中藥抑制缺氧誘導(dǎo)因子-1α相關(guān)信號通路的抗腫瘤作用研究進(jìn)展

毛夢婷 許尤琪 董孟佳 李偉良 唐 杰

(1 南京中醫(yī)藥大學(xué),南京,210029; 2 南京中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院,南京,210017)

癌癥是全球第二大死因,根據(jù)2020年最新的全球腫瘤統(tǒng)計結(jié)果顯示,世界各國和地區(qū)新增約1 930萬癌癥病例,死亡率約為51.8%[1]。缺氧是實體腫瘤的常見特征[2]。腫瘤細(xì)胞增殖速度快,而血供不足,因此常導(dǎo)致腫瘤內(nèi)部處于缺氧狀態(tài),導(dǎo)致缺氧誘導(dǎo)因子-1(Hypoxia Inducible Factor-1,HIF-1)的表達(dá)上調(diào)[3]。大量研究發(fā)現(xiàn),HIF-1可通過參與上下游相關(guān)信號通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲轉(zhuǎn)移、血管生成、糖酵解和免疫反應(yīng)[4-7]。HIF-1α是缺氧應(yīng)答中最為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,在乳腺癌、肺癌、直腸癌和胃癌等多種腫瘤組織中均有過表達(dá),提示HIF-1α是腫瘤治療的潛在靶點[8]。據(jù)報道,目前PX-478(缺氧誘導(dǎo)因子-1α的抑制劑)、EZN-2968(第三代反義寡核苷酸)、棘霉素(Echinomycin)、2-甲氧雌二醇(2-methoxyestradiol,2ME2)和硼替佐米(Bortezomib)等藥物可抑制HIF-1α的過度表達(dá)[9-12],但是這些抑制劑可能存在嘔吐、疲勞、腹瀉、肝毒性等不良反應(yīng)以及因缺乏特異性而導(dǎo)致有效性不足的問題[11,13]。中藥具有多成分、多靶點、低不良反應(yīng)率的優(yōu)勢,大量研究發(fā)現(xiàn),諸多中藥單體及復(fù)方可通過抑制HIF-1α相關(guān)信號通路起到抗腫瘤作用,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)、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(Extracellular Regulated Protein Kinases,ERK)/促絲裂原活化的蛋白激酶(Mitogen-activated Protein Kinase,MAPK)、上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial-mesenchymal Transition,EMT)、血管內(nèi)皮生長因子(Vascular Endothelial Growth Factor,VEGF)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(Signal Transduction and Activator of Transcription,STAT3)/程序性死亡受體配體1(Programmed Death-ligand 1,PD-L1)、miR-320/KLF5等多種信號通路。本文以HIF-1α相關(guān)信號通路為基礎(chǔ),綜述中藥單體和中藥復(fù)方抗腫瘤機制研究的進(jìn)展,以期為腫瘤的藥理和臨床研究提供一定的參考。

1 HIF-1α信號通路

HIF-1為HIF-1α和HIF-1β 2個亞基共同構(gòu)成的異二聚體轉(zhuǎn)錄因子。在常氧條件下,HIF-1α亞基被脯氨酰羥化酶(Prolyl Hydroxylase,PHD)羥基化,并通過蛋白酶體途徑被降解。在缺氧環(huán)境下,HIF-1α降解受阻并積聚,進(jìn)入到細(xì)胞核與HIF-1β結(jié)合,進(jìn)而產(chǎn)生HIF-1復(fù)合體。隨后,HIF-1結(jié)合低氧反應(yīng)元件(Hypoxia Response Element,HRE),促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄,從而調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲轉(zhuǎn)移、血管生成、糖酵解和免疫反應(yīng)[5]。因此,中藥通過調(diào)控HIF-1α相關(guān)信號通路實現(xiàn)抗腫瘤作用是當(dāng)前治療研究的熱點。

