青蒿素及其衍生物的抗腫瘤特性研究進展

楊華，譚先杰

（中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院北京協(xié)和醫(yī)院婦產(chǎn)科，北京100730）

青蒿素及其衍生物的抗腫瘤特性研究進展

楊華，譚先杰

（中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院北京協(xié)和醫(yī)院婦產(chǎn)科，北京100730）

隨著社會的發(fā)展和人們生活方式的改變，癌癥已然成為威脅人類生命的最大危險因素之一，而目前的抗癌藥經(jīng)常會產(chǎn)生對正常組織細胞的細胞毒作用以及出現(xiàn)腫瘤細胞的耐藥現(xiàn)象。因此，找到一種高效且特異性強的抗腫瘤藥物是亟待解決的問題。青蒿素是從菊科植物黃花蒿的葉和花蕾中提取的有效抗瘧疾成分，含內(nèi)過氧化基團的倍半萜內(nèi)酯化合物，主要衍生物有雙氫青蒿素、蒿甲醚、蒿乙醚等。與傳統(tǒng)腫瘤藥物相比，青蒿素類藥物可選擇性殺傷腫瘤細胞，從而最大程度地減少其不良反應，同時很少存在交叉耐藥現(xiàn)象，最大程度發(fā)揮其抗腫瘤作用。近年來人們開始對青蒿素類藥物的抗腫瘤作用機制進行大量研究，以期進一步明確其作用靶點，為其在臨床上的應用奠定基礎(chǔ)。

青蒿素類藥物的抗腫瘤機制

青蒿素衍生物在體外和動物模型中都顯示出其特有的抗腫瘤作用。一項對體外55種細胞系進行的研究結(jié)果顯示，青蒿琥酯對白血病、大腸癌、黑色素瘤、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌和腎癌細胞均有抑制作用[1]。雙氫青蒿素對胰腺癌、白血病、骨肉瘤和肺癌細胞的抗腫瘤作用甚佳[2]。蒿淀粉單用或與其他配伍藥合用的協(xié)同抗腫瘤作用均比青蒿素要強[3]。雙氫青蒿素、青蒿琥酯和青蒿醚可通過協(xié)調(diào)腫瘤細胞生長、凋亡、增殖、血管形成、組織浸潤和轉(zhuǎn)移的基因和蛋白表達來發(fā)揮其抗腫瘤作用。這類含有過氧化橋結(jié)構(gòu)的藥物對腫瘤細胞的殺傷和控制是通過相當復雜的不同通路間相互作用完成的。

活性結(jié)構(gòu)青蒿素類藥物的抗癌活性位點與其抗瘧疾作用的位點相同，起主要作用的部分仍為其過氧化橋結(jié)構(gòu)。研究顯示，過氧化橋部分的缺失雖然不能使其抗癌能力完全消失，但卻大大削減了其抑制腫瘤細胞的效果。因此，青蒿素類藥物的一部分抗癌機制是非過氧化橋依賴性的[4-7]。研究證實，鐵、血紅蛋白或血紅蛋白結(jié)合蛋白都參與了青蒿素類藥物的活性作用[8-10]。在體內(nèi)大多數(shù)系統(tǒng)中，癌細胞中富含的鐵激發(fā)了青蒿素類藥物的細胞毒作用[11-14]。而且，青蒿素類藥物與攜帶鐵的復合物結(jié)合時發(fā)揮作用遠比不含鐵時作用強很多[15-17]。有研究表明，應用琥珀酰丙酮，一種血紅蛋白合成抑制劑，可減輕雙氫青蒿素對 HL-60（人前髓細胞性白血病細胞）的細胞毒作用[14]。同樣，給予鐵離子螯合劑也可降低其藥效[18]。與正常細胞相比，癌細胞核酸代謝旺盛，需要大量鐵質(zhì)，多數(shù)腫瘤細胞表面有高密度的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體，而正常細胞轉(zhuǎn)鐵蛋白受體較少，從而使青蒿素類藥物對腫瘤細胞的作用具有高度的選擇性。

