中医药调控TGF-β/Smad/MMP轴干预非小细胞肺癌的研究进展*

曾崎冈,戴 勇,魏成功

(广东省中西医结合医院呼吸与危重症医学科,广东 佛山 528200)

肺癌是目前全球发病率和病死率增长极快的恶性肿瘤之一[1]。目前针对肺癌的治疗手段包括手术、放疗、化疗、靶向和免疫治疗,临床治疗效果较好[2]。然而,由于我国肺癌患者基数较大,部分患者手术治疗条件欠缺,导致治疗延迟、加快肿瘤进展,还有部分患者虽然接受了手术或放疗、化疗等,但肿瘤仍多处转移而预后不佳[3]。近年来,中医药的抗肿瘤作用已逐渐在全球范围内得到认可和推广,大量研究也已证实中药单体及复方对肺癌具有独特的抗肿瘤作用[4]。最新研究证实,中药单体成分可通过干预转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)/ Smad(small mothers against decapentaplegic, Smad)/基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)轴上皮间质化进程逆转TGF-β1和上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)标志性蛋白分子的异常表达,因此,针对TGF-β/Smad/MMP轴信号通路或为抑制EMT进程提供了新的干预靶点[5]。笔者基于TGF-β/Smad/MMP轴调控在肺癌发生、发展过程中对肿瘤微环境的影响,以及调控肿瘤细胞上皮间质化改变等机制,探讨中医药通过调控TGF-β/Smad/MMP轴抑制肿瘤细胞增殖和侵袭、抗血管生成、抗转移等方面的研究进展,并综述如下。

1 TGF-β/Smad/MMP生物轴调控

TGF-β是在体细胞组织发育和稳态过程中至关重要的细胞因子,其下游信号传导调控着肿瘤进展[6]。TGF-β家族可进一步划分为两大亚家族:TGF-β配体和骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)配体。TGF-β信号传导受配体、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶诱导,并与其同源细胞膜受体结合[7]。细胞膜受体分为Ⅰ型或Ⅱ型受体,其中Ⅱ型受体主要是组成性激活受体。配体结合后,TGF-β与Ⅰ型受体接近并进行磷酸化激活,其后TGF-β才能进一步发挥其生物学效应,并通过活化下游的经典Smad通路调控靶基因的转录[8]。在经典信号传导中,受体激活并诱导Smad的C端磷酸化,磷酸化的Smads与其共介质Smad、Smad4形成复合物,同时该复合物易位转移到细胞核中,在细胞核中复合物与基因的特定启动子相结合,进而控制着数百个基因的转录调控。Smads还能特异性激活编码抑制性Smads(Smad6、Smad7等)基因转录,并启动负反馈环抑制信号传导进行相应调节[9]。

MMP是一类因需要Ca2+等金属离子作为辅助因子的蛋白质家族,MMP家族共同参与细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的重塑,在组织发育和维持稳态中有一定的作用[10]。MMP家族目前已有28个成员被鉴别发现,为MMP1-28,同时根据作用底物及片段同源性的不同,将MMP分为胶原酶、明胶酶、基质降解素、基质溶解素、膜型MMP和其他分泌型MMP 6类[11]。MMPs在多种类型的癌症中表达,并通过调节信号转导和肿瘤微环境参与肿瘤发生、发展、侵袭和转移的病理过程[12]。MMPs的高表达通常与大多数癌症如结直肠癌、肺癌、乳腺癌、卵巢癌、胃癌等的生存率降低有关[13-15]。MMPs在各型肺癌的侵袭转移中起重要作用,其在各型肺癌中的表达均有明显增加。目前研究发现, MMP-2和MMP-9能够降解基底膜中的Ⅳ型胶原,是研究最广泛的金属蛋白酶,与各种癌症患者的疾病进展和生存率降低相关[16]。

