中草药单体调节氧化磷酸化干预DKD的分子机制

Molecular Mechanisms of Monomer Compounds from Chinese Herbal Medicine in Regulating Oxidative Phosphorylation for Intervention in Diabetic Kidney Disease

摘要: 糖尿病肾病(DKD)的病理进展与线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)功能障碍以及氧化应激密切相关，但目前缺乏直接靶向该通路的有效治疗药物。本研究系统性地评估了多种中药单体调节线粒体OXPHOS通路、缓解氧化应激的分子机制及其临床转化潜力。我们发现，不同类型的中药单体通过靶向调控线粒体电子传递链(ETC)的特定复合物来发挥肾脏保护作用。例如，多酚类化合物主要激活SIRT1/PGC-1α信号轴，增强氧化磷酸化活性；苷类化合物通过Nrf2/TFAM通路促进线粒体生物合成并恢复氧化磷酸化。这些发现揭示了不同类型中药单体在多层次、多靶点调控线粒体OXPHOS系统中的巨大潜力，为开发新型DKD治疗药物提供了坚实的理论框架和多靶点选择。

Abstract: The pathological progression of diabetic kidney disease (DKD) is closely associated with mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) dysfunction and oxidative stress, yet effective therapeutic agents directly targeting this pathway remain scarce. This study systematically evaluated the molecular mechanisms by which multiple Chinese herbal monomers modulate the mitochondrial OXPHOS pathway and alleviate oxidative stress, alongside their clinical translational potential. We discovered that distinct classes of TCM monomers exert renal protective effects by targeting specific complexes within the mitochondrial electron transport chain (ETC). For instance, polyphenolic compounds primarily activate the SIRT1/PGC-1α signaling axis to enhance oxidative phosphorylation activity, whilst glycosides promote mitochondrial biogenesis and restore oxidative phosphorylation via the Nrf2/TFAM pathway. These findings reveal the substantial potential of diverse TCM monomers to regulate the mitochondrial OXPHOS system through multi-level, multi-target mechanisms, providing a robust theoretical framework and multi-target options for developing novel DKD therapeutics.

1. 介绍

糖尿病肾病(Diabetic Kidney Disease, DKD)是糖尿病主要微血管并发症，累及约40%的长期糖尿病患者，其病理进程呈现阶段性演变特征[1] [2]。疾病初期表现为肾小球高滤过与微量白蛋白尿，随病程进展出现大量蛋白尿，最终导致终末期肾病(End-Stage Renal Disease, ESRD)并需肾脏替代治疗[3] [4]。足细胞损伤是DKD核心病理机制[5]-[7]，且其损伤程度已成为评估疾病预后的独立危险因素[8] [9]。该病理过程涉及以下机制：高血糖介导的线粒体氧化应激、炎性小体激活触发的慢性炎症级联反应、肾小球内高血压诱导的血流动力学紊乱，以及线粒体功能障碍[10]-[12]。其中，线粒体氧化应激与氧化磷酸化之间存在密切的关系，这种关系不仅体现在氧化磷酸化过程中活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)的产生，还涉及氧化应激对线粒体功能和代谢的调控作用。

线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)系统构成细胞能量代谢的核心枢纽，其通过电子传递链(Electron Transport Chain, ETC)的四种蛋白复合物(I~IV)与ATP合成酶(复合物V)协同作用，实现氧化还原反应与ATP合成的能量耦合[13]。ETC复合物I (NADH脱氢酶)作为电子传递的初始位点，同时是ROS生成的主要来源[14]。研究表明，复合物I通过构象变化(活性状态→休眠状态转换)动态调节ROS水平。复合物III (泛醌–细胞色素c还原酶)同样参与ROS生成，其功能抑制可显著增强线粒体ROS产生[15] [16]。在抗氧化防御系统受损的条件下，过量蓄积的ROS作为应激介质，诱发氧化应激状态[17]。因此，靶向调节OXPHOS系统关键组分(尤其复合物I~IV)的活性状态，成为干预DKD氧化应激损伤的新兴治疗策略。

尽管线粒体OXPHOS系统的重要性日益凸显，但目前针对其进行精准调控以治疗DKD的药物研究仍处于起步阶段。现有研究大多集中于泛泛的抗氧化或抗炎策略，未能深入剖析如何通过调控特定的线粒体复合物来恢复其功能。现有研究证实多酚类、皂苷类及生物碱类中草药单体在DKD治疗中具有显著药理活性[18]-[21]，其通过调节氧化磷酸化(OXPHOS)通路发挥治疗作用的分子机制尚未完全阐明。

