基于AMPK/mTOR通路的天然產物抗大腸癌研究進展

魏青，聞曉東

（中國藥科大學天然藥物活性組分與藥效國家重點實驗室，江蘇 南京 210009）

大腸癌又稱為結直腸癌，是全球第三大致死惡性腫瘤。2018年相關研究顯示，未來10年內全球將有220萬新增病例和110萬死亡病例[1]。流行病學研究顯示，誘發大腸癌的因素主要是年齡、性別、家族病史、炎癥性腸病、吸煙史、飲酒史、食用加工肉類、肥胖和糖尿病，這些因素共同發生或相互作用最終可導致大腸癌的發生[2]。大腸癌的傳統治療主要采用手術結合放化療的方式，其中大腸癌的一線化療藥物是5-氟尿嘧啶、伊利替康、卡培他濱和奧沙利鉑等，這些藥物雖然有效抑制了大腸癌的惡性進展，但也不可避免地造成嚴重的不良反應[3]。近年來除了傳統的治療方式之外，靶向治療和免疫療法也逐漸成為大腸癌的治療手段之一。在大腸癌靶向治療中，抗血管生成抑制劑和表皮生長因子受體抑制劑是2類主要靶向藥物，臨床上往往將其與傳統化療藥物聯合使用，從而提高大腸癌患者的總體生存率和生活質量[4]。此外，免疫檢查點抑制劑如程序性死亡受體1（programmed cell death protein 1，PD-1）及其配體PD-L1等也在臨床試驗中顯著提高了錯配修復基因缺失和高度微衛星不穩定導致的大腸癌患者的生存率[5]。隨著對大腸癌研究的不斷深入，發現越來越多的化合物均有良好的抑癌效果。而天然產物憑借其來源豐富、結構新穎等特點成為大腸癌治療的熱門候選藥物，將其作為先導化合物進一步開發利用，可以為大腸癌治療提供更多樣的方案。

AMP依賴的蛋白激酶（AMP-dependent protein kinase，AMPK）存在于生物體內，是由α催化亞基和β、γ調節亞基共同組成的復合三聚體[6]，其中α亞基的蘇氨酸172位點磷酸化介導AMPK的激活[7]。許多應激反應如葡萄糖剝奪、缺血缺氧和氧化應激等引起細胞內AMP/ATP比例上升時，可以激活能量感受器AMPK[8]。此外，AMPK的上游激酶如肝臟激酶B1（liver kinase B1，LKB1）、鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶β（calmodulin-dependent protein kinase kinase，CaMKKβ）和轉化生長因子激酶 1（transforming growth factor-β-activated protein kinase-1，TAK1）也可以促進AMPK的活化[9]。近年來，越來越多的研究表明，在大腸癌的發病過程中AMPK作為細胞內能量感受器起重要作用，其激活劑如二甲雙胍、小檗堿等可以抑制結直腸腫瘤的生長[10-11]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）作為AMPK信號通路的下游靶標之一，參與調控細胞生長、細胞增殖、極性形成、蛋白質合成和轉錄等，同樣也是大腸癌治療的靶點之一[12]。因此，本文總結了基于AMPK/mTOR信號通路的抗大腸癌天然產物的研究進展，以期為大腸癌治療提供新的思路。

1 AMPK/mTOR信號傳導通路

AMPK是細胞內的能量感受器，激活的AMPK通過調控下游的mTOR、膽固醇調節元件結合蛋白（sterol-regulatory element binding protein，SREBP）等一系列靶標而參與蛋白質代謝、脂質代謝、糖代謝、細胞生長和凋亡等多種生理活動[13]。mTOR是AMPK的下游靶標之一，它是一種進化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，可參與調節細胞生長、細胞周期和細胞自噬等多種細胞過程（見圖1）[14]。一方面，mTOR可與Raptor（regulatory associated protein of mTOR）、Deptor（domain-containing mTOR-interacting protein）、mLST8（mTOR associated protein，LST8 homolog）和 PRAS40（proline-rich Akt substrate of 40 000）形成哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合 物 1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1），直接調控細胞內能量和營養水平；另一方面，mTOR還可與Rictor（rapamycin-insensitive companion of mTOR）、mSin1（mammalian stressactivated protein kinase interacting protein 1）、Protor（protein observed with Rictor）和mLST8形成mTORC2，通過磷酸化AGC蛋白激酶家族成員而調節細胞增殖和活力[15]。

