大蒜素及其化合物抗肿瘤作用研究进展

夏鹏，吴发印，龙琴

(遵义医科大学第五附属(珠海)医院口腔颌面外科，广东 珠海 519100)

流行病学调查研究显示，多种癌症的发生与大蒜的摄入呈负相关[1]。大蒜素是大蒜中特有的一种含硫化合物复合体，是大蒜的主要活性化合物之一，分子式为C6H10OS2，疏水性较强，不易溶于水，但易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，可快速通过细胞膜到达细胞内，其在机体内的吸收比例可达95%[2]。大蒜素及其化合物具有抗炎、抗菌以及广泛的抗肿瘤活性[3-5]，在结肠癌、肺癌、胃癌、乳腺癌、宫颈癌等肿瘤中表现出确切的抑癌作用[6-9]。大蒜素是一种多靶点的天然抗肿瘤化合物，可通过线粒体凋亡途径作用于癌细胞，也可通过直接抑制癌细胞的侵袭和转移，使其增殖受限。随着研究的深入发现，大蒜素可通过自噬性死亡、特殊酶、重要蛋白信号、死亡受体凋亡信号以及一些关键抑癌基因使癌细胞凋亡或增殖受限[10]。在目前临床试验中，大蒜素的抗癌作用已被证实。现就大蒜素及其化合物的抗肿瘤活性及其相关机制进行综述，以期为进一步深入研发抗肿瘤活性药物提供参考依据。

1 大蒜素概述

大蒜是一种多年生草本植物，属于洋葱属。新鲜或碾碎的大蒜会释放出有机硫化合物，如蒜素、大蒜素。蒜氨酸是大蒜典型刺激性气味的来源。大蒜被切碎或碾碎时，蒜氨酸被蒜氨酸酶转化为硫代亚硫酸盐，即大蒜的主要抗肿瘤活性成分[11]。大蒜素既有脂溶性成分，也有水溶性成分。大蒜素的脂溶性成分包括二烯丙基硫、二烯丙基二硫(diallyl disulfide，DADS)和二烯丙基三硫(diallyl trisulfide，DATS)，水溶性成分包括S-烯丙基半胱氨酸、S-烯丙基巯基半胱氨酸等[12]。近年来，上述大蒜所含硫化物的多种抗癌作用受到重视，现已进行相关癌症预防试剂和抗肿瘤活性试剂的研究。

2 大蒜素抗肿瘤作用

2.1自噬作用 自噬是一种区别于凋亡的特殊细胞死亡形式。自噬是溶酶体降解细胞内成分的过程，包括隔离膜形成、核化、双膜结构延伸形成自噬小体、与溶酶体融合等一系列步骤[13]。在细胞自噬过程中，细胞质的一部分被隔离，形成一个双层结构的噬菌体，然后噬菌体以选择性或非选择性的形式吞噬需要降解的细胞质内容物，随后噬菌体逐渐成熟并形成一个封闭的自噬小体，自噬小体降解捕获的内容物。最后，降解产物通过细胞合成代谢反应被循环利用[14]。细胞在应激条件下可激活细胞的自噬机制，通过吞噬、消化和再循环促进细胞蛋白质的分解代谢，以维持细胞代谢的动态平衡[15]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是自噬发生发展过程中的中心蛋白，可调节下游底物磷酸化。大蒜素通过调控mTOR的表达使下游底物发生磷酸化，引发自噬反应，导致细胞死亡。Xiang等[16]报道，大蒜素与顺铂联合对甲状腺恶性肿瘤细胞的生长有抑制作用，大蒜素通过抑制蛋白激酶B/mTOR信号通路引发自噬依赖性细胞死亡，提示大蒜素可通过mTOR调节自噬，从而发挥抗甲状腺癌的作用。经单纯DADS处理的髓样白血病细胞的mTOR表达水平显著降低，DADS可通过mTOR通路诱导髓样白血病细胞系自噬，降低白血病细胞活力[17]。研究大蒜素单一或联合用药对癌细胞的作用，有望为癌症的治疗提供新思路。

