维生素K抗肿瘤作用的研究进展

2022-11-23尚颖宋淑军司少艳

癌症进展 2022年12期

尚颖，宋淑军，司少艳

中国人民解放军战略支援部队特色医学中心研究部二室，北京 100101

20世纪30年代初，丹麦生化学家Dam和Schönheyder[1]发现，由于小鸡饲料中缺乏某种物质，导致小鸡出现异常出血症状。1935年，Dam[2]发现了一种具有促进凝血作用的物质，并将其命名为维生素K（vitamin K）。因发现维生素K，Dam于1943年获得了诺贝尔生理学或医学奖。维生素K作为凝血辅助因子参与凝血过程，近年来其抗肿瘤作用已成为研究重点。维生素K对多种肿瘤细胞的生长具有抑制作用或细胞毒性作用，本文针对维生素K的抗肿瘤作用机制及临床应用进行综述。

1 维生素K及维生素K依赖蛋白

1.1 维生素K的结构及来源

维生素K是一类脂溶性维生素，包括天然存在的维生素K1、维生素K2，以及人工合成的维生素K3、维生素K4和维生素K5。维生素K家族成员具有相同的1，4-萘醌结构，萘环上1位和4位含有2个羰基，根据2位和3位侧链结构的不同进行分类。

维生素K1具有饱和侧链，也称为叶绿醌，主要来源于绿色蔬菜和水果。维生素K2是一类以部分不饱和侧链为主的化合物，主要来源于发酵食品、肉类和乳制品等，通过肠道细菌合成。维生素K3是一种人工合成的维生素，可在肝脏中烷基化后转化为维生素K2。

1.2 维生素K和维生素K依赖蛋白的功能

维生素K是参与凝血过程重要的辅助因子，其主要功能是作为辅助因子激活凝血因子Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ以及调节蛋白C、S、Z等，从而发挥凝血作用[3]。维生素K1也是肝脏合成多种凝血因子的必要成分，在促进凝血、维护骨骼健康、维护心血管功能健康、促进伤口愈合等方面起到积极作用。与其他维生素K不同，大剂量的维生素K3会引起各种不良反应，包括过敏反应、溶血性贫血和肝细胞毒性等[4]。研究表明，维生素K能够在不同水平对多种肿瘤细胞产生抑制作用和促凋亡作用[5]。

维生素K依赖蛋白是一类依赖维生素K激活而发挥作用的蛋白，除了参与凝血，还在其他不同的生理过程中发挥作用，如参与调节细胞凋亡、介导骨钙化、抑制血管钙化[6]以及参与肿瘤抑制作用[7]等。

1.3 维生素K循环

在激活凝血因子的过程中，维生素K在磷酸辅酶Ⅰ的作用下转化为维生素K氢醌（vitamin KH2，KH2），KH2在γ-谷氨酸羧化酶（gamma-glutamyl carboxylase，GGCX）的作用下被氧化成维生素K环氧化物（vitamin K epoxide，KO），同时使凝血因子Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ中无活性的谷氨酸（glutamic，Glu）残基转化为有活性的γ-羧基谷氨酸（γ-carboxyglutamic acid，Gla），从而激活这些凝血因子，在钙离子的参与下产生凝血作用[8]。KO又可以被硫醇和维生素K环氧化物还原酶（vitamin K-dependent epoxide reductase，VKOR）还原为维生素K，然后再被还原为KH2[9]，使循环得以持续进行。维生素K、KH2和KO之间的循环被称为维生素K循环。维生素K循环的本质是氧化还原循环，维生素K的活性可能会影响组织和细胞的氧化还原稳态，因此维生素K是氧化还原信号转导的重要调节因子[10]。

2 维生素K的抗肿瘤作用机制

维生素K在不同水平抑制多种肿瘤细胞的生长，包括肝癌、结肠癌、肺癌、胃癌、鼻咽癌、乳腺癌和白血病等。虽然体内体外实验结果都显示维生素K对肿瘤细胞有毒性作用和抑制细胞生长的作用，但其对不同类型细胞的作用机制并不相同，维生素K3的抗肿瘤机制主要为氧化应激和芳基化作用，而维生素K1和维生素K2则主要通过非氧化应激机制介导抗肿瘤作用[9]，这些作用机制之间的关联尚不十分明确。

