大黃素生物活性及在畜牧領(lǐng)域的研究進展

馬中華，符清瑤，姜宏正，周漢林，荀文娟*

（1.海南大學(xué)動物科技學(xué)院，海口570228；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，海南儋州571737）

近年來隨著人們對天然化合物活性成分的探究，大黃素逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的特別關(guān)注，其生物活性與化學(xué)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。例如，大黃素的蒽醌環(huán)以及酚羥基具有清除自由基和抗炎抗菌等多種生物活性[1]。作為蘆薈、大黃等傳統(tǒng)中草藥的有效成分，在臨床上也有一定的應(yīng)用。本文綜述近幾年有關(guān)大黃素的生物活性方面以及畜牧相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，以期對當(dāng)前畜牧領(lǐng)域的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 大黃素的生物活性及在畜牧領(lǐng)域研究概況

1.1 抗腫瘤

大黃素通過多種機制發(fā)揮抗癌作用，例如，通過抑制人乳腺癌MCF-7和MDA-MB-231細(xì)胞中的雌激素受體α基因組和PI3K/Akt非基因組途徑來有效抑制細(xì)胞增殖[2]。但是大腸癌SW620細(xì)胞的研究結(jié)論正好相反，大黃素可以提高腫瘤細(xì)胞的浸潤能力[3]。大黃素在腫瘤細(xì)胞凋亡及抗轉(zhuǎn)移等途徑發(fā)揮作用[4]，這些研究結(jié)果也促使學(xué)者們轉(zhuǎn)向?qū)Υ簏S素抗癌機制的探索。

線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在介導(dǎo)大黃素誘導(dǎo)的抗癌作用中也起著重要作用[5]。大黃素通過線粒體膜電位的喪失，Bcl-2家族蛋白的調(diào)節(jié)以及人結(jié)直腸癌CoCa細(xì)胞和肝癌HepaRG細(xì)胞中caspase酶的活化來誘導(dǎo)凋亡[6]。大黃素也具有免疫調(diào)節(jié)作用，通過阻斷巨噬細(xì)胞和癌細(xì)胞之間促進腫瘤的前饋回路來抑制細(xì)胞生長和轉(zhuǎn)移[7]。研究發(fā)現(xiàn)，大黃素的另一種衍生物大黃酸也可以誘導(dǎo)人胰腺癌Panc-1細(xì)胞凋亡，并抑制胰腺癌異種移植腫瘤生長[8]。大黃素和其他化學(xué)療法的組合也可以用于癌癥治療，大黃素可以促進吉西他濱在胰腺癌中的抗腫瘤作用[9]。通過抑制NF-κB途徑增強人胰腺癌SW1990細(xì)胞的凋亡，進一步抑制SW1990異種移植的腫瘤生長[10]。大黃素和姜黃素的組合還可以增強對人乳腺癌MDA-MB-231，MDA-MB-435和184A1細(xì)胞的細(xì)胞增殖，存活和侵襲的抑制作用[11]。此外，大黃素通過在人膀胱癌T24和J82細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧和多重耐藥相關(guān)蛋白1降低毒性[12]。大黃素已被證明在體外和體內(nèi)具有顯著的抗癌作用，并且其與其他療法的結(jié)合對癌癥的治療非常有效。因此，評估大黃素作為一種抗癌藥的安全性和有效性非常重要。雖然目前大黃素還尚未大量投入抗癌藥用，但可以繼續(xù)將其運用到模型動物機體中，深入探究其抗癌機制。

