任衛(wèi)合， 羅龍龍， 蔡林海， 劉斯汝， 烏拉木別克·對謝喀德爾， 張 棚， 丁功濤，謝瑞扎·阿里瑪， 陳士恩*

(1.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.西北民族大學(xué)生物研究中心，中國-馬來西亞國家聯(lián)合實驗室，甘肅 蘭州 730124；3.甘肅省農(nóng)業(yè)工程規(guī)劃院，甘肅 蘭州 730046；4.馬來西亞化學(xué)局飲用水食品和環(huán)境安全分析中心生物技術(shù)處，馬來西亞 吉隆坡 46661)

紅景天為景天科景天屬植物大花紅景天Rhodiolacrenulata(Hook. f. et Thoms.) H. Ohba的干燥根、莖，是主要生長于3 000～4 000 m高海拔地區(qū)的一種傳統(tǒng)藏藥，具有抗腫瘤[1-2]、抗哮喘[3]、調(diào)節(jié)腸道微生物[4]、抗缺氧等功效，被譽為“高原人參”。紅景天不僅功效多樣，且生命力頑強、極易存活，在2020年版《中國藥典》、中藥和藏藥的文獻中均有記載[5]。紅景天根部及莖中的主要活性提取物為紅景天苷、沒食子酸、酪醇及沒食子酸乙酯[6]，這些生物活性物質(zhì)在紅景天多種療效中起著不可替代的作用，其中最主要的是紅景天苷。氧是維持生命活動最基礎(chǔ)的物質(zhì)之一，缺氧刺激會引起機體多個組織器官的病理反應(yīng)。近年來，國內(nèi)外研究表明，紅景天在緩解機體缺氧方面有著重要作用，可在機體的多個器官發(fā)揮療效。本文對紅景天緩解機體心、肺、腦等器官缺氧損傷的保護機制及其對氧化應(yīng)激因子的影響進行綜述，以期為紅景天的進一步開發(fā)利用提供參考。

1 紅景天抗缺氧中氧化應(yīng)激因子的變化

氧化應(yīng)激是機體氧化還原狀態(tài)的失衡，會導(dǎo)致大量活性氧產(chǎn)生，不可逆地氧化細胞中遺傳物質(zhì)DNA及多種生物分子[7]。機體中氧化應(yīng)激相關(guān)因子主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)、乳酸鹽脫氫酶(LDH)、丙二醛(MDA)、乳酸脫氫酶(LDH)、一氧化氮(NO)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等。缺氧刺激會導(dǎo)致機體中這些氧化應(yīng)激因子水平發(fā)生變化，MDA水平升高會加劇細胞衰老凋亡，SOD活性升高則會清除活性氧(ROS)，減少氧化作用，進而抑制細胞凋亡[8]。

紅景天在緩解機體缺氧損傷中能通過改變機體氧化應(yīng)激因子水平，從而降低活性氧，達到抑制細胞衰老凋亡的目的。缺氧損傷會造成機體血清及大腦海馬組織MDA、GSSG、LDH水平升高，SOD、GSH水平降低，通過紅景天水提物治療后，可以逆轉(zhuǎn)這種現(xiàn)象，從而對缺氧損傷發(fā)揮保護作用[9]。低氧刺激后肺組織中氧化應(yīng)激標志物ROS、MDA水平升高，髓過氧化物酶(MPO)活性升高，紅景天水提物預(yù)處理則可以減少ROS、MDA水平、降低MPO活性，提示紅景天在動物模型中表現(xiàn)出抗氧化劑和ROS清除劑活性，進而緩解缺氧所致肺損傷[10]。缺氧誘導(dǎo)的心臟ROS增加會導(dǎo)致生物分子(如DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì))的氧化損傷，從而可能抑制心肌收縮和功能障礙[11]。銅鋅超氧化物歧化酶(SOD1)存在于細胞核與細胞質(zhì)中，是細胞內(nèi)廣泛存在的抗氧化酶，能夠維持細胞內(nèi)ROS穩(wěn)態(tài)，含錳超氧化物歧化酶(SOD2)存在于線粒體中，具有清除ROS的作用。低壓缺氧誘導(dǎo)后心臟組織中ROS、MDA和羰基蛋白表達升高，紅景天處理后可降低ROS水平，提示紅景天給藥能夠降低心臟氧化應(yīng)激；同時觀察抗氧化酶(SOD2)，發(fā)現(xiàn)其活性在缺氧時降低，服用紅景天后能夠緩解低氧抑制的SOD2低表達[12]。此外，紅景天苷也可以保護腎小管上皮細胞HK-2免受體外缺氧損傷，并且降低HK-2細胞中ROS、MDA水平，升高SOD水平[13]。在低氧性肺動脈高壓大鼠肺組織氧化應(yīng)激因子研究中，發(fā)現(xiàn)缺氧使NOX4表達及MDA水平升高、SOD1、SOD活性降低，紅景天苷能使SOD1、SOD活性升高，并呈劑量依賴性，表明紅景天苷通過恢復(fù)氧化/抗氧化系統(tǒng)平衡而起到改善肺動脈高壓的作用[14]。紅景天提取物對缺氧損傷的內(nèi)皮細胞也存在保護作用[15]，缺氧增加的ROS、MDA水平，均可通過紅景天提取物預(yù)處理而降低。各組織器官中氧化因子見表1。

