藏红花素在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展

陈明明 许云鹏 昌淑婷 张露 郭鸿 刘健,3

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是全球三大死因之一,仅次于心血管疾病和肿瘤[1]。COPD是由于大量暴露于环境中的有害颗粒或气体,导致气道和(或)肺泡异常,从而引发进行性的呼吸综合征和不完全可逆的气流限制的疾病[2]。吸烟是COPD的罪魁祸首,典型的COPD患者已经吸烟数十年,直到晚年才出现疾病症状[3]。不幸的是,目前美国食品和药物管理局批准的药物还没有在临床试验中显示出降低疾病进展终点或死亡率的效果[4],而且大多数药物都会对人体产生不同程度的副作用。因此寻找无副作用或副作用低的治疗COPD的候选药物非常有意义。

藏红花素又名藏红花苷、西红花苷或番红花苷,为藏红花的主要活性成分。一直以来,藏红花素的抗炎、抗氧化、抗抑郁以及抗癌等特性的相关分子机制不断被研究中。相关研究发现藏红花素是罕见的水溶性类胡萝卜素,具有毒性低、功效强的特点[5]。最近,几项研究表明,藏红花素的抗炎、抗氧化特性也反映在COPD患者炎症标志物减少、运动能力和肺功能改善上[6-8]。本文旨在对有关藏红花素在COPD方面的的研究进展和作用机制进行整理并作一综述,为未来关于藏红花素用于COPD的治疗提供参考。

一、COPD的发病机制

COPD的发生和发展是一个非常复杂的病理过程,涉及多种炎症细胞、炎症介质和相关细胞信号通路[9]。目前,人们尚未研究清楚其发病机制,但已有的研究结果显示,氧化应激、炎症反应以及粘液分泌过多是COPD的重要病理生理学特征[10-12]。包括巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和淋巴细胞等炎症细胞[13]以及气道上皮细胞、成纤维细胞和内皮细胞等组织细胞[14]在内的多种细胞都参与COPD的发病机制。这些细胞产生的多种介质是活性氧(reactive oxygen species,ROS)的重要来源,ROS继而导致肺部的氧化应激和炎症反应。氧化应激通过磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶 B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)、核红细胞相关因子2(nuclear factor E2-related factor 2,Nrf2)、核因子κB(nuclear transcription factor-kappa B,NF-κB)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子1α/去乙酰化酶3(peroxisome proliferator receptor gamma coactivator-1α/Sirtuin-3, PGC-1α/SIRT3)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等信号通路调控各种炎症因子水平、蛋白酶活性以及粘蛋白基因表达增加致粘液分泌过多[9,15-18]。这些参与COPD发病的信号通路为临床治疗COPD症状或延缓COPD进展提供了作用靶点。

二、藏红花素的生理作用

藏红花是一种多年生草本植物,属于鸢尾科,是一种有价值的植物,被用作食品添加剂和药用植物[19]。研究表明,藏红花中最具生物活性的化合物是番红花醛、藏红花素和番红花素等[20-21]。藏红花素包括藏红花素-Ⅰ、藏红花素-Ⅱ、藏红花素-Ⅲ和藏红花素-Ⅳ以及其他结构类似物[22]。作为藏红花的活性成分,藏红花素的抗氧化[23-24]、抗炎[23-24]、抗抑郁[25]、抗动脉粥样硬化[26]、抗血小板聚集[27]、改善肾功能[28]、降低血糖[29]、抗遗传毒性[30]和抗癌特性[31]等相关分子机制不断被研究中。已有的研究表明藏红花素通过抑制和/或激活多种信号通路来发挥治疗作用。

三、藏红花素对COPD的保护作用

目前,国内外有研究发现藏红花素干预可以通过多种信号通路改善COPD患者的运动能力和肺功能,表现在患者血清总抗氧化能力水平升高,血清白介素-6(interleukin-6,IL-6)、白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)水平降低,6分钟步行试验耐受性提高等[7-8]。Boskabady MH与Mokhtari-Zaer A等人此前也曾研究过藏红花对豚鼠气管链的松弛作用及其可能机制,提出藏红花提取物可以通过刺激β-肾上腺素受体、抑制毒蕈碱/组胺H1受体、阻断钙通道、开放钾通道等机制舒张支气管平滑肌从而扩张支气管改善肺通气[32-33]。

