《Redox Biology》：The Dual Roles of Natural Cannabidiol in Combating Oxidative Stress and Inflammation: A Potential Intestinal Guardian
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本文系统综述了大麻二酚（CBD）通过调节内源性大麻素系统（ECS）、激活核因子E2相关因子2（Nrf2）通路、抑制核因子κB（NF-κB）及NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体等关键靶点与通路，在维持肠道氧化还原稳态、减轻炎症反应、保护肠屏障完整性及调节肠道微生物群（GM）方面的多重作用机制，并探讨了其通过肠-脑轴和肠-肝轴对全身性疾病的潜在治疗价值，为CBD在炎症性肠病（IBD）和结直肠癌（CRC）等肠道相关疾病的临床应用提供了理论依据。
2. CBD：维持氧化还原稳态的植物成分
活性氧（ROS）是氧代谢不可避免的副产物，对哺乳动物细胞生存至关重要，而胃肠道是ROS产生的主要场所。主要的细胞内ROS——羟基自由基（•OH）、过氧化氢（H2O2）和超氧化物（O2-•）——主要来源于分子氧的单电子还原，这是由于线粒体电子传递链（ETC）的电子泄漏，或通过NADPH氧化酶（NOX）和黄嘌呤氧化酶（XO）等氧化酶的直接催化。超氧化物歧化酶（SOD）将ETC来源的O2-•转化为H2O2，随后被过氧化氢酶（CAT）代谢为H2O和O2；在过渡金属（如Fe2+、Cu2+）存在下，H2O2容易发生Fenton反应，生成高反应活性的•OH。过量的ROS会压倒解毒和修复机制，导致DNA、RNA、蛋白质和脂质发生非特异性氧化损伤，并导致肠道氧化应激。
CBD是一种具有内在抗氧化能力的萜酚类化合物，通过多种机制减轻ROS积累：通过其电子捐赠的甲基和羟基基团直接清除自由基；螯合氧化还原活性的过渡金属以阻断Fenton驱动的•OH形成；抑制XO和NOX等产生活性氧的氧化酶。通过这些直接的化学和酶学机制，CBD有效抑制ROS形成并发挥即时抗氧化保护作用。
除了直接的抗氧化作用，CBD还激活氧化还原调节的信号通路——最突出的是核因子E2相关因子2（Nrf2）/Kelch样ECH关联蛋白1（Keap1）/抗氧化反应元件（ARE）通路。在基础条件下，Keap1形成一个基于Cullin-3（Cul3）的E3连接酶复合体，泛素化Nrf2；Keap1半胱氨酸（Cys）的氧化修饰允许Nrf2核转位并诱导细胞保护基因。CBD是这一抗氧化程序的关键上游激活剂。
3. CBD的抗炎机制：氧化还原调节下的NF-κB和NLRP3炎症小体信号
除了在氧化还原调节中的作用外，抑制炎症是CBD作用的一个主要机制，主要是通过抑制核因子κB（NF-κB）通路。NF-κB是由p50、p52、p65（RelA）、RelB和c-Rel等亚基组成的二聚体转录因子，被抑制剂IκBα隔离在细胞质中。促炎刺激——包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-1α（IL-1α）和脂多糖（LPS）——激活IκB激酶（IKK）复合体（IKKα/IKKβ/IKKγ），后者磷酸化IκBα并靶向其进行泛素-蛋白酶体降解。释放的NF-κB转位到细胞核，诱导诸如白介素-1β（IL-1β）、白介素-6（IL-6）、TNF-α和干扰素-γ（IFN-γ）等炎症介质的转录。CBD在多个系统中减弱这一通路。
