刺梨抑制氧化应激作用的研究进展*

万 哲,程文敬,彭 璐,莫启贵

(湖北科技学院糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室,湖北 咸宁 437100)

氧化应激(oxidative stress)是细胞促氧化剂和抗氧化剂之间失去平衡的表现,外源性或者内源性刺激会使机体代谢产生大量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),当ROS超过机体氧化体系的还原能力,机体则处于氧化应激状态。氧化应激会导致机体应激性氧化损伤,从而使机体产生相应病变,如慢性肾病等[1],也被认为是细胞衰老的一大成因。抗氧化剂(antioxidants)是阻止机体因氧化反应而产生不良影响的物质,抗氧化剂的作用机制包括:去除O2(例如,在N2下包装食品)、清除ROS和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)、抑制ROS和RNS的形成、结合催化ROS生成所需的金属离子以上调内源性抗氧化防御。自上个世纪五十年代,一些人工合成抗氧化剂相继问世,如丁基羟基茴香醚(butyl hydroxyl anisole,BHA)、二丁基羟基甲苯(butylated hydroxytoluene,BHT)和没食子酸丙酯(propyl gallate,PG)等,丰富了抗氧化剂的种类。但随后,一些人工合成抗氧化剂被发现存在某些病理病变的可能,如高剂量的BHA和BHT被证实可增加机体患肝细胞腺瘤和肝细胞癌的风险[2],而PG也被发现具有致癌风险[3]。而相比之下,天然抗氧化剂副作用较小,更容易被人们接受,现如今已成为抗氧化剂研究和应用的一项重要内容。

刺梨是蔷薇科蔷薇属多年生落叶丛生灌木缫丝花(RosaroxburghiiTratt)的果实,主要分布于我国黔、川东南、滇西北、桂西北、湘西、鄂西南和陕南等地。全国先后有20多个省市从贵州引种试种,建立了大面积的人工栽培基地。仅贵州,缫丝花的人工种植面积就接近117 300公顷,年产果实高达130 000吨[4]。刺梨是传统中药,用于消食健脾、收敛止泻,苗医体系中用刺梨治疗积食和腹泻已有很长历史。刺梨具有“维生素C之王”的美誉,其含量高达1700～2900mg/100g鲜果实,是奇异果(kiwi fruit)的10倍[5]。此外,刺梨富含刺梨黄酮、多酚、多糖和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)等多种具有抗氧化活性的物质[6-8]。本文对刺梨抑制氧化应激的物质基础、抑制方式和生物学意义进行综述,为其进一步研究提供方向。

1 刺梨抗氧化活性成分

刺梨多糖、黄酮、多酚类化合物和维生素都具有良好的抗氧化活性[6-8]。刺梨黄酮可以消除ROS[9],减少细胞凋亡。刺梨黄酮主要成分是芦丁、异槲皮素、槲皮素、山奈酚和木犀草素等[9]。刺梨多糖的主要组成是阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖等,也具有良好的抗氧化活性,表现在其对二苯基苦味酰基苯肼基自由基(1,1-Diphenyl-2- picrylhydrazyl,DPPH)、羟基自由基(hydroxyl radical,·OH)和超氧阴离子自由基(superoxide anion free radical,O2-·)具有明显的清除活性[7]。刺梨多酚有较强的自由基清除能力和铁离子还原能力[6],可以通过调节机体胆固醇和脂肪酸的合成与分解,提高机体抗氧化能力,减少氧化应激损伤[10],并通过调控核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nfr2)信号通路,减轻氧化应激[11]。同时,刺梨三萜也具有一定的抗氧化活性[6]。

2 刺梨抑制氧化应激作用的方式

刺梨抑制氧化应激作用的主要方式有3种:①清除自由基活性;②提升抗氧化酶活性;③阻断生成ROS的反应。

2.1 清除自由基活性

在清除自由基方面,刺梨黄酮对O2-·、H2O2和DPPH·等自由基均表现出良好的清除作用[12]。刺梨多糖也可以清除自由基,且粗品的清除作用强于纯品[13]。刺梨叶醇提取物具有较强的自由基清除能力[14]。此外,刺梨水提取物对DPPH和2,2′-联氮-双(3-乙基苯噻唑啉-6-磺酸)二铵盐[2,20-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid),ABTS]自由基也有较强的清除作用[15]。

