虾青素抑癌作用机制研究进展

抗氧化中心 2021-01-06 14:15

    虾青素是一种从虾蟹外壳、牡蛎、鲑鱼及藻类、真菌中发现的橙红色类胡萝卜素，其化学结构由四个异戊二烯单位以共轭双键形式连接，在其两 端有二个异戊二烯单位组成的六元环结构。虾青素抗氧化性极强,其抗氧化活性是其他类胡萝卜素如玉米黄质、叶黄素胡萝卜二醇、鸡油菌素和β-胡萝卜素的10倍，是维生素E的100倍，而且是目前知道唯一可以通过转胞吞作用过血脑屏障的酮类-类胡萝卜素，在人体营养与健康领域有着广泛的应用前景，连续八周每天服食6mg来自藻类 Haematococcus pluvialis 的虾青素对人体无任何危害。虾青素可以用于预防和治疗多种疾病，包括慢性炎症性疾病、代谢综合征、糖尿病、神经系统疾病、心血管疾病、皮肤性疾病、运动型疲劳、消化系统疾病和男性不育等多种疾病,许多动物实验模型证实，纯化的虾青素对不同癌细胞包括结肠、口腔、纤维组织、胸腺、前列腺等癌细胞以及胚胎成纤维细胞都具有生长抑制效应。尽管喂食虾青素不能逆转恶性病变，但增加了个体生存率。与其他类胡萝卜素相比，虾青素更易被生物体吸收，具有更高的抗脂质过氧化能力，表现出更高的抗癌活性。更重要的是，虾青素不是维生素A的前体,不会像β-胡萝卜素因为过量服用而诱导肺部、结肠癌病变在已有的研究中，仅有一例报道了肿瘤发生后服食虾青素，反而导致肿瘤快速增长。已有系列文章综述了虾青素的结构和功能，本文拟对近年来虾青素抑癌作用机制研  究进展予以综述。

1    抗氧化保护正常细胞

活性氧水平的异常在肿瘤的发生甚至转移中起着重要的作用。过度的自由基产生可导致氧化压力，造成DNA损伤、脂类过氧化和氧化的蛋白质修饰。虾青素的生物学效应与抗氧化属性必然有着紧密联系。虾青素的特殊结构，不仅能够使其具有很好的膜穿透能力降低细胞内部氧化压力，而且还可以镶嵌在膜结构当中，通过中间的共轭双键结构，降低膜结构内部本身的氧化压力。虾青素清除自由基的半数有效剂量ED5o是200nM,而口  服虾青素（100 mg/kg,p.o.）5h后，小鼠血浆和肝脏中虾青素浓度可达800 nM和400 nM，可有效清除氧自由基。除了直接淬灭氧自由基外，大量的体内体外研究结果表明，虾青素还可引起抗氧化酶活性变化，抑制活性氧（reactive oxygen species,ROS）的产生，同时增加胞内谷胱甘肽水平，降低血  清丙二醛含量，抑制脂质过氧化，减少氧化物引起的脂类过氧化氢水平上升，从而保护正常细胞的细胞器以及胞内活性大分子DNA、蛋白和脂质，抑制癌症的发生。虾青素引起的抗氧化酶系统的改变，可能与Nrf2的表达上调有关。该蛋白是Keapl- Nrf2/EpRE/ARE信号途径中一个重要的转录因子，可改善抗氧化抗毒作用二相酶（phase-2 enzymes）的表达，激活抗氧化反应原件，从而保护机体。

但越来越多的研究表明，虾青素起作用不仅仅是由于其自身或诱导的高效抗氧化性。有些抗氧化剂，如维生素E,也能减少胁迫诱导脂质过氧化到和虾青素一样的水平，但维生素E不能改善胁迫诱导的免疫损伤，这说明，虾青素可通过其他途径调节胞内胞外的信号分子和基因表达。

2  抑制癌细胞生长增殖

虾青素可抑制多种癌细胞包括结肠、口腔、纤维组织、胸腺、前列腺等癌细胞以及胚胎成纤维细胞生长增殖。使用虾青素或者富含虾青素的H. pluwialis提取液，都可使癌细胞培养物S期细胞减少，G0/G1细胞比例增加，同时癌细胞增殖标志物增殖细胞核抗原表达下降，细胞增殖能力下降.原癌基因细胞周期蛋白eyelin DI是使细胞实现C1期到S期转换的调节因子，在许多癌细胞株中均过量表达，但在虾青素作用增殖被抑制的癌细胞株中，CyelinDI表达降低，同时细胞周期调节蛋白激酶（cyelin-WAF-4/CIP4  dependent protein kinases, CDK）抑制剂p21WAF-1/CIP-1和P27KIPI在mRNA和蛋白水平均增加，他们共同作用导致细胞停留在GI期.

