葛根素在重大慢性疾病臨床應用中的探索研究?

田趙威,劉晨風,王 琛△

(1.中國中醫(yī)科學院中醫(yī)基礎理論研究所,北京 100700;2.安徽醫(yī)科大學生命科學學院,合肥 230032)

葛根,為豆科植物野葛Pueraria lobata (Willd.)Ohwi的干燥根[1],是我國最常見的中藥材之一,功效廣泛[2],《神農本草經》載“主消渴,身大熱,嘔吐,諸痹,起陰氣,解諸毒”[3],《本草匯言》言“清風寒,凈表邪,解肌熱,止煩渴,瀉胃火之藥也”[4]。葛根素,即8-β-D-葡萄吡喃糖-4',7-二羥基異黃酮,是中藥葛根的主要有效成分之一,藥理作用多樣[5],具有巨大的臨床應用價值[6]。本文對葛根素近年的相關研究進行梳理,將其在重大慢性疾病中的應用及未來可能的研究熱點以可視化的方式呈現(xiàn),更加系統(tǒng)、直觀地展現(xiàn)葛根素的研究熱點及發(fā)展趨勢,為葛根素的深入研究及臨床應用提供方向參考和有益借鑒,以便進一步挖掘葛根素的臨床應用價值。

1 葛根素的研究概況

借助Citespace可視化分析軟件進行年發(fā)文量變化情況和關鍵詞頻次統(tǒng)計等分析可以在一定程度上反映葛根素相關研究的研究熱點和發(fā)展趨勢。如圖1A所示,葛根素相關文章較多且呈持續(xù)增長的趨勢,表明葛根素是近年來的研究熱點之一,且有進一步發(fā)展的可能性。關鍵詞是對研究內容的高度總結和概括,關鍵詞出現(xiàn)頻率越高,意味著該關鍵詞在其對應領域越熱門[7]。關鍵詞共現(xiàn)后,排除葛根素(puerarin)、細胞(cell)等概念性詞匯后,統(tǒng)計頻次大于50次的關鍵詞,主要涉及氧化應激(oxidative stress)、炎癥(inflammation)、細胞凋亡(apoptosis)等與機制相關的詞匯,見圖1B,而這些機制與心腦血管疾病、代謝性疾病、腫瘤等重大慢性疾病的發(fā)生、發(fā)展息息相關。

A.發(fā)文量分析;B.關鍵詞頻次分析

2 葛根素在重大慢性疾病中的研究現(xiàn)狀

近年來,葛根素在心腦血管疾病、代謝性疾病、腫瘤等重大慢性疾病中的作用愈發(fā)被關注,見圖2。

圖2 葛根素在重大慢性疾病中的研究概況

2.1 心腦血管缺血性疾病

葛根素具有心腦血管保護作用,在心腦血管疾病中的研究開始較早且較深入。研究表明,葛根素可以顯著降低腦缺血/再灌注損傷后海馬CA1區(qū)梗死體積,并以劑量依賴方式減少自噬體的形成[8];可以增加雙側頸總動脈永久閉塞大鼠背側CA1海馬區(qū)突觸結構的可塑性,降低氧化應激,最終減輕大鼠的認知障礙[9]。Kong等[10]提出葛根素在缺血性海馬中的時間和劑量依賴性分布特征,即葛根素在栓塞海馬區(qū)的最大濃度高于正常海馬區(qū),在栓塞體和正常海馬中達到最大濃度的時間相似,但在20 mg/kg劑量下,栓塞海馬區(qū)的平均停留時間高于正常海馬區(qū)。此外,葛根素通過靶向蛋白sumo化修飾來緩解心肌缺血/再灌注損傷[11],顯著改善心室壁梗死,降低病死率,并抑制心肌損傷標志物的水平[12];促進梗死后血管生成,并抑制炎癥反應,從而減弱或防止多種刺激對心臟的重塑[13]。