MMP-9和MMP-2作为目前研究最为充分的两种金属蛋白酶,研究较为清晰广泛[17]。研究发现,这两种MMP可通过切割未激活的TGF-β前体并产生不同的TGF-β蛋白水解切割产物,从而影响并调节TGF-β活化水平,影响其下游信号因子产生[18]。MMP-9还可以通过特异性结合CD44,产生降解纤连蛋白效应,从而激活、释放TGF-β[19]。癌细胞中MMP-9、MMP-2等表达水平不仅影响TGF-β蛋白水解水平,还影响TGF-β和TGF信号通路下游物质的表达。目前有研究在对乳腺癌中MMP-9和TGF信号通路之间的关系进行探索时发现,乳腺癌细胞中MMP-9过表达不仅显著上调了Smad2、Smad3和Smad4等的表达,还增强了SMAD2的磷酸化,从而促进乳腺癌细胞增殖与侵袭能力[20]。

2 TGF-β/Smad/MMP生物轴对非小细胞肺癌作用机制

2.1 TGF-β/Smad/MMP生物轴调节肺癌细胞迁移和增殖

TGF-β/Smad/MMP轴对实体肿瘤和部分血液系统肿瘤的迁移、增殖有重要作用。SONG P等[21]研究发现,双酚S(BPS)可以通过ERK1/2介导的TGF-β/Smad2/3通路的激活来触发非小细胞肺癌细胞的体外迁移,只有靶向抑制TGF-β才能阻断BPS诱导的细胞迁移。Da等[22]发现,川陈皮素在体外可显著抑制TGF-β1诱导的EMT、迁移、侵袭和黏附,同时降低MMP-2、MMP-9等表达,其机制主要是通过抑制TGF-β1/Smad3信号通路来限制相关EMT关键因子的表达。Lian等[23]发现,Smad7激动剂亚麻酸和Smad3抑制剂柚皮素联合治疗机制即通过靶向调控TGF-β/smad信号通路改变MMP2转录、翻译后激活和功能,抑制黑色素瘤和肺癌的侵袭和转移。Smad3分别通过与MMP2的5′UTR和TIMP2的3′UTR结合,作为MMP2的转录激活因子和金属蛋白酶-2组织抑制剂(TIMP2)的转录抑制因子发挥作用。柚皮素处理后能够显著抑制Smad3介导的MMP2转录,同时增加TIMP;而亚麻酸则可显著增强Smad7表达,从而抑制TGF-β/Smad3信号通路,并通过靶向核因子κB (NF-κB)-1型MMP(MT1-MMP)轴激活MMP2。

2.2 TGF-β/Smad/MMP生物轴调节肺癌细胞黏附

细胞黏附与上皮间质转化后癌细胞的侵袭和转移能力高度相关,使其在多种肿瘤中均有重要的预后意义。王胜等[24]采用RT-PCR法检测肺癌细胞株及人胚肺成纤维细胞中miR-424的表达,结果发现,在肿瘤细胞株中miR-424表达量明显升高,而下调miR-424表达后能通过抑制TGF-β1/Smad3信号通路进而抑制A549细胞黏附水平,从而抑制肿瘤细胞迁移能力。王进[25]研究认为,长期香烟烟雾暴露能够诱导肺泡细胞发生恶性转化,使肺癌细胞成瘤性、迁移能力和上皮间质转化能力明显增强;miR-106b/miR-93在吸烟所致恶性转化细胞和肺癌组织中的表达显著增高,且其靶基因Smad7表达显著降低;Smad7高表达在不吸烟非小细胞肺癌患者中具有很好的预后,且与包括TGF-β/Smad/MMP在内的肿瘤发生发展相关多个信号通路显著相关。

