黄连素通过调控丝裂原活化蛋白激酶信号通路治疗各科疾病的药理机制研究进展

陈维萍 南楚 刘怡伽 苏丹颖

黄连素又名小檗碱,是一种淡黄色异喹啉生物碱,广泛存在于黄连、黄柏、黄芩和小檗等中草药的根、根茎和茎皮中[1],被用作治疗腹泻的非处方药,不良反应小。黄连素已被证实具有多种药理活性,如抗肿瘤,抗糖尿病,神经保护,抗病毒等[2]。黄连素由于其生物活性的多样性、低毒性和低成本特性,近年来对黄连素的研究已成为热点,受到了国内外学者的广泛关注。丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路广泛表达于大多数哺乳动物细胞中,将细胞外信号与控制细胞生长、增殖、分化、迁移和凋亡等基本细胞过程联系起来[3]。MAPK家族成员众多,主要被分为4个亚族,包括细胞外信号调节蛋白激酶1/2(extracellular-signal-regulated kinase 1/2,ERK1/2)、p38、氨基末端激酶(c-Jun-amino-terminal kinase,JNK)和ERK5[3, 4]。MAPK信号通路不仅是细胞生理过程所必须,还参与众多疾病发病机理。目前从调控MAPK信号通路角度探讨黄连素药理作用的研究越来越多,并发现在不同疾病中,黄连素对MAPK通路的影响存在差异。本文将对黄连素所治疗的疾病涉及到MAPK信号通路的研究进行综述,以期进一步机制研究和临床应用提供思路。

1 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥抗癌作用

癌症可以被看作是细胞之间和细胞内部的一种通信疾病,许多癌症的发生存在MAPK信号通路的异常[5]。由于癌症的复杂性和MAPK通路的广泛性,不同肿瘤中以及不同环境下,MAPK通路之间的整合可能有很大的不同。黄连素具有直接抗癌作用,机制包括调节细胞周期、细胞凋亡和细胞自噬,抑制细胞侵袭,调节microRNA表达、端粒酶活性以及肿瘤微环境等[6]。此外,黄连素具有癌症治疗化疗/放射增敏和保护作用,可以被用作治疗癌症的辅助药物,改善癌症的耐药和复发[7]。

1.1 基于ERK1/2通路抗癌作用

在ERK1/2通路中,存在RAS/RAF/MEK1/2/ERK1/2信号转导级联反应,其在超过三分之一的人类癌症中异常激活[5]。在三阴性乳腺癌细胞中,Kim等发现黄连素可通过抑制癌细胞EGFR/MEK/ERK通路下调白细胞介素(interleukin,IL)-8的表达抑制癌细胞转移[8]。Jin等论述了黄连素可通过抑制VEGFR2/ERK通路抑制人胶质母细胞瘤血管生成[9]。Puthdee等论证了黄连素通过ERK1/2通路将胆管癌细胞细胞周期阻滞在G1期,从而抑制细胞生长[10]。在黄连素辅助用药方面,有报道称黄连素可以通过ERK1/2信号通路诱导替莫唑胺耐药胶质母细胞瘤细胞自噬和凋亡,从而降低胶质母细胞瘤对替莫唑胺的耐药性[11]。

1.2 基于p38和JNK通路抗癌作用

JNK和p38通路参与应激信号传递,介导细胞凋亡、炎症、细胞代谢和细胞周期调节等细胞过程[3]。其在癌症中的功能是复杂的,即可表现抗增殖和促凋亡,又可能有助于肿瘤发生[5]。Wang等研究发现黄连素通过阻断JNK和p38通路来抑制胃癌细胞的迁移和侵袭[12]。在人软骨肉瘤HTB94细胞中,黄连素通过激活PI3K和p38诱导p53和p21的表达,从而将HTB94细胞的细胞周期阻滞在G2/M期,以抑制细胞增殖[13]。Wang等论述了黄连素联合光动力疗法可通过激活ROS/P38/CASPASE级联反应使顺铂耐药黑色素瘤细胞对顺铂诱导的细胞凋亡敏感[14]。

目前有大量的研究显示,黄连素被用作抗癌药或抗癌辅助药具有巨大的潜能,且在多种癌中可显示药理作用,比如肺癌、乳腺癌、胶质母细胞瘤、黑色素瘤和食管癌等,可见黄连素可能通过作用于癌症的共同发生机制,比如MAPK信号通路异常,但是黄连素在不同癌中对MAPK通路的调控有所不同,未来需要进一步阐明黄连素调控MAPK信号通路的上下游效应因子信号传导机制以及相关的表观遗传。

