基于氧化应激探讨中药活性成分干预蒽环类药物心脏毒性机制研究进展*

陈济川，饶显俊，黄 飞，王智元，于国静，陈会君

（1.黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150000；2.黑龙江中医药大学附属第二医院，黑龙江 哈尔滨 150000）

癌症是一种破坏性疾病，常伴有多器官严重损害。化疗采用细胞毒性药物有效杀伤癌细胞，是临床上抗癌的主要治疗手段[1]。蒽环类药物（anthracycline，ANT）是临床长期应用的一类高效广谱抗肿瘤药物，新的生物、小分子及靶向药物的出现并没有取代其应用，反而趋向于将ANT与其他化疗药物联合以最大化治疗效应。这尤其体现在乳腺癌、淋巴瘤、白血病及儿童癌症的化疗方案中[2]。然而，来自临床研究的结果发现，应用ANT化疗方案的患者存在心脏毒性。数据显示，高达45.61%的应用蒽环类药物化疗方案的儿童患者产生了心脏毒性[3]。

化疗药物心脏毒性是近年来才为学者广泛重视的交叉学科领域，现代癌症化疗幸存者的数量增长及长期生存使得化疗药物心脏毒性问题愈加尖锐。氧化应激作为ANT心脏毒性的经典机制，与之相对的抗氧化治疗成为了现今的研究焦点。尽管目前现代医学基于临床前研究的成果斐然，但被评估的药物中绝大部分未能转化为临床应用[4]。从氧化应激的角度探索中药干预蒽环类药物心脏毒性的机制，可能成为当下抗氧化治疗发展的突破口。笔者检索了近年来发表的有关中药通过调控氧化应激干预ANT心脏毒性的文献，以期为从中药中找到安全有效的抗氧化剂来为减轻ANT心脏毒性提供思路与参考。

1 蒽环类药物诱发心肌细胞氧化应激的机制

氧化应激常常在活性氧/活性氮和抗氧化系统之间的平衡被打破时发生，活性氧（ROS）是不稳定的化学分子，如过氧化氢（H2O2）等；活性氮（RNS）属于分子家族，如一氧化氮（NO）等[5]。ROS在机体内具有“双刃剑”作用，低水平的ROS可以参与调节多种细胞活动，属于多效性生理信号剂的一种，而高水平的ROS、RNS可通过耗尽内源性抗氧化剂资源干扰心肌细胞内的信号传导，造成严重的心肌细胞损伤[6]。

1.1 心肌细胞是氧化应激损伤的主要靶细胞 在机体中，线粒体是产生活性氧的主要场所。心肌耗氧量较大，促使线粒体在心肌中具有高密度，然而心肌细胞中的内源性抗氧化剂水平较低。这使得心肌组织中ROS/RNS的平衡被打破时，抗氧化防御将被迅速压倒，氧化应激反应即时激活[7]。ANT可以还原为不稳定半醌代谢物，因其与线粒体内膜上心磷脂的高亲和性而形成复合物，进而在心肌组织造成大量积累，导致线粒体嵴紊乱，抑制电子传递链中的复合物，从而造成线粒体能量代谢紊乱[8]。线粒体的损伤反过来可能导致线粒体膜通透性增加，以“全或无”的作用形式促使线粒体释放细胞色素C，介导线粒体膜电位的快速丢失。这种正反馈调节机制进一步增加ROS的产生，并激活半胱天冬酶级联的细胞凋亡进程[9]。

1.2 催化金属诱导氧化应激发生 目前学界普遍认为铁代谢在诱发ANT心脏毒性的机制中占据主要位置。ANT诱导的氧化应激反应主要由还原型辅酶Ⅱ（NADPH）、细胞色素P450还原酶、黄嘌呤氧化酶等催化，通过将电子转移给O2产生超氧化物阴离子（·O2-），其可以自行或经由超氧化物歧化酶（SOD）催化加速产生H2O2[10]。H2O2在生理条件下可被过氧化氢酶（CAT）或谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）消除。然而在芬顿反应下，H2O2和·O2-可产生毒性羟基自由基（·OH），在催化金属如铁、铜等的影响下其动力学可显著加快，发生快速氧化应激反应。催化金属也可以通过形成ANT-Fe复合物诱导氧化应激。在存在氧化还原系统的情况下，ANT-Fe3+复合物可被还原为ANTFe2+，与氧原子反应形成·O2-，进而转化为H2O2，或催化芬顿反应，产生·OH[11]。其余情况下，ANT-Fe2+能与H发生反应直接产生·OH。ANT-Fe3+也可以通过分子内氧化还原反应，螯合铁并形成·ANT-Fe2+。

