全 文 :中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 43 卷 第 2 期 2012 年 2 月
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代谢酶在马兜铃酸肾病中的作用
陈 敏,宫丽崑,任 进*
中国科学院上海生命科学院 上海药物研究所 新药研究国家重点实验室,上海 201203
摘 要:马兜铃酸(aristolochic acid,AA)是马兜铃酸肾病(aristolochic acid nephropathy,AAN)的致病因素,已受到国际
上的高度重视,有关 AA 肾毒性机制的研究目前已成为毒理学领域的研究热点之一。马兜铃酸 I(AAI)是马兜铃酸的主要
毒性成分,氧化和还原是 AAI 体内快速清除必不可少的代谢过程。参与 AAI 氧化还原的代谢酶及此代谢过程在 AAN 中的
作用取得了重大进展,因此对相关的研究结果进行综述,为进一步深入研究 AAI 肾毒性机制提供参考。
关键词:马兜铃酸肾病;代谢酶;马兜铃酸;马兜铃酸 I;肾毒性
中图分类号:R285.61 文献标志码:A 文章编号:0253 - 2670(2012)02 - 0388 - 05
Role of metabolic enzymes in aristolochic acid nephropathy
CHEN Min, GONG Li-kun, REN Jin
State Key Laboratory of New Drug Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Shanghai Institute for Biological Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China
Key words: aristolochic acid nephropathy (AAN); metabolic enzyme; aristolochic acid (AA); aristolochic acid I (AAI); renal toxicity
马兜铃酸(aristolochic acid,AA)是植物界中
发现的第一个硝基化合物,最早从铁线莲状马兜铃
中分离出来,由结构类似的多种硝基菲羧酸
(nitrophenanthene carboxylic acid)组成,其中主要
含马兜铃酸 I(AAI)和马兜铃酸 II(AAII)[1]。
AA 已被证明是中草药肾病的致病因子。20 世纪
90 年代少数比利时妇女因服用用于减肥的中草药
而导致严重的肾损伤,该药误将含 AA 的广防己代
替无毒的粉防己[2-3]。此类肾病是由于服用 AA 或
者含 AA 的中药所致,因此将最初的中草药肾病正
式更名为马兜铃酸肾病(aristolochic acid nephro-
pathy,AAN)[4]。
值得注意的是著名的巴尔干地方性肾病
(Balkan endemic nephropathy,BEN)也可能与马兜
铃酸的摄入有关,其发病特征与 AAN 类似,表现
为肾脏纤维化并伴随尿道上皮肿瘤的发生[5-6]。多瑙
河流域周边国家如罗马尼亚、保加利亚、克罗地亚、
波斯尼亚、塞尔维亚等是 BEN 的高发地区[5,7]。目
前至少有 25 000 人患有或疑似患有 BEN,而这些国
家的总发病人数可能已超过 100 000。最近的研究表
明,AA 可能是 BEN 最重要的致病因子,且与尿道
上皮肿瘤的发生密切相关[8-9]。长期食用 AA 污染的
小麦可能是巴尔干地区人群摄入 AA 的主要途径。
AAI 是马兜铃酸的主要毒性成分[10],其在体
内经氧化代谢后生成 8-hydroxy-aristolochic acid I
(AAIa),从而减轻 AAI 所致的肾毒性[11-13]。AAI
经还原代谢可形成不稳定的环化正氮离子,其能与
DNA 共价结合生成 AAI-DNA 加合物[14-15]。AAI-
DNA 加合物已在给予 AAI 的实验动物[16]及 AAN
病人尿道上皮组织内得到确认[8,17]。了解哪些酶参
与AAI还原活化生成AAI-DNA加合物或氧化代谢
解毒生成AAIa对于评价不同个体对AAI诱发肿瘤
和肾毒性的风险是非常重要的。
1 AA 分子结构与毒性之间的关系
除 AAI 和 AAII 外,AA 还含有许多其他结构类
似的物质[18-19]。体外研究结果表明 AAI、AA VIIIa、
AAII、AAIa 对 LLC-PK1(来源于猪的肾脏细胞)
细胞的 IC50值分别为 10、70、80、200 μmol/L,而
AAIII、7-OH AAI、AAVIa 则不引起 LLC-PK1 细胞
的损伤[18]。类似的结果也在 MDCK[20](来源于狗的
