巖藻多糖在腫瘤治療中的作用

王瑩瑩，張振坤，李 亞，任邑昆，關方霞，馬珊珊

鄭州大學生命科學學院 鄭州 450001

目前，惡性腫瘤是世界范圍內人類死亡的主要原因之一。盡管醫學研究取得了巨大進步，化療、放療、手術及聯合療法等被用來治療腫瘤[1]，但這些療法均有嚴重的副作用。從植物和藻類等天然來源獲得的多糖具有抗癌特性，其多功能結構也允許它們可與抗癌藥物結合使用[2-3]。

巖藻多糖是一種來源于海洋的硫酸鹽多糖，主要存在于各種褐藻(例如海帶、墨角藻、裙帶菜等)細胞壁基質中[4]。在一些海洋無脊椎動物如海膽[5]、海參[6]中也發現有多種形式的巖藻多糖。一方面巖藻多糖的化學組成不盡相同，除了主要成分巖藻糖和硫酸酯外，還含有其他單糖(甘露糖、半乳糖、葡萄糖等)和糖醛酸，有些還具有乙?；偷鞍踪|。另一方面巖藻多糖的結構十分復雜，不同種類巖藻多糖的結構也不相同，并且由不同方法提取得到的巖藻多糖結構也可能不同。在東亞地區，含有巖藻多糖的褐藻被普遍用作食材和藥材來食用[7]。巖藻多糖具有多種生物和藥物學活性，包括抗癌[8]、抗微生物[9]、抗病毒[10]、抗炎[11]和抗凝血活性[12]等。作為一種天然聚合物，巖藻多糖對癌細胞有直接和間接的抑制作用，比其他傳統的癌癥治療方法更安全[13]。本文就巖藻多糖的抗腫瘤作用進行綜述。

1 巖藻多糖在多種腫瘤中的治療作用

1.1巖藻多糖與乳腺癌上皮間質轉化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)是癌癥轉移的重要過程。 在EMT過程中，癌細胞會失去上皮細胞的特性，例如極性和細胞黏附性，隨后獲得間充質樣細胞的形態和遷移能力。一旦癌細胞停止表達上皮標記物，如上皮細胞鈣黏蛋白(E-cadherin)，便開始表達間充質標記物，如神經型鈣黏蛋白(N-cadherin)和波形蛋白(Vimentin)[14]。研究[15-16]表明，EMT現象會增強乳腺癌細胞的遷移和侵襲能力，并且與乳腺癌的發生、浸潤和遠處植入關系密切。

He等[17]發現經巖藻多糖處理的大鼠血清可通過調節E-cadherin的表達，有效抑制乳腺癌MCF-7細胞增殖，誘導癌細胞凋亡，抑制癌細胞遷移；提示巖藻多糖可抑制乳腺癌細胞EMT，促進癌細胞凋亡并抑制腫瘤轉移。Li等[18]的研究發現巖藻多糖可通過下調缺氧誘導因子1α(HIF-1α)信號通路的表達,抑制乳腺癌細胞的EMT和遷移。

1.2巖藻多糖與胰腺癌Delma等[19]通過離子交換色譜法從海洋褐藻中分離出巖藻多糖的5種組分，并對其在人胰腺癌細胞系中的抗腫瘤特性進行研究。結果顯示這5種巖藻多糖組分均可以濃度和時間依賴性方式抑制胰腺癌細胞的增殖，并通過激活Caspase依賴的內源性和外源性凋亡途徑，誘導胰腺癌細胞凋亡；進一步的機制研究顯示巖藻多糖可以抑制NF-κB信號通路并促進腫瘤抑制因子p53的表達，從而通過靶向p53-NF-κB環路，誘導胰腺癌細胞凋亡。該研究表明巖藻多糖對胰腺癌具有顯著的抗腫瘤活性。

