大蒜素及其化合物抗腫瘤作用研究進展

夏鵬，吳發印，龍琴

(遵義醫科大學第五附屬(珠海)醫院口腔頜面外科，廣東 珠海 519100)

流行病學調查研究顯示，多種癌癥的發生與大蒜的攝入呈負相關[1]。大蒜素是大蒜中特有的一種含硫化合物復合體，是大蒜的主要活性化合物之一，分子式為C6H10OS2，疏水性較強，不易溶于水，但易溶于乙醇、乙醚等有機溶劑，可快速通過細胞膜到達細胞內，其在機體內的吸收比例可達95%[2]。大蒜素及其化合物具有抗炎、抗菌以及廣泛的抗腫瘤活性[3-5]，在結腸癌、肺癌、胃癌、乳腺癌、宮頸癌等腫瘤中表現出確切的抑癌作用[6-9]。大蒜素是一種多靶點的天然抗腫瘤化合物，可通過線粒體凋亡途徑作用于癌細胞，也可通過直接抑制癌細胞的侵襲和轉移，使其增殖受限。隨著研究的深入發現，大蒜素可通過自噬性死亡、特殊酶、重要蛋白信號、死亡受體凋亡信號以及一些關鍵抑癌基因使癌細胞凋亡或增殖受限[10]。在目前臨床試驗中，大蒜素的抗癌作用已被證實。現就大蒜素及其化合物的抗腫瘤活性及其相關機制進行綜述，以期為進一步深入研發抗腫瘤活性藥物提供參考依據。

1 大蒜素概述

大蒜是一種多年生草本植物，屬于洋蔥屬。新鮮或碾碎的大蒜會釋放出有機硫化合物，如蒜素、大蒜素。蒜氨酸是大蒜典型刺激性氣味的來源。大蒜被切碎或碾碎時，蒜氨酸被蒜氨酸酶轉化為硫代亞硫酸鹽，即大蒜的主要抗腫瘤活性成分[11]。大蒜素既有脂溶性成分，也有水溶性成分。大蒜素的脂溶性成分包括二烯丙基硫、二烯丙基二硫(diallyl disulfide，DADS)和二烯丙基三硫(diallyl trisulfide，DATS)，水溶性成分包括S-烯丙基半胱氨酸、S-烯丙基巰基半胱氨酸等[12]。近年來，上述大蒜所含硫化物的多種抗癌作用受到重視，現已進行相關癌癥預防試劑和抗腫瘤活性試劑的研究。

2 大蒜素抗腫瘤作用

2.1自噬作用 自噬是一種區別于凋亡的特殊細胞死亡形式。自噬是溶酶體降解細胞內成分的過程，包括隔離膜形成、核化、雙膜結構延伸形成自噬小體、與溶酶體融合等一系列步驟[13]。在細胞自噬過程中，細胞質的一部分被隔離，形成一個雙層結構的噬菌體，然后噬菌體以選擇性或非選擇性的形式吞噬需要降解的細胞質內容物，隨后噬菌體逐漸成熟并形成一個封閉的自噬小體，自噬小體降解捕獲的內容物。最后，降解產物通過細胞合成代謝反應被循環利用[14]。細胞在應激條件下可激活細胞的自噬機制，通過吞噬、消化和再循環促進細胞蛋白質的分解代謝，以維持細胞代謝的動態平衡[15]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是自噬發生發展過程中的中心蛋白，可調節下游底物磷酸化。大蒜素通過調控mTOR的表達使下游底物發生磷酸化，引發自噬反應，導致細胞死亡。Xiang等[16]報道，大蒜素與順鉑聯合對甲狀腺惡性腫瘤細胞的生長有抑制作用，大蒜素通過抑制蛋白激酶B/mTOR信號通路引發自噬依賴性細胞死亡，提示大蒜素可通過mTOR調節自噬，從而發揮抗甲狀腺癌的作用。經單純DADS處理的髓樣白血病細胞的mTOR表達水平顯著降低，DADS可通過mTOR通路誘導髓樣白血病細胞系自噬，降低白血病細胞活力[17]。研究大蒜素單一或聯合用藥對癌細胞的作用，有望為癌癥的治療提供新思路。

