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中藥治療心血管疾病中線粒體氧化應(yīng)激損傷的研究

2021-06-30 18:44:09徐佳琪周忠焱唐靖一
世界中醫(yī)藥 2021年5期
關(guān)鍵詞:活性氧心肌細(xì)胞線粒體

徐佳琪 周忠焱 唐靖一

摘要 線粒體是真核細(xì)胞中最重要的細(xì)胞器之一,是除細(xì)胞核以外唯一含有遺傳物質(zhì)的細(xì)胞器。在有氧呼吸過程中線粒體或多或少會(huì)產(chǎn)生活性氧,而活性氧積聚過多則會(huì)導(dǎo)致線粒體功能紊亂,參與各種疾病的發(fā)生與發(fā)展。隨著我國對中醫(yī)藥事業(yè)的大力支持與深入挖掘,發(fā)現(xiàn)大量中藥的療效機(jī)制或與線粒體相關(guān)。

關(guān)鍵詞 線粒體;氧化應(yīng)激;中藥;心血管疾病;鈣離子穩(wěn)態(tài);糖脂代謝;能量代謝;血管功能

Research Progress of Chinese Medicine Treatment on Mitochondria under Oxidative Stress in Cardiovascular Diseases

XU Jiaqi,ZHOU Zhongyan,TANG Jingyi

(Cardiovascular Department,Longhua Hospital,Shanghai University of Traditional Chinese Medicine,Shanghai 200032,China)

Abstract Mitochondria is one of the most important organelles in eukaryotic cells,which is also the only organelle containing genetic material other than the nucleus.In the process of aerobic respiration,mitochondria produces more or less reactive oxygen species,however,excessive accumulation of reactive oxygen species will lead to mitochondrial dysfunction and participation of occurance and acceleration of numbers of diseases.With China′s support and exploration of traditional Chinese medicine,many studies show that the mechanism of a large number of Chinese medicines is related to mitochondria.Therefore,this paper focuses on research progress of Chinese medicine on mitochondria under oxidative stress in cardiovascular diseases.

Keywords Mitochondria; Oxidative stress; Chinese medicine; Cardiovascular diseases; Calcium ion homeostasis; Glucolipid metabolism; Energy metabolism; Vascular function

中圖分類號:R282文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Adoi:10.3969/j.issn.1673-7202.2021.05.026

線粒體是真核細(xì)胞中最重要的細(xì)胞器之一,是除細(xì)胞核以外唯一含有遺傳物質(zhì)的細(xì)胞器[1]。線粒體的主要功能是貯存并提供能量,對糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等各種能源物質(zhì)進(jìn)行氧化和能量轉(zhuǎn)換,這種通過氧化各種物質(zhì)進(jìn)而生成能量的過程稱之為細(xì)胞的有氧呼吸[2]。在有氧呼吸過程中線粒體或多或少會(huì)產(chǎn)生活性氧,而活性氧積聚過多則會(huì)導(dǎo)致線粒體功能紊亂,參與各種疾病的發(fā)生與發(fā)展。隨著我國對中醫(yī)藥事業(yè)的大力支持與深入挖掘,越來越多的中藥治療效果及作用機(jī)制逐一揭開,研究表明大量中藥的療效機(jī)制或與線粒體相關(guān)[3]。線粒體氧化應(yīng)激參與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。因此,現(xiàn)基于中藥對心血管疾病線粒體氧化應(yīng)激損傷的治療作用進(jìn)行綜述。

