中药抑制缺氧诱导因子-1α相关信号通路的抗肿瘤作用研究进展

毛梦婷 许尤琪 董孟佳 李伟良 唐 杰

(1 南京中医药大学,南京,210029; 2 南京中医药大学第二附属医院,南京,210017)

癌症是全球第二大死因,根据2020年最新的全球肿瘤统计结果显示,世界各国和地区新增约1 930万癌症病例,死亡率约为51.8%[1]。缺氧是实体肿瘤的常见特征[2]。肿瘤细胞增殖速度快,而血供不足,因此常导致肿瘤内部处于缺氧状态,导致缺氧诱导因子-1(Hypoxia Inducible Factor-1,HIF-1)的表达上调[3]。大量研究发现,HIF-1可通过参与上下游相关信号通路的转导调控肿瘤细胞的增殖、侵袭转移、血管生成、糖酵解和免疫反应[4-7]。HIF-1α是缺氧应答中最为关键的转录调控因子,在乳腺癌、肺癌、直肠癌和胃癌等多种肿瘤组织中均有过表达,提示HIF-1α是肿瘤治疗的潜在靶点[8]。据报道,目前PX-478(缺氧诱导因子-1α的抑制剂)、EZN-2968(第三代反义寡核苷酸)、棘霉素(Echinomycin)、2-甲氧雌二醇(2-methoxyestradiol,2ME2)和硼替佐米(Bortezomib)等药物可抑制HIF-1α的过度表达[9-12],但是这些抑制剂可能存在呕吐、疲劳、腹泻、肝毒性等不良反应以及因缺乏特异性而导致有效性不足的问题[11,13]。中药具有多成分、多靶点、低不良反应率的优势,大量研究发现,诸多中药单体及复方可通过抑制HIF-1α相关信号通路起到抗肿瘤作用,作用通路涉及磷脂酰肌醇-3-激酶(Phosphatidylinositol-3-hydroxy Kinase,PI3K)/蛋白激酶B(Protein Kinase B,AKT)、细胞外调节蛋白激酶(Extracellular Regulated Protein Kinases,ERK)/促丝裂原活化的蛋白激酶(Mitogen-activated Protein Kinase,MAPK)、上皮-间充质转化(Epithelial-mesenchymal Transition,EMT)、血管内皮生长因子(Vascular Endothelial Growth Factor,VEGF)、信号转导及转录激活因子(Signal Transduction and Activator of Transcription,STAT3)/程序性死亡受体配体1(Programmed Death-ligand 1,PD-L1)、miR-320/KLF5等多种信号通路。本文以HIF-1α相关信号通路为基础,综述中药单体和中药复方抗肿瘤机制研究的进展,以期为肿瘤的药理和临床研究提供一定的参考。

1 HIF-1α信号通路

HIF-1为HIF-1α和HIF-1β 2个亚基共同构成的异二聚体转录因子。在常氧条件下,HIF-1α亚基被脯氨酰羟化酶(Prolyl Hydroxylase,PHD)羟基化,并通过蛋白酶体途径被降解。在缺氧环境下,HIF-1α降解受阻并积聚,进入到细胞核与HIF-1β结合,进而产生HIF-1复合体。随后,HIF-1结合低氧反应元件(Hypoxia Response Element,HRE),促进靶基因的转录,从而调控肿瘤细胞的增殖、侵袭转移、血管生成、糖酵解和免疫反应[5]。因此,中药通过调控HIF-1α相关信号通路实现抗肿瘤作用是当前治疗研究的热点。

