明日葉查爾酮抗腫瘤作用研究進展

張 雷,李子超,王力平,高 翔,李 群

(1.青島大學化學化工學院,山東青島 266071;2.青島大學生命科學學院,山東青島 266071;3.中國海洋大學校醫院,山東青島 266100)

明日葉(Angelicakeiskei)屬傘形科當歸屬,原產于日本太平洋沿岸八丈、伊豆等大島,因今日摘葉、明日就能冒出新葉的強盛生命力而得名[1],在日本又被稱為天賜之草、海峰人參、珍立草等。從1603年起,島上居民就有食用明日葉的習慣,并將明日葉用于滋補、利尿、通便、催乳等。大量研究發現,明日葉中主要活性物質為查爾酮類物質,因其分子結構能與不同的受體結合,所以具有多重生理活性,如抗菌[2]、抗炎[3]、抗病毒[4]、抗氧化[5]、抗腫瘤、降“三高”、預防心腦血管疾病[6]等。目前明日葉在日本已認定為“健康食品級”,成為國民桌上的佳肴和常用于養生保健的功能性食品。如今腫瘤已成為危害人類健康的頭號殺手,不僅給患者帶來嚴重的并發癥,而且給患者家屬帶來沉重的經濟負擔和巨大的身心壓力。2014年世界衛生組織(WHO)統計表明,2012年全世界癌癥病例新增1409萬,死亡820萬,其中我國新增和死亡病例均居世界首位,分別為307萬(21.8%)和220萬(26.9%),且這一數值呈逐年上升趨勢[7]。面對如此嚴峻的形勢,國內外科研人員加強了對抗腫瘤藥物的研究,尤其是對天然產物抗腫瘤的研究越來越深入。明日葉查爾酮是從明日葉中分離出的一類黃酮類化合物,因其顯著的抗腫瘤活性與極低的副作用引起國內外科研人員的廣泛關注。本文對明日葉查爾酮抗腫瘤作用及其作用機制相關的國內外研究作一綜述,以期為明日葉查爾酮抗腫瘤相關研究和明日葉天然查爾酮資源的進一步開發利用提供參考。

1 明日葉中查爾酮的種類和分布

1.1 明日葉中查爾酮的種類

明日葉查爾酮是具有1,3-二苯基丙烯酮結構(如圖1)的黃酮類化合物的總稱,是明日葉的主要活性成分。其中在明日葉折斷的根莖或葉子中流出的黃色汁液干物質中,查爾酮類物質的含量高達90.2%[8]。至今已從明日葉中分離并鑒定了24種查爾酮類化合物,其分子式、中英文名稱及來源見表1,其結構式見圖2。

圖2 從明日葉中分離鑒定的查爾酮衍生物結構式Fig.2 Chemical structures of chalcones isolated from A. keiskei

圖1 查爾酮類化合物的骨架結構Fig.1 The chemical structure of chalcone

表1 從明日葉中分離鑒定的查爾酮衍生物Table 1 Identified chalcones from A. keiskei

1.2 明日葉中查爾酮的分布

Kim等[5]對明日葉中5種主要查爾酮類化合物(黃當歸醇、4-羥基德里辛、異補骨脂查爾酮、黃當歸醇B、黃當歸醇F)在植物中不同部位的含量進行了檢測(結果如表2所示),結果顯示其在明日葉不同部位中含量有顯著差異,5種明日葉查爾酮的總含量在明日葉不同部位的比較結果為:根皮(10.51 mg/g)>莖(8.52 mg/g)>葉子(2.63 mg/g)>根干(1.44 mg/g)。

表2 明日葉不同部位中5種查爾酮類化合物的含量Table 2 The 5 main chalcone contents in different parts of A. keiskei