2.2抑制端粒酶活性 端粒是位于真核細胞染色體末端的一段特殊結構，能夠維持染色體的完整性，并控制細胞分裂周期。在85%的人類腫瘤細胞中端粒酶呈特異性表達，而在正常細胞中端粒酶呈低表達，故推測端粒酶可能是抑癌的理想靶點[18]。端粒酶是一種特殊的反轉錄復合酶，由端粒酶反轉錄酶、端粒酶反轉錄模板及相關蛋白組成。端粒酶反轉錄酶是主要的限速催化亞基，在正常細胞中呈低表達，在腫瘤細胞中呈高表達，端粒酶反轉錄酶的表達水平和端粒酶活性是端粒延長的直接影響因素[19]。端粒延長是腫瘤細胞的一個關鍵特征。人類正常細胞中端粒酶抑制或端粒變短均可防止細胞不受控制的增殖，而癌細胞中端粒酶活性高，故癌細胞能夠無限分裂，并快速侵襲和轉移[20]。大蒜素作用于端粒酶，能夠抑制端粒酶活性、穩定端粒的長度，并使細胞分裂周期處于穩定分裂狀態[21]。前期研究發現，大蒜素作用于人胃腺癌細胞SGC790后，呈時間劑量依賴性地抑制癌細胞增殖，并增加G2/M期細胞比例，其機制與大蒜素對端粒酶活性的抑制有關[22]。研究發現，大蒜素化合物DADS通過下調端粒酶催化亞單位端粒酶反轉錄酶的水平抑制端粒酶活性，導致端粒酶反轉錄酶啟動子上相應結合位點DNA活性的降低，最終通過抑制端粒酶活性導致細胞凋亡[23]。在端粒較長和倍增時間較長的腫瘤中，延遲療效是大部分化療藥物無效的一個重要因素，使用天然合成的大蒜素化合物抑制端粒酶活性可能是癌癥治療的新途徑。

2.3調節蛋白信號

2.3.1鈣網蛋白 在內質網中，鈣網蛋白能夠協調一些膜表面蛋白、外分泌蛋白以及內質網駐留蛋白的折疊與轉運，一方面，鈣網蛋白停留在內質網中協調相關蛋白的折疊與轉運，使積聚的未折疊蛋白質發生折疊，從而維持細胞內環境穩定[24]；另一方面，鈣網蛋白指導蛋白質和糖蛋白的正確構象，具有多種細胞功能，包括維持細胞內鈣穩態、參與細胞間信號轉導以及參與細胞增殖、分化、侵襲、凋亡等[25]。腫瘤細胞可通過下調促吞噬信號鈣網蛋白的表達逃避免疫監視。大蒜素可增加細胞表面鈣網蛋白的表達，重新激活機體的抗腫瘤免疫，從而清除腫瘤細胞[26]。Pozzi等[27]比較西妥昔單抗治療后暴露和未暴露鈣網蛋白的結腸癌細胞發現，未暴露鈣網蛋白的結腸癌細胞可以逃避樹突狀細胞的識別和吞噬。Xie等[28]將不同濃度和作用時間的大蒜素化合物DATS作用于人骨肉瘤細胞Saos-2發現，DATS可顯著上調Saos-2鈣網蛋白信使RNA和蛋白的表達水平，從而改變人骨肉瘤細胞的形態，并抑制其生長。其機制可能為DATS通過拮抗細胞代謝過程中的過氧化物酶體增殖物激活受體上調細胞鈣網蛋白的表達，從而促進吞噬細胞吞噬腫瘤細胞。鈣網蛋白功能障礙與癌癥有關，而大蒜素是少有的通過鈣網蛋白機制抑制腫瘤免疫的藥物，大蒜素通過調控鈣網蛋白引發抗腫瘤免疫反應的具體機制仍需深入研究。

2.3.2熱激蛋白 (heat shock protein，HSP) HSP是原核和真核生物中高度保守的蛋白，生理條件下一般呈低表達，當受到外界刺激時，HSP合成增加，近年其抗腫瘤免疫作用日益受到重視。HSP對細胞具有保護作用，在蛋白質折疊、維持蛋白質穩定性、維持細胞穩態和誘導細胞凋亡中起關鍵作用[29]。研究發現，細胞內的HSP在先天性和適應性抗癌免疫中發揮作用，提示HSP可用于癌癥的免疫治療[30]。在哺乳動物中，HSP基于分子量分為不同的類別，如HSP100、HSP70以及小型HSP(HSP33和HSP27)[31]。大蒜素可通過調節HSP的表達激活抗腫瘤免疫信號并誘導細胞凋亡[32]。Suda等[33]研究發現，大蒜素化合物DATS顯著誘導了人類單核細胞系U937白血病細胞中HSP27蛋白二聚體的形成以及U937白血病細胞的凋亡，其潛在機制可能是HSP27激發了保護性抗腫瘤細胞免疫反應。研究發現，HSP在細胞膜上的暴露可能與細胞膜中脂質雙層的組成相關，可通過膜脂質結構的調節或修飾調節HPS在細胞膜上的表達，進而用于癌癥治療[34]。

