虫草素的功效研究进展

清华大学医学院 王银银 常智杰

　　虫草素是从北冬虫夏草（Cordyceps militaris）分离出来的一种天然成份，为腺苷类似物，已有许多研究表明其具有治疗或辅助治疗各类疾病的潜力，其中包括炎症类疾病和癌症。虫草素的生物学功能包括了以下几个方面：引起细胞死亡，阻止细胞生长，抑制多种炎症基因表达，减少细胞迁移等。动物实验表明，虫草素能够阻止炎症的发生，减少肿瘤发生。虫草素的生物学效应的分子机理包括了调控炎症及肿瘤发生相关基因的表达，抑制许多重要激酶底物的磷酸化，或直接影响蛋白合成。目前，有关虫草素功效的研究主要表现在以下几个方面。

虫草素抑制细胞增殖
　　Chang W等在血管平滑肌细胞上检测了虫草素在MMP系统中的作用。他们在膨胀受伤的SD大鼠的颈动脉上用虫草素处理（20uM/每天）后，抑制了大鼠大动脉平滑肌细胞(RaoSMCs)的增殖。进一步机制研究表明，在I型胶原激活的RaoSMCs中，虫草素明显地抑制了MMP-2和MMP-9的活性，同时也明显抑制了金属蛋白酶胞外基质(EMMPRIN)的表达，并表现出剂量效应。另外还发现，虫草素抑制和RaoSMCs畸形生长有关的COX-2基因的表达[1]。
　　ShiP等用流式细胞术和MTT等方法发现虫草素能够抑制肝癌细胞BEL-7402的生存，并诱导细胞凋亡。用二维双向电泳质谱分析发现了8个影响细胞代谢的蛋白表达明显受虫草素调控，和对照相比，两个蛋白下调，6个蛋白上调。该结果表明虫草素可能通过影响代谢相关的蛋白的表达来抑制肿瘤细胞的生长[2]。
　　Nakamura K等用非选择性和选择性腺苷A1,A2a, A2b and A3受体激动剂和拮抗剂来筛选虫草素的抗肿瘤靶点，发现腺苷和2‘脱氧腺苷(浓度为100μM)没有作用，只有一个选择性的腺苷A3受体激动剂(Cl-IB-MECA)显著地抑制B16 BL16小鼠黑色素瘤细胞(IC50=50μM)和小鼠Lewis肺癌细胞(IC50=14μM)的生长。而且，虫草素的抑制作用可以被一个选择性的腺苷A3受体拮抗剂(MRS1191)所拮抗。另外，体外实验表明虫草素明显抑制B16–BL16小鼠黑色素瘤细胞(IC50=39μM)和小鼠Lewis肺癌细胞(IC50=48μM)的生长。这些结果表明虫草素对小鼠黑色素瘤细胞和小鼠Lewis肺癌细胞的生长抑制作用是通过促进肿瘤细胞中的腺苷A3受体来实现的[3]。
　　Jung SM等通过MTT实验，胸腺嘧啶掺入实验，FACS分析，免疫印迹分析，激酶分析及免疫沉淀分析等多种实验方法检测了虫草素在血管平滑肌细胞（VSMC）细胞中的作用及其机制，结果发现虫草素抑制细胞生长，诱导细胞滞留在G1期，下调cyclin家族蛋白和CDK蛋白的表达，上调p27KIP1的表达，同时发现虫草素能够激活JNK, p38MAPK及ERK1/2信号通路。用ERK1/2信号通路特异性抑制剂U0126或者RNAi干扰ERK的功能后，发现p27KIP1的表达下调，细胞生长受到抑制，细胞周期蛋白表达下降。虫草素处理后Ras的活性下降。过表达Ras的显性负突变体RasN17后能够逆转虫草素引起的ERK1/2的活性，增强P27KIPI的表达，抑制细胞增殖和细胞周期蛋白的表达[4]。
虫草素诱导细胞凋亡
　　Wu WC等用形态观察，细胞生存分析，Annexin V-FITC分析及流式细胞术分析等方法研究了虫草素在人口鳞状癌细胞系OEC-M1 上的促凋亡作用。结果表明，虫草素处理后(100 uM)3到48小时内，聚集的细胞数增加，并观察到虫草素处理12小时后细胞质膜出泡。在细胞存活实验中发现，随着虫草素处理剂量的增加和处理时间的延长，细胞存活率明显下降(P<0.05)，并且发现虫草素主要引起的是细胞的早期凋亡。细胞周期分析结果表明虫草素处理后细胞的G1期缩短，G2 期和次G1 期增加[5]。
　　虫草素是聚腺苷酸化的一个特异性抑制剂，Thomadaki H等在白血病和淋巴瘤细胞系（如U937，K562，HL60，Daudi，Molt-4等）中研究了虫草素对抗癌药物etoposide诱导的细胞凋亡的作用，通过检测poly（A）聚合酶PAP的活性，DNA剪切，DAPI染色，Caspase-6活性及DeltaPsi（m）变化等发现，etoposide单独处理后细胞凋亡很明显，PAP活性发生变化，而用虫草素和etoposide共同处理后发现，不同类型细胞响应不同，其中在U937和 K562细胞中抑制凋亡，而在HL-60细胞中促进凋亡，在Daudi，Molt-4细胞中不影响etoposide引起的细胞凋亡，这是因为有另外一条凋亡通路[6]。

