疮疡，必用之”[15]，均表明黄芪具有较好的补气功效，且与抗纤维化的病机理论相契合，可用于防治纤维化。黄芪含有多糖类、皂苷类、黄酮类、氨基酸等化学成分和微量元素[8-11]，这些成分具有多种药理活性，包括抗炎、抗纤维化、调节血糖血压、抗衰老以及抗氧化应激等。黄芪及其有效成分抗纤维化作用及机制的相关研究成为众多学者关注的焦点[16-18]。因此，本文对其抗纤维化的作用及其机制进行综述。

1 化学成分

黄芪含有皂苷类、多糖类、黄酮类、氨基酸、微量元素、维生素等多种化学成分。

1.1 皂苷类皂苷类是黄芪的主要成分，包括黄芪皂苷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，酰基黄芪皂苷，大豆皂苷和异黄芪皂苷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等[19-20]。黄芪皂苷类具有抗衰老、抗炎、抗纤维化、免疫调节等多种活性[21-23]。

1.2 多糖由淀粉糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖糖醛酸和鼠李糖等单糖组成的黄芪多糖是一种高分子糖类物质，具有调节免疫、抗炎、抗纤维化、抗衰老、抗肿瘤等药理作用[24-25]。

1.3 黄酮类黄芪中的黄酮类化合物包括槲皮素、沙苑子苷、山柰黄素、芒柄花苷、芒柄花素、毛蕊异黄酮、异黄烷、异鼠李素等[26-30]，具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗纤维化等作用[21-28]。

1.4 其他黄芪还含有多种氨基酸、微量元素、维生素，以及阿魏酸、香草酸、蔗糖、叶酸、香豆精、亚油酸、亚麻酸等成分[31-32]。

2 黄芪活性成分抗纤维化的药理作用及分子机制

2.1 防治肾纤维化肾纤维化是一种慢性肾脏疾病，由肾组织受损、高血压、感染等多种因素引起[33]。该病的主要特征为炎症、肾小管及肾小球区域实质细胞的间充质转化、基底膜异常增厚、ECM 成分持续累积等，最终导致肾脏结构受损以及生理功能丧失[34]。

研究发现，多条信号通路在肾纤维化进展过程中发挥着重要的作用。Wnt/β连环蛋白（Wnt/β-catenin）信号通路广泛参与细胞黏附、迁移、上皮-间充质转化（Epithelial-mesenchymal transition，EMT）、胚胎发育以及组织和器官稳态调节等生命过程，其异常激活可诱导成纤维细胞活化、促进纤连蛋白的表达、加速肾脏纤维化进程[31，35-36]。Wang 等[37]证实黄芪甲苷能浓度依赖性地下调单侧输尿管梗阻（unilateral ureteral obstruction，UUO）肾纤维化模型大鼠肾脏组织中的β-catenin、Wnt4 蛋白的表达，抑制Wnt/βcatenin 通路的过度激活，从而发挥抗肾脏纤维化的作用。转化生长因子β（TGF-β）/Smad 信号通路是参与纤维化调控的经典信号通路。TGF-β 与细胞膜上的TGF-βR2 受体结合，招募TGF-βR1 形成复合体，进一步影响下游Smad2/3的活性，调控多个纤维化指标如胶原蛋白、纤连蛋白的转录和表达，最终促进肾脏组织纤维化的发生[38]。多种黄芪有效成分可通过调控TGF-β/Smad 信号通路发挥抗肾脏纤维化的作用[39-40]。Wang等[39]研究发现黄芪甲苷通过抑制TGF-β/Smad 信号通路，降低Smad2/3 磷酸化水平，激活TGF-β/Smad 通路的抑制型（Smad7），进而抑制结缔组织生长因子以及肌成纤维细胞标志物α-平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）的表达。此外，黄芪多糖也能够调节TGF-β/Smad 信号通路，减少ECM 积聚，改善糖尿病肾脏疾病小鼠的肾脏纤维化[41-43]。

黄芪有效成分可通过调控纤维化相关因子如TGF-β1 来发挥防治肾脏纤维化的作用。TGF-β1 可促进胶原蛋白和纤连蛋白的生成和异常沉积，导致上皮细胞和间质细胞中相关纤维化蛋白的增加，加速肾脏纤维化的发生与发展[38，44-45]。Zheng等[46]实验发现，黄芪多糖可通过调节TGF-β1，降低下游蛋白激酶整合素连接激酶（integrin-linked kinase，ILK）的活性，缓解醋酸脱氧皮质酮-高盐和血管紧张素Ⅱ诱导的高血压小鼠肾功能损伤，降低血肌酐、尿素氮和尿酸水平，并抑制白细胞介素1β、白细胞介素6、α-SMA、Ⅰ型胶原蛋白和Ⅲ型胶原蛋白的表达，减轻炎症反应，进而抑制肾脏纤维化的发展。