除了抑制NF-κB，CBD还抑制NOD样受体家族pyrin结构域包含蛋白3（NLRP3）炎症小体的激活，这是NF-κB依赖的一个关键效应器，与多种炎症性疾病有关。炎症小体由传感器NLRP3、衔接蛋白凋亡相关斑点样蛋白（ASC）和半胱天冬酶-1前体（pro-caspase-1）组成。NF-κB核转位启动启动步骤，诱导NLRP3、pro-caspase-1、pro-IL-1β和pro-IL-18的转录。激活步骤由细胞应激信号触发——K+外流、Ca2+内流、Cl-外流、溶酶体破裂或ROS积累——这些信号通过NEK7促进NLRP3寡聚化并组装成活性NLRP3–ASC–caspase-1复合体。激活的caspase-1切割pro-IL-1β和pro-IL-18，产生驱动炎症放大的成熟细胞因子。CBD抑制这一过程的两个步骤。
值得注意的是，NF-κB信号和NLRP3炎症小体的激活依赖于精确的氧化还原调节，其中关键蛋白质中的Cys残基响应ROS（特别是H2O2）和谷胱甘肽（GSH）等抗氧化系统而发生氧化修饰，从而调节蛋白质功能。
4. ECS：CBD的药理学靶点
作为氧化还原和免疫稳态的经典调节剂，Nrf2激活和NF-κB抑制被广泛认为是支撑CBD抗氧化和抗炎作用的核心分子机制。然而，仅这些通路并不能完全解释CBD广泛的药理学特征。作为一种植物大麻素，CBD也通过内源性大麻素系统（ECS）发挥作用——这是一个多维度的调节网络，其信号架构为了解CBD的细胞内机制提供了关键见解。鉴于肠道内ECS组分的高丰度，CBD可能影响肠道氧化还原平衡和免疫调节，可能有助于其多样的药理作用。
4.1. ECS的组成
大麻素受体1（CB1）和2（CB2）是充分表征的G蛋白偶联受体（GPCRs），CB1主要在中枢神经系统（CNS）表达，特别是在前岛叶等区域，而CB2主要在免疫细胞、小胶质细胞、血管和周围神经系统中发现。内源性大麻素，包括花生四烯酸乙醇胺（AEA）和2-花生四烯酰甘油（2-AG），是由膜磷脂合成的脂质衍生分子，作为CB1和CB2受体的内源性配体。
4.2. ECS在肠道中的调节功能
ECS的组分存在于肠上皮和内分泌细胞中，在维持肠道稳态方面起着关键作用。它们调节基本的胃肠道功能，包括运动性、通透性、激素分泌、营养吸收和炎症反应。CB1受体定位于肠神经系统（ENS），特别是在含有乙酰胆碱的胆碱能神经元中，也存在于传入迷走神经元中，调节神经递质释放。CB2受体在肠道免疫细胞和肠粘膜上皮细胞中表达，影响回肠收缩性并参与免疫功能。CB1和CB2受体在调节肠道炎症中也发挥作用。
内源性大麻素水平的变化，特别是AEA的变化，与肠道免疫状态密切相关。研究表明，与健康个体相比，克罗恩病（CD）患儿在整个疾病过程中的血液AEA水平较低，而2-AG水平保持稳定。在IBD患者中，一项研究显示，与未发炎区域相比，肠粘膜发炎区域的AEA含量显著降低，而2-AG水平不变。此外，该研究观察到AEA合成酶NAPE-PLD的活性降低，同时伴随着降解AEA的FAAH活性增加。值得注意的是，负责内源性大麻素降解的酶（如FAAH和MAGL）的抑制剂在缓解肠道炎症症状方面已显示出有益效果。
4.3. CBD与ECS受体的相互作用
除了CB1和CB2，ECS还包括其他几种对内源性大麻素有反应的受体，通常被称为大麻素样受体，它们越来越被认为是ECS信号传导的组成部分。这些受体——如过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）、瞬时受体电位香草素1（TRPV1）、G蛋白偶联受体55（GPR55）、5-羟色胺1A受体（5-HT1A）和腺苷A2A受体（A2A）——参与多种生理过程，包括炎症调节和氧化还原稳态。它们都在肠道系统内表达，有助于肠道生理的基本方面。考虑到ECS的肠道调节特性和CBD与多个ECS组分相互作用的能力，了解CBD如何与这些受体结合对于阐明其对肠道功能的调节影响至关重要。