2.2 代謝性疾病

葛根素對葡萄糖和脂肪酸發(fā)揮減少合成、抑制釋放、調節(jié)轉運等功能,亦可以改善胰島素分泌[14],在調節(jié)糖脂代謝中發(fā)揮重要作用。在糖代謝方面,葛根素上調糖發(fā)生相關基因的表達,改善1型糖尿病小鼠的糖耐量[15];增強2型糖尿病大鼠骨骼肌μ-阿片受體的表達和磷酸化,增加胰島素刺激的葡萄糖轉運蛋白(glucose transporter, GLUT)4在質膜上的轉運[16],并直接作用于肌肉細胞,減弱棕櫚酸誘導的線粒體自噬和炎癥反應,從而改善胰島素敏感性[17]。在脂質代謝方面,葛根素可通過上調與糖尿病大鼠線粒體生物發(fā)生、氧化磷酸化、活性氧解毒、肌肉脂肪酸氧化等一系列基因的表達,有效緩解糖尿病大鼠血脂異常,減少細胞內脂質積累[18]。此外,葛根素既可以通過調節(jié)酒精和脂質代謝減輕酒精誘導的斑馬魚幼體肝臟脂肪變性[19],又可以恢復煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)含量并有益地影響肝線粒體功能,減輕非酒精性脂肪性肝病引發(fā)的脂肪變性和代謝紊亂[20]。進一步研究表明,葛根素強烈抑制脂肪酸合成酶基因(fatty acid synthetase, FAS)和膽固醇調節(jié)元件結合蛋白 (sterol regulatory element binding proteins, SREBP)-1c的表達,誘導甘油三酯脂肪酶(adipose triacylglyceride lipase, ATGL)的表達,進而提高肝臟脂質代謝中樞調節(jié)因子的活性[21]。

2.3 腫瘤

葛根素在癌癥治療中比多柔比星更有效,為癌癥藥物設計提供了一個新的方向[22]。近年來葛根素被證實在膀胱癌、肺癌、胰腺癌等多種腫瘤模型中發(fā)揮重要作用,可以抑制腫瘤細胞的活力、增殖、遷移和侵襲,誘導腫瘤細胞凋亡[23-25]。相關機制研究表明,腫瘤相關成纖維細胞(cancer associated fibroblasts, CAFs)是介導粘連增生反應的關鍵基質細胞,在實體腫瘤中部分負責耐藥和免疫抑制微環(huán)境的形成,其中活性氧(reactive oxygen species, ROS)是多種促纖維化途徑的中心樞紐,對CAFs的活化不可或缺,而葛根素可以有效地下調活化的肌成纖維細胞中ROS的產生[26]。此外,腫瘤細胞對化療藥產生耐藥是導致化療失敗的重要原因,而葛根素可以逆轉鉑類抗癌藥物的耐藥性,增強奧沙利鉑對乳腺癌的抗癌作用,抑制低劑量奧沙利鉑誘導的上皮-間質轉化和遷移[27]。目前,葛根素在癌癥中的相關研究雖涉及多個方面,但尚不深入,涉及直接作用機制的研究尤顯不足。

2.4 其他

除心腦血管疾病、代謝性疾病和腫瘤外,葛根素在其他疾病中的研究亦有涉及。在神經性疼痛方面,葛根素可以通過抑制炎癥細胞因子,緩解長春新堿誘導的神經病理性疼痛[28];可以抑制紫杉醇誘導的背根神經節(jié)瞬時受體電位香草酸1型受體(the transient receptor potential vanilloid 1, TRPV1)、降鈣素基因相關肽(calcitonin gene related peptide, CGRP)和P物質(substance P, SP)上調,減少熱痛覺過敏,進而減輕紫杉醇誘導的外周神經性疼痛[29]。Xie等[30]證明葛根素通過抑制神經性疼痛大鼠背根神經節(jié)中TRPV1和瞬時受體電位通道蛋白(transient receptor potential channel, TRPC)1的上調,劑量依賴性地改善神經性疼痛。在骨關節(jié)炎方面,葛根素抑制了白介素(Interleukin, IL)-1β處理誘導的軟骨細胞炎癥介質和細胞凋亡,以延緩小鼠關節(jié)炎的進展[31]。在視網(wǎng)膜保護方面,葛根素可以降低血清和視網(wǎng)膜鐵含量,減輕視網(wǎng)膜鐵沉積,并部分阻止鐵過載小鼠視網(wǎng)膜中視紫紅質和視網(wǎng)膜色素上皮特異性蛋白表達的降低[32];亦可以通過抑制缺氧誘導的視網(wǎng)膜色素上皮細胞中血管內皮生長因子的上調,改善缺氧誘導大鼠視網(wǎng)膜病變[33]。