1 抑制PI3K/Akt信号通路

藏红花素在COPD个体中发挥作用的关键分子机制之一是抑制磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信号通路。PI3K/Akt通路是调节肺泡上皮细胞增殖代谢和炎症反应的核心通路之一[34]。PI3K和Akt的活化可以介导炎症反应的发生以及杯状细胞增生引起的气道粘液高分泌[35]。此前Ito K等人在PI3K抑制剂的相关研究中称,大多数参与COPD发病的炎症细胞以及ROS积累受PI3K及其下游组分控制,PI3K抑制剂可用于对类固醇不敏感的COPD的治疗,且效果显著[36]。多项研究已证明藏红花素对PI3K/Akt信号通路起抑制作用。Hashemzaei M.等人系统综述了藏红花素对呼吸系统的抗炎作用,认为藏红花素可以通过抑制PI3K/Akt介导的炎症途径发挥其抗炎作用[37]。Xie Y.等人的研究称香烟烟雾会显著上调PI3K和Akt的表达,藏红花素干预之后会使PI3K和Akt的表达及活化急剧下降,从而抑制气道炎症反应以及减少粘液分泌,缓解COPD患者的气道阻塞症状[38]。

2 激活Nrf2信号通路

核红细胞相关因子2(Nrf2)是细胞对氧化应激抵抗力的调节剂。Nrf2及其下游靶向抗氧化基因的功能已被证明对细胞保护免受氧化损伤很重要[39]。在各种抗氧化酶中,血红素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)是一种主要的抗氧化和抗炎酶,主要由Nrf2活化调节,藏红花素在香烟烟雾介导的COPD个体中通过Nrf2通路显著诱导HO-1表达,抑制多种细胞中促炎介质的产生而发挥抗氧化、抗炎作用[40]。此外,谷胱甘肽(glutathione,GSH)是一种重要的肺抗氧化剂,缺乏谷肽会导致气道损伤和肺泡损伤。Nrf2通过调控谷氨酰半胱氨酸连接酶催化亚基基因转录从而调节GSH水平[41]。Dianat M.等人的研究结果表明藏红花素激活上游信号激酶,如蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)、PI3K和MAPK等,Nrf2通过上游信号激酶被磷酸化,磷酸化的Nrf2从kelch样ECH关联蛋白-1中释放出来,上调GSH水平,减弱香烟烟雾介导的氧化应激,减少炎症因子的释放,从而抵抗氧化应激,改善肺组织的损伤[42]。

3 抑制NF-κB信号通路

核因子-κB(NF-κB)被认为是多种炎症通路中的重要转录因子,在调节气道免疫反应和炎症因子活性中起着关键作用[43-44]。研究表明,在 COPD 个体的支气管活检和炎症细胞中,NF-κB信号通路被激活,NF-κB的表达和NF-κB抑制剂的磷酸化增加,释放促炎细胞因子引起炎症反应[45]。Kim JH等人的研究表明,藏红花素诱导HO-1的表达抑制NF-κB活性,从而下调诱导性一氧化氮合酶(introduce nitric oxide synthase,iNOS)的表达及一氧化氮(nitric oxide,NO)的产生[46]。NO累积与包括COPD在内的许多慢性炎症性疾病有关,因此,抑制NO的产生是抑制COPD炎症的一种临床策略。此外,藏红花素通过抑制NF-κB磷酸化以及NF-κB p65亚基核易位及其与脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)上κB结合基序的结合活性,从而降低了促炎细胞因子、趋化因子和其他酶的基因表达,最终减轻了炎症反应的严重程度[47]。Du J.等人在烟曲霉诱导的人支气管上皮细胞炎症反应的研究中发现藏红花素通过清除ROS来调控NF-κB的激活,从而抑制COPD的氧化应激[48]。皮质类固醇治疗COPD的原理是抑制NF-κB活性,从而降低炎症因子水平,这与藏红花素干预对在COPD患者中起到的效果是一样的[8]。

4 激活PGC-1α/SIRT3信号通路

PGC-1α是一种转录调节因子,可调控与线粒体代谢、氧化应激等相关基因的表达。SIRT3是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖性线粒体脱乙酰酶,可使超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2,SOD2)脱乙酰化,增强清除ROS的活性,降低ROS水平[49]。在谢等人的研究中,藏红花素干预明显上调了COPD大鼠肺组织中PGC-1α、SIRT3 信使核糖核酸与蛋白质的表达水平,增加了脱乙酰化酶活性,从而降低ROS水平,抵抗氧化应激以及降低肺泡上皮细胞的凋亡率,保护肺组织改善COPD肺功能,且藏红花素对PGC-1α、SIRT3的表达的调节具有剂量依赖性[50]。