1.1 PI3K/AKT/HIF-1α信號通路調(diào)控腫瘤 PI3K/AKT/HIF-1α信號通路參與多種細(xì)胞生物過程,包括增殖、黏附、遷移、代謝、存活和癌癥進(jìn)展,是調(diào)節(jié)HIF-1a活性的代表性信號通路。當(dāng)RAS蛋白(Rat Sarcoma)突變、生長因子受體如表皮生長因子受體(Epidermal Growth Factor Receptor,EGFR)表達(dá)增加或磷酸酶和人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因(Phosphate and Tension Homology Deleted on Chromosome Ten Gene,PTEN)丟失時,PI3K被激活,活化的PI3K激活下游的絲氨酸/蘇氨酸激酶AKT和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian Target of Rapamycin,mTOR),促使HIF-1α的合成增加,一方面促進(jìn)了下游靶基因VEGF的表達(dá),促進(jìn)腫瘤血管生成[14-16]。另一方面,其上調(diào)了葡萄糖轉(zhuǎn)運體的表達(dá),減少了糖原合成并增強糖酵解作用[17]。

1.2 ERK/MARK/HIF-1α信號通路調(diào)控腫瘤 MAPK級聯(lián)參與增殖、分化、凋亡和應(yīng)激反應(yīng)等許多重要的細(xì)胞生物過程。MAPK(MEK)/ERK/HIF-1α通路是其中最重要的信號通路,對腫瘤細(xì)胞的生長和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中,RAS蛋白作為上游激活蛋白,被表皮生長因子(Epidermal Growth Factor,EGF)、腫瘤壞死因子等刺激因子激活,將Raf從細(xì)胞質(zhì)結(jié)合并轉(zhuǎn)運到細(xì)胞膜上,激活Raf[18],激活的Raf-1繼續(xù)激活下游的MEK和MAPK,通過磷酸化2個絲氨酸殘基(641、643)來調(diào)節(jié)翻譯后的HIF-1α。這種磷酸化促進(jìn)了HIF-1α的核積累,從而導(dǎo)致HIF-1激活的轉(zhuǎn)錄增加[19]。

1.3 HIF-1α/EMT信號通路調(diào)控腫瘤 EMT參與腫瘤惡性表型轉(zhuǎn)化的起始過程,是腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵步驟[20]。缺氧激活HIF-1α信號通路,調(diào)控EMT相關(guān)基因(Twist1、Snail1和Zeb1等)水平,通過與其近端啟動子中的HRE結(jié)合,HIF-1α直接上調(diào)其表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞EMT[6]。此外,E-鈣黏合素的下調(diào)以及N-鈣黏合素和波形蛋白的上調(diào)被認(rèn)為是促進(jìn)腫瘤細(xì)胞EMT的重要因素[21]。

1.4 HIF-1α/VEGF信號通路調(diào)控腫瘤 缺氧誘導(dǎo)HIF-1α過度表達(dá),通過上調(diào)VEGF等促血管生成因子的表達(dá),促進(jìn)腫瘤血管的生成。VEGF是促進(jìn)腫瘤血管生成最有效和特異的因子,其還具有增加血管通透性,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞遷移的作用[7-22]。此外,HIF-1α可能通過上調(diào)VEGF的表達(dá),增加血管通透性和滲透性,從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移[23]。也有研究表明,在缺氧環(huán)境下,HIF-1α的過表達(dá)可通過上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶(Matrix Metallo Proteinase,MMP)的表達(dá),進(jìn)而降解基質(zhì)膜來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞遷移[24]。

1.5 STAT3/HIF-1α/PD-L1信號通路調(diào)控腫瘤 STAT3調(diào)控增殖、分化、凋亡和免疫調(diào)節(jié)等多種致癌途徑。在低氧環(huán)境下,活化的STAT3能夠誘導(dǎo)HIF-1α的轉(zhuǎn)錄表達(dá),二者可協(xié)同增強PD-L1的轉(zhuǎn)錄。PD-L1是一種編碼免疫檢查點分子PD-L1的基因,通過與活化的T細(xì)胞上的PD-1受體結(jié)合,減弱效應(yīng)T細(xì)胞應(yīng)答,使腫瘤逃脫免疫攻擊,在抑制整體T細(xì)胞應(yīng)答和癌癥免疫抵抗的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用[25-28]。

1.6 miR-320/KLF5/HIF-1α信號通路調(diào)控腫瘤 miR-320是一種重要的腫瘤抑制因子,與腫瘤EMT、增殖和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)?？藚闻鍫枠右蜃?(Kruppel-like Factor 5,KLF5)是miR-320的靶基因,在多種腫瘤組織中表達(dá)異常。有研究表明,在結(jié)腸癌細(xì)胞中,KLF5是HIF-1α的轉(zhuǎn)錄激活因子,其可通過上調(diào)HIF-1α的表達(dá)水平,促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移和EMT[29-31]。

