基于細胞信號通路研究牛蒡子苷元抗腫瘤作用機制進展

張 淼，魏俊雯，馬克龍,2

(1.安徽中醫藥大學中西醫結合學院，安徽 合肥 230012； 2.安徽省中醫藥科學院中西醫結合研究所，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屬牛蒡(ArctiumlappaL.)的干燥成熟果實，具有疏風散熱、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、不良反應小等特點，許多學者對牛蒡子苷元的抗腫瘤作用進行了廣泛而深入的研究。迄今發現牛蒡子苷元對腫瘤細胞具有周期阻滯、凋亡誘導、直接細胞毒和多藥耐藥逆轉等作用。其中牽涉的信號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)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、信號轉導與轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)、哺乳動物雷帕霉素靶點(mammalian target of rapamycin，mTOR)、表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)和轉化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，它們均為腫瘤生物學的經典信號通路的關鍵分子。現對近年來牛蒡子苷元抗腫瘤作用機制中細胞信號通路研究的新進展予以綜述。

1 牛蒡子抗腫瘤活性成分

牛蒡子含有木脂素類、萜類成分、揮發油等化學成分，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作用[4]。眾多研究發現牛蒡子苷元對肺癌、胰腺癌、乳腺癌、肝癌和結直腸癌等多種腫瘤均具有抑制作用。王煥勤等[4]發現牛蒡子苷元可顯著抑制肺癌細胞H460的增殖。Tezuka等[5]證實在營養缺乏培養基中牛蒡子苷元可有效殺傷人胰腺癌PANC-1細胞。張和平等[6]發現牛蒡子苷元能顯著抑制高轉移結直腸癌SW480細胞的侵襲和轉移。王潞等[7]研究表明牛蒡子苷元可誘導白血病細胞HL-60和K562細胞凋亡。

基于牛蒡子苷元明顯的腫瘤抑制作用，一些研究者對牛蒡子苷元的分子結構進行修飾改造，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出比牛蒡子苷元更強的抗腫瘤活性。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顯著改善白細胞介素-2(interleukin-2, IL-2)、白細胞介素-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，在肝癌細胞H22中表現出更強的抗腫瘤活性。Ikeda等[10]根據劑量限制性毒性和藥物動力學的頻率得出GBS-01(牛蒡子提取物)的最大劑量，隨后在Ⅰ期臨床實驗中對15例患者進行治療研究，證實GBS-01可提高胰腺癌吉西他濱的療效，且無明顯不良反應。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。

2 牛蒡子苷元抗腫瘤作用機制及相關信號轉導通路

腫瘤的發生發展是多基因、多因素、多途徑的過程，其中細胞生長失調是一個重要因素，而細胞生長失調又是以信號轉導紊亂為特征。牛蒡子苷元作為抗腫瘤劑，通過多條信號通路調控腫瘤細胞的增殖[11]，誘導細胞凋亡[12]，直接殺傷腫瘤細胞[13-14]和逆轉多藥耐藥作用[15]等細胞生物學過程(表1)，而這些信號通路中的關鍵分子正是腫瘤治療研究和抗腫瘤藥物研發的靶點。

表1 牛蒡子苷元抗腫瘤作用的分子機制

2.1 PI3K/Akt信號通路 PI3K/Akt信號通路作為細胞內重要的信號轉導通路之一，過度激活會引起腫瘤細胞的生長、增殖和轉移，并促使其產生耐藥。有研究發現牛蒡子苷元可抑制由葡萄糖饑餓誘導激活的Akt途徑[16]，這是腫瘤細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合抑制前列腺癌的抗增殖作用，證實牛蒡子苷元抑制雄激素依賴性LAPC-4細胞增殖。與對照組相比，聯合用藥組能夠抑制雄激素受體、PI3K/Akt和STAT3通路激活，并且下調致癌的miR-21、miR-19b和miR-148a表達。Maxwell等[18]使用雌激素受體(estrogen receptor，ER)陽性的MCF-7細胞和ER陰性的MDA-MB-231細胞研究牛蒡子苷元對乳腺癌轉移的影響，發現牛蒡子苷元能抑制乳腺癌細胞內Akt、核轉錄因子-kappa B(nuclear factor-kappa B，NF-κB)、MAPK、細胞外調節蛋白激酶-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信號通路 MAPK信號通路調節細胞增殖、分化和凋亡等多種生物學過程，在腫瘤發生過程中發揮至關重要的作用。Hsieh等[19]研究證實，牛蒡子苷元抑制人乳腺癌MDA-MB-231細胞增殖，其機制在于牛蒡子苷元能促進p38 MAPK激活，上調組蛋白H3K9甲基化，促使B淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2， Bcl-2)基因的表達下調，進而誘導MDA-MB-231細胞凋亡。Li等[20]發現牛蒡子苷元可使人結腸癌HT-29細胞內活性氧(reactive oxygen species，ROS)的增加，引起p38 MAPK的激活和線粒體膜電位的變化，進而導致細胞凋亡。Lu等[21]在研究豬肺泡巨噬細胞株(3D4/21)和原代豬肺泡巨噬細胞過程中發現，牛蒡子苷元能顯著刺激TNF-α和TGF-β1的分泌表達，提高細胞內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通路提高巨噬細胞的免疫功能。Han等[22]證實牛蒡子苷元通過內源性凋亡途徑的MAPK信號通路，降低N-鈣黏蛋白、波形纖維蛋白、β-連環蛋白和轉錄因子Snail的表達，從而誘導CT26細胞的細胞周期停滯和凋亡，并且在實驗性轉移模型中證實牛蒡子苷元通過介入MAPK信號通路顯著抑制CT26細胞的轉移。