表1 各組織器官中氧化因子標準

2 紅景天對各系統(tǒng)抗缺氧保護作用

2.1 紅景天對肺的保護作用 氧氣穩(wěn)態(tài)是地球上大多數(shù)生物生存重要條件之一，參與氧化反應(yīng)可以促進必要的生物學(xué)進程，合適的氧氣濃度可驅(qū)動碳代謝以產(chǎn)生能量[16]。氧氣濃度降低時，一些重要代謝途徑受到干擾，從而導(dǎo)致器官損傷，例如處于高海拔地區(qū)的人與動物會受到缺氧環(huán)境損害，供氧不足的器官進而缺血也會損害健康[17]。高海拔肺水腫和肺動脈高壓(PAH)是人們在缺氧環(huán)境中容易導(dǎo)致的典型高海拔疾病[18]。

紅景天活性成分可以逆轉(zhuǎn)大鼠模型的缺氧損傷，與未經(jīng)治療的低氧大鼠相比，紅景天活性成分可以降低右心室肥厚指數(shù)、平均肺動脈壓、小肺動脈平滑肌增厚和肺毛細血管重構(gòu)[19]，提示該成分可用于治療遺傳性肺動脈高壓。肺水腫可以通過測定干/濕(W/D)質(zhì)量比和BALF蛋白表達來評估，組織切片觀察可用于評價紅景天水提物對低氧引起肺損傷的保護作用[20]。缺氧環(huán)境中W/D比重和BALF蛋白表達升高，紅景天提取物處理后可有效降低BALF蛋白表達；缺氧導(dǎo)致肺組織出現(xiàn)間隔增厚、紅細胞逸出、肺泡中性粒細胞過濾、肺泡毛細血管破裂、血管壁嚴重充血等癥狀，紅景天提取物能減輕肺組織中這些病理變化，提示紅景天提取物能夠減少肺泡-毛細血管屏障功能障礙，從而減輕由低壓缺氧引起的肺水腫，在維持低氧損傷肺泡-毛細血管屏障完整性方面具有顯著功效[10]。

肺動脈平滑肌細胞PASMCS異常生長、過度細胞增殖和凋亡抗性引起的主動血管收縮和血管重塑是肺動脈高壓病理學(xué)主要癥狀[21]。紅景天中分離得到的主要生物活性標記物紅景天苷，可用于緩解高原反應(yīng)和肺動脈高壓急性加重[22]。缺氧刺激后，PAMSCS細胞形狀不一致、線粒體脊中斷并充滿液泡、細胞雜亂無章，通過紅景天苷預(yù)處理后PASMCS細胞組織良好、膠原纖維異常生長減少，且線粒體脊中斷和液泡數(shù)量減少，表明紅景天苷抑制缺氧引起的肺動脈重塑[23]。高、低劑量紅景天苷均能在一定程度上緩解小動脈官腔狹窄、管壁增厚、中膜平滑肌細胞增生等癥狀，并能抑制心室重構(gòu)、改善肺組織病理損傷[24]。