虾青素对癌细胞的增殖抑制作用可能与其抑制肿瘤细胞吸收营养、破坏细胞内大分子，以及过氧化物酶体增殖物激活受体γ（ peroxysome proliferator-  activated receptor gamma, PPARy）活化，进而干扰细胞周期有关。喂食虾青素的乳腺癌小鼠，其肿瘤组织内一些细胞生存所必需的Fe、P、S、Ca 等元素含量明显下降，同时肿瘤组织从健康组织中这些元素的吸收也被抑制，导致肿瘤细胞营养不足生长繁殖被抑制。此外，虽然虾青素保护正常细胞内大分子，但对肿瘤细胞胞内大分子反而具有破坏性作用，癌细胞DNA损伤程度随着虾青素的浓度加大和作用时间的增长而增大 。PPARγ是一类由配体激活的核转录因子，在许多肿瘤中均有表达，被特异性配体激活后可以抑制细胞增殖.虾青素以一种剂量依物方式上调PARYy的表达，使用PPARγ拮抗剂GW9662进行处理，可以部分弱化虾青素对癌细胞增殖的抑制。PPARγ活化后，可通过激酶调抗剂控上调p21WAF-1/CIPA-1 和p27KIPI，减少Cyclin D1表达。

3  诱导癌细胞凋亡

虾青素可以诱导肝癌、结肠癌、乳腺癌等多种癌细胞凋亡。凋亡特征包括原位末端标记，磷脂酰丝氨酸外翻、亚二倍体峰，Caspase-3活性表达等呈阳性。其促凋亡途径可能经由线粒体介导的信号通路实现。虾青素处理引起癌细胞线粒体损伤，线粒体膜电位改变,Ca2+浓度持续上升，电子传递链  被破坏，细胞色素C释放到细胞质，最终导致细胞凋亡。

虾青素影响抗凋亡蛋白B cell lymphoma（Bel-2）、B-cell lymphoma-extra large （Bcl-XL） 的表达诱导细胞凋亡。影响Bcl2家族蛋白表达与磷酸化是许多类胡萝卜素物质如β-胡萝卜素、叶黄素、角黄素和玉米黄质的共同通路。虾青素同样能改Bcl2、BclXL、Bcl-2 associated x （Bax） 的表达。在不同的实验模型中虾青素处理后，定位于线粒体膜 上的Bcl-2蛋白表达量下降,Bax表达量上升，导致Ba/Bed2 Bat/BeXL.的比例上升，细胞色素释放，Caspase-3活化引起细胞凋亡

PPARYy被特异性配体激活后，不仅抑制细胞增殖、还可以通过调节一系列激酶磷酸化程度参与虾青素诱导的癌细胞凋亡。在虾青素处理下， 癌细胞中磷酸化程度较高的蛋白激酶B（AKT）磷酸化被抑制。Janus 激酶1（JAKI）及信号传导及转录活化子3（STAT3）表达下调时，伴随促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）家族p38,c-un 氨基端激酶（JNK）和信号调节激酶ERK1/2磷酸化形式表达增加。这些受PPARy调控的激酶磷酸化程度及表达量的改变，可进一步调节Bax、 Bcl2、Bcl-XL的比例促进细胞凋亡。

活化的PPARγ还可能通过抑制核转录因子（NF-kB）的表达参与细胞凋亡。NF-kB与肿瘤形成具有多种联系，细胞凋亡、细胞周期、分化和迁移的  控制都与之有关。NF-kB 诱导凋亡抑制分子（In-hibitors of Apoptosis） IAP-1和IAP2,以及抗凋亡分子Bel-2家族蛋白的表达。一方面NF-kB是  AKT下游元件，PPARy调节AKT磷酸化影响NF-（B发挥作用；另一方面，PPARy  能够结合p53增强子中的NF-kB序列，钝化NF-kB活性。体内体外实验结果都证明，在虾青素处理的各类模型中， NF-kB的表达明显受到抑制。