2.2 提升抗氧化酶活性

刺梨可以提升抗氧化酶活性。在鹅饲料中添加适量刺梨提取物后,鹅的血清中谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)和SOD活性显著升高[16]。此外,刺梨果渣可通过提高SOD和过氧化氢酶(catalase,CAT)活性,降低ROS水平[10]。而且,刺梨葡萄糖苷和槲皮素可以增加Nrf2、血红素氧合酶(heme oxygenase,HO-1)和NADPH∶醌氧化还原酶1(NADPH∶NQO1)的蛋白水平,以增加CAT、SOD和GSH-Px水平,调解氧化应激和慢性炎症[17]。刺梨叶水提取物也可以提高SOD表达水平[18]。

2.3 阻断生成ROS的反应

刺梨富含的黄酮类化合物可以抑制ROS的生成。在受辐射损伤后的胸腺细胞ROS介导的DNA研究中,刺梨黄酮可以抑制多聚ADP核糖聚合酶1[poly(ADP-ribose) polymerase 1,PARP-1]的活性,从而减少细胞凋亡所产生的ROS[9]。此外,刺梨中的酚类物质含量较高的游离部分也表现出较好的抗氧化活性和对α -葡萄糖苷酶的抑制能力,有效减少了部分依靠α-葡萄糖苷酶产生ROS的反应[19]。

刺梨抑制氧化应激的作用方式并不繁杂,且抑制方式多样,如刺梨黄酮,既可以清除自由基,又可以阻断生成ROS的反应,表明刺梨抑制氧化应激的可行性和有效性。

3 刺梨抑制氧化应激的作用机制及意义

3.1 抑制氧化还原敏感转录因子

氧化还原敏感转录因子是一系列控制氧化还原平衡的转录因子,包括SOD1、SOD2和HO-1等,它们通过与Nrf2、过氧化物酶体增殖受体γ辅激活因子(peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator α,PGC-1α)、p53、核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)和叉头框转录因子O(forkhead box O,FoxO)等细胞因子相作用从而调节氧化还原状态[20]。刺梨可以通过调控氧化还原敏感转录因子,进而控制氧化酶和抗氧化酶的表达,来缓解氧化应激。

刺梨以上调Nrf2、HO-1蛋白的表达介导Nrf2信号通路,从而抑制氧化还原敏感转录因子,发挥抑制氧化应激的作用[21]。刺梨可以阻止砷激活Nrf2/GPX4信号通路,从而减轻砷性肝损伤[22],表明刺梨可作为一种预防和控制砷中毒的水果。刺梨本身也可以阻止ROS激活氧化还原敏感转录因子,刺梨富含维生素C、黄酮、SOD等多种抗氧化成分,可以激活体内去乙酰化酶1(sirtuin 1,SIRT1酶),从而激活Smad7(small mothers against decapentaplegic 7)转录因子,以抑制转化生长因子β1(transforming growth factor β1,TGF-β1)、转化生长因子β受体1(transforming growth factor β receptor 1,TGF-βR1)及Smad2、Smad3的表达[23]。

3.2 激活蛋白激酶

刺梨含有表达L-半乳糖苷-1,4-内酯脱氢酶(L-galactono-1-1,4-lactone dehydrogenase,GalLDH)的基因,其介导表达的GalLDH是催化植物内抗坏血酸(ASA)的关键酶,将该基因导入烟草植株,培育出了ASA过表达烟草植株,显示出更高的抗百草枯氧化应激能力[24]。富含多酚的刺梨提取物可以通过增加糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)的磷酸化和降低其表达,改善氧化应激[17],有效保护了肝脏脂肪免受损伤和功能障碍。

刺梨籽油可以减轻氧化应激和炎症反应,上调产热相关基因的表达,如解偶联蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)和p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen activated protein kinase,p38 MAPK),减轻氧化应激和炎症反应[25]。

3.3 抑制离子通道过度开放

离子通道参与许多细胞过程,作用于离子通道的药物长期以来被用于治疗神经系统等涉及电兴奋的疾病[26]。ROS失衡会导致细胞内的Ca2+稳态的紊乱,Ca2+会从内质网和其他储存单元中释放出来,其原因是ROS能激活ER膜上的钙释放通道[27]。而刺梨中具有抗氧化性质的物质能够抑制ROS,减弱其对Ca2+稳态的影响,使Ca2+通道打开指数趋于正常,减少因离子通道过度开放而造成的细胞损伤。

3.4 抑制脂质过氧化

脂质过氧化一般可以描述为自由基或非自由基等氧化剂攻击含有碳碳双键的脂质,特别是多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)的过程[28]。ROS对脂质的损伤作用不容忽视,失控的氧化应激促进了脂质过氧化,引起细胞、组织和器官的损伤。

