天芥菜（Heliotropium indicum L.）植物化学物质通过抗氧化与拓扑异构酶II抑制展现抗肿瘤潜力的综合研究

《Scientifica》：Phytochemical Profiling and Computational Docking Studies Revealing the Potential Anticancer and Antioxidant Properties of Heliotropium indicum L.

本研究通过植物化学分析、体内抗肿瘤实验及计算模拟，系统揭示天芥菜（Heliotropium indicum L.）的药用潜力。其氯仿组分（CHF）在Ehrlich腹水癌（EAC）模型中抑制肿瘤生长达76.39%，并通过分子对接与分子动力学（MD）模拟证实关键成分（如酚类衍生物）可稳定结合拓扑异构酶II（Topoisomerase II），且具备抗氧化（如清除AAPH诱导的DNA损伤）及调控凋亡通路（如TP53增强）的多重作用机制，为天然抗肿瘤药物开发提供新视角。

　　

摘要

本研究采用植物化学分析、生物学实验与计算模拟相结合的策略，探究天芥菜（Heliotropium indicum L.）的抗癌与抗氧化潜力。气相色谱-质谱（GC–MS）分析鉴定出酚类化合物3,5-双(1,1-二甲基乙基)酚为主要成分。氯仿组分（CHF）在Ehrlich腹水癌（EAC）模型中表现出显著的体内抗肿瘤活性，肿瘤生长抑制率达76.39%，与博来霉素（80.36%）效果相当。CHF在卤虫致死实验中亦显示强细胞毒性（LC₅₀?=?28.96?μg/mL），并能保护DNA免受AAPH诱导的氧化损伤。分子对接揭示关键成分与拓扑异构酶II结合稳定，分子动力学（MD）模拟与MM–PBSA结合能计算进一步支持这一结果。

1. 引言

癌症仍是全球健康的主要挑战之一，亟需更安全有效的治疗策略。Ehrlich腹水癌（EAC）模型因易移植和快速增殖特性，被广泛用于评估抗肿瘤及氧化应激反应。天然产物因其能够抑制肿瘤生长并保护正常细胞免受氧化DNA损伤而备受关注。氧化应激通过活性氧（ROS）诱导碱基修饰、DNA链断裂及突变（如8-氧鸟嘌呤），是致癌的重要机制。植物源性抗氧化剂（如酚类、黄酮类）在中和ROS及调节炎症、细胞周期和凋亡通路中发挥关键作用。天芥菜（Heliotropium indicum）作为传统药用植物，已知含黄酮、酚酸、萜类及吡咯里西啶生物碱（PAs），但其抗癌潜力尤其是结合实验与计算方法的系统研究仍较缺乏。本研究通过体内EAC模型、GC–MS分析、分子对接、MD模拟及MM–PBSA结合能计算，综合评估天芥菜的生物活性。

2. 材料与方法

植物样本采集自孟加拉国Rajshahi地区，经鉴定后制备甲醇粗提物（CME）及其极性分段（正己烷NHF、氯仿CHF、乙酸乙酯EAF）。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团，GC–MS鉴定化学成分。采用卤虫致死实验评估细胞毒性，EAC模型测试体内抗肿瘤活性，并通过DNA损伤保护实验（AAPH诱导）评估抗氧化能力。计算分析包括PASS活性预测、分子对接（AutoDock Vina）、分子动力学（MD）模拟（GROMACS）及MM–PBSA结合自由能计算。

3. 结果

3.1. FTIR分析官能团

FTIR显示天芥菜甲醇提取物在3351.02 cm^?1处有强羟基吸收峰，2924.66 cm^?1和2854.21 cm^?1为烷基伸缩振动，1731.51 cm^?1处为羰基峰，1633.58 cm^?1提示芳香环或C=C键，表明含酚类、黄酮及多糖等成分。

3.2. GC–MS分析

GC–MS鉴定出14种主要成分，其中3,5-双(1,1-二甲基乙基)酚占比最高（69.23%），其余包括苯甲醚、长链烯烃及酯类化合物。

3.3. DNA氧化损伤保护

CHF、EAF及CME均能显著减轻AAPH引起的DNA断裂，其中EAF保护效果最佳，与抗坏血酸相当。

3.4. 卤虫细胞毒性

所有提取物均呈现剂量依赖性毒性，CHF的LC₅₀为28.96 μg/mL，接近阳性对照长春新碱（16.60 μg/mL）。

3.5. 体内抗肿瘤活性

CHF（200 mg/kg）抑制EAC肿瘤细胞增长76.39%，并改善EAC模型小鼠的血清总蛋白、白蛋白及转氨酶（SGOT/SGPT）水平。细胞形态学显示CHF处理组肿瘤细胞出现凋亡特征。

3.6. 计算分析

3.6.1. PASS预测

3,5-双(1,1-二甲基乙基)酚被预测具有TNF表达抑制（Pa?=?0.659）、TP53增强（Pa?=?0.581）及自由基清除活性，与实验结论相符。

3.6.2. 分子对接

该酚类化合物与拓扑异构酶II活性位点（Asp1004、Trp840等）形成氢键及疏水作用，结合能为?6.6 kcal/mol。

3.6.3. MD模拟

100 ns模拟显示蛋白-配体复合物RMSD稳定在2.5 ?以内，关键残基波动低于2.0 ?，结合自由能达?45.3 kcal/mol，表明结合稳定。

3.6.4. 配体效率（LE）与抑制常数（Ki）

酚类成分的LE为0.35 kcal/mol/重原子，Ki约14.2 μM，提示其具良好成药潜力。

4. 讨论

天芥菜活性成分（尤其是CHF中的酚类物质）通过抗氧化、拓扑异构酶II抑制及凋亡通路调控发挥抗肿瘤作用。FTIR与GC–MS结果相互印证，PASS预测与分子对接揭示了其多靶点作用机制。然而，本研究未针对吡咯里西啶生物碱（PAs）进行毒理筛查，且MD模拟时长有限，需进一步通过延长模拟、PA特异性检测及组织病理学验证以完善结论。

5. 局限性与展望

未来需开展300 ns以上MD模拟、静电势（ESP）映射、PA专项分析及ADME/Tox评估，以明确其安全性及机制细节。

6. 结论

天芥菜提取物尤其富含3,5-双(1,1-二甲基乙基)酚的CHF组分，通过抗氧化、DNA保护及拓扑异构酶II抑制展现抗肿瘤潜力。计算模拟为关键成分的作用机制提供理论支持，但需进一步实验验证其成药性与安全性。