2.2抑制端粒酶活性 端粒是位于真核细胞染色体末端的一段特殊结构，能够维持染色体的完整性，并控制细胞分裂周期。在85%的人类肿瘤细胞中端粒酶呈特异性表达，而在正常细胞中端粒酶呈低表达，故推测端粒酶可能是抑癌的理想靶点[18]。端粒酶是一种特殊的反转录复合酶，由端粒酶反转录酶、端粒酶反转录模板及相关蛋白组成。端粒酶反转录酶是主要的限速催化亚基，在正常细胞中呈低表达，在肿瘤细胞中呈高表达，端粒酶反转录酶的表达水平和端粒酶活性是端粒延长的直接影响因素[19]。端粒延长是肿瘤细胞的一个关键特征。人类正常细胞中端粒酶抑制或端粒变短均可防止细胞不受控制的增殖，而癌细胞中端粒酶活性高，故癌细胞能够无限分裂，并快速侵袭和转移[20]。大蒜素作用于端粒酶，能够抑制端粒酶活性、稳定端粒的长度，并使细胞分裂周期处于稳定分裂状态[21]。前期研究发现，大蒜素作用于人胃腺癌细胞SGC790后，呈时间剂量依赖性地抑制癌细胞增殖，并增加G2/M期细胞比例，其机制与大蒜素对端粒酶活性的抑制有关[22]。研究发现，大蒜素化合物DADS通过下调端粒酶催化亚单位端粒酶反转录酶的水平抑制端粒酶活性，导致端粒酶反转录酶启动子上相应结合位点DNA活性的降低，最终通过抑制端粒酶活性导致细胞凋亡[23]。在端粒较长和倍增时间较长的肿瘤中，延迟疗效是大部分化疗药物无效的一个重要因素，使用天然合成的大蒜素化合物抑制端粒酶活性可能是癌症治疗的新途径。

2.3调节蛋白信号

2.3.1钙网蛋白 在内质网中，钙网蛋白能够协调一些膜表面蛋白、外分泌蛋白以及内质网驻留蛋白的折叠与转运，一方面，钙网蛋白停留在内质网中协调相关蛋白的折叠与转运，使积聚的未折叠蛋白质发生折叠，从而维持细胞内环境稳定[24]；另一方面，钙网蛋白指导蛋白质和糖蛋白的正确构象，具有多种细胞功能，包括维持细胞内钙稳态、参与细胞间信号转导以及参与细胞增殖、分化、侵袭、凋亡等[25]。肿瘤细胞可通过下调促吞噬信号钙网蛋白的表达逃避免疫监视。大蒜素可增加细胞表面钙网蛋白的表达，重新激活机体的抗肿瘤免疫，从而清除肿瘤细胞[26]。Pozzi等[27]比较西妥昔单抗治疗后暴露和未暴露钙网蛋白的结肠癌细胞发现，未暴露钙网蛋白的结肠癌细胞可以逃避树突状细胞的识别和吞噬。Xie等[28]将不同浓度和作用时间的大蒜素化合物DATS作用于人骨肉瘤细胞Saos-2发现，DATS可显著上调Saos-2钙网蛋白信使RNA和蛋白的表达水平，从而改变人骨肉瘤细胞的形态，并抑制其生长。其机制可能为DATS通过拮抗细胞代谢过程中的过氧化物酶体增殖物激活受体上调细胞钙网蛋白的表达，从而促进吞噬细胞吞噬肿瘤细胞。钙网蛋白功能障碍与癌症有关，而大蒜素是少有的通过钙网蛋白机制抑制肿瘤免疫的药物，大蒜素通过调控钙网蛋白引发抗肿瘤免疫反应的具体机制仍需深入研究。

2.3.2热激蛋白 (heat shock protein，HSP) HSP是原核和真核生物中高度保守的蛋白，生理条件下一般呈低表达，当受到外界刺激时，HSP合成增加，近年其抗肿瘤免疫作用日益受到重视。HSP对细胞具有保护作用，在蛋白质折叠、维持蛋白质稳定性、维持细胞稳态和诱导细胞凋亡中起关键作用[29]。研究发现，细胞内的HSP在先天性和适应性抗癌免疫中发挥作用，提示HSP可用于癌症的免疫治疗[30]。在哺乳动物中，HSP基于分子量分为不同的类别，如HSP100、HSP70以及小型HSP(HSP33和HSP27)[31]。大蒜素可通过调节HSP的表达激活抗肿瘤免疫信号并诱导细胞凋亡[32]。Suda等[33]研究发现，大蒜素化合物DATS显著诱导了人类单核细胞系U937白血病细胞中HSP27蛋白二聚体的形成以及U937白血病细胞的凋亡，其潜在机制可能是HSP27激发了保护性抗肿瘤细胞免疫反应。研究发现，HSP在细胞膜上的暴露可能与细胞膜中脂质双层的组成相关，可通过膜脂质结构的调节或修饰调节HPS在细胞膜上的表达，进而用于癌症治疗[34]。

