灯盏花乙素抗肿瘤药理作用及机制研究进展*

朱子焕,李子豪,罗丽丹,刘毅飞,周燕红**

(1.湖北科技学院医学部药学院,湖北 咸宁 437100;2.湖北科技学院医学部)

肿瘤正在严重威胁着全球人民的生命健康。根据美国中央癌症登记处收集的发病率数据和国家中心收集的死亡率数据,预计2023年,美国将出现1 958 310例新癌症病例和609 820例癌症死亡病例[1]。而中国也是全球癌症发病率和死亡率较高的国家之一。目前,中西医治疗肿瘤已得到广泛的推广,而中药作为肿瘤手术治疗,放化疗的辅助手段,极大提高了肿瘤患者的生存率和生活质量。

灯盏花乙素(scutellarin,SCU)是从黄芩中分离到的一种黄酮类化合物质,它的主要有效活性成分来源于中药灯盏细辛。SCU外观呈淡黄色结晶状,其化学分子式C21H18O12,相对分子质量462.35,在pH值较低时,其脂溶性和溶解性较好,但膜通透性较差,不利于吸收。其化学稳定性主要受PH和温度的影响,口服和生物利用度效果欠佳。本文重点论述SCU抗肿瘤作用及主要机制,以增进对SCU抗肿瘤机制的认识,并为SCU治疗癌症提供新的思路。

1 灯盏花乙素遏制肿瘤细胞增殖和生长

1.1 灯盏花乙素通过下调Akt/mTOR信号通路抑制非小细胞肺癌细胞增殖

丝氨酸/苏氨酸激酶(serine/threonine kinases,Akt)是许多信号传导途径的中心节点,并且在许多类型的人类肿瘤中失调。激活的AKT和雷帕霉素的哺乳动物靶标(mammalian target of rapamycin,mTOR)在代谢调节、细胞增殖和调节细胞死亡中发挥着重要的作用[2]。放射性碘-125(125I)粒子植入是一种能有效杀死肿瘤细胞并保护周围正常组织的内放射治疗方法,是晚期肺癌的治疗方法之一。有研究[3]表明,在体内实验中,将125I和SCU联合处理A549和H1975两种细胞后,CCK-8和EDU实验结果显示,联合用药相比单独用药来讲,对细胞增殖的抑制作用明显增强。由此可见,SCU通过下调AKT/mTOR通路促进125I诱导的非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)细胞的抗癌作用。

1.2 灯盏花乙素通过下调JAK2/STAT3途径抑制肝癌细胞的增殖

Janus激酶信号转导和转录激活因子(janus kinase signal transducer and activator of transcription,JAK/STAT)信号在调节细胞增殖、凋亡和分化中起着关键作用,JAK/STAT的持续激活可能促进肿瘤的发生[4]。在肝癌的研究中发现[5],SCU通过下调JAK2/STAT3途径抑制肝癌细胞的增殖,其对于HepG2和MHCC97-H两种肝癌细胞增殖有明显的抑制作用,呈剂量和时间依赖性。此外,采用实时定量聚合酶链式反应(PCR)和WB分析检测肝癌细胞中JAK2、STAT3 mRNA和蛋白表达,结果显示,JAK2和STAT3的水平没有显著变化,而磷酸化的JAK2和STAT3的水平显著下降。这说明了灯盏花乙素通过下调JAK2/STAT3途径抑制肝癌细胞的增殖。

1.3 灯盏花乙素直接靶向TOPK抑制RPMI7951黑色素瘤且抑制细胞增殖

在肿瘤细胞中,细胞源性蛋白激酶(cell-derived protein kinase,TOPK)可参与细胞增殖,迁移、侵袭、转录、和凋亡,并且作为肿瘤治疗的潜在治疗靶点[6]。研究[7]发现,SCU靶向TOPK可以抑制黑色素细胞瘤的增殖。此外,SCU以时间和剂量依赖的方式抑制RPMI7951细胞外调节蛋白激酶1/2(extracellular regulatory protein kinase 1/2,ERK1/2)和组蛋白H3的磷酸化水平。同样的,在体内实验中,SCU可抑制RPMI7951细胞移植瘤的生长,降低细胞外调节蛋白激酶1/2和组蛋白H3的磷酸化水平。