收稿日期:2011-07-19
基金项目:国家重点基础研究发展计划“973”项目(2006CB504700);国家科技重大专项“重大新药创制”(2008ZX09301-001,2008ZX09305-
0072009ZX09501-033)
作者简介:陈 敏,博士研究生。
*通讯作者 任 进 Tel: (021)20231972 E-mail: jren@mail.shcnc.ac.cn
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肾脏细胞)及 HK-2[21](来源于人的肾脏细胞)细
胞中得到证实。AAI 对肾脏来源细胞的毒性是最强
的,这与体内研究结果一致。分别 iv 或 ig 给予雄
性 C3H/He 小鼠相同剂量的 AAI、AAII、马兜铃内
酰胺 I(ALI)、AAIa,结果表明 AAI 可导致小鼠严
重肾损伤;AAII 仅引起小鼠轻度肾损伤;而 ALI、
AAIa 则不会引起小鼠肾损伤[10,22]。AAI 分子结构中
的硝基、甲氧基基团对其体外细胞毒性作用的发挥
至关重要,上述基团发生替代或位置改变均会使其
毒性降低甚至消失。而甲氧基、硝基也是 AAI 体内
发生氧化、还原代谢的主要基团,因此氧化和还原
代谢可能在 AAI 引起的肾毒性中发挥重要作用。
2 AA 的代谢
AAN和BEN一个共同的特征是并非所有摄入
AA 的人都会发病[23]。一个可能的原因是不同个体
AA 生物转化酶的活性存在差异。许多毒素和致癌
物的代谢酶基因存在多态性,从而导致不同个体间
酶的活性存在显著差异。这些酶的基因多态性可能
也是环境物质毒性效应和致癌风险大小的重要决
定因素。
不同种属动物体内 AAI 的代谢研究表明,AAI
经体内代谢后主要以 8-hydroxy-aristolactam Ia
(ALIa)的形式从尿液和粪便中排出[24]。ALIa 可经
AAI 硝基还原生成 ALI,再经过 C-8 位去甲基化生
成;也可以经 AAI C-8 位去甲基化生成 AAIa,再经
过硝基还原生成[24-25]。虽然中间代谢产物 ALI 与
AAIa可以直接从尿液和粪便中排出[24,26-27],但ALI、
AAIa 和 ALIa 占 AAI 给药总量的比例分别为 3.4%、
3.2%和 86.2%[24],因此最终生成 ALIa 的代谢过程
是 AAI 体内最有效的清除方式(图 1),而氧化和
还原是 AAI 经两条途径产生 ALIa 必不可少的代谢
过程。
图 1 AAI 体内快速清除通路
Fig. 1 Rapid clear channel of AAI in vivo
3 参与 AAI 氧化代谢的酶及其在 AAN 中的作用
氧化代谢是 AAI 体内快速清除必不可少的代谢
过程(图 1)。应用肝脏特异性细胞色素 P450
(cytochrome P450,CYP)还原酶(是 P450 必不可
少的还原搭档,该酶的缺失会导致肝脏 P450 活性全
部丧失)基因敲除小鼠模型,证明了肝脏 P450 酶在
AAI 氧化代谢和肾毒性中发挥重要作用[11]。与野生
型小鼠相比,肝脏 P450 酶活性缺失小鼠肾脏中 AAI
的量显著增加,这可能是其肾毒性加重的主要原因。
细胞色素 P4501A(CYP1A)的诱导剂 3-甲基胆蒽、
萘黄酮可以加快 AAI 在小鼠体内的清除,降低肾脏
中 AAI 的量,并减轻 AAI 的肾毒性[11-13],表明
CYP1A 可能是催化体内 AAI 发生氧化反应的主要
代谢酶。分离 CYP1A 诱导剂处理组小鼠的肝微粒体
与AAI 共孵育,HPLC 检测上清液的成分后发现AAI
的主要氧化代谢物 AAIa 的量显著升高[11]。应用
CYP1A2 基因敲除小鼠模型进一步证实了 CYP1A2
亚型在 AAI 氧化代谢和肾毒性中的作用[28]。小鼠 ip
AAIa 不能导致肾损伤的发生[22],表明肝脏 CYP1A
氧化代谢 AAI 生成 AAIa 是一代谢解毒过程,由于
此代谢过程不涉及到硝基还原反应,因此目前认为
其与尿道上皮肿瘤的发生无关。
对于人肝脏中各 CYP 亚型在 AAI 氧化代谢中
的作用最近有了新的认识,发现 CYP1A 是人肝脏
微粒体中氧化 AAI 最主要的代谢酶[29-30]。同时,人
重组酶的研究结果也证明CYP1A1和CYP1A2是催
NQO1
O
O
OCH3
N
O
ALI 正氮离子
硝基还原 脱甲基
CYP1A
O
O
OCH3
NH
O
ALI
O
O
OH
N
O
ALIa 正氮离子
O
O
COOH
NO2
OH
AAIa
脱甲基
CYP1A
O
O
COOH
NO2
OCH3 AAI
O
O
OH
NH
O
ALIa
NQO1
硝基还原
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化 AAI 发生氧化反应最有效的代谢酶。虽然其他的