        Chen LS等提出了用直接针对RNA合成过程的药物来治疗多发性骨髓瘤（MM）的假说，他们用虫草素（因为虫草素是聚腺苷酸化的一个特异性抑制剂）进行了验证，结果表明给MM.1S细胞加入虫草素的三磷酸盐代谢物后，能够抑制RNA合成和细胞生长，虫草素处理48小时后，有50%的细胞是annexin-V阳性的凋亡细胞。另外，该研究小组还检测了一些半衰期短的基因在蛋白水平的变化，结果发现，MET在虫草素处理48小时后转录水平降低了10%，而 Bcl-2, XIAP, Mcl-1或survivin等的蛋白水平没有变化，caspases-8, -9 and -3的活性有变化，因此虫草素可以作为一种新的治疗多发性骨髓瘤的药物[7]。

    Choi S等研究了虫草素在乳腺癌细胞系（MDA-MB-231 和 MCF-7）中诱导的细胞凋亡是否和雌激素有关，结果表明在MDA-MB-231中，虫草素诱导的细胞凋亡可能是通过线粒体途径介导的凋亡通路，虫草素能够增加线粒体上Bax的转移，并呈现出剂量效应，从而导致细胞色素C的释放和caspases-9和caspases-3的激活。有趣的是，虫草素处理MCF7细胞后，细胞呈现出自噬性细胞死亡，这种自噬性死亡可以应用在凋亡缺陷的MCF7细胞上，而不受雌激素的影响。尽管自噬作用在一些肿瘤的转移过程中起的作用是促进细胞生存，而在虫草素诱导的MCF-7细胞死亡中可能很重要。总之，该研究认为虫草素能够有效的杀死体外培养的乳腺癌细胞MDA-MB-231 and MCF-7。这将为虫草素作为不依赖雌激素的乳腺癌临床药物研究提供了一定的理论基础[8]。

虫草素抑制细胞迁移，入侵和肿瘤发生

    Nakamura K等研究了虫草素（3’脱氧腺苷）对静脉注射B16-BL6黑色素瘤后形成的造血转移型小鼠模型的抗转移作用。加入各种浓度的虫草素(0.3, 1 and 3mg/ml)3小时后，小鼠肺部结节形成的数量减少（注入肿瘤后15天），并呈现出剂量效应。进一步机制研究表明，用虫草素(3mg/ml)预处理3个小时的B16-BL6细胞的侵袭力显著降低。但是，同样的条件下，虫草素(3mg/ml)没有影响B16-BL6细胞的生长曲线。这些结果表明某种程度上，虫草素通过抑制鼠黑色素瘤细胞的侵袭力来抑制肿瘤转移[8]。

    Ying Ying Wong等研究进一步确认了虫草素能够降低多聚腺苷酸尾poly(A)的长度，尤其是对一些mRNAs。低浓度的虫草素在使poly(A)改变的同时，也抑制NIH3T3成纤维细胞的增殖，而高浓度的虫草素抑制细胞贴附，降低粘着斑的形成。此外，他们还发现虫草素通过抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路抑制蛋白合成，在敲除4EBP的细胞中，虫草素对蛋白翻译的影响抑制作用明显减弱。进一步机制研究表明，虫草素对mTOR信号通路和蛋白合成的抑制作用是AMPK活化介导的。因此，该研究认为已报道的虫草素的许多生物学活性可能与其对mTOR和AMPK信号通路的作用有关[9]。

    Jeong JW等发现虫草素下调人前列腺癌细胞LNCaP细胞间紧密联结及MMPS的活性,可能通过抑制相关的Akt通路的激活来阻抑LNCaP细胞的转移和侵袭[10]。

    Xiao L等发现虫草素通过抑制白蛋白诱发的Rac1活性增加及NOX4表达导致的NAPDH氧化酶的激活及细胞内ROS的过激等反应，进而抑制白蛋白诱导的肾小管细胞HK2的EMT形成[11]。

