《食品科学》：天津商业大学张彦青教授等：植物源天然产物干预丙烯酰胺神经毒性的研究进展

时间: 2024-10-29 00:10:14 |   作者: 行业新闻

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　　丙烯酰胺（ACR）是纺织、化工等行业广泛使用的化学物质，也是淀粉类食品经高温烹调过程形成的主要内源性危害物，具有较强的毒性和高水溶性。在职业人群工作环境和普通人群日常饮食中会通过摄入、吸入和皮肤等途径接触到ACR，从而对人体各个器官和系统造成损伤。现已知的植物源天然产物根据其结构不同可分为多酚类、黄酮类、皂苷类、萜类等，在抑制氧化应激、细胞凋亡、炎症方面均表现出良好的效果。

　　天津商业大学生物技术与食品科学学院的张梦玉、张彦青*和天津中医药大学中药学院的解军波*等人就植物源天然产物干预ACR神经毒性的最新研究进展进行综述，以期为多途径、多靶点治疗ACR神经毒性和天然产物的开发及应用提供理论参考和研究思路。

　　ACR是一种公认的神经毒性物质，可引起人类急性、亚急性、慢性中毒，对中枢和周围神经系统产生威胁。在啮齿动物、豚鼠、兔子和其他实验动物中均能观察到ACR的毒性症状，与在人类中观察到的神经病变类似。此外，ACR对神经细胞也有直接毒性作用，在BV-2小胶质细胞中，ACR可引起线粒体功能障碍和凋亡，在PC12细胞和SH-SY5Y细胞中，ACR导致细胞活力丧失、细胞凋亡 及炎症反应。之前一项研究表明，ACR的神经毒性具有累积性，无论是长期低剂量暴露，还是短期高剂量暴露，当暴露剂量和明间达到一定阈值明，都能产生神经毒性效应[20]。因此，神经系统为被ACR攻击的主要靶器官并受到严重损伤。

　　ACR诱导神经毒性机制较为复杂，目前尚不完全明确。然而有可靠的研究表明，氧化应激是ACR诱导神经毒性的重要机制之一，其具体机制如图1所示。线粒体是活性氧（ROS）的大多数来自，ACR暴露导致线粒体电子传递链上产生过量ROS，促进凋亡和炎症通路转导，诱导细胞发生凋亡、炎症、自噬非正常现象，由此产生严重的神经毒 性。此外，干扰突触和神经递质的改变也是ACR诱导神经毒性的重要机制。由此可见，ACR可从多途径诱导机体神经损伤，所以寻找降低ACR神经毒性的措施是非常必要的。

　　黄酮类化合物是一种广泛存在于豆科、芸香科、玄参科等自然界植物中的低分子质量化合物，由2-苯基色原酮为基本母核衍生而来，根据其结构可分为黄酮、黄酮醇、黄烷酮和异黄酮等，具有抗氧化、抗炎、抗凋亡、保护神经等多种特性。

　　近年来，天然黄酮类化合物干预ACR神经毒性的研究逐渐深入。在体内外实验中，水飞蓟素、白杨素、EGCG等对ACR神经毒性的干预作用主要是通过行为学、病理学、分子生物学实验得到证实，它们能缓解大鼠步态异常、星形胶质细胞增生、PC12细胞氧化和凋亡等现象。芦丁是一种天然抗氧化黄酮苷，对周围神经毒性的干预效果非常明显。槲皮素、桑色素属于黄酮醇类化合物，其分子结构相似，在动物实验中均表现出强大的抗ACR神经毒性作用。莲房原花青素、葡萄原花青素干预ACR神经毒性的研究大多分布在在体外实验，且不同活性成分对不同细胞的处理明间及剂量不同，主要是通过调节突触可塑性相关蛋白、激活Nrf2信号通路、清除自由基等来减轻ACR对细胞造成的损伤。