CYP 亚型如 CYP1B1、CYP2C8、CYP3A4、CYP2B6
也能氧化代谢 AAI,但其催化效果却比 CYP1A 低
一个数量级[29-30]。
4 参与 AAI 还原代谢的酶及其在 AAN 中的作用
还原代谢是 AAI 体内快速清除的另一个重要代
谢过程(图 1)。AAI 经还原活化后可生成 N-羟基马
兜铃内酰胺 I(N-OH-ALI)[27]。N-OH-ALI 能够进一
步形成不稳定的环化正氮离子,其与 DNA 结合生成
AAI-DNA 加合物,其诱发突变可最终导致尿道上皮
肿瘤的发生[31-33]。N-OH-ALI 进一步还原还可生成
ALI,虽然 ALI 不能直接与 DNA 结合,但 ALI 处理
后的大鼠肾脏组织中也能检测到较少量的AAI-DNA
加合物[16]。与体内的研究结果一致,体外 ALI 经不
同的过氧化物酶(COX 1/2)还原活化后也能与 DNA
结合形成 AAI-DNA 加合物[34]。
近年来,对参与体外 AAI 还原活化形成
AAI-DNA 加合物的代谢酶已进行了广泛的研究,
结果表明 NAD(P)H:醌氧化还原酶 1(NQO1)[35-37]、
黄嘌呤氧化酶(XO) [35-36,38]、CYP1A1/2[39-40]、
NADPH:细胞色素 P450 还原酶(CPR)[40-41]及前列
腺素 H 合成酶(PHS)[40,42]均能参与体外 AAI 的还
原代谢。人和大鼠肝脏、肾脏胞浆组分中的 NQO1
是体外还原 AAI 最重要的代谢酶[35-37,40],其次是肝
脏微粒体的 CYP1A 1/2[39,43] 及肾脏微粒体的
CPR[40-41]。
II 相酶催化的结合反应如乙酰化、硫磺酸化在
硝基芳香烃的代谢活化中发挥重要作用。然而,对
于催化N-OH-ALI结合的 II相酶是否参与AAI的还
原活化仍存在争论。Meinl 等[44]证明人硫磺酸转移
酶(SULTs)尤其是 SULT1A1 能够增强 AAI 的致
突变能力,但也有研究表明在人肝、肾胞浆组分中
加入 SULT 的辅因子或 SULT1A1 重组酶并不能提
高 AAI-DNA 加合物的产量。因此,II 相结合酶在
AAI 还原活化中的作用仍需进一步研究。
虽然参与体外 AAI 还原活化的代谢酶大部分
已经确定,但体内哪种酶确实参与 AAI 的还原代
谢尚不明确。多种因素如给药途径、药物吸收、肾
脏清除及组织特异性酶的表达等使体外数据很难
直接推导至体内[45]。现有的理论假设认为组织中
ALI、AAIa 的量是由 AAI 的氧化还原代谢平衡所
决定的 [45]。Chen 等[46]的最新研究结果表明肾脏
NQO1 参与体内 AAI 的还原代谢。双香豆素可以剂
量依赖性地抑制肾脏中 NQO1 的活性,降低肾脏中
AAI主要的还原产物ALI的量而增加AAI氧化产物
AAIa 的量[46]。同样,NQO1 的另一抑制剂苯茚二酮
对小鼠肾脏 ALI、AAIa 量的影响与双香豆素类似。
此研究结果与该假设相一致,即抑制肾脏 NQO1 的
活性可以改变 AAI 肾脏内的氧化还原平衡。
虽然 AAI 经还原活化后形成的 AAI-DNA 加合
物可诱发 p53 基因突变并导致 AAN、BEN 病人尿
道上皮肿瘤的发生[8,17],但还原代谢在 AAI 肾毒性
中的作用尚不明确。体内外的研究结果表明,AAI
的还原代谢产物ALI可以直接引起肾小管上皮细胞
损伤[47],肾损害程度与肾脏中 ALI 浓度相关[48-49],
提示 ALI 可能是导致马兜铃酸肾毒性的重要因素
之一。但 ip ALI 并不能引起小鼠肾毒性的发生,
表明 ALI 本身并没有毒性,与以上的推论相矛盾。
而 Chen 等[46]的研究结果使以上矛盾迎刃而解。虽
然 AAI 的还原代谢产物 ALI 本身并没有毒性,但
AAI 还原代谢过程可生成活性中间体 ALI-氮翁离
子[14-15],与肾脏近曲小管细胞内的蛋白或 DNA 共
价结合形成加合物,导致细胞损伤。肾脏内 ALI 的
量越多,说明还原代谢生成的活性中间体越多,因
此肾损伤的程度也越重。与此推论一致的是,NQO1
参与 AAI 在肾脏内的还原代谢,从而加重了 AAI
的肾毒性[46]。
5 结语
氧化和还原是 AAI 体内快速清除必不可少的
代谢过程。肝脏 CYP1A 参与体内 AAI 的氧化代谢
并减轻 AAI 所致的肾毒性。肾脏 NQO1 参与体内
AAI 的还原代谢,且此代谢过程生成的活性中间体
可能在 AAI 肾毒性中发挥重要作用。这些结果为深
入研究 AAN 机制提供了新的依据,为 AAN 的预防
提供了新的线索,同时也为中药安全性研究提供了
新的思路。
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