基于細(xì)胞信號(hào)通路研究牛蒡子苷元抗腫瘤作用機(jī)制進(jìn)展

張 淼，魏俊雯，馬克龍,2

(1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院，安徽 合肥 230012； 2.安徽省中醫(yī)藥科學(xué)院中西醫(yī)結(jié)合研究所，安徽 合肥 230012)

牛蒡子又稱為鼠粘子、黍粘子、大力子，為菊科兩年生草本植物牛蒡?qū)倥］?ArctiumlappaL.)的干燥成熟果實(shí)，具有疏風(fēng)散熱、利咽抗毒、宣肺平喘等功效[1]。牛蒡子苷元是從牛蒡子中分離出來的一種木脂素類化合物，化學(xué)名稱為(3R,4R)-4-[(3,4-二甲氧基苯基)甲基]二氫-3-[(4-羥基-3-甲氧基苯基)甲基]-2(3H)-呋喃酮，分子式為C21H24O6[2]。由于牛蒡子苷元的抗腫瘤作用具有廣譜、低毒、不良反應(yīng)小等特點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)牛蒡子苷元的抗腫瘤作用進(jìn)行了廣泛而深入的研究。迄今發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元對(duì)腫瘤細(xì)胞具有周期阻滯、凋亡誘導(dǎo)、直接細(xì)胞毒和多藥耐藥逆轉(zhuǎn)等作用。其中牽涉的信號(hào)通路分子包括磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)、蛋白激酶B (protein kinase B，Akt)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶點(diǎn)(mammalian target of rapamycin，mTOR)、表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)和轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，它們均為腫瘤生物學(xué)的經(jīng)典信號(hào)通路的關(guān)鍵分子?，F(xiàn)對(duì)近年來牛蒡子苷元抗腫瘤作用機(jī)制中細(xì)胞信號(hào)通路研究的新進(jìn)展予以綜述。

1 牛蒡子抗腫瘤活性成分

牛蒡子含有木脂素類、萜類成分、揮發(fā)油等化學(xué)成分，木脂素類化合物主要有牛蒡子苷和牛蒡子苷元，是牛蒡子的重要活性成分[3]。許多研究表明牛蒡子苷元的藥理作用強(qiáng)于牛蒡子苷，是牛蒡子的直接有效成分，具有抗炎、抗病毒和抗腫瘤等多種生物學(xué)作用[4]。眾多研究發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元對(duì)肺癌、胰腺癌、乳腺癌、肝癌和結(jié)直腸癌等多種腫瘤均具有抑制作用。王煥勤等[4]發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元可顯著抑制肺癌細(xì)胞H460的增殖。Tezuka等[5]證實(shí)在營養(yǎng)缺乏培養(yǎng)基中牛蒡子苷元可有效殺傷人胰腺癌PANC-1細(xì)胞。張和平等[6]發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元能顯著抑制高轉(zhuǎn)移結(jié)直腸癌SW480細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。王潞等[7]研究表明牛蒡子苷元可誘導(dǎo)白血病細(xì)胞HL-60和K562細(xì)胞凋亡。

基于牛蒡子苷元明顯的腫瘤抑制作用，一些研究者對(duì)牛蒡子苷元的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾改造，以期提高其水溶性和腫瘤抑制效果。Cai等[8]用甘氨酸、α-丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸合成了牛蒡子苷元的5種氨基酸衍生物，其中牛蒡子苷元8和牛蒡子苷元10在肝癌H22移植瘤小鼠中均表現(xiàn)出比牛蒡子苷元更強(qiáng)的抗腫瘤活性。Chen等[9]研究顯示，從與牛蒡子苷元羧酸的回流反應(yīng)中獲得的6種新的牛蒡苷元單酯衍生物中，牛蒡子苷元6顯著改善白細(xì)胞介素-2(interleukin-2, IL-2)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)水平，在肝癌細(xì)胞H22中表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗腫瘤活性。Ikeda等[10]根據(jù)劑量限制性毒性和藥物動(dòng)力學(xué)的頻率得出GBS-01(牛蒡子提取物)的最大劑量，隨后在Ⅰ期臨床實(shí)驗(yàn)中對(duì)15例患者進(jìn)行治療研究，證實(shí)GBS-01可提高胰腺癌吉西他濱的療效，且無明顯不良反應(yīng)。綜上所述，牛蒡子苷元是牛蒡子抗腫瘤作用的主要活性物質(zhì)。

