半枝莲抗胶质瘤微血管生成的研究进展

唐笛笛 赵晓平 范小璇 薄晗 张梦洁 孙雯 陈紫莹 于娟

胶质瘤是最常见的原发性颅内肿瘤,占恶性脑肿瘤的81%,具有高发病率和高死亡率的特点[1]。脑胶质瘤的发病率约占所有中枢神经系统肿瘤总发病率的23.3%,约占原发恶性脑肿瘤总发病率的78.3%,在吸烟、饮酒、环境致癌物、遗传等因素的影响下,近年来呈上升趋势[2]。新生血管是胶质瘤细胞浸润性生长的重要途径,血管生成是胶质瘤发生、发展的标志。在胶质瘤微环境中,血管生成的过程中会释放促血管生成的因子及酶类,血管内皮细胞激活、增殖、迁移,基底膜与细胞外基质降解,内皮细胞重塑及与周围细胞相互作用而形成管腔样结构,胶质瘤的缺氧微环境可进一步诱导产生异常丰富的血管网络,参与胶质瘤的侵袭及转移,与胶质瘤的发生发展密切相关[3]。越来越多的证据表明,直接或间接靶向干预胶质瘤微环境的药物均不理想,由于血管生成因子、通路网络的复杂性和肿瘤异质性,靶向治疗如贝伐珠单抗等靶点单一,很难彻底改善胶质瘤微环境,而半枝莲可多靶点抑制胶质瘤微血管生成,从而抗胶质瘤的发生和发展。

半枝莲药用始载于明代《外科正宗》,又名狭叶韩信草、牙刷草、并头草、金挖耳等,为唇形科黄芩属植物半枝莲(ScutellariabarbataD.Don)的干燥全草,性辛、苦、寒,具有清热解毒、活血化瘀、消肿止痛等功效。半枝莲的主要成分有黄酮类、萜类、生物碱、甾醇类、多糖类、有机酸类等化合物[4]。杜义龙等[5]报道半枝莲的黄酮类成分主要有野黄芩素、木犀草素、野黄芩苷、芹菜素、汉黄芩素、黄芩苷、柚皮素等。近年来研究表明半枝莲及其有效成分具有明显的抗胶质瘤作用,其提取物已用于抗胶质瘤的机制研究,其中半枝莲碱B是从半枝莲中提取的二萜生物碱类化合物,可呈剂量依赖性抑制人胶质瘤细胞的生长,从而抗胶质瘤的侵袭和转移[6]。吕鹏等[7]报道野黄芩苷(scutellarin, SCU)呈剂量相关地抑制人脑胶质瘤细胞的增殖,其药理机制为SCU通过降低人脑胶质瘤细胞中抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,从而提高人脑胶质瘤细胞中Bcl-2相关X蛋白(Bcl-2-Associated X Protein, bax)/B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)比值而促进细胞凋亡,发挥抑制胶质瘤侵袭和转移的作用。此外,木犀草素可通过降低血管内皮生长因子的表达,抑制内皮细胞的血管生成,从而抗胶质瘤的迁移和侵袭。半枝莲抗胶质瘤微血管生成作用已经证实,但其作用机制尚未进行详细的论述,本文对半枝莲及其有效成分抗胶质瘤血管生成机制进行总结,以期为胶质瘤新药研发提供参考。

