红景天抗缺氧损伤作用的研究进展

任卫合， 罗龙龙， 蔡林海， 刘斯汝， 乌拉木别克·对谢喀德尔， 张 棚， 丁功涛，谢瑞扎·阿里玛， 陈士恩*

(1.西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730124；2.西北民族大学生物研究中心，中国-马来西亚国家联合实验室，甘肃 兰州 730124；3.甘肃省农业工程规划院，甘肃 兰州 730046；4.马来西亚化学局饮用水食品和环境安全分析中心生物技术处，马来西亚 吉隆坡 46661)

红景天为景天科景天属植物大花红景天Rhodiolacrenulata(Hook. f. et Thoms.) H. Ohba的干燥根、茎，是主要生长于3 000～4 000 m高海拔地区的一种传统藏药，具有抗肿瘤[1-2]、抗哮喘[3]、调节肠道微生物[4]、抗缺氧等功效，被誉为“高原人参”。红景天不仅功效多样，且生命力顽强、极易存活，在2020年版《中国药典》、中药和藏药的文献中均有记载[5]。红景天根部及茎中的主要活性提取物为红景天苷、没食子酸、酪醇及没食子酸乙酯[6]，这些生物活性物质在红景天多种疗效中起着不可替代的作用，其中最主要的是红景天苷。氧是维持生命活动最基础的物质之一，缺氧刺激会引起机体多个组织器官的病理反应。近年来，国内外研究表明，红景天在缓解机体缺氧方面有着重要作用，可在机体的多个器官发挥疗效。本文对红景天缓解机体心、肺、脑等器官缺氧损伤的保护机制及其对氧化应激因子的影响进行综述，以期为红景天的进一步开发利用提供参考。

1 红景天抗缺氧中氧化应激因子的变化

氧化应激是机体氧化还原状态的失衡，会导致大量活性氧产生，不可逆地氧化细胞中遗传物质DNA及多种生物分子[7]。机体中氧化应激相关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)、乳酸盐脱氢酶(LDH)、丙二醛(MDA)、乳酸脱氢酶(LDH)、一氧化氮(NO)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等。缺氧刺激会导致机体中这些氧化应激因子水平发生变化，MDA水平升高会加剧细胞衰老凋亡，SOD活性升高则会清除活性氧(ROS)，减少氧化作用，进而抑制细胞凋亡[8]。

红景天在缓解机体缺氧损伤中能通过改变机体氧化应激因子水平，从而降低活性氧，达到抑制细胞衰老凋亡的目的。缺氧损伤会造成机体血清及大脑海马组织MDA、GSSG、LDH水平升高，SOD、GSH水平降低，通过红景天水提物治疗后，可以逆转这种现象，从而对缺氧损伤发挥保护作用[9]。低氧刺激后肺组织中氧化应激标志物ROS、MDA水平升高，髓过氧化物酶(MPO)活性升高，红景天水提物预处理则可以减少ROS、MDA水平、降低MPO活性，提示红景天在动物模型中表现出抗氧化剂和ROS清除剂活性，进而缓解缺氧所致肺损伤[10]。缺氧诱导的心脏ROS增加会导致生物分子(如DNA、蛋白质和脂质)的氧化损伤，从而可能抑制心肌收缩和功能障碍[11]。铜锌超氧化物歧化酶(SOD1)存在于细胞核与细胞质中，是细胞内广泛存在的抗氧化酶，能够维持细胞内ROS稳态，含锰超氧化物歧化酶(SOD2)存在于线粒体中，具有清除ROS的作用。低压缺氧诱导后心脏组织中ROS、MDA和羰基蛋白表达升高，红景天处理后可降低ROS水平，提示红景天给药能够降低心脏氧化应激；同时观察抗氧化酶(SOD2)，发现其活性在缺氧时降低，服用红景天后能够缓解低氧抑制的SOD2低表达[12]。此外，红景天苷也可以保护肾小管上皮细胞HK-2免受体外缺氧损伤，并且降低HK-2细胞中ROS、MDA水平，升高SOD水平[13]。在低氧性肺动脉高压大鼠肺组织氧化应激因子研究中，发现缺氧使NOX4表达及MDA水平升高、SOD1、SOD活性降低，红景天苷能使SOD1、SOD活性升高，并呈剂量依赖性，表明红景天苷通过恢复氧化/抗氧化系统平衡而起到改善肺动脉高压的作用[14]。红景天提取物对缺氧损伤的内皮细胞也存在保护作用[15]，缺氧增加的ROS、MDA水平，均可通过红景天提取物预处理而降低。各组织器官中氧化因子见表1。