1.1 PI3K/AKT/HIF-1α信号通路调控肿瘤 PI3K/AKT/HIF-1α信号通路参与多种细胞生物过程,包括增殖、黏附、迁移、代谢、存活和癌症进展,是调节HIF-1a活性的代表性信号通路。当RAS蛋白(Rat Sarcoma)突变、生长因子受体如表皮生长因子受体(Epidermal Growth Factor Receptor,EGFR)表达增加或磷酸酶和人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因(Phosphate and Tension Homology Deleted on Chromosome Ten Gene,PTEN)丢失时,PI3K被激活,活化的PI3K激活下游的丝氨酸/苏氨酸激酶AKT和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian Target of Rapamycin,mTOR),促使HIF-1α的合成增加,一方面促进了下游靶基因VEGF的表达,促进肿瘤血管生成[14-16]。另一方面,其上调了葡萄糖转运体的表达,减少了糖原合成并增强糖酵解作用[17]。

1.2 ERK/MARK/HIF-1α信号通路调控肿瘤 MAPK级联参与增殖、分化、凋亡和应激反应等许多重要的细胞生物过程。MAPK(MEK)/ERK/HIF-1α通路是其中最重要的信号通路,对肿瘤细胞的生长和发展起着至关重要的作用。在信号转导过程中,RAS蛋白作为上游激活蛋白,被表皮生长因子(Epidermal Growth Factor,EGF)、肿瘤坏死因子等刺激因子激活,将Raf从细胞质结合并转运到细胞膜上,激活Raf[18],激活的Raf-1继续激活下游的MEK和MAPK,通过磷酸化2个丝氨酸残基(641、643)来调节翻译后的HIF-1α。这种磷酸化促进了HIF-1α的核积累,从而导致HIF-1激活的转录增加[19]。

1.3 HIF-1α/EMT信号通路调控肿瘤 EMT参与肿瘤恶性表型转化的起始过程,是肿瘤侵袭和转移的关键步骤[20]。缺氧激活HIF-1α信号通路,调控EMT相关基因(Twist1、Snail1和Zeb1等)水平,通过与其近端启动子中的HRE结合,HIF-1α直接上调其表达,进而促进肿瘤细胞EMT[6]。此外,E-钙黏合素的下调以及N-钙黏合素和波形蛋白的上调被认为是促进肿瘤细胞EMT的重要因素[21]。

1.4 HIF-1α/VEGF信号通路调控肿瘤 缺氧诱导HIF-1α过度表达,通过上调VEGF等促血管生成因子的表达,促进肿瘤血管的生成。VEGF是促进肿瘤血管生成最有效和特异的因子,其还具有增加血管通透性,促进肿瘤细胞迁移的作用[7-22]。此外,HIF-1α可能通过上调VEGF的表达,增加血管通透性和渗透性,从而促进肿瘤细胞侵袭和转移[23]。也有研究表明,在缺氧环境下,HIF-1α的过表达可通过上调基质金属蛋白酶(Matrix Metallo Proteinase,MMP)的表达,进而降解基质膜来促进肿瘤细胞迁移[24]。

1.5 STAT3/HIF-1α/PD-L1信号通路调控肿瘤 STAT3调控增殖、分化、凋亡和免疫调节等多种致癌途径。在低氧环境下,活化的STAT3能够诱导HIF-1α的转录表达,二者可协同增强PD-L1的转录。PD-L1是一种编码免疫检查点分子PD-L1的基因,通过与活化的T细胞上的PD-1受体结合,减弱效应T细胞应答,使肿瘤逃脱免疫攻击,在抑制整体T细胞应答和癌症免疫抵抗的发展中起着至关重要的作用[25-28]。

1.6 miR-320/KLF5/HIF-1α信号通路调控肿瘤 miR-320是一种重要的肿瘤抑制因子,与肿瘤EMT、增殖和转移密切相关。克吕佩尔样因子5(Kruppel-like Factor 5,KLF5)是miR-320的靶基因,在多种肿瘤组织中表达异常。有研究表明,在结肠癌细胞中,KLF5是HIF-1α的转录激活因子,其可通过上调HIF-1α的表达水平,促进结肠癌细胞的侵袭、转移和EMT[29-31]。

