基于细胞信号通路研究牛蒡子苷元抗肿瘤作用机制进展

张 淼，魏俊雯，马克龙,2

(1.安徽中医药大学中西医结合学院，安徽 合肥 230012； 2.安徽省中医药科学院中西医结合研究所，安徽 合肥 230012)

牛蒡子又称为鼠粘子、黍粘子、大力子，为菊科两年生草本植物牛蒡属牛蒡(ArctiumlappaL.)的干燥成熟果实，具有疏风散热、利咽抗毒、宣肺平喘等功效[1]。牛蒡子苷元是从牛蒡子中分离出来的一种木脂素类化合物，化学名称为(3R,4R)-4-[(3,4-二甲氧基苯基)甲基]二氢-3-[(4-羟基-3-甲氧基苯基)甲基]-2(3H)-呋喃酮，分子式为C21H24O6[2]。由于牛蒡子苷元的抗肿瘤作用具有广谱、低毒、不良反应小等特点，许多学者对牛蒡子苷元的抗肿瘤作用进行了广泛而深入的研究。迄今发现牛蒡子苷元对肿瘤细胞具有周期阻滞、凋亡诱导、直接细胞毒和多药耐药逆转等作用。其中牵涉的信号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)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)、哺乳动物雷帕霉素靶点(mammalian target of rapamycin，mTOR)、表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)和转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，它们均为肿瘤生物学的经典信号通路的关键分子。现对近年来牛蒡子苷元抗肿瘤作用机制中细胞信号通路研究的新进展予以综述。

1 牛蒡子抗肿瘤活性成分

牛蒡子含有木脂素类、萜类成分、挥发油等化学成分，木脂素类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]。许多研究表明牛蒡子苷元的药理作用强于牛蒡子苷，是牛蒡子的直接有效成分，具有抗炎、抗病毒和抗肿瘤等多种生物学作用[4]。众多研究发现牛蒡子苷元对肺癌、胰腺癌、乳腺癌、肝癌和结直肠癌等多种肿瘤均具有抑制作用。王焕勤等[4]发现牛蒡子苷元可显著抑制肺癌细胞H460的增殖。Tezuka等[5]证实在营养缺乏培养基中牛蒡子苷元可有效杀伤人胰腺癌PANC-1细胞。张和平等[6]发现牛蒡子苷元能显著抑制高转移结直肠癌SW480细胞的侵袭和转移。王潞等[7]研究表明牛蒡子苷元可诱导白血病细胞HL-60和K562细胞凋亡。

基于牛蒡子苷元明显的肿瘤抑制作用，一些研究者对牛蒡子苷元的分子结构进行修饰改造，以期提高其水溶性和肿瘤抑制效果。Cai等[8]用甘氨酸、α-丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸合成了牛蒡子苷元的5种氨基酸衍生物，其中牛蒡子苷元8和牛蒡子苷元10在肝癌H22移植瘤小鼠中均表现出比牛蒡子苷元更强的抗肿瘤活性。Chen等[9]研究显示，从与牛蒡子苷元羧酸的回流反应中获得的6种新的牛蒡苷元单酯衍生物中，牛蒡子苷元6显著改善白细胞介素-2(interleukin-2, IL-2)、白细胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、干扰素-γ(interferon-γ，IFN-γ)和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)水平，在肝癌细胞H22中表现出更强的抗肿瘤活性。Ikeda等[10]根据剂量限制性毒性和药物动力学的频率得出GBS-01(牛蒡子提取物)的最大剂量，随后在Ⅰ期临床实验中对15例患者进行治疗研究，证实GBS-01可提高胰腺癌吉西他滨的疗效，且无明显不良反应。综上所述，牛蒡子苷元是牛蒡子抗肿瘤作用的主要活性物质。

2 牛蒡子苷元抗肿瘤作用机制及相关信号转导通路

肿瘤的发生发展是多基因、多因素、多途径的过程，其中细胞生长失调是一个重要因素，而细胞生长失调又是以信号转导紊乱为特征。牛蒡子苷元作为抗肿瘤剂，通过多条信号通路调控肿瘤细胞的增殖[11]，诱导细胞凋亡[12]，直接杀伤肿瘤细胞[13-14]和逆转多药耐药作用[15]等细胞生物学过程(表1)，而这些信号通路中的关键分子正是肿瘤治疗研究和抗肿瘤药物研发的靶点。