表1 各组织器官中氧化因子标准

2 红景天对各系统抗缺氧保护作用

2.1 红景天对肺的保护作用 氧气稳态是地球上大多数生物生存重要条件之一，参与氧化反应可以促进必要的生物学进程，合适的氧气浓度可驱动碳代谢以产生能量[16]。氧气浓度降低时，一些重要代谢途径受到干扰，从而导致器官损伤，例如处于高海拔地区的人与动物会受到缺氧环境损害，供氧不足的器官进而缺血也会损害健康[17]。高海拔肺水肿和肺动脉高压(PAH)是人们在缺氧环境中容易导致的典型高海拔疾病[18]。

红景天活性成分可以逆转大鼠模型的缺氧损伤，与未经治疗的低氧大鼠相比，红景天活性成分可以降低右心室肥厚指数、平均肺动脉压、小肺动脉平滑肌增厚和肺毛细血管重构[19]，提示该成分可用于治疗遗传性肺动脉高压。肺水肿可以通过测定干/湿(W/D)质量比和BALF蛋白表达来评估，组织切片观察可用于评价红景天水提物对低氧引起肺损伤的保护作用[20]。缺氧环境中W/D比重和BALF蛋白表达升高，红景天提取物处理后可有效降低BALF蛋白表达；缺氧导致肺组织出现间隔增厚、红细胞逸出、肺泡中性粒细胞过滤、肺泡毛细血管破裂、血管壁严重充血等症状，红景天提取物能减轻肺组织中这些病理变化，提示红景天提取物能够减少肺泡-毛细血管屏障功能障碍，从而减轻由低压缺氧引起的肺水肿，在维持低氧损伤肺泡-毛细血管屏障完整性方面具有显著功效[10]。

肺动脉平滑肌细胞PASMCS异常生长、过度细胞增殖和凋亡抗性引起的主动血管收缩和血管重塑是肺动脉高压病理学主要症状[21]。红景天中分离得到的主要生物活性标记物红景天苷，可用于缓解高原反应和肺动脉高压急性加重[22]。缺氧刺激后，PAMSCS细胞形状不一致、线粒体脊中断并充满液泡、细胞杂乱无章，通过红景天苷预处理后PASMCS细胞组织良好、胶原纤维异常生长减少，且线粒体脊中断和液泡数量减少，表明红景天苷抑制缺氧引起的肺动脉重塑[23]。高、低剂量红景天苷均能在一定程度上缓解小动脉官腔狭窄、管壁增厚、中膜平滑肌细胞增生等症状，并能抑制心室重构、改善肺组织病理损伤[24]。

腺苷单磷酸激活蛋白激酶(AMPK)是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，通过开启分解代谢途径和关闭合成代谢在能量代谢稳态中发挥关键作用[25]。AMPK在细胞增殖、自噬、凋亡以及其他细胞命运中起关键作用，并在心血管保护中起着重要作用[26]。Chen等[23]研究发现，红景天苷处理后大鼠肺动脉、肺组织、PASMCS细胞中总AMPKα1和磷酸化AMKPα1活性升高，并呈剂量依赖性，其可能通过AMPKα1-P53-Bax/Bcl-2-caspase 9-caspase 3途径逆转低氧诱导的凋亡抗性，具体途径分为2个部分，第1个部分是抑制PASMCS细胞增殖，红景天苷能使磷酸化AMKPα1活性升高，升高后的磷酸化AMKPα1使P53表达升高，进而使P53下游效应物P21、P27表达随之升高，从而起到抑制细胞增殖的作用，为AMPKα1-P53-P27/P21信号通路；第2个部分是增加PASMCS细胞凋亡，磷酸化AMKPα1活性升高后导致P53表达升高，促凋亡因子Bax水平降低，抗凋亡因子Bcl-2水平升高，caspase-9与caspase-3凋亡相关蛋白表达升高，从而起到促进细胞凋亡的作用。由此可知，红景天苷通过AMPKα1-P53-Bax/Bcl-2-caspase 9-caspase 3途径诱导PASMCS细胞的增殖和凋亡。

