中药药理-if8+：药科大揭示生姜多糖抑制结肠癌肿瘤生长机制

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Introduction

俗话说“早吃三片姜，赛过喝参汤”，食生姜对人体健康的益处众所周知。生姜作为药食同源材料，含有多种活性化合物，在我国有5000年的应用历史。早在春秋时代，《论语乡党》中就有孔子生平“不撤姜食”的记载。作为食材，生姜气味芳香而辛辣，是提味去腥的利器；作为药材，生姜解表散寒，温中止呕，具有多种功效。许多研究表明，生姜在癌症治疗上有着神奇功效。生姜及其活性成分可抑制多种肿瘤的生长和诱导肿瘤细胞凋亡，从生姜中提取的天然产物对结肠癌显示出直接或协同抗癌作用。

结肠癌是最常见的恶性肿瘤之一，在胃肠道肿瘤发生中占比超过30%。结肠癌患者早期症状不明显，常于中晚期确诊。手术、化疗、免疫治疗、中药等方案被联合应用于结肠癌治疗，但临床上仍面临很多困难，需要更多低毒高效的结肠癌治疗方法。

天然多糖作为一种具有高效抗肿瘤活性的化合物已被广泛关注，与传统化疗药物相比，天然多糖对正常细胞表现出低毒或无毒的特性，更具生物安全性。以往研究表明，多糖可通过直接或间接方式发挥抗肿瘤效应，即通过阻滞肿瘤细胞周期、诱导肿瘤细胞凋亡发挥直接抗肿瘤活性，或通过免疫途径激活细胞因子表达发挥间接抗肿瘤活性。近年来， 中国药科大学工学院陈贵堂教授团队 在生姜多糖的功效方面取得了一系列研究进展，前期在对不同提取方法得到的3种生姜粗多糖和5种生姜多糖纯化组分进行体外抗肿瘤和免疫增殖活性筛选时，发现生姜多糖纯化组分UGP1能有效抑制HCT116人结肠癌细胞生长，同时对RAW264.7小鼠巨噬细胞有免疫增殖作用。在此基础上，又建立了体外细胞模型和肿瘤动物模型，通过对细胞周期阻滞、凋亡途径和免疫活性的研究阐述了UGP1抗结肠癌作用的机制，为抗结肠癌药物的开发、姜多糖在食品和制药行业的应用提供参考。

Results and Discussion

UGP1在体外抑制HCT116细胞增殖

首先证实姜多糖UGP1的抗增殖作用。用MTT检测法检查UGP1对HCT116细胞增殖活性的影响，用Hoechst 33342染色法观察、Annexin V-FITC/PI染色并流式细胞仪检测细胞凋亡。如图1A-C所示，姜多糖UGP1（0、25、50、150 μg/mL）呈剂量依赖性地诱导HCT116细胞凋亡。细胞周期检测结果表明，UGP1可将HCT116细胞周期阻断于S期、阻滞其有丝分裂（图1D）。接着，检测UGP1对Caspase蛋白的调节能力，如图1E所示，UGP1处理后caspase-3和caspase-9的活性显著提高。然后，通过蛋白质印迹检测UGP1处理后HCT116细胞凋亡相关蛋白表达情况（图1F）。UGP1可剂量依赖性地促进p53、Bax蛋白表达，并下调Bcl-2蛋白表达。总之，姜多糖UGP1可能通过p53、Bax/Bcl-2、caspase-3信号途径抑制HCT116细胞增殖并诱导凋亡。

A. HCT116细胞增殖活性检测；B. 细胞凋亡形态观察；C. 细胞凋亡时期检测；D. 细胞周期分布检测；E. Caspase蛋白活性检测；F. 细胞凋亡相关蛋白检测。

图1 UGP1抑制HCT116细胞增殖

UGP1在体内抑制结肠癌肿瘤生长

为进一步验证姜多糖UGP1的结肠癌抗癌作用及其作用机制，本研究建立了BALB/c小鼠荷瘤模型。如图2A-C所示，UGP1以剂量依赖的方式抑制小鼠肿瘤生长，诱导肿瘤细胞凋亡。与DOX相比，UGP1对小鼠体重无不良影响（图2D），且对脾脏、肾脏、肝脏指数有积极影响（图2E）。通过蛋白质印迹检测肿瘤凋亡相关蛋白p53、Bax、Bcl-2的表达。如图2F所示，姜多糖UGP1可能通过上调p53蛋白表达和Bax/Bcl-2的比值，抑制结肠癌肿瘤发展。

