花青素抗腫瘤活性的研究進展

陳文超，劉回民，劉景圣，*（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.小麥和玉米深加工國家工程實驗室，吉林長春130118）

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花青素抗腫瘤活性的研究進展

陳文超1，2，劉回民1，2，劉景圣1，2，*
（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.小麥和玉米深加工國家工程實驗室，吉林長春130118）

摘要：總結花青素的抗腫瘤活性在細胞模型和動物模型中的研究進展，探討其可能的分子作用機制，并就花青素在試驗模型系統中的抗腫瘤效力與人類流行病學研究之間的相關性開展了討論。未來的研究旨在促進花青素及其代謝產物的吸收，而這也對花青素最終用于人類腫瘤的化學預防具有十分重要的意義。

關鍵詞：花青素；抗腫瘤；化學預防；抗氧化；機制

花青素是水果蔬菜中含量最豐富的類黃酮成分，廣泛存在于植物界中，并賦予草莓、葡萄、蘋果、紫甘藍和玉米等果蔬紅、藍和紫等顏色。基于許多細胞系研究，動物模型和人類臨床試驗，花青素已被證實具有抗炎和抗腫瘤活性，可用于預防心血管疾病，控制肥胖和減輕糖尿病病癥，這些功能特性都與其強大的抗氧化性能有關[1]。

本文總結了花青素在抗腫瘤方面的研究進展，包括體外腫瘤細胞和體內腫瘤組織的相關試驗，以及人類流行病學研究的數據結果。雖然實驗室研究已經初步驗證了花青素抗癌特性的分子機制，但詳細機制還有待深入探索。另外，花青素的體外細胞試驗正在大量開展，有必要盡早明確體外研究與體內作用機制的相關性。

1花青素的化學結構

花青素的基本結構為2-苯基苯并吡喃陽離子，通常情況下，葡萄糖、半乳糖、木糖、鼠李糖或阿拉伯糖通過糖苷鍵與花青素核相連合成花色苷[2-3]。與其它黃酮類不同，花青素在酸性溶液中攜帶一個正電荷[2]。它們是水溶性的，且依賴pH和螯合金屬離子的存在。通常所指的花青素為其去糖基化或糖苷配基形式，它的化學結構見圖1。

圖1花青素化學結構Fig.1 Chemical structure of anthocyanins

最常見的六種花青素見表1。

分別為天竺葵素、矢車菊素、飛燕草素、錦葵素、矮牽牛素和芍藥素。花青素的糖組分通常是通過C環中C3位置的羥基基團與花色素的骨架相連，不同花色素的區別在于糖苷與基本骨架相連的位置及復雜程度[3]。

表1 6種花青素的結構特點Table 1 Structure characters of six anthocyanidins

2花青素的抗腫瘤特性

2.1體外研究

花青素的抗氧化作用已在多個細胞系統，如結腸[4]、肝[5]、乳腺[6]、宮頸[7]、前列腺[8]等器官和組織的細胞及白血病細胞[9]等的培養過程中得到證實。在這些細胞系統中，花青素表現出了多種抗毒和抗腫瘤特性，如：直接清除活性氧（ROS），增強細胞吸收氧自由基的能力，降低氧化的DNA（脫氧核糖核酸）加合物水平，抑制由環境毒素和致癌物質誘發的突變。

在體外的多種腫瘤細胞中，花青素純品和來源于果蔬的富含花青素的提取物均表現出抗增殖活性[10-11]。且Zhao J G等[12]將花青素對正常細胞和腫瘤細胞的抗增殖作用進行比較后發現，花青素可選擇性地抑制腫瘤細胞生長而對正常細胞的生長作用影響很小甚至沒有影響。Zikri N N等[13]發現，黑樹莓的乙醇提取物可選擇性地抑制高度致瘤的大鼠食管上皮細胞株（RE-149-DHD）的生長并誘導其凋亡，而低度致瘤的異常增生細胞株RE-149為對照組。