2.1 氧化应激介导的抗肿瘤作用

维生素K具有氧化还原活性，一方面表现为将氢醌还原为半氢醌，在有氧情况下，半氢醌氧化成维生素K，导致氧减少、活性氧（reactive oxygen species，ROS）增多；另一方面在醌氧化还原酶抗原Ⅰ的催化下，以还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸作为电子供体，将维生素K还原为氢醌，此反应也导致ROS增多[11]。这两种反应持续进行，产生大量ROS，进而影响肿瘤细胞内稳态。细胞内ROS的产生与其防御机制之间的不平衡导致氧化应激，氧化应激水平的增加会诱导脂质和蛋白质的氧化修饰和DNA损伤，从而导致细胞凋亡或肿瘤细胞分化。由于肿瘤细胞比正常细胞含有更高水平的ROS，肿瘤细胞更容易受到氧化应激诱导细胞凋亡的影响。过氧化物氧化还原酶1（peroxiredoxin 1，PRX1）在肿瘤细胞氧化应激、细胞增殖等许多生理过程中都发挥着重要作用。He等[12]研究发现，如果将人非小细胞肺癌A549细胞和宫颈癌Hela细胞的PRX1基因敲除，可使维生素K3在诱导细胞凋亡时累积ROS，从而增强肿瘤细胞对维生素K3的敏感性，减少杀灭肿瘤细胞所需维生素K3的剂量。

维生素K3能够扰乱钙稳态并引起细胞内抗氧化剂谷胱甘肽含量减少，也称为芳基化作用。细胞内谷胱甘肽耗竭，被认为是细胞毒性损伤的重要因素之一，会导致细胞功能衰竭，最后导致细胞死亡。

2.2 非氧化应激介导的抗肿瘤作用

2.2.1 维生素K促进肿瘤细胞凋亡维生素K通过不同途径促进肿瘤细胞凋亡，包括改变细胞内钙稳态，激活c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）、Fas依赖性和非依赖性信号通路以及核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）等促凋亡因子[13]。目前有关维生素K促进肿瘤细胞凋亡的通路有两个比较清楚，分别为线粒体介导的通路和Fas/Fas配体（Fas ligand，FasL）膜受体通路。

线粒体是细胞凋亡的调控中心，维生素K3可诱导ROS产生，从而改变线粒体膜中半胱氨酸基团的氧化还原状态，降低线粒体膜电位以及破坏内膜完整性，最终导致细胞色素C、凋亡肽酶激活因子 1（apoptotic peptidase activating factor 1，APAF1）等细胞凋亡蛋白的释放，触发caspase 9激活[14]。维生素K2可降低B细胞淋巴瘤/白血病-2（B cell lymphoma/leukemia-2，Bcl-2）表达，增加Bcl-2相关X蛋白（Bcl-2-associated X protein，BAX）表达，引起线粒体膜电位去极化，释放细胞色素C，并激活caspase 3，诱导细胞凋亡[15]。

Fas是肿瘤坏死因子家族中一个重要的死亡受体，FasL通过三聚化激活Fas受体的功能，诱导细胞死亡。维生素K3能够诱导突变型白血病细胞Fas和FasL表达[9]。一些外在的刺激，如结合T细胞受体（T-cell receptor，TCR）、紫外线、γ辐射以及药物，可以通过激活NF-κB等转录因子，上调FasL[13]。TCR诱导FasL的表达依赖于c-Myc的表达[14]。维生素K3可诱导Jurkat细胞c-Myc表达，促进Fas和FasL表达增加，这些进一步证实c-Myc与Fas/FasL系统之间的联系[13]。

另外，WNT信号过度激活是结肠癌发生的重要指征，维生素K3可以通过激活糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β），阻断结肠癌WNT信号通路，进而抑制结肠癌发生[16]。维生素K3还能通过干扰磷酸酶张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）信号通路，激活蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又称AKT）、细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）、腺苷一磷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）以及p38信号通路促进细胞凋亡[15]。

2.2.2 维生素K抑制肿瘤细胞周期肿瘤的发生可能是由于细胞周期调控异常所致，细胞周期蛋白是细胞周期中的调节蛋白，与细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）结合，调节CDK活性，细胞周期蛋白和CDK的异常改变可使细胞失控性生长，从而导致肿瘤的发生、发展[17]。NF-κB可以通过调节细胞周期蛋白D1，达到调节肿瘤细胞生长的作用，因此，NF-κB的活性是控制肿瘤细胞的重要因素。