1 線粒體的主要功能與氧化應(yīng)激

線粒體形態(tài)異常、膜通透性異常導(dǎo)致的鈣超載,統(tǒng)歸為形態(tài)學(xué)異常和功能障礙。

線粒體作為最重要的貯能和供能場所,是細(xì)胞生命活動(dòng)中絕大部分的能量來源,線粒體還起到維持細(xì)胞離子穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)膜興奮性、調(diào)控細(xì)胞凋亡等重要作用。是細(xì)胞中不可或缺的細(xì)胞器。線粒體功能紊亂會(huì)導(dǎo)致一系列疾病。其中,氧化應(yīng)激是線粒體功能障礙最主要的原因[4]。線粒體進(jìn)行有氧呼吸時(shí)不可避免地產(chǎn)生活性氧,少量活性氧對生命活動(dòng)并不造成危害,但活性氧積聚過多是導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)的危險(xiǎn)因素,氧化應(yīng)激表現(xiàn)為抑制線粒體呼吸酶的活性、減慢呼吸鏈的電子傳遞,導(dǎo)致線粒體功能障礙,進(jìn)而在線粒體內(nèi)積聚更多的活性氧,導(dǎo)致更大的損傷,這樣的現(xiàn)象被稱為活性氧誘導(dǎo)的活性氧釋放[5]。過多的活性氧能夠改變線粒體膜通透性,導(dǎo)致線粒體膜電位紊亂,破壞線粒體功能,進(jìn)而引起嚴(yán)重細(xì)胞損傷。

氧化應(yīng)激不僅對線粒體的功能形態(tài)產(chǎn)生影響,還會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)。鈣離子是細(xì)胞內(nèi)第二信使,對維持正常細(xì)胞生理功能有非常重要的作用,細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度異常與冠心病、心絞痛、高血壓等一系列疾病密切相關(guān),異常的細(xì)胞內(nèi)鈣離子會(huì)導(dǎo)致重心血管病理損傷[6]。氧化應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙,使線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(Mitochondrial Permeablity Transition Pore,mPTP)異常開放,mPTP異常開放不僅將大量活性氧釋放到細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)而影響其他細(xì)胞信號通路,還將大量線粒體內(nèi)鈣離子釋放,影響附近內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體,進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度,破壞細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài),最終會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子積聚過多,形成鈣超載,導(dǎo)致疾病往更嚴(yán)重的方向發(fā)展[7]。

2 線粒體氧化應(yīng)激損傷(功能失調(diào))導(dǎo)致的心血管疾病及中藥治療

2.1 冠心病對線粒體的影響及中藥治療

各類型心臟病中以冠心病發(fā)病率最高[8]。冠心病主要指冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病但范圍更廣,主要表現(xiàn)心肌收縮力減弱、心臟舒張功能和順應(yīng)性異常、心室各部舒縮活動(dòng)不協(xié)調(diào)等。冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的病理改變會(huì)導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈狹窄或阻塞,引起各種心肌損傷,導(dǎo)致心肌缺血、缺氧、最終導(dǎo)致心肌梗死,而心肌缺血后再灌注還會(huì)導(dǎo)致再灌注損傷。線粒體氧化應(yīng)激與動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷、心力衰竭等多種心血管疾病都有密不可分的關(guān)系[9]。線粒體功能障礙釋放的過量活性氧引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)參與了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生與發(fā)展,是引發(fā)心血管炎癥反應(yīng)和導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化加劇的重要因素[10]。改善線粒體功能,或能夠改善動(dòng)脈粥樣硬化[11]。另外,當(dāng)心肌缺血再灌注后,細(xì)胞內(nèi)恢復(fù)氧灌注會(huì)引起劇烈的線粒體氧化應(yīng)激,最終導(dǎo)致線粒體功能障礙,線粒體膜電位降低從而引起鈣超載[12]。有報(bào)道通過調(diào)節(jié)線粒體膜通透性,能夠改善缺血再灌注損傷,提示抑制線粒體的膜通透性為作用靶點(diǎn)的干預(yù)或能夠降低心肌梗死面積,提高臨床預(yù)后效果[13]。

