植物化学物在癌症化学预防中的作用

果思伽 综述 刘家仁 审校

癌症是中国及世界范围内最严重的公共卫生问题和主要死亡原因之一。据报道，2015年在中国有预计429.2万新发癌症病例和281.4万癌症死亡病例，其中以肺癌最为常见，其次是消化道肿瘤如胃癌和食管癌等[1]。癌症的病因还未完全清楚，虽然各种癌症疗法包括药物靶向治疗可以改善癌症患者的生存质量和生存期，但是晚期转移癌仍然很难治愈。寻找癌症有效的防治手段，特别是癌症预防是目前当务之急。多数癌症可以通过改变行为习惯进行预防，如健康的饮食习惯可以降低癌症发生风险[2]。癌症化学预防目前已经引起科学家和学者的广泛关注和研究。

癌症化学预防指使用药剂或天然植物化学物来抑制、延缓或逆转肿瘤的发生发展[3]。通过大量的流行病学和实验室研究表明，水果、蔬菜和谷物中的植物化学物在癌症的化学预防中起到越来越重要的作用[4-9]。因此，本文将对天然存在的主要植物化学物在癌症化学预防中的作用及其可能机制进行综述。

1 与癌症预防有关的主要植物化学物

1.1 类胡萝卜素

类胡萝卜素是具有抗氧化特性的脂溶性天然色素，主要包括β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、番茄红素和叶黄素等，已经显示出多种抗癌活性[10-11]。如叶黄素是有效的抗氧化剂，对氧化应激和炎症性疾病起到保护作用[12]。β-紫罗兰酮是β-胡萝卜素的端环类似物，作为环状类异戊二烯化合物(含有共同的前体物质-甲羟戊酸)的代表，广泛分布于植物的次级代谢产物中[5]。β-紫罗兰酮可以抑制多种肿瘤细胞的生长如乳腺癌、胃癌和结肠癌等，因而显示出很强的抗癌活性[13-16]。

1.2 酚类化合物

酚类化合物根据结构不同可以被分为4大类，即单酚、多酚、芳香酸和酪醇酯。据报道[17]，大多数植物单酚和多酚都可以通过抑制血管的生成等途径来抑制癌症的发生发展。

黄酮类化合物(Flavonoids)是具有抗氧化活性的酚类化合物，主要来源于水果、蔬菜、谷物和其他植物性食物。根据结构不同可以将其分类为黄酮醇、黄酮、黄烷醇、黄烷酮、花青素和异黄酮等[18]，例如槲皮素(Quercetin)是一种主要存在于苹果和洋葱中的黄酮类化合物，摄入后在胃肠道中被水解和吸收，表现出多种生物活性，如抗氧化、抗炎和抗癌等[19]。姜黄素(Curcumin)来源于姜黄草的根茎，是一种可以抑制炎症和多种肿瘤细胞生长的疏水性多酚[20]。由于其共轭双键的存在，姜黄素作为有效的电子供体，可以灭活活性氧等生物活性物质，而表现出抗氧化活性[21]。白藜芦醇(Resveratrol)是一种天然的二苯乙烯，是另一种非黄酮类的多酚植物化合物。主要存在于葡萄、蓝莓、桑椹和花生中，通常以顺式和反式异构体形式存在，具有抗糖化、抗氧化、抑制炎症和抗肿瘤等作用[22]。

1.3 有机硫化合物

有机硫化合物是指分子中含有硫化物的有机化合物，主要存在于葱属类蔬菜，如大蒜、洋葱、韭菜和香葱等。有机硫化合物主要包括蒜氨酸(Allicin)、二烯丙基硫化物(DAS)、二烯丙基二硫化物(DADS)等，通过调节各种信号通路来抑制肿瘤的发生发展[23-24]。其中DADS是从大蒜中分离出来的挥发性淡黄色液体，由大蒜素分解后而产生，具有抗氧化活性和多种抗癌活性[25]。