　　据报道，黄酮类化合物的活性与其化学结构紧密关联。因此，对ACR神经毒性有干预作用的天然黄酮类化合物的结构特点进行了总结：1）A环的5、7位同时含有羟基，有研究表明这两处的酚羟基同时存在明可增强螯合能力，防止脂质过氧化反应；2）B环大多在4位含有羟基，有报道称此处的酚羟基可增强抗炎活性。因此推断黄酮类成分的自身化学结构与其发挥抗氧化、抗炎特性从而对ACR神经毒性起到干预作用有关。

　　多酚类化合物是一类都会存在于植物的皮、根茎、种子、叶中的重要次生代谢产物，其共同特征是分子结构中含有多个酚羟基，它们能很好地清除自由基、提高抗氧化酶活性、调控机体抗氧化信号通路，从而有很大效果预防ACR诱导的氧化损伤。

　　菜籽多酚是从微波压榨油菜籽中提取的一种酚类化合物，具有比较强的抗氧化活性。在目前的研究中，VE常被用作动物实验中对抗ACR神经毒性的阳性对照，以判断天然产物的抗氧化性能。 据报道，生物活性高、分布范围广的多酚类物质如姜黄素、白藜芦醇等对ACR诱导的多种器官或组织毒性损伤有干预作用，但水溶性差、生物利用度低等缺点限制了其在动物实验或临床研究中的应用。此外，还有研究证明纳米姜黄素在ACR肝毒性中起保护作用，且效果优于姜黄素。

　　一般情况下，抗氧化活性高的化合物结构中酚羟基的数量较多，且含有邻位酚羟基。在可干预ACR神经毒性的多酚类化合物中，酚羟基的数量和位置不一致，而鞣花酸、鼠尾草酸结构中含有相邻的两个酚羟基；白藜芦醇中存在两个间位酚羟基。不同多酚类物质酚羟基的数量与位置是否对ACR神经毒性的干预效果不同还有待进一步研究。

　　皂苷是植物界中存在的一种结构较为复杂的天然糖苷类物质，最重要的包含甾体皂苷和三萜皂苷，广泛分布于人参、柴胡、桔梗等药用植物中，具有抗氧化、抗炎、抗血糖等生理特性。目前，皂苷类化合物在干预ACR神经毒性方面文献不多，大多分布在在三七皂苷R1这一化合物中。

　　硫氧还蛋白-1（Trx-1）是一种重要的抗氧化蛋白，具有调节机体氧化还原平衡、抗凋亡等特点。在体外实验中，0.04、0.05 mg/mL三七皂苷R1预处理PC12细胞24 h，能通过调节Trx-1表达来抑制线粒体介导的凋亡或改善自噬缺陷；同时，小鼠口服25 mg/kg mb三七皂苷R1 28 d可改善ACR引起的空间和认知障碍。因此，Trx-1可当作重要的抗氧化调节因子对抗ACR神经毒性。由此可知，抗氧化在干预ACR诱导的神经毒性中起核心调节作用，与自噬、凋亡间的关系有待进一步讨论。

　　萜类、醚类、生物碱等其他植物源天然产物也是自然界中常见的次生代谢物，在预防和治疗ACR神经毒性方面效果非常明显。大蒜素、芳樟醇、番茄红素的研究大多分布在在小鼠模型中，通过调节神经递质水平、激活Nrf2信号通路、抑制NF-κB炎症通路等方面减轻ACR诱导的神经损伤。此外，小檗碱、硫辛酸也是重要的植物源天然产物，它们对ACR神经毒性的干预作用在体内外不同实验模型中得到验证。

　　综上所述，发现大部分具有干预ACR神经毒性功能的天然产物结构式中都含有数量或位置不同的羟基或酚羟基，这与其发挥抗炎、抗氧化活性有关。因此，可从构效关系方面进一步研究天然产物对ACR神经毒性的干预作用。表1展示了可干预ACR神经毒性的不一样的植物源天然产物，以期为进一步总结天然产物干预ACR神经毒性的作用机制提供理论基础。

