半枝蓮抗膠質瘤微血管生成的研究進展

唐笛笛 趙曉平 范小璇 薄晗 張夢潔 孫雯 陳紫瑩 于娟

膠質瘤是最常見的原發性顱內腫瘤,占惡性腦腫瘤的81%,具有高發病率和高死亡率的特點[1]。腦膠質瘤的發病率約占所有中樞神經系統腫瘤總發病率的23.3%,約占原發惡性腦腫瘤總發病率的78.3%,在吸煙、飲酒、環境致癌物、遺傳等因素的影響下,近年來呈上升趨勢[2]。新生血管是膠質瘤細胞浸潤性生長的重要途徑,血管生成是膠質瘤發生、發展的標志。在膠質瘤微環境中,血管生成的過程中會釋放促血管生成的因子及酶類,血管內皮細胞激活、增殖、遷移,基底膜與細胞外基質降解,內皮細胞重塑及與周圍細胞相互作用而形成管腔樣結構,膠質瘤的缺氧微環境可進一步誘導產生異常豐富的血管網絡,參與膠質瘤的侵襲及轉移,與膠質瘤的發生發展密切相關[3]。越來越多的證據表明,直接或間接靶向干預膠質瘤微環境的藥物均不理想,由于血管生成因子、通路網絡的復雜性和腫瘤異質性,靶向治療如貝伐珠單抗等靶點單一,很難徹底改善膠質瘤微環境,而半枝蓮可多靶點抑制膠質瘤微血管生成,從而抗膠質瘤的發生和發展。

半枝蓮藥用始載于明代《外科正宗》,又名狹葉韓信草、牙刷草、并頭草、金挖耳等,為唇形科黃芩屬植物半枝蓮(ScutellariabarbataD.Don)的干燥全草,性辛、苦、寒,具有清熱解毒、活血化瘀、消腫止痛等功效。半枝蓮的主要成分有黃酮類、萜類、生物堿、甾醇類、多糖類、有機酸類等化合物[4]。杜義龍等[5]報道半枝蓮的黃酮類成分主要有野黃芩素、木犀草素、野黃芩苷、芹菜素、漢黃芩素、黃芩苷、柚皮素等。近年來研究表明半枝蓮及其有效成分具有明顯的抗膠質瘤作用,其提取物已用于抗膠質瘤的機制研究,其中半枝蓮堿B是從半枝蓮中提取的二萜生物堿類化合物,可呈劑量依賴性抑制人膠質瘤細胞的生長,從而抗膠質瘤的侵襲和轉移[6]。呂鵬等[7]報道野黃芩苷(scutellarin, SCU)呈劑量相關地抑制人腦膠質瘤細胞的增殖,其藥理機制為SCU通過降低人腦膠質瘤細胞中抗凋亡蛋白Bcl-2的表達,從而提高人腦膠質瘤細胞中Bcl-2相關X蛋白(Bcl-2-Associated X Protein, bax)/B淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)比值而促進細胞凋亡,發揮抑制膠質瘤侵襲和轉移的作用。此外,木犀草素可通過降低血管內皮生長因子的表達,抑制內皮細胞的血管生成,從而抗膠質瘤的遷移和侵襲。半枝蓮抗膠質瘤微血管生成作用已經證實,但其作用機制尚未進行詳細的論述,本文對半枝蓮及其有效成分抗膠質瘤血管生成機制進行總結,以期為膠質瘤新藥研發提供參考。

