诱导肿瘤细胞凋亡的天然药物研究进展＊

孟祥林综述 刘明华审校

(泸州医学院药学院药理学教研室,四川 泸州 646000)

肿瘤的发生不仅是分裂失控导致的细胞过度增生,同时也可能是细胞凋亡通路受阻,使本该死亡的细胞继续存在而产生肿瘤,因此,选择性诱导肿瘤细胞凋亡为目标的技术已成为肿瘤治疗的重要策略之一。细胞凋亡(Apoptosis)是存在于细胞中的自毁机制,细胞凋亡能够使机体清除衰老和异常的细胞,在维持许多细胞功能方面起到重要作用。1972年kerr等[1]首先提出“细胞凋亡”这一概念,是由体内外因素触发的细胞内置的死亡程序诱导的细胞死亡过程。细胞凋亡是细胞在一定的生理或病理条件下,自己结束其生命的过程,具有严格的基因时控性和选择性。生物体各种细胞的数量都是通过增殖与死亡之间的平衡来完成的。目前认为,细胞增殖过度是肿瘤发病的一个途径,凋亡受阻或是细胞死亡不足是肿瘤发病的另一途径,结果导致病变组织内肿瘤细胞存活延长,使细胞群体内存活与死亡的平衡被破坏,存活大于死亡,肿瘤增长数目的净增长加大[2]。

我们可以根据可诱导肿瘤细胞凋亡的多种药物的作用特点进行适当的归类。虽然这些药物的结构、来源或是作用于肿瘤细胞上游信号机制错综复杂,但诱导肿瘤细胞凋亡的机制最后都可以归结为活化一条或两条凋亡通路来促使肿瘤细胞凋亡。本文就肿瘤细胞凋亡的信号转导途径及一些最新的诱导肿瘤细胞凋亡的天然抗肿瘤药物的研究进展综述如下。

1 细胞凋亡的基本信号转导途径

Caspase家族是一类丝氨酸蛋白酶,是诱导细胞凋亡的必要信号分子,其家族成员共有十多个,彼此之间可以相互活化形成级联反应,Caspase既可以作为凋亡的激发分子又可以作为效应分子。细胞凋亡可根据起始因子和进行途径不同,可以分为受体依赖型的凋亡和非受体依赖型的凋亡两种方式,彼此之间相互作用[3]。

1.1 受体依赖型凋亡

受体依赖型凋亡途径(Receptor mediated apoptosis pathway)是指细胞通过细胞膜表面的受体接收周围环境传来的生长信号,维持正常的生长和分裂,一旦细胞失去与环境之间的信号交流或者发生重大的损伤,细胞就进入凋亡程序。该途径也可理解为细胞膜通路或是外源通路。

“死亡受体”(Death Receptor,DR)属于肿瘤坏死因子受体(TNFR)超家族成员,包括Fas(又称CD95或Apol)、T NFR1(又称p55或CD120a)、DR3、DR4和DR5,含有与 TNF受体同源的富含半胱氨酸的胞外区,另外还有一个彼此同源的胞内区,称为“死亡结构域”(DD)以此招募下游的凋亡蛋白。死亡受体与其相应的配体结合后可以使细胞内的蛋白,如pre-Caspase聚集到细胞膜,形成死亡诱导性信号复合体,进一步通过死亡蛋白FADD(Fas associated death domain)适配蛋白活化Caspase-8和Caspase-10,而 Caspase-10可引发级联反应,活化的Caspase-8又可引发了凋亡执行分子Caspase-3或Caspase-7的切割及活化,使得细胞发生凋亡[4-5]。激活的Caspase-8能在胞浆内裂解为Bid,裂解产物的羧基端片段(tBid)转移到线粒体上,诱导线粒体释放细胞色素C。Bid的裂解把死亡受体通路和线粒体通路联系起来,有效地放大了凋亡信号。

