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美国《化学文摘》《国际药学文摘》
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日本科学技术振兴机构数据库（JST）
第七届湖北十大名刊提名奖
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, 庞欣欣, 张晴晴, PANG Xinxin, ZHANG Qingqing
中草药涉及的天然化合物具有相对复杂的活性成分,对肾脏有不同程度的损伤。肾脏作为人体重要的代谢与排泄中心,是毒性药物的首要靶器官,所以中药的肾毒性作用机制研究具有重要意义。部分中药在治疗大多数疾病中会通过不同机制诱发肾脏损伤。该文综述了中药诱导的肾损伤中氧化应激、细胞凋亡、炎症反应、线粒体损伤、纤维化、Na+-K+-ATP酶以及转运蛋白等多种途径相关进展,为防治中药肾损伤的研究提供参考。
The natural compounds derived from Chinese herbs are relatively complex and have different degrees of side effects on kidney.As an important metabolism and excretion center of human body,kidney is the primary target organ of toxic drugs.It is of great significance to study the nephrotoxicity mechanism of traditional Chinese herbs.In the treatment of most diseases,some Chinese herbs can induce kidney injury through different mechanisms.In this paper,we review the mechanisms of kidney injury induced by Chinese herbs,such as the progress of oxidative stress,apoptosis,inflammatory response,mitochondrial injury,fibrosis,Na+-K+-ATPase and transporter,to provide reference for the research on prevention and treatment of kidney injury induced by Chinese herbs.
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中药大多数来源于动植物及矿物质等。中药治疗各种疾病有数千年的历史,人们往往认为这些药物是“天然、绿色和无毒的”。1993年比利时学者VANHERWEGHEM等[1]首次在《柳叶刀》杂志上发表了一篇关于中草药能够引起间质性肾纤维化的文章,“中药毒性”问题逐渐引起诸多学者的关注。
中药毒性分为狭义之毒和广义之毒,广义的毒性是指中药的偏性,狭义的中药毒性则是指中药的毒副作用。目前关于中药毒性的划分仍是沿用临床上传统经验与古代本草记载[4],但传统医学因其局限性,对一些毒性较强的中药如川乌、草乌的用法用量记载比较模糊。现代中药毒理学通过一些新兴技术,如生物芯片、血清药理学、代谢组学技术等,大大提高了对于中药毒性的认知水平。现代毒理学认为中药导致肾毒性的原因在于其中含有的毒性成分,毒性成分能够从暴露部位转运至靶部位,与靶分子反应,造成肾脏细胞结构与功能异常,从而诱导肾损伤。目前研究显示,中药诱导的肾损伤毒性成分主要包括以下几类:有机酸类[5]、糖苷类[6]、毒性蛋白[7]、生物碱[8]、萜类[9]、木脂素[10]、黄酮[11]、蒽醌[12]等,见
表1 肾毒性中药的主要活性成分、代表化合物及部分代表中药
Tab.1 Main active components,representative compounds and some representative herbs of nephrotoxic traditional Chinese medicine
氧化应激是机体内促氧化分子与抗氧化分子失衡的一种状态。无论急性或慢性的肾脏损伤,普遍存在氧化应激增强的共同特征。氧化应激可以直接或间接影响肾小球滤过率、肾脏血液动力学及肾小管重吸收等。在药物引发的肾损伤中,部分药物可以明显增加活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生,破坏细胞生物分子,诱发氧化应激过程。多种中草药能够通过刺激肾脏细胞增加ROS水平,破坏稳态,诱导氧化应激导致肾损伤。