1 半枝蓮通過對血管生成相關因子的影響抑制腦膠質瘤微血管生成的研究

1.1 血管內皮生長因子

血管生成因子調控膠質瘤微血管生成,當血管生成促進因子的作用大于抑制因子的作用時,形成新生血管,其中血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)在膠質瘤血管生成中起著關鍵作用[8]。VEGF及其受體(vascular endothelial growth factor receptor,VEGFR)在血液和淋巴管的發育和維持中發揮重要作用,VEGF家族包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D和胎盤生長因子(placental growth factor,PLGF),其受體由VEGFR-1、VEGFR-2和VEGFR-3等組成[9]。其中血管內皮細胞的受體VEGFR1、VEGFR2由VEGFA和PlGF激活,通過抑制VEGFR1表達和阻斷VEGFR2介導的信號通路,可減少血管生成,抗膠質母細胞瘤的發生、發展[10]。而淋巴管內皮細胞中的受體VEGFR3能結合VEGFC、VEGFD,其中VEGFC在膠質母細胞瘤中表達,同時其對應的VEGFR3在淋巴內皮細胞中表達,因此通過抑制VEGFR3表達,可減少VEGFC與VEGFR3結合,從而影響膠質瘤內皮細胞的增殖和遷移,發揮抗膠質瘤微血管生成的作用[11]。韓春輝等[12]運用網絡藥理學分析表明,半枝蓮可能通過介導VEGF和MAPK信號通路來抑制腫瘤內皮細胞小管樣結構形成,抗人膠質瘤細胞遷移、侵襲。陳俠等[13]體外實驗探究木犀草素與替莫唑胺聯用對U87腦膠質瘤細胞的影響,對比治療前后腫瘤VEGF的變化,發現木犀草素聯合化療藥物可降低腫瘤VEGF的表達,抑制膠質瘤組織中血管的生成,并能增敏腦膠質瘤的化療效果。Dorra等[14]觀察木犀草素對U87膠質母細胞瘤細胞的影響,發現木犀草素具有抑制U87膠質母細胞瘤細胞遷移、侵襲和內皮細胞血管生成(human microvascular endothelial cells,HMEC-1)的能力。石銳等[15]通過探究半枝蓮提取物對腫瘤的VEGF等指標的影響,發現半枝蓮提取物呈劑量依賴性抑制腫瘤VEGF的表達,減少血管生成,證實半枝蓮提取物可通過降低VEGF的表達,從而抑制腫瘤血管的生成。此外,半枝蓮多糖類活性成分也可影響腫瘤細胞VEGF及一氧化氮(nitric oxide,NO)等指標的表達,降低血管生成,起到抗腫瘤發生和發展的作用[16]。因此,半枝蓮及其主要成分通過調控AMPK信號通路,抑制VEGF的表達,減少內皮細胞小管樣結構的形成,達到抗膠質瘤發生、發展的作用。

1.2 缺氧誘導因子

缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor,HIF)是最重要的與缺氧有關的轉錄因子。其中HIF-1α在神經膠質瘤的缺氧區中呈高表達,HIF-1α介導糖酵解開關,其通過上調膠質瘤細胞葡萄糖轉運蛋白和參與乳酸合成的糖酵解途徑關鍵酶的表達,響應缺氧的代謝開關,增加糖酵解,加快血管新生,促進膠質瘤的發生、發展[17]。靳憲芳等[18]觀察半枝蓮乙醇提取物對膠質瘤細胞的HIF-1α等指標的影響,發現半枝蓮乙醇提取物可通過降低HIF-1α的表達,減少內皮細胞的增殖和遷移,從而抑制膠質瘤侵襲、轉移。芹菜素可通過降低HIF-1α介導的葡萄糖轉運蛋白1(glucose transporter 1,GLUT1)和丙酮酸激酶同工酶M2型(pyruvate kinase isozyme type M2,PKM2)蛋白的表達,減少糖酵解,抑制血管生成,從而起到抗膠質瘤細胞遷移、侵襲和增敏放療的作用[19]。因此表明半枝蓮及其有效成分通過抑制HIF-1α的表達,降低GLUT1和PKM2等蛋白的表達,減少糖酵解,抑制膠質瘤微血管生成。

HIF-1α高表達誘導新生血管生成在膠質瘤侵襲和轉移過程中具有至關重要的作用。以低氧環境為介質,通過HIF-1α的介導可上調VEGF的表達,此外,缺氧還能誘導MMP-2、MMP-9的表達,從而促進膠質瘤內皮細胞的增生,增加膠質瘤微血管的生成[20]。Shiau等[21]實驗顯示半枝蓮可通過抑制腫瘤細胞HIF-1α和VEGF的表達,從而降低缺氧條件下內皮細胞的增殖和遷移,有效抑制腫瘤血管的生成。Song X等[22]實驗顯示漢黃芩素可通過降低HIF-1α表達并減少VEGF分泌,從而抑制腫瘤的血管生成,證實漢黃芩素可降低血管生成因子的表達,發揮抑制腫瘤發生、發展的作用。因此,半枝蓮及其有效成分通過抑制HIF-1α的表達,降低VEGF、MMP-2和MMP-9的表達,減少血管生成,從而抗膠質瘤發生、發展。