1.2 抗病毒

在畜牧領(lǐng)域中，新城疫病毒的治療與大黃素提取物的注射量有一定關(guān)系，當(dāng)大黃乙醇提取物為5.0 mL·kg-1的劑量組時，對試驗雞是安全的[13]，能保證雞對此病毒的抗病能力達(dá)到最大化。流行性感冒病毒即流感病毒，這種病毒可由空氣傳播，通過侵襲上呼吸道，致機體死亡，畜牧生產(chǎn)中的豬、牛、馬等均易感，且都以大周期流行，對世界公共衛(wèi)生安全造成巨大威脅。早期有研究發(fā)現(xiàn)大黃素對A、B兩種類型的流感病毒均有明顯抑制作用，隨后經(jīng)過深入研究，蘆薈大黃素通過半乳糖凝集素-3（Galectin-3）上調(diào)對甲型流感病毒的抗病毒活性，其作用機制主要是調(diào)控半乳糖凝集素-3（Galectin-3）的表達(dá)，而重組的Galectin-3能增強抗病毒基因干擾素IFN-β、IFN-γ和雙鏈RNA依賴性蛋白激酶（Protein kinase resource，PKR）的表達(dá)來抵抗病毒入侵機體，與此同時，蘆薈大黃素也能抑制甲型流感病毒的復(fù)制從而發(fā)揮雙重作用[14]。

SARS冠狀病毒（SARS coronavirus，SARS-CoV）的解碼組3a形成了陽離子選擇性通道，該通道可能在感染的細(xì)胞中表達(dá)，然后參與病毒釋放。研究表明大黃素可以抑制冠狀病毒SARS-CoV的3a離子通道[15]，進而可能抑制病毒的釋放，有望成為開發(fā)新型治療劑的來源。2019新型冠狀病毒已嚴(yán)重威脅到人們的健康和生活，但目前尚無有效的預(yù)防和控制措施。作為純天然植物的主要有效成分，大黃素有多種廣譜的抗病毒活性，其用于治療新型冠狀病毒肺炎（Coronavirus disease 2019，COVID-19）有多種可能性[16]。大黃素的抗病毒性可以廣泛應(yīng)用于畜牧領(lǐng)域以及人類醫(yī)療方面，減輕生產(chǎn)損失的同時也可以防止人畜共患病毒的產(chǎn)生，在病毒學(xué)研究中前景十分廣闊。

1.3 抗氧化

在畜牧生產(chǎn)中，大黃素的添加可以明顯改善肉仔雞抗氧化功能，抑制脂質(zhì)過氧化和超氧自由基的生成，并且可顯著改善其胸部和腿部肌肉的超氧化物歧化酶活性，減少丙二醛含量，且以400 mg·kg-1添加組的效果尤其明顯。由于大黃素能提高肉仔雞免疫功能，所以其脾臟指數(shù)、胸腺指數(shù)以及法氏囊指數(shù)增加，并且隨著大黃素的添加量不斷遞增，各指數(shù)依次增加[17]。黃麗英等研究大黃素對超氧陰離子自由基的清除作用，結(jié)果表明，氧自由基的清除對大黃素有明顯的劑量依賴性[18]。在飼糧中的脂質(zhì)和脂肪酸參與細(xì)胞代謝和動物生理調(diào)節(jié)，但氧化的脂質(zhì)可能會引起氧化應(yīng)激，從而影響魚類的正常生長和生理健康。研究發(fā)現(xiàn)，在氧化魚油脅迫下，大黃素可以抑制生長性能，改善特殊生長率，降低飼料轉(zhuǎn)化率和肝體指數(shù)[19]。這些研究的結(jié)果表明，氧自由基清除過程中大黃素起到關(guān)鍵作用，同時也可能在心血管疾病的治療中應(yīng)用廣泛，為解決動物生產(chǎn)中的氧化應(yīng)激提供了更好的選擇途徑。

