大蒜素的抗肿瘤作用.doc

大蒜素的抗肿瘤作用摘要 大蒜素是大蒜中主要生物活性成分的总称，为多种烯丙基有机硫化物复合体。大蒜素可以降低某些肿瘤的患病率。试验证明，大蒜素不仅能抑制致癌物的致癌作用，而且对肿瘤细胞的增殖也有抑制作用。目前的研究结果显示，大蒜素的抑癌机制为：抗氧化，抑制肿瘤细胞增殖，诱导肿瘤细胞凋亡，阻断致癌物的合成，对抗肿瘤药物有增敏作用等。关键词 大蒜素，抗肿瘤，肿瘤，细胞凋亡Abstract Allicin in garlic is the main biologically active component,which is a variety of organic allyl sulfides complex. Allicin could restrain incidence of some cancer cells. It was proved by experiment that allicin not only inhibited carcinogen function, but also decreased cancer cell proliferation. Research results showed that the anticancer mechanisms of allicin were antioxidant, inhibiting tumor cell proliferation and inducing apoptosis, blocking the synthesis of carcinogens and enhancing effect of antitumor drug.Keywords：allicin, antitumor , tumor ,apoptosis1 引言大蒜素是大蒜中主要生物活性成分的总称，是多种烯丙基有机硫化物复合体，主要成分含50%80%的二烯丙基三硫化物(DADS)、20%50%的二烯丙基二硫化物(DAS)以及8%杂质（如丙酮、乙醇等）。其中，蒜氨酸是大蒜素的前体物质，以稳定无臭的形式存在于大蒜中，当大蒜中的酸酶被激活后，催化蒜氨酸形成大蒜素为无色油状物。大蒜素有多种生物活性，并具有抗菌、杀菌、抗氧化、降血酯、降血压和防治动脉粥样硬化等心血管疾病的作用1，2，大蒜素在抗菌3，4，抗肿瘤5-7，抗真菌8，和抑制免疫调节9中的活动已有相关的报道。早在40 年代，Von Euler 就发现了蒜氨酸能抑制大鼠的Jensea 肿瘤生长。1960年JA DIPAOIO 和CCARRHTHERS 发现大蒜素有抑制肿瘤细胞生长的作用。70 年代发现新鲜大蒜液对C3H 和DDD 小鼠的自发性乳腺癌的生长有抑制作用。80 年代有报道大蒜提取物能抑制Morris 肝癌的生长。90年代，Wargovich发现大蒜中所含的有机硫化合物能显著抑制Bp或DNEA 诱发的小鼠前胃癌和肺肿瘤，以及DMH 或NMBZA诱发的大鼠结肠癌和食管癌的发生。近年来，大蒜素的主要有效成分烯丙基硫化物的抗肿瘤作用及其机制倍受关注。国内外的流行病学调查和实验研究均表明，大蒜素对胃癌、结肠癌、肝癌、肺癌、前列腺癌、乳腺癌、白血病等多种肿瘤均有明显抑制作用10。同时对大蒜素抗肿瘤作用机制的研究很多，但是其确切的抗癌机制尚未完全明了。大量实验研究表明，大蒜素不仅具有预防恶性肿瘤发生的作用，而且可以抑制体内外恶性肿瘤细胞的生长，而且其作用可能是多途径、多靶点的。2 大蒜素抗肿瘤作用机制2.1 抗氧化作用细胞的氧化状态在肿瘤的发生发展中起重要作用，当各种致癌因素导致细胞产生过多的活性氧并且超过细胞的清除能力时，细胞DNA 分子的氧化性损伤就成了癌变的始发因素。体内体外实验研究结果已证实，大蒜素能对抗某些毒物对机体的氧化性损伤11-13，它的有效成分所含的巯基和亲电子基团具有清除活性氧自由基的功能。Thomas 等14认为大蒜素中的有效成分之一DAS 能抑制从雌性ACI 鼠乳腺组织分离出的三种亚细胞结构（微粒体、线粒体和细胞核）中已烯雌酚（DES）的氧化作用，研究证实了DAS 能有效抑制乳腺组织代谢中DES氧化所导致细胞基因的不稳定和癌变。