2 半枝蓮通過對基質金屬蛋白酶類的影響抑制腦膠質瘤微血管生成的研究

2.1 基質金屬蛋白酶

基質金屬蛋白酶(matrixmetalloproteinase,MMPs)在神經膠質瘤的診斷中是重要的指標[23]。膠質瘤發生侵襲、轉移的關鍵因素是細胞外基質(extracellular matrix,ECM)降解,ECM的降解是級連蛋白水解過程。缺氧微環境誘導膠質瘤細胞MMPs的分泌,降解ECM,導致膠質瘤的進展[24]。MMP-2和MMP-9是MMPs家族中的重要成員,MMP-2主要在星形膠質細胞表達,MMP-9則主要在神經細胞的髓鞘纖維束表達,而抑制MMP-2和MMP-9的表達,可減少血管生成,從而抗膠質瘤的發生、發展[25]。孟輝等[26]實驗顯示半枝蓮提取物(extracts from Scutellaria barbata,ESB)可抑制膠質瘤U25l細胞的生長,證實ESB抗膠質瘤發生、發展的作用。肖慶保等[27]觀察芹菜素對U87腦膠質瘤細胞MMP-2、MMP-9等指標的影響,對比芹菜素治療前后MMP-2、MMP-9的含量變化,發現芹菜素可降低MMP-2、MMP-9的表達,從而抑制腦膠質瘤的侵襲和轉移。Ravena等[28]觀察黃酮類化合物中的柚皮素對膠質瘤的MMP-2、MMP-9等指標的影響,對比柚皮素治療前后MMPs的含量變化,發現MMPs的表達下調,證實柚皮素對膠質瘤的侵襲和轉移有抑制作用。Chen等[29]觀察芹菜素對U87人膠質瘤細胞的生長的影響,發現芹菜素能通過抑制MMP-9的表達,發揮抗膠質瘤的發生、發展。因此,半枝蓮及其有效成分通過抑制MMP-2和MMP-9的表達,促進基底膜和細胞外基質降解,達到抗膠質瘤的發生、發展作用。

2.2 基質金屬蛋白酶組織抑制物

基質金屬蛋白酶組織抑制物(tissue inhibitor of metallo proteinase,TIMPs)也是診斷神經膠質瘤的重要指標[23]。TIMP-1、TIMP-2是TIMP家族的主要成員,不僅可參與細胞生長的調控,還可通過影響基質金屬蛋白酶的降解來影響新生血管的生成。因此,在膠質瘤發生發展過程中,通過提高TIMP-1和TIMP-2的表達,可減少基底膜和細胞外基質降解,抑制微血管生成,從而抗膠質母細胞瘤侵襲和轉移[30]。張洪石等[31]報道半枝蓮總黃酮可降低MHCC97-H腫瘤細胞的轉移能力,發現半枝蓮總黃酮通過下調MMP,上調TIMP的表達,從而達到抑制腫瘤的作用。王強等[32]觀察木犀草素對膠質母細胞瘤增殖、遷移和侵襲的影響,發現木犀草素可提高TIMP-1和TIMP-2蛋白表達,而同時其能明顯抑制MMP-2和MMP-9的表達,證明木犀草素可調節MMP/TIMP的比例,通過調控MMP/TIMP平衡,從而起到抗膠質母細胞瘤細胞的增殖和侵襲作用。另外,半枝蓮總黃酮可通過降低VEGF、MMP表達,同時提高TIMP表達,從而減少血管生成,達到抑制腫瘤細胞的增殖和轉移作用[33]。由此表明,半枝蓮及其有效成分通過降低VEGF、MMP-2和MMP-9的表達,提高TIMP-1和TIMP-2表達,減少基底膜和細胞外基質降解,抑制血管生成,從而抗膠質瘤發生、發展。

3 半枝蓮通過對血管生成信號通路的影響抑制腦膠質瘤微血管生成的研究

3.1 Notch信號通路

Notch通路與膠質瘤血管生成關系密切,其家族由Dll1、Dll3、Dll4、Jagged1、Jagged2五個配體和Notch-1、-2、-3、-4四個受體組成。在膠質母細胞瘤中,VEGF可促進內皮細胞Dll4的表達,Dll4與受體結合后可通過負反饋作用抑制VEGF受體的表達,防止膠質瘤微血管的過度分支;而膠質母細胞瘤表達的Jagged1能激活內皮細胞的Notch通路,促進膠質母細胞瘤微血管生成[34]。Zhang等[35]實驗顯示半枝蓮對各種癌癥具有強大的抗癌作用,發現半枝蓮氯仿部分可降低Bcl-2、Notch1/2和Jagged1表達水平,阻斷內皮細胞的遷移和小管形成,從而抗膠質瘤的發生、發展。曾志青等[36]觀察漢黃芩素對U87膠質瘤細胞增殖和侵襲的影響,發現漢黃芩素能通過誘導細胞的凋亡,減少微血管的生成,從而抑制膠質瘤的生長和侵襲,并能使化療增敏,提高化療效果,證實半枝蓮能抑制膠質瘤微血管的生成,達到抗膠質瘤的侵襲和轉移作用。因此考慮半枝蓮及其有效成分通過降低Bcl-2、Notch1、Notch2和Jagged1表達,阻斷內皮細胞的遷移和小管形成,發揮抗膠質瘤發生、發展的作用。