本文将详细阐述这些中药单体如何通过精准调控线粒体OXPHOS系统来缓解DKD的病理损伤。这项研究为未来基于线粒体OXPHOS功能调控的DKD精准治疗和药物开发提供了重要的科学依据。

2. 中草药单体通过调节OXPHOS干预DKD

中草药具有多种活性成分，多酚类、皂苷类及生物碱类中草药单体可特异性靶向线粒体分子元件，选择性调控OXPHOS代谢通路，为干预DKD的线粒体功能障碍提供分子基础。

2.1. 多酚

多酚类化合物作为中草药的代表性活性组分，其结构多样性及多重生物活性已得到充分表征。该类化合物的分子结构特征为芳香环多羟基取代，主要包括黄酮类、单宁类与木脂素等亚型[22]。作为植物的次级代谢产物，天然多酚类化合物具有抗氧化、抗炎及调节自噬等多种生物活性[23] [24]。

2.1.1. 白藜芦醇

白藜芦醇(Resveratrol)是一种天然多酚类化合物，存在于虎杖(Polygonum cuspidatum)和莎草属(Cyperaceae，如C. rotundus)等传统中草药中，具有多种生物学效应[25]。该化合物具有显著的抗氧化能力，可通过清除自由基和抑制脂质过氧化来保护细胞免受氧化应激损伤[26]。此外，白藜芦醇还可改善胰岛素敏感性并调节糖代谢，对糖尿病具有潜在的预防和治疗作用[27]。

研究显示，白藜芦醇通过激活AMPK，抑制mTOR下游效应物S6激酶和4E-BP1的磷酸化，从而减轻肾脏氧化应激和纤维化[28]。此外，白藜芦醇通过激活SIRT1及其下游靶点发挥关键作用。这包括激活SIRT1/FOXO3a信号轴，介导线粒体保护效应，改善高糖诱导的足细胞氧化应激损伤和凋亡[29]。

PGC-1α (过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α)是调控线粒体生物合成和功能的核心转录共激活因子[30]。SIRT1通过去乙酰化激活PGC-1α，增强其转录活性[31]。进而提升电子传递链复合物I与III的活性，稳定线粒体膜电位；抑制细胞色素C (Cytochrome c)及促凋亡蛋白从线粒体向胞质的异常转位[32]。鉴于复合物I和III是生理与病理状态下ROS生成的关键位点[15]，RES通过增强二者活性降低ROS水平，进而减轻高糖诱导的氧化应激与蛋白尿[32]。综上，白藜芦醇主要通过激活SIRT1/PGC-1α信号轴，靶向增强OXPHOS通路(特别是复合物I和III)的功能，抑制线粒体ROS爆发，从而治疗DKD引起的足细胞损伤[33]。

2.2. Glucosides

苷类天然产物是指由糖基(如葡萄糖、果糖等)与非糖部分(如黄酮、皂苷、生物碱等)通过糖苷键连接而成的化合物。根据苷元的结构和来源，苷类天然产物可以分为多种类型，如黄酮苷、皂苷、氰苷、核苷等[34] [35]。

2.2.1. 红景天苷

红景天苷(Salidroside)是传统中草药红景天的主要活性成分(属黄酮苷类化合物) [36]，在多种肾脏疾病模型中表现出显著的保护作用[37] [38]。例如，红景天苷通过抑制TLR4/NF-κB和MAPK信号通路，减少炎症因子释放并抑制上皮–间质转化(EMT)，从而减轻肾间质纤维化及细胞外基质(ECM)沉积，最终改善肾功能损伤[39]。红景天苷在SAMP8小鼠模型中通过调节铁代谢并抑制铁死亡相关蛋白(如GPX4、SLC7A11)的表达，显著抑制肾纤维化进程[40]。

在db/db糖尿病模型中，红景天苷可显著降低尿白蛋白排泄率并改善肾功能损伤[41] [42]，同时抑制高糖诱导的足细胞凋亡[43]。红景天苷还可通过激活SIRT1/Nrf2信号通路上调SIRT1和Nrf2蛋白表达，进而激活Nrf2调控的抗氧化酶(如HO-1和NQO1)，显著降低脂多糖诱导的肾组织ROS水平，从而增强足细胞抗氧化能力并减轻氧化应激损伤[44]。