维生素K2通过作用于细胞周期蛋白，抑制细胞周期并启动分化作用。维生素K2通过抑制NF-κB与细胞周期蛋白D1启动子的结合，下调细胞周期蛋白D1的表达，使肝癌细胞周期停滞在G1期。实验结果表明，维生素K2呈剂量依赖性抑制肝癌细胞周期蛋白D1的表达，进而抑制肝癌细胞的生长[18]。维生素K2促进肿瘤细胞周期阻滞的另一种机制是促进p21和p27转录。p21和p27是近年来发现的CDK依赖性抑制剂CIP/KIP家族中的重要成员，它们能够抑制细胞周期G1/S期进程[19]。维生素K2在白血病细胞中可以上调p27表达，使白血病细胞停滞在G0/G1期[20]。

维生素K3能有效延迟细胞周期的G1/S期和S/G2期，在25～100 μmol/L浓度范围内，其以剂量依赖性方式延迟人肝癌细胞S/G2期[9]。维生素K3可诱导细胞周期G0亚群细胞增加，进而诱导结肠癌细胞的凋亡[16]。维生素K3还可以将胃癌细胞阻滞在G2/M期[21]。维生素K3与一种蘑菇生物活性提取物在肾细胞癌中协同诱导细胞G1期阻滞[22]。因此，维生素K对细胞周期的影响可能与肿瘤细胞种类等因素相关。

2.2.3 维生素K促进肿瘤细胞自噬细胞自噬参与维持蛋白代谢平衡及细胞内环境稳定，在多种人类肿瘤中均存在自噬活性的改变，自噬功能降低可以提高肿瘤细胞的存活优势，因此自噬能力的衰退可能有利于肿瘤恶化。然而，自噬在肿瘤细胞中具有双重作用，既可以通过去除受损的蛋白质和细胞器作为肿瘤抑制因子，又可以在不利条件下由于应激耐受而促进肿瘤细胞生长。自噬可能在不同肿瘤或同一肿瘤的不同阶段发挥不同作用。诱导细胞凋亡的作用机制可能导致细胞自噬，可以将自噬看作细胞凋亡前的状态[19]。研究表明，维生素K2可通过诱导肿瘤细胞自噬而不伴随凋亡小体的形成，诱导结肠癌细胞COLO201死亡[23]，促进代谢应激并引发膀胱癌细胞中AMPK依赖性自噬细胞死亡[24]。

2.2.4 其他机制缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor，HIF）能够促进肿瘤的发生发展，除缺氧外，HIF-1α还能被蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）激活，PKC-δ通过增加核易位来增强HIF-1α的转录活性，维生素K2可能通过抑制肝癌细胞中的PKC来抑制HIF-1α活化，从而起到抑制肿瘤生长的作用[25]。活跃的糖酵解代谢也是肿瘤细胞的显著特征之一。抑制糖酵解酶的活性和表达可以降低糖酵解速率并抑制肿瘤的发展，维生素K3和维生素K5是糖酵解酶抑制剂，能够抑制乳腺癌细胞系MCF-7糖酵解过程中产生的己糖激酶、磷酸果糖激酶-1、果糖二磷酸醛缩酶等糖酵解酶，从而达到抗肿瘤作用[26]。

3 维生素K抗肿瘤的临床应用研究

维生素K单独在临床抗肿瘤治疗中的应用研究较少，主要集中在血液和消化系统肿瘤，且多数与其他药物联合应用。

3.1 单独使用维生素K治疗血液和消化系统肿瘤

2000年日本学者进行的一项问卷调查显示，接受维生素K2治疗的50例骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndrome，MDS）和 MDS后急性髓系白血病（acute myeloid leukemia，AML）患者中，20.0%（3/15）的难治性贫血患者的血细胞减少症有所改善，72.7%（8/11）的难治性贫血伴原始细胞过多转变型患者和50.0%（6/12）的MDS后AML患者骨髓和外周血中原始细胞数量减少以及血液学改善，说明维生素K2能有效治疗MDS和MDS后AML，尤其适用于不耐受清髓化疗和干细胞移植的老年患者[27]，并且由于维生素K2毒性较低，适合长期安全给药，故可将其作为预防MDS向AML转化或控制MDS疾病进展的长期用药。

维生素K可用于肝癌的预防与治疗。口服维生素K2可降低肝癌细胞通过肝脏静脉侵袭和扩散的能力，肝脏组织中的维生素K2浓度至少是血浆中的10倍，并且对肝癌复发有抑制作用，但对患者生存率无显著影响[28]。Ganbat等[29]在维生素K治疗肿瘤疗效的系统评价和荟萃分析中提到，对于可切除的胃癌患者，应用维生素K2类似物2～3年，能够显著降低肝癌患者的复发率，与应用维生素K2类似物1年的患者相比，相对危险度由0.94降至0.69，患者生存率显著升高；对于不可切除的胃癌患者，应用维生素K后患者总生存率显著提高，相对危险度为0.74，并且长期摄取维生素K可能有效预防胃癌复发，由此可见，由于累积效应，维生素K发挥更好的抗肿瘤效果需要更长的持续应用时间，而不是更大的应用剂量。