国内一些研究也初步证实了大蒜素可能通过降低活性氧类自由基水平，影响转录因子NF-KB的活性，抑制NF-KB通路，导致肿瘤细胞中某些基因表达水平改变，从而达到抑制癌细胞生长的作用。LY Chung15 证明蒜氨酸可以清理过氧化物，大蒜素可以抑制过氧化物的形成他们的研究表明烯丙基二硫化物、蒜氨酸、大蒜素和烯丙基半胱氨酸是防止自由基损坏的保护成分，它们的抗氧化形式有所不同2.2 抑制肿瘤细胞增殖大蒜素对胃癌、结肠癌、肝癌、肺癌、前列腺癌、乳腺癌、卵巢癌、胃腺癌等多种肿瘤均有明显抑制作用，它在适宜的浓度下能明显抑制肿瘤细胞增生，并诱导肿瘤细胞凋亡，对正常细胞则无此作用。细胞的增殖、分裂失调是肿瘤发生的基础，细胞周期是一个复杂有序并受严格调控的过程，细胞增殖周期可分为G0/G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期)和M期(有丝分裂期)，在细胞生长的四个周期中，G0/G1 期阻滞与细胞增殖和凋亡密切相关，使损伤DNA 在染色体分离前得到修复，不能修复者则不能进入细胞增殖周期，因此阻止DNA 损伤后再修复是细胞凋亡的一个重要前提。细胞周期调控障碍，引起细胞增殖过度，甚至异常细胞的出现，从而导致肿瘤的发生。研究表明大蒜的许多有效成分能够作用于细胞周期的某一个环节，而使细胞增殖周期受阻，诱导其发生凋亡。Hirsch 等16研究发现大蒜素能将人乳腺癌MCF-7 细胞、子宫内膜癌细胞、结肠癌HT-29 细胞阻止在G0/G1 和G2/M期，有效抑制细胞增生。兰泓等人进一步研究发现，大蒜素能引起胃癌BGC-823细胞阻滞在G1 期，可能与大蒜素抑制BGC-823 细胞cyclinD1 蛋白的表达和增加p27kip1 蛋白的表达相关17，18。国内有研究表明19：大蒜素作用于胃癌细胞能改变细胞周期的分布，增加G2/M 期细胞比例，呈剂量依赖性诱导凋亡。同时检测到癌细胞上端粒酶的活性受抑制，且抑制效应和大蒜素作用时间和剂量有依赖性，端粒酶活性下降后，细胞有丝分裂受阻，导致细胞凋亡。国外另有些研究发现，大蒜素还可将人结肠癌HCT-15 细胞、人乳腺癌MCF-7 细胞、子宫内膜癌细胞、结肠癌HT-29 细胞阻止在G2/M 期，有效抑制细胞增生20。2.3 大蒜素诱导细胞凋亡2.3.1 端粒酶的影响 端粒酶是一种核糖蛋白,由小分子RNA和蛋白质构成,其RNA组分的主要功能是延伸端粒重复序列、稳定端粒的长度。末端复制的端粒的缩短决定正常细胞的有限增殖。肿瘤细胞大多数表现高的端粒酶活性,而使细胞能够无限增殖。可见肿瘤细胞中的端粒酶活化能使细胞发展成为无限增殖的癌细胞,是恶性肿瘤发生发展的重要原因。近年来的研究表明大蒜素能有效抑制肿瘤细胞中端粒酶的活性,诱导肿瘤细胞阻滞在G2 /M期,引起肿瘤细胞凋亡。大蒜素所诱导肿瘤细胞凋亡,认为与其下调肿瘤细胞端粒酶活性有关。原因是端粒酶活性下降后,肿瘤细胞复制过程中端粒逐渐缩短,细胞有丝分裂受阻,不能进行进一步的分裂增殖,导致细胞凋亡21，22。这可能是大蒜素抗肿瘤的作用机制之一。2.3.2 对caspase蛋白表达的影响近年来发现caspase (半胱天冬酶) 家族在细胞凋亡中起重要作用。细胞凋亡信号传导的关键是caspase的激活。Caspase 家族是存在于哺乳动物细胞中,是与线虫细胞死亡蛋白Ced23 相似的一类蛋白酶,迄今已发现16 个成员23。所有的caspase 均以无活性的酶原形式存在,一经激活将产生caspase级联反应,最终导致细胞凋亡。据N 端前域的长短, 可将caspase分为调控和效应caspase。Caspase3属效应caspase ,具有较短的N 端前域,是迄今发现的所有caspase 家族成员中与Ced23 同源性最高者, 而且caspase 的2 条不同激活途径( caspase 8 和caspase 9 酶原激活途径) 均需caspase3 的参与, 因此caspase 3被认为是哺乳动物细胞凋亡中的关键蛋白酶。Oommen S 等6发现大蒜素作用肿瘤细胞可引起caspase - 3、caspase - 8、caspase - 9的活化和poly (ADP - ri2bose) polymerase降解。