　　黄酮、多酚、皂苷和其他类天然产物均对ACR神经毒性损伤都有较好的预防和治疗效果。以下总结了植物源天然产物干预ACR神经毒性的作用机制，主要有减轻氧化应激、抑制炎症反应、抗细胞凋亡和自噬异常、调整神经递质水平、提高突触可塑性等，可为寻找丰富的天然活性成分和多靶点、多途径防止ACR引起的神经损伤提供参考。图2为天然产物干预ACR神经毒性的部分作用机制。

　　在各种研究中，减轻氧化应激是抑制ACR毒性最重要的机制之一。ACR是α,β-不饱和亲电试剂，能够与GSH发生偶联反应，形成谷胱甘肽S-偶联物，从而耗尽细胞内GSH抗氧化储备，导致ROS过度积 累。在自由基过量产生明，保护性的抗氧化酶充当自由基陷阱，氧化损伤因ACR诱导的抗氧化酶活性降低而进一步加剧，且神经系统氧代谢较为活跃，其抗氧化防御能力低于其他组织，因此被认为是ACR氧化损伤最重要的靶点之一。研究之后发现，大量天然产物能够最终靠减少ROS生成量，提高GSH水平及SOD、GPX、CAT等抗氧化酶活性来减轻氧化应激。其次，线粒体是产生ROS的主要场所，过量的ROS会攻击线粒体内外膜，造成脂质、蛋白质的氧化降解和DNA损伤，最终影响线粒体膜通透性。研究表明，槲皮素可以通过降低MDA、8-羟基脱氧鸟苷、蛋白羰基水平缓解脂质过氧化、DNA及蛋白质损伤。另外，Nrf2是维持细胞内氧化还原平衡的经典通路。此外，硫辛酸能够抑制细胞质中Keap1表达，促进Nrf2从细胞质向细胞核中转移，提高NQO-1、HO-1表达，从而保护SH-SY5Y细胞免受ACR造成的毒性损伤。

　　炎症是机体应对刺激的一种自动防御反应，可由不同致炎因子诱导引起，同时也与氧化应激紧密关联。ACR诱导的神经炎症的典型特征是激活神经胶质细胞和释放炎性介质。NF-κB是炎症反应的核心调节因子，在机体氧化还原稳态失衡中被激活，引起TNF-α、IL-6、IL-1β等促细胞炎因子释放。研究表明，天然产物能够调节IκB表达，抑制NF-κB及下游促炎因子的转录水平。NLRP3炎症小体是细胞中特定的炎症信号分子，主要位于小胶质细胞中，可由NF-κB和MAPK启动，其抑制剂可减轻ACR亚急性神经毒性。此外，ACR暴露明，ROS优先激活MAPK通路，再刺激NF-κB炎症通路，随后Nrf2发挥补偿机制，提示不同通路之间有串扰，会共同作用加剧炎症反应。

　　细胞凋亡是由一系列基因调控的细胞自主有序的主动性死亡过程，对维持所有生物体的内稳态至关重要。一方面，ACR通过ROS介导经典线粒体途径诱导细胞凋亡。ROS作用于线粒体，导致线粒体跨膜电位降低，促进Cyt-c从线粒体释放到细胞质中，并激活下游Caspase级联反应，招募凋亡小体，最后导致细胞凋亡。大量研究显示，植物源天然产物能够下调促凋亡相关蛋白如Caspase-9、Caspase-3、Bax的表达，上调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，维持抗凋亡与促凋亡蛋白间的平衡。另一方面，在ACR刺激下，ROS在内质网中过度积聚，导致内质网未折叠或错误折叠蛋白量异常增多，引起内质网应激，最终启动内质网凋亡程序。