2 中药活性成分调控氧化应激干预蒽环类药物心脏毒性机制

2.1 线粒体功能 线粒体电子传递链（ETC）是线粒体中ROS产生的主要位点。线粒体通过复合物Ⅰ-Ⅳ逐步转移电子来合成ATP，在氧气被消耗的同时，建立起质子电化学梯度，存储在电子中的能量由复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ逐步提取，同时电子沿ETC穿过线粒体内膜转移到H泵，构成线粒体膜电位，最终通过复合物Ⅴ（ATP合酶）的作用生成ATP[12]。DOX对线粒体膜的破坏使得线粒体膜电位处于高水平，电子转移反应中间体在单电子还原O位点的半衰期进一步延长，促使部分电子在复合物Ⅰ、Ⅲ两个位点脱离ETC，与O2反应形成超氧化物。同时ROS刺激mPTP持续开放，使得线粒体肿胀、外膜破裂，并诱导相邻的线粒体产生相似的变化，导致ROS暴发[13]。柚皮苷主要来源于芸香科植物的果肉、果皮。KWATRA M等[14]发现其可提高DOX损伤的心肌细胞中GSH、SOD和CAT的活性，并可改善线粒体呼吸链功能，进而抑制ROS过度释放。环维黄杨星D（CVB-D）是从中药黄杨中提取的类固醇生物碱。GUO Q等[15]研究发现CVB-D有效阻滞了DOX诱导的心肌细胞PGC-1α和NRF-1表达降低，同时提高了线粒体mtDNA含量，维持线粒体生物合成利用度。姜黄素是从姜黄根茎提取的主要活性成分[16]。五味子乙素（Sch B）是五味子中含量最高的木脂素[17]，两者均可调控mPTP通道开放状态，抑制ROS释放。

2.2 铁死亡 铁死亡是一种高度ROS依赖性的细胞死亡，与铁稳态紊乱和脂质过氧化相关。铁代谢紊乱可导致DNA氧化损伤、脂质过氧化和膜损伤[18]。在GPX4和Co Q10氧化还原酶FSP1的调控下，芬顿反应所产生的·OH参与了磷脂氢过氧化物（PLOOH）的产生，进而导致磷脂重塑。铁蛋白是储存和消除多余铁以减少细胞损伤和应激的终点蛋白，在铁稳态中发挥重要作用。NCOA4可沉默下调SFXN1并阻断SFXN1介导的线粒体Fe2+超载，并与铁蛋白重链1（FTH1）共同介导铁蛋白自噬。FTH1过表达可下调NCOA4和微管相关蛋白1轻链3α，从而抑制铁死亡[19]。铁输出蛋白（FPN1）是介导细胞外排铁的重要蛋白，可调节细胞内铁代谢。羟基酪醇（HT）属橄榄苦苷的主要代谢物，研究发现HT可以通过螯合铁进而减轻H2O2和游离铁介导的JNK和p38 MAP激酶的长时间磷酸化[20]。黄芪甲苷Ⅳ（AS-Ⅳ）是从黄芪中提取的萜类化合物。仲媛媛[21]研究发现，AS-Ⅳ可激活Nrf2/GPX4信号通路，并可影响FTH1、FPN1进而调控铁代谢，减轻自由铁超载，抑制铁死亡。