2.2 红景天对心脏的保护作用 低压缺氧被认为是心脏应激源，可能导致某些心血管疾病，例如心肌梗塞和肺动脉高压诱发的右心室功能障碍[27]。处于缺氧环境中，除肺部改变外，心脏骤停是另一种常见疾病[28]。红景天提取物对体内缺氧的心脏存在保护作用，可用于预防包括突发性心脏死亡在内的高原疾病。缺氧诱导小鼠心脏组织可观察到异常心肌结构，包括间质空间增加、轻度纤维化和胶原蛋白沉积增，TUNEL染色发现心脏左心室TUNEL阳性心肌细胞增加，红景天苷治疗后这种心脏损伤和心肌细胞凋亡减少，提示红景天苷对缺氧诱导小鼠心脏具有保护作用[29]。组织病理学分析发现，缺氧导致心肌结构异常，组织间隙增大，低、高剂量红景天苷处理后可使异常结构降低；细胞凋亡检测发现，缺氧导致TUNEL阳性心肌细胞增多，红景天预处理后得到抑制[30]。

长期缺血和缺氧后的再灌注会对心肌造成不可逆的功能和结构损伤，这种损伤称为心肌缺血再灌注损伤[31-32]。Liu等[33]研究发现，缺氧/复氧诱导的H9c2细胞活力降低，导致细胞LDH活性升高，而红景天苷不仅能够抑制H9c2细胞活力降低，还能降低LDH活性，同时减少H9c2细胞死亡，表明红景天对缺氧/复氧的心肌细胞有保护作用。红景天目前已经被做成多种多样的产品，红景天破壁饮片便是其中一种，比较红景天破壁饮片与传统饮片对缺血缺氧H9c2细胞的影响，结果显示两者，均能改善缺血缺氧H9c2细胞存活率且抗细胞凋亡作用呈剂量依赖性，相同剂量下红景天破壁饮片的H9c2细胞存活率高于传统饮片[34]。缺糖缺氧诱导的心肌细胞存活率随大株红景天给药浓度的增加而上升，提示大株红景天能抑制缺糖缺氧诱导的心肌细胞损伤[35]。

microRNA(miRNA)是一类内源性，长度约22个核苷酸的小型非编码单链RNA，参与多种生理和病理生理过程的调节[36]。miR-21可有效降低大鼠心肌缺血再灌注损伤诱导的心肌细胞凋亡水平和炎性因子释放，心肌缺血再灌注损伤中miR-21表达降低，恢复miR-21表达可减轻心肌损伤[37-38]。Liu等[33]研究发现，红景天苷可以通过上调miR-21来抑制缺氧/复氧诱导的缺氧而增加的炎症因子白细胞介素-9(IL-9)、白细胞介素-1β(IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)水平，进而降低缺氧/复氧期间炎症反应，miR-21介导红景天苷诱导的缺氧/复氧处理的H9c2细胞对炎症反应的抑制作用，减轻心肌细胞损害。

2.3 红景天对神经系统的生物效应及分子机制 低压缺氧引起中枢神经系统损伤的治疗在医学领域引起越来越多关注[39-40]。鼠嗜铬细胞瘤细胞系PC-12对儿茶酚胺兴奋、具有神经细胞的形态与特征，广泛用于细胞信号传导和神经化学研究[41-42]。氯化钴(CoCl2)可诱导PC12细胞造成缺氧损伤，并使PC12细胞在12 h内死亡，死亡细胞核仁消失、浓缩的染色质重新定位于核膜，红景天处理后PC12细胞损伤特征性超微结构变化减轻[43]，使神经元免受缺氧缺血损伤。Wang等[9]采用HE和Nissl染色对低压低氧损伤后大鼠海马神经元活力进行评估，发现海马细胞明显肿胀，周围细胞间隙变宽，神经元收缩且减少，细胞核深染，正常神经元结构受损并Nissl小体数量减少，红景天水提物可改善这些病理变化；细胞凋亡检测发现，海马CA1锥体神经元中观察到更多的TUNEL阳性细胞，这种增加通过红景天提取物处理而减弱。