1 半枝莲通过对血管生成相关因子的影响抑制脑胶质瘤微血管生成的研究

1.1 血管内皮生长因子

血管生成因子调控胶质瘤微血管生成,当血管生成促进因子的作用大于抑制因子的作用时,形成新生血管,其中血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)在胶质瘤血管生成中起着关键作用[8]。VEGF及其受体(vascular endothelial growth factor receptor,VEGFR)在血液和淋巴管的发育和维持中发挥重要作用,VEGF家族包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D和胎盘生长因子(placental growth factor,PLGF),其受体由VEGFR-1、VEGFR-2和VEGFR-3等组成[9]。其中血管内皮细胞的受体VEGFR1、VEGFR2由VEGFA和PlGF激活,通过抑制VEGFR1表达和阻断VEGFR2介导的信号通路,可减少血管生成,抗胶质母细胞瘤的发生、发展[10]。而淋巴管内皮细胞中的受体VEGFR3能结合VEGFC、VEGFD,其中VEGFC在胶质母细胞瘤中表达,同时其对应的VEGFR3在淋巴内皮细胞中表达,因此通过抑制VEGFR3表达,可减少VEGFC与VEGFR3结合,从而影响胶质瘤内皮细胞的增殖和迁移,发挥抗胶质瘤微血管生成的作用[11]。韩春辉等[12]运用网络药理学分析表明,半枝莲可能通过介导VEGF和MAPK信号通路来抑制肿瘤内皮细胞小管样结构形成,抗人胶质瘤细胞迁移、侵袭。陈侠等[13]体外实验探究木犀草素与替莫唑胺联用对U87脑胶质瘤细胞的影响,对比治疗前后肿瘤VEGF的变化,发现木犀草素联合化疗药物可降低肿瘤VEGF的表达,抑制胶质瘤组织中血管的生成,并能增敏脑胶质瘤的化疗效果。Dorra等[14]观察木犀草素对U87胶质母细胞瘤细胞的影响,发现木犀草素具有抑制U87胶质母细胞瘤细胞迁移、侵袭和内皮细胞血管生成(human microvascular endothelial cells,HMEC-1)的能力。石锐等[15]通过探究半枝莲提取物对肿瘤的VEGF等指标的影响,发现半枝莲提取物呈剂量依赖性抑制肿瘤VEGF的表达,减少血管生成,证实半枝莲提取物可通过降低VEGF的表达,从而抑制肿瘤血管的生成。此外,半枝莲多糖类活性成分也可影响肿瘤细胞VEGF及一氧化氮(nitric oxide,NO)等指标的表达,降低血管生成,起到抗肿瘤发生和发展的作用[16]。因此,半枝莲及其主要成分通过调控AMPK信号通路,抑制VEGF的表达,减少内皮细胞小管样结构的形成,达到抗胶质瘤发生、发展的作用。

1.2 缺氧诱导因子

缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor,HIF)是最重要的与缺氧有关的转录因子。其中HIF-1α在神经胶质瘤的缺氧区中呈高表达,HIF-1α介导糖酵解开关,其通过上调胶质瘤细胞葡萄糖转运蛋白和参与乳酸合成的糖酵解途径关键酶的表达,响应缺氧的代谢开关,增加糖酵解,加快血管新生,促进胶质瘤的发生、发展[17]。靳宪芳等[18]观察半枝莲乙醇提取物对胶质瘤细胞的HIF-1α等指标的影响,发现半枝莲乙醇提取物可通过降低HIF-1α的表达,减少内皮细胞的增殖和迁移,从而抑制胶质瘤侵袭、转移。芹菜素可通过降低HIF-1α介导的葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter 1,GLUT1)和丙酮酸激酶同工酶M2型(pyruvate kinase isozyme type M2,PKM2)蛋白的表达,减少糖酵解,抑制血管生成,从而起到抗胶质瘤细胞迁移、侵袭和增敏放疗的作用[19]。因此表明半枝莲及其有效成分通过抑制HIF-1α的表达,降低GLUT1和PKM2等蛋白的表达,减少糖酵解,抑制胶质瘤微血管生成。

HIF-1α高表达诱导新生血管生成在胶质瘤侵袭和转移过程中具有至关重要的作用。以低氧环境为介质,通过HIF-1α的介导可上调VEGF的表达,此外,缺氧还能诱导MMP-2、MMP-9的表达,从而促进胶质瘤内皮细胞的增生,增加胶质瘤微血管的生成[20]。Shiau等[21]实验显示半枝莲可通过抑制肿瘤细胞HIF-1α和VEGF的表达,从而降低缺氧条件下内皮细胞的增殖和迁移,有效抑制肿瘤血管的生成。Song X等[22]实验显示汉黄芩素可通过降低HIF-1α表达并减少VEGF分泌,从而抑制肿瘤的血管生成,证实汉黄芩素可降低血管生成因子的表达,发挥抑制肿瘤发生、发展的作用。因此,半枝莲及其有效成分通过抑制HIF-1α的表达,降低VEGF、MMP-2和MMP-9的表达,减少血管生成,从而抗胶质瘤发生、发展。