研究報(bào)道,多種清熱藥均有清除自由基、改善線粒體功能紊亂的作用[14]。如黃連堿有極高的抗氧化活性,能夠維持細(xì)胞膜的完整性,改善線粒體功能,對心肌缺血具有保護(hù)作用[15]。絞股藍(lán)總苷作為中藥絞股藍(lán)的提取物對抑制心肌纖維化、改善心肌缺血再灌注損傷、改善心臟功能有明顯作用,絞股藍(lán)總苷主要作用機(jī)制之一在于減輕氧化應(yīng)激、改善線粒體功能、提高細(xì)胞抗氧化能力等方面保護(hù)心肌細(xì)胞線粒體功能,在治療急性心肌梗死及再灌注損傷具有一定的臨床價(jià)值[16]。

中藥天麻有效成分天麻素對心肌缺血再灌注的保護(hù)作用也與改善線粒體功能有關(guān)。天麻素預(yù)處理后的大鼠心肌細(xì)胞活性氧含量明顯降低,天麻素通過PI3K/Akt途徑使線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)上游因子失活,抑制mPTP開放,有效逆轉(zhuǎn)氧化應(yīng)激造成的線粒體膜電位下降,維持線粒體功能穩(wěn)定[17]。

2.2 高血壓對線粒體的影響及中藥治療

高血壓作為一種十分普遍的心血管疾病,主要病理變化為血管內(nèi)皮損傷、內(nèi)膜增厚、血管平滑肌細(xì)胞增殖等。實(shí)驗(yàn)表明,線粒體也參與了高血壓疾病的發(fā)生與發(fā)展[18-19]。高血壓關(guān)鍵因素之一血管緊張素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ,AngⅡ)能夠刺激線粒體活性氧產(chǎn)生,使線粒體功能受阻,活性氧是調(diào)節(jié)血管結(jié)構(gòu)和張力的關(guān)鍵因子,活性氧異常增多可導(dǎo)致血管收縮,血管平滑肌損傷,進(jìn)而引起血管外周阻力增加,加重高血壓。

中藥黃芪具有補(bǔ)氣、止汗、利尿消腫、排膿的功效,是中醫(yī)治療常用的補(bǔ)氣藥之一,黃芪中有效成分黃芪甲苷、黃芪多糖等能夠明顯改善心肌細(xì)胞的功能,對多種心血管疾病均有治療作用。被廣泛應(yīng)用于心力衰竭的治療[20]。研究表明,黃芪及黃芪甲苷能夠有效降低線粒體內(nèi)過量的活性氧生成,改善血管緊張素Ⅱ引起的線粒體功能障礙,減輕線粒體結(jié)構(gòu)損傷,提高ATP產(chǎn)量,恢復(fù)部分線粒體功能,緩解高血壓癥狀[21]。其作用機(jī)制或通過eNOS/NO/cGMP通路,改善大鼠心室舒張功能不全,增加心肌局部NO,降低過量活性氧,改善氧化應(yīng)激反應(yīng)或可成為黃芪甲苷治療代謝性高血壓的作用靶點(diǎn)[22]。不僅如此,黃芪中的黃芪多糖也能夠有效改善心肌細(xì)胞的功能[23],保護(hù)線粒體,減輕心肌細(xì)胞肥厚,阻止心力衰竭的發(fā)展。

2.3 慢性心力衰竭對線粒體的影響及中藥治療

心力衰竭是臨床上各類型心臟病發(fā)作的終末轉(zhuǎn)歸。研究認(rèn)為,心力衰竭與線粒體功能障礙密切相關(guān)[24]。線粒體是活性氧的來源同時(shí)也很容易受到氧化應(yīng)激損傷,當(dāng)心力衰竭時(shí),心肌細(xì)胞線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化功能受到破壞,活性氧生成增加,最終通過氧化修飾心肌的肌原纖維蛋白,影響心臟收縮功能,導(dǎo)致心臟不可逆損傷。過量的活性氧同時(shí)能夠?qū)е录?xì)胞內(nèi)鈣離子濃度異常升高,形成鈣超載,進(jìn)一步加重心肌細(xì)胞功能紊亂,惡化心臟功能[25]。此外,心力衰竭還會(huì)導(dǎo)致多種線粒體功能改變,例如線粒體酶活性降低、線粒體數(shù)量改變及形態(tài)變化、線粒體氧化應(yīng)激和基因突變等[26]。可見,線粒體從多個(gè)方面參與心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展,抑制氧化應(yīng)激、控制活性氧或可成為改善心肌能量代謝衰竭的關(guān)鍵作用靶點(diǎn)[27]。因此,對線粒體功能障礙的探究在慢性心力衰竭的機(jī)制研究中十分必要,也能夠?yàn)槁孕牧λソ叩闹委熖峁┬滤悸贰?/p>