1.4 灯盏花乙素通过调节PTEN/PI3K通路抑制胃癌细胞生长和增殖

张力蛋白同源物(tension protein homologue,PTEN)是一种公认的肿瘤抑制因子,是磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)的主要拮抗剂[8]。PI3K通路参与多种生理过程,包括葡萄糖代谢、细胞增殖和细胞生长。PI3K激酶活性升高通常与多种癌症相关。研究[9]表明,灯盏花乙素通过调节PTEN/PI3K通路抑制胃癌细胞生长和上皮间质转换(epithelial mesenchymal transition,EMT),SCU呈剂量依赖性地抑制胃癌细胞增殖,抑制EMT。SCU还能抑制体内肿瘤细胞的生长。SCU促进PTEN的表达,降低PI3K的磷酸化水平。此外,在肝癌细胞中,研究[10]证明SCU可以通过上调PTEN的PI3K/Akt/NF-κB信号传导抑制HepG2细胞中的细胞增殖和转移。总之,SCU有望成为治疗胃癌和肝癌的潜在药物。

1.5 灯盏花乙素靶向AKT抑制人食管鳞癌移植瘤生长和增殖

丝氨酸/苏氨酸激酶(Akt),一旦被激活,就会参与细胞存活,增殖,迁移,代谢的功能[11]。研究[12]发现,AKT蛋白在食管鳞状组织和细胞中能够被强烈激活。AKT基因被敲除后,可以抑制食管鳞状细胞癌的生长。另外,SCU能够强烈抑制AKT信号通路,并抑制食管鳞癌细胞的生长,使得细胞停滞在G2期。由此可见,SCU是一种新型的AKT抑制剂。

1.6 灯盏花乙素上调PTEN抑制肾癌细胞增殖

磷酸酶和张力蛋白同系物(PTEN)是一种抑癌基因,在遗传性和散发性癌症中都经常观察到其功能丧失[13]。研究显示[14],灯盏花乙素上调PTEN水平,会抑制P13K/AKT/mTOR信号的活性。同样的,PTEN异位表达也增强了SCU对肾细胞癌增殖的抑制作用。SCU对肾癌细胞的作用呈剂量、浓度、时间依赖性。有相关文献[9-10]报道了SCU上调PTEN可以抑制肝癌和胃癌细胞的增殖和生长。

2 灯盏花乙素诱导肿瘤细胞凋亡和自噬

SCU抗肿瘤作用与细胞凋亡和自噬这两种死亡途径是密不可分的。在癌症背景下,细胞死亡主要通过自噬和细胞凋亡两种程序性死亡途径,自噬和细胞凋亡两种分解代谢途径在维持细胞和机体稳态方面都发挥着重要作用,自噬通过降解和消除错误折叠的蛋白质和受损的细胞器来促进这一点,而细胞凋亡诱导典型的细胞死亡以响应各种刺激[15]。理想情况下,自噬和细胞凋亡都在肿瘤抑制中起作用,因为自噬有助于消除肿瘤细胞,而细胞凋亡会阻止它们的存活。

2.1 灯盏花乙素抑制PKM2诱导肿瘤细胞凋亡

丙酮酸激酶肌肉亚型2(pyruvate kinase muscle subtype 2,PKM2)是一种糖酵解酶,除了代谢作用外,在癌症中也起着非常重要的作用。与癌症生长相关的主要事件PKM2都有参与其中[16]。研究[17]表明,SCU对于结直肠癌的作用主要通过抑制PKM2,使奥沙利铂耐药结直肠癌细胞对奥沙利铂治疗再敏。奥沙利铂联合SCU能抑制PKM2的活性,从而减少三磷酸腺苷(ATP)的产生,从而敏化奥沙利铂诱导的OR-SW480和OR-HT29细胞的线粒体凋亡途径。

2.2 灯盏花乙素通过基因组学和蛋白质组学分析SCU的抗结直肠癌作用

基因组学研究的是生物体的基因组,蛋白质组学研究的是特定时间和状态下生物体、组织或细胞中由基因组表达所产生的所有蛋白质。在不同的组织中产生的蛋白质组会根据基因的表达而有所不同。有研究证明[18],通过基因组和蛋白质组学分析SCU的抗结直肠癌作用,确定灯盏花乙素处理后差异表达的基因和蛋白所涉及的疾病和功能分类;得出了SCU作用于RKO细胞差异表达基因主要集中在细胞死亡和存活、器官损伤和畸形以及癌症等方面。体外实验中,SCU能够抑制HCT-116和RKO细胞迁移,增加细胞凋亡。不同剂量的SCU均能显著提高HCT-116细胞的凋亡率,其中IC50的作用优于IC20。