2.3.3 对bcl-2、bax蛋白表达的影响bcl-2家族在细胞凋亡调控中起着重要的作用,其家族成员包括许多氨基酸序列具有很强的同源性的蛋白,如抑制凋亡蛋白bcl-2、bcl-xl等,促凋亡蛋白bax、bad等。已有的研究证明bcl-2表达的增加和/或bax表达的减少,都与肿瘤细胞异常增殖密切相关。徐细明24等研究结果证明, 大蒜素处理后淋巴细胞的凋亡增多, bcl-2表达阳性的淋巴细胞数减少,Bax阳性细胞数未见明显改变。说明大蒜素可以通过减少bcl-2蛋白的表达来诱导淋巴细胞的凋亡。但至于大蒜素是通过何种途径来抑制bcl-2蛋白的表达,则有待进一步的研究。2.3.4 对第二信号系统cAMP、PKC途径的影响环磷酸腺苷是ATP 经腺苷酸环化酶催化的产物,是体内很多激素的第二信使,其主要功能是激活蛋白激酶A ,通过某些蛋白质的磷酸化,进而影响内源性核酸内切酶的活性,来实现其生理效应。cAMP浓度升高时,均可有效地诱导细胞凋亡。cAMP 还是一种有效的诱导分化剂, 细胞内cAMP水平的降低是引起恶变的直接原因。而恢复细胞内cAMP的水平又是导致肿瘤逆转的直接机理。所以cAMP是细胞凋亡通路中的一个重要环节。cAMP水平升高可诱导肿瘤细胞向凋亡方向发展。蛋白激酶C是一种Ca2+ 、磷脂依赖性蛋白激酶,参与许多细胞活动的调控。活化的PKC能使多种蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化,影响调节细胞内生物信息的传递。在调节细胞代谢、分化、增殖乃至癌变中具有重要作用。活化的PKC可抑制cAMP、糖皮质激素或激素TCR所诱导的细胞凋亡。研究发现,细胞内PKC含量增高、cAMP 水平降低时,细胞凋亡受抑,正常细胞恶变;而当细胞内PKC含量降低, cAMP水平升高时,则肿瘤细胞增殖受抑,凋亡率增加,恶性度低。大蒜素可能通过第二信号系统cAMP、PKC途径,引起细胞凋亡始动基因fas及凋亡促进基因bax表达增加,凋亡抑制基因bcl - 2的表达减少,提高细胞凋亡率24。一些蛋白激酶途径在各种模型系统是调节细胞增殖和凋亡信号众所周知的25-28，在实验的数据中表明，抑制蛋白激酶阻断大大减少了大蒜素诱导细胞凋亡的能力。此外，抑制PKA信号途径造成Bax和AIF表达水平下降。蛋白激酶A参与大蒜素诱导细胞凋亡过程和Bax表达和凋亡诱导因子是通过调节AGS细胞中蛋白激酶A介导通路。此外，还有大蒜素在贫营养状况抑制巨噬细胞凋亡的相关研究29，研究表明，在贫营养状态对大蒜素进行预处理，对腹腔巨噬细胞的细胞凋亡的进行了检查，细胞凋亡速率取决于所使用碘化染色分析流式细胞仪，DNA片段，和caspase-3法。通过DNA片段和碘化染色分析表明，大蒜素使营养不良诱导的巨噬细胞降低。大蒜素处理了的巨噬细胞的一级Bax蛋白表达，从线粒体释放的细胞色素醇的数量和caspase-3的活性也较比在一个贫营养状态未经处理的巨噬细胞低。 此外，在一个贫营养状况，MEK（有丝分裂原激活蛋白激酶/细胞外信号调节激酶） 抑制剂抑制了大蒜素诱导细胞凋亡和大蒜素提高了ERK1/2的磷酸化。大蒜素影响巨噬细胞的细胞凋亡，影响细胞凋亡相关基因的表达。线粒体在细胞凋亡中，通过释放细胞色素-C和凋亡诱导因素起着关键作用，造成在线粒体膜电位的降低30 。在细胞凋亡的过程中，线粒体膜电位受各种抗Bcl-2蛋白（Bcl-2和Bcl-xl） 和凋亡Bcl-2蛋白 等一系列蛋白的调节。也表明，大蒜素抑制凋亡基因的表达，Bax表达。总体而言，在贫营养状态，大蒜素降低了caspase-3的活性。据报道，在许多肿瘤细胞中，MEK/ERK途径的激活可以促进肿瘤基因合成和活化Raf/MEK/ERK信号途径31，32 。 在各种细胞系中，MEK/ERK信号通路的抑制可引起细胞凋亡33-35 。在研究中， 抑制减少MEK的能力，保护大蒜素对细胞免于凋亡，从而增加ERK的磷酸化。这表明， MEK/ERK途径参与大蒜素诱导细胞凋亡抑制的过程。2.4 阻断致癌物的合成大蒜素可预防多环芳香烃和亚硝胺类化学因素致癌，阻断理化因素的致突变性已有报道36。亚硝酸盐是合成强致癌物亚硝胺的前身物，大蒜素可降低胃内亚硝酸盐含量，进而影响亚硝胺的合成。