1.7 癌细胞比正常细胞消耗更多的葡萄糖 在低氧条件下,HIF-1α上调葡萄糖转运蛋白葡萄糖转运体1(Glucose Transporter 1,GLUT1)和GLUT3、糖酵解酶(即己糖激酶1和2、磷酸甘油酸激酶1、烯醇化酶1、丙酮酸激酶M2和乳酸脱氢酶(Lactate Dehydrogenase,LDH)等基因的表达,进而再度编程肿瘤细胞中的葡萄糖代谢,促进肿瘤细胞的糖酵解作用和瓦尔堡效应”(Warburg effect),有效地保障缺氧状态下产生足够的能量[32-34]。

2 中药抑制HIF-1α相关信号通路的抗肿瘤作用

2.1 中药单体

2.1.1 黄酮类 木犀草素(Luteolin)是中药连翘的重要活性成分,具有抗氧化、抗肿瘤、抗菌、抗炎的作用。郭勇等[35]研究发现木犀草素能明显下调BGC-823、MGC-803胃癌细胞p-AKT、p-MTOR、HIF-1α、N-钙黏合素、波形蛋白的表达,且能抑制其增殖和迁移,并呈时间和浓度依赖性。此外,该研究还发现,敲低HIF-1α会减弱木犀草素抗胃癌细胞增殖和迁移的作用。该实验结果提示HIF-1α是木犀草素发挥抑瘤作用的重要靶点。

2.1.2 生物碱类 防己诺林碱(Fangchinoline)来源于防己的干燥根,是一种结构复杂的双苄基异喹啉类生物碱。望永鼎等[36]对结肠癌荷瘤小鼠给予防己诺林碱干预,发现防己诺林碱可能通过抑制HIF-1α/VEGF/AKT信号通路来抑制结肠癌细胞HT-29的增殖、侵袭和上皮间质转化,从而抑制结肠癌的发生和发展。吴茱萸碱(Evodotaxine)是吴茱萸的中药活性成分,可以抑制肿瘤细胞增殖并促进其凋亡。徐智等[37]研究发现吴茱萸碱能显著下调胆囊癌细胞GBC-SD中HIF-1α及VEGF蛋白的含量,且能抑制GBC-SD细胞增殖,并促进其凋亡,提示吴茱萸碱可能通过调控血管生成相关因子来发挥抑瘤作用。

2.1.3 萜类 姜黄醇(Curcumol)是姜科姜黄属植物温郁金的有效成分之一,温郁金具有抗氧化、抗增殖和抗肿瘤的作用。ZUO等[38]研究发现姜黄醇通过抑制HIF-1α和p-STAT3之间的交互作用下调肝癌细胞中PD-L1的表达而实现抗肿瘤作用。梣酮(Fraxinellone)是一种柠檬苦素类似物,是从芸香科植物白鲜的根皮中提取出的重要活性成分,可通过协同抑制STAT3和HIF-1α来降低PD-L1的表达,从而抑制A549肺腺癌细胞的增殖和血管生成[39]。藏红花素(Crocin)是藏红花的重要活性成分之一,是一种水溶性类胡萝卜素,具有抗炎、抗氧化和抗肿瘤作用。ZHOU等[40]研究发现KLF5和HIF-1α在胃癌组织和细胞中表达均上调,藏红花素通过提高miR-320在胃癌细胞中的表达来降低KLF5的表达进而下调HIF-1α的表达,该实验结果表明藏红花素可通过调控miR-320/KLF5/HIF-1α信号通路抑制胃癌细胞的迁移和侵袭。