    Jin ML等发现虫草素抑制NRK-49F的增殖及TGF-β1诱导的α-SMA FN表达，明显的削弱的Smad2/3的核转位和聚集。同时，虫草素不仅增加了HGF的表达，还刺激了HGF的分泌及HGF受体的磷酸化。虫草素通过抑制成纤维细胞的激活而保护肾脏[12]。

虫草素抑制炎症

    Kim HG等在脂多糖（LPS）刺激的RAW 264.7巨噬细胞中，检测虫草素对抗炎级联反应的作用。在LPS活化的巨噬细胞中，发现虫草素能够抑制NO的产生。进一步分析虫草素抑制NO产量及诱导一氧化氮合成酶(iNOS)表达的分子机制，该研究小组检测了LPS活化的巨噬细胞中Akt和 MAP 激酶的活性。结果发现虫草素显著抑制Akt和 p38的磷酸化，抑制肿瘤坏死因子（TNF-a）的表达，抑制IKB a的磷酸化和NF-kB的核转移。在RAW 264.7细胞，虫草素使环氧化酶-2（COX-2）和iNOS的表达显著降低。因此，该研究认为虫草素抑制NO的产量是通过抑制NF-kB活性、Akt和p38的磷酸化以及降低iNOS and COX-2基因的表达来实现的。因此，虫草素可能成为潜在的治疗炎症相关紊乱反应的药物[13]。

    Kim H等研究发现，虫草素能够抑制肺损伤相关的炎症，同时，其还能通过抑制PARP杀伤BRCA1缺陷的乳腺癌细胞[14]。

虫草素抑制脂肪细胞分化

    Liu Q等研究发现冬虫夏草能够明显抑制3T3-L1前脂肪细胞向脂肪细胞的分化，其中冬虫夏草的三个成份虫草素、鸟苷和色氨酸对前期脂肪形成的作用比脂肪分解的作用更明显，而且三种成份同时使用能够显著增加抗脂肪形成的活性[15]。

    Takahashi S等发现在前脂肪细胞分化过程中，虫草素能够抑制成熟脂肪细胞中磷脂的聚集，并负向调控脂肪形成。他们进一步发现虫草素抗脂肪形成的作用是可逆的，并发现这是由腺苷转运子所介导的，而不是由A(1) , A(2)和 A(3)受体介导的，其他包括ATP, ADP和 腺苷等腺苷相关的底物无法重现虫草素的功效。机制分析发现虫草素能够抑制早期的脂肪形成通路C/EBPβ-PPARγ，并发现这种作用主要是通过抑制Akt和激活AMP激酶来阻止mTORC1 信号通路来实现的[16]。

虫草素抑制mRNA的聚腺苷化

    Werner E.G等在L5178Y细胞进行体内研究表明虫草素显著抑制细胞增殖(50%抑制率, 0.27 μM)。虫草素三磷酸盐（3′-dATP）对L5178y 细胞中DNA依赖的DNA聚合酶α、β没有影响，中等强度地抑制小鼠肝脏中DNA依赖的RNA聚合酶I, II, III催化的三磷酸腺苷掺入RNA的效率，强烈抑制核多聚腺苷酸poly(A)聚合酶（取自输卵管）或胞质末端riboadenylate转移酶（从小牛胸腺获得）的活性，并发现这一抑制作用是与三磷酸腺苷相竞争的[17]。

虫草素抑制蛋白合成

    S. Penman等1977年发现在HeLa 细胞中虫草素能够抑制mRNA的合成，而对核不均一RNA和mRNA到胞质的转运没有影响[18]。

虫草素抑制血小板聚集

    Cho HJ等发现虫草素抑制了thapsigargin （一个肿瘤促发剂）诱导的血小板聚集，并且呈现出剂量效应，并且能够明显地减少细胞基质中游离的Ca+浓度。虫草素能够增加thapsigargin 减少的cGMP 水平。因此，本研究小组认为虫草素能够在血小板聚集的血栓形成疾病中起到好的作用，其作用机制可能是通过调节Ca+实现的[19]。

虫草素对代谢的影响

    虫草素还能促进脂肪代谢。例如，Zhu HB等通过用虫草素治疗高脂血症的仓鼠，结果发现其能促进其肝代谢和血液中的血脂代谢[20]。

    总之，我们可以看出，目前对于虫草素的研究，有关细胞增殖，细胞凋亡，细胞迁移及肿瘤形成方面的研究比较多，另外，对于炎症，脂肪分化，蛋白合成及代谢等方面的研究也是新的热点。

后记

    本篇综述根据国际学术期刊（Medine line）提供的科学论文整理而成，由于时间紧促，很可能有很多错误和遗漏。本文作者希望将国际学术界关于虫草素的效用、作用机理研究最近进展介绍给国内同行，希望能够促进我国在虫草素生产及临床应用上的研究，推动这一产业健康发展。

 

 

 

 

1. Chang, W., et al., Cordycepin inhibits vascular smooth muscle cell proliferation. Eur J Pharmacol, 2008. 597(1-3): p. 64-9.

