Nature子刊 | 南中医大狄留庆团队揭示附子生物碱调节PI3K/Akt-mTOR信号和糖酵解抑制非小细胞肺癌生长

【 写在前面 】： 本期推荐的是由南京中医药大学狄留庆研究团队近期发表于Communications Biology(IF5.2）的一篇文章，本文通过组学分析及网络药理学和体内外实验的综合研究揭示附子生物碱抑制非小细胞肺癌的生长的机制。

【期刊简介】

【题目及作者信息】

附子在临床治疗肿瘤中应用广泛。本研究旨在探讨附子对非小细胞肺癌(NSCLC)的治疗作用及其机制。附子生物碱(FZA)在体外和体内均能显著抑制非小细胞肺癌的生长。UPLC-QTOF-MS共鉴定出53种生物碱。蛋白质组学实验表明，FZA调控的238个差异表达蛋白参与氨基酸合成代谢、嘧啶代谢和PI3K/Akt-mTOR信号通路。代谢组学分析鉴定出32种显著差异代谢物，主要参与氨基酸代谢、TCA循环等途径。多组学研究结合分子生物学检测提示，FZA可能通过PI3K/Akt-mTOR通路调控糖酵解，治疗NSCLC。本研究为附子的抗癌研究奠定了基础，并为其临床应用提供了可能的科学依据。

图文摘要

【前言】

肺癌是世界上最常见的癌症，死亡率很高。非小细胞肺癌(NSCLC)约占肺癌的85%，由于其高复发和转移性，其治愈率和生存率仍然很低。现有的非小细胞肺癌临床治疗主要包括手术、放疗、化疗、靶向治疗和免疫治疗。然而，手术和放疗用于晚期非小细胞肺癌患者。化疗和放疗通常伴有副作用，如疲劳、恶心和胃肠道反应。此外，分子靶向治疗容易产生耐药性。中药可以改善患者的生活质量，缓解患者的症状，并且具有良好的安全性。因此，探索中医药治疗非小细胞肺癌具有重要意义。

附子是乌头(Aconitum carmichaelii Debx)的子根，具有治疗肿瘤的作用，最早记载在《农神本草经》中。附子在临床经常用于治疗肺癌、胃癌等恶性肿瘤。著名的附子方，包括四逆汤、麻黄附子西心汤、参附注射液、复方三生注射液，在抗癌治疗中发挥了很好的疗效。现代研究表明附子中乌头碱、次乌头碱、中乌头碱、高铁胺等成分具有抗癌作用。然而，这些对附子的研究大多集中在单体成分上。我们前期研究报道附子汤对肿瘤生长有明显的抑制作用。同时，附子汤治疗非小细胞肺癌的有效成分及其作用机制尚不清楚。

蛋白质组学研究是对疾病发生和药物治疗过程中蛋白质表达水平、修饰状态、相互作用、数量、特征等差异的系统研究，被广泛用于阐明中医药的机制。代谢组学研究是通过分析机体正常生理病理条件下代谢物的变化，全面阐述药物作用机制的研究，是药理学研究的关键方法。通过对差异蛋白进行蛋白质组学筛选，对差异表达的代谢物和代谢途径进行代谢组学鉴定，对差异蛋白与代谢途径进行联合分析，寻找其相关性，研究蛋白质和代谢物的上下游调控途径。同时，通过构建药物-疾病靶向网络，网络药理学已被广泛应用于预测中药的有效成分、治疗靶点和信号通路，揭示中药的潜在机制。综上所述，多组学技术结合网络药理学可以更全面、系统地研究中药多组分、多途径、多靶点的潜在分子机制

细胞代谢重编程是恶性肿瘤的关键标志物。Warburg效应是癌细胞的一种代谢特征，在有氧条件下，癌细胞消耗大量葡萄糖并产生乳酸，以满足日益增长的能量需求和生物合成需求。研究者发现癌细胞利用Warburg效应维持PI3K信号通路的活性，从而促进糖酵解代谢，保证癌细胞的持续生长和分裂。PI3K/Akt-mTOR信号通路通过激活相应的下游效应物参与调节多种细胞生理过程，在肿瘤增殖、侵袭和转移中起关键作用。因此，通过靶向PI3K/Akt-mTOR通路调控肿瘤代谢已成为癌症治疗的一种策略。