1.3巖藻多糖與肝癌肝癌細胞因表達多藥耐藥基因而對化療藥物不敏感，這是肝癌化療的重要障礙之一。越來越多的證據表明lncRNA參與了肝癌的發生發展。LncRNA HULC可促進肝癌的發生和轉移[20-21]，NEAT1可促進肝癌細胞的增殖[22]，而p21可抑制肝癌的侵襲和轉移[23]。有研究[24]檢測了巖藻多糖處理后HepG2細胞中lncRNA的差異表達，結果顯示巖藻多糖可以抑制Saf并增強p21的表達，降低HULC和NEAT1表達，上調SNHG1和Malat1表達；可抑制HepG2細胞的活性，誘導細胞凋亡；提示巖藻多糖可能通過調控多種lncRNA的表達，發揮抗肝腫瘤作用。Arumugam等[25]的研究結果也表明，巖藻多糖可濃度依賴性抑制HepG2細胞增殖、遷移和細胞周期進展，作用機制可能與細胞DNA損傷誘導的細胞凋亡密切相關。

1.4巖藻多糖與宮頸癌內質網在蛋白質組裝、蛋白質折疊和鈣穩態維持中起著重要作用[26]。研究[27]表明，巖藻多糖通過調節與內質網應激相關的級聯反應誘導乳腺癌細胞和結直腸癌細胞的凋亡。Niyonizigiye等[28]的研究結果顯示，巖藻多糖可劑量依賴性地抑制HeLa細胞的增殖，但不會影響正常細胞HaCaT和HEK-293的增殖；巖藻多糖通過上調Bip/GRP78、CHOP表達，可誘導內質網應激關鍵組分的磷酸化，啟動未折疊蛋白響應機制，誘導細胞凋亡。

1.5巖藻多糖與結腸癌活性氧(reactive oxygen specie，ROS)在細胞增殖、信號傳導和氧化防御機制中發揮重要作用[29]。與正常細胞相比，癌細胞對高水平ROS更敏感[30]。因此，任何增加ROS水平的化合物都可能引起癌細胞線粒體的損傷，并最終誘導細胞凋亡[31]。Narayani等[32]的研究結果顯示，從灰葉馬尾藻中提取的巖藻多糖可劑量依賴性地抑制Caco-2細胞的生長，增加ROS的生成并增加線粒體膜的滲透性，發揮抗腫瘤作用。

1.6巖藻多糖與口腔鱗癌Zhang等[33]發現巖藻多糖通過增加口腔鱗癌細胞中Bax/Bcl-2比值誘導細胞凋亡，并通過下調MMP-9和MMP-2的表達抑制口腔鱗癌細胞的遷移和侵襲能力，有效治療口腔鱗癌。進一步的生物信息學預測和細胞生物學實驗[33]結果表明巖藻多糖可以促進口腔鱗癌細胞中circFLNA的表達，進而介導與細胞生長、凋亡、遷移和侵襲相關的關鍵蛋白的表達。該結果表明巖藻多糖可能是通過靶向circFLNA來治療口腔鱗癌的潛在天然藥物。

1.7巖藻多糖與惡性膠質瘤惡性膠質瘤是一種預后較差的腦腫瘤，采用多模式治療后不可避免地會復發。Liao等[34]的研究發現，褐藻中的寡聚葡聚糖(oligo-fucoidan，OF)可顯著抑制惡性膠質瘤細胞U87MG和GBM8401的增殖；進一步的機制研究顯示OF能夠下調DNA甲基轉移酶(DNMT)1、3A和3B的表達，降低p21甲基化水平，促進P21蛋白的表達和細胞凋亡；另外，OF與Decitabine(一種DNMT抑制劑)聯合使用可以協同抑制U87MG細胞的增殖和分化；提示巖藻多糖可以作為一種潛在的補充途徑用于膠質瘤的表觀遺傳學治療。