3 葛根素在重大慢性疾病中的主要作用機制分析

葛根素通過抗炎、抗氧化等機制在心腦血管保護、糖脂代謝調節(jié)、腫瘤抑制等方面發(fā)揮重要作用,深入挖掘其作用機制是挖掘葛根素潛在臨床價值的重要方式, 故本文進一步探討其發(fā)揮作用的主要機制,見圖3。

圖3 葛根素的主要作用機制

3.1 抗炎機制

抗炎是葛根素治療多種疾病的共同機制,葛根素可以通過下調核因子 (nuclear factor, NF)-κB,提高促炎介質的分泌,顯著抑制炎癥反應[34]。因此,有許多炎癥性疾病的治療策略旨在利用葛根素阻斷NF-κB的活性。研究表明,葛根素通過提高E盒結合鋅指蛋白(zinc finger e-box binding homeobox, ZEB)2表達水平,阻斷NF-κB信號通路的激活,從而阻止促炎因子的激活[35],提高抗炎因子水平,調節(jié)炎癥反應[36]。同時葛根素可以通過抑制NF-κB相關途徑,抑制脂多糖誘導的炎癥反應,促進巨噬細胞發(fā)生M2型極化[37],進而發(fā)揮和增強抗炎作用[38]。除NF-κB信號通路外,絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號通路亦是葛根素發(fā)揮抗炎功能的重要途徑。葛根素可以呈劑量依賴性顯著抑制MAPK家族蛋白的磷酸化,進而減輕炎癥反應[39]。此外,葛根素還可通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(the mammalian target of rapamycin, mTOR)信號通路,減弱mTOR復合物1在溶酶體附近的積聚,進而減少促炎細胞因子的產生[40]。

3.2 抗氧化機制

氧化應激與炎癥反應關系密切,炎癥可以促進氧化應激的發(fā)生,而氧化應激所產生的白三烯、血栓素等均為促炎物質,又可誘發(fā)炎癥反應。Gou等[41]的研究進一步證明了炎癥反應會促進活性氧積累和脂質過氧化,氧化還原失衡可誘導炎癥反應的發(fā)生和發(fā)展。核因子E2相關因子(nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2)信號通路被抑制是導致的氧化還原失衡的重要原因,其中Nrf2是一種轉錄因子,可以通過參與氧化應激反應和藥物相關解毒基因的表達來調節(jié)細胞對毒性和氧化損傷的防御[42]。研究表明,葛根素可以促進Nrf2表達和核轉位增加[43],進而通過Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關蛋白(kelch-like ech-associated protein, Keap)1-核因子E2相關因子(Nrf2)/抗氧化反應元件(antioxidant response element, ARE) 信號通路上調抗氧化酶的mRNA表達水平和含量,減少活性氧積累和脂質過氧化,提高細胞抗氧化能力[44]。