5 抑制MAPK信号通路

MAPK是丝蛋白/苏氨酸激酶,在调节炎症反应、细胞表达、存活、分化和增殖的信号转导途径中起主要作用[51]。MAPK信号通路包括细胞外信号调节的蛋白激酶(extracellular signal regulated protein kinase,ERK)通路、c-Jun氨基末端激酶(jun n-terminal kinase,JNK)通路和p38 MAPK通路[52]。有研究证明藏红花素可显著抑制p38 MAPK、JNK和ERK活性发挥抑制气道炎症、降低气道高反应性以及粘液高分泌等功能[37,53-55]。香烟烟雾可诱导气道上皮细胞分泌粘糖蛋白(mucin,MUC)MUC5AC和MUC5B以及释放炎症因子IL-1β和TNF-α,从而诱导粘液高分泌及炎症反应。藏红花素主要通过抑制表皮生长因子受体(EGFR)-MAPK激酶1/2(MEK1/2)-ERK1/2、p38 MAPK通路以及JNK通路的激活从而降低香烟烟雾诱导的粘蛋白MUC5AC和MUC5B和炎症因子IL-1β和TNF-α的表达,从而发挥抗粘液分泌及抗炎作用。

6 激动β2-肾上腺素受体

分布于支气管平滑肌上的β2-肾上腺素受体可以介导支气管平滑肌松弛、扩张支气管。此前的研究已证明激动β2-受体,可以激活腺苷酸环化酶,增加细胞内的环磷腺苷,从而舒张支气管平滑肌,改善通气[56]。Nemati H.等人通过对豚鼠气管链进行异丙肾上腺素诱导预收缩,研究藏红花素对豚鼠气管链中β2-肾上腺素受体的激动作用,结果显示,藏红花素对气管平滑肌β2-受体有一定的激活效应[57]。这证实了激动β2-肾上腺素受体是藏红花素扩张支气管的重要机制之一。

7 拮抗毒蕈碱受体

抗毒蕈碱药物可拮抗毒蕈碱受体舒张支气管平滑肌,驱动纤毛运动,抑制粘液高分泌状态[58]。Saeideh S.等人在以茶碱作为阳性对照,研究不同浓度的藏红花素对大鼠气管平滑肌的舒张作用的研究中,发现与未孵育气管平滑肌相比,两种较高浓度的藏红花素对阿托品孵育气管组织的舒张效果显著降低,这表明,藏红花素可以通过抑制毒蕈碱受体来舒张支气管[59]。Neamati N.等人此前的研究也支持藏红花素可以拮抗毒蕈碱受体从而舒张支气管平滑肌的结论[60]。

8 抑制组胺H1受体

组胺H1受体的激动会导致甘油二酯的生成,进而活化PKC,收缩支气管平滑肌[61]。组胺H1受体阻断药物对气管平滑肌的舒张作用先前已被证实[62]。但是,Saeideh S.的研究结果显示,藏红花素对经氯苯那敏孵育并经氯化钾收缩的气管平滑肌的舒张作用与非孵育气管组织的结果并没有显著差异。他们认为藏红花素并不能通过抑制组胺H1受体来舒张支气管平滑肌达到缓解通气状况的效果[59]。这一结果存在争议,未来需要更多的优质研究来探讨藏红花素是否能通过此机制缓解COPD症状 。

四、小结与挑战

COPD是一种不可逆的慢性炎症性疾病,目前研究者们正在迫切寻找治疗COPD的有效药物。藏红花素是一种水溶性的活性成分,具有抗氧化、抗炎、抗癌等特性。目前已有研究证明藏红花素干预可以改善COPD患者运动能力和肺功能且毒副作用甚微,但其具体机制尚未明确。此外,尽管已经发现藏红花素具有可观的治疗效果,但在提取成本和有效的药物输送中存在着不可忽略的问题。因此,未来不仅要更深层次的挖掘藏红花素的作用机制与药理作用,同时也要将研究集中在降低藏红花素提取成本和提高藏红花素的溶解度、稳定性和生物利用度上。