肺癌(lung cancer)是原发于气管、支气管和肺部的恶性肿瘤。肺癌的发病率和死亡率在世界范围内持续上升,居恶性肿瘤之首。根据国际研究机构统计和世界卫生组织2020年癌症死亡人数显示,肺癌死亡人数约为179万人,占所有恶性肿瘤的18%,明显高于其他癌症类型
[1]。目前,治疗肺癌主要采用手术、放疗、全身化疗、介入治疗及靶向治疗等
[2]。手术是实体瘤的首选治疗方案,但仅推荐早期肺癌患者使用。化疗仍是晚期转移患者或无法接受手术患者的最佳选择。术后辅助化疗是预防术后复发和转移的必要措施
[3]。肺癌对大多数传统治疗方法,包括放疗、化疗和靶向治疗,都有特别的耐药性。化学合成的抗肿瘤药物在临床实践中仍然发挥着重要作用,但其具有毒性和不良反应,因此,从天然药物来源中寻找有效的抗癌成分变得尤为重要
[4]。
与传统疗法相比,中医药治疗肺癌优势明显,配合西医常规放疗、化疗,可以增效减毒,提高患者生存质量
[5]。中药含有大量生物活性成分,是抗肺癌的有效物质。目前,批准的抗癌药物大多是原型修饰的天然产物或半合成衍生物,如紫杉醇和长春新碱
[6]。随着中医药研究的不断深入,中药抗癌活性成分的鉴定引起了人们的广泛关注。现代临床医学在总结经验的基础上,结合现有研究技术,从不同角度研究中药物质基础与实验室检测指标之间的关系,进一步探索中药治疗肺癌的作用机制和现代科学内涵。
1 天然产物抗肺癌的作用及其机制
1.1 黄酮类
黄酮类化合物是一类广泛存在于自然界的植物源次生代谢物,最近研究证实了该类化合物在肺癌治疗中的疗效
[7]。甘草查尔酮A可显著降低癌细胞内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)、自噬和凋亡相关的miR-144-3p水平;通过诱导H292细胞中miR-144-3p的过表达抑制癌细胞增殖;亦通过阻断H460和A549细胞周期进程诱导细胞凋亡
[8]。汉黄芩素调节酪氨酸激酶/信号转导与转录激活因子(janus kinase/signal transducer and activator of transcription,JAK/STAT)通路,抑制凋亡相关蛋白B淋巴细胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)、survivin蛋白的表达,抑制肺癌细胞的增殖及迁移,诱导细胞凋亡及G2/M周期阻滞
[9];黄芩素通过增强组织金属蛋白酶抑制剂2(matrix metalloproteinase inhibitors 2, TIMP-2)和抑制转移生长因子(transforming growth factor, TGF)表达,对肺癌细胞的转移和凋亡起到重要作用;通过下调Ezrin和Skp2蛋白的表达抑制细胞增殖
[10]。黄芩苷能显著诱导SPC-A1细胞凋亡,细胞周期分布呈现G1期细胞比例逐渐增高,同时线粒体膜电位下降
[11]。羟基红花黄色素A下调肿瘤细胞中基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9, MMP-9)、基质金属蛋白酶2(matrix metalloproteinase 2, MMP-2)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)mRNA表达,抑制细胞的迁移,降低移植瘤组织中VEGF的表达
[12]。异荭草素通过激活活性氧(reactive oxygen species,ROS)介导的丝裂原活化蛋白激酶/信号转导与转录激活因子3/核因子-
κB(mitogen-activated protein kinase/signal transducer and activator of transcription3/nuclear factor-
κB,MAPK/STAT3/NF-
κB)信号通路诱导细胞凋亡,下调人肺癌细胞中MCTs1/4、CD147和MMP2/9蛋白的表达,抑制单羧酸转运体活性
[13]。木犀草素通过调节类固醇受体辅激活剂(steroid receptor coactivator,Src)、黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)和下游与肾素相关的C3肉毒毒素底物1、细胞分裂控制蛋白42和肾素同源基因家族成员A(renin homologous gene family member A,RhoA)通路,显著抑制A549细胞的迁移和侵袭;通过抑制STAT3磷酸化和下调干扰素-