2.3 硝基氧化应激 在心肌细胞中，低水平的NO是调节血流动力学与心肌收缩的重要因子，然而高水平的NO和超氧阴离子的合成可导致过氧亚硝酸盐形成[22]。作为一种强效细胞氧化剂，过氧亚硝酸盐可通过触发proMMPs活化进而导致组织损伤，亦可触发DNA损伤等细胞毒性机制。一氧化氮合酶（NOS）是NO合成的限速酶，包括3种同工酶：iNOS、eNOS、nNOS。其中iNOS是硝基氧化应激的过量NO的主要来源，eNOS的缺失可显著改善DOX诱导的左心室功能障碍发展。nNOS是eNOS的下游效应物，在β-肾上腺素能反应中起主导作用，并在eNOS缺失后代偿性过表达，进而保护心肌[23]。RNS亦可以单电子反应形式形成硝化酪氨酸（NT），并以此诱导电荷放出与蛋白质构象变化。白杨素主要存在于蜂蜜、蜂胶中。MANTAWY E M等[24]发现其可以同时抑制iNOS及NO水平过度激活，进而维持机体内氮稳态。橄榄苦苷是橄榄叶中的多酚类成分，可通过抑制iNOS表达，上调eNOS表达，维持氮稳态[25]。

2.4 NADPH氧化酶 NADPH氧化酶（NOX）是体内细胞ROS的主要来源之一，是一种多组分酶，由胞浆蛋白（p47phox、p67phox、p40phox、Rac2）和跨膜蛋白（p22phox、gp91phox）组装而成。gp91phox（NOX2）代表NADPH的催化亚基其需要与p22phox结合形成异二聚体黄细胞色素b558，通过组成活性氧化酶复合物并与其他亚基组装发挥生物活性[26]。NOX家族均为gp91phox的同系物，可催化电子从NADPH转移到O2以形成超氧化物，进一步产生H2O2并参与芬顿反应。NADPH依赖性超氧化物的产生主要由NOX2介导。NOX2受到PKC及MAPK的调控并依赖于Rac GTP酶活化，操纵电子从胞质NADPH转移到O2，并产生超氧化物。NOX4的活性与p22phox强相关，并在DOX 诱导的心肌损伤模型中依赖于NOX2 的表达[27]。THANDAVARAYAN R A等[28]发现Sch B可以抑制p47phox、p67phox、gp91phox蛋白表达。芍药苷是芍药中的单萜类化合物。芍药苷、AS-Ⅳ可抑制NOX2、NOX4表达，从而降低氧化应激水平[29-30]。苦参碱是苦参中的生物碱，可调控p67phox、Gp91phox mRNA表达，进而影响NaDPH氧化酶的组装[31]。槲皮素是是红花、黄芪、银杏叶等多种中药的主要黄酮成分，可同时阻滞Nox1与p47-phox表达[32]。

2.5 抗氧化防御 机体内的抗氧化防御包含SOD、CAT、GSH-Px、硫氧还蛋白（Trx）及非酶促抗氧化剂等。SOD（CuZn-SOD、Mn-SOD、胞外SOD）在氧化应激状态下迅速激活，是抗氧自由基的第一道防线。其酶活性依赖酶活性位点催化金属Cu/Mn的交替还原和再氧化，可将超氧阴离子转化为O2和H2O2[33]。CuZn-SOD是主要的细胞内SOD，Mn-SOD位于线粒体中，其中CuZn-SOD通过与Rac1结合来影响Nox2活性，Mn-SOD的过表达也可导致Akt的活化并促血管生成、细胞分化。CAT可以将H2O2分解成O2和H2O。GSH-Px可以GSH作为还原剂，形成GSSG发挥抗氧化作用，将H2O2或过氧化物催化成水或相应的醇[34]。其中GPX4是维持GSH/GSSG稳态的重要蛋白，可催化ROOH还原，具有抗脂质过氧化的趋向性。橘皮苷主要存在于柑橘类水果中，可以激活GST亚型GSTP及辅助因子GSH，从而增强对DOX的清除并提高SOD和TBARS水平，同时可上调β-半乳糖苷酶活性减轻细胞损伤[35]。