在刺梨汁对低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)的体外氧化修饰、LDL诱导的巨噬细胞生长和细胞胆固醇酯(cholesteryl ester,CE)积累的影响的研究中,刺梨汁显著降低了LDL的氧化易感性,并通过促进细胞胆固醇外排,有效抑制氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,ox-LDL)诱导的巨噬细胞生长,尤其是ox-LDL诱导的小鼠腹腔巨噬细胞CE积累[29]。

刺梨水醇提取物能提高抗氧化酶、脂蛋白脂肪酶和肝脂肪酶的活性,下调固醇调节元件结合蛋白1c(sterol regulatory element binding protein-1c,SREBP-1c)和乙酰辅酶A羧化酶的mRNA和蛋白表达,上调肝组织中过氧化物酶体增殖物激活受体α和低密度脂蛋白受体的mRNA和蛋白表达,降低了肝脏脂质水平[30]。

刺梨多糖也被证实可降低膜脂质过氧化产物丙二醛(malondialdehyde,MDA)的水平,具有显著的抗氧化潜力[7];而刺梨叶水提物同样也可以降低MDA水平,对脂质氧化损伤具有保护作用[18]。

此外,刺梨籽油也可以抑制脂质过氧化。检测刺梨籽油对高脂肪饮食组(HFD)小鼠的生理影响,发现刺梨籽油上调脂肪酸氧化的相关基因、线粒体调控生物发生和发挥功能的关键基因的表达,如PGC-1α、肉毒碱棕榈酰基转移酶(carnitine palmitoyltransferase 1α,CPT-1α)和酰基辅酶A脱氢酶长链(long-chain specific acyl-CoA dehydrogenase,ACADL)的基因表达[25],从而介导线粒体的氧化代谢,阻止脂质积累和过氧化。

3.5 抑制DNA氧化损伤

自1956年Harman[31]提出了细胞衰老(cell aging)的自由基学说,关于自由基累积对于人类机体的影响开始被人重视,其中自由基引发的DNA损伤从而引发生物体的衰老和突变已而成为学术研究热点,而如何有效减弱自由基对DNA的影响尚为一大技术攻关。刺梨抑制氧化应激可有效减少氧化应激导致的DNA链断裂、DNA位点突变、DNA双链畸变和原癌基因与肿瘤抑制基因突变等形式的DNA损伤。

刺梨黄酮可通过PARP-1实现对DNA的修复,降低ROS和γ-h2ax水平,从而提高细胞活力[9]。刺梨水提物活性成分含量较高,对DNA的氧化损伤有抑制作用,且抑制作用随刺梨水提物浓度升高而增强,呈浓度依赖性[15]。

此外,刺梨黄酮具有抗辐射作用[32],可以抑制UVB诱导的DNA氧化损伤,纠正辐射引起的组织病理改变,促进脾结节形成,抵抗精子畸变,保护胸腺,减少细胞凋亡。

4 结 语

刺梨具有极高的经济、食用、园林和药用价值。目前我国大力发展中医药事业,而刺梨作为“三王之果”,其营养价值和药用价值已引起重视。在以往刺梨的药理研究中,抑制氧化应激的性质是其药理活性的重要组成部分。现已发现刺梨抑制ROS生成的3种方式,其机制并不复杂。此外,刺梨多途径抑制ROS生成的特点,也决定了刺梨通过氧化应激触发的机体效应并不单一。刺梨抑制氧化应激,能对转录因子、蛋白质和离子通道等方面产生影响,从不同的分子水平或细胞水平发挥其药用价值。

我国对刺梨的研究,在抑制氧化应激作用上还有很大的探索价值。而如果要更进一步地推动刺梨的药用价值,有两点值得重视。一是要对刺梨进行“拆分式”研究。在对过往的有关刺梨抑制氧化应激的研究进行总结后可发现,大部分抑制氧化应激性质的研究只涉及到刺梨果实,而事实上,刺梨有刺梨籽、刺梨核等细分部位,其成分会与整果有所异同,对这些细分部位抑制氧化应激的效果进行研究,将有利于进一步定位刺梨抑制氧化应激的有效部位。二是要细化刺梨成分。刺梨抑制氧化应激触发的机体效应十分复杂,这是因为刺梨拥有复杂的药理成分,当今对于刺梨抑制氧化应激的化学物质基础进行阐述时,通常只定位到有效活性部位,如刺梨多糖、刺梨黄酮和刺梨三萜等。对刺梨抑制氧化应激的化学成分进行分离和进一步的研究,将有助于挖掘刺梨抑制氧化应激的作用。