γ(interferon-
γ,IFN-
γ)诱导的PD-L1促进癌细胞凋亡
[14]。灯盏乙素通过激活细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK1/2)和抑制蛋白激酶(protein kinase B,PKB/Akt)信号通路,刺激PC-9和H1975细胞中ERK1/2的磷酸化,抑制Akt的磷酸化,诱导细胞凋亡和自噬
[15]。异甘草素通过抑制癌细胞趋化运动、对层黏连蛋白的黏附作用和组织蛋白酶B分泌对人肺癌细胞有明显的抑制作用;抑制NF-
κB信号通路的活化,影响其下游凋亡相关蛋白Bax/Bcl-2,抑制人肺癌H460细胞的增殖和诱导细胞周期阻滞
[16]。
甘草查尔酮A可降低小鼠双微基因2(murine double minute 2,MDM2)、细胞周期蛋白B1、Cdc2和Cdc25C在癌细胞系中的表达,并诱导半胱氨酸蛋白酶3(caspase-3)的激活和聚核糖聚合酶的裂解;增加ERS相关蛋白,如磷酸化真核起始因子2
α(eukaryotic initiation factor 2
α,eIF2
α)和激活转录因子4(activation of transcription factor 4,ATF4)
[17]。毛蕊异黄酮通过调节白细胞介素(interleukin,IL)-6/STAT3通路以及原代胆汁酸生物合成代谢通路显著增强顺铂对Lewis肺癌小鼠的抑瘤作用;抑制癌细胞的增殖和迁移能力,并能将细胞周期阻滞在G0/G1期
[18]。甘草素调控WIG-1基因表达进而抑制癌细胞增殖,升高IL-2和肿瘤坏死因子(tumour necrosis factor, TNF)水平,降低血清IL-10、VEGF、低氧诱导因子-1
α(hypoxic inducible factor-1
α, HIF-1
α)、MMP-2水平,显著降低肺癌小鼠瘤质量,提高肿瘤抑制率
[19]。芹菜素通过抑制STAT3磷酸化诱导PD-L1表达;显著增强了顺铂对3种非小细胞肺癌细胞系的抗癌作用;顺铂联合芹菜素可显著减少组蛋白去乙酰化酶1(histone deacetylase 1,HDT1)结合,通过促进组蛋白乙酰化诱导p21和p53上调凋亡调节剂
[20]。
1.2 生物碱类
生物碱是一类主要存在于植物中的含氮碱性有机化合物,具有多种药理活性,如抗炎、抗菌和抗癌作用。苦参碱通过磷酸肌醇3激酶(phosphoinositol 3 kinase,PI3K)/Akt通路促进癌细胞凋亡,减弱了癌细胞迁移和侵袭能力,抑制雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路介导的糖酵解作用,并能显著上调Caspase-3、Bax蛋白表达水平,下调Bcl-2和酮酸激酶2(pyruvate kinase M2,PKM2)蛋白表达及p-mTOR/mTOR水平;降低表皮生长因子受体-酪氨酸蛋白激酶(epidermal growth factor receptor-tyrosine protein kinase,EGFR-TPK)活性和HIF-1
α、VEGF的表达,激活caspase-3活性,对A549细胞的侵袭、增殖和血管生成产生抑制作用
[21]。苦参素通过抑制细胞Ku70 mRNA及蛋白表达,激活caspase3/caspase7活性促进细胞凋亡,削弱肺癌A549细胞DNA损伤修复;抑制Notch信号通路中Notch 1细胞内结构域,转录复合蛋白及其下游蛋白Hes家族相关蛋白表达水平
[22]。
小檗碱可抑制总组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)和Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ类HDAC活性,抑制TNF-
α、环氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)、MMP-2、MMP-9表达,诱导p21、p53表达;降低A549细胞中Sin3A的表达,进而在DNA TOP2B水平诱导DNA双链断裂,导致DNA损伤和凋亡