1.7 癌細(xì)胞比正常細(xì)胞消耗更多的葡萄糖 在低氧條件下,HIF-1α上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白葡萄糖轉(zhuǎn)運體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和乳酸脫氫酶(Lactate Dehydrogenase,LDH)等基因的表達(dá),進(jìn)而再度編程腫瘤細(xì)胞中的葡萄糖代謝,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的糖酵解作用和瓦爾堡效應(yīng)”(Warburg effect),有效地保障缺氧狀態(tài)下產(chǎn)生足夠的能量[32-34]。

2 中藥抑制HIF-1α相關(guān)信號通路的抗腫瘤作用

2.1 中藥單體

2.1.1 黃酮類 木犀草素(Luteolin)是中藥連翹的重要活性成分,具有抗氧化、抗腫瘤、抗菌、抗炎的作用。郭勇等[35]研究發(fā)現(xiàn)木犀草素能明顯下調(diào)BGC-823、MGC-803胃癌細(xì)胞p-AKT、p-MTOR、HIF-1α、N-鈣黏合素、波形蛋白的表達(dá),且能抑制其增殖和遷移,并呈時間和濃度依賴性。此外,該研究還發(fā)現(xiàn),敲低HIF-1α?xí)p弱木犀草素抗胃癌細(xì)胞增殖和遷移的作用。該實驗結(jié)果提示HIF-1α是木犀草素發(fā)揮抑瘤作用的重要靶點。

2.1.2 生物堿類 防己諾林堿(Fangchinoline)來源于防己的干燥根,是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙芐基異喹啉類生物堿。望永鼎等[36]對結(jié)腸癌荷瘤小鼠給予防己諾林堿干預(yù),發(fā)現(xiàn)防己諾林堿可能通過抑制HIF-1α/VEGF/AKT信號通路來抑制結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29的增殖、侵襲和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化,從而抑制結(jié)腸癌的發(fā)生和發(fā)展。吳茱萸堿(Evodotaxine)是吳茱萸的中藥活性成分,可以抑制腫瘤細(xì)胞增殖并促進(jìn)其凋亡。徐智等[37]研究發(fā)現(xiàn)吳茱萸堿能顯著下調(diào)膽囊癌細(xì)胞GBC-SD中HIF-1α及VEGF蛋白的含量,且能抑制GBC-SD細(xì)胞增殖,并促進(jìn)其凋亡,提示吳茱萸堿可能通過調(diào)控血管生成相關(guān)因子來發(fā)揮抑瘤作用。

2.1.3 萜類 姜黃醇(Curcumol)是姜科姜黃屬植物溫郁金的有效成分之一,溫郁金具有抗氧化、抗增殖和抗腫瘤的作用。ZUO等[38]研究發(fā)現(xiàn)姜黃醇通過抑制HIF-1α和p-STAT3之間的交互作用下調(diào)肝癌細(xì)胞中PD-L1的表達(dá)而實現(xiàn)抗腫瘤作用。梣酮(Fraxinellone)是一種檸檬苦素類似物,是從蕓香科植物白鮮的根皮中提取出的重要活性成分,可通過協(xié)同抑制STAT3和HIF-1α來降低PD-L1的表達(dá),從而抑制A549肺腺癌細(xì)胞的增殖和血管生成[39]。藏紅花素(Crocin)是藏紅花的重要活性成分之一,是一種水溶性類胡蘿卜素,具有抗炎、抗氧化和抗腫瘤作用。ZHOU等[40]研究發(fā)現(xiàn)KLF5和HIF-1α在胃癌組織和細(xì)胞中表達(dá)均上調(diào),藏紅花素通過提高miR-320在胃癌細(xì)胞中的表達(dá)來降低KLF5的表達(dá)進(jìn)而下調(diào)HIF-1α的表達(dá),該實驗結(jié)果表明藏紅花素可通過調(diào)控miR-320/KLF5/HIF-1α信號通路抑制胃癌細(xì)胞的遷移和侵襲。