2.3.3微管蛋白 微管是由微管蛋白二聚體組成的中空長圓柱體，由微管蛋白α和微管蛋白β組成，微管蛋白是動態的細胞骨架絲狀蛋白，在細胞內運輸、細胞極性、細胞形狀、有絲分裂以及基因表達等過程中發揮重要作用[35]。微管能夠促進有絲分裂紡錘體和減數分裂紡錘體的形成，是細胞分裂過程的關鍵結構[36]。在有絲分裂過程中，微管蛋白網絡重塑形成有絲分裂紡錘體，微管細絲的動態特性使染色體能夠正確分離。未正確連接或分離染色體會導致有絲分裂檢查點的細胞周期停滯，并可能導致細胞凋亡[37]。研究發現，大蒜素可通過作用于微管蛋白影響細胞有絲分裂[38]。Xiao等[39]在體外培養的成纖維細胞中加入大蒜素發現，大蒜素直接作用于微管蛋白二聚體，導致微管蛋白解聚，但不影響肌動蛋白骨架的形成。Prager-Khoutorsky等[40]研究發現，用大蒜素處理小鼠成纖維細胞NIH-3T3后，細胞的運動行為與微管干擾藥物處理的細胞的運動行為非常相似，同時大蒜素導致纖維細胞的細胞質和紡錘形微管的快速解聚，并阻止細胞分裂，表明大蒜素可直接作用于微管，推測大蒜素可通過影響細胞微管形成抑制細胞分化、遷移和分裂。

2.4誘導細胞凋亡 細胞凋亡是由基因控制的一種細胞自主有序的死亡方式，有助于維持內環境穩定。近年細胞凋亡逐漸被人們熟知，促進癌細胞凋亡是殺死腫瘤細胞的有效方法之一，也是常見化療藥物的主要作用機制[41]。內源性線粒體途徑和外源性死亡受體途徑是影響細胞凋亡的兩條途徑，分別通過B細胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia-2，Bcl-2)家族(如Bcl-2、Bcl-2相關X蛋白)和腫瘤壞死因子家族(如腫瘤壞死因子受體1、Fas和腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體)轉導信號，直接導致胱天蛋白酶(caspase)活化，觸發級聯反應，從而發揮促凋亡作用。

2.4.1內源性線粒體途徑 線粒體途徑始于以Bcl-2家族為代表的凋亡調節蛋白家族，是目前研究最多的細胞死亡方式。當線粒體凋亡通路啟動時，Bcl-2家族的促凋亡蛋白上調并被激活，而抗凋亡蛋白表達下調。促凋亡蛋白Bcl-2相關X蛋白從細胞質轉移至線粒體膜，形成跨膜孔，通透性轉換孔開放，線粒體膜電位降低，導致細胞色素C(cytochrome C，Cyto C)釋放。在ATP或dATP的參與下，Cyto C進入細胞質，隨后與凋亡酶激活因子和其他凋亡蛋白酶激活劑結合，形成凋亡復合體。凋亡復合體通過啟動caspase級聯反應，切割多聚ADP-核糖聚合酶、肌動蛋白等底物，最終導致細胞死亡和溶解[42]。線粒體功能在細胞凋亡過程中發揮重要的調控作用，而大蒜素可作用于線粒體的相關信號蛋白，導致線粒體功能異常，進而誘導凋亡。Zhang等[43]報道，大蒜素可減輕脂多糖誘導的人臍靜脈內皮細胞凋亡，降低內源性抗氧化酶活性。這些保護作用與大蒜素抑制線粒體功能障礙有關，表現為線粒體崩塌、Cyto C合成和線粒體ATP釋放減少。Chen等[44]研究報道，大蒜素可通過下調抗凋亡蛋白Bcl-2的表達上調促凋亡蛋白Bax的表達，激活caspase級聯反應，從而抑制膽管癌細胞增殖，提示大蒜素能通過線粒體通路抑制膽管癌細胞的增殖和分化。線粒體可通過有氧呼吸為細胞活動提供所需要的能量和必需的營養物質。當大蒜素使癌細胞線粒體結構異常以及線粒體發生DNA突變等時可影響整個細胞的功能，從而促進癌細胞凋亡。

