花青素抗肿瘤活性的研究进展

陈文超，刘回民，刘景圣，*（1.吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林长春130118；2.小麦和玉米深加工国家工程实验室，吉林长春130118）



花青素抗肿瘤活性的研究进展

陈文超1，2，刘回民1，2，刘景圣1，2，*
（1.吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林长春130118；2.小麦和玉米深加工国家工程实验室，吉林长春130118）

摘要：总结花青素的抗肿瘤活性在细胞模型和动物模型中的研究进展，探讨其可能的分子作用机制，并就花青素在试验模型系统中的抗肿瘤效力与人类流行病学研究之间的相关性开展了讨论。未来的研究旨在促进花青素及其代谢产物的吸收，而这也对花青素最终用于人类肿瘤的化学预防具有十分重要的意义。

关键词：花青素；抗肿瘤；化学预防；抗氧化；机制

花青素是水果蔬菜中含量最丰富的类黄酮成分，广泛存在于植物界中，并赋予草莓、葡萄、苹果、紫甘蓝和玉米等果蔬红、蓝和紫等颜色。基于许多细胞系研究，动物模型和人类临床试验，花青素已被证实具有抗炎和抗肿瘤活性，可用于预防心血管疾病，控制肥胖和减轻糖尿病病症，这些功能特性都与其强大的抗氧化性能有关[1]。

本文总结了花青素在抗肿瘤方面的研究进展，包括体外肿瘤细胞和体内肿瘤组织的相关试验，以及人类流行病学研究的数据结果。虽然实验室研究已经初步验证了花青素抗癌特性的分子机制，但详细机制还有待深入探索。另外，花青素的体外细胞试验正在大量开展，有必要尽早明确体外研究与体内作用机制的相关性。

1花青素的化学结构

花青素的基本结构为2-苯基苯并吡喃阳离子，通常情况下，葡萄糖、半乳糖、木糖、鼠李糖或阿拉伯糖通过糖苷键与花青素核相连合成花色苷[2-3]。与其它黄酮类不同，花青素在酸性溶液中携带一个正电荷[2]。它们是水溶性的，且依赖pH和螯合金属离子的存在。通常所指的花青素为其去糖基化或糖苷配基形式，它的化学结构见图1。

图1花青素化学结构Fig.1 Chemical structure of anthocyanins

最常见的六种花青素见表1。

分别为天竺葵素、矢车菊素、飞燕草素、锦葵素、矮牵牛素和芍药素。花青素的糖组分通常是通过C环中C3位置的羟基基团与花色素的骨架相连，不同花色素的区别在于糖苷与基本骨架相连的位置及复杂程度[3]。

表1 6种花青素的结构特点Table 1 Structure characters of six anthocyanidins

2花青素的抗肿瘤特性

2.1体外研究

花青素的抗氧化作用已在多个细胞系统，如结肠[4]、肝[5]、乳腺[6]、宫颈[7]、前列腺[8]等器官和组织的细胞及白血病细胞[9]等的培养过程中得到证实。在这些细胞系统中，花青素表现出了多种抗毒和抗肿瘤特性，如：直接清除活性氧（ROS），增强细胞吸收氧自由基的能力，降低氧化的DNA（脱氧核糖核酸）加合物水平，抑制由环境毒素和致癌物质诱发的突变。

在体外的多种肿瘤细胞中，花青素纯品和来源于果蔬的富含花青素的提取物均表现出抗增殖活性[10-11]。且Zhao J G等[12]将花青素对正常细胞和肿瘤细胞的抗增殖作用进行比较后发现，花青素可选择性地抑制肿瘤细胞生长而对正常细胞的生长作用影响很小甚至没有影响。Zikri N N等[13]发现，黑树莓的乙醇提取物可选择性地抑制高度致瘤的大鼠食管上皮细胞株（RE-149-DHD）的生长并诱导其凋亡，而低度致瘤的异常增生细胞株RE-149为对照组。

血管生成是从现有的血管网形成新血管的过程，是肿瘤生长和发生转移的一个重要因素。许多有效的血管生成活性分子都是血管内皮生长因子（VEGF）家族的成员，VEGF表达的增强常常发生在肿瘤的形成过程中[14]。花青素的抗血管生成作用已在乳腺癌细胞[6]和喉癌细胞[15]中得到验证。

花青素抗肿瘤的功能特性还表现为它的抗侵袭作用。Yun J W等[16]评估了coignetiae Pulliat葡萄花青素的抗侵袭性。基质膜基质入侵测定法显示，花青素抵抗细胞侵袭具有剂量依赖性，并通过减弱NF-κB活性来抑制MMP-2和MMP-9的表达，从而发挥抗侵袭作用。花青素也可通过抑制IκBα的磷酸化，抑制由TNF-α触发的NF-κB的活化。