表1 牛蒡子苷元抗肿瘤作用的分子机制

2.1 PI3K/Akt信号通路 PI3K/Akt信号通路作为细胞内重要的信号转导通路之一，过度激活会引起肿瘤细胞的生长、增殖和转移，并促使其产生耐药。有研究发现牛蒡子苷元可抑制由葡萄糖饥饿诱导激活的Akt途径[16]，这是肿瘤细胞能够忍受葡萄糖缺乏的主要途径。Wang等[17]研究了牛蒡子苷元与槲皮素联合抑制前列腺癌的抗增殖作用，证实牛蒡子苷元抑制雄激素依赖性LAPC-4细胞增殖。与对照组相比，联合用药组能够抑制雄激素受体、PI3K/Akt和STAT3通路激活，并且下调致癌的miR-21、miR-19b和miR-148a表达。Maxwell等[18]使用雌激素受体(estrogen receptor，ER)阳性的MCF-7细胞和ER阴性的MDA-MB-231细胞研究牛蒡子苷元对乳腺癌转移的影响，发现牛蒡子苷元能抑制乳腺癌细胞内Akt、核转录因子-kappa B(nuclear factor-kappa B，NF-κB)、MAPK、细胞外调节蛋白激酶-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信号通路 MAPK信号通路调节细胞增殖、分化和凋亡等多种生物学过程，在肿瘤发生过程中发挥至关重要的作用。Hsieh等[19]研究证实，牛蒡子苷元抑制人乳腺癌MDA-MB-231细胞增殖，其机制在于牛蒡子苷元能促进p38 MAPK激活，上调组蛋白H3K9甲基化，促使B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2， Bcl-2)基因的表达下调，进而诱导MDA-MB-231细胞凋亡。Li等[20]发现牛蒡子苷元可使人结肠癌HT-29细胞内活性氧(reactive oxygen species，ROS)的增加，引起p38 MAPK的激活和线粒体膜电位的变化，进而导致细胞凋亡。Lu等[21]在研究猪肺泡巨噬细胞株(3D4/21)和原代猪肺泡巨噬细胞过程中发现，牛蒡子苷元能显著刺激TNF-α和TGF-β1的分泌表达，提高细胞内ROS水平，通过Toll样受体6(toll like receptor 6, TLR6)NADPH氧化酶2(NADPH oxidase 2，NOX2)-MAPK通路提高巨噬细胞的免疫功能。Han等[22]证实牛蒡子苷元通过内源性凋亡途径的MAPK信号通路，降低N-钙黏蛋白、波形纤维蛋白、β-连环蛋白和转录因子Snail的表达，从而诱导CT26细胞的细胞周期停滞和凋亡，并且在实验性转移模型中证实牛蒡子苷元通过介入MAPK信号通路显著抑制CT26细胞的转移。

2.3 VEGF/VEGFR信号通路 肿瘤的生长和转移在很大程度上依赖于血管生成，阻断肿瘤组织的血液供应可抑制实体瘤的恶化。Gu等[23]研究发现牛蒡子苷元可抑制人微血管内皮细胞的增殖，减少结肠癌CT26细胞内丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶Akt的磷酸化，下调血管内皮生长因子受体-2(vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR-2)和增殖细胞核抗原的表达，进而抑制血管生成。Lou等[24]研究发现，牛蒡子苷元对乳腺癌MDA-MB-231细胞有明显的增殖抑制和凋亡诱导作用。牛蒡子苷元可下调基质金属蛋白酶-2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)、MMP-9和乙酰肝素酶的表达水平，且这种作用很可能是通过干扰VEGF信号通路实现的。Pu[25]应用免疫组织化学方法检测32例口腔鳞状细胞癌组织和20例癌旁组织中VEGF的表达，采用HSC-3细胞株制备人口腔鳞状细胞癌裸鼠移植瘤模型，观察移植瘤生长及移植瘤组织中VEGF表达的变化。结果发现牛蒡子苷元能下调VEGF的表达，抑制口腔鳞状细胞癌的生长。Wang等[26]通过对雄激素敏感的LNCaP细胞、人前列腺癌LAPC-4细胞、恶变前的WPE1-NA22细胞以及异种移植小鼠模型的研究发现，牛蒡子苷元可以通过抑制VEGF、表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)和成纤维细胞生长因子β(fibroblast growth factor β, FGF-β)的表达而在体内外抑制前列腺癌细胞的增殖。