1.4 生物碱

生物碱是一类含有氮和杂环的植物化学物质，主要通过调节多种细胞信号通路来抑制肿瘤发生发展[26]。例如α-茄碱是甾体类生物碱的一种成分，主要存在于马铃薯块茎或茄属植物中，可对多种癌细胞的增殖、侵袭、转移和凋亡产生影响[27]。

2 植物化学物预防肿瘤作用的可能机制

2.1 抗氧化作用

生物体正常功能主要依赖于细胞氧化还原反应过程，这一过程涉及到氧化剂和抗氧化剂之间的调节平衡。植物化学物可通过非酶促机制和清除自由基来避免对生物大分子如核酸、蛋白质和脂质等的氧化损伤，从而达到预防肿瘤的作用[28]。在腹水瘤小鼠模型中[29]，苋菜叶乙醇提取物通过增加抗氧化酶系统如CAT和SOD等功能来对抗小鼠的氧化应激状态，从而抑制肿瘤的生长并延长小鼠的生存期。有研究报道，100 g鲜苹果提取物的总抗氧化能力相当于1.5 g维生素C的抗氧化能力，而且还显著地抑制结肠癌Caco-2细胞和HepG2细胞增殖[30]。在大鼠乳腺癌模型中，鲜苹果多酚提取物也显著地抑制由二甲基苯并蒽(DMBA)诱导大鼠乳腺癌的形成，呈现明显的剂量-反应关系[6]。在另一个大鼠乳腺癌模型中，β-紫罗兰酮饮食可以增加血浆酶抗氧化剂(SOD，GP-x和GR)和非酶抗氧化剂(GSH)水平，从而减少氧化应激反应，来抑制DMBA诱导的乳腺癌发生[13]。在大鼠胃内给予红松种子多酚提取物可增加SOD和GSH的水平，并降低丙二醛(MDA)含量，从而抑制γ射线引起的氧化损伤作用[31]。

2.2 阻滞肿瘤细胞周期

Shin等[32]发现大蒜提取物以剂量依赖的方式抑制膀胱癌细胞的增殖，其细胞周期被阻滞在G2/M期，并伴有细胞周期蛋白Cyclin B1的表达下调。Khan等[33]发现用芦丁(Rutin)处理人宫颈癌C33A细胞可诱导其细胞周期阻滞在G0/G1期，激活Caspase-3，进一步引发细胞凋亡。甘草中的黄酮类化合物LCC以剂量和时间依赖性抑制食管癌ESCC细胞的增殖，将其周期阻滞在G1期，并诱导Cyclin D1表达降低以及P21和P27水平的增加[34]。红树莓提取物不仅以剂量依赖方式诱导肝癌SMMC-7721细胞周期停滞在S期，也下调Cyclin A及CDK2的表达，进而抑制肝癌细胞增殖[35]。β-紫罗兰酮也是通过将胃癌SGC-7901细胞周期阻滞在G0/G1期和下调细胞周期蛋白B1和D1、Cdk4和P27来抑制SGC-7901细胞增殖和DNA合成[15]。在苹果多酚提取物降低大鼠乳腺癌形成的模型中，苹果多酚不仅抑制乳腺肿瘤细胞的增殖细胞核抗原(PCNA)的表达，而且还呈剂量-反应性地抑制Cyclin D1的表达[6]。同样在β-紫罗兰酮抑制大鼠乳腺癌形成的模型中，β-紫罗兰酮不仅以剂量依赖性降低乳腺肿瘤细胞的PCNA蛋白的表达，而且影响乳腺肿瘤细胞表达Cyclin D1。这些结果表明，植物化学物对肿瘤细胞增殖的抑制，主要是通过阻滞肿瘤细胞周期来实现的。因此，植物化学物预防肿瘤的发生发展，离不开对肿瘤细胞的细胞周期的调控。

