《Phytochemical Analysis》：Harnessing Phytochemicals for Brain Cancer Therapy: Insights Into Medulloblastoma and Glioblastoma Treatment
利用植物化学物质治疗脑癌：髓母细胞瘤和胶质母细胞瘤治疗的见解
摘要
原发性脑肿瘤是危及生命的疾病。胶质母细胞瘤（Glioblastoma, GBM）是最具侵袭性的类型，预后极差。髓母细胞瘤（Medulloblastoma, MB）则是最常见的儿童脑肿瘤。手术治疗常因肿瘤微环境的复杂性导致复发，而常规治疗（化疗、放疗）带来的严重副作用又降低了患者的生活质量。因此，需要前沿疗法来减轻患者负担。姜黄素、槲皮素、小檗碱和白藜芦醇等植物化学物质已通过抑制细胞迁移和增殖、诱导细胞凋亡等抗癌活性，显示出作为潜在治疗药物的前景。本综述总结了可用于治疗MB和GBM的植物化学物质的药代动力学和细胞效应，这些物质通过靶向与疾病进展相关的细胞通路发挥作用。此外，还涵盖了这些植物化学物质与传统药物的协同关系，以及利用纳米技术确保植物化学物质有效递送的新兴研究。
1 引言
脑肿瘤被视为最致命的癌症形式，给人类带来痛苦和经济负担。脑肿瘤的类型基于其起源细胞。胶质瘤起源于神经胶质细胞，占所有脑肿瘤的60%。GBM是最具侵袭性的胶质瘤，其遗传结构复杂，阻碍细胞通路，导致过度增殖、血管生成和治疗抵抗。根据遗传结构和信号通路的差异，GBM可分为神经型（NE）、经典型（CL）、前神经型（PN）和间充质型（MES）四种分子亚型。GBM患者通常接受肿瘤切除手术，然后进行以DNA烷化剂替莫唑胺（Temozolomide, TMZ）为主的放化疗。但由于侵袭性细胞浸润健康组织，肿瘤常局部复发。此外，血脑屏障（Blood–brain barrier, BBB）不通透导致药物效率低，以及脑水肿、骨髓抑制和高剂量毒性等副作用，降低了患者的生存率。
MB是一种出现在小脑的胚胎性肿瘤，起源于干细胞或神经元祖细胞。儿童诊断的脑肿瘤中有五分之一是MB。MB的分子分类基于特定的分子和临床特征，包括音猬因子（Sonic Hedgehog, SHH）、Wnt（Wingless-related integration site）、第3组和第4组。虽然MB的标准治疗是手术干预后放疗和化疗，但放疗可能对婴幼儿发育中的大脑产生有害影响，危及生存。此外，这些治疗常导致智力下降、记忆力差和注意力不集中等神经系统后遗症。
研究人员一直在寻找可能延长患者生存期并提高生活质量的新疗法。过去十年中，植物化学物质作为最小/无毒的化合物被提出，用于靶向与脑肿瘤和胶质瘤相关的通路。植物化学物质是描述植物（phyto）来源的生物活性化学物质的通用术语，来源于水果、蔬菜、全谷物、种子、坚果和草药。植物化学物质已被证明可通过调节免疫检查点、触发细胞凋亡、抑制与转移、血管生成和化疗耐药相关的肿瘤支持蛋白来抑制恶性脑肿瘤。然而，生物利用度低、水溶性差和化学稳定性等障碍限制了植物化学物质的临床应用。此外，已知只有少数植物化学物质（如withanamides、白藜芦醇、芹菜素、红景天苷和槲皮素）能够穿过BBB。为了应对这些挑战，人们研究了与纳米递送策略相结合的自然化学物质。
本文综述了植物化学物质及其与合成抗癌药物对MB和GBM等脑肿瘤的协同效应。解释了植物化学物质的药代动力学效应和作用机制，以及其生物利用度和稳定性挑战。还讨论了未来个性化医疗和其他治疗方法（包括纳米技术）的潜力。