血管生成是從現有的血管網形成新血管的過程，是腫瘤生長和發生轉移的一個重要因素。許多有效的血管生成活性分子都是血管內皮生長因子（VEGF）家族的成員，VEGF表達的增強常常發生在腫瘤的形成過程中[14]。花青素的抗血管生成作用已在乳腺癌細胞[6]和喉癌細胞[15]中得到驗證。

花青素抗腫瘤的功能特性還表現為它的抗侵襲作用。Yun J W等[16]評估了coignetiae Pulliat葡萄花青素的抗侵襲性。基質膜基質入侵測定法顯示，花青素抵抗細胞侵襲具有劑量依賴性，并通過減弱NF-κB活性來抑制MMP-2和MMP-9的表達，從而發揮抗侵襲作用。花青素也可通過抑制IκBα的磷酸化，抑制由TNF-α觸發的NF-κB的活化。

2.2體內研究

2.2.1乳腺癌

在接受了乳腺癌細胞株MDA-MB-453移植的BALB/c裸小鼠模型中，Hui C等[14]發現，口服黑米花青素提取物AEBR（100 mg/kg飼料）可顯著抑制試驗小鼠體內腫瘤的生長及其血管的生成。研究結果顯示，腫瘤組織中COX-2、iNOS、c-Jun及血管生成因子MMP-9、MMP-2、uPA的表達量顯著降低[14]。

2.2.2結腸癌

在APC腸癌小鼠模型中，喂食富含花青素的紫色甘薯提取物的小鼠與對照組相比，盲腸腫瘤的數量減少了74 %（P<0.05）[17]。在F344大鼠結腸癌模型中，給小鼠喂食含2.5 %、5 %和10 %黑樹莓凍干粉的飼料后，總的腫瘤數量（腺瘤和腺癌）與對照組相比顯著減少了42 %、45 %和71 %，而尿8-OHdG水平分別降低了73 %、81 %和83 %[18]。

2.2.3肝癌

Bishayee A等[19]驗證了富含花青素的黑加侖子提取物具有預防肝癌的作用。研究人員先對小鼠預防性給予花青素飲食4周，腹腔注射DENA誘導其肝臟癌變后繼續給予花青素飲食22周，試驗結果顯示，黑加侖子花青素能夠降低肝癌癌前異常增生的發生率，減少增生結節的數目，減小結節的體積，且這種作用呈劑量依賴性，并在之后的病理解剖中得到了證實。

2.3人類研究

盡管流行病學研究并未表明攝入花青素可降低人類患腫瘤的風險，但花青素的攝入可降低氧化損傷的某些檢測指標。Weisel T等[20]的研究顯示，飲用了富含花青素果汁的受試者與對照組相比，其DNA氧化損傷程度有所降低且還原型谷胱甘肽顯著增加。另一項研究中，試驗組每天口服含有凍干黑樹莓粉末的沖劑1次，持續服用6個月后，患者體內8-Iso-PGF2和尿8-OHdG的水平均有下降[21]。

3花青素抗腫瘤作用的機制

3.1抗氧化

氧化損傷可促進癌癥的發生和發展。活性氧，特別是過氧化氫是細胞反應的調節器，在信號傳導過程中發揮重要作用。當細胞受到環境毒素、電離輻射或炎癥反應的刺激時，花青素可通過抑制致癌物/毒素誘導的細胞氧化損傷發揮化學預防作用[6-9]。它的抗氧化特性包括（1）清除ROS/RNS（活性氧/活性氮）；（2）抑制某些與自由基產物相關的酶類或螯合微量金屬的作用，從而減少ROS/RNS的形成。花青素的抗氧化活性很大程度上取決于其分子中C環3位和B環3’、4’和5’位羥基基團的存在[2-3]。

3.2解毒階段酶類的激活

Shih P H等[22]最先證實了，花青素在細胞中可表現出誘導解毒第二階段酶類激活的能力。這是通過激活谷胱甘肽相關酶和NAD（P）H：醌還原酶實現的，其機制是花青素激活了編碼這些酶的基因中ARE的上游區域。Shih P H等推斷，花青素對ARE控制的解毒第二階段酶類表達的促進作用是保護細胞免受氧化應激損傷的關鍵。

