综述 |上海中医药：组学在消化道恶性肿瘤药用植物中的当前应用进展与未来展望（国人佳作）

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编译：微科盟-廿九，编辑：微科盟Emma、江舜尧。

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导读

消化道恶性肿瘤是指一组致命的胃肠道和消化系统器官的恶性肿瘤。在过去的几十年里，相当数量的药用植物对不同类型的消化道恶性肿瘤表现出了强大的抗癌作用。组学是一种涵盖基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学的系统生物学方法，广泛应用于药用植物的分子生物学研究。单一和多个组学方法有助于解开具有抗消化道恶性肿瘤潜力的药用植物的信号相互作用网络和关键分子靶点。因此，本文综述了各种组学和先进的生物信息学方法在研究抗癌药用植物的治疗靶点、信号通路和肿瘤微环境方面的应用。并对该领域的研究进展和前景进行了展望。

论文ID

原名：OMICS Applications for Medicinal Plants in Gastrointestinal Cancers:Current Advancements and Future Perspectives译名：组学在消化道恶性肿瘤药用植物中的应用：当前进展与未来展望期刊：Frontiers in PharmacologyIF：5.810
发表时间：2022.02通讯作者：席志超 & 徐宏喜通讯作者单位：上海中医药大学

主要内容

1.前言
消化道恶性肿瘤(GI癌)，主要是结直肠癌、胃癌、肝细胞癌、胰腺癌和食道癌，是全球范围内癌症相关死亡率高的原因之一，发病率高且预后差。在早期发现的基础上，结合内镜、手术、化疗等多种治疗手段，可提高消化道恶性肿瘤患者的生存率。然而，治疗结果取决于许多因素，包括诊断时的癌症阶段、不同的癌症亚型和患者的易感性。不幸的是，目前治疗消化道恶性肿瘤的抗癌药物开发仍然较为缺乏，且成本昂贵；不可避免的不良反应或耐药性也是不可忽视的障碍。天然产物提供了大量具有潜在药用价值的成分，包括抗癌、神经保护和心血管保护。尽管药用植物的化学成分复杂，但现代技术已经鉴定出许多有效的抗癌成分，如多糖、三萜类、类黄酮类、蛋白质和氨基酸。在临床上，从药用植物中提取的几种先导化合物已被广泛应用于一线治疗。例如，从太平洋红豆杉中分离出的紫杉醇被证明是一种用于治疗各种类型癌症的化疗药物。此外，GI癌症患者还受益于药用植物作为抗癌佐剂在增强疗效、减少不良反应、改善免疫功能和消除耐药性方面的好处。然而，中药治疗潜在的抗消化道恶性肿瘤的机制仍然不清楚，这促使了人们对关键靶分子和信号通路的系统识别展开进一步研究。组学是一系列旨在描述和量化生物体内生物分子的方法，它涵盖了大量的信息，包括结构、功能和动态。在过去的几十年里，生物信息分析与多个组学数据集的集成，使人们能够全面理解遗传、蛋白质组学、表观遗传和代谢过程，因此被认为是一种发现生物标志物和治疗靶点的强大工具。基因组学涵盖了所有利用DNA序列来阐明分子特征的方法。例如，DNA微阵列技术(在共享的基础上排列的DNA探针集合)被用于特定的基因搜索或大规模的基因多态性和表达分析。下一代测序实现了革命性的基因组研究，能够对DNA或RNA进行高通量、大规模的并行测序。蛋白质是基因的功能执行者，蛋白质组学的应用阐述了对存在于细胞、组织或有机体中的整体蛋白质的鉴定和定量。基因组学和转录组学阐明了生物体中蛋白质的特性，并解释了特定蛋白质的结构和功能。代谢组学提供了在不同生命水平的不同生物体中小分子代谢产物的全面分析。核磁共振和基于质谱的代谢组学鉴定出的代谢物有助于新药的发现和生物标志物的预测。本文重点介绍了目前用于了解抗癌药用植物在GI癌症治疗中作用的组学技术(图1)。我们总结了组学方法的科学证据，以阐明复杂的信号相互作用网络、关键目标分子、肿瘤微环境和宿主肠道微生物群对抗癌中草药的响应(图2)。此外，我们还讨论了组学目前面临的挑战和机遇。                图1 组学技术在抗GI癌症研究中的应用肿瘤细胞经中药治疗后，经历了一系列的生物学过程，在此过程中，大量的分子变化反映在不同的维度，如蛋白质和信使核糖核酸的表达水平以及代谢物的谱。各种组学技术，如测序、微阵列和iTRAQ分析，已经被用来揭开癌症对药用植物的响应变化。
图2 具有抗GI癌症活性的药用植物概述
许多药用植物在GI癌症中表现出强大的抗肿瘤活性，包括结肠癌、胰腺癌、胃癌、肝癌和食道癌。借助蛋白质组学、基因组学、转录组学、代谢组学和多OMICS等不同的组学方法，人们对药用植物抗GI癌症的机制进行了广泛的探索。
2. 组学在消化道恶性肿瘤中的应用