2.3.3微管蛋白 微管是由微管蛋白二聚体组成的中空长圆柱体，由微管蛋白α和微管蛋白β组成，微管蛋白是动态的细胞骨架丝状蛋白，在细胞内运输、细胞极性、细胞形状、有丝分裂以及基因表达等过程中发挥重要作用[35]。微管能够促进有丝分裂纺锤体和减数分裂纺锤体的形成，是细胞分裂过程的关键结构[36]。在有丝分裂过程中，微管蛋白网络重塑形成有丝分裂纺锤体，微管细丝的动态特性使染色体能够正确分离。未正确连接或分离染色体会导致有丝分裂检查点的细胞周期停滞，并可能导致细胞凋亡[37]。研究发现，大蒜素可通过作用于微管蛋白影响细胞有丝分裂[38]。Xiao等[39]在体外培养的成纤维细胞中加入大蒜素发现，大蒜素直接作用于微管蛋白二聚体，导致微管蛋白解聚，但不影响肌动蛋白骨架的形成。Prager-Khoutorsky等[40]研究发现，用大蒜素处理小鼠成纤维细胞NIH-3T3后，细胞的运动行为与微管干扰药物处理的细胞的运动行为非常相似，同时大蒜素导致纤维细胞的细胞质和纺锤形微管的快速解聚，并阻止细胞分裂，表明大蒜素可直接作用于微管，推测大蒜素可通过影响细胞微管形成抑制细胞分化、迁移和分裂。

2.4诱导细胞凋亡 细胞凋亡是由基因控制的一种细胞自主有序的死亡方式，有助于维持内环境稳定。近年细胞凋亡逐渐被人们熟知，促进癌细胞凋亡是杀死肿瘤细胞的有效方法之一，也是常见化疗药物的主要作用机制[41]。内源性线粒体途径和外源性死亡受体途径是影响细胞凋亡的两条途径，分别通过B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia-2，Bcl-2)家族(如Bcl-2、Bcl-2相关X蛋白)和肿瘤坏死因子家族(如肿瘤坏死因子受体1、Fas和肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体)转导信号，直接导致胱天蛋白酶(caspase)活化，触发级联反应，从而发挥促凋亡作用。

2.4.1内源性线粒体途径 线粒体途径始于以Bcl-2家族为代表的凋亡调节蛋白家族，是目前研究最多的细胞死亡方式。当线粒体凋亡通路启动时，Bcl-2家族的促凋亡蛋白上调并被激活，而抗凋亡蛋白表达下调。促凋亡蛋白Bcl-2相关X蛋白从细胞质转移至线粒体膜，形成跨膜孔，通透性转换孔开放，线粒体膜电位降低，导致细胞色素C(cytochrome C，Cyto C)释放。在ATP或dATP的参与下，Cyto C进入细胞质，随后与凋亡酶激活因子和其他凋亡蛋白酶激活剂结合，形成凋亡复合体。凋亡复合体通过启动caspase级联反应，切割多聚ADP-核糖聚合酶、肌动蛋白等底物，最终导致细胞死亡和溶解[42]。线粒体功能在细胞凋亡过程中发挥重要的调控作用，而大蒜素可作用于线粒体的相关信号蛋白，导致线粒体功能异常，进而诱导凋亡。Zhang等[43]报道，大蒜素可减轻脂多糖诱导的人脐静脉内皮细胞凋亡，降低内源性抗氧化酶活性。这些保护作用与大蒜素抑制线粒体功能障碍有关，表现为线粒体崩塌、Cyto C合成和线粒体ATP释放减少。Chen等[44]研究报道，大蒜素可通过下调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达上调促凋亡蛋白Bax的表达，激活caspase级联反应，从而抑制胆管癌细胞增殖，提示大蒜素能通过线粒体通路抑制胆管癌细胞的增殖和分化。线粒体可通过有氧呼吸为细胞活动提供所需要的能量和必需的营养物质。当大蒜素使癌细胞线粒体结构异常以及线粒体发生DNA突变等时可影响整个细胞的功能，从而促进癌细胞凋亡。

