紫草素及其衍生物抗肿瘤作用研究进展_朱梦媛

紫草素及其衍生物抗肿瘤作用研究进展

朱梦媛, 王汝冰, 周文, 李绍顺*

(上海交通大学药学院, 上海 200240)

摘要: 紫草的主要有效成分紫草素及其衍生物已被证实具有良好的抗肿瘤作用, 其抗肿瘤作用机制涉及多个靶点。本文在文献报道的基础上, 对紫草素及其衍生物的抗肿瘤作用及其机制进行综述。重点阐述紫草素及其衍生物在诱导细胞凋亡、诱导细胞坏死、以基质金属蛋白酶为作用靶点、作用于蛋白酪氨酸激酶、抗肿瘤血管再生等方面的抗肿瘤作用及其机制。最后对紫草素类衍生物抗肿瘤活性的研究现状进行概述, 并对以紫草素为先导的抗肿瘤药物研究加以展望。

关键词: 紫草素; 抗肿瘤作用; 细胞凋亡; 细胞坏死; 基质金属蛋白酶; 蛋白酪氨酸激酶; 抗肿瘤血管再生中图分类号: R285 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2012) 05-0588-06

Antitumor effect research progress of shikonin and its derivatives ZHU Meng-yuan, WANG Ru-bing, ZHOU Wen, LI Shao-shun*

(School of Pharmacy, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract: Shikonin, the main active ingredient of Lithospermum, and its derivatives have been proved to have antitumor effects, and the anti-tumor mechanisms involve multiple targets. Based on recent literatures, this review focuses on the antitumor effects and its mechanisms. More emphases are given on the aspects of induction of apoptosis, induction of necrosis, acting on matrix metalloproteinase, acting on the protein tyrosine kinase and antiangiogenesis. The current status and problems of shikonin derivatives in antitumor effects are simply summarized and lookout for the development of antitumor drugs with shikonin as leading compounds.

Key words: shikonin; anti-tumor effect; apoptosis; necrosis; matrix metalloproteinase; protein tyrosine kinase; antiangiogenesis

紫草为紫草科 (Boraginaceae) 多年生草本植物, 在我国及亚欧等国分布广泛, 产于我国东北及内蒙等地的紫草为硬紫草(Lithospermum erythrorhizon Sieb. et Zucc), 其主要有效成分为紫草素 (shikonin, 1), 产于我国新疆等地的紫草为软紫草(Arnebia euchroma Johnst), 其主要有效成分为阿卡宁 (alkannin, 2), 为紫草素的对映异构体[1]。中医中药认为紫草味苦、性寒, 有凉血、活血、解毒和透疹等功能, 长期用于疮疡、淋浊、热症等, 为《中华人民共和国药典》

收稿日期: 2011-10-07; 修回日期: 2011-11-16.

基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (30973604, 91013012).

*通讯作者 Tel / Fax: 86-21-34204775, E-mail: ssli@ 收载的临床常用中药[2]。紫草素及其衍生物作为紫草的主要有效成分, 已经被证实具有抗炎、促进伤口愈合、抗菌、抗病毒、抗血栓、抗甲状腺功能亢进、抗免疫功能低下、降血糖、保肝护肝等多种生物活性[3, 4], 特别是其抗肿瘤作用, 已被大量研究所证实[3, 5−11], 引起研究人员的广泛关注。

紫草素类化合物的抗肿瘤机制涉及多个靶点, 文献报道的紫草素类化合物的抗肿瘤作用机制包括诱导细胞凋亡、诱导细胞坏死、抑制拓扑异构酶、抑制蛋白酪氨酸激酶、抗肿瘤血管生成、影响肿瘤细胞信号传递等一系列的化学预防和治疗途径。本文将在文献报道的基础上, 重点阐述紫草素及其衍生物的抗肿瘤作用及其机制。

1 诱导细胞凋亡

细胞凋亡是指细胞在发育的一定阶段出现的程序性死亡, 是多细胞生物的一种基本生命活动[12, 13], 肿瘤细胞能被化学药物诱导变异和凋亡[14]。许多研究表明, 紫草素类化合物可以通过此种机制来抑制肿瘤细胞生长。

目前国内外对紫草素诱导凋亡的研究以及凋亡发生时与之相关的信号转导途径的研究非常关注, 已经发现许多基因、蛋白酶和蛋白激酶包括caspase、p53及MAPK家族等在这一过程中起着重要的作用[6, 8, 15]。