2.1.1 马兜铃酸 马兜铃酸是一种在多种中药中发现的有毒化合物,包括细辛属和马兜铃属。目前已知包含马兜铃酸的中药有马兜铃、青木香、广防己、细辛、关木通、天仙藤、朱砂莲等。
氧化应激构成了马兜铃酸肾脏细胞毒性的常见触发事件。ANGER等[13]报道马兜铃酸可以刺激肾小管上皮细胞,可导致活性氧簇的水平大大增加。过氧化氢(H2O2)等活性氧作为正常细胞代谢产物,通常被细胞内的谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(catalase,CAT)清除。MARIN等[14]用马兜铃酸喂养幼猪,可以显著减少猪肾细胞内CAT、SOD和GPx等抗氧化酶的活性。ROS水平升高,能够氧化细胞的大分子物质,破坏细胞稳态,导致氧化应激的发生和进展。此外,马兜铃酸可能通过激活丝裂原活化的细胞外信号调节激酶(mitogen-activated extracellular signal-regulated kinase,MEK)/细胞外信号调节激酶 (extracellular signal-regulated kinase,ERK)1/2信号通路和大量消耗谷胱甘肽引起氧化应激相关的DNA损伤,引起细胞周期停滞在G2/M阶段,进而引起凋亡[15]。CHEN等[16]发现马兜铃酸会导致抗氧化酶和糖基化酶OGG1的基因表达下调。OGG1可以有效修复DNA氧化损伤标志物8-羟基脱氧鸟苷,这表明马兜铃酸可以诱导以8-羟基脱氧鸟苷和DNA链断裂为特征的氧化应激。
结合目前的多种研究来看,氧化应激是马兜铃酸细胞毒性的重要机制。通过减少马兜铃酸产生的ROS抗氧化物,从而减少氧化应激的产生,将会使由马兜铃酸诱导的细胞毒性减轻。通过深入研究相关的分子机制,可进一步制定治疗策略,来靶向阻断相关通路以及机制。
2.1.2 雷公藤甲素 雷公藤甲素是中药雷公藤的主要肾毒性成分。XI等[17]发现,给大鼠静脉注射雷公藤甲素(0.1 mg·kg-1),每日1次,连续14 d,结果显示雷公藤甲素能够显著增加血肌酐与尿素氮水平,单次大剂量1 mg·kg-1注射后可造成严重的肾损伤,病理表现为肾小管上皮细胞脱离基底膜、肾小管梗阻等。氧化应激在雷公藤甲素细胞毒性中起到重要作用,雷公藤甲素会增加ROS的生成,抑制抗氧化剂SOD、GPx、CAT等的活性,于肾脏组织中诱导氧化应激,进一步激活下游蛋白导致肾毒性[18]。HUANG等[19]通过对SD大鼠单次腹腔注射雷公藤甲素(1 mg·kg-1),检测到肾脏GPx、SOD活性明显降低,氧化平衡被打破,雷公藤甲素诱导氧化应激的发生。
王昊等[20]研究发现,雷公藤甲素上调氧化应激水平后,激活丝氨酸激酶 (set-inethreonine kinase,AKT)和p70S6K表达,磷酸化水平升高。这表明雷公藤甲素可能通过激活PI3K/AKT信号通路参与细胞内氧化应激反应。WANG等[21]研究表明,雷公藤甲素能够降低琥珀酸脱氢酶活性,升高丙二醛浓度,降低核因子2相关因子(NF-E2-related factor 2,Nrf2)的核蛋白表达,这表明雷公藤甲素可以通过激活Nrf2途径诱导氧化应激反应。
细胞凋亡是维持人体内环境稳定的重要机制。肾脏细胞凋亡是肾脏疾病的一个主要特征,肾小管局部缺血与萎缩会诱发凋亡,而凋亡会增加肾脏细胞浸润、间质细胞增殖与间质纤维化。尽管细胞凋亡在细胞正常生理状态下有维持稳定的作用,但是部分药物或毒性物质能够异常触发凋亡过程并导致病理状态。中药诱导的肾脏细胞凋亡途径主要涉及TNF-α系统、B淋巴细胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)蛋白以及caspase相关的酶联反应。
2.2.1 马兜铃酸 目前已证实马兜铃酸以剂量和时间依赖性方式降低细胞活力并增加细胞凋亡[26],其具体凋亡通路可能是p38、p53通路。马兜铃酸可以增加caspase-3、caspase-9、Bax等凋亡相关蛋白水平,磷酸化p38蛋白表达[27],这表明p38MAKP通路参与马兜铃酸诱导的肾脏细胞凋亡。KIM等[28]发现褪黑素能够抑制肾脏中p53和和Bax蛋白表达的增加,并且敲除了p53基因后的小鼠对马兜铃酸引起的肾小管上皮细胞凋亡具有抑制力,这表明p53通路可能参与马兜铃酸引起的细胞凋亡过程。
2.2.2 马钱子碱 马钱子又名番木鳖、士的宁树等,其生物活性主要是生物碱类,其中生物碱成分又以马钱子碱为主。张美玉等[29]给SD大鼠灌胃给予马钱子碱,0.5 h后处死小鼠,病理切片肾脏可见肾小管上皮浊肿、肾小球肿大。雷怀成等[30]研究发现大鼠在灌胃233 mg·kg-1马钱子1 d后,肾小管上皮细胞caspase-3与Bcl-2水平上升,此外还发现caspase-3在表达初期起保护作用,当保护作用不足以代偿或修复细胞时会启动凋亡程序,诱导细胞凋亡。