1.8巖藻多糖與子宮肉瘤、子宮內膜癌Bobiński等[35]以人皮膚成纖維細胞作為對照，評估發現巖藻多糖可顯著降低子宮肉瘤ESS-1細胞和子宮平滑肌瘤SK-UT-1、SK-UT-1B細胞的活力，阻滯細胞周期，并誘導細胞凋亡。程序性細胞死亡配體1(PD-L1)在逃避宿主免疫監視過程中發揮重要作用。 Teruya等[36]的研究結果表明，低相對分子質量巖藻多糖提取物(LMF)可影響纖維肉瘤細胞HT1080中PD-L1/PD-L2的表達，抑制細胞生長，但對人正常二倍體成纖維細胞TIG-1的生長沒有影響；說明LMF差異性調節正常細胞和癌細胞中PD-L1的表達；LMF可以用作治療PD-L1高表達癌癥的替代性補充劑。

2 巖藻多糖抗腫瘤作用的分子機制

巖藻多糖的抗腫瘤作用分子機制主要有阻滯細胞周期、誘導細胞凋亡、抑制血管生成、抑制細胞轉移、激活免疫系統以及調節細胞信號傳導通路等。本文主要介紹其在腫瘤血管生成、細胞信號傳導通路調節中的作用機制。

2.1巖藻多糖與血管生成血管生成在腫瘤進展和轉移過程中有重要作用，阻斷腫瘤血管生成已成為腫瘤治療的有效手段[37-38]。促血管生成分子有血管內皮生長因子(VEGF)、bFGF、IL-8和PAI-1等[39-40]。Chen等[40]的研究表明巖藻多糖可以抑制VEGFR2/Erk/VEGF信號通路，發揮抗血管生成作用，抑制非小細胞肺癌的遷移。Ou等[41]的研究發現源自鼠尾藻的巖藻多糖可抑制HUVEC細胞中MMP-2活性和VEGF/HIF-1α信號通路，從而抑制血管生成，并進一步抑制肺癌細胞A549的遷移和增殖。有研究[42]發現巖藻多糖可限制骨肉瘤血管生成，且這與VEGF和基質衍生因子-1表達降低有關。 進一步研究[43-44]發現，高相對分子質量巖藻多糖具有抗血管生成作用，而低相對分子質量巖藻多糖和分離的巖藻多糖具有促血管生成作用。這些矛盾的結果表明巖藻多糖對腫瘤血管生成的影響還需要進一步研究。

2.2巖藻多糖與信號傳導腫瘤相關信號傳導通路有很多，本文著重介紹巖藻多糖與PI3K/AKT、ERK和Caspase信號通路的關系。

PI3K/AKT信號通路是多種細胞功能的核心，其在腫瘤細胞中常表達上調。上調PI3K/AKT通路可抑制腫瘤細胞死亡并增強其遷移能力[45-54]。巖藻多糖可在細胞水平抑制PI3K/AKT通路的磷酸化，誘導結腸癌細胞和膀胱癌細胞的凋亡，并抑制端粒酶活性[55-56]。

在多種惡性腫瘤細胞中，細胞外信號調節激酶(ERK)通路蛋白常常過度磷酸化并表達上調。研究[57-59]表明，巖藻多糖可降低人類淋巴瘤細胞中ERK1/2蛋白的磷酸化水平，降低肺癌細胞中活性ERK1/2表達水平，從而降低ERK活性，抑制細胞增殖。巖藻多糖對腫瘤細胞的生長抑制作用可部分歸因于對ERK1/2的負調控。

細胞凋亡可通過外源性(細胞質)途徑和內源性(線粒體)途徑觸發，Caspase通路在這兩種凋亡途徑中均發揮核心作用。巖藻多糖可分別激活腫瘤細胞中外源性和內源性凋亡途徑中兩個最具特征的分子Caspase-8和Caspase-9[60]。研究[60-61]顯示，極低劑量(20 mg/L)的巖藻多糖可激活人結腸癌細胞中Caspase-3和Caspase-7的表達，發揮抗腫瘤作用；然而對于T細胞白血病細胞，需要高濃度(3 g/L)的巖藻多糖才能達到相同效應。Yamasaki-Miyamoto等[62]的研究表明，用Caspase-8抑制劑預處理可完全阻斷巖藻多糖介導的乳腺癌細胞MCF-7的凋亡。