大蒜可降低胃内亚硝酸盐含量，从而影响亚硝胺的合成，进而降低患胃癌的机率37。大蒜素可以阻断大肠杆菌、肠球菌对二乙基亚硝胺、二丁基亚硝胺合成的促进作用，并阻断大肠杆菌还原硝酸盐为亚硝酸盐的过程。大蒜素还可以抑制致癌性霉菌-串珠镰刀菌的生长。乙烯雌酚(DES)可以使人或动物致癌，Green等研究表明，大蒜素可以直接抑制DES的代谢，阻止DNA加和物的形成，从而预防雌激素诱导的肿瘤的发生38。此外，大蒜中含有许多富电子结构(一S0一，一SS一，一C=C一)的分子，能与亲电子的终致癌物结合，从而发挥抗突变作用。芳香胺及杂环胺类物质通过人体的代谢转化后会产生包括致癌作用在内的毒性，乙酰化作用是该类物质代谢转化的重要步骤之一，由N乙酰基转移酶(NAT)催化完成。发生在氧原子上的乙酰化作用所产生的乙酰氧基芳胺类衍生物含有高反应活性的氮离子，极易与DNA结合形成DNA复合物，引起DNA突变，导致细胞癌变。Chung等用液相色谱和PCR法分析经DAS处理后的结肠癌细胞上NAT活性和NAT mRNA表达，试验第1次证明了DAS能通过抑制结肠癌细胞内NAT的活性和基因表达降低肿瘤易感性39。2.5 对抗肿瘤药物的增敏作用在肿瘤化疗过程中， 抗癌药物在杀伤肿瘤细胞的同时，对正常增殖细胞也有杀伤作用，因而影响化疗的疗效。如何使药物对肿瘤细胞最大限度的杀伤，而对正常细胞的毒性减少到最低的设想越来越引起重视。 P-糖蛋白过度表达引起的多药耐药是影响肿瘤化疗疗效的主要原因，P-糖蛋白可减少细胞内药物浓度，而其功能调节剂则能恢复多药耐药细胞对化疗药物的敏感性。Arora13研究发现，非中毒剂量DAS（8.7510(-3)mol/L）增加了长春新碱和其它长春新碱类药的细胞毒性作用。通过Western blot 和免疫细胞化学法测得DAS 将耐药细胞的P-糖蛋白表达降低至正常水平。而且体内实验也证明DAS 能有效抑制大鼠肝癌细胞中长春新碱诱导的P-糖蛋白的过度表达。DAS 的上述特性提示大蒜素可作为新的多药耐药性的非毒性调节剂，在肿瘤化疗中与其它化疗药物联合应用，以提高肿瘤细胞对药物的敏感性，增强疗效。哈敏文等40通过研究大蒜素对人胃癌细胞系MGC-803 和SGC-7901 细胞周期的影响及其与周期特异性药物联合使用，增强抗癌药物对肿瘤细胞的杀伤作用。此研究中采用不同浓度的大蒜素作用人胃癌细胞系MGC-803 和SGC-7901 后，细胞增殖抑制率测定结果显示肿瘤细胞生长受到明显抑制。相同浓度的大蒜素作用于培养细胞，应用流式细胞仪检测及瑞士-姬姆萨染色在光镜下观察其形态，发现细胞周期被阻滞在M 期。细胞周期在肿瘤细胞的生长调控中具有重要的作用，通过改变细胞周期来阻止肿瘤细胞的无限增殖已受到人们的关注。4.4 大蒜素用于抗肿瘤治疗尚存在的问题和展望迄今为止国内外已有大量有关大蒜素抑制体外培养肿瘤细胞增殖、诱导凋亡、阻抑细胞周期的研究，但大蒜素抑制肿瘤的作用机制非常复杂，而且作用环节和作用途径是多方面的，其确切的作用机制还有待进一步深入探讨。在大蒜素用于抗肿瘤的研究中，体内动物实验还很少，因为体外恶性肿瘤细胞培养的非生理性，体外研究的结果不能直接用于临床。由于人体的复杂性，临床将大蒜素用于抗肿瘤的治疗在药物剂量、疗程及使用方法还有待进一步系统研究。随着大蒜制剂的不断研制和开发以及国内外学者在分子水平上对大蒜素有效成分和作用机制的研究，大蒜素的抗癌作用在临床上的应用将越来越广泛，可以与其他化疗药联合应用，增加疗效，降低耐药性。从现有的文献资料分析，大蒜素作为一种低毒副作用、价廉的抗肿瘤药物具有良好的前景。参考文献1 杨艳梅，高彦辉大蒜抗癌作用研究进展J 国外医学中医中药分册，2000，22(2)：67712 Sengupa A，Ghosh S,Bhattachacharjee.Allium vegetables in cancer prevention:an overview.Asian Pac J Cancer Prev 2004;5:237-2453 Cutler RR, Wilson P. 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