AMPK的激活可以促进线粒体生物发生，而线粒体生物发生通常与复合物I的活性增强有关[45]。红景天苷通过激活AMPK/SIRT1通路，改善线粒体功能，从而影响复合物I的活性。红景天苷还通过激活SIRT1/PGC-1α通路维持足细胞足突结构完整性，并修复链脲佐菌素(STZ)诱导的线粒体功能障碍，尤其可恢复呼吸链复合物IV (细胞色素c氧化酶)活性[46]。与白藜芦醇激活SIRT1/PGC-1α通路不同的是，红景天苷则主要通过抑制β-catenin信号通路来减轻肾小球损伤和蛋白尿。该作用直接提升OXPHOS效率，减少线粒体ROS蓄积，从而维持足细胞足突结构完整性。其治疗DKD的多靶点机制体现为：修复复合物IV功能以优化OXPHOS效率；降低线粒体ROS蓄积以缓解氧化应激；维持足细胞线粒体稳态以延缓疾病进展。红景天苷主要通过激活SIRT1/Nrf2通路增强抗氧化能力，同时激活SIRT1/PGC-1α通路并修复呼吸链复合物IV活性。

2.2.2. 黄芪甲苷-IV

黄芪甲苷IV (AS-IV)是一种从黄芪(Astragalus membranaceus)中提取的天然三萜皂苷类化合物，具有广泛的药理活性和临床应用价值[47] [48]。它在传统中医中被广泛使用，用于治疗多种疾病，包括心血管疾病、肝病、肾病、神经退行性疾病等[49]-[51]。其对肾脏的保护作用在：黄芪甲苷IV通过抑制NLRP3炎症小体的激活和相关炎症反应，从而在DKD、顺铂诱导的肾损伤[52]。AS-IV通过抑制NF-κB介导的炎症基因表达，减少炎症因子如TNF-α、MCP-1和ICAM-1的血清水平，从而减轻DKD中的炎症反应[53]。黄芪甲苷IVAS-IV还可以通过调节钙离子通道(如TRPC6)和钙离子浓度，抑制高葡萄糖或棕榈酸诱导的足细胞凋亡[54]。钙离子稳态的调节有助于维持细胞功能并减少氧化应激[54]。在db/db小鼠模型中，黄芪甲苷IV显著改善肾功能障碍与足细胞损伤，延缓DKD进展[55]。黄芪甲苷IV通过调节Nrf2/ARE信号通路，增强抗氧化能力，减少ROS的产生，从而保护足细胞免受高血糖诱导的氧化损伤[56] [57]。

黄芪甲苷IV可以通过激活Nrf2/线粒体转录因子A (TFAM)通路促进线粒体生物合成，恢复电子传递链复合物I活性，优化OXPHOS代谢效率；此过程通过维持线粒体稳态保障细胞能量供应，最终减轻高糖诱导的足细胞损伤[58]。黄芪甲苷IV主要通过Nrf2/TFAM通路，恢复复合物I活性，从而恢复OXPHOS，减少ROS，减轻氧化应激，改善DKD。

2.2.3. 虎杖苷

虎杖苷(Polydatin, PD)系中药西洋参(Panax quinquefolius L.)根的主要生物活性成分，属白藜芦醇苷类化合物[59]。虎杖苷通过多种机制对肾脏提供保护作用，包括抗氧化、抗炎、抗凋亡、抗纤维化、抑制铁死亡等[60] [61]。虎杖苷也能够改善心磷脂水平，从而维持复合物III和IV的正常功能，从而改善氧化磷酸化过程[62]。Polydatin可以通过减少脂质过氧化、提高电子传递链(ETC)活性和减少ROS水平来保护线粒体功能[63]，并且靶向抑制HIF-1α/NOX4信号通路，减轻氧化应激并修复足细胞结构，从而保护肾小球功能[64]。

研究表明，虎杖苷通过激活SIRT3，能够改善足细胞的氧化应激状态，从而减轻高果糖诱导的足细胞损伤[64]。SIRT3通过去乙酰化作用增强复合物I和II的活性，从而提高线粒体的ATP生成能力[65]。基于此，基于虎杖苷通过SIRT3改善足细胞氧化磷酸化功能障碍的假说，可通过实验验证该机制，以填补PD靶向OXPHOS治疗的机制空白。

2.2.4. 人参皂苷

人参皂苷Rb1是人参中的一种主要活性成分，属于原人参二醇皂苷类化合物[66]。研究表明，人参皂苷Rb1可以通过抑制线粒体电子传递链、诱导细胞凋亡、抑制自噬等机制发挥抗癌作用[67]。人参皂苷Rb1可以抑制心肌细胞线粒体复合物I的活性，减少ROS的产生，从而保护细胞免受氧化应激的损害[68]。