2.1.4 糖苷类 红景天苷(Salidroside)是从传统中药红景天中分离出的一种苯丙素苷类化合物,具有抗肿瘤和抗氧化的作用。CHEN等[41]发现红景天苷可能通过HIF-1α/LOXL2通路,下调MMP2和MMP9同时上调E-钙黏合素来抑制胰腺癌BxPC-3细胞增殖和侵袭。苯乙醇苷(Phenylethanol)是中药肉苁蓉的主要活性成分。WEN等[42]研究发现,苯乙醇苷能增强奥沙利铂对肝癌的作用,显著增加肝癌对奥沙利铂的敏感性,其作用机制与下调HIF-1α、LOXL2和Twist水平,上调E-钙黏合素水平有关。因此,苯乙醇苷被认为是一种有效的铂类药物增敏剂,可以提高肝癌患者的化疗疗效。

2.1.5 酚类 香草酸(Vanillic Acid)是一种膳食酚类化合物,可清除活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS),具有抗菌、抗炎、抗癌、保肝等作用。GONG等[43]研究发现,香草酸具有抗结肠癌血管生成作用,其机制是通过抑制Raf/MEK/ERK信号通路,下调HIF-1α,进而降低VEGF和EPO蛋白和mRNA水平实现的。

2.1.6 皂苷类 白头翁皂苷(Pulsatilla Saponin A,PSA)是从毛茛科植物白头翁中发现的一种三萜皂苷类单体。崔亚茹等[44]研究表明PSA对直肠癌的抑制作用可能通过抑制HIF-1α蛋白,从而下调HK-II、PKM2、GLUT1的表达干扰糖酵解过程,抑制细胞增殖。

2.1.7 醌类 大黄具有泻下、攻积、行瘀的功效,大黄素(Emodin)是提取自大黄的一种蒽醌类化合物。张秋菊等[45]研究发现大黄素能降低胃癌SGC7901细胞中的HIF-1α表达,升高其下游靶基因E-钙黏合素的表达,提示大黄素可能通过这一通路来抑制肿瘤细胞增殖和迁移。

2.1.8 中药提取物 南蛇藤(Celastrus Orbiculatus)在中国广泛分布,其提取物能通过抑制血管生成、增殖、侵袭和转移来发挥抗癌作用。QIAN等[46]研究发现南蛇藤提取物能抑制HepG2肝癌细胞侵袭和转移,其机制与通过靶向HIF-1α/Twist1信号通路抑制EMT有关。

2.2 中药复方

2.2.1 蟾灵膏 蟾灵膏是国医大师刘尚义教授多年临床治疗的经验总结,由蟾衣、葛花、葛根、贯众、砂仁、威灵仙等中药组成,具有行气活血、散结消癥之效。YANG等[47]研究发现蟾灵膏能抑制裸鼠移植瘤的生长和结直肠癌的肝转移,其机制是通过抑制HIF-1α/SDF-1α-CXCR4/PI3K-AKT信号通路,减少VEGF的合成和释放从而抑制结直肠癌的侵袭和转移实现的。

2.2.2 解毒三根汤 解毒三根汤由藤梨根、虎杖根、水杨梅根组成,临床广泛用于结直肠癌的治疗。SUN等[48]发现解毒三根汤可通过抑制PI3K/AKT/HIF-1α通路,调节糖酵解相关蛋白(HKII和Glut1)和胱天蛋白酶家族(Caspase 3、Caspase 9)从而抑制糖酵解,诱导细胞凋亡,最终显著逆转人结肠癌耐药细胞株LOVO/5-氟尿嘧啶(5-FU)的耐药性。

2.2.3 抑癌方 抑癌方是由黄芪、白术、藤梨根、莪术、冬瓜子组成的复方中药,能有效抑制结直癌细胞的生长和血管生成拟态(Vasculogenic Mimicry,VM)的形成,并呈剂量依赖性[49]。其作用机制是通过HIF-1α/EMT通路抑制大肠癌VM的形成来抑制肿瘤血管新生。