1.2 非受体依赖性凋亡

非受体依赖性凋亡(Intrinsic mitochondrial-dependent pathway)主要通过线粒体介导的,即线粒体通路,也成内源通路。线粒体是非受体依赖的细胞凋亡的调控中心。对Caspase-3激活除了需要dATP或ATP外必须有线粒体内膜的细胞色素C释放,线粒体参与凋亡转导机制主要有两个方面：(线粒体质膜的渗透性改变,PT孔的开放使线粒体基质和胞浆内的得以平衡流动,使原来存在的线粒体跨膜电位被驱散。离子的流动有可能造成线粒体基质的高渗状态,从而使线粒体膨胀、细胞骨架蛋白受压,直接导致细胞凋亡的发生。②线粒体的释放反应,线粒体内膜含有许多死亡促进因子(DPF),包括细胞色素C、凋亡诱导因子(AIF)、促死亡蛋白、Caspase酶原等。线粒体释放的细胞色素 C能与Apaf-1及Caspase-9形成一个复合体,在 dATP、ATP存在下活化Caspase-3、Caspase-6和 Caspase-7等成员,使凋亡进行下去[6-7]。线粒体内部释放的proCaspase-3直接参与凋亡信号的转导。这样就有可能存在一个Caspase和线体的自身反馈的机制,凋亡刺激导致线粒体细胞色素 C、AIF、Caspase释放,Caspase的活化又促进诱发这一过程,这对凋亡的加速和凋亡信号的传递又十分重要的意义。

2 诱导肿瘤细胞凋亡的天然抗肿瘤药物

迄今为止,人们已经发现了不计的抗肿瘤药物,其中诱导细胞凋亡的药物有上百种之多,其中既有人工合成药物又有天然药物,现在天然抗肿瘤药物的研究已经成为一个热点,以后抗肿瘤天然药物必将成为在抗肿瘤药物中的主力。现将最新关于诱导肿瘤细胞凋亡的天然药物作以简单的综述。

2.1 大黄素

大黄素(Emodin,EMO)是一类蒽醌类衍生物,其化学名为1,3,8-三羟基-6-甲基蒽醌(1,3,8-trihydroxy-6-methyl-antiraquinone),是大黄的主要有效成分,具有多种药理作用。近年来国内外关于大黄素抗肿瘤的研究取得了一定的进展。

王春光[8]等人发现,大黄素处理荷K562细胞移植瘤的裸鼠后,proCaspase-9首先被裂解活化产生有活性的Caspase-9,通过一些中间过程有活性的Caspase-9继而裂解proCaspase-3产生有活性的Csapase-3,有活性的Caspase-3继而剪切另外的Caspase底物,引起级联反应,最终导致细胞凋亡。金丹婷[9]等人通过酶标法检测到大黄素作用后白血病K562细胞的Caspase-3、8、9活性明显增高,推测大黄素诱导白血病k562细胞凋亡可能与线粒体和死亡受体途径相关。

2.2 姜黄素

姜黄素是姜黄中提取的一种植物多酚,具有广泛的应用价值,包括抗炎、抗氧化、抗人类免疫缺陷病毒、抗肿瘤、抗突变等,也是姜黄发挥药理作用最重要的活性成分。近年它的抗肿瘤作用成为国内外研究的热点。

刘特等[10]通过蛋白免疫印记研究发现,姜黄素在诱导人脑胶质瘤细胞凋亡过程中可以下调Bcl-2和上调Caspase-8的表达量。杨永杰[11]研究发现姜黄素在一定浓度范围内能够明显抑制胃癌SGC7901细胞增殖,且抗凋亡基因Survivin的表达量下降。何庆芝[12]研究发现姜黄素处理人肝癌HepG-2细胞48 h后,细胞生长受到限制,细胞凋亡增加,并伴随着细胞Bcl-2 mRNA表达的下调以及Bax mRNA表达的上调,并出现明显的剂量反应,推测姜黄素可能通过该途径诱导HepG-2细胞凋亡。

2.3 冬凌草甲素

冬凌草甲素(Oridonin)是从冬凌草(Rabdosia Rubescens Hara)中提取出来的一种贝壳杉烯二萜类化合物的最主要成分。其具有抗炎、抗菌和抗肿瘤的作用。目前很多研究发现冬凌草甲素参与肿瘤细胞的凋亡,从而很好的起到抗肿瘤活性作用。