2. Shi, P., et al., Proteomic detection of changes in protein expression induced by cordycepin in human hepatocellular carcinoma BEL-7402 cells. Methods Find Exp Clin Pharmacol, 2008. 30(5): p. 347-53.

3. Nakamura, K., et al., Antitumor effect of cordycepin (3'-deoxyadenosine) on mouse melanoma and lung carcinoma cells involves adenosine A3 receptor stimulation. Anticancer Res, 2006. 26(1A): p. 43-7.

4. Jung, S.M., et al., Ras/ERK1 pathway regulation of p27KIP1-mediated G1-phase cell-cycle arrest in cordycepin-induced inhibition of the proliferation of vascular smooth muscle cells. Eur J Pharmacol, 2012. 681(1-3): p. 15-22.

5. Wu, W.C., et al., The apoptotic effect of cordycepin on human OEC-M1 oral cancer cell line. Cancer Chemother Pharmacol, 2007. 60(1): p. 103-11.

6. Thomadaki, H., et al., The role of cordycepin in cancer treatment via induction or inhibition of apoptosis: implication of polyadenylation in a cell type specific manner. Cancer Chemother Pharmacol, 2008. 61(2): p. 251-65.

7. Chen, L.S., C.M. Stellrecht, and V. Gandhi, RNA-directed agent, cordycepin, induces cell death in multiple myeloma cells. Br J Haematol, 2008. 140(6): p. 682-391.

8. Choi, S., et al., Cordycepin-induced apoptosis and autophagy in breast cancer cells are independent of the estrogen receptor. Toxicol Appl Pharmacol, 2011. 257(2): p. 165-73.

9. Wong, Y.Y., et al., Cordycepin inhibits protein synthesis and cell adhesion through effects on signal transduction. J Biol Chem, 2010. 285(4): p. 2610-21.

10. Jeong, J.W., et al., Inhibition of migration and invasion of LNCaP human prostate carcinoma cells by cordycepin through inactivation of Akt. Int J Oncol, 2012. 40(5): p. 1697-704.

11. Xiao, L., et al., Cordycepin inhibits albumin-induced epithelial-mesenchymal transition of renal tubular epithelial cells by reducing reactive oxygen species production. Free Radic Res, 2012. 46(2): p. 174-83.

12. Jin, M.L., et al., Suppression of alpha-MSH and IBMX-induced melanogenesis by cordycepin via inhibition of CREB and MITF, and activation of PI3K/Akt and ERK-dependent mechanisms. Int J Mol Med, 2012. 29(1): p. 119-24.

13. Kim, H.G., et al., Cordycepin inhibits lipopolysaccharide-induced inflammation by the suppression of NF-kappaB through Akt and p38 inhibition in RAW 264.7 macrophage cells. Eur J Pharmacol, 2006. 545(2-3): p. 192-9.

14. Kim, H., et al., Cordycepin blocks lung injury-associated inflammation and promotes BRCA1-deficient breast cancer cell killing by effectively inhibiting PARP. Mol Med, 2011. 17(9-10): p. 893-900.

15. Liu, Q., et al., Anti-adipogenic activity of Cordyceps militaris in 3T3-L1 cells. Nat Prod Commun, 2011. 6(12): p. 1839-41.

16. Takahashi, S., et al., Blockade of adipocyte differentiation by cordycepin. Br J Pharmacol, 2012.

17. Muller, W.E., et al., Effect of cordycepin on nucleic acid metabolism in L5178Y cells and on nucleic acid-synthesizing enzyme systems. Cancer Res, 1977. 37(10): p. 3824-33.

18. Penman, S., M. Rosbash, and M. Penman, Messenger and heterogeneous nuclear RNA in HeLa cells: differential inhibition by cordycepin. Proc Natl Acad Sci U S A, 1970. 67(4): p. 1878-85.

19. Cho, H.J., et al., Inhibitory effects of cordycepin (3'-deoxyadenosine), a component of Cordyceps militaris, on human platelet aggregation induced by thapsigargin. J Microbiol Biotechnol, 2007. 17(7): p. 1134-8.

20. Sun, Y., et al., Beneficial effects of cordycepin on metabolic profiles of liver and plasma from hyperlipidemic hamsters. J Asian Nat Prod Res, 2011. 13(6): p. 534-46.