[23]。小檗碱通过调节JAK2/VEGF/NF-
κB信号通路抑制A549细胞增殖,增加细胞毒性,促进细胞凋亡
[24]。汉防己碱通过下调MMP和miR-21的表达来抑制肺癌细胞侵袭,降低MMP-2、MMP-9、细胞外基质金属蛋白酶诱导物/CD147和人波形蛋白的表达;此外,抑制肺癌中
α7nAChR的表达,抑制相关信号分子pERK1/2、ERK1/2和转录因子的表达,从而发挥抑制细胞增殖迁移和促进细胞凋亡的能力
[25]。白屈菜碱通过下调CSC转录因子抑制癌细胞集落形成、迁移、侵袭和球形形成,进而抑制NCI-H1703细胞系中
β-catenin表达,增强ROS诱导的自噬
[26]。澳洲茄碱诱发细胞凋亡或细胞坏死,调节血管内皮生长因子,抑制肺癌细胞的生长;调控MMPs和TIMPs表达抑制肺癌细胞侵袭
[27]。鱼腥草生物碱可致肺癌细胞萎缩、死亡、细胞核碎裂及出现凋亡小体,将细胞周期阻滞于G0/G1期,诱导其发生凋亡
[28]。苦参碱通过干扰PAK6表达,使G0/G1期细胞比例升高,S期细胞呈现下降趋势,抑制Wnt/
β-catenin信号通路,提高肺癌的放疗敏感性;抑制肺癌细胞上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)及NF-
κB信号通路,对小鼠原发瘤抑制率、肺转移病灶数与模型组比较差异有统计学意义,MMP-2、MMP-9及VEGF蛋白表达水平显著降低
[29]1.3 多糖类
植物多糖是一种在植物中广泛分布的天然活性成分。黄芪多糖通过抑制NF-
κB发挥抑制人肺癌A549细胞增殖的作用;通过下调PI3K /Akt信号通路的自噬,降低LC3B及PI3K蛋白表达而发挥抗肿瘤作用;通过下调HIF-1
α、VEGF、MMP-2的表达降低肿瘤细胞新生血管生成,发挥抑制肿瘤生长的作用;通过降低NF-
κB通路中p65、p53表达、增高Caspase-9表达,抑制MAPK信号通路的激活抑制小鼠Lewis癌细胞的转移;通过抑制膜受体(toll-like receptor,TLR4)/髓样分化因子(myeloid differentiation factor,MyD88)/NF-
κB信号通路活化抑制肺癌移植瘤生长,促进肿瘤细胞凋亡,减少血管生成,提高脾组织CD3
+、CD4
+、CD8
+细胞比例,提高免疫功能
[30-31]。灵芝多糖降低TGF-
β1表达,提高Smad4蛋白表达,激活TGF-
β/Smad信号通路,调控细胞凋亡相关蛋白Bcl-2、PI3K、Akt表达
[32]。苦参多糖使肺癌细胞增殖率明显下降,细胞凋亡率明显提升,调控癌细胞的凋亡相关蛋白Bcl-2、PI3K、Akt表达
[33]。半枝莲多糖抑制肿瘤组织中VEGF、EGFR的表达,同时上调nm23的表达水平,提高免疫器官功能
[34]。
红花多糖调控EMT过程相关基因,造成了细胞的迁移运动能力减弱,抑制SNAI2、Wnt5a基因的转录水平;红花多糖显著提高荷瘤小鼠脾中细胞毒性T淋巴细胞(cytotoxic lymphocyte,CTL)、自然杀伤细胞(natural killer,NK)杀伤活性
[35]。白花蛇舌草多糖能明显升高模型小鼠血清中IL-2、TNF-
α、TFN-
γ水平,降低IL-10、VEGF、HIF-1
α、MMP-2水平,提高模型动物免疫能力
[36]。山豆根多糖对Lewis肺癌小鼠的肿瘤生长具有抑制作用,与提高免疫能力有关
[37]。人参多糖通过影响MDSCs、Treg细胞及免疫因子改善晚期肺癌患者的免疫功能,提高疗效和生活质量,同时能有效减轻化疗引起的不良反应
[38]。
1.4 萜及其苷类
萜类,也称为类异戊二烯,是植物次生代谢产物的一个庞大而多样的群体。皂苷是苷元为三萜或螺旋甾烷类化合物的一类糖苷,研究表明,萜及其苷类成分具有良好的抗肿瘤作用。雷公藤甲素能显著降低A549细胞中乳酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶的活力,干扰能量代谢,下调TGF-
β1促进的血管生成和转移;亦可升高ROS水平,介导凋亡相关蛋白的表达,上调Caspase-3/Caspase-9与Bax表达,通过抑制NF-