3.3 抗凋亡機制

磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase, PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B, Akt)信號通路是調節(jié)細胞凋亡的重要信號轉導機制[45]。葛根素可以通過激活PI3K/Akt途徑,降低半胱酰天冬氨酸特異性蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase, caspase)-3蛋白活性,減少B淋巴細胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)相關X蛋白和裂解的caspase-3蛋白的表達,促進Bcl-2蛋白水平升高,進而減少細胞凋亡[46]。細胞表面死亡受體(fas cell surface death receptor, Fas)基因及Fas配體(fas ligand, FasL)在細胞凋亡過程中也發(fā)揮重要作用,葛根素在體內和體外均可通過Fas/FasL和線粒體途徑減弱鎘誘導的細胞凋亡[47]。此外,炎癥與凋亡的關系亦有被探討,葛根素可以通過抑制組蛋白去乙酰化酶1/3(histone deacetylase 1/3, HDAC 1/3)顯著消除果糖誘導的細胞炎癥和凋亡[48];亦可通過激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)/沉默信息調節(jié)因子(silent information regulator factor 2-related enzyme, SIRT)1信號通路,抑制NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein, NLRP)3炎癥小體介導的細胞凋亡,從而改善脂多糖誘導的細胞炎癥損傷[49]。

3.4 自噬調節(jié)機制

自噬在機體的生理和病理過程中都能見到,但其所起的作用尚未完全闡明,Wang等[50]研究發(fā)現(xiàn)氧化應激可以誘導自噬發(fā)生,而葛根素可以通過Nrf2通路逆轉氧化應激誘導的溶酶體功能障礙,恢復自噬,減輕鎘誘導的細胞毒性。最近的研究則表明,mTOR在細胞自噬過程中發(fā)揮了極為重要的作用,而葛根素可以通過激活AMPK/mTOR信號通路,發(fā)揮UNC-51樣激酶(unc-51 like autophagy activating kinase, ULK)1的協(xié)同磷酸化作用,減輕自噬[8];亦可通過細胞外信號調節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)/mTOR信號通路介導的自噬途徑,減輕小鼠自噬相關蛋白的過度表達[51]。除mTOR相關抑制性途徑外,葛根素還可以通過上調14-3-3γ蛋白表達,與蛋白激酶Cε相互作用,進而磷酸化并遷移至線粒體,激活適應性自噬[52]。此外,Zhou等[53]研究表明葛根素可以通過抑制凋亡和恢復自噬活性來減輕鎘誘導的肝細胞損傷,故推測葛根素的抗細胞凋亡作用可能與其促進自噬作用有關,有待進一步研究。

總的來說,葛根素所發(fā)揮的抗炎、抗氧化等作用往往不是單獨存在的,各作用的相互關系雖已逐漸被關注但仍相對較少,而代謝組學等新技術的不斷發(fā)展更為葛根素復雜作用機理的進一步研究提供了可能。同時研究者雖對葛根素的抗炎作用機理有較為廣泛的探討,但在與之密切相關的免疫調節(jié)機制方面的研究卻相對較少。近期研究發(fā)現(xiàn),葛根素具有治療由調節(jié)性T細胞缺乏引起的免疫疾病的潛力[54],表明葛根素在免疫調節(jié)方面亦可能發(fā)揮關鍵作用。中醫(yī)認為正氣內存則邪不可干,疾病的發(fā)生發(fā)展與邪勝正衰的關系密切,現(xiàn)代臨床治療中免疫相關制劑也發(fā)揮著愈來愈重要的作用,故葛根素的免疫調節(jié)機制值得關注和重視。

4 葛根素研究趨勢

突現(xiàn)詞的發(fā)展變化可以預示研究熱點的發(fā)展演化方向,對預測研究發(fā)展趨勢有重要價值。因此,本文利用CiteSpace軟件進一步分析了葛根素相關研究的突現(xiàn)詞變化情況,以便預測葛根素的發(fā)展趨勢。本研究選擇PubMed和Web of science數(shù)據(jù)庫,檢索近5年文獻,經去重及人工清洗后,進一步對題錄數(shù)據(jù)熱點突現(xiàn)分析。如表1所示,糖尿病腎病(diabetic nephropathy)、細胞分化(differentiation)、帕金森(parkinsons disease)和腸道菌群(gut microbiota)等內容為最新的突現(xiàn)詞,是葛根素的研究前沿。