1.4 提高胃腸道活性

在畜牧相關(guān)研究中，陳甜甜等為研究大黃素對豬流行性腹瀉病毒（Porcine epidemic diarrhea virus，PEDV）感染對細(xì)胞病變的抑制效果和機理，采用了細(xì)胞形態(tài)觀察法測定大黃素溶液在Vero細(xì)胞上的最大安全濃度，建立體外病毒感染Vero細(xì)胞模型并利用該模型開展大黃素對病毒抑制作用的研究[20]。結(jié)果顯示大黃素在Vero細(xì)胞上的最大安全濃度為3.28 mg·mL-1；形態(tài)學(xué)觀察法和MTT法均顯示大黃素不僅能阻斷病毒吸附Vero細(xì)胞，抑制病毒的合成復(fù)制，還可直接滅活病毒。從而為臨床上預(yù)防和治療豬流行性腹瀉提供理論基礎(chǔ)。大黃素添加也能夠影響反芻動物對飼料的利用率，研究證實，當(dāng)添加量大于1.0 mg·mL-1，可以顯著加大氫氣排放量，抑制甲烷的產(chǎn)出，促進瘤胃向丙酸型發(fā)酵[21]。在現(xiàn)代的大規(guī)模養(yǎng)殖中，雞經(jīng)常因為各種疾病而腹瀉，盧寶林等使用生的大黃素（可以用酒炒），或者在煮熟后治療雞的腹瀉[22]，為后續(xù)能夠?qū)⑵鋺?yīng)用在飼料添加劑中提供參考。大黃素還能保護低血容量性休克大鼠胃腸黏膜上皮細(xì)胞間的緊密結(jié)合、促進胃腸活動、抑制腸內(nèi)細(xì)菌的易位、降低胃腸黏膜通透性，防止腸感染以及引起多臟器功能衰竭[23]。郭向華的研究結(jié)果表明，大黃素可以增強腸壁蠕動刺激從而使?jié)B透壓變化，腸內(nèi)廢棄物的順利的排放，大黃素作為刺激性瀉藥效果得以實現(xiàn)。這種刺激腹瀉的作用，對便秘和痔瘡的患者，特別是對中老年便秘的患者療效特別明顯[24]。黃偉等應(yīng)用大黃素成功制作小鼠的腹瀉模型，研究表明，連續(xù)6周服用大黃素后，小鼠的腹瀉數(shù)明顯減少，到12周明顯減少[25]。

同時也有研究發(fā)現(xiàn)，大黃素通過抑制NF-κB和HIF-1α信號通路發(fā)揮對腸粘膜屏障的保護作用[26]。大黃素可以通過抑制NF-κB信號通路顯著減輕LPS缺氧復(fù)氧所致腸上皮細(xì)胞株Caco-2細(xì)胞旁緊密連接蛋白ZO-1表達(dá)的下降，從而有效抑制Caco-2上皮細(xì)胞旁的通透性，維護腸黏膜上皮的完整[27]。同時動物試驗表明，大黃素可降低單核，巨噬細(xì)胞膜表面TLR4表達(dá)，抑制釋放炎癥介質(zhì)的肥大細(xì)胞活化，降低IL-8等多種促炎細(xì)胞因子釋放，減輕小腸黏膜結(jié)構(gòu)損傷，起到保護腸機械屏障的作用[28]。大黃素的胃腸保護作用，可以使其作為胃腸道保護劑添加到日糧中，緩解動物生產(chǎn)中腹瀉等相關(guān)問題。

1.5 保護神經(jīng)

相關(guān)研究同時也發(fā)現(xiàn)，大黃素通過激活神經(jīng)元細(xì)胞的保護機制，使得神經(jīng)元細(xì)胞在體外的耐受力顯著提高[29]。氟化物是一種常見的微量元素，對人類和動物健康至關(guān)重要。但是，過量的氟化物會引起一系列有害影響，包括牙齒氟中毒，骨骼氟中毒以及對肝臟、腎和中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central nervous system，CNS）的損害。研究發(fā)現(xiàn)，大黃素減輕了暴露于氟化物中神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的突觸損傷和氧化應(yīng)激損傷，從而通過抑制ERK1/2信號通路和抗氧化劑提供了防御氟化物神經(jīng)毒性的機制[30]。