κB通路来抑制H460细胞的生长;通过抑制EGFR及其下游信号通路蛋白的表达抑制H1975细胞的增殖与侵袭能力;通过影响ERK的磷酸化显著抑制肺癌细胞活力并诱导细胞发生自噬;降低HCA66蛋白的表达以及18SRNA的合成,进而诱导细胞凋亡和周期阻滞;通过抑制肿瘤细胞内HnRNPA2/B1的表达,抑制PI3K/Akt信号通路诱导非小细胞肺癌细胞凋亡
[39-40]。甘草次酸将细胞周期阻滞在G0/G1期,与内质网应激引起未折叠蛋白反应相关
[41]。冬凌草甲素可显著提高E-cadherin的表达水平,降低vimentin、snail和slug蛋白的表达水平;通过共济失调毛细血管扩张突变/检查点激酶2通路促进A549细胞的G2/M周期抑制;通过介导AMPK的积累激活AMPK/Akt/mtor依赖的受损自噬泡诱导细胞凋亡
[42]。穿心莲内酯通过激活线粒体凋亡通路和重编程糖代谢抑制H1975细胞系的增殖;通过激活ATF4/Noxa轴诱导A549和H1299细胞凋亡;通过减少LC3B-Ⅰ向LC3B-Ⅱ的转化和Atg5蛋白的表达,抑制细胞自噬并增强顺铂介导的凋亡,增强其抗癌作用
[43]。
黄芪甲苷通过上调E-cadherin蛋白表达,下调vimentin蛋白表达,激活并促进Bax的表达,增加凋亡相关基因Caspase-3、Caspase-9蛋白表达,抑制Akt信号通路中p-Akt的表达,显著抑制SPC-A1细胞活力,增加SPC-A1细胞的凋亡率,增加SOD及GSH-Px的活性,降低细胞中Bcl2蛋白表达
[44-45]。人参皂苷Rg3抑制ERK信号通路及Dusp6基因,下调TGF-
β1/ERK信号通路的转导水平,抑制VEGF-C和VEGF-3蛋白表达,抑制淋巴管形成,调节ROS通路,促进DR5及Caspase-8的表达进而诱导细胞凋亡;抑制PI3K/Akt/mTOR通路,降低PI3K、mTOR蛋白的表达水平,抑制Akt蛋白的磷酸化,阻断PD-L1介导的肿瘤细胞免疫逃逸,增强T细胞的免疫应答作用
[46]。人参皂苷Rh2/Rd上调miRNA-16,下调Bcl-2的表达,抑制pAkt/Akt的蛋白磷酸化表达,将细胞阻滞于G0/G1期,对人A549、H460细胞有明显的抑制作用
[47]。
麦冬皂苷B/麦冬皂苷D通过抑制TNF-
α的水平进一步抑制p38MAPK的活化,同时上调Claudin-2的表达,抑制A549细胞的迁移
[48]。土贝母苷甲下调VEGF/VEGFR2和Ang2/Tie2信号转导途径,抑制人高转移巨细胞肺癌细胞的黏附、侵袭和迁移能力,降低PGCL3细胞Ⅳ型胶原酶的分泌量,降低细胞对层黏连蛋白、纤维黏连蛋白的黏附率
[49]。三七总皂苷提高促凋亡因子Bax、Caspase-3 mRNA的表达水平,降低抗凋亡因子Bcl-2 mRNA的表达水平,促进A549和H1299细胞凋亡;提高上皮标志物E-Cad并抑制间质标志物FN、Vim的表达,对发生上皮细胞间质化过程有一定的干预作用
[50]。
1.5 多酚类
多酚是一组具有多个羟基的植物成分的总称,多酚对癌症具有治疗作用。姜黄素是一种天然的酚类抗癌剂。姜黄素通过下调E-cadherin、Vimentin、Twist、PI3K/Akt/mTOR通路表达,抑制肺癌A549细胞迁移,伴随Caspase-3活性上调,将细胞阻滞在G0/G1期,下调nectin-4表达、调控下游Akt通路来抑制细胞迁移和侵袭;抑制肺癌干细胞的增殖,下调Notch1和Hes1蛋白的表达诱导其凋亡;通过抑制核因子2相关因子(nuclear factor 2 related factor,Nrf2)、YAP1信号通路蛋白的表达而抑制A549细胞的增殖、迁移和侵袭,并促进其凋亡
[51]。和厚朴酚通过调控HIF-1
α相关通路,增强了肺癌细胞的凋亡,有效降低了肺癌细胞的迁移,增加细胞凋亡,并上调ERS诱导的凋亡信号分子
[52]。
鸦胆子苦醇下调BRF-2、IGFBP-2、CD151的表达水平,抑制PI3K/Akt/Nrf2信号通路,增加H1299细胞凋亡
[53]。白藜芦醇通过调节ADAM9抑制肺癌和食管癌细胞的迁移和活力
[54]。山楂酸通过抑制NF-
κB通路和激活线粒体凋亡通路,显著抑制肺癌细胞的增殖及迁移;通过下调Bcl-2蛋白表达,升高Bax蛋白表达诱导肺癌95D细胞凋亡
[55]。迷迭香酸通过激活MAPK,抑制P糖蛋白(P-gp)和MDR1的表达,相应增强p21和p53的表达,阻滞细胞周期,诱导细胞凋亡