2 明日葉查爾酮抗腫瘤作用

近年來,眾多科研工作者通過建立腫瘤細胞模型與動物模型,研究發現明日葉中7種查爾酮類衍生物(主要為黃當歸醇與4-羥基德里辛)對包括胃癌、肝癌、肺癌、子宮癌、白血病、骨肉瘤、黑色素瘤等14種腫瘤細胞具有優良的抗腫瘤活性(見表3)。在深入研究后發現明日葉查爾酮是通過誘導腫瘤細胞凋亡、抑制腫瘤細胞血管生成、增強機體細胞抗氧化能力、增強機體免疫力、抑制腫瘤細胞侵襲與轉移等途徑發揮抗腫瘤作用。

表3 明日葉查爾酮抗腫瘤作用相關研究Table 3 Researches on the anti-tumor activity of chalcones from A. keiskei

3 明日葉查爾酮抗腫瘤作用機制

3.1 誘導腫瘤細胞凋亡

大量研究表明,腫瘤的形成是細胞增殖調控與細胞凋亡發生紊亂的結果,細胞凋亡狀態及其調控基因的異常參與了腫瘤的發生和發展[25]。目前公認的細胞凋亡發生機制主要有三條途徑,即內源性線粒體介導途徑、外源性死亡受體介導途徑和內質網應激途徑。已有研究報道通過細胞及動物實驗證實明日葉查爾酮可引起人神經母細胞瘤、白血病、胃癌、肺癌、黑色素瘤等腫瘤細胞的凋亡,其作用機制可能通過調控凋亡相關因子的表達以及影響細胞凋亡信號傳導等途徑[16,18,21-22,26-28],但目前尚未有明日葉查爾酮影響內質網應激途徑的相關研究報道。

3.1.1 對凋亡相關基因表達的調控Bcl-2家族基因根據其結構及功能可將該基因家族分為兩類:抗凋亡基因(Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-W、Mcl-1、CED9等)與促凋亡基因(Bax、Bak、Bcl-XS、Bad、Bik、Bid等),細胞生命和凋亡的許多信號正是受這兩類基因之間協同作用調控的[29]。在多種癌細胞中,Bcl-2蛋白通過抑制細胞凋亡促進癌細胞的增殖,而相應的micro RNA可通過下調細胞內的Bcl-2蛋白水平來使癌細胞凋亡[30]。孫赫等[27]研究發現明日葉查爾酮提取物可通過降低荷瘤小鼠H22肝癌細胞中Bcl-2蛋白表達水平,促進小鼠H22肝癌細胞的凋亡。Bax的同二聚體(Bax/Bax)能在腫瘤細胞外膜上產生大孔,并通過促進細胞色素C的釋放進而促進腫瘤細胞凋亡,而Bcl-2/Bax的異源二聚體則會防止腫瘤細胞外膜上孔洞形成并抑制細胞凋亡[31]。孟揚等[26]研究了明日葉查爾酮提取物對荷瘤小鼠H22肝癌細胞Bax蛋白表達的影響,發現明日葉查爾酮可激發小鼠腫瘤細胞中Bax蛋白的表達,促進小鼠腫瘤細胞凋亡,抑制腫瘤細胞的增殖和生長。

3.1.2 影響細胞凋亡通路的信號傳導

3.1.2.1 內源性線粒體介導的細胞凋亡通路 線粒體通透性轉變孔的開放程度、線粒體跨膜電位的下降情況、線粒體中凋亡因子的釋放量是線粒體介導細胞凋亡的主要途徑[32]。半胱氨酸蛋白酶(caspase)家族蛋白存在于細胞漿中,組成細胞凋亡級聯信號傳導通路,在凋亡啟動和執行過程中起關鍵作用。其中caspase-3為關鍵的執行分子,它在凋亡信號傳導的許多途徑中發揮功能。大多數激發細胞凋亡的因素均需要通過caspase-3介導的信號傳導途徑導致細胞凋亡,當caspase-3激活時,細胞凋亡加速[33]。Tabata等[22]從明日葉莖中分離得到黃當歸醇,并發現其能通過激活IMR-32神經母細胞瘤細胞和Jurkat白血病細胞中的caspase-3,來誘導細胞凋亡。孟揚等[26]研究了明日葉查爾酮提取物對荷瘤小鼠H22肝癌細胞caspase-3蛋白表達的影響,發現明日葉查爾酮可提高激活型caspase-3蛋白的表達來誘導H22肝癌細胞的凋亡。Nishimura等[28]發現異補骨脂查爾酮可顯著促進pro-caspase-3和pro-caspase-9的水解,并隨后提高激活型caspase-9和caspase-3的含量,通過線粒體途徑誘導人神經母細胞瘤細胞IMR-32和NB-39的凋亡,并且對正常細胞沒有細胞毒性。還有研究證實,4-羥基德里辛可促進細胞色素C的釋放并激活pro-caspase-9,通過線粒體途徑誘導人急性髓性白血病HL60細胞的凋亡[21]。