2.1.4 糖苷類 紅景天苷(Salidroside)是從傳統(tǒng)中藥紅景天中分離出的一種苯丙素苷類化合物,具有抗腫瘤和抗氧化的作用。CHEN等[41]發(fā)現(xiàn)紅景天苷可能通過HIF-1α/LOXL2通路,下調(diào)MMP2和MMP9同時上調(diào)E-鈣黏合素來抑制胰腺癌BxPC-3細(xì)胞增殖和侵襲。苯乙醇苷(Phenylethanol)是中藥肉蓯蓉的主要活性成分。WEN等[42]研究發(fā)現(xiàn),苯乙醇苷能增強奧沙利鉑對肝癌的作用,顯著增加肝癌對奧沙利鉑的敏感性,其作用機制與下調(diào)HIF-1α、LOXL2和Twist水平,上調(diào)E-鈣黏合素水平有關(guān)。因此,苯乙醇苷被認(rèn)為是一種有效的鉑類藥物增敏劑,可以提高肝癌患者的化療療效。

2.1.5 酚類 香草酸(Vanillic Acid)是一種膳食酚類化合物,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]研究發(fā)現(xiàn),香草酸具有抗結(jié)腸癌血管生成作用,其機制是通過抑制Raf/MEK/ERK信號通路,下調(diào)HIF-1α,進(jìn)而降低VEGF和EPO蛋白和mRNA水平實現(xiàn)的。

2.1.6 皂苷類 白頭翁皂苷(Pulsatilla Saponin A,PSA)是從毛茛科植物白頭翁中發(fā)現(xiàn)的一種三萜皂苷類單體。崔亞茹等[44]研究表明PSA對直腸癌的抑制作用可能通過抑制HIF-1α蛋白,從而下調(diào)HK-II、PKM2、GLUT1的表達(dá)干擾糖酵解過程,抑制細(xì)胞增殖。

2.1.7 醌類 大黃具有瀉下、攻積、行瘀的功效,大黃素(Emodin)是提取自大黃的一種蒽醌類化合物。張秋菊等[45]研究發(fā)現(xiàn)大黃素能降低胃癌SGC7901細(xì)胞中的HIF-1α表達(dá),升高其下游靶基因E-鈣黏合素的表達(dá),提示大黃素可能通過這一通路來抑制腫瘤細(xì)胞增殖和遷移。

2.1.8 中藥提取物 南蛇藤(Celastrus Orbiculatus)在中國廣泛分布,其提取物能通過抑制血管生成、增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移來發(fā)揮抗癌作用。QIAN等[46]研究發(fā)現(xiàn)南蛇藤提取物能抑制HepG2肝癌細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移,其機制與通過靶向HIF-1α/Twist1信號通路抑制EMT有關(guān)。

2.2 中藥復(fù)方

2.2.1 蟾靈膏 蟾靈膏是國醫(yī)大師劉尚義教授多年臨床治療的經(jīng)驗總結(jié),由蟾衣、葛花、葛根、貫眾、砂仁、威靈仙等中藥組成,具有行氣活血、散結(jié)消癥之效。YANG等[47]研究發(fā)現(xiàn)蟾靈膏能抑制裸鼠移植瘤的生長和結(jié)直腸癌的肝轉(zhuǎn)移,其機制是通過抑制HIF-1α/SDF-1α-CXCR4/PI3K-AKT信號通路,減少VEGF的合成和釋放從而抑制結(jié)直腸癌的侵襲和轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的。

2.2.2 解毒三根湯 解毒三根湯由藤梨根、虎杖根、水楊梅根組成,臨床廣泛用于結(jié)直腸癌的治療。SUN等[48]發(fā)現(xiàn)解毒三根湯可通過抑制PI3K/AKT/HIF-1α通路,調(diào)節(jié)糖酵解相關(guān)蛋白(HKII和Glut1)和胱天蛋白酶家族(Caspase 3、Caspase 9)從而抑制糖酵解,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,最終顯著逆轉(zhuǎn)人結(jié)腸癌耐藥細(xì)胞株LOVO/5-氟尿嘧啶(5-FU)的耐藥性。

2.2.3 抑癌方 抑癌方是由黃芪、白術(shù)、藤梨根、莪術(shù)、冬瓜子組成的復(fù)方中藥,能有效抑制結(jié)直癌細(xì)胞的生長和血管生成擬態(tài)(Vasculogenic Mimicry,VM)的形成,并呈劑量依賴性[49]。其作用機制是通過HIF-1α/EMT通路抑制大腸癌VM的形成來抑制腫瘤血管新生。