5. CBD在肠道中的潜在作用
肠道是营养消化和吸收的中心器官，肠上皮分解膳食成分并将必需营养物质运输到全身以满足系统生理需求。除了其代谢作用外，肠道还作为一个主要的免疫器官，并包含ECS的所有核心元件。通过其与肠道ECS组分的相互作用，CBD可以调节肠道生理的关键方面，包括上皮屏障完整性和GM组成。这些调节特性突出了CBD作为一种能够支持肠道稳态的生物活性植物化学物质的潜力，可能在营养或辅助饮食策略中具有应用前景。此外，CBD诱导的GM组成变化可能产生更广泛的生理效应，影响全身远端器官的功能和健康。
5.1. 肠道功能
5.1.1. 肠道屏障
肠道屏障对于维持肠道稳态至关重要，由四个主要组成部分组成：由肠上皮细胞（IECs）和紧密连接形成的机械屏障；包含免疫细胞和细胞因子的免疫屏障；粘液和抗菌肽组成的化学屏障；以及由GM介导的微生物屏障。这些系统共同防止有害的管腔物质（如病原体和毒素）易位到外周组织。
当肠道屏障受损时，肠道通透性增加，允许管腔抗原进入固有层，引发肠道炎症，严重时可能进入体循环并损害远端器官。屏障完整性的评估通常涉及跨上皮电阻（TEER）测量、使用甘露醇、菊粉、葡聚糖、PEG 4000或荧光素的细胞旁通量测定，以及对紧密连接蛋白（如claudins、连接粘附分子（JAMs）、闭锁小带（ZOs）和occludin）的评估。
肠道中的ROS与屏障功能密切相关。适量的ROS是抗氧化防御系统的一部分，作为信号分子在肠道炎症和免疫反应中起着关键作用。NOX1是NOX家族的一员，在肠上皮细胞和中性粒细胞中高表达，有助于免疫防御和炎症过程，维持肠道免疫屏障的功能。这意味着由NADPH氧化酶产生的ROS，包括O2•-及其衍生物如H2O2和•NO，对肠道免疫功能至关重要。然而，过度的炎症，如大量的O2•-、H2O2和•NO，可引起大分子的氧化修饰，导致氧化应激和肠粘膜功能障碍。脂质过氧化是肠道屏障损伤的一个主要机制。细胞膜的关键成分多不饱和脂肪酸和胆固醇发生过氧化，破坏脂质稳态和膜功能。此外，ω-3和ω-6多不饱和脂肪酸（PUFAs）容易发生氧化修饰，形成亲电醛类（α-和β-不饱和醛），与蛋白质和核酸相互作用，改变其结构和功能，破坏细胞信号传导，从而损害肠道屏障完整性。因此，使用抗氧化剂和抗炎剂来控制氧化损伤可能有助于维持肠道屏障功能。
积累的证据表明，CBD在体内和体外系统中调节屏障完整性，涉及抗氧化作用和免疫调节。
5.1.2. 肠道微生物
GM组成的破坏是IBD和许多代谢性疾病的主要驱动因素。因此，维持或恢复GM平衡已成为胃肠道疾病的关键治疗策略。越来越多的临床前证据表明，CBD调节肠道微生物群落及相关代谢物，特别是短链脂肪酸（SCFAs）。SCFAs，尤其是丁酸盐，表现出广泛的生物活性。这些包括刺激肠道发育以促进粘膜生长和增强营养吸收，以及缓解氧化应激和减轻炎症。
5.2. 肠道疾病
5.2.1. 炎症性肠病
IBD包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD），是一种慢性特发性疾病，其特征是持续性肠道炎症、上皮完整性受损、巨噬细胞浸润以及增加结直肠癌风险的复发-缓解病程。失调的免疫、GM失衡、氧化应激和屏障功能障碍是关键致病驱动因素。
5.2.2. 结直肠癌
CRC是全球最常见的恶性肿瘤之一，在男性中排名第三，在女性中排名第二。标准治疗依赖于手术，随后是奥沙利铂和5-氟尿嘧啶为基础的化疗，但耐药性常见，强调需要新的治疗策略。临床前数据表明，CBD对CRC细胞具有直接的抗癌作用。除了调节癌细胞的增殖外，CBD还影响癌细胞的转移过程。结直肠癌细胞的转移，特别是向肝脏的转移，是CRC患者死亡的主要原因。