2.4.2外源性死亡受體途徑 死亡受體途徑在多種細胞的凋亡過程中發揮重要作用。死亡受體途徑激活腫瘤壞死因子受體超家族中的相關死亡受體蛋白，包括腫瘤壞死因子受體1、Fas受體、腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體等[45]。死亡受體被相應配體激活后導致受體聚集、特異性死亡域蛋白招募，隨后caspase-8活化。活化的caspase-8可進一步激活caspase-3和caspase-7，發揮促凋亡作用[46]。大蒜素可通過致敏死亡受體信號蛋白發揮促凋亡作用。Hwang等[47]研究發現，用大蒜素化合物DADS處理可使結直腸癌細胞系中的腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體蛋白致敏，隨后caspase活化引起結直腸癌細胞凋亡。Li等[48]報道，用大蒜素處理膠質瘤細胞U251發現，死亡受體相關凋亡蛋白Fas表達升高，而抗凋亡相關蛋白Bcl-2表達下降，用大蒜素處理U251細胞可誘導外源性凋亡信號通路的激活，進而誘導癌細胞凋亡。死亡受體途徑介導的細胞凋亡通路是治療腫瘤的理想方案，但因該凋亡通路的調控機制較復雜，且存在多種抗凋亡因子，使腫瘤細胞對凋亡信號產生一定的耐受。近年研究發現，大蒜素可單獨靶向死亡受體或抗凋亡因子引起腫瘤細胞凋亡[47]。細胞凋亡是經典的腫瘤細胞死亡方式，大蒜素可通過作用于細胞凋亡中的關鍵信號蛋白誘導caspase級聯反應發生，最終發揮抗腫瘤的作用。

2.5調控癌基因表達

2.5.1微RNA(microRNA，miRNA) miRNA是一類內源性的具有調控功能的非編碼RNA，通過靶向信使RNA、誘導翻譯抑制或RNA降解等調控基因表達，從而調節廣泛的生物學過程[49]。miRNA在細胞周期、細胞凋亡等調節中發揮關鍵作用。大蒜素可通過調控miRNA的基因序列抑制其翻譯轉錄，進而抑制癌細胞分裂，最終抑制癌細胞生長[50]。大蒜素可通過調控miRNA(如miR-383-5P)基因的表達序列，抑制胃癌細胞中磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號轉導[7]。磷脂酰肌醇-3-激酶是一種重要的激酶，可激活蛋白激酶B，激活的蛋白激酶B通過激活下游細胞內蛋白，參與細胞的生長、增殖以及遷移等生理活動。Wang等[51]報道，大蒜素化合物DADS通過上調miR-34a抑制磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路，從而抑制胃癌細胞株SGC-7901細胞的侵襲并誘導其凋亡，提示miR-34a可能是DADS抗胃癌作用的潛在靶點。未來可更深層次地探究大蒜素對miRNA基因序列的影響。

2.5.2p53 p53是常見的抑癌基因之一，其主要功能是調節細胞周期和避免細胞癌變。在人類所有惡性腫瘤中，50%以上的癌細胞會出現p53基因突變[52]。p53通過翻譯后修飾(磷酸化或乙酰化)作用于具有不同生理功能的下游基因[53]，翻譯后修飾的功能與細胞凋亡密切相關。p53還可調控線粒體信號通路中的關鍵蛋白，與促凋亡蛋白家族的Bcl-xL和Bcl-2形成抑制復合物，導致線粒體膜通透性改變和Cyto C釋放，誘導細胞凋亡[54]。大蒜素通過作用于p53介導的凋亡在腫瘤抑制、放化療敏感性中發揮作用。Yang等[55]報道，大蒜素在體外對膠質母細胞瘤細胞的增殖有抑制作用，通過上調p53活性抑制細胞生長因子釋放，提高膠質母細胞瘤對放療的敏感性，誘導膠質母細胞瘤凋亡。p53作為經典的腫瘤抑制因子，對細胞各種死亡方式均有調節作用，通過翻譯后修飾廣泛調節p53蛋白的功能。進一步明確大蒜素調控p53發揮抗腫瘤作用的機制可為腫瘤的治療提供新思路、新方法。