2.3 TGF-β/Smad/MMP生物轴调节肺癌细胞转移

研究[26]发现,TGF-β/Smad级联在骨肉瘤转移进展中起着至关重要的作用,常山酮可通过诱导Caspase-3依赖性细胞凋亡,抑制TGF-β/Smad3级联反应,调控参与肿瘤转移扩散过程的TGF-β关键靶点如MMP-2等的表达,从而靶向改变肿瘤细胞和肿瘤微环境,减少原发性骨肉瘤的发展和相关肺转移。曾园园[27]研究发现,TGF-β/Smad通路介导的EMT过程及癌细胞迁移和侵袭需要JAK/STAT3信号通路的参与,且IL-6/JAK/STAT3信号通路和TGF-β/Smad信号通路可以协同作用来促进EMT进程及癌细胞的转移。在肺癌细胞中外源性加入IL-6激活STAT3,可以增强TGF-β1诱导的Smad3磷酸化,增加Snail的表达量,加速TGF-β1介导的细胞迁移和侵袭。抑制TGF-β/Smad、IL-6/JAK/STAT3两个信号通路可能是针对肺癌转移的一个潜在治疗手段。陈正庭[28]探索LAC放射后肺癌细胞侵袭转移能力和免疫功能变化及PTTG1和TGF-β1/SMAD3通路在其中的作用,结果发现,PTTG1通过TGF-β1/SMAD3通路影响EMT调控放射后LAC细胞的侵袭能力,敲除PTTG1可通过影响TGF-β1/SMAD3通路活性削弱放射诱导的免疫抑制,增强放射诱导的局部和全身的抗肿瘤免疫反应,提示靶向PTTG1和TGF-β1/SAMD3通路可能是提高肺癌放射治疗和联合免疫治疗疗效的策略之一。

2.4 TGF-β/Smad/MMP生物轴调节肿瘤微环境

田敏敏[29]通过体外培养人肺腺癌上皮细胞(A549细胞)毒性模型探索TGF-β1介导的Smad和MAPK信号通路在纳米NiO致A549细胞胶原形成中的作用机制,研究发现,纳米NiO诱导A549细胞MAPK信号通路活化,进而导致MMPs/TIMPs失衡,从而形成A549细胞中胶原形成过量,进一步促进了A549细胞转移侵袭等发展。申景岭[30]采用荧光免疫组化和RT-PCR方法进行转染前后肺癌细胞中TGF-β/Smad信号转导途径、细胞周期调控因子和肿瘤转移相关基因表达的分析,结果发现,转染后肺癌细胞中Smad4基因和蛋白表达明显增强,并显著抑制了肿瘤细胞增殖;TβRI、TβRII、Smad2、Smad3和Smad7的表达及亚细胞定位均有改变,其中MMP-9和caspase-3 mRNA水平的表达增强,提示TGF-β/Smad/MMP信号转导途径可通过对细胞周期调控因子和相关基因等微环境调节改变作用来抑制肿瘤细胞的增殖和转移潜能。

3 TGF-β/Smad/MMP生物轴与肺癌治疗

目前除PD-1/PD-L1外,其他一些免疫相关的靶点得到越来越多的开发和深入研究,TGF-β靶点及其通路就是当前的热点之一。目前基于免疫相关TGF-β/TGF-βR/Smad通路的研究已进入较为深入的探索。针对TGF-β的阻断,目前已有融合蛋白luspatercept获批上市,用于治疗输血依赖性β地中海贫血和骨髓增生异常综合征(MDS)。抗体方面,主要有Fresolimumab(单抗)、SAR439459(单抗)、M7824(双抗)等。小分子药物开发主要针对的是受体抑制剂的开发,临床进展迅速,品种十余个,是开发热点;且国内对于该靶点的开发也处于进度前列,主要有劲方医药的GFH018和上海璎黎的YL-13027。此外,尚见部分报道如川陈皮素具有治疗癌症的价值,其治疗机制可能与其能在体外显著抑制TGF-β1诱导的EMT、迁移、侵袭和黏附,同时降低MMP-2、MMP-9、p-Src、p-FAK、p-Paxillin、Snail、Slug、Twist和ZEB1的表达有关[22]。CX-4945作为新近发现的一种可药物化的癌症靶点,已被认为是治疗肺癌转移的一种有前途的治疗策略,其作为单一药物治疗实体瘤和多发性骨髓瘤的临床评估已经建立了良好的药代动力学、药效学和安全性[31]。尚有研究报道,胡椒碱[32]也具有很强的抗肿瘤特性,其作用机制主要为抑制TGF-β1治疗诱导的EMT,以及抑制ERK1/2和SMAD2磷酸化;未来胡椒碱将进一步运用于转移性肺癌和EMT等治疗中。