表1 葛根素的十大突現(xiàn)詞

4.1 糖尿病腎病

葛根素在糖尿病及其并發(fā)癥中具有較為廣泛的應用價值,不僅通過降低血糖水平、改善胰島素抵抗、抑制炎癥和晚期糖基化終產物的形成直接有益于糖尿病;還通過延緩和改善糖尿病并發(fā)癥,間接對糖尿病有益[55]。在糖尿病患者中,高葡糖和高氧化狀態(tài)激活轉化生長因子(transforming growth factor, TGF)-β的基因表達,并進一步將Smad蛋白轉運到腎細胞核,進而引發(fā)糖尿病腎病,而葛根素可以抑制TGF-β的過表達和Smad 2/3蛋白的核轉位,對血管平滑肌細胞具有保護作用[56]。葛根素還可以增加糖尿病小鼠腎臟中環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)的產生,增強cAMP反應元件結合蛋白(cyclic-AMP response binding protein, CREB)磷酸化,減少CREB的過度表達,進而減少高糖誘導的糖尿病腎病小鼠足細胞凋亡[57]。此外,Chen等[58]發(fā)現(xiàn)葛根素通過血紅素加氧酶(heme oxygenase, HO)和沉默信息調節(jié)因子(silent information regulator, SIRT)1介導的自噬上調保護足細胞免受糖尿病誘導的損傷,并認為這是糖尿病小鼠模型中腎臟保護作用的新機制。不難看出,葛根素在糖尿病腎病的預防和治療中展現(xiàn)出了良好的多靶點協(xié)同作用優(yōu)勢,而糖尿病的并發(fā)癥多樣且難以逆轉,葛根素多靶點協(xié)同作用優(yōu)勢對其他并發(fā)癥也具有重要意義。

4.2 細胞分化

骨質疏松已成為困擾老年人群的主要疾病,葛根素在成骨分化中所發(fā)揮的作用越來越受到重視。研究表明,葛根素可以顯著促進成骨細胞增殖,增強堿性磷酸酶活性,增加礦化結節(jié)形成[59],并通過Wnt通路激活和氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptor, PPAR)γ通路抑制,促進骨髓間充質干細胞發(fā)生成骨分化[60]。Zhou等[61]通過建立骨移植大鼠模型,證實葛根素能有效促進骨髓間充質干細胞的增殖和分化,增加移植骨大鼠的骨量和骨形成參數(shù)。Yang等[62]亦證實葛根素在體外能促進骨髓間充質干細胞的增殖和成骨分化,在體內能促進新骨再生。此外,葛根素亦可以抑制破骨細胞前體自噬,阻斷破骨細胞前體增殖和破骨細胞分化[63]。然而,當前的研究較多圍繞成骨細胞、破骨細胞兩大靶細胞展開,更加深入且確切的分子機制還有待進一步挖掘和探討。此外,骨質疏松與糖尿病密切相關且共病機制復雜,葛根素在骨質疏松和糖尿病治療中所展示出的共同靶點可能是治療糖尿病骨質疏松癥的關鍵樞紐。

4.3 帕金森病

相關研究表明,葛根素通過提高谷胱甘肽的生物合成能力來減輕1-甲基-4-苯基吡啶離子(4-phenylpyridin-1-ium iodide, MPP+)誘導的氧化應激,通過抑制核排斥誘導核內Nrf2的積累改善了1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)中毒小鼠腹側中腦的運動缺陷[64],亦可通過孕酮受體(progestogen receptor, PR)信號通路保護原代大鼠中腦神經元免受MPP+誘導的毒性[65]。此外,葛根素可以促進多巴胺神經元的存活、增殖和分化[66],在治療阿爾茨海默病中的作用亦不可忽視。抑郁癥狀是阿爾茨海默病進展的標志,葛根素可以通過抑制mTOR相關通路減輕脂多糖誘導小鼠的炎癥反應和抑郁行為,具有成為新型抗抑郁藥先導化合物的潛力[40]。Liu等[67]利用計算機篩選葛根素對阿爾茨海默病的潛在治療作用,并結合體內實驗進行證明。模擬研究表明,葛根素在分子對接和動力學模擬中具有高度穩(wěn)定性;實驗結果表明,葛根素能抑制乙酰膽堿酯酶活性,使抗氧化防御物質的活性恢復到正常水平,同時降低腦內炎癥因子和凋亡基因的表達[67]。當前,神經退行性疾病還無法治愈,但神經保護劑可以減緩中樞神經系統(tǒng)的退化,進而延緩疾病的進展。因此,葛根素的潛在神經保護作用值得進一步開發(fā)和利用。