2.6 脂质过氧化 脂质是维持膜完整性的关键因子，因此脂质过氧化会改变脂质膜的组成、结构和动力学。脂质过氧化物（ROOH）还可进一步生成ROS，或降解为能够连接DNA和蛋白质的反应性化合物[36]。同时脂质过氧化是铁死亡的下游典型特征，铁死亡是通过抑制半胱氨酸摄取或诱导GPX4失活引起的。该过程增强了胱氨酸/谷氨酸抗转运蛋白的化学或突变抑制，并最终以ROOH的形式积累。这一特点在DOX诱导的心脏毒性以铁为主要催化金属的氧化应激反应中尤其明显[37]，同时芬顿反应中产生的羟基和过氧自由基也可产生ROOH与碳中心自由基。仙茅多糖[38]、柚皮苷[14]、葛根素[39]、姜黄素[16]、橄榄苦苷[25]、环维黄杨星D[15]、小檗碱[40]、阿魏酸、芹菜素[41]、SchB[28]均可清除MDA。MDA是脂质过氧化产生的活性醛类物质，可与生物大分子形成化合物，进而影响细胞凋亡。其中橄榄苦苷[25]、阿魏酸、芹菜素[41]表现出了改善蛋白质羰基化（PC）的能力。PC是在氧化应激条件下响应超氧化物形成的一种蛋白质氧化过程，可提示氧化应激下的蛋白质损伤。

3 中药调控氧化应激相关信号因子干预蒽环类药物心脏毒性

3.1 Nrf-2 核因子E2相关因子2（Nrf2）是调节氧化应激的重要转录因子，与药物代谢酶基因的调控相关。Keap1是Nrf2基因的负调节因子，可将Nrf2与Cul3螯合在复合物中。在氧化条件下，泛素化系统被破坏，Nrf2的特异性丝氨酸或苏氨酸残基被磷酸化，使得keap1与Nrf2之间的键断裂。Nrf2易位到细胞核并与抗氧化元件（ARE）结合，启动NQO1、HO-1、GSTs、Gclc和Gclm等Ⅱ期代谢酶的表达，活化SOD、CAT、GSH-Px、Trx等抗氧化酶[42]。薯蓣皂苷[43]、芒果苷[44]、对香豆酸[45]、AS-Ⅳ[21]、丹参酮ⅡA[46]、丹参酮Ⅰ[47]、白藜芦醇[48]均被发现是潜在的Nrf2激动剂。薯蓣皂苷来源于穿山龙、薯蓣、重楼、山药、蒺藜等多种中药。赵丽莎[43]研究发现其可通过下调miR-140-5p的表达，进而激活Nrf2，抑制Keap1，上调HO-1、NQO1、GST、GCLM、FOXO3a表达。丹参酮Ⅰ来源于丹参根的乙醚提取物。姜茜茜等[47]研究发现其可增强Akt磷酸化进而激活Nrf2、HO-1、NQO1等基因表达，并提高SOD、GSH-Px活性。

3.2 AMPK 蛋白激酶（AMPK）是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可通过影响能量代谢、氧化应激和细胞凋亡参与DOX诱导的心脏损伤进程。PKA是AMPKα的上游因子，可抑制NOX2、NOX4表达，并通过激活Nrf2信号通路提高内源性抗氧化酶的活性[49]。苦参碱可上调AMPKα表达，并通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体激活长链脂肪酸转录，上调UCP2表达，减少ROS生成并调控脂质代谢[31]。也有研究[25]发现，橄榄苦苷可通过上调AMPK、Akt表达以改善心肌能量代谢。

3.3 SIRT 沉默信息调节因子（Sirt）是重要的能量状态传感器，可减轻细胞的代谢压力。Sirt1以NAD（+）依赖性的方式调控PGC-1α，上调NRF1、Tfam蛋白表达促进线粒体生物合成。Tfam可诱导线粒体mtDNA的转录和复制，并与NRF1共同调控线粒体呼吸链，改善线粒体能量代谢[50]。Sirt3可激活循环酶异柠檬酸脱氢酶和谷氨酸脱氢酶，产生NADH调控GSH/GSSG稳态，亦可上调Mn-SOD含量并清除超氧阴离子，亦可通过激活融合蛋白视神经萎缩蛋白1维持线粒体超微结构[51]。葛根素是葛根中的黄酮苷。马超等[39]研究发现其可激活Sirt3表达，进而提高Mn-SOD含量。芝麻素（Ses）是从芝麻中提取的木脂素。SU S等[52]研究发现Ses可通过上调Sirt1表达，进而提高Mn-SOD的含量。