三七總皂苷(Panax Notoginseng Saponins,PNS)是中藥三七中提取出的有效成分,包含多種皂苷單體成分,如三七皂苷Rg1、三七皂苷Re、三七皂苷Rd等。三七總皂苷具有擴(kuò)展血管、改善微循環(huán)、降低心肌耗氧量、抑制血小板聚集、清除自由基、抗炎、抗氧化等多種作用,臨床上被廣泛應(yīng)用,對多種心血管疾病有治療作用[28]。三七總皂苷在線粒體損傷時(shí),通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激關(guān)鍵酶,抑制過量活性氧導(dǎo)致的氧化應(yīng)激損傷,起到維護(hù)線粒體基本功能的作用。三七總皂苷不僅能夠直接抑制活性氧的生成和積累,還能夠通過抗氧化酶和過氧化酶對活性氧進(jìn)行間接調(diào)控,減少活性氧和丙二醛的生成,增加超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶活性,還能夠有效降低線粒體膜電位去極化程度,維持線粒體膜電位穩(wěn)定,改善線粒體損傷情況[29-30]。

姜黃素是從姜黃中分離出來的多酚類物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),姜黃素通過改善心肌細(xì)胞線粒體膜電位、增加ATP生成,使超氧化物歧化酶水平升高、丙二醛水平降低,改善心肌細(xì)胞線粒體功能,減輕心肌細(xì)胞線粒體氧化應(yīng)激,增強(qiáng)線粒體內(nèi)源抗氧化能力,保護(hù)心肌細(xì)胞[31]。

中藥雙參膠囊、芪參益氣滴丸都能夠有效提高能力代謝,保護(hù)心肌細(xì)胞,降低心肌缺血再灌注損傷。二者作用機(jī)制都與調(diào)節(jié)mPTP病理性不可逆開放、清除活性氧、降低線粒體形態(tài)變化、保護(hù)線粒體功能有關(guān)[32-34]。中藥天芪航力片由天麻、黃芪、當(dāng)歸等中藥按一定比例配制而成,具有清除氧自由基、改善微循環(huán)及心血管功能、增強(qiáng)免疫力、提高機(jī)體抗應(yīng)激能力等療效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)方中藥天芪航力片能明顯改善高+Gz應(yīng)激大鼠心肌線粒體功能,有效提高線粒體抗氧化能力和ATP酶的活性,對心肌線粒體損傷具有保護(hù)作用[35]。

2.4 糖脂代謝性心血管病對線粒體的影響及中藥治療

有研究報(bào)道,線粒體氧化應(yīng)激亦與代謝性心血管病相關(guān)。代謝性心血管病主要指由于糖類或脂質(zhì)代謝紊亂引起的心血管并發(fā)癥。高血糖狀態(tài)下的大鼠心肌細(xì)胞中活性氧水平較高,線粒體會(huì)發(fā)生形態(tài)變化,通過多條信號通路如心肌細(xì)胞內(nèi)晚期糖基化終末產(chǎn)物通路、多元醇通路、蛋白激酶C(Protein Kinase C,PKC)通路、己糖胺通路等生成活性氧,再通過誘導(dǎo)線粒體內(nèi)膜通透性異常開放、打破線粒體融合-分裂均衡,形成線粒體內(nèi)鈣紊亂,使得線粒體功能受損,能量合成明顯減少,并且產(chǎn)生更多活性氧,進(jìn)一步損傷線粒體,導(dǎo)致心肌細(xì)胞壞死[36]。可見,線粒體在代謝性心血管病的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用。維持線粒體形態(tài)完整、改善線粒體功能或可成為代謝性心血管疾病研究新方向。