活性氧簇作用青蒿素類藥物的過氧化橋結(jié)構(gòu)與亞鐵原子起反應后斷裂可產(chǎn)生以碳為核心的自由基或活性氧簇（reactive oxygen species，ROS），這些自由基可通過促進凋亡、抑制細胞增殖及血管形成，或直接損傷DNA 等途徑發(fā)揮其抗腫瘤作用。研究顯示，青蒿素類藥物的細胞毒作用與細胞質(zhì)裂解、強氧化應激以及抑制腫瘤浸潤和轉(zhuǎn)移相關(guān)[19]。ROS在青蒿素類藥物對腫瘤細胞的特異性殺傷中發(fā)揮非常重要的作用，腫瘤細胞由于缺乏抗氧化酶而使其更加容易受到ROS的損傷，因此，強氧化應激是抗腫瘤藥物抗腫瘤作用的普遍機制。對于青蒿素類藥物處理過的腫瘤細胞，通過顯微鏡可以觀察到由于ROS的作用使其亞細胞器發(fā)生早期脹亡的形態(tài)學改變。

與此同時，微點陣分析發(fā)現(xiàn)青蒿素類藥物的作用可能是通過氧化應激酶調(diào)控的。對青蒿素類藥物敏感的細胞下調(diào)氧化應激酶，而氧化應激酶的過表達使腫瘤細胞降低了對青蒿素的敏感性[1]。對HL-60細胞系的研究顯示，ROS較早（1 h）且快速的產(chǎn)生與誘導凋亡相關(guān)，而且IC50與ROS的水平直接相關(guān)[20]。一項新研究發(fā)現(xiàn)，青蒿琥酯作用過的Hela細胞其ROS產(chǎn)生的時間（16 h）比其細胞毒作用（48 h）的顯效時間早，從而說明ROS的作用可能是青蒿素類藥物損傷作用的啟始因子[14]。線粒體中的電子傳遞鏈在ROS的產(chǎn)生中發(fā)揮著非常重要的作用，但在Hela細胞中發(fā)現(xiàn)了與電子傳遞鏈不相關(guān)的ROS的產(chǎn)生，表明Hela細胞中可能存在其他產(chǎn)生ROS 的途徑。

青蒿素的抗瘤性也許還受Ca+代謝、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和翻譯控制腫瘤蛋白表達（translationally controlled tumor protein，TCTP）的調(diào)節(jié)，TCTP通過與鈣離子結(jié)合產(chǎn)生作用[1,12,21]。雖然最初認為TCTP基因的表達與青蒿素的抗腫瘤活性相關(guān)，但目前還沒有找到證據(jù)來證明此種相關(guān)性。肌漿鈣離子三磷酸腺苷酶（sarcoendoplasmic Ca2+ATPase，SERCA）在青蒿素抗腫瘤機制中的作用與其抗瘧疾的機制相似。以往研究表明，10 μmol青蒿素就可以使細胞內(nèi)鈣濃度升高從而抑制SERCA的作用[22]。然而，關(guān)于青蒿素二聚體作用機制的研究顯示，ROS介導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激與SERCA抑制不相關(guān)。青蒿素二聚體與毒胡蘿卜肉酯（SERCA抑制劑）的活性相似，但由于毒胡蘿卜肉酯缺乏內(nèi)過氧化橋部分并且生成很少的ROS使它們的作用機制不盡相同。

各項實驗研究均顯示出青蒿素類藥物的多效性，然而其抗腫瘤細胞的細胞毒作用機制是根據(jù)與腫瘤細胞作用的特殊位點及其特性而改變的，因此，青蒿素類藥物的抗腫瘤機制有待進一步更全面深入的研究。