2 牛蒡子苷元抗腫瘤作用機(jī)制及相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

腫瘤的發(fā)生發(fā)展是多基因、多因素、多途徑的過程，其中細(xì)胞生長失調(diào)是一個(gè)重要因素，而細(xì)胞生長失調(diào)又是以信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)紊亂為特征。牛蒡子苷元作為抗腫瘤劑，通過多條信號(hào)通路調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖[11]，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[12]，直接殺傷腫瘤細(xì)胞[13-14]和逆轉(zhuǎn)多藥耐藥作用[15]等細(xì)胞生物學(xué)過程(表1)，而這些信號(hào)通路中的關(guān)鍵分子正是腫瘤治療研究和抗腫瘤藥物研發(fā)的靶點(diǎn)。

表1 牛蒡子苷元抗腫瘤作用的分子機(jī)制

2.1 PI3K/Akt信號(hào)通路 PI3K/Akt信號(hào)通路作為細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之一，過度激活會(huì)引起腫瘤細(xì)胞的生長、增殖和轉(zhuǎn)移，并促使其產(chǎn)生耐藥。有研究發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元可抑制由葡萄糖饑餓誘導(dǎo)激活的Akt途徑[16]，這是腫瘤細(xì)胞能夠忍受葡萄糖缺乏的主要途徑。Wang等[17]研究了牛蒡子苷元與槲皮素聯(lián)合抑制前列腺癌的抗增殖作用，證實(shí)牛蒡子苷元抑制雄激素依賴性LAPC-4細(xì)胞增殖。與對(duì)照組相比，聯(lián)合用藥組能夠抑制雄激素受體、PI3K/Akt和STAT3通路激活，并且下調(diào)致癌的miR-21、miR-19b和miR-148a表達(dá)。Maxwell等[18]使用雌激素受體(estrogen receptor，ER)陽性的MCF-7細(xì)胞和ER陰性的MDA-MB-231細(xì)胞研究牛蒡子苷元對(duì)乳腺癌轉(zhuǎn)移的影響，發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元能抑制乳腺癌細(xì)胞內(nèi)Akt、核轉(zhuǎn)錄因子-kappa B(nuclear factor-kappa B，NF-κB)、MAPK、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶-1/2(extracellular regulated protein kinas，ERK1/2)和c-Jun氨基末端激酶-1/2(c-Jun N-terminal kinase，JNK1/2)的激活。

2.2 MAPK信號(hào)通路 MAPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化和凋亡等多種生物學(xué)過程，在腫瘤發(fā)生過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。Hsieh等[19]研究證實(shí)，牛蒡子苷元抑制人乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞增殖，其機(jī)制在于牛蒡子苷元能促進(jìn)p38 MAPK激活，上調(diào)組蛋白H3K9甲基化，促使B淋巴細(xì)胞瘤-2(B-cell lymphoma-2， Bcl-2)基因的表達(dá)下調(diào)，進(jìn)而誘導(dǎo)MDA-MB-231細(xì)胞凋亡。Li等[20]發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元可使人結(jié)腸癌HT-29細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，ROS)的增加，引起p38 MAPK的激活和線粒體膜電位的變化，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。Lu等[21]在研究豬肺泡巨噬細(xì)胞株(3D4/21)和原代豬肺泡巨噬細(xì)胞過程中發(fā)現(xiàn)，牛蒡子苷元能顯著刺激TNF-α和TGF-β1的分泌表達(dá)，提高細(xì)胞內(nèi)ROS水平，通過Toll樣受體6(toll like receptor 6, TLR6)NADPH氧化酶2(NADPH oxidase 2，NOX2)-MAPK通路提高巨噬細(xì)胞的免疫功能。Han等[22]證實(shí)牛蒡子苷元通過內(nèi)源性凋亡途徑的MAPK信號(hào)通路，降低N-鈣黏蛋白、波形纖維蛋白、β-連環(huán)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子Snail的表達(dá)，從而誘導(dǎo)CT26細(xì)胞的細(xì)胞周期停滯和凋亡，并且在實(shí)驗(yàn)性轉(zhuǎn)移模型中證實(shí)牛蒡子苷元通過介入MAPK信號(hào)通路顯著抑制CT26細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。