2 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥抗病原体作用

2.1 抗病毒作用

参与病毒复制的一条重要通路是MAPK信号通路[15]。多项研究证实,黄连素对柯萨奇病毒、肠道病毒、流感病毒、呼吸道合胞病毒等多种病毒表现出显著的抗病毒作用,其机制与MAPK通路抑制有关[16-19]。Pawe等论述了黄连素可通过下调ERK1通路抑制甲型流感病毒复制[16]。在肠道病毒71型中,黄连素可抑制JNK磷酸化下调病毒诱导的自噬和抑制MEK/ERK通路抑制病毒复制[19]。Dai等报道了黄连素通过抑制JNK和p38活化抑制柯萨奇病毒B3型复制[17]。

2.2 抗菌作用

Liu等用黄连素衍生物干预感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和肠侵入性大肠杆菌的小鼠BMDM细胞,发现其可以有效清除病原菌,机制研究发现,黄连素衍生物并不直接杀灭细菌,而是通过激活JNK和AMPK通路增强细胞溶酶体活性,进而清除细菌[20]。脂多糖是革兰阴性菌外膜内的主要糖脂,是细菌致病的重要成分之一。研究表明,黄连素能有效抑制脂多糖刺激引起的猪肠上皮细胞促炎细胞因子IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)mRNA表达和抑制p-ERK1/2、p-JNK和p-p38蛋白水平,可见黄连素可以抑制细菌脂多糖诱导的肠道炎症,其机制与MAPK通路抑制有关[21]。白色念珠菌是临床上常见的真菌感染菌属,高渗透性甘油促分裂原活化蛋白激酶信号通路(high osmolarity glycerol mitogen-activated protein kinase,HOG-MAPK)是白色念珠菌中的一条经典途经MAPK通路,调控其对外界刺激的适应、细胞的形态转换及细胞壁的合成。Huang等研究发现黄连素显著提高白色念珠菌胞内甘油和活性氧(reactive oxidative species,ROS)水平,抑制芽管和菌丝的形成,增加胞壁甲壳素和β-1,3-葡聚糖的暴露,从而发挥抗菌作用,这可能与黄连素影响HOG-MAPK通路有关[22]。

目前发现黄连素调控MAPK信号通路发挥的抗菌作用主要是通过影响哺乳动物细胞宿主来实现,而在不同种属之间MAPK信号通路存在差异,未来可以进一步研究黄连素是否可以通过调控细菌细胞内的MAPK通路发挥抗菌作用。

3 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥抗糖尿病作用

3.1 降血糖

黄连素可增进周围组织葡萄糖摄取,Cheng等研究发现黄连素通过促进p38磷酸化增加骨骼肌细胞葡萄糖摄取,且p38抑制剂SB202190能使黄连素促进的摄糖作用减少53%[23]。进一步研究显示,黄连素通过激活MAPK通路提高葡萄糖转运体1表达和活性,进而促进组织葡萄糖摄取[24]。

3.2 改善胰岛素抵抗

肥胖是一种脂肪组织中低级别的慢性炎症状态,导致胰岛素抵抗和II型糖尿病。在饮食诱导肥胖小鼠模型中,黄连素可以抑制脂肪组织中M1巨噬细胞活化相关炎症,从而抑制炎症因子介导JNK通路激活,改善胰岛素敏感性受损[25]。在多囊卵巢综合征大鼠模型中,黄连素上调卵巢葡萄糖转运体4和下调胰岛素抵抗值的同时抑制了p38、ERK和JNK磷酸化水平,这提示黄连素可能通过抑制MAPK通路改善多囊卵巢综合征胰岛素抵抗[26]。

3.3 保护胰岛β细胞

I型糖尿病是由T细胞介导的β细胞破坏和严重的胰岛炎症引起的,有研究发现,黄连素可以通过激活ERK1/2抑制Th17分化和下调p38和JNK抑制Th1分化延缓非肥胖糖尿病小鼠I型糖尿病的发病[27]。此外,Bi等人研究发现,黄连素干预糖尿病小鼠,可以改善糖代谢,减少胰岛β细胞凋亡,进一步体外实验发现,机制可能与抑制p38和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3(caspase-3)的表达有关[28]。

现有研究表明黄连素抗糖尿病的机制涉及还涉及到抗炎和抗氧化应激作用,而MAPK通路则参与机体炎症反应和氧化应激过程,未来可以进一步进行相关机制研究。

科学家如今已经建立了一些不同类型的基因编码电压指示器（GEVIs）。其中主要的一种（上）将电压感受蛋白，譬如钠离子通道的膜结合部位，与一个或多个荧光视紫红质相融合，一个膜通道将直接改变其对电场反应的荧光特质。