2.3 诱导肿瘤细胞产生凋亡

来自大蒜的主要生物活性成分DADS可通过抑制乳腺癌TNBC细胞β-catenin信号途径来降低Bcl-2蛋白表达并增加Bax的表达，诱导细胞产生凋亡并抑制增殖[36]。经槲皮素处理后可通过诱导凋亡来抑制黑色素瘤A375SM细胞增殖，DAPI染色显示染色质浓缩的细胞凋亡也呈剂量依赖性增加，且相关蛋白如Bax、P-JNK、P-p38和P-ERK1/2的表达增加，及Bcl-2表达降低[37]。有研究发现[14]，经AO/EB染色或PI/FITC-Annexin V染色后β-紫罗兰酮处理的胃癌SGC-7901细胞中早期凋亡和晚期凋亡细胞比例明显地增加，这不仅引起Bax/Bcl-2的比例增加，也活化Cleaved-caspae-3蛋白；在乳腺癌MCF-7的细胞中，β-紫罗兰酮也呈剂量依赖方式抑制PCNA和Bcl-2蛋白表达，并诱导癌细胞凋亡[38]。红树莓多酚提取物显著抑制由二乙基亚硝胺(DEN)诱导的大鼠肝损伤，并通过诱导肝肿瘤细胞凋亡来抑制肝细胞肿瘤的发生[4，39]。曼越橘多酚提取物能够抑制胃癌SGC-7901细胞的增殖和裸鼠SGC-7901细胞移植瘤的生长，其原因不仅是抑制移植瘤细胞中的PCNA蛋白的表达，也可能是诱导移植瘤细胞产生凋亡[40]。同样苹果多酚提取物抑制大鼠乳腺癌的发生，不仅是通过抑制乳腺肿瘤细胞PCNA和Bcl-2蛋白的表达，而且是诱导凋亡并促进Bax蛋白表达来实现的[6]。因此，植物化学物诱导肿瘤细胞产生凋亡在预防肿瘤的发生和发展中起着很重要的作用。

2.4 抑制NF-κB等炎性途径

前炎性核因子κB(NF-κB)是参与先天免疫和炎症的重要分子之一，并已成为内源性肿瘤启动子之一。炎症和癌症可以诱导NF-κB二聚体由细胞质转移至细胞核，触发下游靶基因表达，从而抑制细胞凋亡。因此抑制NF-κB的激活就可以抑制大多数肿瘤的增殖[41]。姜黄素可以通过抑制IKK激活和IκBα降解来阻止NF-κB核易位，从而抑制由自分泌生长激素诱导的乳腺癌细胞的侵袭和转移[42]。姜黄素也可以抑制人甲状腺癌细胞中NF-κB活性，并增加甲状腺癌细胞中再分化标志物的表达，从而诱导肿瘤细胞产生凋亡[43]。姜黄素对前列腺癌细胞也表现出类似的抑制作用[44]。姜黄素中的另一种植物化学物质Calebin A通过Cys38S直接结合在NF-κB的P65亚基中来抑制NF-κB活性，进一步诱导癌细胞凋亡[45]。作为维生素E的异构体-生育三烯酚(γ-T3)能够抑制NF-κB活性，进而抑制胃癌SGC-7901细胞和MGC-803细胞增殖，这是通过降低ATM蛋白的磷酸化和增加PP2A活性实现的[9]。Wu等[46]发现槲皮素和白杨素(Chrysin)通过下调TLR4/MyD88/NF-κB信号通路来抑制促炎性细胞因子的产生及人肺癌细胞的侵袭和迁移。此外，白藜芦醇通过下调TNF-β水平和抑制P65和IκBα磷酸化，抑制NF-κB的激活，从而抑制结肠癌HCT116细胞增殖[47]。