4 TGF-β/Smad/MMP生物轴与中医中药治疗

近年来,中医药通过多靶点调控TGF-β/Smad/MMP生物轴抗肿瘤的研究日益增多,许多中药单体及复方制剂均从分子生物学水平进行了详细的抗肿瘤机制的探索。研究表明,中医中药能够通过靶向并干预TGF-β/Smad/MMP生物轴发挥抑制肿瘤细胞迁移、侵袭的作用。

4.1 中医药调控TGF-β/Smad/MMP生物轴影响肿瘤微环境

李小江等[33]通过定量聚合酶链反应检测消岩汤干预肺癌干细胞中多种炎性蛋白及因子表达的变化,结果显示,实验组白细胞介素-6(IL-6)、TGF-β、磷酸化Smad3(p-Smad3)、MMP-9蛋白等表达均较对照组显著下降,提示消岩汤主要通过抑制肺癌炎性微环境中的TGF-β/Smad3信号通路传导来影响非小细胞肺癌的转移。

4.2 中医药调控TGF-β/Smad/MMP生物轴影响血管增殖

党辉等[34]观察不同剂量半夏当归赤小豆汤灌胃小鼠后肿瘤组织中Ki67及血管内皮生长因子(VEGF)表达情况,结果显示,半夏当归赤小豆汤组的肿瘤细胞增殖速率及PCNA表达显著降低,凋亡细胞百分比及BAX表达显著升高,VEGF、MMP-2、MMP-9、TGF-β、Smad2和Smad3表达显著减少,表明半夏当归赤小豆汤含药血清可通过抑制肺癌细胞中TGF-β/Smad信号通路的激活,显著降低肺癌A549细胞的血管增殖及细胞迁移能力。

4.3 中医药调控TGF-β/Smad/MMP生物轴影响肺癌细胞转移

陈滨海等[35]研究发现,将梯度浓度的肺金生方冻干粉作用于肺癌A549细胞可显著抑制A549细胞的活力,肺金生方下调了TGF-β1、p-Smad2/3的表达,上调了Smad7的表达,因此认为肺金生方能通过调控TGF-β/Smad信号通路达到抗肺癌转移的作用。齐元富等[36]研究芪连扶正胶囊对TGF-β/Smad通路相关分子表达的影响,结果发现,芪连扶正胶囊含药血清可上调TβRI、TβRII、Smad2/3、Smad4表达,下调Smad7、TGF-β1 mRNA在肺癌A549细胞中的表达,表明芪连扶正胶囊含药血清可通过纠正TGF-β/Smad通路紊乱发挥抗肺癌转移作用。

5 小结与展望

针对肿瘤微环境及肿瘤调控关键因子、信号转导通路等的研究和治疗日益受到重视,TGF-β/Smad/MMP生物轴在肺癌肿瘤靶向调控中扮演着重要角色。TGF-β/Smad是目前研究较为充分的肺癌肿瘤增殖与转移调控机制靶点,MMPs介导肺癌微环境中肿瘤细胞迁移及与基质细胞的黏附作用。许多研究证实,多种药物及分子均能在转录后抑制TGFβR1及其介导的TGF-β/Smads信号级联反应,进而抑制TGF-β诱导的肺癌细胞的EMT、侵袭和转移。目前基于免疫相关TGF-β/Smad信号通路所开发的小分子药物已蓬勃开展,大量国际多中心、开放性、非随机Ⅰ～Ⅲ期临床试验正在逐步开展进行,随着这些临床试验的开展,TGF-β/Smad/MMP生物轴有望成为实体肿瘤治疗的新靶点。

近年来,中医中药靶向治疗实体肿瘤的研究迅速发展,为中医中药多途径、多靶点抗肿瘤治疗提供了新思路和新方向。西医治疗肺癌虽然具有特定优势,但普遍靶向治疗方案和药物的价格较为昂贵,在一定程度上也限制了药物的广泛运用。中医药因其价格优廉、疗效可靠、副作用少等优点具有广阔的市场前景。虽然目前中医药调控TGF-β/Smad/MMP生物轴抗肺癌的作用研究仍处于起步和积累阶段,需要大量体内外实验研究、临床试验进一步评价其安全性、有效性,以及验证其作用机制,但相信未来中医中药作为临床联合治疗方案可以造福更多患者,为中医药防治肺癌提供科学依据。