3 巖藻多糖聯合生物納米材料的抗腫瘤作用

近年來，自組裝的高分子納米顆粒因其功能的多樣性，引起了人們對其藥物傳遞和生物醫學應用方面的極大興趣。巖藻多糖已被應用于診斷、藥物輸送和再生醫學的納米系統中[63-64]。

Chu等[65]將透明質酸和巖藻多糖分別用作前列腺癌細胞CD44分子和腫瘤脈管系統中P-選擇素的靶向劑，從而建立了雙重靶向腫瘤的納米系統，通過包裹表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)和姜黃素(CU)，達到共同遞送EGCG和CU的目的；與EGCG/CU組合溶液相比，負載EGCG/CU的納米顆粒被更多地攝取到前列腺癌細胞中，抗腫瘤效果更顯著；動物實驗結果表明，負載EGCG/CU的納米顆粒可顯著抑制原位腫瘤的生長，而不會引起其他器官的損傷，具有安全有效性。總體而言，EGCG和CU共同遞送的雙重靶向納米顆粒系統極大地改善了前列腺癌的治療效果。

Wang等[66]用自組裝的方法制備了有序、生物相容性好、球形且大小均勻的新型聚電解質給藥系統——PAH/Fucoidan-MTX納米顆粒，用于腫瘤的治療。PAH/Fucoidan-MTX納米顆粒可實現藥物的持續釋放，有效抑制MCF-7和HeLa細胞的生長。Oliveira等[67]制備了巖藻多糖/殼聚糖納米顆粒，用于遞送抗腫瘤藥物吉西他濱，該納米顆粒對人乳腺癌細胞的毒性增加，但對內皮細胞的毒性未增加。

Jang等[68]發現涂有巖藻多糖的硫化銅納米顆粒不僅可作為載體增強細胞內巖藻多糖的遞送，而且還可作為光熱劑在體外有效消融多種癌細胞(例如HeLa/A549和K562)；其還可在808 nm二極管激光照射下誘導細胞凋亡，說明該納米系統可以將巖藻多糖介導的抗癌作用與近紅外光誘導的高熱作用相結合，聯合誘導癌細胞凋亡。

Shin等[69]的研究證實巖藻多糖包被的二氧化錳納米顆粒(Fuco-MnO2-NP)在H2O2存在的條件下可有效生產O2，并在低氧條件下顯著抑制人胰腺癌細胞中HIF-1的表達，增加放射治療引起的DNA損傷，逆轉低氧誘導的放射抵抗；在BxPC3異種移植小鼠模型中，與單獨放射治療相比，Fuco-MnO2-NP聯合放射治療獲得了更顯著的腫瘤生長延遲；研究結果表明，Fuco-MnO2-NP可以通過缺氧調節和血管生成調節的雙重作用增強放射治療的效果，在放射性耐藥胰腺癌的治療中具有巨大的應用潛力。

4 展望

巖藻多糖是一種很有前途的生物聚合物，具有天然的抗腫瘤特性、良好的藥物傳遞特性和主動靶向性，可用于多種腫瘤的治療。巖藻多糖對健康細胞沒有副作用，具有良好的安全性。作為一種天然聚合物，巖藻多糖在藥用前需要進行大量處理，所提聚合物的結構在很大程度上取決于其來源。因此，今后對其來源、相對分子質量、提取方法等需進行重點研究和開發，建立巖藻多糖提取的標準化體系，同時加強臨床試驗研究，從而為巖藻多糖在腫瘤臨床治療中的應用提供更有力的依據。