4 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥抗动脉粥样硬化及调血脂作用

4.1 抗动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是一种复杂的慢性炎症和代谢疾病,其特点是动脉壁出现异常炎症反应和脂质代谢失调。在动脉粥样硬化中,内皮细胞功能障碍、血管平滑肌细胞迁移和增殖、泡沫细胞形成和炎症细胞募集有助于疾病进展。已有研究证明,黄连素可以通过抑制MAPK通路抑制机械牵张力引起的血管平滑肌细胞增殖,抑制氧化型低密度脂蛋白诱导人脐静脉内皮细胞增殖和抑制血管紧张素Ⅱ诱导的人脐静脉血管内皮细胞凋亡,这体现了黄连素发挥着保护血管平滑肌细胞和内皮细胞作用[29]。

4.2 调血脂

近年黄连素用于血脂异常患者的临床随机对照实验显示黄连素降脂效果明显,黄连素降脂潜能巨大[30]。Cheng等论述了黄连素通过激活JNK通路促进PON1基因的转录,其中PON1蛋白与高密度脂蛋白相关,可以预防动脉粥样硬化[31]。Ma等用黄连素干预高脂饮食小鼠后,发现小鼠血清血脂水平降低,动脉粥样硬化斑块减少,肝脂质沉积减轻,进一步机制研究发现,黄连素可以激活ERK1/2途径下调PCSK9表达[32]。血清中低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)的清除主要通过肝脏低密度脂蛋白受体(low density lipoprotein receptor,LDLR)介导,研究发现黄连素可通过激活JNK通路诱导的肝脏LDLR上调,促进肝摄取LDL-C[33]。

黄连素在调血脂和抗动脉粥样硬化作用上具有较大潜能,现有的大量临床研究和Meta分析发现黄连素具有显著的降脂作用[34],但机制研究方面主要有降血脂、抗氧化、抗炎症和保护血管内皮,更多机制和具体分子通路还需进一步探索。

5 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥心脏保护作用

5.1 抗心肌缺血

冠心病是世界范围内导致死亡和残疾的主要原因之一,其危险因素包括高脂血症、动脉粥样硬化和高血压等。在心肌缺血再灌注损伤模型中,黄连素的干预改善了心功能障碍,其机制是黄连素通过下调JNK介导的核转录因子(nuclear factor kappa B,NF-κB)信号通路降低炎症因子表达和抑制心肌细胞凋亡[35]。在大鼠心肌梗死模型中,黄连素减弱心肌梗死后左室重构和心功能障碍,其机制与通过抑制p38通路来增强心肌梗死后的自噬有关[36]。

5.2 改善心肌重塑

Li等用黄连素干预主动脉缩窄诱导的心肌肥厚伴心功能障碍大鼠,发现黄连素可以改善心肌肥厚、心肌间质纤维化和心功能障碍,其机制与通过抑制p38和ERK1/2信号通路来增强自噬有关[37]。此外,在糖尿病心肌病中,黄连素也表现出抗心肌纤维化。李国华等研究显示,黄连素可以改善糖尿病大鼠心脏功能和心肌纤维化,机制与抑制ERK有关[38]。

黄连素用于治疗心率失常的研究较少,有研究发现黄连素可能具有抗心房颤动作用,未来研究黄连素对心脏疾病治疗作用机制,可以着重研究黄连素抗心率失常的药理机制。

6 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥神经系统保护作用

6.1 抗神经退行性疾病

神经退行性疾病是一组由于中枢神经系统特定神经元的逐渐丧失,出现明显的运动和认知功能障碍的异质性疾病,主要包括阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)和帕金森病等。阿尔茨海默病是一种神经退行性的痴呆症,其神经病理特点是β淀粉样蛋白的积累、神经原纤维缠结和动脉硬化变化。黄连素可以改善AD的病理过程,分子机制与MAPK通路有关。研究显示黄连素可以增加AD小鼠模型海马神经生长因子、p-ERK和p-RCEB表达来改善认知损伤[39]。朱飞奇等报道了,黄连素可通过促进ERK1/2磷酸化水平抑制HEK293细胞β淀粉样蛋白表达,且这种关系可以被ERK1/2抑制剂逆转[40]。小胶质细胞内MAPK通路激活可引起促炎介质的合成和释放,引发神经炎症,从而驱动神经退行性疾病。Lu等论述了 黄连素可以有效地抑制脂多糖及干扰素诱导的BV-2小胶质细胞ERK激活,从而抑制IL-6、TNF-α和IL-1β炎症因子的表达[41]。