　　自噬是细胞内一种自我降解并循环利用降解物质的过程，在维持细胞内环境稳态方面有及其重要的作用。据报道，自噬与凋亡之间有一定的交互作用。当暴露于低剂量ACR明，通常启动自噬清除受损的细胞器，促进细胞存活；当暴露于高剂量ACR明，自噬不足以维持能量平衡并保持细胞正常的内稳态，导致细胞凋亡或坏死。研究之后发现，菜籽多酚能调节自噬体降解相关蛋白P62、LC3-II/LC3-I表达；同时，加入自噬抑制剂后，能够缓解ACR诱导的PC12细胞凋亡 。然而目前关于天然产物对自噬和凋亡的干预机制主要是调节机体促凋亡与抗凋亡间的平衡，恢复自噬通量不正常的情况，凋亡与自噬的关系及mTOR在其中的作用仍有待深入研究。

　　ACR是一种2型烯烃，能够与突触前蛋白的半胱氨酸残基形成共价加合物，造成神经末梢受损，因此神经末梢常被认为是ACR攻击的主要部位。神经递质是由神经末梢分泌的一种特殊化学物质，根据其化学成分不同，可大致分为胆碱类、单胺类、氨基酸类等，能够与相应受体结合，随后经过一系列信号转导途径，在神经元间传递信息。据报道，ACR会影响神经递质的合成、储存、释放等代谢过程，造成神经递质的异常改变，促进下游退行性变，最终影响运动与行为功能障碍。研究表明，大蒜素、番茄红素可通过维持NA、DA、5-HT等单胺类神经递质的代谢，缓解中枢神经递质系统损伤；同时，通过提高脑组织ACh含量及AChE活性，改善ACR诱导的胆碱类神经递质紊乱 。综上可知，调节神经递质水平可能是植物源天然产物发挥神经保护作用的重要机制。

　　突触是神经末梢递质释放的关键部位，是调节体内神经元活动的基础。研究表明，ACR刺激会改变突触的形态和功能，损害神经系统的突触可塑性；而天然产物对突触可塑性的改变具有调节作用。银杏叶提取物能提高人GAP-43、双皮质素及BDNF表达，抑制ACR诱导的神经元死亡，恢复突触再修复功能，改善突触结构伤害损坏。研究表明，ACR刺激会影响参与调控突触可塑性的细胞骨架蛋白；而莲房原花青素能上调突触前标记物-突触素I及PSD95的表达，促进突触形成和传递；同时，莲房原花青素提高了细胞骨架Arc及细胞骨架的组成成分——Tuj1的表达，维持了突触活性，促进了细胞间信息传递。因此，植物源天然产物通过调节神经因子、突触相关蛋白及细胞骨架蛋白的表达来提高突触可塑性，重建突触结构和功能，从而缓解ACR诱导的神经元损伤。

　　近年来，天然活性产物因其具有抗氧化、抗炎、抗凋亡等强大的生物活性和安全、健康等特点而非常关注。植物源天然产物主要是通过减轻氧化应激，抑制炎症反应，提高突触可塑性，调整神经递质水平，抗细胞凋亡和自噬异常，调控Nrf2、NF-κB、AMPK等信号通路发挥神经保护作用。本文综述的天然产物对ACR所致神经损伤均表现出良好的干预效果，但仍存在一些问题是需要进一步研究。

　　第一，文献报道的天然活性产物干预ACR神经毒性的实验研究呈多样性，但部分实验不完整。不同的研究者采用的给药方式、明间与剂量不完全一样；部分实验缺乏阳性对照，如研究天然产物对ACR诱导神经毒性的干预是否依赖于其抗氧化作用，可以将VE作为阳性对照；有些研究文献数量较少，缺乏动物实验或细胞实验，其结论有待进一步研究；尽管大多数实验对ACR毒性干预作用做了较为系统性的研究，但都是在体外细胞模型和体内实验动物中结合进行的，人与实验动物之间有显著的差异，一定要进行临床试验以确定这些天然产物是否能有效保护患者免受ACR造成的神经损伤。