Survivin是Caspase-3和Caspase-7的直接抑制因子即直接作用与级联反应的最终效应蛋白Caspase-3和Caspase-7,也可以通过p21间接抑制Caspase-3,从而阻断细胞的凋亡过程。宋芳[13]等人研究发现,冬凌草甲素降低人胰腺癌SW1990细胞中Survivin mRNA的表达,解除其对Caspase-3的抑制,促进细胞凋亡。车宪平[14]在研究冬凌草甲素诱导膀胱癌MB49细胞凋亡发现,采用分光光度法检测Caspase家族,随着冬凌草甲素作用时间的延长,MB49细胞的Caspase-3和Caspase-9活性均逐渐提高,但Caspase-8活性并不随时间的延长而提高,应该说明冬凌草甲素可能通过Fas/FasL-线粒体途径诱发MB49细胞凋亡。彭蕾[15]等人研究发现冬凌草甲素对人肺腺癌细胞株SPC-A-1细胞具有抑制增值和诱导凋亡作用,其机制可能与上调Bax/Bcl-2比例和上调p21 mRNA表达相关。

2.4 大蒜素

大蒜在我国有着悠久的食用历史,大蒜素的主要有效成分为含硫化合物如二烯丙基硫(Diallyl sulfide,DAS)、二烯丙基二硫(Diallyl disulfide,DADS)和二烯丙基三硫(Daillyl trisul-fide,DATS)。近年来的体外实验证明大蒜素能够通过直接杀伤肿瘤细胞及调节免疫功能来干扰肿瘤细胞的生长途径来抑制肿瘤的发生。相对于目前临床上被广泛应用的一般化疗药物,大蒜素几乎没有毒副作用,不引起体内炎症反应,对机体正常的细胞影响很小。

最近的研究表明[17]大蒜素诱导的人胆管癌细胞的凋亡与细胞DNA分裂期阻滞密切相关。Yang等[18]研究结肠癌COLO 205细胞经过DADS处理后可促进Caspase-3、Caspase-8和Caspase-9的活性,并且呈现时间依赖性。在使用Caspase广谱抑制剂(Z-VAD-FM K)后再加用DADS作用COLO205细胞后可以抑制DADS对其诱导的凋亡作用。Chung等[19]研究发现,DATS可引起细胞色素C、Caspase-3和Caspase-9的表达增加。用DATS处理前列腺癌细胞诱导凋亡,在半胱天冬酶抑制剂zVAD-fmk和Caspase-9特异性抑制剂zLEHD-fmk影响下其诱导细胞凋亡的作用明显减弱,细胞凋亡蛋白酶Caspase-3的活性明显增加。

2.5 青蒿素及其衍生物

青蒿素(Artemisinin)最初是由我国学者从菊科植物黄花蒿(Artemisiaannualinn)叶中提取分离的具有过氧化基团的倍半萜内酯类化合物,青蒿琥酯(Artesunate)、蒿甲醚(Artemether)和二氢青蒿素(Dihydroartemisinin)等均为青蒿素衍生物,近年来发现青蒿素与其衍生物具有明确的体内外抗肿瘤活性,就诱导细胞凋亡方面的研究如下。

He等[22]最近报道二氢青蒿素能增强死亡受体5活性并激活死亡受体和线粒体通路诱导细胞凋亡。邵义如等[20]研究表明Caspase-3活化是双青蒿素诱导结肠癌细胞SW480凋亡中关键性环节,由于Caspase-3位于凋亡信号转导通路最下游,因此双青蒿素对Caspase-3的激活,是否是通过其它途径,或者多种途径的交互作用,有待进一步研究。Lu等[21]发现二青蒿素在诱导白血病细胞HL-60凋亡过程中除线粒体膜电位下降、Caspase-9激活外还伴随Caspase-8激活。Chen等也发现二青蒿素除下调 Bcl-2和上调Bax外,能同时升高 Fas和激活Caspase-8。

3 展望

抗肿瘤药物现在已经成为不可缺少的治疗肿瘤的方法之一,目前抗肿瘤药物的研发与应用已经成为生物医药科学的一个迅速发展的重要领域,天然抗肿瘤药物的研究现目前已经成为国内为研究的热点,其抗肿瘤作用也是显而易见的。抗肿瘤药物筛选的基本条件是在药物靶点的基础上,建立适当的分析和检测方法,发现新的具有治疗作用的药物,现在通过诱导细胞凋亡而达到治疗肿瘤的研究方法越来越多,以诱导细胞凋亡的抗肿瘤药物应运而生。深入研究细胞凋亡的作用机制有利于开发相应的抗肿瘤药物,从而达到阻断肿瘤的发展和发生的可能。

1 Kerr JR,Wyllie AH,Currie AR.Apoptosis：A basic biologicalphenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics[J].Br J Cancer,1972,26(4)：239-257.