3.4 UCP 解偶联蛋白（UCP）属于线粒体转运蛋白家族，可调节由线粒体电化学梯度产生的线粒体膜电位。UCP可通过电子传递链的通量与线粒体ATP合成解耦连，从而降低底物转化为高能磷酸盐的速率[53]。除此之外，UCP对线粒体膜电位具有调节功能并在线粒体产生的ROS解毒机制中发挥作用。UCP2能够调节线粒体H2O2的产生。UCP3可防止线粒体膜电位上升到ROS形成的阈值以上，并通过轻度线粒体解耦降低线粒体膜电位以减少超氧化物的产生[54]。人参皂苷Rg3是人参的重要成分之一。LI L等[55]发现人参皂苷Rg3胶束可降低ROS、钙超载水平，并提高ATP合酶和UCP3水平，提示其恢复了ATP耦合器和电子传递链加速器响应。异甘草素属甘草中的黄酮类化合物。路文强[56]研究发现异甘草素可显著提高UCP2表达，具有较强的ROS清除能力。

3.5 Bmi-1 Bmi-1是多梳抑制复合物1的核心蛋白质成分，可调控线粒体功能和ROS生成相关的基因表达，并可修复DNA双链的氧化损伤。Bmi-1缺失可导致ETC流动中断，增加超氧化物及线粒体还原当量，并可上调Duox1和Duox2的表达，进而激活DNA损伤途径，诱发细胞凋亡[57]。也有研究[58]发现，ANT诱导的心脏毒性中DNA损伤常导致p53过表达，抵消了Nrf2介导的x-CT、NQO1和GST-α1等含抗氧化反应元件启动子的转录。Bmi-1可通过改善DNA损伤并抑制p53激活来调节抗氧化防御[58]。槲皮素存在于紫花地丁、菟丝子、牡丹皮等多种中药中。DONG Q H等[32]发现其可改善DOX处理的大鼠胚胎室心肌H9c2细胞的MMP破坏及线粒体去极化，并可上调Bmi-1，维持氧化还原系统平衡。

4 结语及展望

中药抗氧化剂成分干预ANT心脏毒性，更倾向于预先给药或与蒽环类药物共同使用。这提示针对癌症化疗患者，预防性干预心脏毒性的收益要远超过出现症状后的治疗性干预。现代医学评估抗氧化剂的治疗效果既需要关注心脏保护作用，还应当兼顾其与化疗药物的联合效应。多种中药类抗氧化剂表现出了针对蒽环类药物良好的增效减毒作用，能通过改善线粒体功能、抗脂质过氧化、清除氧自由基、提高内源性抗氧化酶、抑制过亚硝酸根、抑制NOX氧化酶活性等机制抑制ANT诱导的氧化应激反应，同时能通过调控Nrf2、AMPKα、UCP2、SIRT、Bmi-1等相关信号通路及蛋白的激活，进而展现出心肌保护能力。

目前多种中药类抗氧化剂仅在实验中证明了其具有抗氧化应激能力，但作用机制尚不明确，潜在的治疗靶点未被完全发掘。同时对于中药活性成分而言，提取工艺的不成熟及较低生物利用度限制了其作为抗氧化剂的应用，使得其向临床的转化较为困难。未来的研究不应局限于提取单纯的活性成分，而是应当采用纳米制剂、聚合胶束等现代制药方式增强治疗效果。希冀未来的研究能将更多的中药类抗氧化剂推向临床，以中药抗氧化剂为通道构建中西医结合理论，为中医药抗氧化原理提供现代医学佐证，提升癌症患者的生存期及生存质量。