2.3 VEGF/VEGFR信號(hào)通路 腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移在很大程度上依賴于血管生成，阻斷腫瘤組織的血液供應(yīng)可抑制實(shí)體瘤的惡化。Gu等[23]研究發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元可抑制人微血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖，減少結(jié)腸癌CT26細(xì)胞內(nèi)絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶Akt的磷酸化，下調(diào)血管內(nèi)皮生長因子受體-2(vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR-2)和增殖細(xì)胞核抗原的表達(dá)，進(jìn)而抑制血管生成。Lou等[24]研究發(fā)現(xiàn)，牛蒡子苷元對(duì)乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞有明顯的增殖抑制和凋亡誘導(dǎo)作用。牛蒡子苷元可下調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶-2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)、MMP-9和乙酰肝素酶的表達(dá)水平，且這種作用很可能是通過干擾VEGF信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的。Pu[25]應(yīng)用免疫組織化學(xué)方法檢測32例口腔鱗狀細(xì)胞癌組織和20例癌旁組織中VEGF的表達(dá)，采用HSC-3細(xì)胞株制備人口腔鱗狀細(xì)胞癌裸鼠移植瘤模型，觀察移植瘤生長及移植瘤組織中VEGF表達(dá)的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元能下調(diào)VEGF的表達(dá)，抑制口腔鱗狀細(xì)胞癌的生長。Wang等[26]通過對(duì)雄激素敏感的LNCaP細(xì)胞、人前列腺癌LAPC-4細(xì)胞、惡變前的WPE1-NA22細(xì)胞以及異種移植小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，牛蒡子苷元可以通過抑制VEGF、表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)和成纖維細(xì)胞生長因子β(fibroblast growth factor β, FGF-β)的表達(dá)而在體內(nèi)外抑制前列腺癌細(xì)胞的增殖。

2.4 JAK-STAT3信號(hào)通路 JAK-STAT信號(hào)通路是體內(nèi)多條致癌性信號(hào)傳導(dǎo)通路匯聚的焦點(diǎn)。正常情況下，STAT3的激活是短暫且受嚴(yán)格控制的，但在多種腫瘤細(xì)胞中STAT3蛋白表現(xiàn)為持續(xù)性激活。Yao等[27]研究發(fā)現(xiàn)，牛蒡子苷元通過抑制Src、JAK1和JAK2抑制STAT3酪氨酸磷酸化，同時(shí)通過抑制ERK活化阻礙STAT3絲氨酸的磷酸化。并且，牛蒡子苷元能上調(diào)蛋白酪氨酸磷脂酶SHP-2的表達(dá)，進(jìn)而下調(diào)STAT3的調(diào)控基因cIAP2、Bcl-2和Mcl-1的表達(dá)水平。該研究還發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元對(duì)順鉑誘導(dǎo)的癌細(xì)胞死亡有顯著的促進(jìn)作用，通過抑制STAT3信號(hào)通路增強(qiáng)癌細(xì)胞對(duì)順鉑的敏感性。Feng等[28]研究證實(shí)，牛蒡子苷元通過破壞DNA和STAT3之間的氫鍵連接以抑制STAT3與基因組DNA的結(jié)合，從而抑制三陰性乳腺癌細(xì)胞TNBC增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡。此外，牛蒡子苷元可增強(qiáng)紫杉特爾誘導(dǎo)的TNBC細(xì)胞毒性，而TNBC細(xì)胞移植瘤實(shí)驗(yàn)也證實(shí)牛蒡子苷元在體內(nèi)的抗腫瘤作用。因此，牛蒡子苷元能抑制STAT3與DNA結(jié)合，是STAT3的新型抑制劑。

2.5 mTOR信號(hào)通路 mTOR屬于磷脂酰肌醇3-激酶相關(guān)激酶(phosphatidylinositol 3-kinase-related kinase，PIKK)蛋白家族，在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、增殖和周期等多方面起到重要作用。Maxwell等[29]證實(shí)牛蒡子苷元抑制ER陽性乳腺癌細(xì)胞內(nèi)mTOR通路，降低ER的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞自噬性死亡。Wu等[30]深入研究ER的潛在機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)雌激素受體β(estrogen receptor β，ERβ)的特異性拮抗劑PHTPP或小干擾RNA(small interfering RNA, siRNA)在Th17極化條件下明顯降低牛蒡子苷元對(duì)T細(xì)胞和原代CD4+T細(xì)胞中TGF-β1活化的抑制作用，提示牛蒡子苷元以ERβ依賴性方式起作用，選擇性抑制ER，限制mTORC1的激活。