2.2.4 益气养精方 益气养精方是以益气养精、解毒抗癌为治疗原则的治疗肺癌的经验方剂,全方由生黄芪、白术、女贞子、黄精、干蟾皮、七叶一枝花、淫羊藿等药材组成。汪羽涵等[50]研究发现益气养精方能显著下调A549细胞中糖酵解相关蛋白HIF-1α、6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3(6-phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase 3,PFKFB3)的含量,且有抑制A549细胞增殖、诱导其凋亡的作用,提示益气养精汤可能通过抑制糖酵解作用来实现抗肿瘤作用。

3 临床联合用药

目前,肿瘤的治疗取得了巨大进步,逐步形成以手术、放化疗、靶向治疗、免疫治疗和中医药治疗等多学科联合的综合治疗模式,极大地改善了肿瘤患者的预后。已有越来越多的现代研究证实中药配合其他西医疗法有明显的协同作用,在肿瘤治疗中有广泛的应用前景。陈晓琦等[51]研究发现对照组按常规肝动脉插管化疗栓塞术(Transcatheter Arterial Chemoembolization,TACE)方案治疗,观察组在对照组治疗方案的基础上加用扶正消瘤颗粒,观察组VEGF、HIF-1α表达均低于对照组,并可明显改善患者生命质量。王晓东等[52]选取120例原发性肝癌患者采用黄芩汤联合TACE及单纯TACE进行治疗,研究表明TACE联合黄芩汤治疗可显著下调患者血清谷草转氨酶(Glutamic-oxaloacetic Transaminase,GOT)、谷丙转氨酶(Glutamic-pyruvic Transaminase,GPT)、甲胎蛋白(Alpha Fetoprotein,AFP)、核因子κB(Nuclear Factor-κB,NF-κB)、HIF-1α水平,并改善患者中医证候。

综上所述,中药可通过调控HIF-1α相关信号通路来抑制肿瘤生成,进而提高肿瘤疗效,对临床治疗肿瘤具有一定的指导价值。其具体作用机制见表1～2。

表1 中药单体对HIF-1α相关通路的抗肿瘤作用机制

表2 中药复方对HIF-1α相关通路的抗肿瘤作用机制

4 讨论

HIF-1α作为缺氧微环境之中促使肿瘤发生发展的关键转录因子,在许多不同的肿瘤类型中都有过表达,目前被认为是肿瘤治疗的潜在靶点[5]。HIF-1α联系众多信号通路,在肿瘤的发生发展中起到重要的调控作用,其作用通路涉及PI3K/AKT、ERK/MARK、EMT、VEGF、STAT3/PD-L1、miR-320/KLF5等信号通路。木犀草素、防己诺林碱、姜黄醇、红景天苷、香草酸、大黄素、蟾灵膏、解毒三根汤等中药单体或复方均能在一定程度上抑制HIF-1α相关信号通路,从而达到抗肿瘤的作用。其作用机制大致分为以下几类：抑制肿瘤细胞增殖、抑制肿瘤细胞侵袭和转移、抗肿瘤血管生成、抑制糖酵解、抑制PD-L1阻断免疫逃逸和逆转耐药性等方面,从而达到抗肿瘤的作用。

总体而言,中药具有多成分、多靶点、安全性高、不良反应低等优势,协同西医疗法能明显提高临床疗效,但目前仍存在一些亟须解决的问题。第一、目前中医药调控HIF-1α抑制肿瘤发生发展的机制研究集中在细胞增殖、侵袭迁移、血管生成和糖酵解方面,研究面较为狭窄,在免疫调节、耐药性等方面仍有待科研工作者继续深入研究。第二、目前研发的HIF-1α抑制剂仍存在局限性,表现在不良反应高、有效性不足等方面。因此中医药如何与HIF-1α抑制剂联合协同,最大发挥减毒增效的作用有待进一步探索。第三、中药通过HIF-1α相关信号通路抗肿瘤的机制研究大多局限在体外研究。因此,加强体内实验和临床研究,增强实验的应用性具有十分重要的意义。

利益冲突声明：无。