細胞調(diào)控作用腫瘤細胞不可控性的增殖多是由于基因突變引起的細胞增殖信號擴大以及對生長抑制信號敏感度下降，細胞程序化死亡和凋亡的異常也可引起異常的細胞增殖。青蒿素及其衍生物可以通過干擾細胞周期動力學或阻斷增殖通路來抑制腫瘤細胞的增殖。大量研究證實，雙氫青蒿素和青蒿琥酯是青蒿素類衍生物中抗腫瘤潛能最佳的兩種衍生物，而雙氫青蒿素的作用比青蒿琥酯更強[1,23]。有研究表明，淀粉對包括黑色素瘤和乳腺癌在內(nèi)的7種細胞系有明顯的抗腫瘤作用[3]。青蒿素類藥物對腫瘤細胞可產(chǎn)生細胞抑制和細胞毒作用[3,24]。青蒿素類藥物可通過影響腫瘤細胞周期中的任何階段來抑制腫瘤細胞的增殖，其中最普遍的影響是對G0/G1～S期的抑制。對腫瘤細胞整個周期中各階段同時產(chǎn)生影響的作用被稱為細胞抑制作用。雙氫青蒿素可影響骨肉瘤、胰腺癌、白血病和卵巢癌細胞的G2/M期，從而抑制腫瘤細胞的增殖。同樣，青蒿琥酯也可以干擾骨肉瘤、卵巢癌和其他不同類癌細胞的 G2期而抑制腫瘤細胞增殖[25,26]。目前認為，青蒿素類藥物抑制細胞增殖的作用機制是通過改變細胞周期中調(diào)節(jié)酶的表達和活性來完成的。青蒿素類藥物可通過降調(diào)周期蛋白依賴激酶（cyclindependent kinases，CDK）的轉(zhuǎn)錄活性、抑制CDK啟動子或增強CDK抑制劑的活性來抑制腫瘤細胞的增殖活性。雙氫青蒿素可抑制核轉(zhuǎn)錄因子kappa B（nuclear factor-kappa B，NF-κB）的活性從而阻止胰腺癌細胞的增殖而促進其凋亡[27]。對于肺癌細胞（SPC-A1），雙氫青蒿素可通過下調(diào)survivin 蛋白（一種調(diào)控凋亡和細胞周期中G2/M期的蛋白）來抑制其細胞增殖[27-28]?？傊?，青蒿素類藥物對不同腫瘤細胞的抑制作用是通過干擾多種途徑實現(xiàn)的。

凋亡調(diào)節(jié)作用凋亡在抗腫瘤治療中的研究頗為深入，因為對腫瘤細胞凋亡的調(diào)控是控制腫瘤生長的一項有效的治療途徑。細胞的凋亡過程受到B細胞淋巴瘤/白血病-2（B-cell lymphoma /leukemia-2，Bcl-2）基因家族的調(diào)控，包括促凋亡基因Bax和抗凋亡基因Bcl-2，以及這兩種基因?qū)€粒體的作用[29-30]。Bax/Bcl-2比值的增高引起了細胞色素C的釋放從而激活了細胞凋亡蛋白酶導致細胞死亡[30]。在多種腫瘤細胞系中，青蒿素類藥物均能快速使細胞發(fā)生凋亡現(xiàn)象。200 μmol /L的雙氫青蒿素作用白血病細胞1 h即可誘導凋亡現(xiàn)象的發(fā)生[8]。對腫瘤細胞凋亡誘導作用的敏感性與此腫瘤細胞中抗凋亡基因Bcl-2及促凋亡基因Bax的表達相關(guān)。大量研究表明，青蒿素類藥物通過調(diào)控Bax /Bcl-2的比值來誘導細胞凋亡[9,16,22,31-33]。研究發(fā)現(xiàn)，雙氫青蒿素和青蒿琥酯可促進骨肉瘤細胞的細胞色素C釋放、Bax過表達、Bax/Bcl-2比值增高以及細胞凋亡蛋白酶3和9激活，而發(fā)揮其促凋亡作用[16,34]。一項微點陣分析研究顯示，c-myc的表達水平與雙氫青蒿素誘導的凋亡能力相關(guān)，高表達c-myc的白血病細胞（HL-60）和結(jié)腸癌細胞（HCT116）對雙氫青蒿素引起的促凋亡作用更明顯，而且，雙氫青蒿素對將c-myc基因敲除后的HCT116細胞的促凋亡作用明顯減弱，c-myc 基因的降調(diào)與此細胞G1期的增殖抑制相關(guān)[9]。對于轉(zhuǎn)移性黑色素瘤細胞（A375，G361）和Jurkat T淋巴細胞的研究表明，雙氫青蒿素的促凋亡活性與NOXA （一種促凋亡蛋白）的上調(diào)、細胞凋亡蛋白酶3的激活以及氧化應激相關(guān)[35-36]。在肺組織細胞中，雙氫青蒿素通過提高鈣濃度和p38的活性而促進凋亡[37-38]。誘導凋亡是青蒿素類藥物抗腫瘤作用的最佳之處，因為凋亡可以避免炎癥的不良反應以及壞死引起的細胞損傷。