4.4 腸道菌群

葛根素通過上調閉鎖蛋白的表達來修復結腸黏液屏障,進而調節(jié)腸道菌群的豐富度,維持腸道微生態(tài)的穩(wěn)定[68]。《本草綱目》曰“葛根乃陽明經藥,兼入脾經,脾主肌肉”[69]。現(xiàn)代研究亦表明,葛根素可以顯著改變腸道微生物的組成,進而改善青年大鼠的前肢握力和肌肉收縮功能[70]。葛根素還能通過調節(jié)腸道菌群失調,改善骨微環(huán)境,進而發(fā)揮抗骨質疏松作用[71]。此外,腸道菌群對宿主的腦功能亦有調節(jié)作用,葛根素可以改善應激引起的正常腸道菌群失調,減輕抑郁樣行為[72],還能降低抑郁大鼠促炎因子,改善受損結腸組織,表明葛根素抗抑郁作用的潛在機制與通過調節(jié)炎癥反應實現(xiàn)微生物-腸道-腦軸的雙向交流密切相關[73]。中醫(yī)認為,葛根為陽明經藥,具有升陽止瀉的作用,以葛根芩連湯為代表的經典方也在腸道疾病的治療過程中發(fā)揮顯著作用[74-76],因此葛根素與腸道菌群的關系在一定程度上為葛根及相關方劑治療腸道疾病的機制探討提供了一些線索。此外,炎癥信號通過腸-腦軸的雙向傳遞[77],葛根素或可沿著腸-腦軸調節(jié)炎癥反應和免疫穩(wěn)態(tài)。

5 結語

目前,葛根素在心腦血管缺血性疾病、代謝性疾病、腫瘤等重大慢性疾病中所發(fā)揮的抗炎、抗氧化、抗凋亡等作用被廣泛探討。缺血性心血管疾病一直是葛根素近年來研究的主要關注點且相應制劑已成功應用于臨床。隨著對心血管疾病研究的深入,冠狀動脈微循環(huán)功能障礙對于心肌缺血的影響越來越受到關注。炎癥機制是導致冠狀動脈微循環(huán)功能和結構異常的潛在原因[78],因此抗炎是葛根素治療多種疾病的共同機制。

不同劑型的葛根素已應用于冠心病、糖尿病等疾病的臨床治療中且在與他藥的聯(lián)合運用中發(fā)揮重要協(xié)同作用,葛根素的水溶性差、生物利用度低以及對血腦屏障的不完全穿透等問題,限制了其在臨床的廣泛應用。研究者們依托納米、自乳化等制備技術,有效增強了葛根素的口服生物利用度和血腦屏障穿透性[79-84]。葛根素生物利用度等問題的有效解決,為葛根素的臨床應用提供了更多的可能性。未來,葛根素的應用價值將不僅局限于上述各類疾病,在視網(wǎng)膜缺血/再灌注損傷、特異性皮炎等多種疾病的臨床治療中都可能發(fā)揮重要價值[85-86],而相應的高質量臨床研究則亟待開展。

不可否認,葛根素近年來的研究較為豐碩且覆蓋面廣,但葛根素的免疫調節(jié)作用、神經保護作用、腸道菌群調節(jié)作用等研究仍然較少,值得關注和重視,同時葛根素在糖尿病并發(fā)癥中所發(fā)揮的多靶點協(xié)同作用機制以及在骨代謝中所發(fā)揮的分子調節(jié)機制亦值得進一步深入挖掘。與此同時,葛根素高質量臨床試驗的缺乏亦是亟待解決的問題。基礎醫(yī)學研究的成果最終還是要應用于臨床,除了學術價值,葛根素潛在社會價值、經濟價值也為多種疾病的治療提供了新的方向。