體外和體內(nèi)研究表明，大黃素可發(fā)揮有效的神經(jīng)保護作用，與核相關(guān)因子2以及血紅素加氧酶-1緊密相關(guān)，并具有細(xì)胞外調(diào)節(jié)作用激酶（ERK）1/2信號通路[31]。Gu等報道大黃素通過減少大鼠CA1區(qū)的谷氨酸釋放來抑制興奮性突觸后電位[32]。此外，Liu等發(fā)現(xiàn)，大黃素明顯降低了β-淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的皮質(zhì)神經(jīng)元死亡，大黃素降低了高同型半胱氨酸血癥所致癡呆大鼠大腦中神經(jīng)元喪失，突觸損傷和炎癥，并減輕了氧化應(yīng)激和甲基化損傷[33]。大黃素已證明具有上述這些神經(jīng)保護作用，但該化合物需要進一步闡明其基本藥理作用和機理。

1.6 抗炎

大黃素賦予動物抗多種炎癥的抗炎活性，在經(jīng)過試驗驗證的miRNA中，miR-21由于其在炎癥中的重要作用而引起了廣泛關(guān)注。例如，miR-21可增強巨噬細(xì)胞對腹膜炎的抗炎功能[34]，miR-21的表達(dá)可以作為平衡抗炎和促炎的開關(guān)[35]。大黃素減輕炎癥反應(yīng)，通過上調(diào)miR-21抑制炎癥因子IL-1b，IL-6，Cox-2和iNOS以及調(diào)節(jié)NF-κB和PTEN/PI3K/AKT信號，但需要進一步臨床實踐[36]。

Llipopolysaccharide（LPS）是位于革蘭氏陰性細(xì)菌最外層的大分子。大量研究表明，LPS可以通過提高促炎細(xì)胞因子水平來觸發(fā)炎癥反應(yīng)，例如IL-1b，IL-6和TNF-a[37]。LPS觸發(fā)的動物和細(xì)胞肝炎模型已廣泛用于尋找新的抗炎藥，此外，研究已經(jīng)證明，NF-κB信號通路的激活還通過進入細(xì)胞核刺激更多的炎癥因子表達(dá)而促進LPS觸發(fā)的炎癥損傷[38]。

大黃素改善了LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷的病理變化和炎性細(xì)胞浸潤。可顯著降低炎性因子（包括TNF-α，IL-1β和IL-6）的表達(dá)，并下調(diào)了肺組織中p-mTOR，HIF-1α和VEGF蛋白的表 達(dá)。在RAW264.7細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了類似的抗炎作用以及mTOR/HIF-1α/VEGF信號通路的下調(diào)[39]。Ha等報道大黃素抑制缺氧類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的促炎反應(yīng)并使組蛋白脫乙酰基酶失活[40]。Alisi等研究發(fā)現(xiàn)大黃素可以防止飲食刺激的大鼠肝脂肪變性的肝內(nèi)脂肪積累，炎癥反應(yīng)和氧化還原狀態(tài)失衡[41]。此外，Song等提出大黃素可減輕脂多糖（LPS）刺激的高脂血癥小鼠的全身和肝臟炎癥反應(yīng)[42]。表明大黃素可以發(fā)揮抗炎作用，并在炎癥治療中作為潛在的治療藥物，可以通過飼料添加劑降低生產(chǎn)中動物的疾病風(fēng)險。

1.7 抗菌

在畜牧生產(chǎn)中，副豬嗜血桿菌（Haemophilus parasuis，HPS）是一種寄生在豬的上呼吸道致病細(xì)菌，其會引起一系列的炎癥，包括腦膜炎等，豬群的健康因此受到嚴(yán)重侵犯。研究發(fā)現(xiàn)，大黃素對HPS具有較顯著的體外抗菌作用，其作用機制可以概括為兩個方面：一是通過調(diào)控核糖體的合成，使得相關(guān)蛋白的表達(dá)受到抑制，最終抑制了HPS菌株的生長；二是通過抑制HPS中毒力因子的轉(zhuǎn)錄以及相關(guān)表達(dá)來降低HPS對宿主的致病力[43]。其實早在21世紀(jì)初期，Chukwujekwu等研究大黃素的抗菌性時，發(fā)現(xiàn)革蘭氏陽性菌明顯受到抑制[44]。隨后，Xiang等研究發(fā)現(xiàn)蘆薈大黃素顯著抑制了生物膜的形成，最初是通過減少細(xì)胞外蛋白的產(chǎn)生，金黃色葡萄球菌生物膜的粘附和增殖階段以劑量依賴的方式發(fā)生[45]。大黃素具有良好的抗甲氧西林抗性金黃色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）作用，其抗菌作用與其降低相關(guān)菌株細(xì)胞膜的流動性還有破壞膜的完整性相關(guān)，因此把大黃素歸類為先導(dǎo)型化合物進行深入的研究，有利于發(fā)現(xiàn)藥物的最新靶點，當(dāng)然也是治療MRSA感染的關(guān)鍵。Wang等從消化性潰瘍患者中收集的幽門螺桿菌中發(fā)現(xiàn)蘆薈大黃素在幽門螺桿菌培養(yǎng)物中以劑量依賴性方式顯示出生長抑制作用。當(dāng)蘆薈大黃素的濃度達(dá)到925μmol·L-1時，抑制作用達(dá)到約90%[46]。