2 植物化学物质在体内的药代动力学效应
植物化学物质可以影响许多药代动力学过程，如吸收、分布、代谢和排泄（ADME）。在吸收过程中，植物化学物质可通过与转运蛋白（包括P-糖蛋白[P-gp]和多药耐药相关蛋白2[MRP2]）相互作用来改变肠膜通透性，从而促进或阻碍药物吸收。P-gp是多药耐药基因1（MDR1）的产物，是一种ATP结合转运蛋白，利用ATP水解提供的能量将一系列亲脂性药物泵出细胞。通过进行跨膜外排，P-gp降低药物的细胞内浓度，因此在药物吸收、分布和排泄中起关键作用。它位于肠道、肝脏、肾脏、胎盘和BBB。许多常用的化疗药物，如阿霉素、紫杉醇、多西他赛和依托泊苷，都是它的底物。同样，MRP2也是一种外排转运蛋白，主要转运有机阴离子和药物结合物。当金属离子存在于植物化学物质（如多酚）中时，螯合过程可能会降低需要金属依赖性吸收的药物的生物利用度。可抑制脂肪酶和淀粉酶等消化酶的植物化学物质可能会影响药物的吸收和分解效果。在分布过程中，药物和植物化学物质可能竞争与血浆蛋白（如白蛋白）的结合，改变可用于毒性或治疗活性的游离药物浓度。特定植物化学物质对P-糖蛋白和OATPs（有机阴离子转运多肽）等转运蛋白的调节会影响药物向组织的分布。在代谢过程中，可能会发生细胞色素P450（CYP）酶（I相代谢）的抑制或诱导，或影响葡萄糖醛酸化/硫酸化反应（II相代谢），从而改变药物的降解/解毒。细胞色素P450（CYP）酶超家族包括CYP3A（CYP3A4和CYP3A5）和CYP2A（CYP2A8）亚家族。这些酶与P-gp共同位于肠道和肝脏。CYP负责多种药物的代谢。因此，CYP3A是口服药物首过代谢的主要决定因素之一；抑制CYP3A会导致血液中药浓度升高。在排泄步骤中，植物化学物质对肾脏转运蛋白（如MATEs[多药和毒素挤出蛋白]）的调节会影响肾脏。与MRP2和BCRP（乳腺癌耐药蛋白）等转运蛋白的相互作用可能会影响药物向胆汁的排泄。
虽然上述药代动力学过程阐明了植物化学物质在体内的一般效应，但脑肿瘤可能会显著改变这些参数。特别是，肿瘤特异性特征，包括BBB破坏和肿瘤微环境，影响着GBM和MB中的药代动力学过程。
3 胶质母细胞瘤研究中的植物化学物质
GBM是最常见的脑肿瘤，生存率低。导致GBM进展不良和复发的主要因素之一是肿瘤块的异质性，其由包括癌症干细胞（CSCs）在内的多种细胞类型组成。CSCs由于P-gp上调而降低了替莫唑胺等药物的细胞内积累。事实上，在预后不良的GBM患者中观察到了P-gp和BCRP的上调。具有紧密连接的BBB被描述为需要克服的另一个主要药代动力学障碍，阻碍了药物向肿瘤部位的转运。GBM中的BBB完整性被破坏，由于肿瘤细胞释放的血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor, VEGF）增加以及缺氧区域的血管生成，形成了通透性较低的脑-肿瘤屏障。然而，在存在GBM细胞的肿瘤邻近脑（BAT）区域，BBB是完整的。BBB的这种异质性通透性阻止了药物到达BAT区域的恶性细胞，使得难以实现有效的药物积累并导致肿瘤复发。异质性结构、BBB/脑肿瘤屏障和异常血管形成共同影响着GBM组织中的药代动力学特征。
因此，在胶质母细胞瘤治疗中，手术切除肿瘤、放疗和术后化疗可能不足以防止复发。因此，需要替代的无毒疗法。植物化学物质是植物作为防御病原体和捕食者的机制而合成的物质。根据其作用机制和化学结构，可分为芥子油苷、生物碱、酚酸、木脂素、类黄酮、萜类化合物和皂苷。