2 半枝莲通过对基质金属蛋白酶类的影响抑制脑胶质瘤微血管生成的研究

2.1 基质金属蛋白酶

基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinase,MMPs)在神经胶质瘤的诊断中是重要的指标[23]。胶质瘤发生侵袭、转移的关键因素是细胞外基质(extracellular matrix,ECM)降解,ECM的降解是级连蛋白水解过程。缺氧微环境诱导胶质瘤细胞MMPs的分泌,降解ECM,导致胶质瘤的进展[24]。MMP-2和MMP-9是MMPs家族中的重要成员,MMP-2主要在星形胶质细胞表达,MMP-9则主要在神经细胞的髓鞘纤维束表达,而抑制MMP-2和MMP-9的表达,可减少血管生成,从而抗胶质瘤的发生、发展[25]。孟辉等[26]实验显示半枝莲提取物(extracts from Scutellaria barbata,ESB)可抑制胶质瘤U25l细胞的生长,证实ESB抗胶质瘤发生、发展的作用。肖庆保等[27]观察芹菜素对U87脑胶质瘤细胞MMP-2、MMP-9等指标的影响,对比芹菜素治疗前后MMP-2、MMP-9的含量变化,发现芹菜素可降低MMP-2、MMP-9的表达,从而抑制脑胶质瘤的侵袭和转移。Ravena等[28]观察黄酮类化合物中的柚皮素对胶质瘤的MMP-2、MMP-9等指标的影响,对比柚皮素治疗前后MMPs的含量变化,发现MMPs的表达下调,证实柚皮素对胶质瘤的侵袭和转移有抑制作用。Chen等[29]观察芹菜素对U87人胶质瘤细胞的生长的影响,发现芹菜素能通过抑制MMP-9的表达,发挥抗胶质瘤的发生、发展。因此,半枝莲及其有效成分通过抑制MMP-2和MMP-9的表达,促进基底膜和细胞外基质降解,达到抗胶质瘤的发生、发展作用。

2.2 基质金属蛋白酶组织抑制物

基质金属蛋白酶组织抑制物(tissue inhibitor of metallo proteinase,TIMPs)也是诊断神经胶质瘤的重要指标[23]。TIMP-1、TIMP-2是TIMP家族的主要成员,不仅可参与细胞生长的调控,还可通过影响基质金属蛋白酶的降解来影响新生血管的生成。因此,在胶质瘤发生发展过程中,通过提高TIMP-1和TIMP-2的表达,可减少基底膜和细胞外基质降解,抑制微血管生成,从而抗胶质母细胞瘤侵袭和转移[30]。张洪石等[31]报道半枝莲总黄酮可降低MHCC97-H肿瘤细胞的转移能力,发现半枝莲总黄酮通过下调MMP,上调TIMP的表达,从而达到抑制肿瘤的作用。王强等[32]观察木犀草素对胶质母细胞瘤增殖、迁移和侵袭的影响,发现木犀草素可提高TIMP-1和TIMP-2蛋白表达,而同时其能明显抑制MMP-2和MMP-9的表达,证明木犀草素可调节MMP/TIMP的比例,通过调控MMP/TIMP平衡,从而起到抗胶质母细胞瘤细胞的增殖和侵袭作用。另外,半枝莲总黄酮可通过降低VEGF、MMP表达,同时提高TIMP表达,从而减少血管生成,达到抑制肿瘤细胞的增殖和转移作用[33]。由此表明,半枝莲及其有效成分通过降低VEGF、MMP-2和MMP-9的表达,提高TIMP-1和TIMP-2表达,减少基底膜和细胞外基质降解,抑制血管生成,从而抗胶质瘤发生、发展。

3 半枝莲通过对血管生成信号通路的影响抑制脑胶质瘤微血管生成的研究

3.1 Notch信号通路

Notch通路与胶质瘤血管生成关系密切,其家族由Dll1、Dll3、Dll4、Jagged1、Jagged2五个配体和Notch-1、-2、-3、-4四个受体组成。在胶质母细胞瘤中,VEGF可促进内皮细胞Dll4的表达,Dll4与受体结合后可通过负反馈作用抑制VEGF受体的表达,防止胶质瘤微血管的过度分支;而胶质母细胞瘤表达的Jagged1能激活内皮细胞的Notch通路,促进胶质母细胞瘤微血管生成[34]。Zhang等[35]实验显示半枝莲对各种癌症具有强大的抗癌作用,发现半枝莲氯仿部分可降低Bcl-2、Notch1/2和Jagged1表达水平,阻断内皮细胞的迁移和小管形成,从而抗胶质瘤的发生、发展。曾志青等[36]观察汉黄芩素对U87胶质瘤细胞增殖和侵袭的影响,发现汉黄芩素能通过诱导细胞的凋亡,减少微血管的生成,从而抑制胶质瘤的生长和侵袭,并能使化疗增敏,提高化疗效果,证实半枝莲能抑制胶质瘤微血管的生成,达到抗胶质瘤的侵袭和转移作用。因此考虑半枝莲及其有效成分通过降低Bcl-2、Notch1、Notch2和Jagged1表达,阻断内皮细胞的迁移和小管形成,发挥抗胶质瘤发生、发展的作用。