2.3 VEGF/VEGFR信號通路 腫瘤的生長和轉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可抑制實體瘤的惡化。Gu等[23]研究發現牛蒡子苷元可抑制人微血管內皮細胞的增殖，減少結腸癌CT26細胞內絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶Akt的磷酸化，下調血管內皮生長因子受體-2(vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR-2)和增殖細胞核抗原的表達，進而抑制血管生成。Lou等[24]研究發現，牛蒡子苷元對乳腺癌MDA-MB-231細胞有明顯的增殖抑制和凋亡誘導作用。牛蒡子苷元可下調基質金屬蛋白酶-2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)、MMP-9和乙酰肝素酶的表達水平，且這種作用很可能是通過干擾VEGF信號通路實現的。Pu[25]應用免疫組織化學方法檢測32例口腔鱗狀細胞癌組織和20例癌旁組織中VEGF的表達，采用HSC-3細胞株制備人口腔鱗狀細胞癌裸鼠移植瘤模型，觀察移植瘤生長及移植瘤組織中VEGF表達的變化。結果發現牛蒡子苷元能下調VEGF的表達，抑制口腔鱗狀細胞癌的生長。Wang等[26]通過對雄激素敏感的LNCaP細胞、人前列腺癌LAPC-4細胞、惡變前的WPE1-NA22細胞以及異種移植小鼠模型的研究發現，牛蒡子苷元可以通過抑制VEGF、表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)和成纖維細胞生長因子β(fibroblast growth factor β, FGF-β)的表達而在體內外抑制前列腺癌細胞的增殖。

2.4 JAK-STAT3信號通路 JAK-STAT信號通路是體內多條致癌性信號傳導通路匯聚的焦點。正常情況下，STAT3的激活是短暫且受嚴格控制的，但在多種腫瘤細胞中STAT3蛋白表現為持續性激活。Yao等[27]研究發現，牛蒡子苷元通過抑制Src、JAK1和JAK2抑制STAT3酪氨酸磷酸化，同時通過抑制ERK活化阻礙STAT3絲氨酸的磷酸化。并且，牛蒡子苷元能上調蛋白酪氨酸磷脂酶SHP-2的表達，進而下調STAT3的調控基因cIAP2、Bcl-2和Mcl-1的表達水平。該研究還發現牛蒡子苷元對順鉑誘導的癌細胞死亡有顯著的促進作用，通過抑制STAT3信號通路增強癌細胞對順鉑的敏感性。Feng等[28]研究證實，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的結合，從而抑制三陰性乳腺癌細胞TNBC增殖，誘導細胞的凋亡。此外，牛蒡子苷元可增強紫杉特爾誘導的TNBC細胞毒性，而TNBC細胞移植瘤實驗也證實牛蒡子苷元在體內的抗腫瘤作用。因此，牛蒡子苷元能抑制STAT3與DNA結合，是STAT3的新型抑制劑。

2.5 mTOR信號通路 mTOR屬于磷脂酰肌醇3-激酶相關激酶(phosphatidylinositol 3-kinase-related kinase，PIKK)蛋白家族，在調節細胞生長、增殖和周期等多方面起到重要作用。Maxwell等[29]證實牛蒡子苷元抑制ER陽性乳腺癌細胞內mTOR通路，降低ER的表達，導致細胞自噬性死亡。Wu等[30]深入研究ER的潛在機制時發現雌激素受體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T細胞和原代CD4+T細胞中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信號通路 Wnt/β-catenin信號通路是一條在生物進化中極為保守的通路，其不僅在胚胎發育調控中具有至關重要的作用，而且與腫瘤的產生和發展密切相關。Zhang等[31]運用二維電泳色譜質譜聯用的蛋白組學技術證實牛蒡子苷元通過介導Wnt/β-catenin通路而抑制結直腸癌HCT116細胞的轉移和血管生成。Lee等[32]以人乳腺癌MCF-7和MDA-MB-231細胞為研究對象，發現牛蒡子苷元能夠通過調節β-連環蛋白的表達而誘導ER陽性細胞MCF-7凋亡。Yoo等[33]進一步證實，牛蒡子苷元能抑制人結腸癌SW480細胞增殖，誘導其凋亡，使該細胞阻滯于S期和G2期。進一步研究發現，牛蒡子苷元下調結直腸癌細胞CCND1、survivin和CTNNB1基因的表達，表明牛蒡子苷元可能是通過調控相關蛋白的表達抑制Wnt/β-catenin信號通路，進而抑制人結腸癌SW480細胞的生長并誘導凋亡。

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

3 結語

牛蒡子苷元的廣譜、低毒性和對腫瘤細胞特異性的抑制作用使得牛蒡子苷元成為一個值得開發的新型抗腫瘤藥物，受到了國內外研究者的廣泛關注。牛蒡子苷元通過PI3K/Akt、MAPK、VEGF/VEGFR、JAK-STAT3、mTOR、Wnt/β-catenin和TGF-β/Smad等信號通路而抑制腫瘤細胞增殖、遷移和轉移。這些信號通路之間并非孤立，而是彼此聯系，相互作用，呈網絡式調節作用，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制研究還處在探索階段。今后應利用各種新的研究技術和研究手段，進一步闡釋牛蒡子苷元抗腫瘤作用機制，為其將來在臨床應用奠定基礎。