A. 肿瘤形态观察；B. 肿瘤体积曲线；C. 肿瘤切片观察；D. 小鼠体重变化；E. 小鼠脏器指数；F. 肿瘤凋亡相关蛋白检测。

图2 UGP1抑制结肠癌肿瘤生长

UGP1的免疫调节作用

为研究姜多糖UGP1的免疫调节功能，首先考察了UGP1对RAW264.7细胞活力和肿瘤坏死因子TNF-α分泌的影响（图3A-B）。UGP1在体外具有良好的免疫调节作用，或可通过刺激细胞因子的分泌发挥其抗肿瘤作用。对体内血清免疫因子分泌的研究显示（图3C），UGP1可显著提高细胞因子TNF-α、IL-6、IL-2的分泌，并抑制TGF-β、bFGF的分泌，减少肿瘤免疫逃避和转移。总之，UGP1可调动机体免疫应答，调节免疫因子分泌发挥抗肿瘤作用。

A. RAW264.7细胞增值活性检测；B. TNF-α表达量检测；C. 体内血清免疫因子分泌情况。

图3 UGP1的免疫调节作用

Conclusion

本文探讨了姜多糖UGP1在体外和体内的抗肿瘤活性。UGP1可诱导肿瘤细胞周期阻滞，增强Bax和p53蛋白的表达，抑制Bcl-2蛋白的表达，激活下游蛋白caspase-9和caspase-3的表达。此外，UGP1促进了促炎细胞因子TNF-α、IL-6、IL-2的分泌，减少了促肿瘤细胞因子TGF-β、bFGF的分泌。综上，姜多糖UGP1可能通过调节p53、Bax/Bcl-2、caspase-3信号途径和调节免疫系统活性来诱导肿瘤细胞凋亡，抑制人结肠癌肿瘤的生长。

第一作者

钱燕芳，硕士研究生，现就读于中国药科大学工学院，研究方向为营养与功能食品。

通信作者

陈贵堂，中国药科大学工学院/国家中药材加工研发专业中心教授，博士生导师。毕业于中国农业大学食品科学与营养工程学院，获工学博士学位，美国罗格斯大学食品科学系访问学者，入选江苏省“双创计划”科技副总项目。主要研究食品及药食同源品等材料中生物活性物质的药理活性与保健作用机理，尤其是功能成分与人类慢性疾病的关系，同时采用先进的物理、化学和生物学技术，研究功能性成分的高效分离和富集、活性保持和增效，为医药、保健食品开发提供各种功能因子。完成了国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目10余项，在国内外期刊上发表科研论文90多篇，获授权专利10余件。

Ginger polysaccharide UGP1 suppressed human colon cancer growth via p53, Bax/Bcl-2, caspase-3 pathways and immunomodulation

Yanfang Qian1, Chenying Shi1, Chen Cheng1, Dengwei Liao, Junping Liu, Guitang Chen*

College of Engineering/National R&D Center for Chinese Herbal Medicine Processing, China Pharmaceutical University, Nanjing 211198, China

1 Authors contributed to the work equally and should be regarded as co-first authors.

*Corresponding author.

Abstract

In previous study, we got a purified ginger polysaccharide UGP1 and verified its significant antitumor activities on colon cancer HCT116 cells. In this article, we aimed to illustrate the underlying mechanism of UGP1 exerted antitumor activities on colon cancer by using in vitro cell models and in vivo animal models. The results demonstrated that UGP1 could induce S-phase cell cycle arrest, up-regulate the expression of Bax and p53, down-regulate the expression of Bcl-2, and activate the downstream protein caspase-9 and caspase-3, which was related to intrinsic apoptosis pathway on HCT116 cells. Moreover, UGP1 significantly stimulated RAW264.7 cell proliferation and secretion activity. Similarly, UGP1 inhibited tumor proliferation on tumor-bearing mice, increased the expression of p53 and the ratio of Bax/Bcl-2, enhanced the secretion of pro-inflammatory cytokines TNF-α, IL-2, IL-6 and decreased the secretion of pro-tumor cytokines TGF-β and bFGF in serum. In conclusion, it indicated that the UGP1 could suppress human colon cancer growth by inducing apoptosis via the regulation of p53, caspase-3, and Bax/Bcl-2 ratio-dependent pathway and regulating immune system activity. This investigation provided basic theoretical mechanism of ginger polysaccharide-exerted antitumor activities, and contributed to develop a possible functional food or adjuvant agent for prevention or treatment of colon cancer.

Reference:

QIAN Y F, SHI C Y, CHENG C, et al. Ginger polysaccharide UGP1 suppressed human colon cancer growth via p53, Bax/Bcl-2, caspase-3 pathways and immunomodulation[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(2): 467-476. DOI:10.1016/j.fshw.2022.07.048.

翻译/编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：图虫创意

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