1.1 Bax和Bcl-X L介导的信号转导通路Bax和Bcl-X L是Bcl-2家族的主要成员, 前者为促凋亡因子, 后者为抗凋亡因子, 在细胞凋亡过程中起着重要调控作用[16]。Bax能从细胞的其他部分移向线粒体, 改变线粒体膜的通透性, 促使细胞色素c的释放, 进而激活caspase[17]。肿瘤抑制基因p53是细胞凋亡的一个调控中心, 可调控多种癌基因的表达[18]。除促进细胞凋亡外, p53蛋白也是细胞周期进程的调控者[3, 19, 20]。

吴振等[14]发现人黑色素瘤细胞 (A375-S2) 对紫草素非常敏感, 在较低的浓度和较短的作用时间内具有很强的细胞毒活性。紫草素对A375-S2细胞生长有明显抑制作用, 形态学上断定为凋亡, 进一步实验发现紫草素诱导了caspase激活, 进而推测凋亡的可能机制是紫草素首先激活了上游的caspase 9, 接着触发了caspase的级联反应, 激活了下游的caspase 3, 导致了细胞凋亡。而深入研究发现, 紫草素作用于细胞9 h, p53蛋白表达增加, 之后略有下降, 作用3～24 h, Bax蛋白的表达上调, 同时下调了Bcl-X L蛋白的表达, 12 h后可发现细胞色素c的释放。这证实了凋亡机制为通过p53激活促凋亡蛋白Bax, Bax导致细胞色素c的释放和caspase的激活, 致使细胞凋亡。另有研究者[21]进一步证实了紫草素通过活化p53降低cdk4的表达来抑制A375-S2细胞生长, 滞留细胞周期。紫草素诱导的细胞凋亡由p53介导, 通过上调Bax下调Bcl-2释放细胞色素c, 导致caspase 8、caspase 9及下游的caspase 3的活化。

1.2 MAPK家族参与的胞内信号转导通路丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinases, MAPKs) 是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。MAPKs信号转导通路在细胞增殖、分化、凋亡等过程中具有至关重要的作用[22]。MAPKs信号通路包括细胞外信号激酶 (extracelluar signal-regulated kinase, ERK)通路、c-jun氨基端激酶(c-jun N-terminal kinase, JNK) 通路和细胞表皮生长因子受体 (epidermal growth factor receptor, EGFR) 通路等。

ERK通路是最经典的, 也是介导细胞增殖和肿瘤形成的一条重要通路, pERK (phosphorylation-ERK)是ERK的活化形式[23]。EGFR是表皮生长因子受体家族成员之一, EGFR信号通路在生理过程中发挥重要作用。JNK是一种能够特异性磷酸化c-jun的蛋白激酶, 是MAPK家族的主要成员之一。

有研究[24]表明, JNK通路的激活与肿瘤的发生发展密切相关。Kim等[23]研究发现紫草素衍生物明显抑制pERK活化c-JNK, 通过调节pERK、JNK、PKC-α的活性起到抑制肿瘤生长作用。

Singh等[25]发现紫草素以时间和剂量依赖性的方式抑制人表皮细胞增殖, 降低EGFR、ERK1/2及酪氨酸激酶的磷酸化水平, 进而影响细胞质的MAPK信号通路, JNK的磷酸化水平增加。同时有研究者[6]发现紫草素以剂量和时间依赖性方式抑制人骨肉瘤细胞系 (143B) 生存, 诱导ROS的产生, 增加ERK蛋白的磷酸化, 降低Bcl-2的表达, 引起细胞凋亡。

总之, 紫草素能够增加胞内与凋亡有关的蛋白的磷酸化水平, 降低与增殖有关的蛋白的磷酸化水平, 参与调控细胞凋亡。

1.3 HIF-1介导缺氧诱导因子-1 (HIF-1) 是一种组织在缺氧环境中产生的具有转录活性的核蛋白[26], HIF-1的表达程度与肿瘤的恶性程度、新生血管的表达程度以及预后不良呈正相关[14]。

刘昕等[27]体外细胞筛选实验证实, β-羟基异戊酰紫草素(β-HIVS) 对前列腺癌细胞 (PC-3) 有明显的选择性抑制作用。使用荧光素酶报告基因检测发现, 细胞中的核转录因子-κB (NF-κB) 转录活性无明显变化, 而HIF-1转录活性受抑制, 且呈剂量依赖效应, 其下游基因VEGF (HIF-1下游靶基因血管内皮生长因子) 表达下调, 且细胞中HIF-1α蛋白累积减少, 由此推断其机制可能是β-HIVS减少低氧条件下PC-3中HIF-1α蛋白水平, 抑制其转录活性, 使下游促细胞生长靶基因VEGF表达下调。中国科学院上海药物研究所丁健等[9]设计合成了一系列侧链具有芳基磺酰胺结构的新型紫草素衍生物, 体外活性实验显示, 此类紫草素衍生物大多数对HeLa及HL60的活