3.2 PI3K/Akt/mTOR通路

PI3K/Akt/mTOR信号通路在脑胶质瘤的发生和发展过程中起着关键作用。PI3K/Akt通路活化,可加速胶质瘤细胞的生长,促进血管生成,并参与脑胶质瘤的侵袭和转移。其中雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)位于PI3K/Akt/mTOR信号通路的下游,一方面接受上游的信息,如细胞外生长因子的刺激;另一方面将信息传递给下游位点,调控细胞周期,加速细胞增殖[37]。陈明等[38]观察半枝莲总黄酮对肿瘤细胞PI3K/Akt/mTOR通路的影响,对比半枝莲总黄酮治疗前后PI3K/Akt/mTOR通路活性的变化,发现PI3K/Akt/mTOR通路的活性明显降低,表明半枝莲总黄酮可通过影响PI3K/Akt/mTOR通路,从而发挥抗肿瘤发生、发展的作用。Huang等[39]运用网络药理学分析表明,木犀草素可通过抑制PI3K/Akt信号通路的活化来抗胶质瘤的发生、发展;体外实验显示木犀草素有抗胶质瘤的作用,且阐明其作用机制是通过干预PI3K/Akt信号通路。另外,mTOR抑制剂能对内皮生长因子产生影响,通过下调内皮生长因子的表达,可抑制胶质瘤微血管的生成。因此表明半枝莲及其有效成分通过调控PI3K/Akt信号通路相关蛋白表达,抑制PI3K/Akt/mTOR通路的活化,从而减少胶质瘤微血管的生成,抗胶质瘤发生、发展。

3.3 JAK2/STATs通路

JAK2/STATs信号通路活化是胶质瘤侵袭和转移的重要因素,其中STAT3在血管生成中发挥着关键作用。STAT3在胶质瘤中调控VEGF和HIF-1的表达,而抑制STAT3信号通路活化可下调VEGF和HIF-1的表达,抗胶质瘤血管生成[40]。Xue等[41]实验显示JAK/STAT3通路抑制剂可通过下调VEGF、VEGFR基因的mRNA水平,抑制内皮细胞的迁移,减少血管生成。曾志青等[42]观察汉黄芩素对U87胶质瘤细胞侵袭相关的指标如VEGF、HIF-1α等的影响,发现汉黄芩素可诱导胶质瘤细胞周期停滞,促进细胞凋亡,减少血管生成,从而起到抗胶质瘤细胞侵袭和转移的作用。因此考虑半枝莲及其有效成分可通过抑制STAT3的活化,下调VEGF、VEGFR和HIF-1α的表达,从而抗胶质瘤的侵袭、转移。

STAT3活化后还可调控MMP-2和MMP-9的表达从而抑制胶质瘤的血管生成。因此,在胶质瘤侵袭和转移中,MMP-2和MMP-9是其预测指标[43]。王婷婷等[44]观察黄芩苷对脑胶质瘤细胞的MMP-2、MMP-9等指标的影响,发现黄芩苷可剂量和时间相关地抑制JAK/STAT3信号通路活性,下调MMP-2、MMP-9的表达,证明黄芩苷可有效地抗胶质瘤的侵袭、转移。因此,半枝莲及其有效成分可通过抑制STAT3的活化,下调MMP-2、MMP-9的表达,从而发挥抗胶质瘤的发生、发展作用。

4 结语

胶质瘤是一种以广泛血管生成为特征的高度血管化肿瘤,其丰富的微血管生成和难以抑制的血液供应是临床治疗的难点之一[45]。半枝莲的功效为清热解毒、化瘀利尿,其主要成分是黄酮类化合物、二萜类化合物、生物碱、甾体以及多糖等成分,具有抑制肿瘤细胞生长和抗血管生成的作用[46]。胶质瘤微环境中的新生血管为胶质瘤生长提供营养和氧气,胶质瘤细胞亦能借助于血管内皮细胞进行迁移进而在脑实质中扩散。胶质瘤微血管生成的过程中血管内皮细胞在血管生成因子和血管生成信号通路的刺激下增殖、迁移和分化,促进胶质瘤的侵袭和转移[47]。研究已证实半枝莲及其有效成分具有抗胶质瘤微血管生成的作用。

综上所述,目前对半枝莲抗胶质瘤微血管生成的作用机制研究尚存在不足:(1)半枝莲抗胶质瘤的具体有效成分仍不十分清楚,半枝莲中黄酮类、二萜类、多糖类等多种有效成分的抗胶质瘤微血管生成作用,需进一步实验证明,以期为抗胶质瘤的新药研发提供更多的选择。(2)当前报道中可见半枝莲及其有效成分通过调控不同的血管生成因子及信号通路等发挥抗胶质瘤微血管生成的作用。对半枝莲及其有效成分抗胶质瘤微血管生成的相关细胞因子和信号通路进行综述,以期为进一步实验研究及临床应用提供可信的基础数据,促进临床转化,更好地防治胶质瘤。