多酚可通过抑制恶性细胞的增殖发挥治疗作用。多酚的亚组，类黄酮、芪类、木脂素和酚酸，都被发现在多种模型中具有抗癌特性。姜黄素是富含多酚成分的物种之一。
姜黄素是癌症治疗中最常见的植物化学物质，据报道在体内和体外研究中均具有抗氧化、抗炎和抑制肿瘤的特性。姜黄素对胶质母细胞瘤细胞的研究表明，它（50 μM）可抑制细胞不受控制的生长和分裂约50%。姜黄素还影响胶质母细胞瘤细胞的迁移和侵袭，并诱导其凋亡。低浓度（2.5 μM）的姜黄素也显著降低了Glio3干细胞（第7天降低50%）和球体形成（第14天降低60%）的增殖。此外，姜黄素不影响原代星形胶质细胞的活力。而50 μM的姜黄素导致星形胶质细胞减少约35%，但对神经元的活力没有显著影响。
研究发现，姜黄素（20 μM）及其类似物（双去甲氧基姜黄素[40 μM]、二甲氧基姜黄素[20 μM]、去甲氧基姜黄素[40 μM]）在体外诱导胶质瘤细胞发生亚G1期、G2/M期阻滞、凋亡和活性氧（Reactive oxygen species, ROS）生成。在另一项体外研究中，姜黄素（25 μM）在GBM细胞中触发自噬但抑制线粒体自噬以及PI3K-Akt/mTOR通路，表明姜黄素在降低GBM细胞增殖方面具有潜力。同一研究组还报告，与姜黄素结合的固体脂质颗粒（25 μM）比暴露于姜黄素的细胞在U-87MG中引起更多的凋亡性死亡。此外，在异种移植胶质瘤小鼠模型中，姜黄素降低了关键的促血管生成因子如VEGF和转录因子如核因子κB（Nuclear factor kappa B, NF-κB）。另一组指出，姜黄素通过抑制与生长和应激信号传递相关的丝裂原活化蛋白激酶信号通路，减少了由应激激素外源性去甲肾上腺素引发的慢性应激所加剧的体内胶质瘤异种移植物的生长。
槲皮素是一种具有抗氧化、抗衰老、抗病毒、抗炎和抗癌作用的类黄酮。它主要来源于洋葱、荞麦、李子、苹果、樱桃和葡萄。它是类黄酮家族的成员。槲皮素及其前体，如查尔酮2，与胶质瘤细胞一起被研究。研究发现类黄酮降低了体外胶质瘤细胞的存活比例。特别是查尔酮2（20 μM）通过减少NF-κB蛋白的核转位和激活细胞中的caspase-3的机制，触发了胶质瘤细胞的凋亡。另一项研究表明，槲皮素在体外和体内均显著抑制U87胶质母细胞瘤细胞的活力。它还通过抑制GSK3β/β-连环蛋白/ZEB1信号传导来抑制恶性细胞的侵袭和迁移。此外，即使在高浓度下，它也保留了正常的小鼠星形胶质细胞。还发现槲皮素的衍生物在U373-MG胶质母细胞瘤细胞中显示出显著的活力抑制，而这些化合物对原代小鼠星形胶质细胞和人皮肤成纤维细胞的活力毒性较低。
在另一项研究中，槲皮素和白藜芦醇同时使用，以研究多酚组合的效果。它们显著激活了细胞凋亡途径中的重要参与者caspase-3/7。在单独给药的情况下，低剂量（白藜芦醇10 μM和槲皮素25 μM）未能触发凋亡；然而，当共同给药时，它们的效果显著增加（约4倍）。此外，高剂量的白藜芦醇和槲皮素（分别为50 μM和100 μM）在降低体外胶质瘤细胞数量方面比低剂量的白藜芦醇和槲皮素（分别为10 μM和25 μM）共同给药效果更大。天然存在的植物黄酮芹菜素，具有卓越的抗突变、抗炎、抗氧化和抗癌特性，因此越来越多地被认为是癌症化学预防剂。在许多人类恶性肿瘤（包括胶质母细胞瘤）中已显示hnRNPA2/B1高水平表达。芹菜素抑制hnRNPA2二聚化并改变癌细胞中hnRNPA2底物的可变剪接模式。