腺苷單磷酸激活蛋白激酶(AMPK)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過開啟分解代謝途徑和關(guān)閉合成代謝在能量代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[25]。AMPK在細胞增殖、自噬、凋亡以及其他細胞命運中起關(guān)鍵作用，并在心血管保護中起著重要作用[26]。Chen等[23]研究發(fā)現(xiàn)，紅景天苷處理后大鼠肺動脈、肺組織、PASMCS細胞中總AMPKα1和磷酸化AMKPα1活性升高，并呈劑量依賴性，其可能通過AMPKα1-P53-Bax/Bcl-2-caspase 9-caspase 3途徑逆轉(zhuǎn)低氧誘導(dǎo)的凋亡抗性，具體途徑分為2個部分，第1個部分是抑制PASMCS細胞增殖，紅景天苷能使磷酸化AMKPα1活性升高，升高后的磷酸化AMKPα1使P53表達升高，進而使P53下游效應(yīng)物P21、P27表達隨之升高，從而起到抑制細胞增殖的作用，為AMPKα1-P53-P27/P21信號通路；第2個部分是增加PASMCS細胞凋亡，磷酸化AMKPα1活性升高后導(dǎo)致P53表達升高，促凋亡因子Bax水平降低，抗凋亡因子Bcl-2水平升高，caspase-9與caspase-3凋亡相關(guān)蛋白表達升高，從而起到促進細胞凋亡的作用。由此可知，紅景天苷通過AMPKα1-P53-Bax/Bcl-2-caspase 9-caspase 3途徑誘導(dǎo)PASMCS細胞的增殖和凋亡。

2.2 紅景天對心臟的保護作用 低壓缺氧被認為是心臟應(yīng)激源，可能導(dǎo)致某些心血管疾病，例如心肌梗塞和肺動脈高壓誘發(fā)的右心室功能障礙[27]。處于缺氧環(huán)境中，除肺部改變外，心臟驟停是另一種常見疾病[28]。紅景天提取物對體內(nèi)缺氧的心臟存在保護作用，可用于預(yù)防包括突發(fā)性心臟死亡在內(nèi)的高原疾病。缺氧誘導(dǎo)小鼠心臟組織可觀察到異常心肌結(jié)構(gòu)，包括間質(zhì)空間增加、輕度纖維化和膠原蛋白沉積增，TUNEL染色發(fā)現(xiàn)心臟左心室TUNEL陽性心肌細胞增加，紅景天苷治療后這種心臟損傷和心肌細胞凋亡減少，提示紅景天苷對缺氧誘導(dǎo)小鼠心臟具有保護作用[29]。組織病理學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，缺氧導(dǎo)致心肌結(jié)構(gòu)異常，組織間隙增大，低、高劑量紅景天苷處理后可使異常結(jié)構(gòu)降低；細胞凋亡檢測發(fā)現(xiàn)，缺氧導(dǎo)致TUNEL陽性心肌細胞增多，紅景天預(yù)處理后得到抑制[30]。

長期缺血和缺氧后的再灌注會對心肌造成不可逆的功能和結(jié)構(gòu)損傷，這種損傷稱為心肌缺血再灌注損傷[31-32]。Liu等[33]研究發(fā)現(xiàn)，缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的H9c2細胞活力降低，導(dǎo)致細胞LDH活性升高，而紅景天苷不僅能夠抑制H9c2細胞活力降低，還能降低LDH活性，同時減少H9c2細胞死亡，表明紅景天對缺氧/復(fù)氧的心肌細胞有保護作用。紅景天目前已經(jīng)被做成多種多樣的產(chǎn)品，紅景天破壁飲片便是其中一種，比較紅景天破壁飲片與傳統(tǒng)飲片對缺血缺氧H9c2細胞的影響，結(jié)果顯示兩者，均能改善缺血缺氧H9c2細胞存活率且抗細胞凋亡作用呈劑量依賴性，相同劑量下紅景天破壁飲片的H9c2細胞存活率高于傳統(tǒng)飲片[34]。缺糖缺氧誘導(dǎo)的心肌細胞存活率隨大株紅景天給藥濃度的增加而上升，提示大株紅景天能抑制缺糖缺氧誘導(dǎo)的心肌細胞損傷[35]。