圖 1 AMPK/mTOR信號傳導通路Figure 1 The AMPK/mTOR signalling pathway

AMPK作為mTOR的上游激酶，不僅可以通過磷酸化結節性硬化癥復合物2而激活TSC復合物間接影響mTORC1的活性，還能通過直接磷酸化Raptor而影響mTORC1的活性[16]。激活的mTORC1通過磷酸化其下游2個關鍵效應蛋白核糖體S6蛋白激酶1（ribosomal S6 kinase，S6K1）和真核細胞始動因子4E結合蛋白1（4E binding protein，4EBP1），在蛋白質合成和核苷酸合成中發揮關鍵作用。磷酸化的S6K1可以進一步調節40S核糖體亞基的組分S6核糖體蛋白，從而調控細胞生長。磷酸化的4EBP1則能與真核翻譯起始因子4E結合，促進帽狀結構依賴的蛋白質翻譯，調控細胞周期進程[17]。同時，活化的mTORC1還可以調控SREBP和脂素1（lipin-1），促進脂質從頭合成即以乙酰輔酶A為原料的脂肪酸合成，并通過激活缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）來調節細胞代謝和三磷酸腺苷生成，此外還能通過磷酸化UNC-51樣激酶1（unc-51 like autophagy activating kinase 1，ULK1）和自噬相關基因13（autophagy-related gene 13，Atg13）抑制細胞自噬[18]。

2 AMPK/mTOR信號傳導通路與大腸癌的關系

大腸癌的發生與炎癥和代謝紊亂密切相關，這表明AMPK作為細胞內的能量代謝樞紐可能參與調控了大腸癌的進展[8]。此外，mTOR 在多種腫瘤中均表現出過度活化，可促進腫瘤細胞增殖、血管新生和抑制腫瘤細胞凋亡等，與腫瘤的發生發展有著重要關系[19]。因此，靶向調節AMPK/mTOR信號通路有望成為大腸癌的治療手段之一。

相比于正常分化的細胞，異常增殖的腫瘤細胞表現出不同的代謝方式，需要平衡生物合成過程和足夠的三磷酸腺苷以支持腫瘤細胞的生長、存活。AMPK在能量代謝方面發揮著關鍵作用，可以通過調節包括大腸癌在內的惡性腫瘤的能量代謝而影響其發生發展[20-22]。mTOR作為AMPK的下游靶標參與調節細胞生長、增殖和活力。在大腸癌患者的臨床樣本中觀察到mTOR的mRNA水平和蛋白表達均顯著升高，與大腸癌的惡性程度和不良預后具有相關性[23]。與AMPK類似，mTOR也是細胞內能量代謝的關鍵分子之一。mTOR不僅可以促進細胞膜對葡萄糖的轉運，還能靶向調控HIF-1α介導的糖酵解過程，從而調節腫瘤細胞的能量代謝[24]。此外，mTOR還能通過調控其下游的p70S6K和4EBP1參與蛋白質合成，影響大腸癌細胞的生長和增殖能力[25]。mTOR的另一下游靶標ULK1是自噬的關鍵調節蛋白，臨床上ULK1的過度表達與胃癌、大腸癌等多種腫瘤類型的不良預后有關[26-27]。在AMPK/mTOR信號通路中，AMPK可以直接激活ULK1，從而促進腫瘤細胞發生自噬，而mTORC1可以通過磷酸化ULK1 Ser757位點來抑制其活性并阻斷ULK1與AMPK的相互作用，抑制腫瘤細胞發生自噬[8]。有研究表明，mTOR亦可參與調控大腸癌細胞的自噬過程，抑制大腸癌的發生和發展[28]。

3 基于AMPK/mTOR信號通路的抗大腸癌天然產物

3.1 AMPK激動劑

越來越多的研究顯示，AMPK參與了腫瘤的發生、發展，一些AMPK激動劑被用作癌癥治療藥物并進行了臨床前或臨床研究，而目前研究最為透徹的AMPK激動劑是用于治療2型糖尿病的二甲雙胍。在大腸癌的研究中證實，二甲雙胍可以通過激活AMPK而影響大腸癌發生、發展[29]。此外，其他AMPK激動劑如5-氨基-1-核糖基咪唑-4-甲酰胺磷酸鹽（5-aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofuranoside，AICAR）[30]、水楊酸鹽[31]等也在體外實驗中顯示出抑制腫瘤細胞增殖的活性。另外，天然產物一直以來都是抗腫瘤研究的熱點之一，許多天然產物都可以激活AMPK信號并表現出良好的抗大腸癌活性。