4   抑制癌细胞转移扩散

对接种了肿瘤细胞并受到约束压力刺激的小鼠进行体内实验证实，虾青素明显减少体内肝脏转移病灶数目。其对肿瘤转移的抑制,除了与前述癌  细胞自身增殖受阻并发生凋亡有关外，可能与对环氧合酶2 （Cyclooxygenases-2, COX-2）、基质金属蛋白酶（matrix metallo proteases, MMP）、肿瘤转移抑制蛋白（non- metastasis23, nm23）的调控有关。COX2已被证明可以介导氮氧化物在结直肠癌中的促血管生成作用，参与癌细胞生长、入侵和转移。但在虾青素作用下,COX2表达下调D,26。MMP参与癌细胞早期转移过程中细胞外基质的水解，同时参与肿瘤生长所需活性分子的调控，而有报道虾青素可引起结肠癌细胞株系MMP-2和MMP-9的表达下调。此外，虾青素抑制肿瘤转移，还可能与对nm23,特别是nm23-H1 的调控有关。在虾青素作用下，肝癌细胞中nm23 在0~18 h内表达上调。nm23编码一种核苷二磷酸激酶，该蛋白的表达上调有利于细胞骨架的正确组装与G蛋白信号的正确传递。

5  调节细胞间隙连接通讯

大部分肿瘤细胞间隙连接通讯被破坏,恢复细胞间的交流是预防癌症的重要策略。部分研究表明，虾青素能够显著提高细胞通讯连接，将乳腺癌细胞MDA-MB 435S、MCF7与虾青素共培养后，细胞间的通讯连接功能增强，且效果比β-胡萝卜素、番茄红素、玉米黄素、角黄素、玉米黄素双棕榈酸酯等其它类胡萝卜素效果显著[40]。

细胞通讯蛋白Cx43是广泛接受的肿瘤抑制基因，在多种组织中广泛存在，其表达量的降低与肿瘤的发生与转移有着密切关系。在Bertram的研究中，虾青素可以直接诱导Cx43 mRNA的合成，但不同于维生素A前体类胡萝卜素如β-胡萝卜素引起Cx43的.上调,Cx43蛋白表达量上升，不会被放线菌酮抑制,Cx43的转录激活不需要蛋白的合成。目前的研究表明，虾青素对Cx43表达的调节，同样受到PPARγ的调控，可以被PPARγ拮抗剂GW9662所抑制。Cx43转录起始位点458bp至+209bp范围内存在对虾青素敏感区域，该区域内一个GCbox 发生突变后,Cx43 mRNA转录活性显著增高。

但也有研究发现虾青素对癌细胞间隙连接通讯没有明显影响，甚至结果相反。在Daubrawa等的研究中，1 umol/L 虾青素处理对细胞间隙连接通讯没有任何刺激效应，Cx43蛋白磷酸化最高的P2带消失,Cx43从高磷酸化转为低磷酸化，细胞间隙连接通讯被抑制。去除虾青素后，抑制效应消失。在  Hix等人的研究中,0.01~1μmol/L虾青素增加细胞间隙连接，但Cx43的表达并未增加。

6   提高机体免疫能力

虾青素可增强机体免疫反应，促进淋巴细胞增殖,增加T细胞和B细胞亚群，增强自然杀伤细胞杀伤力，增加血液中γ干扰素、IgG和IgM含量，改善内脏指数，并且作用强度与虾青素的剂量呈正相关。有关其增强机体免疫反应的机制，可能存在多种途径。由于免疫活性增强的同时，细胞脂质过氧化被抑制，胞内超氧阴离子、过氧化氢等含量也下降，因而有研究认为这与虾青素的抗氧化活性有关。诱导肿瘤细胞周期停留在G1期也可能引发细胞凋亡可引发机体抗肿瘤免疫反应。此外，免疫活性上调与虾青素阻止NF-kB激活进而阻止炎症反应有一定关系。200ppm虾青素可以显  著抑制葡聚糖硫酸钠盐引起的大肠炎，参与肿瘤起始与发展的炎症因子ILAβ,IL-6的表达水平均被抑制。

7   展望

虾青素通过其抗氧化作用以及对信号分子PPARγ等调控保护正常细胞，提高机体免疫能力同时抑制癌细胞增殖，诱导凋亡，阻止癌细胞扩散。 总体而言，虾青素在抗癌抑癌方面的研究还处于起步阶段,在以后的研究中,需要从如下几方面深入:

（1）需要检验虾青素对更多不同来源癌细胞系不同癌细胞发生阶段作用效果，以确定少数研究中出现的虾青素无效果或副效果仅系偶然，还是由特定机制引起。

（2）PPARy是虾青素抗癌抑癌作用途径中一个重要的信号分子，已发现PPARy参与虾青素对癌细胞增殖、调亡及通讯连接的调节，虾青素如何调节  PPARY活性以及PPARy 下游信号传递，在正常细胞内对虾青素的响应都需要深入研究。

（3）DNA甲基化在肿瘤的发生发展中的作用是当前的研究热点，虾青素能否改变肿瘤细胞中DNA甲基化状态值得深入。