3.3抗細胞增殖

花青素通過影響細胞周期調節蛋白的活性使細胞周期各階段不能順利進行，從而達到抑制細胞增殖的目的。Lee Y K等[23]的研究顯示，那些B環上具有鄰-二羥苯基結構的花青素能夠抑制TPA誘導的鼠JB6細胞的轉化和激活蛋白-1的轉錄活化，表明鄰-二羥基苯基可能是這種抑制作用的結構基礎。飛燕草色素可阻斷ERK通路中蛋白激酶的磷酸化和C-Jun氨基末端激酶（JNK）信號通路。表明花青素是通過阻斷MAPK信號通路的激活抑制腫瘤形成的[23-24]。

3.4誘導細胞凋亡

凋亡或程序性細胞死亡，在調控正常細胞的成長發育過程中起關鍵作用，但癌細胞通常不受控制。純花青素與富含花青素的提取物在多種細胞中表現出促凋亡作用[4-5，11]，它們是通過內部（線粒體）和外部（FAS）途徑誘導細胞凋亡的[25]。在內部途徑中，用花青素處理癌細胞可使其線粒體膜電位增加，細胞色素C釋放及半胱天冬酶依賴型抗凋亡和促凋亡蛋白的比例發生變化。對于外部途徑來說，花青素是通過調節癌細胞Fas和FasL的表達引發細胞凋亡的。此外，花青素還可引起癌細胞內部活性氧的蓄積隨即并發細胞凋亡，這表明ROS介導的線粒體內半胱天冬酶依賴型途徑對花青素誘導的細胞凋亡具有重要作用[25]。

3.5抗炎

炎癥在動物體內許多腫瘤的發生發展過程中都發揮了促進作用，在人體內也可能如此[19]。炎性蛋白、NF-кB和COX-2的異常增加是許多癌癥的常見表現，在體外的多種細胞中，花青素通過降低COX-2，NF-кB及各種白細胞介素的mRNA和蛋白的表達水平而表現出抗炎特性[19，25]。例如，用富含花青素的黑樹莓提取物處理JB-6 CL 41小鼠表皮細胞，可使細胞內NF-κB的表達水平下降[26]。

3.6抗血管生成

花青素抗血管生成的機制可能為：抑制表皮角質細胞中H2O2-和TNF-α誘導的VEGF的表達，并減少VEGF及其受體在內皮細胞中的表達[14]。此外，研究發現，經富含花青素的黑樹莓提取物處理的小鼠表皮JB6細胞，其VEGF表達水平的下調是通過抑制PI3K/ Akt通路實現的[27]。

3.7抗侵襲

由水解導致的基底膜膠原蛋白降解是較早發生的并起著決定性作用的侵襲現象。腫瘤細胞和間質細胞需要分泌蛋白水解酶促進細胞外基質屏障的降解，以便腫瘤細胞能夠成功地滲入組織內。基底膜的降解不僅僅取決于蛋白水解酶的存在量，還依賴于活化蛋白酶與其天然抑制劑的平衡。MMP和纖溶酶原激活劑都是能夠調節基底膜降解的家族[26]。花青素作用的機制是，它可減少MMP和u-PA的表達[16]。

3.8誘導分化

通過誘導細胞分化為預防和治療腫瘤提供了一個細胞特異性的方法，其毒性小于標準的放/化療手段[28]。用花青素處理白血病細胞可誘導其分化，表現為：（一）還原型NBT增多，一種粒細胞/單核細胞分化的功能標記物；（二）細胞的粘附性增強，提示白血病細胞分化成單核細胞/巨噬細胞樣表型；（三）萘酚AS-D氯乙酸被激活，一種粒細胞分化的標記物；（四）乙酸α-萘酯酶陽性細胞增多，進一步表明細胞向單核細胞/巨噬細胞系分化。花青素刺激白血病細胞分化的同時伴隨著對細胞增殖的抑制作用和原癌基因c-myc的減少[9]。