2.2体内研究

2.2.1乳腺癌

在接受了乳腺癌细胞株MDA-MB-453移植的BALB/c裸小鼠模型中，Hui C等[14]发现，口服黑米花青素提取物AEBR（100 mg/kg饲料）可显著抑制试验小鼠体内肿瘤的生长及其血管的生成。研究结果显示，肿瘤组织中COX-2、iNOS、c-Jun及血管生成因子MMP-9、MMP-2、uPA的表达量显著降低[14]。

2.2.2结肠癌

在APC肠癌小鼠模型中，喂食富含花青素的紫色甘薯提取物的小鼠与对照组相比，盲肠肿瘤的数量减少了74 %（P<0.05）[17]。在F344大鼠结肠癌模型中，给小鼠喂食含2.5 %、5 %和10 %黑树莓冻干粉的饲料后，总的肿瘤数量（腺瘤和腺癌）与对照组相比显著减少了42 %、45 %和71 %，而尿8-OHdG水平分别降低了73 %、81 %和83 %[18]。

2.2.3肝癌

Bishayee A等[19]验证了富含花青素的黑加仑子提取物具有预防肝癌的作用。研究人员先对小鼠预防性给予花青素饮食4周，腹腔注射DENA诱导其肝脏癌变后继续给予花青素饮食22周，试验结果显示，黑加仑子花青素能够降低肝癌癌前异常增生的发生率，减少增生结节的数目，减小结节的体积，且这种作用呈剂量依赖性，并在之后的病理解剖中得到了证实。

2.3人类研究

尽管流行病学研究并未表明摄入花青素可降低人类患肿瘤的风险，但花青素的摄入可降低氧化损伤的某些检测指标。Weisel T等[20]的研究显示，饮用了富含花青素果汁的受试者与对照组相比，其DNA氧化损伤程度有所降低且还原型谷胱甘肽显著增加。另一项研究中，试验组每天口服含有冻干黑树莓粉末的冲剂1次，持续服用6个月后，患者体内8-Iso-PGF2和尿8-OHdG的水平均有下降[21]。

3花青素抗肿瘤作用的机制

3.1抗氧化

氧化损伤可促进癌症的发生和发展。活性氧，特别是过氧化氢是细胞反应的调节器，在信号传导过程中发挥重要作用。当细胞受到环境毒素、电离辐射或炎症反应的刺激时，花青素可通过抑制致癌物/毒素诱导的细胞氧化损伤发挥化学预防作用[6-9]。它的抗氧化特性包括（1）清除ROS/RNS（活性氧/活性氮）；（2）抑制某些与自由基产物相关的酶类或螯合微量金属的作用，从而减少ROS/RNS的形成。花青素的抗氧化活性很大程度上取决于其分子中C环3位和B环3’、4’和5’位羟基基团的存在[2-3]。

3.2解毒阶段酶类的激活

Shih P H等[22]最先证实了，花青素在细胞中可表现出诱导解毒第二阶段酶类激活的能力。这是通过激活谷胱甘肽相关酶和NAD（P）H：醌还原酶实现的，其机制是花青素激活了编码这些酶的基因中ARE的上游区域。Shih P H等推断，花青素对ARE控制的解毒第二阶段酶类表达的促进作用是保护细胞免受氧化应激损伤的关键。

3.3抗细胞增殖

花青素通过影响细胞周期调节蛋白的活性使细胞周期各阶段不能顺利进行，从而达到抑制细胞增殖的目的。Lee Y K等[23]的研究显示，那些B环上具有邻-二羟苯基结构的花青素能够抑制TPA诱导的鼠JB6细胞的转化和激活蛋白-1的转录活化，表明邻-二羟基苯基可能是这种抑制作用的结构基础。飞燕草色素可阻断ERK通路中蛋白激酶的磷酸化和C-Jun氨基末端激酶（JNK）信号通路。表明花青素是通过阻断MAPK信号通路的激活抑制肿瘤形成的[23-24]。

3.4诱导细胞凋亡

凋亡或程序性细胞死亡，在调控正常细胞的成长发育过程中起关键作用，但癌细胞通常不受控制。纯花青素与富含花青素的提取物在多种细胞中表现出促凋亡作用[4-5，11]，它们是通过内部（线粒体）和外部（FAS）途径诱导细胞凋亡的[25]。在内部途径中，用花青素处理癌细胞可使其线粒体膜电位增加，细胞色素C释放及半胱天冬酶依赖型抗凋亡和促凋亡蛋白的比例发生变化。对于外部途径来说，花青素是通过调节癌细胞Fas和FasL的表达引发细胞凋亡的。此外，花青素还可引起癌细胞内部活性氧的蓄积随即并发细胞凋亡，这表明ROS介导的线粒体内半胱天冬酶依赖型途径对花青素诱导的细胞凋亡具有重要作用[25]。