microRNA(miRNA)是一類內(nèi)源性，長度約22個核苷酸的小型非編碼單鏈RNA，參與多種生理和病理生理過程的調(diào)節(jié)[36]。miR-21可有效降低大鼠心肌缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的心肌細胞凋亡水平和炎性因子釋放，心肌缺血再灌注損傷中miR-21表達降低，恢復(fù)miR-21表達可減輕心肌損傷[37-38]。Liu等[33]研究發(fā)現(xiàn)，紅景天苷可以通過上調(diào)miR-21來抑制缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的缺氧而增加的炎癥因子白細胞介素-9(IL-9)、白細胞介素-1β(IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)水平，進而降低缺氧/復(fù)氧期間炎癥反應(yīng)，miR-21介導(dǎo)紅景天苷誘導(dǎo)的缺氧/復(fù)氧處理的H9c2細胞對炎癥反應(yīng)的抑制作用，減輕心肌細胞損害。

2.3 紅景天對神經(jīng)系統(tǒng)的生物效應(yīng)及分子機制 低壓缺氧引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的治療在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起越來越多關(guān)注[39-40]。鼠嗜鉻細胞瘤細胞系PC-12對兒茶酚胺興奮、具有神經(jīng)細胞的形態(tài)與特征，廣泛用于細胞信號傳導(dǎo)和神經(jīng)化學(xué)研究[41-42]。氯化鈷(CoCl2)可誘導(dǎo)PC12細胞造成缺氧損傷，并使PC12細胞在12 h內(nèi)死亡，死亡細胞核仁消失、濃縮的染色質(zhì)重新定位于核膜，紅景天處理后PC12細胞損傷特征性超微結(jié)構(gòu)變化減輕[43]，使神經(jīng)元免受缺氧缺血損傷。Wang等[9]采用HE和Nissl染色對低壓低氧損傷后大鼠海馬神經(jīng)元活力進行評估，發(fā)現(xiàn)海馬細胞明顯腫脹，周圍細胞間隙變寬，神經(jīng)元收縮且減少，細胞核深染，正常神經(jīng)元結(jié)構(gòu)受損并Nissl小體數(shù)量減少，紅景天水提物可改善這些病理變化；細胞凋亡檢測發(fā)現(xiàn)，海馬CA1錐體神經(jīng)元中觀察到更多的TUNEL陽性細胞，這種增加通過紅景天提取物處理而減弱。

缺氧預(yù)處理在減少缺氧誘導(dǎo)的細胞凋亡中起關(guān)鍵作用[44]，缺氧預(yù)處理可以觸發(fā)自主的內(nèi)源性保護機制，以抵抗嚴重的缺氧損傷并減少缺氧或局部缺血誘導(dǎo)的細胞凋亡[45]。與細胞抗缺氧有益的缺氧預(yù)處理相比，紅景天苷預(yù)處理后缺氧誘導(dǎo)的細胞活力喪失減少，并增加PC12細胞LDH活性釋放，紅景天苷可以抑制缺氧誘導(dǎo)的PC12細胞凋亡[46]。與正常組比較，缺氧乳鼠海馬神經(jīng)元存活率低，紅景天苷預(yù)處理后可以增加海馬神經(jīng)元存活率，并呈劑量依賴性[47]。缺氧/缺血大鼠的學(xué)習記憶能力受損，海馬細胞凋亡增加，紅景天苷治療后得到明顯改善且凋亡細胞減少，表明紅景天苷能夠通過抑制缺氧/缺血大鼠海馬神經(jīng)元自噬減輕凋亡，發(fā)揮神經(jīng)保護作用[48]。隨著間歇性低氧時間延長，大鼠海馬區(qū)神經(jīng)元便逐漸出現(xiàn)神經(jīng)細胞結(jié)構(gòu)紊亂、胞質(zhì)內(nèi)染色質(zhì)不均勻、外形呈三角形改變、細胞核皺縮、出現(xiàn)核溶解及空泡等癥狀，大株紅景天治療后神經(jīng)細胞排列規(guī)整、胞質(zhì)染色均勻，核皺縮、核溶解及空泡減少[49]。

缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)是調(diào)節(jié)氧穩(wěn)態(tài)的核心轉(zhuǎn)錄因子，在緩解機體缺氧損傷中起重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α是誘導(dǎo)缺氧基因、修復(fù)細胞內(nèi)微環(huán)境的核心轉(zhuǎn)錄因子[50]。HIF-1α的mRNA和蛋白表達升高會刺激下游血管內(nèi)皮細胞生長因子和促紅細胞生成素生成，從而增強對低氧損傷的耐受性。缺氧刺激下，HIF-1α上調(diào)誘導(dǎo)的microRNA 210(miR-210)過表達會降低鐵硫簇組裝支架(ISCU1/2)和細胞色素C氧化酶裝配蛋白(COX10)表達[51]。Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，紅景天提取物處理后大鼠大腦海馬神經(jīng)HIF-1α、miR-210、ISCU1/2和COX10表達升高，caspase-3表達降低，表明紅景天提取物通過HIF-1α/microRNA 210/ISCU1/2(COX10)信號通路調(diào)節(jié)細胞凋亡和線粒體能量代謝，從而減輕缺氧誘導(dǎo)的大腦海馬神經(jīng)損傷。

2.4 紅景天對其他細胞保護的分子機制 AMPK激活可促進內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)活性并保留內(nèi)皮細胞功能，細胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)與缺氧刺激下內(nèi)皮細胞增殖、凋亡有關(guān)[52]。缺氧刺激導(dǎo)致內(nèi)皮細胞eNOS活性降低，凋亡細胞增加，從而使內(nèi)皮細胞功能紊亂，紅景天提取物給藥后磷酸化AMPK、ERK1/2活性升高，進而使eNOS活性升高，以降低細胞凋亡、恢復(fù)內(nèi)皮細胞功能，為AMPK-Akt-eNOS信號通路[15]。

HIF-1α可通過調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)使骨內(nèi)新生血管增加，而促進骨發(fā)育和骨折愈合過程中的骨生成。處在低氧狀態(tài)時，紅景天苷可以促進HIF-1α大量增加并轉(zhuǎn)運到細胞核內(nèi)與HIF-1β結(jié)合成復(fù)合物HIF-1，作為轉(zhuǎn)錄因子與低氧反應(yīng)元件(HER)結(jié)合，進一步激活VEGF、紅細胞生成素等上百種下游靶基因進行轉(zhuǎn)錄，進而引發(fā)組織細胞耐氧適應(yīng)性反應(yīng)，改善組織、細胞低氧狀態(tài)，表明缺氧條件下紅景天苷通過調(diào)節(jié)HIF-1α/VEGF信號通路來調(diào)控成骨細胞的增殖、分化及凋亡[53]。

紅景天對各系統(tǒng)抗缺氧保護機制見表2。紅景天抗缺氧相關(guān)信號通路見表3。

表2 紅景天對各系統(tǒng)抗缺氧保護機制

表3 紅景天抗缺氧相關(guān)信號通路

3 展望

雖然紅景天抗缺氧方面研究取得眾多成果，但是紅景天緩解缺氧損傷的具體機制并不完全清楚，需要進一步研究，明確其在基因及蛋白水平的調(diào)控機制。目前較多研究主要集中于紅景天對肺、心臟的抗缺氧和腦部神經(jīng)組織，但其他器官的研究卻幾乎沒有，應(yīng)進一步進行此方面研究，以探究紅景天是否能緩解缺氧所致其他器官損傷。目前研究多采用細胞、大鼠和小鼠作為動物模型，如果要進一步明確其在人組織器官中的作用，需要在更接近人類病理狀況的不同動物模型上研究紅景天抗缺氧損傷作用。紅景天是藥食同源性中藥材，食用時其生物活性化合物的劑量、毒性和安全性，也是需要研究的重要問題。