2.2.3 蓖麻毒素 蓖麻子为植物蓖麻的成熟种子。蓖麻毒素作为一种白蛋白毒素,是其主要生物活性成分,属于毒素的核糖体失活蛋白家族,由于其高毒性、稳定性而被归类为生物威胁剂。蓖麻毒素可诱导肾脏细胞损伤,导致组织出现出血、水肿等改变。AUTHIER等[31]研究发现蓖麻毒素可以增加细胞色素C含量,上调caspase-3和caspase-9,在细胞质中富集DNA片段引发凋亡。蓖麻毒素具有较高的细胞毒性,而关于肾脏毒性的机制还有待进一步研究。
2.2.4 银杏叶类黄酮 中药银杏叶的主要成分是黄酮。LI等[32]研究报道,在体外细胞毒性测试中,银杏叶类黄酮以剂量依赖性方式降低HK-2细胞的活力。在体内实验中连续给药20 mg·kg-1达7 d后,主要病理病变为肾小管、肾小球和间质损伤。同时,在经银杏叶双黄酮处理小鼠肾脏组织中,发现小鼠体内促凋亡蛋白Bax水平增加和抗凋亡蛋白Bcl-2的水平无变化,说明细胞凋亡参与了银杏叶双黄酮导致的肾损伤。
肾脏炎症是肾脏病理机制中常见的因素。多种炎症因子可以作用于肾脏细胞,造成细胞损伤,进而导致肾小管损伤及间质纤维化。可控的炎症反应能够有效清除伤害性刺激,维持正常生理功能,但一些药物进入机体可导致炎症因子的水平过度上调,诱导炎症级联反应。中药诱导的炎症机制主要是单核细胞、淋巴细胞及巨噬细胞大量增殖,浸润进入肾脏,导致细胞功能障碍,而趋化因子及促炎症细胞因子在其中发挥着重要作用。
线粒体普遍存在于细胞中,且在代谢中处于核心地位。肾脏近端小管的重吸收功能使其需要大量的线粒体来提供能量,所以,线粒体功能障碍会使肾脏功能大受影响。线粒体在药物引起的不良反应中发挥重要作用,是药物的主要靶点。一些药物可以通过增加ROS间接对线粒体造成毒性,或者通过抑制DNA转录、ATP合成等作用直接损伤线粒体功能。中药导致的线粒体功能损伤主要集中于线粒体膜通透性的改变、呼吸功能受损以及DNA损伤等多种机制。
Na+-K+-ATP酶广泛分布于肾脏中,主要位于肾小管上皮细胞的基膜上。Na+-K+-ATP酶主要维持细胞的正常膜电位水平与神经冲动传导,是肾小管水重吸收的主要动力。且Na+-K+-ATP酶和能量代谢之间有紧密的联系,一旦肾脏的Na+-K+-ATP酶受到抑制,势必会造成肾脏的代谢障碍。部分药物能够在进入细胞质时抑制肾小管细胞中的Na+-K+-ATP活性,一些中草药影响Na+-K+-ATP酶主要集中在肾脏灌注不足,从而影响内外环境失衡。
纤维化是诸多肾病共同终点。肾脏细胞间基质在间质中过多沉积,诱导上皮-间质转化,促进成纤维细胞因子释放,损伤了肾小管上皮细胞修复与再生能力。部分药物能够造成肾脏固有细胞结构与功能改变,释放促纤维因子,诱导纤维化的过程。一些中药能够影响纤维化细胞因子及许多细胞内信号传导途径,来促使肾脏细胞损伤,向纤维化方向发展。
转运蛋白是一类通过细胞膜运输各种内外源性化合物的功能性蛋白质。有机阴离子转运体(organic anion transporters,OA-Ts)是肾脏重要的转运蛋白,其主要功能是将血液中的有机阴离子转运到肾小管上皮细胞。故一旦OA-Ts功能受到药物或毒物的抑制,人体正常的生理活动就会受到干扰甚至伤害。
2.7.1 雷公藤甲素 DAN等[42]发现通过给大鼠灌胃600 mg·kg-1·d-1雷公藤甲素可减少肾皮质切片中对氨基马尿酸盐的积聚以及肾Oat1和Oat3的 mRNA表达,对氨基马尿酸盐积累的显著减少表明雷公藤甲素破坏了位于近端小管特别是S(2)段的有机阴离子转运蛋白系统,从而导致了肾小管的节段特异性功能障碍。SHEN等[43]通过暴露TNF-α或IL-1β构建HK-2和HEK-293T细胞系的细胞炎症模型,结果表明,TNF-α暴露加重了雷公藤甲素的毒性,并上调了两种细胞系中有机阳离子转运蛋白表达,从而将更多的雷公藤甲素转运至肾皮质,导致肾脏损伤。
2.7.2 二硫化二砷 雄黄的主要成分是二硫化二砷,砷离子(As2+)可以通过基底外侧膜中的转运蛋白Oat1和Oat3进入近端小管细胞。YU等[44]研究报道,通过对小鼠进行口服60 mg·kg-1雄黄5 d,发现雄黄可能通过抑制Oat1和Oat3介导的肾脏排泄而影响氨基马尿酸的药动学。这说明,改变Oat1/3的表达可能是降低汞肾毒性的有效治疗策略。
随着现代技术的发展,中草药的毒性机制将进一步深入研究。这势必将有助于指导研究者进一步深入思考如何更安全、更有效地使用中草药。肾脏是中草药的重要的靶器官之一,正确全面认识中药的肾毒性,对于进一步研发新药、规避肾脏恶化风险具有重要意义。但同时中药不仅仅是单一的个体,在临床应用中其往往会与其他中药配伍,此外还有不同的加工与炮制,必然会导致中药的具体作用机制复杂化,这是多途径、多种因素相互作用的结果。目前的研究仍有许多不足之处,难以覆盖全面,中药肾毒性的具体机制仍需进一步探讨。
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