靈芝多糖能夠從降低ROS產(chǎn)生、改善線粒體功能方面阻止高糖培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,提示黑靈芝多糖可能對糖尿病導(dǎo)致的血管性疾病有治療作用[37]。此外,多種中藥如麥冬、人參、白毛藤、葛根都能對心血管中線粒體起到調(diào)控作用[38]。芍藥苷能夠完善線粒體氧化磷酸化的作用,維持ATP水平,保護(hù)線粒體功能。白毛藤有維持線粒體膜電位平衡,降低ROS過量生成。

3 小結(jié)

綜上所述,線粒體氧化應(yīng)激參與多種疾病的發(fā)生與發(fā)展,過量活性氧通過影響線粒體關(guān)鍵酶、調(diào)節(jié)mPTP異常開放、破壞細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)、破壞線粒體形態(tài)及數(shù)量等多個(gè)途徑影響線粒體功能,降低線粒體能量合成,影響正常線粒體呼吸鏈及電子傳遞,最終導(dǎo)致多種組織及器官病理性改變,對健康產(chǎn)生危害。

4 討論

線粒體多種功能障礙與失調(diào)與氧化應(yīng)激的關(guān)系密不可分。此外,線粒體與細(xì)胞凋亡、生成自由基等生理過程也都密切相關(guān)。目前,不僅是心血管疾病,對于線粒體的研究已經(jīng)逐步深入到生物代謝、發(fā)育、衰老、腫瘤等多個(gè)重要領(lǐng)域,成為當(dāng)下生命科學(xué)或分子醫(yī)學(xué)中最活躍的前沿之一[39]。線粒體或?qū)⒊蔀槎喾N疾病治療的重要靶點(diǎn)。目前已有多種中藥或中藥提取物被驗(yàn)證對線粒體氧化應(yīng)激療效顯著,為線粒體氧化應(yīng)激相關(guān)的心血管、代謝性疾病等多種疾病研究提供了新的方向和思路。研究通過Meta分析,得出中藥能夠改善線粒體氧化應(yīng)激,通過中藥干預(yù)線粒體損傷能夠發(fā)揮臨床作用[40]。另外有實(shí)驗(yàn)研究以肝臟線粒體為靶點(diǎn)進(jìn)行中藥活性成分篩選,得到對線粒體損傷有靶向活性的中藥保肝成分并進(jìn)一步研究[41]。多種線粒體氧化應(yīng)激相關(guān)的中藥研究也已經(jīng)逐步開展,然而線粒體氧化應(yīng)激方面的特異性靶向中藥活性成分還不完全清楚。由此可見,中藥對線粒體氧化應(yīng)激的防治作用還有很大的研究空間,在多種疾病的發(fā)生發(fā)展和治療機(jī)制等方面均有繼續(xù)探索的價(jià)值和意義。

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(2019-11-13收稿 責(zé)任編輯:楊覺雄)

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(81603549);上海市加強(qiáng)公共衛(wèi)生體系建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(GWIV-28);中醫(yī)藥文化背景下的醫(yī)養(yǎng)結(jié)合示范工程建設(shè)(A1-N19205010302);上海市中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(ZY-(2018-2020)-FWTX-8001)

作者簡介:徐佳琪(1989.09—),女,碩士研究生,研究方向:心血管疾病的中醫(yī)藥防治,E-mail:xujiaqi0914@126.com

通信作者:唐靖一(1973.07—),男,博士,主任醫(yī)師,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向:中藥防治心血管疾病的研究,E-mail:dr_tang@163.com

;周忠焱(1988.09—),男,碩士,助理研究員,研究方向:中藥防治心腦血管疾病的研究,E-mail:biozzy@126.com

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