2.4 JAK-STAT3信号通路 JAK-STAT信号通路是体内多条致癌性信号传导通路汇聚的焦点。正常情况下，STAT3的激活是短暂且受严格控制的，但在多种肿瘤细胞中STAT3蛋白表现为持续性激活。Yao等[27]研究发现，牛蒡子苷元通过抑制Src、JAK1和JAK2抑制STAT3酪氨酸磷酸化，同时通过抑制ERK活化阻碍STAT3丝氨酸的磷酸化。并且，牛蒡子苷元能上调蛋白酪氨酸磷脂酶SHP-2的表达，进而下调STAT3的调控基因cIAP2、Bcl-2和Mcl-1的表达水平。该研究还发现牛蒡子苷元对顺铂诱导的癌细胞死亡有显著的促进作用，通过抑制STAT3信号通路增强癌细胞对顺铂的敏感性。Feng等[28]研究证实，牛蒡子苷元通过破坏DNA和STAT3之间的氢键连接以抑制STAT3与基因组DNA的结合，从而抑制三阴性乳腺癌细胞TNBC增殖，诱导细胞的凋亡。此外，牛蒡子苷元可增强紫杉特尔诱导的TNBC细胞毒性，而TNBC细胞移植瘤实验也证实牛蒡子苷元在体内的抗肿瘤作用。因此，牛蒡子苷元能抑制STAT3与DNA结合，是STAT3的新型抑制剂。

2.5 mTOR信号通路 mTOR属于磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶(phosphatidylinositol 3-kinase-related kinase，PIKK)蛋白家族，在调节细胞生长、增殖和周期等多方面起到重要作用。Maxwell等[29]证实牛蒡子苷元抑制ER阳性乳腺癌细胞内mTOR通路，降低ER的表达，导致细胞自噬性死亡。Wu等[30]深入研究ER的潜在机制时发现雌激素受体β(estrogen receptor β，ERβ)的特异性拮抗剂PHTPP或小干扰RNA(small interfering RNA, siRNA)在Th17极化条件下明显降低牛蒡子苷元对T细胞和原代CD4+T细胞中TGF-β1活化的抑制作用，提示牛蒡子苷元以ERβ依赖性方式起作用，选择性抑制ER，限制mTORC1的激活。

2.6 Wnt/β-catenin信号通路 Wnt/β-catenin信号通路是一条在生物进化中极为保守的通路，其不仅在胚胎发育调控中具有至关重要的作用，而且与肿瘤的产生和发展密切相关。Zhang等[31]运用二维电泳色谱质谱联用的蛋白组学技术证实牛蒡子苷元通过介导Wnt/β-catenin通路而抑制结直肠癌HCT116细胞的转移和血管生成。Lee等[32]以人乳腺癌MCF-7和MDA-MB-231细胞为研究对象，发现牛蒡子苷元能够通过调节β-连环蛋白的表达而诱导ER阳性细胞MCF-7凋亡。Yoo等[33]进一步证实，牛蒡子苷元能抑制人结肠癌SW480细胞增殖，诱导其凋亡，使该细胞阻滞于S期和G2期。进一步研究发现，牛蒡子苷元下调结直肠癌细胞CCND1、survivin和CTNNB1基因的表达，表明牛蒡子苷元可能是通过调控相关蛋白的表达抑制Wnt/β-catenin信号通路，进而抑制人结肠癌SW480细胞的生长并诱导凋亡。

2.7 其他 EGFR也被称作HER1、ErbB1，是上皮生长因子细胞增殖和信号传导的受体。在许多实体肿瘤中存在EGFR的高表达或异常表达。EGFR与肿瘤细胞的增殖、血管生成、肿瘤侵袭、转移及细胞凋亡的抑制有关。Zhang等[34]研究发现，牛蒡子苷元通过干扰RAF-MEK-ERK途径和抑制EGFR信号通路来促进膀胱癌细胞的老化。TGF-β与细胞膜上的转化生长因子β受体(transforming growth factor β receptor，TβR)结合后可通过Smad蛋白介导细胞的信号的转导，即TGF-β/Smad信号通路，它与肿瘤的发生发展密切相关。。近年来的研究结果证实，牛蒡子苷元可通过TGF-β/Smad发挥抗肿瘤作用。Xu等[35]研究发现，牛蒡子苷元抑制TGF-β3的磷酸化和smad2/3的转录活性，降低N-钙黏蛋白和提高E-钙黏蛋白的表达水平，进而抑制肺癌转移。

3 结语

牛蒡子苷元的广谱、低毒性和对肿瘤细胞特异性的抑制作用使得牛蒡子苷元成为一个值得开发的新型抗肿瘤药物，受到了国内外研究者的广泛关注。牛蒡子苷元通过PI3K/Akt、MAPK、VEGF/VEGFR、JAK-STAT3、mTOR、Wnt/β-catenin和TGF-β/Smad等信号通路而抑制肿瘤细胞增殖、迁移和转移。这些信号通路之间并非孤立，而是彼此联系，相互作用，呈网络式调节作用，这也给研究带来了极大的困难。目前，牛蒡子苷元抗肿瘤作用的机制研究还处在探索阶段。今后应利用各种新的研究技术和研究手段，进一步阐释牛蒡子苷元抗肿瘤作用机制，为其将来在临床应用奠定基础。