2.6 Wnt/β-catenin信號(hào)通路 Wnt/β-catenin信號(hào)通路是一條在生物進(jìn)化中極為保守的通路，其不僅在胚胎發(fā)育調(diào)控中具有至關(guān)重要的作用，而且與腫瘤的產(chǎn)生和發(fā)展密切相關(guān)。Zhang等[31]運(yùn)用二維電泳色譜質(zhì)譜聯(lián)用的蛋白組學(xué)技術(shù)證實(shí)牛蒡子苷元通過介導(dǎo)Wnt/β-catenin通路而抑制結(jié)直腸癌HCT116細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和血管生成。Lee等[32]以人乳腺癌MCF-7和MDA-MB-231細(xì)胞為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元能夠通過調(diào)節(jié)β-連環(huán)蛋白的表達(dá)而誘導(dǎo)ER陽性細(xì)胞MCF-7凋亡。Yoo等[33]進(jìn)一步證實(shí)，牛蒡子苷元能抑制人結(jié)腸癌SW480細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)其凋亡，使該細(xì)胞阻滯于S期和G2期。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，牛蒡子苷元下調(diào)結(jié)直腸癌細(xì)胞CCND1、survivin和CTNNB1基因的表達(dá)，表明牛蒡子苷元可能是通過調(diào)控相關(guān)蛋白的表達(dá)抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路，進(jìn)而抑制人結(jié)腸癌SW480細(xì)胞的生長并誘導(dǎo)凋亡。

2.7 其他 EGFR也被稱作HER1、ErbB1，是上皮生長因子細(xì)胞增殖和信號(hào)傳導(dǎo)的受體。在許多實(shí)體腫瘤中存在EGFR的高表達(dá)或異常表達(dá)。EGFR與腫瘤細(xì)胞的增殖、血管生成、腫瘤侵襲、轉(zhuǎn)移及細(xì)胞凋亡的抑制有關(guān)。Zhang等[34]研究發(fā)現(xiàn)，牛蒡子苷元通過干擾RAF-MEK-ERK途徑和抑制EGFR信號(hào)通路來促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞的老化。TGF-β與細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)化生長因子β受體(transforming growth factor β receptor，TβR)結(jié)合后可通過Smad蛋白介導(dǎo)細(xì)胞的信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，即TGF-β/Smad信號(hào)通路，它與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。。近年來的研究結(jié)果證實(shí)，牛蒡子苷元可通過TGF-β/Smad發(fā)揮抗腫瘤作用。Xu等[35]研究發(fā)現(xiàn)，牛蒡子苷元抑制TGF-β3的磷酸化和smad2/3的轉(zhuǎn)錄活性，降低N-鈣黏蛋白和提高E-鈣黏蛋白的表達(dá)水平，進(jìn)而抑制肺癌轉(zhuǎn)移。

3 結(jié)語

牛蒡子苷元的廣譜、低毒性和對(duì)腫瘤細(xì)胞特異性的抑制作用使得牛蒡子苷元成為一個(gè)值得開發(fā)的新型抗腫瘤藥物，受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。牛蒡子苷元通過PI3K/Akt、MAPK、VEGF/VEGFR、JAK-STAT3、mTOR、Wnt/β-catenin和TGF-β/Smad等信號(hào)通路而抑制腫瘤細(xì)胞增殖、遷移和轉(zhuǎn)移。這些信號(hào)通路之間并非孤立，而是彼此聯(lián)系，相互作用，呈網(wǎng)絡(luò)式調(diào)節(jié)作用，這也給研究帶來了極大的困難。目前，牛蒡子苷元抗腫瘤作用的機(jī)制研究還處在探索階段。今后應(yīng)利用各種新的研究技術(shù)和研究手段，進(jìn)一步闡釋牛蒡子苷元抗腫瘤作用機(jī)制，為其將來在臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。