过度的细胞凋亡也是促进肾脏纤维化发生的重要因素。p38/MAPK 等信号通路异常激活可上调炎症反应、氧化应激等过程，以诱导细胞凋亡，导致肾脏纤维化[47]。Xu等[48]研究发现，黄芪甲苷能够通过抑制p38/MAPK 通路介导的细胞凋亡，剂量依赖性地降低UUO小鼠肾组织中TGF-β1、α-SMA、Ⅳ型胶原蛋白和纤连蛋白等蛋白的表达，减少肾组织ECM 的沉积，发挥抑制肾脏纤维化的作用。

2.2 防治肝纤维化肝纤维化指肝脏损伤后修复过程中ECM 的弥漫性过度沉积与异常分布所导致的病理性修复反应，可由非酒精性脂肪性肝炎、乙型和丙型肝炎等多种慢性肝损伤性疾病引起[49-51]，其进一步发展可导致肝硬化甚至肝功能衰竭[52-53]。在肝组织的慢性损伤、炎症和修复过程中ECM 各组分生成增加、降解减少，导致包括纤连蛋白、蛋白多糖和胶原等成分在肝内过量沉积，促使α-SMA 等间充质转化标志物的异常上调，最终形成肝纤维化[49-50]。

在肝纤维化进展的过程中，EMT 表现为上皮细胞转化成具有间充质特征的细胞，使纤维化相关分子表达、胶原合成和ECM 沉积增加。E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白和α-SMA 等是EMT 的主要标志物[52-54]。有研究[16]发现，黄芪甲苷可抑制EMT 的发生，其通过上调肝组织内E-钙黏蛋白，下调TGF-β1、α-SMA 和N-钙黏蛋白，改善四氯化碳（CCL4）诱导的模型大鼠的肝纤维化。此外，黄芪多糖也被证实可通过抑制EMT，下调α-SMA、胶原和层黏连蛋白的表达，减轻ECM 过度沉积，改善CCL4诱导的肝纤维化动物模型的病理损伤[54-55]。

炎症反应在肝纤维化进展过程中发挥着重要作用。炎症反应发生时，炎症细胞（如巨噬细胞、淋巴细胞）和纤维母细胞等浸润和激活，进一步诱发炎症介质如细胞因子、趋化因子等的释放。炎症介质可诱导肝脏组织中成纤维细胞异常增殖、胶原合成和ECM 沉积，进而促进肝纤维化的发展。因此，减轻肝脏炎症反应是干预肝脏纤维化的重要策略之一[53，56]。李艳等[57]研究发现，黄芪总黄酮通过减轻肝脏炎症反应、抑制TGF-β1/Smad 信号通路的激活以及纤维化相关指标的表达，进而改善CCL4诱导的大鼠肝脏纤维化。此外，有研究[58]发现，黄芪黄酮类化合物（如芒柄花素、异鼠李素、山柰酚、毛蕊异黄素等）能够针对性地阻断核转录因子（Nuclear factor kappa-B，NF-κB）炎症信号的转导，在肝纤维化模型中表现出抗炎作用，进而抑制肝星状细胞（Hepatic Stellate Cells，HSCs）的活化并减少ECM在HSC-T6细胞内的沉积。

HSCs 作为最重要的ECM 分泌细胞之一，在纤维化过程中起着关键的作用。肝纤维化可抑制HSCs 的细胞凋亡，导致促纤维化因子和ECM 成分增多，进而促进成纤维细胞的活化和胶原蛋白的合成，推动肝纤维化的进展[49，51，53]。Chen 等[59]实验发现，黄芪甲苷能上调血小板衍生生长因子激活的大鼠HSC-T6细胞模型中衰老标志物（高迁移率族蛋白A1、p21 和p53），增加了衰老相关的β-半乳糖苷酶的活性，使活化的HSC-T6细胞中纤维化相关标志物collagenⅠ、α-SMA 和纤连蛋白等下调，表明黄芪甲苷可通过促进HSCs细胞凋亡，减轻肝脏纤维化。