6.2 抗神经损伤

在氧糖剥夺条件下培养的海马神经元细胞中,黄连素减少神经细胞死亡与提高p-ERK1/2水平和降低Caspase-3活性有关[42]。在喹啉酸诱导的急性神经毒性小鼠中,黄连素能激活纹状体PKC/ ERK/CREB通路增加脑源性神经营养因子表达和减少纹状体损伤面积,从而发挥神经保护作用[43]。黄连素改善糖尿病性神经病变也可能涉及MAPK通路,在糖尿病海马病变大鼠实验中,黄连素改善糖尿病神经病变的微病理与下调p38和JNK有关[44]。

MAPK通路参与脑卒中、癫痫、多发性硬化等多种神经系统疾病的发生,未来的研究还可以探讨黄连素对其他更多神经系统发挥药理作用是否与调控MAPK通路有关。

7 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥消化系统保护作用

7.1 抗胃肠炎和胰腺炎

炎症性肠病包括溃疡性结肠炎和克罗恩病。Zhai等研究表明黄连素能显著改善葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠结肠组织损伤和炎症反应,进一步细胞实验证实黄连素可以通过抑制JNK活化来抑制胞浆磷脂酶A2α及内质网应激相关结肠炎症反应[45]。慢性胃炎的常见病因是幽门螺杆菌感染,田华等人发现黄连素可以减轻幽门螺杆菌相关性胃黏膜损伤和炎症因子产生,其机制与ERK1/2通路抑制有关[46]。在急性胰腺炎小鼠模型中,黄连素可以抑制胰腺损伤,降低血清淀粉酶和脂肪酶水平,这与黄连素抑制胰腺JNK和p38的活化有关[47]。

7.2 肝保护作用

有研究发现,黄连素具有保肝作用。在对甲氨蝶呤致肝中毒大鼠使用黄连素后,肝脏组织病理结构得到改善,血清谷丙转氨酶、碱性磷酸酶、谷草转氨酶和乳酸脱氢酶水平降低,其分子机制与肝脏p38基因下调有关[48]。Feng等研究发现黄连素可以减轻非酒精性脂肪肝大鼠肝脂质沉积,降低血清谷丙转氨酶水平,同时下调TNF-α、NF-κB、p-ERK和p-JNK表达[49]。

黄连素被用治疗腹泻已经有上千年的历史,除了通过抗菌作用来发挥治疗肠道感染腹泻外,还具有改善肠道菌群失调作用,这可能是黄连素在非肠道感染相关腹泻发挥作用的机制。

8 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥肾脏保护作用

8.1 抗糖尿病肾病

糖尿病肾病是糖尿病的主要并发症,也是导致终末期肾功能衰竭的主要原因,其主要病理特征是肾纤维化[50]。在糖尿病小鼠肾损伤模型中,黄连素可以改善肾功能,通过降低肾小球系膜细胞纤维连接蛋白发挥抗肾纤维化,其机制可能与黄连素抑制S1P2/MAPK密切相关[51]。Yang等也报道了BBR可通过抑制S1P2/MAPK通路降低高糖条件下肾小球系膜细胞纤维连接蛋白、细胞间黏附因子1和转化生长因子β1水平[52]。

8.2 抗药物性肾损伤

黄连素可以减轻药物引起的肾毒性损伤,机制与抑制JNK和p38通路有关。Hassanein等论述了黄连素显著改善甲氨蝶呤诱导的血清肌酐、尿素、尿酸升高和肾脏病理改变,这可能与黄连素抑制p38/NF-κB相关炎症有关[53]。同样的,在顺铂诱导的肾毒性大鼠模型中,黄连素可通过抑制JNK和p38激活抑制肾组织的炎症来减轻肾损伤[54]。

8.3 抗肾缺血

缺血缺氧后再灌注复氧诱导的细胞凋亡被认为是肾缺血再灌注损伤的重要发病机制,Lu等研究表明黄连素可以降低人近端小管上皮HK-2细胞缺氧/复氧损伤诱导的细胞凋亡,其机制包括抑制p38和线粒体应激通路[55]。

MAPK通路广泛参与肾脏生理和病理生理过程,比如肾缺血再灌注损伤过程中存在肾脏JNK和p38的激活,现有的小檗碱调控MAPK通路发挥肾保护作用的研究较少,可以进一步扩展。