抑制血管形成對惡性腫瘤的患者來說，惡性腫瘤細胞的侵襲能力與其病死率和發(fā)病率相關(guān)。腫瘤細胞播散到原發(fā)灶以外其他器官的過程是惡性腫瘤細胞穿過細胞外基質(zhì)到達血管并在其中存活，而最終種植在遠處器官。E-鈣黏蛋白（一種結(jié)合Ca2+的跨膜蛋白，在細胞黏附過程中起重要作用）的表達和無功能是腫瘤細胞侵襲的重要條件。一系列基因編碼的細胞外基質(zhì)蛋白酶、活性因子和黏連蛋白均在腫瘤轉(zhuǎn)移過程中的不同階段發(fā)揮作用。近來研究發(fā)現(xiàn)，纖溶酶原激活抑制劑1（plasminogen activator inhibitor 1，PAI-1）和基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑1 （tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP-1）與腫瘤的轉(zhuǎn)移相關(guān)[39]。青蒿素類藥物的最大益處在于它對高度惡性和強侵襲能力的腫瘤仍有抗轉(zhuǎn)移能力，而其抗轉(zhuǎn)移能力與基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP）基因家族的表達相關(guān)。12.5 μmol /L青蒿素可使肝癌細胞系（HepG2和SMMC 7721）的MMP2減少、TIMP-2增多，從而降低其轉(zhuǎn)移能力。同時青蒿素可通過增加E-鈣黏蛋白的活性或激活Cdc42來增強細胞間的黏附作用而抑制腫瘤轉(zhuǎn)移[40]。研究表明，不同的腫瘤細胞其抗轉(zhuǎn)移能力是通過不同的介質(zhì)表達的，例如：在非小細胞肺癌和纖維肉瘤中，雙氫青蒿素通過AP-1 和NF-κB 的反式激活或失活使MMP2、MMP7和MMP9的表達水平下降[37,41]。還有研究表明，在老鼠的肺Lewis瘤中，青蒿素可通過抑制血管內(nèi)皮生長因子C的作用來延遲淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移及淋巴血管的形成[42]。

惡性腫瘤組織的生長、轉(zhuǎn)移和成瘤需要大量的血供才能維持，因此，腫瘤細胞通過調(diào)節(jié)與新血管系統(tǒng)形成和重建相關(guān)的蛋白和通路來誘導新血管的形成。在血管形成的過程中，血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）及其受體和細胞因子的作用是使內(nèi)皮細胞大量增殖，其作用機制包括缺氧所導致的缺氧誘導因子-1α （hypoxia-inducible factor 1 alpha，HIF-1α）和芳香烴受體核轉(zhuǎn)運蛋白的激活等多種機制。血管的形成受到血管生成抑制因子、內(nèi)皮抑制因子、凝血酶敏感蛋白、TIMPs、PAI-1和其他因子的共同調(diào)控。鑒于它們在腫瘤形成中的作用，前血管形成因子以及調(diào)控血管形成的任何分子均可成為抗腫瘤治療的靶點。微點陣分析研究顯示，青蒿素、青蒿琥酯和其他青蒿素類衍生物通過調(diào)節(jié)血管形成因子基因的表達來抑制新血管的形成[43]。青蒿素類藥物可通過降調(diào)生長因子（VEGF和FGF）、HIF-α、血管生成素（angiopoietin，ANG）、富含半胱氨酸血管形成誘導素 61、金屬蛋白酶（MMP9、MMP11、BMP1）和膠原來抑制血管形成。同樣，青蒿琥酯也通過上調(diào)血管形成抑制劑而抑制血管形成[43-46]。50 μmol /L雙氫青蒿素通過降低VEGF flt-1和KDR/flk-1的受體來抑制人臍靜脈內(nèi)皮細胞的血管形成能力，同時在淋巴內(nèi)皮細胞和 Lewis肺腫瘤細胞中存在同樣效果[47-48]。在胰腺細胞（BxPc-3）和Babl /c裸鼠中，雙氫青蒿素通過抑制NF-κB的DNA結(jié)合以及下調(diào)其血管形成相關(guān)靶點（如VEGF、IL-8、Cox2和MMP9）而抑制血管形成[49]。以往研究顯示，NF-κB水平的降低與抑制腫瘤增殖和轉(zhuǎn)移相關(guān)，表明NF-κB的調(diào)控是雙氫青蒿素抑制腫瘤作用的關(guān)鍵。總之，NF-κB 在抗腫瘤藥物中起至關(guān)重要的作用。青蒿素類衍生物還顯示出其他的抗腫瘤特性，青蒿琥酯可以通過負調(diào)控Wnt信號通路使組織細胞重新分化。