2.3 防治肺纤维化肺纤维化是一种进行性慢性间质性肺部疾病，特征是肺组织中纤维组织增生和瘢痕形成。其发病与遗传易感性、持续性损伤、衰老、氧化应激等多种因素有关。肺成纤维细胞的异常活化、ECM 的过度沉积以及肺部瘢痕的形成是肺纤维化的主要临床病理特征，随着时间的推移，肺纤维化会逐渐扩展并且无法逆转，最终导致呼吸困难和肺功能衰竭[60-61]。

多种信号通路如雷帕霉素靶蛋白（Mammalian target of rapamycin，mTOR）和磷脂酰肌醇3 激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonine protein kinase，Akt）等，其异常激活或失调与肺纤维化异常的细胞增殖和过度的胶原沉积有关。mTOR信号通路可调节肺纤维化相关蛋白质的合成，其效应分子磷酸化核糖体蛋白S6（phosphorylated S6 ribosomal protein，p-S6）表达升高能够反映该通路的活化[64]。黄芪多糖能够抑制肺纤维化大鼠肺组织中mTOR 及其下游p-S6 的表达，降低肺纤维化间充质转化相关蛋白α-SMA 的表达水平，发挥保护肺脏的作用[62]。此外，活化的PI3K 通过招募并磷酸化促进Akt 参与纤维化进程，异常激活的PI3K/Akt 通路促进纤维细胞增殖和转分化、炎症反应和纤维化相关因子，导致过度的胶原沉积和纤维化[61，63]。黄芪甲苷可抑制TGF-β1/PI3K/Akt 通路，降低TGF-β1 的表达水平，并抑制Akt 蛋白激酶的磷酸化，从而抑制EMT 的发生，在博莱霉素（Bleomycin，BLM）诱导的肺纤维化中发挥着显著的抗纤维化作用[64]。

黄芪化学成分能够通过调节血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）发挥抑制纤维化的作用。栾智华等[65]研究发现，VEGF/VEGF受体2（VEGFR2）信号通路具有促进血管内皮细胞增殖、迁移和分化的作用，进而导致血管异常增生，为纤维化过程中活化的成纤维细胞提供氧气、营养物质和生长因子，是促进肺纤维化进展的重要因素。黄芪甲苷可通过调控VEGF/VEGFR2 信号通路，显著降低鼻腔滴注BLM 建立的肺纤维化小鼠模型中VEGF 和VEGFR2基因表达来抑制异常血管增生，减少成纤维细胞的增殖和合成胶原，发挥抗肺纤维化的作用。

在肺纤维化中，炎症反应起着重要的作用。肺部受到损伤或刺激后，经典炎症通路NF-κB 异常活化，增加炎症因子的表达，加剧炎症反应促进肺纤维化的发生[64]。Zhang 等[66]研究发现，黄芪多糖具有降低NF-κB 通路活性的作用，从而抑制EMT 的发生和进展，减少胶原、α-SMA 生成以及ECM 过度沉积，增加E-钙黏蛋白水平，具有抗肺纤维化的作用。

2.4 防治心肌纤维化心肌纤维化的发生与多种心血管疾病如高血压、心肌梗死、心力衰竭等有关，其主要特征为心肌组织中胶原沉积增加、纤维组织增生、心肌细胞肥大以及心脏结构的重塑[67-68]。心肌纤维化会导致心肌弹性和收缩功能下降、心脏舒张功能受限及心律失常，加重心功能障碍，最终可导致心力衰竭[69-71]。

TGF-β1/Smad信号通路异常激活是心肌纤维化发生的重要原因之一，其通过调节相关纤维化基因表达，导致胶原合成以及ECM 累积增加，促进心肌纤维化发生和发展[71-72]。黄芪甲苷通过调控TGF-β1/Smad 信号通路可抑制心肌纤维化的进展[73]。Chen等[74]发现黄芪甲苷通过抑制柯萨奇病毒B3（Coxsackie virus type B3，CVB3）诱导的心肌病中的TGF-β1/Smad 信号通路，降低胶原水平，从而改善心肌纤维化。此外，黄芪多糖也被证实具有降低TGF-β1 表达，抑制Smad2/3 激活和减少胶原纤维生成的作用，从而改善异丙肾上腺素诱导的大鼠心肌纤维化[25，70]。另外，黄芪总皂苷能够减轻低剂量X线照射引起的心肌成纤维细胞损伤，抑制心肌成纤维细胞异常合成和分泌ECM，且降低了心肌成纤维细胞中TGF-β1和p-Smad2/3的表达水平，从而抑制TGF-β1/Smad信号通路的激活，发挥抗放射性治疗引起的心脏纤维化作用[75-76]。