2.5 抑制环氧合酶2(COX-2)基因表达

COX-2是前列腺素H合酶的同工型，是介导花生四烯酸合成前列腺素的关键酶，在一些肿瘤中过度表达，例如COX-2在胃癌中出现过表达，通过抗凋亡作用，增加肿瘤细胞侵袭性来诱导癌变发生[48]。但通过植物化学物质如芹菜素来抑制COX-2水平，可以降低小鼠皮肤肿瘤模型中肿瘤的发生数量和发生率[49]。Dash等[50]采用分子对接检测方法发现12种黄酮类化合物均对COX-2酶活性位点具有显著的结合亲和力，提示黄酮类化合物通过抑制COX-2基因转录活性来抑制肿瘤发生。木瓜黄烷醇(JQFFP)能显著抑制结肠癌SW-480细胞中COX-2、MMP-9、NF-κB的表达及P65磷酸化，从而抑制肿瘤细胞增殖和侵袭[51]。经番茄红素处理后的胃癌AGS细胞内和线粒体ROS水平降低，导致P-EGFR、P50和COX-2表达降低及Bax/Bcl-2比值的增加，进一步诱导肿瘤细胞凋亡[52]。另外，γ-T3显著抑制胃癌SGC-7901和MGC-803细胞的侵袭和迁移主要是通过下调COX-2基因表达来实现的[53]。在PMA诱导的COX-2细胞模型中，β-紫罗兰酮也显著地降低胃癌SGC-7901细胞中COX-2蛋白的表达及PEG2的分泌水平，并已通过体内试验给予验证[16]。由此可见，植物化学物预防肿瘤的发生发展，也可以通过下调COX-2基因的表达来实现。

2.6 影响细胞信号途径

黄酮类物质LCC可通过激活ROS/MAPK信号通路诱导食管癌ESCC细胞凋亡并激活JNK/P38信号通路导致线粒体功能障碍[34]；红树莓提取物能够抑制肝癌HepG2和Huh7细胞增殖，主要是通过调节PTEN基因启动子的甲基化状态，下调DNMT1表达，进一步调控AKT信号通路，从而增加磷酸酶和紧张素同源物来实现的[54]。和厚朴酚(HNK)是通过激活miR-34a和抑制WNT/MTA1/β-catenin途径，来抑制饮食诱导的肥胖高瘦素血症小鼠乳腺肿瘤的生长[55]。大蒜中的DADS通过下调LIMK1和Cofilin1磷酸化，影响Rac1-Pak1/Rock1-LIMK1途径来抑制胃癌MGC-803细胞的增殖和侵袭[56]。姜黄素抑制肝细胞癌调节因子-UNC119来阻断Wnt/β-catenin信号转导途径和TGF-β/EMT途径，从而影响肝癌细胞增殖、迁移和侵袭[57]。姜黄素和儿茶素(EGCG)的组合施用可通过阻断JAK/STAT3/IL-8信号通路来抑制结直肠癌PDX小鼠模型中肿瘤生长和血管生成，其联合抗血管生成作用优于二者单独使用[58]。白藜芦醇也是通过分别调节PTEN/PI3K/Akt和Wnt/β-catenin信号途径来抑制人结肠癌HCT116细胞的增殖及其裸鼠移植瘤的生长[59]。β-紫罗兰酮抑制胃癌SGC-7901细胞的增殖和DNA合成，也是通过影响MAPK途径和PI3K-AKT途径来实现的[14-15]。因此，细胞信号途径的活化或抑制也是植物化学物预防肿瘤发生的关键途径。

2.7 其他

四种类型葡萄多酚提取物可抑制人脐静脉内皮HUVEC细胞的血管形成和MMP-2分泌，提示葡萄多酚提取物通过抑制血管形成机制来达到肿瘤预防的目的[60]。在大鼠肝癌模型中，红树莓多酚提取物不仅降低大鼠血清中肿瘤特征标志物[4]，而且还抑制肝肿瘤细胞中VEGF蛋白的表达，从而抑制大鼠肝肿瘤的发生[39]。在CD1胸腺裸鼠模型中，藏红花素和藏花酸对人前列腺癌细胞异种移植瘤的生长具有明显地抑制作用，可能是通过下调MMP-2、MMP-9、尿激酶表达和前列腺特异性抗原(PSA)活性来实现的[61]。

3 小结与展望

根据已有流行病学研究和大量实验室研究数据表明，约有35%的人类癌症发生可以通过饮食调整进行预防[62]，这种预防作用归功于饮食中具有生物活性的植物化学物质。随着科学的进步和研究的进展，将会有越来越多的植物化学物应用于生活各个方面，特别是癌症的化学预防方面[63]。因此，植物化学物的癌症化学预防将是降低人类癌症发生发展的一项积极的、有效的和主动的措施。