GRb1通过抑制NF-κB、JNK和p38信号通路，减轻TNF-α介导的炎症损伤[69]。在链脲佐菌素(STZ)诱导的DKD模型中，人参皂苷Rb1通过特异性抑制醛糖还原酶(AR)活性，下调线粒体细胞色素c (Cyto c)的释放，从而恢复OXPHOS的代谢效率；此过程通过增强线粒体呼吸功能减少ROS的生成，最终减轻了氧化应激介导的肾组织损伤[70]。人参皂苷Rb1通过优化线粒体电子传递链功能，尤其通过精准调控复合物I活性，从而有效预防反向电子传递(RET)介导的ROS损伤[68]。上述作用协同提升OXPHOS代谢效率，增强线粒体呼吸功能并减少ROS累积，最终通过恢复OXPHOS稳态减轻足细胞氧化应激损伤。

2.3. 生物碱

小檗碱(Berberine, BBR)是中药黄连(Coptis chinensis Franch)的特征性异喹啉类生物碱，亦是其肾脏保护作用的关键活性成分[71]。多项研究证实，小檗碱具有抗炎[72]与抗糖尿病活性[73]，为DKD的干预提供药理学基础。在DKD动物模型中证实，小檗碱改善肾小球硬化及基底膜增厚等病理改变，并逆转尿蛋白排泄增加与肌酐清除率降低等肾功能异常[74]。

研究发现，小檗碱能够剂量依赖性地抑制线粒体呼吸链复合物I (Complex I)的活性[75]；然而存在报道显示，在db/db小鼠和高糖处理的足细胞中，研究发现DKD病理状态本身会导致复合物I、IV和V的活性显著下降，而小檗碱治疗则能够恢复这些复合物的活性，从而重建线粒体能量稳态[76]-[78]。对于看似矛盾的现象，可能是由于：在DKD的高糖环境下，线粒体处于功能紊乱状态，上游复合物(特别是复合物I)可能因底物过载而“过度活化”，产生大量活性氧(ROS)，这种氧化应激进而损伤了包括复合物IV (细胞色素c氧化酶)和复合物V (ATP合酶)在内的整个呼吸链，导致其功能下降。小檗碱的作用并非直接抑制功能已受损的复合物IV和V。相反，小檗碱通过特异性地抑制上游的复合物I，起到了“减压阀”的作用[75]；减轻氧化应激：抑制复合物I减少了电子泄漏和ROS的产生，从而保护了下游的复合物IV和V免受进一步的氧化损伤。

3. 讨论

氧化应激作为DKD发病机制的核心环节，其根源在于线粒体OXPHOS代谢紊乱。本综述表明，中草药单体凭借多靶点调控特性，在纠正足细胞OXPHOS功能障碍及缓解氧化应激方面具有显著潜力。目前关于天然活性成分调控OXPHOS的研究还存在大量空白，可以在未来进一步深入探讨。多酚类天然产物通过AMPK/SIRT1/PGC-1α通路，提升OXPHOS效率，从而减少ROS，减轻氧化应激。AMPK/SIRT1/PGC-1α通路是一个在能量代谢、线粒体功能、抗氧化应激和细胞存活中起关键作用的信号通路，其在多种生理和病理过程中具有广泛的应用和研究价值。

4. 结论

现有研究证实，靶向OXPHOS代谢通路是中草药单体治疗DKD的关键机制。不同类别活性成分(多酚类、苷类、生物碱类)通过特异性信号轴(如AMPK/SIRT1、Nrf2/TFAM)改善足细胞线粒体能量代谢，从而缓解氧化应激损伤。这种多靶点干预模式突显了中草药在调节复杂代谢网络中的独特优势，为其成为DKD治疗候选药物奠定了理论基础。当前研究仍面临双重瓶颈：第一、机制深度不足：单一靶点研究难以解析OXPHOS与炎症、内质网应激的交互网络；第二、临床转化滞后：临床前模型与人体病理存在代际差异。

突破路径需聚焦以下方向首先，可以利用动物和细胞实验，深度挖掘中草药单体作用于足细胞氧化磷酸化的具体机制。如：在特定疾病模型(如基因敲除或药物干预)中，同步进行转录组、蛋白质组、磷酸化蛋白质组和代谢组学分析。其次，创新临床试验：建立基于线粒体生物标志物(如尿液mtDNA)的适应性试验设计。以及在人体肾脏组织标本探索中草药单体对于足细胞的作用，探索临床前模型与人体病理在氧化磷酸化方面的差异。

NOTES

^*通讯作者。