心肌细胞凋亡与心脏纤维化的病理过程密切相关，抑制与细胞凋亡相关的信号通路可以改善心肌损伤和纤维化[71，77]。在CVB3 诱导的病毒性心肌炎模型中，脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，Fas）/脂肪酸合成酶配体（Fatty acid synthase ligand，FasL）介导的细胞凋亡通路被激活，进而激活caspase 家族蛋白（caspase-8和caspase-3等），导致心肌细胞凋亡的发生。过度的心肌细胞凋亡引发炎性反应，破坏正常心肌结构和功能，加剧纤维化进程。黄芪甲苷可以抑制心肌细胞中促凋亡基因Fas、FasL的表达，同时下调caspase-8和caspase-3的活性，从而降低心肌细胞凋亡。这种抑制作用不仅提高小鼠存活率，也对心肌纤维化损伤起到保护作用[78]。

心肌细胞的炎症反应在心脏纤维化过程中起重要作用。心肌细胞受到病原体感染或发生损伤后，通过释放炎性细胞因子如肿瘤坏死因子α和IL-1β等激活免疫细胞而引发炎症反应，进而激活成纤维细胞，使其转变为具有纤维化活性状态，并增加胶原合成和ECM沉积[71-72]。已有研究[79]证实，毛蕊异黄酮能够通过下调磷酸化IκB激酶α/β、磷酸化NF-κB和肿瘤坏死因子α 的表达，从而减轻心肌细胞炎症反应，抑制I型和III型胶原的表达和沉积，改善心肌纤维化，发挥心脏的保护作用。

2.5 其他腹膜上皮细胞EMT是腹膜纤维化的关键过程，腹膜纤维化容易进一步发展为包裹性腹膜硬化症。黄芪甲苷可通过促进Smad7 的表达，抑制TGFβ1 诱导的EMT，从而发挥抗腹膜纤维化的作用[80]。系统性硬化症是一种以免疫失调、血管病变和进行性皮肤及内脏器官纤维化为特征的自身免疫性疾病。黄芪多糖能够抑制BLM 诱导的硬皮病小鼠模型皮肤过度纤维增生和胶原沉积[25，81]。此外，黄芪甲苷可以调节TGF-β1/Smad2/3 信号通路，降低p-Smad3的水平并阻止其向核内移位，从而抑制胶原蛋白和纤连蛋白的表达，改善纤维化症状，进而发挥防治系统性硬化症的作用[82]。

3 讨论

黄芪被广泛应用于纤维化的治疗，在防治脏器纤维化的进程中发挥着重要的作用。当前黄芪的抗纤维化的研究主要集中在TGF-β1/Smad、Wnt/β-catenin、PI3K/Akt、VEGF/VEGFR2、NF-κB 和mTOR 等信号通路，其有效成分可通过参与抗炎、抑制ECM 沉积、抑制EMT 过程、调控纤维化相关因子以及调控凋亡等多个环节发挥着抗纤维化作用。然而，有关黄芪在信号通路中的具体作用靶点报道较少，有必要深入探索黄芪的潜在治疗机制和具体治疗靶点。同时，目前黄芪抗纤维化各种作用机制之间的协同或拮抗作用的研究较少，需要进一步深入探讨。目前，黄芪抗纤维化研究多集中在多糖类、皂苷类和黄酮类等，对其他活性成分的研究相对较少，有待进一步开展相关研究。

为了更好地揭示黄芪在抗纤维化中的作用机制，可以利用基因组学、蛋白质组学和生物信息学等方法系统地鉴定黄芪中不同成分的潜在靶点，并通过信号调控分析揭示黄芪在抗纤维化中的分子作用机制。此外，可通过修饰和调整黄芪中活性成分的结构，评估不同结构类似物对纤维化治疗靶点的选择性和亲和性，以确定潜在的药物靶点并优化治疗效果。本课题组正在开展对黄芪活性成分的抗纤维化及其作用机制的相关研究。用荧光素酶报告基因筛选方法，在模拟纤维化的细胞模型中发现了具有保护作用的活性成分。同时，采用计算机辅助药物设计方法，如分子对接和虚拟筛选，预测了黄芪中成分与已知抗纤维化靶点之间的相互作用，发现黄芪活性成分可能主要通过参与表观遗传学相关通路来发挥抗纤维化作用，对黄芪抗纤维化研究和应用具有重要意义。