2.3 灯盏花乙素下调Wnt/β-catenin信号转导通路诱导肿瘤细胞凋亡

β-catenin作为Wnt的经典通路,在胚胎发育和中枢神经系统形成过程中起关键作用,调控着细胞的生长、迁移和分化。研究发现[19],SCU通过下调Wnt/β-catenin信号转导通路,降低了小鼠血清肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)和白介素6(interleukin 6,IL-6)水平,上调小鼠癌组织中bax的表达,降低B细胞淋巴瘤-2(BCL-2)的表达水平。同样的,SCU通过下调Wnt/β-catenin信号转导通路抑制结直肠癌HT-29细胞的增殖和迁移,诱导细胞凋亡,上调bax及下调Bcl2表达。

2.4 灯盏花乙素抑制Hedgehog信号通路诱导肿瘤细胞凋亡

Hedgehog信号通路(hedgehog signaling pathway)是Hh信号通路中的一员,能控制细胞命运、增殖与分化,该信号通路被异常激活时,会引起肿瘤的发生与发展。有研究发现[20],SCU通过抑制Hedgehog信号通路活性抑制结肠炎相关结直肠癌,抑制SW480细胞的增殖、迁移、集落形成,诱导细胞凋亡。进一步研究表明[21],SCU通过hedgehog信号通路抑制结肠癌干细胞分化。

2.5 灯盏花乙素通过CDC4介导的RAGE泛素化抑制结肠癌的发展并诱导肿瘤细胞凋亡

泛素与特定蛋白质结合的过程称为泛素化,通过调节蛋白质稳态,泛素化还可以调节细胞周期、细胞增殖、凋亡等多种生物学过程,这些过程与肿瘤的发生和发展密切相关[22]。文献指出[23],SCU可显著抑制结肠癌细胞活力,诱导细胞凋亡,晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycosylation end products,RAGE)蛋白表达和稳定性显著降低,RAGE泛素化水平升高。然而,SCU在细胞凋亡和存活中的作用被RAGE过表达所挽救,并被RAGE基因敲除而加速。此外,SCU处理组细胞分裂控制蛋白4(cell division control protein 4,CDC4)的表达较对照组显著增加,证实该蛋白与RAGE蛋白相互作用并介导其泛素化。CDC4过表达抑制了结肠癌细胞活力,促进了SW480和T84细胞凋亡,而RAGE过表达则减弱了这一作用。

2.6 灯盏花乙素作用于Akt/mTOR/4EBP1和STAT3信号通路诱导肿瘤细胞凋亡

mTOR是一种丝氨酸激酶,广泛参与细胞凋亡,在多种疾病中扮演着非常重要的角色。4EBPI即真核翻译起始因子,参与抑制蛋白质翻译和合成,4EBP1在大多数癌症中异常过表达。STAT3的持续激活调节与癌症形成、进展有关。研究发现,SCU通过AKT/mTOR/4EBP1和STAT3途径抑制A549细胞增殖,促进细胞凋亡。此外,SCU可促进125I诱导的A549和H1975细胞凋亡,125I和SCU联合治疗后,Akt/mTOR信号通路显著下调[3]。

2.7 灯盏花乙素上调P53途径,下调p-AKT和c-Met诱导细胞凋亡和自噬

P53是一种肿瘤抑制基因,其上调会参与生长抑制、细胞死亡、DNA修复、新陈代谢等的靶基因[24]。大鼠磷酸化AKT蛋白(p-AKT)作为肝细胞生长因子/细胞间质上皮转换因子(hepatocyte growth factor/Interstitial epithelial transition factor,HGF/c-Met)通路的下游信号分子参与肿瘤的发生和血管生成。研究表明[25],SCU可通过激活ERK介导的P53途径,促进顺铂诱导的caspase-3依赖性细胞凋亡。此外,SCU还能促进顺铂诱导的细胞毒性自噬,下调p-AKT和c-Met的表达。缺乏c-Met可降低p-AKT水平,抑制p-AKT或c-Met,提高A549/DDP细胞的自噬能力。在体内实验中,与顺铂单独治疗相比,顺铂和SCU联合治疗显著减小了肿瘤大小。