3.5抗炎

炎症在动物体内许多肿瘤的发生发展过程中都发挥了促进作用，在人体内也可能如此[19]。炎性蛋白、NF-кB和COX-2的异常增加是许多癌症的常见表现，在体外的多种细胞中，花青素通过降低COX-2，NF-кB及各种白细胞介素的mRNA和蛋白的表达水平而表现出抗炎特性[19，25]。例如，用富含花青素的黑树莓提取物处理JB-6 CL 41小鼠表皮细胞，可使细胞内NF-κB的表达水平下降[26]。

3.6抗血管生成

花青素抗血管生成的机制可能为：抑制表皮角质细胞中H2O2-和TNF-α诱导的VEGF的表达，并减少VEGF及其受体在内皮细胞中的表达[14]。此外，研究发现，经富含花青素的黑树莓提取物处理的小鼠表皮JB6细胞，其VEGF表达水平的下调是通过抑制PI3K/ Akt通路实现的[27]。

3.7抗侵袭

由水解导致的基底膜胶原蛋白降解是较早发生的并起着决定性作用的侵袭现象。肿瘤细胞和间质细胞需要分泌蛋白水解酶促进细胞外基质屏障的降解，以便肿瘤细胞能够成功地渗入组织内。基底膜的降解不仅仅取决于蛋白水解酶的存在量，还依赖于活化蛋白酶与其天然抑制剂的平衡。MMP和纤溶酶原激活剂都是能够调节基底膜降解的家族[26]。花青素作用的机制是，它可减少MMP和u-PA的表达[16]。

3.8诱导分化

通过诱导细胞分化为预防和治疗肿瘤提供了一个细胞特异性的方法，其毒性小于标准的放/化疗手段[28]。用花青素处理白血病细胞可诱导其分化，表现为：（一）还原型NBT增多，一种粒细胞/单核细胞分化的功能标记物；（二）细胞的粘附性增强，提示白血病细胞分化成单核细胞/巨噬细胞样表型；（三）萘酚AS-D氯乙酸被激活，一种粒细胞分化的标记物；（四）乙酸α-萘酯酶阳性细胞增多，进一步表明细胞向单核细胞/巨噬细胞系分化。花青素刺激白血病细胞分化的同时伴随着对细胞增殖的抑制作用和原癌基因c-myc的减少[9]。

4花青素的药物代谢动力学和代谢作用

Yang M[29]在其发表的一篇综述中总结了花青素在动物和人体内的生物利用度、药代动力学分布和代谢作用。Stoner G D等[30]发现，在口服黑树莓后2 h内，可检测到黑树莓中四种花青素的血浆峰值，且消除规律遵循一级动力学。在摄入黑树莓后4 h~8 h内，它们均以完整的花青素和甲基衍生物形式通过尿液排泄出去。

在体外的细胞试验中，已证实10-6M~10-4M浓度范围内的花青素能够抑制恶性细胞的生长、诱导其凋亡并调节细胞的致癌信号传导。当花青素被摄取后，它们在人体血液中可达到10-8M~10-7M的浓度水平，或远低于在体外发挥抗致癌作用所需要的水平。因此，目前还不清楚试验浓度的花青素是否足以在人体内引发抗癌作用，以及它们是以自身形式还是需要经过水解作用发挥化学预防功效[29]。

5　结论

花青素已被证实对多种肿瘤细胞和组织具有抑制活性。在体外细胞试验中检测到了花青素对肿瘤具有潜在的化学预防活性，包括清除自由基，激活解毒第二阶段相关酶类，抑制细胞的增殖，减少炎症、血管生成和侵袭的发生以及诱导分化和凋亡。花青素能够调节与功能相关的多个基因的表达和活化，包括参与PI3K/Ak、ERK、JNK与MAPK信号通路的基因。体内的研究表明，口服花青素可抑制胃肠道的癌症（GI），而局部应用的花青素则可抑制皮肤癌。药代动力学数据显示，在啮齿动物和人类体内，花青素被吸收入血的量是极小的，这表明它们在组织内几乎没有疗效，在胃肠道和皮肤因局部吸收而作用显著。因此，如要评估花青素在不同器官内的化学预防特性，应先检测其在组织内部的浓度。肠道细菌在花青素的代谢和吸收过程中的作用也应予以探究。最后，还应测定花青素的抗肿瘤功效是否取决于它们的代谢物。

虽然试验研究已经明确证实了花青素的抗肿瘤活性，但流行病学研究并没有发现花青素在人体抗肿瘤过程中的保护作用。此外，在体外细胞试验中发挥作用的花青素含量远远高于在人体血浆中被检测到的含量。因此，未来的研究旨在促进花青素及其代谢产物在人体内的吸收，这可能对其应用于肿瘤的化学预防，特别是胃肠道和皮肤以外组织的肿瘤十分必要。

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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：刘景圣（1964—），男（汉），教授，博士，研究方向：粮食深加工。

作者简介：陈文超（1987—），女（汉），硕士研究生，研究方向：食品生物化学工程与功能性食品。