2.5.3Survivin Survivin是迄今為止發現的最強的凋亡抑制因子之一，其具有腫瘤特異性，且與腫瘤細胞的增殖分化及侵襲轉移密切相關[56]。Survivin可直接作用于caspase，抑制caspase-3和caspase-7的活性，阻斷細胞凋亡過程。另外，Survivin具有細胞周期依賴性，僅表達于G2/M期并可調節G2/M期進展，可與細胞周期蛋白依賴性激酶4和細胞周期蛋白依賴性激酶2相互作用，阻斷凋亡信號轉導通路。Survivin具有促進細胞周期進展和抑制細胞凋亡的雙重作用[57]，而大蒜素可作用于Survivin抑制細胞周期進展，同時發揮凋亡作用，是一種理想的抗癌治療靶點[58]。婁諍等[59]對大蒜素抑制白血病細胞株KG-1細胞增殖分子生物學機制的研究發現，大蒜素能夠顯著抑制白血病細胞株KG-1細胞的增殖，并可使KG-1細胞凋亡，其潛在機制與Survivin信使RNA表達水平降低有關。應用大蒜素阻斷Survivin的表達和功能可能成為癌癥治療的策略。

2.5.4Wnt/β-聯蛋白(catenin)信號 Wnt/β-catenin信號通路是一條進化上保守且功能多樣的信號通路，與胚胎發育、組織內環境平衡以及多種疾病的發生有關。Wnt/β-catenin信號穩定可維持機體正常的生理活動，該通路的異常激活將導致β-catenin在細胞核內積聚，并促進c-myc和cyclinD-1等多種癌基因轉錄，最終導致腫瘤發生[60]。大蒜素可維持Wnt/β-catenin信號通路的穩定，甚至使Wnt/β-catenin信號的表達減少，從而發揮抗腫瘤作用[61]。研究發現，經DADS處理乳腺癌小鼠的腫瘤體積和重量顯著減小，β-catenin信號表達減少，腫瘤細胞凋亡率增加[62]。Zhang等[61]報道，DATS通過抑制Wnt/β-catenin的表達抑制結直腸癌干細胞生長，而Wnt/β-catenin表達上調后，DATS對結直腸癌細胞的抑制作用減弱。此外，DATS在抑制膠質瘤細胞存活、侵襲和血管生成方面發揮作用，其潛在機制仍與抑制Wnt/β-catenin信號級聯有關[63]。β-catenin的活性受多種高度調控過程的控制，而大蒜素可通過調節Wnt/β-catenin信號而發揮抗腫瘤作用，明確上述高度調控過程的具體機制，有助于確定大蒜素治療腫瘤的關鍵干預信號節點。

2.6抑制血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表達 VEGF是血管生成過程中的關鍵介質，與腫瘤的侵襲、轉移有關。通過抑制VEGF的活性可降低血管通透性，最終抑制腫瘤的生長和轉移[64]。VEGF在多種腫瘤中表達，尤其在惡性程度較高腫瘤中，VEGF呈過表達[65]。大蒜素可使VEGF失活，從而抑制癌細胞的侵襲和轉移[66]。Gao等[67]評估了大蒜素聯合環磷酰胺治療神經母細胞瘤小鼠的效果發現，與環磷酰胺單藥治療相比，環磷酰胺+大蒜素可改善荷瘤小鼠T細胞亞群分布并抑制VEGF表達，更好地抑制腫瘤生長。淋巴管是腫瘤細胞侵襲轉移、引流淋巴結擴散到其他器官的重要通道。Wang等[68]研究發現，大蒜素具有抗淋巴管生成作用，其在體內外抑制VEGF表達，對癌細胞的侵襲、轉移有抑制作用。VEGF家族及其相應受體在血管系統發育和淋巴管系統形成中發揮重要作用，大蒜素通過抑制腫瘤血管和淋巴管的新生而抑制腫瘤的侵襲和轉移。

3 結 語

大蒜素是多種含硫化合物的復合體，通過多種信號通路抑制腫瘤的發生和發展。大蒜素可通過自噬作用、抑制端粒酶活性、調節蛋白信號、誘導細胞凋亡、調控抑癌基因表達、抑制VEGF表達等發揮抑制癌細胞生長的作用，為腫瘤的預防、治療提供新的途徑。目前已了解大蒜素抗腫瘤作用的多個關鍵信號轉導通路，但由于大蒜素的劑量依賴效應、吸收方式、影響因素以及不同信號轉導通路之間的相互影響，其確切的抗腫瘤作用方式尚不清楚。未來，仍需開展基于大蒜素具體劑量及有效成分的臨床試驗及流行病學調查研究，以明確大蒜素的功效。