2.2.4 益氣養(yǎng)精方 益氣養(yǎng)精方是以益氣養(yǎng)精、解毒抗癌為治療原則的治療肺癌的經(jīng)驗方劑,全方由生黃芪、白術(shù)、女貞子、黃精、干蟾皮、七葉一枝花、淫羊藿等藥材組成。汪羽涵等[50]研究發(fā)現(xiàn)益氣養(yǎng)精方能顯著下調(diào)A549細(xì)胞中糖酵解相關(guān)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細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)其凋亡的作用,提示益氣養(yǎng)精湯可能通過抑制糖酵解作用來實現(xiàn)抗腫瘤作用。

3 臨床聯(lián)合用藥

目前,腫瘤的治療取得了巨大進(jìn)步,逐步形成以手術(shù)、放化療、靶向治療、免疫治療和中醫(yī)藥治療等多學(xué)科聯(lián)合的綜合治療模式,極大地改善了腫瘤患者的預(yù)后。已有越來越多的現(xiàn)代研究證實中藥配合其他西醫(yī)療法有明顯的協(xié)同作用,在腫瘤治療中有廣泛的應(yīng)用前景。陳曉琦等[51]研究發(fā)現(xiàn)對照組按常規(guī)肝動脈插管化療栓塞術(shù)(Transcatheter Arterial Chemoembolization,TACE)方案治療,觀察組在對照組治療方案的基礎(chǔ)上加用扶正消瘤顆粒,觀察組VEGF、HIF-1α表達(dá)均低于對照組,并可明顯改善患者生命質(zhì)量。王曉東等[52]選取120例原發(fā)性肝癌患者采用黃芩湯聯(lián)合TACE及單純TACE進(jìn)行治療,研究表明TACE聯(lián)合黃芩湯治療可顯著下調(diào)患者血清谷草轉(zhuǎn)氨酶(Glutamic-oxaloacetic Transaminase,GOT)、谷丙轉(zhuǎn)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,并改善患者中醫(yī)證候。

綜上所述,中藥可通過調(diào)控HIF-1α相關(guān)信號通路來抑制腫瘤生成,進(jìn)而提高腫瘤療效,對臨床治療腫瘤具有一定的指導(dǎo)價值。其具體作用機制見表1～2。

表1 中藥單體對HIF-1α相關(guān)通路的抗腫瘤作用機制

表2 中藥復(fù)方對HIF-1α相關(guān)通路的抗腫瘤作用機制

4 討論

HIF-1α作為缺氧微環(huán)境之中促使腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,在許多不同的腫瘤類型中都有過表達(dá),目前被認(rèn)為是腫瘤治療的潛在靶點[5]。HIF-1α聯(lián)系眾多信號通路,在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起到重要的調(diào)控作用,其作用通路涉及PI3K/AKT、ERK/MARK、EMT、VEGF、STAT3/PD-L1、miR-320/KLF5等信號通路。木犀草素、防己諾林堿、姜黃醇、紅景天苷、香草酸、大黃素、蟾靈膏、解毒三根湯等中藥單體或復(fù)方均能在一定程度上抑制HIF-1α相關(guān)信號通路,從而達(dá)到抗腫瘤的作用。其作用機制大致分為以下幾類：抑制腫瘤細(xì)胞增殖、抑制腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移、抗腫瘤血管生成、抑制糖酵解、抑制PD-L1阻斷免疫逃逸和逆轉(zhuǎn)耐藥性等方面,從而達(dá)到抗腫瘤的作用。

總體而言,中藥具有多成分、多靶點、安全性高、不良反應(yīng)低等優(yōu)勢,協(xié)同西醫(yī)療法能明顯提高臨床療效,但目前仍存在一些亟須解決的問題。第一、目前中醫(yī)藥調(diào)控HIF-1α抑制腫瘤發(fā)生發(fā)展的機制研究集中在細(xì)胞增殖、侵襲遷移、血管生成和糖酵解方面,研究面較為狹窄,在免疫調(diào)節(jié)、耐藥性等方面仍有待科研工作者繼續(xù)深入研究。第二、目前研發(fā)的HIF-1α抑制劑仍存在局限性,表現(xiàn)在不良反應(yīng)高、有效性不足等方面。因此中醫(yī)藥如何與HIF-1α抑制劑聯(lián)合協(xié)同,最大發(fā)揮減毒增效的作用有待進(jìn)一步探索。第三、中藥通過HIF-1α相關(guān)信號通路抗腫瘤的機制研究大多局限在體外研究。因此,加強體內(nèi)實驗和臨床研究,增強實驗的應(yīng)用性具有十分重要的意義。

利益沖突聲明：無。