2.4.2外源性死亡受体途径 死亡受体途径在多种细胞的凋亡过程中发挥重要作用。死亡受体途径激活肿瘤坏死因子受体超家族中的相关死亡受体蛋白，包括肿瘤坏死因子受体1、Fas受体、肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体等[45]。死亡受体被相应配体激活后导致受体聚集、特异性死亡域蛋白招募，随后caspase-8活化。活化的caspase-8可进一步激活caspase-3和caspase-7，发挥促凋亡作用[46]。大蒜素可通过致敏死亡受体信号蛋白发挥促凋亡作用。Hwang等[47]研究发现，用大蒜素化合物DADS处理可使结直肠癌细胞系中的肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体蛋白致敏，随后caspase活化引起结直肠癌细胞凋亡。Li等[48]报道，用大蒜素处理胶质瘤细胞U251发现，死亡受体相关凋亡蛋白Fas表达升高，而抗凋亡相关蛋白Bcl-2表达下降，用大蒜素处理U251细胞可诱导外源性凋亡信号通路的激活，进而诱导癌细胞凋亡。死亡受体途径介导的细胞凋亡通路是治疗肿瘤的理想方案，但因该凋亡通路的调控机制较复杂，且存在多种抗凋亡因子，使肿瘤细胞对凋亡信号产生一定的耐受。近年研究发现，大蒜素可单独靶向死亡受体或抗凋亡因子引起肿瘤细胞凋亡[47]。细胞凋亡是经典的肿瘤细胞死亡方式，大蒜素可通过作用于细胞凋亡中的关键信号蛋白诱导caspase级联反应发生，最终发挥抗肿瘤的作用。

2.5调控癌基因表达

2.5.1微RNA(microRNA，miRNA) miRNA是一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，通过靶向信使RNA、诱导翻译抑制或RNA降解等调控基因表达，从而调节广泛的生物学过程[49]。miRNA在细胞周期、细胞凋亡等调节中发挥关键作用。大蒜素可通过调控miRNA的基因序列抑制其翻译转录，进而抑制癌细胞分裂，最终抑制癌细胞生长[50]。大蒜素可通过调控miRNA(如miR-383-5P)基因的表达序列，抑制胃癌细胞中磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号转导[7]。磷脂酰肌醇-3-激酶是一种重要的激酶，可激活蛋白激酶B，激活的蛋白激酶B通过激活下游细胞内蛋白，参与细胞的生长、增殖以及迁移等生理活动。Wang等[51]报道，大蒜素化合物DADS通过上调miR-34a抑制磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号通路，从而抑制胃癌细胞株SGC-7901细胞的侵袭并诱导其凋亡，提示miR-34a可能是DADS抗胃癌作用的潜在靶点。未来可更深层次地探究大蒜素对miRNA基因序列的影响。

2.5.2p53 p53是常见的抑癌基因之一，其主要功能是调节细胞周期和避免细胞癌变。在人类所有恶性肿瘤中，50%以上的癌细胞会出现p53基因突变[52]。p53通过翻译后修饰(磷酸化或乙酰化)作用于具有不同生理功能的下游基因[53]，翻译后修饰的功能与细胞凋亡密切相关。p53还可调控线粒体信号通路中的关键蛋白，与促凋亡蛋白家族的Bcl-xL和Bcl-2形成抑制复合物，导致线粒体膜通透性改变和Cyto C释放，诱导细胞凋亡[54]。大蒜素通过作用于p53介导的凋亡在肿瘤抑制、放化疗敏感性中发挥作用。Yang等[55]报道，大蒜素在体外对胶质母细胞瘤细胞的增殖有抑制作用，通过上调p53活性抑制细胞生长因子释放，提高胶质母细胞瘤对放疗的敏感性，诱导胶质母细胞瘤凋亡。p53作为经典的肿瘤抑制因子，对细胞各种死亡方式均有调节作用，通过翻译后修饰广泛调节p53蛋白的功能。进一步明确大蒜素调控p53发挥抗肿瘤作用的机制可为肿瘤的治疗提供新思路、新方法。