在神经母细胞瘤细胞的研究中，芹菜素在体外和体内小鼠异种移植模型中抑制肿瘤发展并触发caspase依赖性凋亡，其中芹菜素引起p53核积累，从而增加其靶点p21和Bax蛋白的表达。此外，在体外SH-SY5Y细胞模型中，芹菜素、表没食子儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯和染料木素通过诱导内质网（Endoplasmic reticulum, ER）应激增加细胞内游离Ca2+并通过诱导ER应激在ER膜上激活钙蛋白酶。这些多酚通过钙蛋白酶依赖性途径对神经母细胞瘤细胞系的凋亡作用已在体外进行研究。结果可总结为细胞内游离Ca2+增加、钙蛋白酶激活、caspase-12和CAD。相同类黄酮（芹菜素、EGCG、EGC和染料木素的浓度均为50 μM）的作用也在T98G和U87MG胶质母细胞瘤细胞系和人星形胶质细胞中进行了研究。与其他研究类似，观察到细胞内游离Ca2+增加、Bax上调、细胞色素c释放以及caspase 9和3的激活，导致细胞凋亡。此外，这些类黄酮不伤害星形胶质细胞，表明具有选择性效应。
在另一项工作中，芹菜素用于体外处理U87人胶质瘤细胞。在U87细胞中，芹菜素影响/降低了细胞活力，显著提高了miR 16水平，抑制了Bcl-2的产生，并阻断了NF-κB/MMP9信号通路。在最近的一项体外研究中，芹菜素在先前研究中使用的浓度下将U251细胞活力降低了约70%。相反，在较低剂量下，活力降低幅度较小。至于芹菜素的抗增殖作用，观察到胶质母细胞瘤细胞在细胞周期G2/M期积累，这是通过下调CDK-1、cyclin-A1和cyclin-B1介导的。芹菜素还被证明可引起胶质瘤细胞G0/G1期阻滞。此外，通过阻断表皮生长因子受体介导的AKT、MAPK和mTOR信号通路的激活，芹菜素在体外抑制了胶质母细胞瘤细胞的生长。通过阻止c-MET及其下游效应物的磷酸化，芹菜素还可以抑制人胶质母细胞瘤和神经母细胞瘤细胞的自我更新和克隆能力。芹菜素导致胶质母细胞瘤和神经母细胞瘤细胞发生凋亡，伴随线粒体和粗面内质网损伤，以及细胞内游离Ca2+增加和细胞色素c释放。芹菜素还通过下调STAT3来降低IFN-γ，STAT3的活性与脑肿瘤的免疫抵抗有关。
另一种类黄酮黄芩素来源于黄芩，通过LGR4-EGFR通路在HS683和KNS89胶质瘤细胞中触发凋亡。此外，黄芩素对正常小鼠星形胶质细胞没有任何显著影响。
白藜芦醇是一种用于治疗胶质母细胞瘤的芪类。白藜芦醇从葡萄、桑葚和花生中获取。它是中药中广泛使用的植物。据报道，白藜芦醇在体外和体内均增加了GBM细胞对化疗的敏感性，降低了U87细胞和GBM干细胞中的Akt磷酸化，诱导了p53表达，并下调了几种特定的microRNA。这种多酚通过影响磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路发挥作用。在另一项对LN-229和U87-MG GBM细胞系的体外研究中，白藜芦醇降低了GBM细胞的侵袭性迁移和增殖能力，同时促进死亡。在胶质瘤的体内研究中，只有较高剂量的白藜芦醇通过触发凋亡提高了动物的存活率。这一结果部分是因为胶质瘤细胞中的血管内皮生长因子被下调，并且白藜芦醇抑制了ECV304内皮细胞的生长。通过抑制JAK2/STAT3信号通路激活，白藜芦醇可以改善GBM微环境中的炎症反应，并对GBM产生抗肿瘤作用。此外，白藜芦醇降低了U-87MG胶质瘤细胞的活力。另一方面，白藜芦醇对HEK-293健康细胞的活力没有实质性影响。