隨著耐藥性病原體和缺乏有效藥物引起的感染增加，發(fā)現(xiàn)新的抗菌劑迫在眉睫。研究發(fā)現(xiàn)來自真菌和地衣的天然氯化大黃素1,3,8-三羥基-4-氯-6甲基蒽醌（Chlorinated emodin，CE）可顯著抑制革蘭氏陽性菌的生長，特別是對包括耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌在內(nèi)的常見耐藥菌菌株的生長。已確認(rèn)CE會導(dǎo)致大量鉀離子泄漏，細(xì)胞膜去極化并破壞細(xì)菌細(xì)胞中細(xì)胞膜的選擇性通透性，從而導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡。此外，CE被證明與細(xì)菌DNA有很強的靜電相互作用并誘導(dǎo)DNA凝聚。因此，CE是針對革蘭氏陽性細(xì)菌，尤其是常見的耐藥MRSA和VRE分離株的有前途的天然抗菌藥效基團，具有破壞細(xì)菌細(xì)胞膜和DNA的雙重抗菌機制[47]。大黃提取物抑菌活性強，添加劑量小，是一種天然的抑菌劑，應(yīng)用于飼料添加劑領(lǐng)域必將有著極為廣闊的前景。

2 大黃素的局限性

關(guān)于大黃素不利影響的報道數(shù)量正在增加。這些報告中的主要毒性是肝毒性和腎毒性，這是世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注的問題。大黃素通過在Caspase-3依賴性途徑和線粒體途徑中誘導(dǎo)凋亡而顯示出肝毒性和腎毒性。另外，還涉及谷胱甘肽代謝和脂肪酸代謝途徑[48]。因此，需要進一步的研究來減輕大黃素的毒性。

另一個問題是大黃素同時具有保肝和肝毒性作用，存在矛盾。根據(jù)對文獻的研究，推測原因是這些影響可能是給藥劑量和遞送時間。高劑量和長期藥物輸送更有可能導(dǎo)致肝毒性，而低劑量和短期藥物輸送可能導(dǎo)致肝得到保護作用。因此，這個問題需要進一步研究。

3 展望

大黃生長于我國多個地區(qū)，產(chǎn)量頗豐，大黃素作為中草藥大黃最重要的活性成分，應(yīng)用范圍極廣。如抗菌能力，可作為廣譜的抗菌藥物以及食品添加劑；抗炎能力，可應(yīng)用于飼料添加劑領(lǐng)域；其抗腫瘤能力，可輔助癌癥治療和預(yù)防；其抗病毒能力，可作為新一代抗病毒藥物被開發(fā)應(yīng)用于人畜流行病；其對胃腸道活性，可開發(fā)成不同類型的保健品以及用于初生動物的胃腸道發(fā)育。大黃素具有廣闊的應(yīng)用前景，未來仍需要進一步研究以提高口服生物利用度，減輕副作用并提高其效率。對大黃素進一步的應(yīng)用，有利于提高動物福利，為我國畜牧業(yè)的健康發(fā)展提供更多支撐。