2.5.3Survivin Survivin是迄今为止发现的最强的凋亡抑制因子之一，其具有肿瘤特异性，且与肿瘤细胞的增殖分化及侵袭转移密切相关[56]。Survivin可直接作用于caspase，抑制caspase-3和caspase-7的活性，阻断细胞凋亡过程。另外，Survivin具有细胞周期依赖性，仅表达于G2/M期并可调节G2/M期进展，可与细胞周期蛋白依赖性激酶4和细胞周期蛋白依赖性激酶2相互作用，阻断凋亡信号转导通路。Survivin具有促进细胞周期进展和抑制细胞凋亡的双重作用[57]，而大蒜素可作用于Survivin抑制细胞周期进展，同时发挥凋亡作用，是一种理想的抗癌治疗靶点[58]。娄诤等[59]对大蒜素抑制白血病细胞株KG-1细胞增殖分子生物学机制的研究发现，大蒜素能够显著抑制白血病细胞株KG-1细胞的增殖，并可使KG-1细胞凋亡，其潜在机制与Survivin信使RNA表达水平降低有关。应用大蒜素阻断Survivin的表达和功能可能成为癌症治疗的策略。

2.5.4Wnt/β-联蛋白(catenin)信号 Wnt/β-catenin信号通路是一条进化上保守且功能多样的信号通路，与胚胎发育、组织内环境平衡以及多种疾病的发生有关。Wnt/β-catenin信号稳定可维持机体正常的生理活动，该通路的异常激活将导致β-catenin在细胞核内积聚，并促进c-myc和cyclinD-1等多种癌基因转录，最终导致肿瘤发生[60]。大蒜素可维持Wnt/β-catenin信号通路的稳定，甚至使Wnt/β-catenin信号的表达减少，从而发挥抗肿瘤作用[61]。研究发现，经DADS处理乳腺癌小鼠的肿瘤体积和重量显著减小，β-catenin信号表达减少，肿瘤细胞凋亡率增加[62]。Zhang等[61]报道，DATS通过抑制Wnt/β-catenin的表达抑制结直肠癌干细胞生长，而Wnt/β-catenin表达上调后，DATS对结直肠癌细胞的抑制作用减弱。此外，DATS在抑制胶质瘤细胞存活、侵袭和血管生成方面发挥作用，其潜在机制仍与抑制Wnt/β-catenin信号级联有关[63]。β-catenin的活性受多种高度调控过程的控制，而大蒜素可通过调节Wnt/β-catenin信号而发挥抗肿瘤作用，明确上述高度调控过程的具体机制，有助于确定大蒜素治疗肿瘤的关键干预信号节点。

2.6抑制血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表达 VEGF是血管生成过程中的关键介质，与肿瘤的侵袭、转移有关。通过抑制VEGF的活性可降低血管通透性，最终抑制肿瘤的生长和转移[64]。VEGF在多种肿瘤中表达，尤其在恶性程度较高肿瘤中，VEGF呈过表达[65]。大蒜素可使VEGF失活，从而抑制癌细胞的侵袭和转移[66]。Gao等[67]评估了大蒜素联合环磷酰胺治疗神经母细胞瘤小鼠的效果发现，与环磷酰胺单药治疗相比，环磷酰胺+大蒜素可改善荷瘤小鼠T细胞亚群分布并抑制VEGF表达，更好地抑制肿瘤生长。淋巴管是肿瘤细胞侵袭转移、引流淋巴结扩散到其他器官的重要通道。Wang等[68]研究发现，大蒜素具有抗淋巴管生成作用，其在体内外抑制VEGF表达，对癌细胞的侵袭、转移有抑制作用。VEGF家族及其相应受体在血管系统发育和淋巴管系统形成中发挥重要作用，大蒜素通过抑制肿瘤血管和淋巴管的新生而抑制肿瘤的侵袭和转移。

3 结 语

大蒜素是多种含硫化合物的复合体，通过多种信号通路抑制肿瘤的发生和发展。大蒜素可通过自噬作用、抑制端粒酶活性、调节蛋白信号、诱导细胞凋亡、调控抑癌基因表达、抑制VEGF表达等发挥抑制癌细胞生长的作用，为肿瘤的预防、治疗提供新的途径。目前已了解大蒜素抗肿瘤作用的多个关键信号转导通路，但由于大蒜素的剂量依赖效应、吸收方式、影响因素以及不同信号转导通路之间的相互影响，其确切的抗肿瘤作用方式尚不清楚。未来，仍需开展基于大蒜素具体剂量及有效成分的临床试验及流行病学调查研究，以明确大蒜素的功效。