2 杨全会,许荣焜.细胞凋亡与肿瘤[J].生理学科进展,2006,37(4)：373-378.

3 Nomura J,Matsumoto K,Igchi-Ariga SM,et al.Mitochondria-independent induction of Fas-mediated apoptosis by MSSP[J].Oncol Rep,2005,14(5)：1305-1309.

4 Wang ZB,Liu YQ,Cui YF.Pathways to caspase activation[J].Cell Biol Int,2005,29(7)：489-496.

5 Lu CX,Fan T J,Hu GB,et al.Apoptosis-inducing factor and apoptosis[J].Acta Biochim Biophys Since 2003,35(58)：881-885.

6 Wallace DC.Mitochondrial disease in manand mouse[J].Science,1999,283(5407)：1482-1488.

7 Luo X,Bndihardjo I,Zou H,et al.Bid,a Bcl-2 interacting protein,mediates cytochrome C release from mitochondris in response to activation of surface death recepors[J].Cell,1998,94(4)：481-490.

8 王春光,刘北忠,金丹婷,等.大黄素对裸鼠体内K562细胞移植瘤的抑制作用及其与控制Caspase-3和Caspase-9表达的关系[J].中草药,2010,41(5)：751-756.

9 金丹婷,刘北忠,刘畅,等.大黄素诱导白血病K562细胞凋亡的实验研究[J].重庆医科大学学报,2009,34(7)：822-825.

10 刘特,黄文彬,赖东梅,等.姜黄素对人脑胶质瘤细胞凋亡作用及其对Bcl-2与Caspase 8诱导表达的影响[J].中国癌症杂志,2009,19(4)：247-251.

11杨永杰.姜黄素对胃癌SGC7901细胞生长及Survivin蛋白表达的影响[J].医学临床研究,2010,27(6)：1086-1088.

12 贺庆芝,曾怀才,于伟霞,等.姜黄素致 HepG-2细胞的凋亡作用及对bcl-2/bax表达的影响[J].实用医学杂志,2010,26(3)：358-360.

13 宋芳,冯一中,蒋小岗,等.冬凌草甲素对人胰腺癌 SW1990细胞系生长抑制作用[J].中国药理学通报,2010,26(2)：240-243.

14 车宪平,韩瑞发,周晶.冬凌草甲素诱导膀胱癌M B49细胞凋亡及机制研究[J].中草药,2008,39(8)：1219-1222.

15 彭蕾,薛仁宇,顾振纶,等.冬凌草甲素对人肺腺癌细胞株 SPC-A-1增殖和凋亡的影响[J].中国药理学通报,2010,26(4)：558-559.

16 王光哲,武文红,王岚.大蒜素诱导人胆管癌细胞QBC939凋亡的实验研究[J].陕西医学杂志,2010,39(4)：396-398.

17 Yang JS,Chen GW,Hsiao TC,et al.Diallyl disulfide induces apoptosis in human colon cancer cell line(COCL 205)through the induction of reactive oxygen species,endoplasmic reticulum stress,Caspases casade and mitochondrial-dependent pathways[J].Food Chem T oxicol,2009,47(1)：171-179.

18 Chung JG,Yu Fs,Chen GW,et al.Induction mechanism of apoptosis diallyl trisulfide through Caspase-3 activation in human coloncancer cells[J].Predictive Oncology &Intervention Strategies,2004,(2)：7-10.

19 He Q,Shi J,Shen XL,et al.Dihydmartemisinin upregulates death receptor 5 ex pression and cooperares with T RAIL to induce apoptosis in human prostate cancer cells[J].Cancer Biol Ther,2010,9(10)：814-820.

20 邵义如,朱尤庆,刘敏.二氢青蒿素对结肠癌细胞系 SW480增殖凋亡的影响[J].武汉大学学报,2008,29(3)：319-323.

21 Lu JJ,Meng LH,Cai YJ,et al.Dihy droartemisinin induces apoposis in HL-60 leukemia cells dependent of iron and p38 mitogen-activated protein kinase activation but independent of reactive oxygen species[J].Cancer Biol T her,2008,7(7)：1017-1023.