4花青素的藥物代謝動力學和代謝作用

Yang M[29]在其發表的一篇綜述中總結了花青素在動物和人體內的生物利用度、藥代動力學分布和代謝作用。Stoner G D等[30]發現，在口服黑樹莓后2 h內，可檢測到黑樹莓中四種花青素的血漿峰值，且消除規律遵循一級動力學。在攝入黑樹莓后4 h~8 h內，它們均以完整的花青素和甲基衍生物形式通過尿液排泄出去。

在體外的細胞試驗中，已證實10-6M~10-4M濃度范圍內的花青素能夠抑制惡性細胞的生長、誘導其凋亡并調節細胞的致癌信號傳導。當花青素被攝取后，它們在人體血液中可達到10-8M~10-7M的濃度水平，或遠低于在體外發揮抗致癌作用所需要的水平。因此，目前還不清楚試驗濃度的花青素是否足以在人體內引發抗癌作用，以及它們是以自身形式還是需要經過水解作用發揮化學預防功效[29]。

5　結論

花青素已被證實對多種腫瘤細胞和組織具有抑制活性。在體外細胞試驗中檢測到了花青素對腫瘤具有潛在的化學預防活性，包括清除自由基，激活解毒第二階段相關酶類，抑制細胞的增殖，減少炎癥、血管生成和侵襲的發生以及誘導分化和凋亡。花青素能夠調節與功能相關的多個基因的表達和活化，包括參與PI3K/Ak、ERK、JNK與MAPK信號通路的基因。體內的研究表明，口服花青素可抑制胃腸道的癌癥（GI），而局部應用的花青素則可抑制皮膚癌。藥代動力學數據顯示，在嚙齒動物和人類體內，花青素被吸收入血的量是極小的，這表明它們在組織內幾乎沒有療效，在胃腸道和皮膚因局部吸收而作用顯著。因此，如要評估花青素在不同器官內的化學預防特性，應先檢測其在組織內部的濃度。腸道細菌在花青素的代謝和吸收過程中的作用也應予以探究。最后，還應測定花青素的抗腫瘤功效是否取決于它們的代謝物。

雖然試驗研究已經明確證實了花青素的抗腫瘤活性，但流行病學研究并沒有發現花青素在人體抗腫瘤過程中的保護作用。此外，在體外細胞試驗中發揮作用的花青素含量遠遠高于在人體血漿中被檢測到的含量。因此，未來的研究旨在促進花青素及其代謝產物在人體內的吸收，這可能對其應用于腫瘤的化學預防，特別是胃腸道和皮膚以外組織的腫瘤十分必要。

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Progress in The Research on Anti-carcinogenic Activities of Anthocyanins

CHEN Wen-chao1，2，LIU Hui-min1，2，LIU Jing-sheng1，2，*
（1. College of Food Science and Engineering，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，Jilin，China；2. National Engineering Laboratory for Wheat and Corn Deep Processing，Changchun 130118，Jilin，China）

Abstract：The latest developments on the anti-carcinogenic activities of anthocyanins in cell culture models and in animal model tumor systems are summarized in this review，as well as the possible molecular mechanismsbook=212,ebook=220of the action are concluded. The correlation between antineoplastic activity of anthocyanins in experimental model systems and human epidemiological studies was been discussed. Future studies aimed at enhancing the absorption of anthocyanins are likely to be necessary for their ultimate use for chemoprevention of human cancer.

Key words：anthocyanins；chemoprevention；antioxidant；anticancer；mechanisms

收稿日期：2014-07-08

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.01.051

*通信作者：劉景圣（1964—），男（漢），教授，博士，研究方向：糧食深加工。

作者簡介：陳文超（1987—），女（漢），碩士研究生，研究方向：食品生物化學工程與功能性食品。