3.2 PI3K/Akt/mTOR通路

PI3K/Akt/mTOR信號通路在腦膠質瘤的發生和發展過程中起著關鍵作用。PI3K/Akt通路活化,可加速膠質瘤細胞的生長,促進血管生成,并參與腦膠質瘤的侵襲和轉移。其中雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)位于PI3K/Akt/mTOR信號通路的下游,一方面接受上游的信息,如細胞外生長因子的刺激;另一方面將信息傳遞給下游位點,調控細胞周期,加速細胞增殖[37]。陳明等[38]觀察半枝蓮總黃酮對腫瘤細胞PI3K/Akt/mTOR通路的影響,對比半枝蓮總黃酮治療前后PI3K/Akt/mTOR通路活性的變化,發現PI3K/Akt/mTOR通路的活性明顯降低,表明半枝蓮總黃酮可通過影響PI3K/Akt/mTOR通路,從而發揮抗腫瘤發生、發展的作用。Huang等[39]運用網絡藥理學分析表明,木犀草素可通過抑制PI3K/Akt信號通路的活化來抗膠質瘤的發生、發展;體外實驗顯示木犀草素有抗膠質瘤的作用,且闡明其作用機制是通過干預PI3K/Akt信號通路。另外,mTOR抑制劑能對內皮生長因子產生影響,通過下調內皮生長因子的表達,可抑制膠質瘤微血管的生成。因此表明半枝蓮及其有效成分通過調控PI3K/Akt信號通路相關蛋白表達,抑制PI3K/Akt/mTOR通路的活化,從而減少膠質瘤微血管的生成,抗膠質瘤發生、發展。

3.3 JAK2/STATs通路

JAK2/STATs信號通路活化是膠質瘤侵襲和轉移的重要因素,其中STAT3在血管生成中發揮著關鍵作用。STAT3在膠質瘤中調控VEGF和HIF-1的表達,而抑制STAT3信號通路活化可下調VEGF和HIF-1的表達,抗膠質瘤血管生成[40]。Xue等[41]實驗顯示JAK/STAT3通路抑制劑可通過下調VEGF、VEGFR基因的mRNA水平,抑制內皮細胞的遷移,減少血管生成。曾志青等[42]觀察漢黃芩素對U87膠質瘤細胞侵襲相關的指標如VEGF、HIF-1α等的影響,發現漢黃芩素可誘導膠質瘤細胞周期停滯,促進細胞凋亡,減少血管生成,從而起到抗膠質瘤細胞侵襲和轉移的作用。因此考慮半枝蓮及其有效成分可通過抑制STAT3的活化,下調VEGF、VEGFR和HIF-1α的表達,從而抗膠質瘤的侵襲、轉移。

STAT3活化后還可調控MMP-2和MMP-9的表達從而抑制膠質瘤的血管生成。因此,在膠質瘤侵襲和轉移中,MMP-2和MMP-9是其預測指標[43]。王婷婷等[44]觀察黃芩苷對腦膠質瘤細胞的MMP-2、MMP-9等指標的影響,發現黃芩苷可劑量和時間相關地抑制JAK/STAT3信號通路活性,下調MMP-2、MMP-9的表達,證明黃芩苷可有效地抗膠質瘤的侵襲、轉移。因此,半枝蓮及其有效成分可通過抑制STAT3的活化,下調MMP-2、MMP-9的表達,從而發揮抗膠質瘤的發生、發展作用。

4 結語

膠質瘤是一種以廣泛血管生成為特征的高度血管化腫瘤,其豐富的微血管生成和難以抑制的血液供應是臨床治療的難點之一[45]。半枝蓮的功效為清熱解毒、化瘀利尿,其主要成分是黃酮類化合物、二萜類化合物、生物堿、甾體以及多糖等成分,具有抑制腫瘤細胞生長和抗血管生成的作用[46]。膠質瘤微環境中的新生血管為膠質瘤生長提供營養和氧氣,膠質瘤細胞亦能借助于血管內皮細胞進行遷移進而在腦實質中擴散。膠質瘤微血管生成的過程中血管內皮細胞在血管生成因子和血管生成信號通路的刺激下增殖、遷移和分化,促進膠質瘤的侵襲和轉移[47]。研究已證實半枝蓮及其有效成分具有抗膠質瘤微血管生成的作用。

綜上所述,目前對半枝蓮抗膠質瘤微血管生成的作用機制研究尚存在不足:(1)半枝蓮抗膠質瘤的具體有效成分仍不十分清楚,半枝蓮中黃酮類、二萜類、多糖類等多種有效成分的抗膠質瘤微血管生成作用,需進一步實驗證明,以期為抗膠質瘤的新藥研發提供更多的選擇。(2)當前報道中可見半枝蓮及其有效成分通過調控不同的血管生成因子及信號通路等發揮抗膠質瘤微血管生成的作用。對半枝蓮及其有效成分抗膠質瘤微血管生成的相關細胞因子和信號通路進行綜述,以期為進一步實驗研究及臨床應用提供可信的基礎數據,促進臨床轉化,更好地防治膠質瘤。