[56]。飞燕草色素通过抑制HIF-1与HRE启动子的结合,阻断ERK和PI3K/Akt/mTOR信号通路,特异性降低CoCl
2和EGF诱导的HIF-1
α蛋白表达
[57]。姜黄素干预Lewis肺癌小鼠后肿瘤体积显著缩小,这与下调Bcl-2和P53水平、上调Bax水平有关
[58]。
1.6 其他
除上述化合物外,还存在其他类型化合物,如蒽醌、菲醌和挥发油等也具有抗肺癌作用。丹参酮ⅡA促进癌细胞中Mcl-1的泛素化降解,进一步下调表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)/Akt信号通路,从而抑制EGFR野生型和活化突变型细胞株的细胞活力和克隆形成;通过增加癌细胞中p-PERK、ATF4和CHOP的水平,增强NK细胞介导的对癌细胞的杀伤作用
[59-60]。蟾毒灵通过促进circ0046264过表达和抑制miR-522-3p表达来降低癌细胞活力和黏附能力,从而抑制迁移和侵袭
[61]。红景天苷通过调控TLR4诱导树突状细胞成熟,表面分子CD80、CD86、主要组织相容性抗原(major histocompatibility complex,MHCⅡ)表达水平显著升高,从而提高T细胞的杀伤力
[62]。金银花多酚通过下调Bcl-2蛋白,激活caspase级联反应,抑制肺癌细胞增殖
[63]。
莪术油通过调控Wnt/
β-catenin、JAK1/STAT3信号通路,抑制肺癌细胞侵袭和迁移;通过上调聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶(poly-ADP-ribose polymerase,PARP)蛋白的表达,使凋亡诱导因子转位到细胞核,通过非依赖caspase的途径介导肺癌细胞凋亡;通过下调JAK2-STAT3信号通路蛋白,引起H1650细胞凋亡并增加细胞内ROS的产生;通过抑制JAK-STAT信号通路中STAT3、STAT5-蛋白表达,下调下游凋亡抑制蛋白Survivin表达
[64-65]。原人参二醇通过下调ERK1/2和mTORC1通路,降低抗凋亡因子Bcl-2的蛋白表达水平,抑制UCP2的基因表达和调节线粒体功能诱导肺癌细胞凋亡
[66]。白术内酯Ⅰ显著下调A549细胞侵袭能力,这与抑制TLR4及MyD88蛋白表达有关
[67]。苦杏仁苷通过下调MMP-2、MMP-9、FAK、
β-catenin蛋白和mRNA的表达,显著抑制H1299细胞体外增殖
[68]。白术挥发油通过G/S期转换点抑制PG细胞增殖,显著降低其黏附和侵袭能力;此外,白术挥发油通过上调荷瘤小鼠血清和肿瘤组织中Caspase-3的表达,增强肺癌模型大鼠的免疫功能
[69]。红景天苷通过抑制MAPK/ERK1/2信号通路,上调Bax mRNA和蛋白表达水平,抑制裸鼠移植瘤的生长,破坏肿瘤细胞结构,促进肿瘤细胞凋亡
[70]。
2 小结与讨论
目前,我国恶性肿瘤的临床治疗以中西医结合为主。与支持治疗相比,中医药能提高患者的生活质量,延长生存期,取得良好的临床效果
[71]。近年来,来源于天然植物的化合物在抗肿瘤研究中的应用逐渐成为国际肿瘤研究的新热点。与传统抗肿瘤药物相比,中药单体具有作用机制独特、抗肿瘤谱广、多靶点、多途径、毒性低等优点。随着对其抗癌活性的深入分析,中药单体可通过调节或影响细胞周期、诱导细胞凋亡、促进自噬、抑制肿瘤细胞侵袭转移、改善肿瘤免疫微环境等途径实现肿瘤治疗,延长患者的生存期。多种中药单体与化疗药物联合应用,可减少耐药性的发生,表现出比单一化疗或靶向药物更强的抗癌活性,毒性和不良反应更低。
本文系统综述天然产物对肺癌的治疗作用及相关机制。通过分析可知,含有单体化合物的中药多具有补血益气、清热解毒、活血化瘀的功效;天然产物通过多种途径干预肺癌的发生、发展,同一天然产物可能参与多种途径的调节。其中某些产物克服了获得性耐药性,可作为增敏剂。中医药已广泛应用于肺癌的临床治疗,但由于某些原因,其使用受到一定程度的限制。天然产物生物利用度低,大部分产物研究还处于临床前阶段,缺乏数据支持。后续研究应重点完善分离纯化技术,筛选合适的载体和技术,提高生物利用度,明确其血中移行、体内代谢及有效成分含量等方面。总之,中药作为治疗肺癌的候选药物潜力很大。
广东省自然科学基金项目(2018A030313907)
宜兴市科技局科技攻关项目(202216-12)