咖啡酸是一种酚酸，存在于胡萝卜、咖啡豆、土豆和橄榄等蔬菜中，在U87细胞中显示出抗增殖作用，并对星形胶质细胞具有保护作用。
红景天苷是从红景天根茎中提取的主要活性代谢物。研究表明，它通过触发抗氧化应激反应来阻止人胶质瘤U251细胞的生长。红景天苷可以改善肿瘤微环境，并在体内和体外阻止星形胶质细胞和胶质瘤的发展和进展。
生姜含有许多酚类化合物，如6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、姜烯酮-A、槲皮素、6-脱氢姜二酮和姜酮，具有药理特性。姜酚是生姜的主要化合物，通过增加ROS的产生，在体外下调了GBM细胞中的抗凋亡蛋白，并上调了促凋亡蛋白。另一种生姜提取物在体外对胶质瘤细胞系也显示出抗肿瘤活性，且对健康细胞没有毒性影响。生姜在3D体外模型中也有效，其中胶原蛋白中的U-87细胞迁移抑制了U87的迁移。此外，从生姜中分离出的化合物姜酮，通过启动细胞凋亡降低了NB细胞的活力，并在体内小鼠模型中阻碍了肿瘤生长。在另一项研究中，姜酮通过提高ROS水平，降低了C6胶质瘤细胞的活力，并提高了体内大鼠模型的存活率。
萜类化合物由五碳异戊二烯单元组成，影响癌症发展的关键过程，包括细胞增殖、转移和血管生成。
大麻，也称为大麻，含有药学活性化合物，称为植物大麻素和萜类化合物。从大麻中部分衍生的最便利的化学物质是大麻二酚和Δ-9-四氢大麻酚。这些化学物质以其对各种癌症类型的抗癌作用而闻名。THC和CBD在体外抑制了几种胶质母细胞瘤细胞系的扩大。当THC和CBD结合时，细胞活力比单独施用THC进一步降低。THC和CBD的共同给药也抑制了细胞周期，并增强了胶质母细胞瘤细胞的凋亡。CBD在低浓度下显示出显著的抗肿瘤作用，突出了其潜在的转化相关性。
雷公藤红素是一种从雷公藤物种中分离出来的五环三萜类化合物，在体外显示出抗炎和抗氧化特性，以及对多种癌症类型的抗癌作用。雷公藤红素在低剂量下对U251细胞系显示出抑制活性。另一项研究支持这些发现，报告了U87和U251细胞中的IC50值低于1 μM，并且在0.25-1 μM时显著抑制迁移和侵袭。此外，这些结果与体内实验相关，其中雷公藤红素导致胶质母细胞瘤动物模型中肿瘤大小显著减小和存活率提高，表明具有良好的转化前景。尽管有这些令人鼓舞的结果，但在临床适用性之前，应解决关于全身毒性和狭窄治疗窗口的问题。
皂苷由甾体苷元或三萜组成，显示出许多药理特性，如显著的抗癌作用。竹节香附素A是一种从多被银莲花中提取的齐墩果烷型三萜皂苷，据报道可通过抑制β-连环蛋白来抑制GM细胞的增殖、迁移和侵袭。RA还通过抑制血管生成和侵袭性来阻碍体内研究中的GM生长。桔梗皂苷D是桔梗中的三萜皂苷，具有抗癌特性。DPD显著抑制了体外U251细胞的增殖。暴露于DPD的GBM细胞显示出扩大和受损的线粒体以及空的自噬囊泡。研究发现DPD上调了BNIP3L，导致GBM细胞线粒体自噬。一致地，相对低剂量的DPD在体内增加了BNIP3L的活性，导致肿瘤体积减小。知母皂苷AIII是从知母中提取的甾体皂苷，在体外抑制了U87MG细胞活力，并在体内减少了肿瘤进展。据报道，TIA通过增加PDE5/cGMP信号通路活性来阻断β-连环蛋白活性，从而发挥其抗癌作用。重楼皂苷VII是一种从延龄草的根和根茎中提取的甾体皂苷，通过增加Bax表达和降低Bcl-2表达，导致PARP和caspase-3激活增强，从而在GBM细胞中触发凋亡。此外，PS VII在体内以2.5和5 mg/kg的剂量减少了肿瘤的大小。总之，特定皂苷在相对低剂量下发挥抗肿瘤作用的能力突出了它们在GBM中的潜在相关性。