　　第二，目前研究的对ACR神经毒性具有干预作用的天然活性物质多为单一化合物，且很多成分的化学结构较为类似，例如槲皮素和桑色素，都含有数量相等的酚羟基基团，因此未来可从构效关系方面探讨不同化合物的干预作用。部分植物粗提物在治疗ACR诱导的神经毒性损伤方面具有非常明显的效果，但缺乏对提取物的组成成分及相对含量的研究，并且其中起最大的作用的活性成分尚不明确，不同成分有没有协同或拮抗作用以及剂量效应还有待阐明，能更加进一步分离纯化各个提取物，明确其构效和量效关系，从分子机制方面深入探讨活性成分的治疗效果及其作用靶点。另一方面，姜黄素、白藜芦醇等天然产物的生物利用度低，也可通过化学修饰、制备纳米给药系统等手段来提高化合物的稳定性和生物利用度，进而探讨其对ACR的解毒效果。

　　第三，现阶段虽然天然产物对ACR的毒性损伤干预作用及机制研究较多，但大部分围绕某一个信号通路进行研究，各通路间的联合调控机制还未阐明，后续可以将关键信号通路关联起来，结合基因组学、蛋白组学和代谢组学技术寻找新的干预靶点，全面探索天然产物对ACR诱导的神经毒性的干预作用及机制。此外，抗氧化应激是天然产物治疗ACR神经损伤的重要机制，但目前关于抗氧化通路的研究还不够深入，大部分研究停留在调节氧化应激相关指标上，建议从氧化与自噬、凋亡、炎症间关系出发，从分子层面上做深入研究。

　　第四，以热加工食品为主食的人群和职业工作人群存在较高的ACR暴露风险，研究之后发现大部分植物源天然产物能够最终靠膳食获取，这是一种安全且便捷的降低ACR对人和动物神经毒性的方式。因此，开发以植物源天然产物为主要成分的健康膳食食谱、功能食品以及膳食补充剂，研发适合产业化的食品制备工艺具有较大的市场潜力。

　　理学博士，硕士生导师。现任天津商业大学教授，兼任天津市食品学会理事、天津市微量元素学会理事及微量元素分析检测专业委员会主任委员。获得荣誉有天津市“131”创新型人才团队带头人、天津市131创新型人才教育培训工程第一层次人选、天津市高等学校学科领军人才等。主要是做食品与药品组分结构、营养功能与作用机制的研究工作，已发表学术论文90余篇，其中SCI核心期刊收录40余篇。荣获天津市科学技术进步一等奖、中国商业联合会科学技术一等奖。

　　研究方向为药食同源物质研究与开发。主要参与天津市“131”创新型人才团队项目。

　　本文《 植物源天然产物干预丙烯酰胺神经毒性的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷23期332-341页. 作者：张梦玉，张彦青，房雷雷，解军波，魏英豪. DOI:10.7506/spkx1209-098. 点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

　　实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

　　为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科学技术创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科学技术创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国 北京 召开。

　　为提高我国食品营养与安全科技自主创新和食品科技产业支撑能力，推动食品产业升级，助力‘健康中国’战略，北京食品科学研究院、中国食品杂志社、国际谷物科技学会（ICC）将与湖北省食品科学技术学会、华中农业大学、武汉轻工大学、湖北工业大学、中国农业科学院油料作物研究所、中南民族大学、湖北省农业科学院、湖北民族大学、江汉大学、湖北工程学院、果蔬加工与品质调控湖北省重点实验室、武汉食品化妆品检验所、国家市场监管实验室（食用油质量与安全）、环境食品学教育部重点实验室共同举办“第五届食品科学与人类健康国际研讨会”。会议时间： 2024年 8月 3—4 日 ，会议地点： 中国 湖北 武汉 。