5.3. 肠-器官轴
宿主与GM的关系不仅对肠道健康至关重要，对远端器官的功能也至关重要。菌群失调可通过免疫、代谢、内分泌和神经通路影响肠外组织——统称为肠-器官轴（例如肠-脑轴、肠-肝轴）。在此框架内，CBD对肠道屏障完整性、氧化还原平衡、炎症和GM组成的作用可能沿着这些轴传播，为CBD调节系统生理和疾病提供了一条间接途径。
5.3.1. 肠-脑轴
肠-脑轴是指胃肠道和中枢神经系统（CNS）之间的双向通信网络，由循环系统、迷走神经、免疫系统、中枢神经系统（CNS）和肠神经系统（ENS）介导。这个高度集成的系统涉及一系列神经活性物质，包括经典神经递质、肠道衍生激素和GM产生的代谢物。GM是该轴内的关键介质：菌群失调和微生物多样性丧失会损害脑功能并导致神经损伤。多种细菌分类群合成并释放神经递质，如γ-氨基丁酸、谷氨酸、乙酰胆碱、多巴胺和去甲肾上腺素，从而直接影响CNS活动和精神状态。因此，GM已成为中枢神经系统疾病的潜在治疗靶点。
CBD作为肠-脑轴的推定调节剂引起了关注，其作用层面包括GM组成、微生物代谢物、肠道炎症和屏障完整性，并对神经退行性和神经炎症性疾病（如AD、癫痫和多发性硬化症MS）产生下游影响。
5.3.2. 肠-肝轴
肠-肝轴是肠道、微生物群和肝脏之间的双向通信网络，主要通过门静脉介导。胆汁酸（BAs）代谢和GM在维持该轴功能中起关键作用。肝脏合成初级BAs，释放到小肠中，在那里它们被GM通过脱羟基作用转化为次级BAs。大约95%的BAs在回肠被重吸收，并通过门静脉循环运输回肝脏，形成BAs的肠肝循环。GM的破坏与肝脏疾病有关，例如非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）和非酒精性脂肪性肝炎（NASH）。除了BAs，肠道还吸收LPS和其他细菌产物，这些产物被运输到肝脏，激活Toll样受体4（TLR4）–NF-κB通路并促进炎症。
6. 结论与未来展望
CBD作为一种非精神活性的植物大麻素，已显示出对胃肠道健康的巨大治疗潜力。通过调节ECS，CBD增强肠道屏障完整性，调节GM组成，并减轻氧化应激和炎症。这些作用有助于其在治疗氧化应激相关胃肠道疾病和维持肠道稳态方面发挥有前景的作用。此外，CBD与肠-器官轴（包括肠-脑轴和肠-肝轴）的相互作用为更广泛的系统治疗应用提供了令人兴奋的机会。虽然当前研究强调了CBD作为肠道健康调节剂的潜力，但其机制通路，特别是在调节微生物代谢网络及其对微生物群组成的影响方面，仍有待探索。
展望未来，CBD在胃肠道疾病和全身健康方面的治疗潜力巨大，但其临床转化需要更严格的研究。未来研究的一个关键领域是确定CBD调节GM和微生物代谢的具体分子通路，特别是与其对肠-脑和肠-肝相互作用的影响相关的通路。宏基因组学、单细胞测序和多组学整合的进展为更深入地了解这些复杂机制提供了有价值的工具。具体来说，扩增和测序编码16S rRNA的DNA是一种快速、可靠且经济高效的方法，已成为研究微生物群落组成和结构的首选方法。然而，随着CBD越来越多地被考虑用于临床，其安全性特征仍然是一个关键考虑因素。虽然短期临床研究表明CBD通常耐受性良好，副作用轻微，如疲劳、腹泻和头痛，但其长期安全性，特别是在较高剂量下，需要解决。鉴于CBD可能调节肠道屏障完整性和GM组成，必须阐明这些效应是否与临床实践中观察到的腹泻有关。同时，考虑到青少年的肠道仍处于发育过程中，CBD对肠道成熟和微生物群稳态的潜在影响应在未来的研究中给予高度重视。此外，必须仔细研究CBD与其他药物之间可能的药理学相互作用，以避免不良反应。为了向前发展，确定最佳剂量、递送方法以及了解CBD对特定组织和器官的影响对于其成功的临床应用至关重要。