生物碱是具有环状结构的有机成分，包括一个或多个氮原子。小檗碱是一种从刺檗中提取的异喹啉生物碱，在中国传统医学中广泛用于治疗腹泻。BBR被证明通过erk1/2通路诱导线粒体损伤，从而触发胶质瘤细胞的程序性细胞阻滞，并激活野生型p53或抑制突变型p53活性，导致恶性细胞增殖减少。在体内和体外，BBR通过抑制胶原蛋白XI α1链来抑制胶质瘤细胞的迁移，该链在胶质瘤细胞系中上调并支持胶质瘤细胞的迁移。低剂量的小檗碱也显著减少了肿瘤质量，表明其药理作用和临床应用的潜在前景。另一项体内研究支持这一结果，报告了用相同浓度治疗25天后肿瘤大小减少了约50%。BBR还以多种方式靶向胶质瘤细胞，包括抑制Ki67表达、激活cleaved caspase-3和Bax，以及下调Bcl-2。此外，BBR抑制了通过激活癌细胞的上皮-间质转化促进转移的TGF-β1/SMAD2/3信号通路。
咖啡因天然存在于咖啡豆、茶叶和可可豆中。由于其抗炎、抗氧化和抗菌特性，其消费对健康有益。此外，它具有抗癌益处，因为它可以触发细胞凋亡，并减轻几种癌症（包括GBM）的细胞增殖和迁移。据报道，咖啡因下调了缺氧诱导因子之一HIF-1α，该因子在触发血管内皮生长因子中起重要作用，而血管内皮生长因子与细胞迁移和血管生成直接相关。
萝卜硫素是一种异硫氰酸酯，主要存在于十字花科蔬菜中，尤其是西兰花。虽然其抗癌特性在许多癌症类型（包括GBM）中已得到充分证实，但其穿过BBB的能力和低毒性等特性使这种生物活性化合物成为一种潜在策略。研究发现SFN在常氧和缺氧环境中通过激活caspase-3（与细胞外信号调节激酶磷酸化增强相关）触发细胞凋亡并降低U87MG和U373MG细胞系的活力。另一项研究表明，SFN通过诱导ROS生成和激活caspase-3和caspase-7来抑制GBM细胞、GBM干细胞样球体的生长以及体内肿瘤异种移植物的生长，并且对健康脑细胞没有毒性作用。
醌类具有抗炎、抗氧化和抗癌特性。百里醌是黑种草挥发油的一种醌，已被证明可抑制致癌基因以及GBM进展相关基因。另一项研究发现，TQ在体内模型中穿透BBB，并在体外触发GBM细胞系的凋亡。
当归的氯仿提取物在体内GBM大鼠模型中显示出抗GBM作用。通过增加细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂的表达，从而降低Rb蛋白的磷酸化，当归能够抑制肿瘤，显著延长存活期。
睡茄果实提取物含有withanamides，能够减少脂质过氧化。睡茄素A靶向许多已知在高级别胶质瘤中失调的通路，如血管生成通路、p53信号、MAPK/ERK信号、PI3K/Akt/mTOR信号和NF-κB信号。阿育吠陀提取物睡茄及其成分——睡茄素A、睡茄酮等，对几种癌细胞具有抗增殖特性，而对健康细胞没有影响。细胞周期蛋白依赖性激酶1、丝裂原活化蛋白激酶、信号转导和转录激活因子3、核因子κB、COX-2下调、p53失活和Wnt/Notch通路下调是睡茄的一些潜在分子靶点。睡茄还抑制了许多癌细胞系（包括神经母细胞瘤）中的Akt磷酸化。睡茄在体外大鼠细胞系C6胶质瘤细胞和体内肿瘤同种异体移植物中进行了测试，发现它在转录和翻译水平上下调了细胞周期蛋白D1的表达，并被认为是脑癌的强大潜在治疗方法。
百里香属有150种，通常分布在地中海地区。许多百里香物种因其解痉、镇痛、胃保护、抗溃疡和抗炎特性而被食用。它还表现出抗癌行为。研究发现，百里香二乙酯提取物在