研究發現，白藜蘆醇可以通過激活AMPK來抑制多藥耐藥蛋白和環磷酸腺苷反應元件結合蛋白的表達，從而逆轉人結直腸癌HCT116細胞對奧沙利鉑的耐藥性，有望成為抗大腸癌的候選藥物[32]。膳食類黃酮槲皮素通過激活AMPK，誘導人結直腸癌HT29細胞發生p53依賴性的細胞凋亡，在體內移植瘤模型中表現出抗大腸癌活性[33]。小檗堿是一種異喹啉生物堿，研究表明，在氧化偶氮甲烷（azoxymethane，AOM）/葡聚糖硫酸鈉（dextran sulfate sodium，DSS）小鼠模型中小檗堿可以激活AMPK，從而抑制mTOR和p53磷酸化，進而抑制結腸上皮細胞增殖和腫瘤發生[34]。Park等[35]還發現，小檗堿可以通過激活AMPK，降低整合素β1的表達，抑制人結直腸癌SW480和HCT116細胞遷移。

此外，近年來發現越來越多新的天然產物可以直接或間接激活AMPK信號，從而抑制大腸癌的發生、發展。Tong等[36]發現，在人結直腸癌SW480和LoVo細胞中，姜黃素通過激活AMPK來抑制腫瘤的侵襲轉移。另有研究顯示，在體內模型中可見姜黃素有抗大腸癌活性[37]。另外，厚樸酚[38]、蟲草素[39]、咖啡酸[40]、甘草西定[41]、韋德醇[42]、染料木黃酮[43]和蛇葡萄素[44]等天然產物也被報道能夠激活AMPK信號而發揮其抗大腸癌活性（見表1、圖2）。

表 1 在結直腸癌中激活AMPK的天然化合物Table 1 List of natural compounds regulating AMPK activation in colorectal cancer

3.2 mTOR抑制劑

作為AMPK的下游靶標之一，mTOR在細胞生長、增殖和自噬等方面也發揮著一定的調節作用。同時由于mTOR在多種惡性腫瘤中常過度活化，因此mTOR也一直是腫瘤研究中的熱門靶標。在大腸癌中已有靶向mTOR的抑制劑應用于臨床研究，而許多天然產物也表現出對mTOR信號的抑制作用。

Mao等[45]發現，小檗堿可以通過抑制mTOR活性來降低HIF-1α的表達，從而抑制結直腸癌細胞的葡萄糖代謝，闡明了小檗堿抗大腸癌的新機制。姜黃素可以降低mTOR、Raptor和Rictor的蛋白及mRNA水平，抑制大腸癌細胞增殖[46]。而姜黃素和5-氟尿嘧啶聯用后可以通過下調Akt和mTOR蛋白的磷酸化水平，從而影響AMPK/ULK1信號通路，增強其對結直腸癌細胞的毒性[47]。歐前胡素是來源于白芷的呋喃香豆素成分，Mi等[48]發現歐前胡素通過下調mTOR/p70S6K/4EBP1和MAPK信號通路來抑制HIF-1α的表達，從而抑制大腸癌細胞增殖，并在體內、體外均顯示出抗大腸癌活性。

丹酚酸B是一種從中藥丹參中提取的活性化合物，研究發現其可以通過抑制Akt/mTOR信號通路，從而誘導大腸癌細胞發生自噬死亡[49]。楊梅素是一種天然的膳食黃酮類化合物，其在多發性腸腺瘤小鼠模型（APC Min/+小鼠）中的抗腫瘤活性與MAPK/Akt/mTOR信號通路有關[50]。此外，紫蘇醇[51]、山麥冬皂苷A[52]、白頭翁皂苷D[53]、白楊素[54]、貝母乙素[55]和大黃酸[56]等天然產物也可通過直接或間接抑制mTOR活性而在體內、體外影響大腸癌的發生發展（見表2、圖2）。

表 2 在結直腸癌中抑制mTOR的天然化合物Table 2 List of natural compounds regulating mTOR inactivation in colorectal cancer

4 結語

自AMPK作為能量穩態中樞調節劑的發現及AMPK/mTOR信號通路在腫瘤生物學中調控機制的深入揭示，為基于該信號通路的新藥研發提供了可能，越來越多的天然產物也表現出對AMPK-mTOR信號通路的調控作用和抗大腸癌活性，如白藜蘆醇、小檗堿等天然產物具有激活AMPK活性機制而受到極大關注，但在新藥成藥性研究方面，還將面臨著很多挑戰，如天然產物抗腫瘤精確分子機制有待進一步闡明；如何針對關鍵藥效基團開發更高效、更好口服生物利用度及安全性的衍生物；靶向特定組織（如腫瘤、肝臟及巨噬細胞等）AMPK及mTOR調控劑的開發。但最終確定長期安全性和有效性的最佳方法是進行更為廣泛的臨床實驗。

圖 2 基于AMPK/mTOR信號通路天然產物抗大腸癌機制概述Figure 2 Action mechanism of natural compounds against colorectal cancer based on AMPK/mTOR signalling pathway