2.8 灯盏花乙素通过调节PTEN/PI3K通路诱导肿瘤细胞凋亡

PTEN作为一种双特异性蛋白磷酸酶,被确定为肿瘤抑制因子,在各种人类恶性肿瘤中,PIEN是唯一被研究出来的拮抗PI3K/AKT信号脂质磷酸酶。PI3K激酶活性升高通常与多种癌症相关。研究表明[26],SCU通过调节PTEN/PI3K通路抑制胃癌细胞生长和EMT,SCU呈剂量依赖性地抑制胃癌细胞增殖,抑制EMT,促进细胞凋亡。研究显示[14],SCU上调PTEN水平,会抑制PI3K/AKT/mTOR信号的活性。SCU对肾癌细胞的作用呈剂量、浓度、时间依赖性,并诱导其凋亡。

3 灯盏花乙素抑制肿瘤转移和血管生成

3.1 灯盏花乙素靶向ephrinb2抑制肿瘤转移和血管生成

Ephrinbs家族是迄今所知的最大的生长因子受体家族—受体酪氨酸激酶亚家族Eph的配体。ephrinb2是血管发生的关键基因之一。研究显示[26],SCU可以通过靶向ephrinb2抑制结直肠癌的转移和血管生成,通过小鼠结肠异种移植模型进一步证实SCU的生长抑制作用。在体外实验中,也发现SCU能抑制结直肠癌细胞(HCT116,LOVO,SW480和HT29)的活性和集落形成,并能显著抑制肿瘤在小鼠移植瘤体内的生长。此外,SCU抑制结直肠癌细胞诱导的血管生成及人脐血管内皮细胞(HUVECs)的迁移,HUVECs管的形成和小鸡胚胎绒毛膜尿囊性脑膜(CAM)微血管的形成。

3.2 灯盏花乙素通过抑制TNFα诱导的血管内皮细胞屏障破坏来抑制三阴性乳腺癌转移

TNFα是一种炎性细胞因子,在免疫反应和肿瘤病变的进展中起着至关重要的作用[27]。血管为实体肿瘤提供氧气和营养物质。因此,抗血管生成已被认为是一种众所周知的癌症治疗策略。研究显示[28]SCU通过抑制肿瘤坏死因子α引起的血管内皮细胞屏障的破坏来抑制三阴性乳腺癌的转移。在体内研究中,SCU减轻了三阴性乳腺癌的转移,并减轻了体内肿瘤相关的血管内皮损伤。

4 灯盏花乙素与其他抗肿瘤药物的协同作用

SCU除了有直接的抗肿瘤作用外,还可以通过与其他抗肿瘤药物发生协同作用,以增强抗肿瘤药物的功效,达到更好的抑制肿瘤的作用。研究发现[17],SCU抑制PKM2使结直肠癌细胞对奥沙利铂再敏,奥沙利铂与SCU联合使用后,使得OR-SW480和OR-HT29细胞对奥沙利铂诱导的细胞毒性显著增敏。另外,有研究表明[3],SCU通过下调AKT/mTOR通路,增强125I对非小细胞肺癌的抗癌作用。此外,SCU通过ERK/P53或c-Met/AKT信号通路增强顺铂诱导的细胞凋亡和自噬[25]。这些研究证明了SCU可以与其他药物合用,以增强抗肿瘤作用。

5 结语与展望

目前,利用中药预防和治疗肿瘤引起了人们的极大兴趣,对于中医药联合治疗肿瘤关注也越来越多。随着对灯盏花乙素研究的不断深入,研究者们已经证明了灯盏花乙素主要通过抑制肿瘤细胞的增殖、诱导肿瘤细胞凋亡,抑制肿瘤细胞的侵袭和转移以及抑制血管生成等方面来抑制肿瘤的发生。可见,灯盏花乙素具有很好的抗肿瘤作用,也具有治疗肿瘤的巨大潜力,但是其脂溶性和水溶性欠佳,口服生物利用度不高,限制了它的应用和发展。目前,灯盏花乙素在动物体内和体外实验中抗肿瘤作用均得到了充分的验证,但其在人体中抗肿瘤作用尚未可知,未来研究我们应当多开展临床实验,以确定其能否为治疗肿瘤提供方案,同时也需要克服其溶解性差、生物利用度欠佳等缺点,以增强灯盏花乙素的药理学能力。灯盏花乙素抗肿瘤作用机制仍需要进一步探究,以期能更好的评估灯盏花乙素在抗肿瘤作用中的安全性和有效性,对肿瘤的治疗提供帮助,并为临床应用提供新的思路。