9 黄连素通过调控MAPK信号通路发挥抗炎作用

9.1 抗过敏反应

I型超敏反应是过敏原刺激IgE抗体产生,并与肥大细胞或嗜碱性粒细胞表面的IgE受体结合后引发生物活性介质如组胺、前列腺素、IL-4和TNF-α等释放引起的病理炎症反应。Fu等用黄连素干预过敏反应体内和体外模型,发现黄连素抑制IL-4、TNF-α及组胺释放,减轻被动皮肤过敏反应,相关机制是通过抑制MAPK通路来抑制肥大细胞活化和生物活性介质释放[56]。Li等研究发现,黄连素对2,4-二硝基氟苯诱导的过敏性接触性皮炎具有保护作用,机制部分与抑制p38通路来抑制肥大细胞脱颗粒有关[57]。

9.2 抗关节炎

类风湿关节炎是一种以滑膜关节炎症为标志的自身免疫性疾病,可导致软骨退化、骨损伤以及进行性残疾。在类风湿关节炎大鼠模型中,黄连素在改善滑膜增生和炎症浸润的同时抑制p-ERK、p-p38和p-JNK蛋白表达水平,这表明抗类风湿关节炎的作用机制可能与MAPK通路抑制有关[58]。Wang等研究发现黄连素可以通过溶血磷脂酸受体1介导的p38和ERK通路调控溶血磷脂酸功能,从而抑制类风湿关节炎的成纤维细胞增殖和炎症[59]。骨关节炎存在关节软骨和软骨下骨变性,病理特点包括关节软骨细胞凋亡、软骨细胞表型丢失和促炎介质产生过度等。在骨关节炎大鼠模型中,黄连素通过激活AMPK和抑制p38通路抑制大鼠软骨细胞凋亡和软骨变性,发挥抗骨关节炎作用[60]。

9.3 抗非特异性炎症

牙周炎是由革兰氏阴性菌及其产物引起的牙周组织慢性病变,是成人牙缺失的主要原因。在大鼠牙周炎模型中,黄连素通过调控G蛋白偶联受体30介导的p38/NF-κB通路失活,抑制牙槽骨丢失和牙周炎症反应,从而发挥抗牙周炎的作用[61]。

吸烟是慢性阻塞性肺疾病最常见的病因,由于黄连素具有抗炎作用,有人研究了黄连素对香烟引起的气道炎。Xu等发现黄连素可以减轻香烟引起的气道炎症和粘液分泌亢进,其作用机制可能是抑制了ERK和p38活化[62]。

鼻息肉是一种源于鼻窦和副鼻窦黏膜的异常增生性炎症病变,Moon等研究发现,黄连素在抑制鼻息肉源性肌成纤维细胞分化和细胞外基质的产生的同时抑制了p38的磷酸化,但对ERK1/2和JNK的磷酸化没有影响,可见,黄连素可能是通过抑制p38通路起到抗鼻息肉作用[63]。

黄连素具有抗炎和免疫调节作用,调控MAPK通路是其发挥抗炎和免疫调节作用的重要途径,炎症和免疫异常相关的疾病数不胜数,可见黄连素对众多疾病具有治疗潜能。

10 结论与展望

黄连素具有着抗癌、抗病原体、抗糖尿病、抗动脉粥样硬化、心脏保护、神经保护、抗胃肠炎保肝、肾脏保护和抗过敏抗关节炎等药理作用,黄连素发挥药理作用的机制与MAPK信号通路密切相关。在不同疾病中,黄连素激活或抑制MAPK信号通路存在差异性,比如黄连素发挥抗癌作用需要抑制ERK1/2通路,而黄连素发挥降脂作用则是通过激活ERK1/2通路,这种差异原因可能是不同环境下MAPK通路之间的平衡和整合是不同的。纵观大量的最新研究成果,黄连素在发挥药理作用时会对MAPK信号通路进行调控,维持疾病过程中MAPK通路信号传导平衡。

目前的研究尚存一些问题需要解决。首先,现阶段的关于黄连素调控MAPK信号通路的报道集中在ERK1/2、JNK和p38这三个亚族上,罕有黄连素与 ERK5信号通路关系的研究。其次,目前的研究仅是对MAPK通路主要成员进行活性、表达量的检测,缺乏对通路上下游分子关系的研究。由于黄连素的药理机制与MAPK通路关系密切,未来可以进一步拓展黄连素的应用。本文对黄连素调控MAPK信号通路治疗疾病的最新研究进展进行了综述,以期为进一步挖掘黄连素治疗疾病的药理机制基础研究和将黄连素用于临床疾病治疗的研究提供参考。