缺氧预处理在减少缺氧诱导的细胞凋亡中起关键作用[44]，缺氧预处理可以触发自主的内源性保护机制，以抵抗严重的缺氧损伤并减少缺氧或局部缺血诱导的细胞凋亡[45]。与细胞抗缺氧有益的缺氧预处理相比，红景天苷预处理后缺氧诱导的细胞活力丧失减少，并增加PC12细胞LDH活性释放，红景天苷可以抑制缺氧诱导的PC12细胞凋亡[46]。与正常组比较，缺氧乳鼠海马神经元存活率低，红景天苷预处理后可以增加海马神经元存活率，并呈剂量依赖性[47]。缺氧/缺血大鼠的学习记忆能力受损，海马细胞凋亡增加，红景天苷治疗后得到明显改善且凋亡细胞减少，表明红景天苷能够通过抑制缺氧/缺血大鼠海马神经元自噬减轻凋亡，发挥神经保护作用[48]。随着间歇性低氧时间延长，大鼠海马区神经元便逐渐出现神经细胞结构紊乱、胞质内染色质不均匀、外形呈三角形改变、细胞核皱缩、出现核溶解及空泡等症状，大株红景天治疗后神经细胞排列规整、胞质染色均匀，核皱缩、核溶解及空泡减少[49]。

缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)是调节氧稳态的核心转录因子，在缓解机体缺氧损伤中起重要作用，研究发现，HIF-1α是诱导缺氧基因、修复细胞内微环境的核心转录因子[50]。HIF-1α的mRNA和蛋白表达升高会刺激下游血管内皮细胞生长因子和促红细胞生成素生成，从而增强对低氧损伤的耐受性。缺氧刺激下，HIF-1α上调诱导的microRNA 210(miR-210)过表达会降低铁硫簇组装支架(ISCU1/2)和细胞色素C氧化酶装配蛋白(COX10)表达[51]。Wang等[9]研究发现，红景天提取物处理后大鼠大脑海马神经HIF-1α、miR-210、ISCU1/2和COX10表达升高，caspase-3表达降低，表明红景天提取物通过HIF-1α/microRNA 210/ISCU1/2(COX10)信号通路调节细胞凋亡和线粒体能量代谢，从而减轻缺氧诱导的大脑海马神经损伤。

2.4 红景天对其他细胞保护的分子机制 AMPK激活可促进内皮一氧化氮合酶(eNOS)活性并保留内皮细胞功能，细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)与缺氧刺激下内皮细胞增殖、凋亡有关[52]。缺氧刺激导致内皮细胞eNOS活性降低，凋亡细胞增加，从而使内皮细胞功能紊乱，红景天提取物给药后磷酸化AMPK、ERK1/2活性升高，进而使eNOS活性升高，以降低细胞凋亡、恢复内皮细胞功能，为AMPK-Akt-eNOS信号通路[15]。

HIF-1α可通过调节血管内皮生长因子(VEGF)使骨内新生血管增加，而促进骨发育和骨折愈合过程中的骨生成。处在低氧状态时，红景天苷可以促进HIF-1α大量增加并转运到细胞核内与HIF-1β结合成复合物HIF-1，作为转录因子与低氧反应元件(HER)结合，进一步激活VEGF、红细胞生成素等上百种下游靶基因进行转录，进而引发组织细胞耐氧适应性反应，改善组织、细胞低氧状态，表明缺氧条件下红景天苷通过调节HIF-1α/VEGF信号通路来调控成骨细胞的增殖、分化及凋亡[53]。

红景天对各系统抗缺氧保护机制见表2。红景天抗缺氧相关信号通路见表3。

表2 红景天对各系统抗缺氧保护机制

表3 红景天抗缺氧相关信号通路

3 展望

虽然红景天抗缺氧方面研究取得众多成果，但是红景天缓解缺氧损伤的具体机制并不完全清楚，需要进一步研究，明确其在基因及蛋白水平的调控机制。目前较多研究主要集中于红景天对肺、心脏的抗缺氧和脑部神经组织，但其他器官的研究却几乎没有，应进一步进行此方面研究，以探究红景天是否能缓解缺氧所致其他器官损伤。目前研究多采用细胞、大鼠和小鼠作为动物模型，如果要进一步明确其在人组织器官中的作用，需要在更接近人类病理状况的不同动物模型上研究红景天抗缺氧损伤作用。红景天是药食同源性中药材，食用时其生物活性化合物的剂量、毒性和安全性，也是需要研究的重要问题。