3.1.2.2 外源性死亡受體介導的細胞凋亡通路 Fas/FasL、腫瘤壞死因子受體(TNFR)、腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體(TRAIL)這3條通路則是死亡受體介導細胞凋亡的主要形式[34]。Akihisa等[21]研究證實,4-羥基德里辛可促進腫瘤壞死因子(TNF)的釋放,激活caspase-8和caspase-3,通過TNFR途徑誘導人急性髓性白血病HL60細胞的凋亡。

3.2 抑制腫瘤血管生成

腫瘤血管可以為腫瘤細胞提供生長、侵襲與轉移所必需的氧氣、營養成分及腫瘤生長因子等,在腫瘤的發生、發展中發揮著重要作用。血管內皮生長因子(VEGF)是至今鑒定出來的最強效、最特異的促腫瘤血管生成因子,它的大量表達會促進腫瘤的生長和新生血管的形成。抑制腫瘤血管新生,切斷腫瘤細胞的營養供應和轉移途徑已成為腫瘤治療的新策略[35]。Kimura等[23-24]報道從明日葉根中分離的黃當歸醇與4-羥基德里辛在LLC荷瘤小鼠體內實驗中能夠抑制腫瘤引起的新血管生成,并在基質膠血管生成實驗中,1～100 μmol/L濃度的該兩種明日葉查爾酮能夠抑制人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)類毛細血管的生成。另外,黃當歸醇還可通過阻斷VEGF與血管內皮細胞的結合來抑制LLC肺癌小鼠腫瘤組織的血管生成。李子超等[36-37]在顯微鏡下觀察到在每日喂食25～50 mg/kg明日葉查爾酮提取物11 d后可使H22肝癌荷瘤小鼠肝癌組織間質的血管變得稀疏并發生纖維化,其腫瘤組織微血管密度(MVD)顯著下降,證實明日葉查爾酮對小鼠H22肝癌組織新血管生成具有抑制作用,并在進一步研究中發現其作用機制可能通過下調VEGF、缺氧誘導因子(HIF)-1α等重要促腫瘤血管生成因子的表達實現的。

3.3 抗氧化作用

一個正常細胞要轉變成癌細胞必須經過兩個階段,即誘發與促進。大量研究證明,致癌的兩個階段都與活性氧(ROS)有關。在誘發階段,活性氧既可直接損傷DNA,也可通過脂類過氧化而間接損傷DNA;在促進階段,促癌劑能促使細胞產生活性氧間接攻擊DNA。細胞對DNA損傷反應的異常將導致腫瘤的發生[38]。基于ROS的致瘤特性,食源性抗氧化劑已經成為潛在的預防腫瘤發生和抗腫瘤藥物。研究證實,明日葉查爾酮具有清除DPPH自由基的活性[39]和有效的超氧化物清除活性[15]。侯芳霖等[40]發現明日葉查爾酮提高了H22肝癌荷瘤小鼠血清中超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的活力、并降低了脂質過氧化的重要標志物——丙二醛(MDA)的含量,同時也顯著降低了腫瘤細胞的增殖活性。提示明日葉查爾酮的抗腫瘤作用與H22肝癌小鼠細胞的抗氧化能力增強有關。