青蒿素類藥物的臨床應用

青蒿素類藥物的抗腫瘤作用已經(jīng)進入了臨床試驗階段，并已經(jīng)開始應用到個別臨床案例中[6,50-51]。蒿甲醚和青蒿琥酯在抗腫瘤治療中顯示出非常好的耐受性和非常少的不良反應。青蒿琥酯可有效治療喉部鱗狀細胞癌，經(jīng)過兩個月的治療可顯著減小腫塊體積[51]，而且青蒿琥酯和標準化療藥物聯(lián)合應用可增加皮膚癌患者的生存期，減少腫瘤轉(zhuǎn)移率[6]。此外，蒿甲醚半衰期長，且很容易通過血腦屏障，因此用蒿甲醚治療巨型垂體腺瘤可顯著提高療效。一項對120例晚期小細胞肺癌患者的臨床研究顯示，青蒿琥酯聯(lián)合長春瑞濱以及順鉑可使晚期小細胞肺癌患者的一年生存率提高13%，并可顯著提高疾病控制，抑制疾病進展[50]。值得一提的是，青蒿琥酯的不良反應很少。

青蒿素類藥物的抗腫瘤前景

青蒿素類藥物的抗瘧疾治療已經(jīng)應用于臨床多年。近來研究顯示，青蒿素類藥物擁有很多新的生物活性，最受關(guān)注的當屬其抗腫瘤活性。有證據(jù)表明，青蒿素類藥物對惡性度高、轉(zhuǎn)移能力強的腫瘤是很好的治療選擇，而且，其抗瘧疾機制中的過氧化物橋可協(xié)同其他抗腫瘤藥物一起殺傷腫瘤細胞而沒有增加不良反應。

研究表明，青蒿素類藥物通過多種不同的分子途徑實現(xiàn)其抗腫瘤作用，然而，青蒿素類藥物導致的細胞死亡機制尚需要進一步探討研究。對青蒿素類藥物發(fā)揮其藥效的決定簇研究已受到越來越多的關(guān)注。然而，青蒿素類藥物活性中抗腫瘤作用的作用機制尚未完全明了，精確的分子機制（如在腫瘤細胞中ROS怎樣、何時、在什么部位被激活）仍未得出確切結(jié)論。值得注意的是，與ROS不相關(guān)的作用機制應該引起關(guān)注，因為這些在抗瘧疾作用中沒有明顯作用的機制有可能是青蒿素類藥物對一些腫瘤細胞發(fā)揮細胞毒作用的關(guān)鍵。此外，青蒿素類藥物所產(chǎn)生的DNA直接損傷和P53 基因毒性作用需要進一步的研究。

總之，青蒿素類藥物真正的潛質(zhì)及優(yōu)勢仍有待研究、探索與發(fā)現(xiàn)，但目前研究所發(fā)現(xiàn)的強大的抗腫瘤作用足以使其成為抗腫瘤藥物研究中的焦點，為腫瘤治療開拓一片新天地。

摘編自《中國醫(yī)學科學院學報》2013年第4期：466～471頁，圖、表、參考文獻已省略。