本研究首先从附子（FZ）中提取并纯化附子生物碱（FZA）和附子多糖（FZP）。采用异种移植小鼠模型评价FZ、FZA和FZP的抗NSCLC作用。采用超高效液相色谱四极杆飞行时间质谱法(UPLC-Q-TOF-MS)分析有效组分的化学成分。此外，我们还利用基于TMT的蛋白质组学、非靶向代谢组学和网络药理学研究了其抗NSCLC的活性成分和分子机制。最后，通过分析试剂盒、气相色谱-质谱(GC-MS)分析和Western blotting实验验证了其相关机制。

【结果部分】

1.FZA在体内和体外均能抑制NSCLC的生长。

2.FZA的成分鉴定。

3.蛋白质组学分析。

4.代谢组学分析。

5.蛋白质组学和代谢组学结果的综合分析。

6.网络药理学预测。

7.FZA通过PI3K/Akt-mTOR途径调节有氧糖酵解。

【结论与讨论】

NSCLC是全球癌症相关死亡的主要原因之一，其预防和治疗仍然是一个重大的临床挑战。大量的临床实践已经揭示了中医的智慧，因此在抗癌研究中，人们越来越关注中医配方、草药及其有效成分。我们前期的实验表明附子汤在体内具有较强的抗NSCLC作用，且在有效剂量下具有较好的安全性。然而，附子主要成分的抗NSCLC作用尚不清楚。

本研究从附子中提取纯化了附子生物碱（FZA），通过UPLC-Q-TOF-MS定性分析鉴定了53种生物碱成分。结果发现，在A549异种移植小鼠模型中，FZA明显抑制肿瘤生长，毒副作用小。MTT试验表明，FZA具有较强的抗NSCLC活性。

与正常细胞不同的是，不管氧含量如何，肿瘤细胞中的丙酮酸主要转化为乳酸生成ATP，从而维持了足够的大分子合成底物以供活性肿瘤细胞增殖，这种现象被称为Warburg效应。Warburg效应的潜在机制是复杂的，涉及癌基因的激活、肿瘤抑制基因的失活、糖酵解酶的异常表达和肿瘤微环境的改变。糖酵解产物的调控是代谢重编程的一部分，与肿瘤的发生发展密切相关。因此，糖酵解代谢在抗肿瘤治疗的研究中变得越来越重要。为了充分掌握FZA的生物学效应，我们利用蛋白质组学和代谢组学对其作用途径进行了研究。

通过基于TMT的蛋白质组学分析显示了FZA给药后蛋白质的变化。通过代谢组学鉴定了差异代谢物和代谢途径，并据此阐明了FZA的整体调节作用。结果表明，FZA的靶点主要富集于氨基酸合成与代谢、谷胱甘肽代谢、脂质代谢，提示FZA可能通过调节细胞代谢发挥抗NSCLC作用。此外，检测试剂盒证实FZA降低了肿瘤细胞的葡萄糖消耗和乳酸生成，而靶向代谢组学分析表明，FZA增加了TCA循环相关产物的含量，表明FZA纠正了从糖酵解到氧化磷酸化的代谢途径。总之，这表明FZA纠正了糖酵解到线粒体呼吸的代谢途径，从而治疗了NSCLC。

通过网络药理学分析，发现FZA主要通过肿瘤通路、PI3K/Akt-mTOR信号通路和中枢碳代谢通路治疗NSCLC。PI3K/Akt-mTOR通路是恶性肿瘤细胞Warburg效应最关键的调控通路之一。先前的临床研究发现，PI3K/Akt-mTOR通路的上调在NSCLC患者中很常见。

同样，有报道称β-榄香烯通过调节PI3K/Akt-mTOR信号通路抑制NSCLC的肿瘤代谢。结合多组学和网络药理学，推测FZA可能通过PI3K/Akt-mTOR信号通路调节糖酵解，从而抑制肿瘤细胞的生长。WB实验分析发现，FZA抑制了PI3K、Akt和mTOR的磷酸化水平，但不影响PI3K、Akt和mTOR的蛋白表达。因此，我们认为FZA可能通过抑制PI3K/Akt-mTOR信号通路发挥抗肿瘤作用，可能是阻断NSCLC发展的有效措施。还需要进一步研究FZA的具体活性成分及其精确的药理靶点。

综上所述，从附子中提取纯化的FZA中共鉴定出53种生物碱成分。结果表明，FZA通过PI3K/Akt-mTOR信号通路调节糖酵解，在体外和体内抑制NSCLC的生长。因此，我们的研究结果突出了FZA作为一种潜在的非小细胞肺癌治疗方法，可能通过调节PI3K/Akt-mTOR信号通路发挥抗癌作用。

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