3.4 增強機體免疫力

機體免疫功能影響腫瘤的發生和發展,而隨著腫瘤的進展,能反向抑制機體的免疫功能。明日葉查爾酮可通過T淋巴細胞和自然殺傷細胞等多種途徑增強機體的免疫能力,在抗腫瘤過程中發揮重要的作用。Kimura等[24]發現4-羥基德里辛能抑制小鼠脾臟淋巴細胞、CD4+、CD8+和NK-T細胞四種免疫細胞數目的減少并顯著降低了LLC肺癌小鼠腫瘤的質量,提示4-羥基德里辛的抗腫瘤作用可能與其增強LLC肺癌小鼠免疫力有關。

3.5 抑制腫瘤細胞侵襲和轉移

侵襲與轉移是惡性腫瘤的主要生物學特性。侵襲是指惡性腫瘤細胞侵犯和破壞周圍正常組織,進入循環系統的過程。轉移則是指侵襲中的癌細胞遷移到特定組織器官并發展成為繼發性癌灶的過程。腫瘤侵襲與轉移主要受上皮-間質轉化(EMT)、細胞外基質(ECM)降解、黏附作用及腫瘤血管形成等多重因素影響[41]。Kimura等[23]發現黃當歸醇能夠顯著降低轉移至肝臟的LLC小鼠肺癌細胞的數量,并且發現荷LLC肺癌小鼠在口服50 mg/kg黃當歸醇15 d后,原發腫瘤的生長和腫瘤向肺部的轉移均受到顯著的抑制,荷瘤小鼠存活時間也同時得到延長。該研究團隊又進一步發現[24],4-羥基德里辛也能夠抑制LLC肺癌荷瘤小鼠癌細胞轉移,其原因是由于4-羥基德里辛能顯著抑制腫瘤誘導的新血管的形成所引起的。近年來,腫瘤微環境在腫瘤發生、發展過程中的重要作用,引起了人們的高度重視。而作為腫瘤基質中重要的免疫抑制細胞——腫瘤相關巨噬細胞(TAMs),參與了腫瘤發生、生長、侵襲和轉移等過程,已經成為了潛在的腫瘤治療新靶點[9]。Sumiyoshi等[20]通過建立高轉移度骨肉瘤LM8荷瘤小鼠模型,發現每日兩次喂食25或50 mg/kg黃當歸醇和4-羥基德里辛可以抑制小鼠瘤組織向肺與肝臟轉移,并抑制了瘤組織中TAM的表達,其機理是通過抑制腫瘤微環境中M2型巨噬細胞的激活與分化作用。

3.6 其他可能作用機制

有資料顯示,惡性腫瘤細胞中鈣調蛋白的含量均會大幅增加,因此許多抗癌藥物,正是通過抑制鈣調蛋白的活性或降低鈣調蛋白的含量來達到治療惡性腫瘤的目的[42]。Okuyama等[43]通過熒光法檢測發現濃度為1 μg/mL黃當歸醇和0.5 μg/mL 4-羥基德里辛可有效抑制Ca2+-鈣調蛋白加強的N-苯基-1-萘胺的熒光強度,提示該兩種明日葉查爾酮可通過調節Ca2+-鈣調蛋白系統促進抗腫瘤作用。

4 結語與展望

雖然目前已有較多明日葉查爾酮抗腫瘤作用相關研究,包括體外細胞實驗和小鼠體內實驗,但多數研究僅探索了在明日葉中含量較多且相對容易提取、分離的兩種主要的明日葉查爾酮衍生物(黃當歸醇和4-羥基德里辛)的抗腫瘤作用,其余多種查爾酮相關研究仍需開展。另外,目前研究對其主要作用靶點以及確切的分子水平作用機理仍需深入研究并闡明。同時,目前雖已有明日葉查爾酮能通過引起腫瘤細胞凋亡、抑制腫瘤細胞血管生成、增強機體細胞抗氧化能力、增強機體免疫力、抑制腫瘤細胞侵襲與轉移等途徑發揮抗腫瘤作用,但關于明日葉查爾酮對阻滯腫瘤細胞增殖周期以及對藥物增敏及逆轉耐藥性的相關研究尚未開展。再者從臨床角度上,相關體內實驗和臨床實驗仍需開展,來進一步確認明日葉查爾酮的抗腫瘤效果。