3.2 维生素K与其他药物联合应用

在临床中单独使用维生素K预防或治疗肝癌的效果欠佳时，维生素K和其他药物联合应用便逐渐进入大众视野。已有大量研究证明，维生素K与索拉非尼、丝裂霉素C等肿瘤化疗药物联合应用，可对肿瘤细胞产生协同抑制作用[9,30-33]，并减少抗肿瘤药物的不良反应[34]。

大量研究表明，维生素K1联合索拉非尼治疗肝癌具有协同作用。索拉非尼是一种小分子多靶点抗肿瘤药物，D’Alessandro等[35]在研究维生素K1与索拉非尼协同抑制肝癌细胞迁移和增殖的过程中发现，较高浓度的维生素K1和索拉非尼的协同抑制作用更强，较低浓度时协同抑制作用较弱或无协同抑制作用，并且不同细胞系之间会有一些差异。2017年，Haruna等[36]关于维生素K增强索拉非尼抗肝癌作用的报道显示，与单独应用索拉非尼相比，索拉非尼和维生素K联合应用可显著延长肝癌患者的中位无进展生存期（分别为6.0个月和2.0个月），中位总生存期也显著延长（分别为12.5个月和10.0个月），治疗8周后，与单独应用索拉非尼相比，索拉非尼和维生素K联合应用患者的血清脱-γ-羧基凝血酶原（des-γ-carboxy-prothrombin，DCP）水平下降，之前研究表明，高剂量维生素K可抑制肿瘤细胞内DCP积累和释放，因此推断维生素K可能通过抑制DCP的产生而发挥协同抑制作用。2021年，Haruna等[37]还发现，肝癌患者每天口服45 mg维生素K2联合索拉非尼与单独服用索拉非尼相比，联合用药患者的客观缓解率显著升高（分别为27.3%和4.5%），中位无进展生存期显著延长（分别为4.9个月和2.7个月）。

维生素K2虽然可以促进正常成骨细胞的增殖和活力，但也可以抑制骨肉瘤细胞MG-63的附着、增殖和活力，当维生素K2与姜黄素联合应用时，显示出对骨肉瘤的协同治疗作用[38]。2010年一项多中心Ⅱ期临床试验显示，维生素K2单独给药16周后，低危/中危MDS患者的总缓解率为13%；维生素K2和1α-羟基VD3联合治疗16周后，患者总缓解率为30%；45%的患者贫血好转，30%的患者血小板减少症好转[39]。静脉输注维生素K3和丝裂霉素C可用于治疗实体瘤，维生素K3对丝裂霉素C的耐受性无明显影响[40]。

虽然之前研究表明维生素K2对治疗肝癌及控制复发会产生有益影响，但最新研究表明，肝癌患者应用维生素K2不总是安全的。Vera等[41]发现，在肝癌前病变期应用干扰素（interferon，IFN）-α-2b治疗，能够增加病灶内肿瘤细胞死亡数量，减少病灶体积和数量，补充维生素K2可阻断IFN-α-2b对癌前病变的作用，提高Bcl-2表达水平，抑制IFN-α-2b对肿瘤细胞的凋亡作用。

目前，临床应用维生素K治疗肿瘤时，在给药剂量和持续用药时间方面的研究较少，并且维生素K治疗实体瘤时，浸润性较差，需研制维生素K新型制剂用于提高抗实体瘤疗效。

4 维生素K类似物及维生素K新型制剂

1，4-萘醌硫化物等维生素K3类似物对肾癌细胞TK10、黑色素瘤细胞UACC62、乳腺癌细胞MCF7、宫颈癌细胞Hela、前列腺癌细胞PC3和肝癌细胞HepG2具有抑制作用，导致肿瘤细胞凋亡，其中一种1，4-萘醌衍生物抑制肿瘤细胞的作用是由于依托泊苷和小白菊内酯对肿瘤细胞的抑制作用[42]。维生素K2纳米载体的应用目前正在进行临床前研究。用唾液酸-胆固醇结合物修饰的维生素K2纳米乳剂显著增强了抗肿瘤活性，表明这些形式的维生素K2可能会成为预防或治疗肿瘤有潜力的药物[43]。