2.1 结直肠癌结直肠癌(CRC)是最常见的胃肠道癌症之一，其特点是癌前病变难以发现，病情恶化迅速，早期转移和高死亡率。虽然早期诊断和手术切除联合化疗已被广泛应用于治疗CRC，但药用植物作为佐剂的潜在用途也引发了这一领域的研究势头。组学的应用在从药用植物中鉴定抗CRC活性化合物方面具有优势，并有助于揭示潜在的抗癌机制，包括调节细胞凋亡、抗癌应激和宿主免疫反应(表1)。
表1 组学在CRC药用植物研究中的应用
2.1.1 蛋白组学Leo等人证明了没药甾酮(GS)，一种从树胶树脂中提取的植物固醇，显著抑制了HCT116细胞的增殖。结合基于质谱学的无标记鸟枪蛋白质组学方法和蛋白质组学分析抗体阵列，人们表征了新的蛋白质组特征，并确定了GS处理和未处理的HCT116细胞之间的显著蛋白质表达差异，包括P53、TRIAL、肿瘤坏死因子-α/核因子-kB和凋亡相关蛋白质。蛋白质组学分析表明，Ankaferd hemostat (ABS)可影响Caco-2结肠癌细胞的葡萄糖、脂肪酸和蛋白质代谢等代谢过程。ABS是一种由麝香草、葡萄和高良姜等植物提取物组成的混合物。此外，ABS诱导了几个癌症靶点的改变，并上调了肿瘤抑制蛋白(UCHL1和RPL5)。基于SWATH-MS的蛋白质组学研究表明，在脂多糖刺激的结肠癌细胞模型中，甘蔗全乙醇提取物(WDS)通过上调氧化应激调节因子SELH和降低磷酸化的NFκB而影响NFκB通路(进一步的磷蛋白质组学研究表明，WDS促进细胞应激调节因子SIRT1和EGFR的磷酸化，而阻碍PKA、PKCβ和c-Jun的磷酸化)。此外，蛋白质组学方法可以帮助区分具有相似结构的化合物之间的不同作用机制。鼠尾草酸(CA)和鼠尾草醇(CS)是从迷迭香中提取的两种邻位二酚二萜类化合物。它们与C-11和C-12位上的羟基共享一个碳骨架，而CS在B环上有内酯部分，CA有一个游离的羧酸基。基于二甲基标记结合nanoLC-MS/MS的蛋白质组学研究表明，CA诱导了细胞对内质网应激的反应，而CS处理直接抑制了HT-29细胞的20S蛋白酶体催化活性，表明这两个结构相似的生物活性化合物诱导了不同的抗癌机制。2.1.2 转录组学地中海藻的多酚提取物(TTE)抑制SW480细胞和同基因CT26同种异体小鼠移植模型中的血管生成和癌细胞增殖。转录组图谱和独创性路径分析表明，TTE通过促进自噬应激和ATF4-P53-NFκB信号转导而发挥抗结直肠癌活性。应用从甜瓜中提取的甲硫乙酸(MTA)促进人CRC RCM-1细胞形成多细胞和隆突结构，这是一种很有前景的分化治疗方法，旨在缓解恶性肿瘤而不杀灭正常细胞。基因芯片显示MTA诱导的隆突结构形成至少部分与Cyclin E2和CDC25A的下调有关，这两个基因与G1期细胞周期控制有关。2.1.3 代谢组学由炎症性肠病(IBD)引起的慢性炎症，包括溃疡性结肠炎和克罗恩病，在消化道恶行肿瘤的发生中起着关键作用。从机制上讲，DNA超甲基化、活性氧簇(ROS)的产生和肠道微生物区系的失衡促进了IBD，随后导致结肠炎相关癌症(CAC)的启动。一种基于¹H核磁共振的快速代谢组学方法鉴定了14种豆科植物混合物中存在的31种主要代谢物，它们对结肠癌细胞具有细胞毒性，其中化合物A来自Astragalus boeticus L.，化合物B来自野生型Trigonella esculenta。膜荚黄芪-郁金（AC）对CT-26荷瘤小鼠原位移植的结肠癌生长和转移有明显的抑制作用。有趣的是，UPLC-Q-TOF/MS代谢组学方法显示AC治疗逆转了结肠癌引起的几种代谢变化，其中临床抗癌化疗药物反式维甲酸显著上调。经典CAC的特征之一是由甘油磷脂(GPL)异常升高引起的代谢失衡。San及其同事利用基于LC-MS的非靶向代谢组学分析了谷糠过氧化物酶(FMBP)治疗后AOM/DSS诱导的CAC小鼠模型的血清代谢物谱。结果推测，FMBP通过降低涉及磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺的关键代谢酶(如PCYT1α和PCYT2)的表达水平来阻止GPL的代谢，导致三磷酸腺苷不足以维持结直肠癌的生长。以植物为基础的饮食摄入为宿主提供了多种有益的生物活性成分，防止人类患上各种疾病；相反，高脂肪饮食会导致更多的腺瘤和癌症。西洋参可减轻西式高脂饮食诱导的代谢紊乱，减少肠道炎症和肿瘤发生，并延长Apc^Min/+小鼠的寿命。从机理上讲，代谢组学图谱显示，西洋参显著改变了几种代谢物，包括支链氨基酸、有机酸、脂肪酸和碳水化合物。有证据表明，纤维摄入量与结直肠癌的总死亡率呈负相关。在一项随机对照试验中，人们对受试者进行连续4周的膳食菜豆(35g/d)摄入来调节超重和肥胖的CRC幸存者的粪便代谢。基于非靶向代谢组学方法，食用菜豆增加了氨基酸、脂肪和豆类植物化学物质的丰度，并通过改变主要代谢途径如甾醇、赖氨酸、脂肪酸、氨基酸和肌醇代谢来预防结直肠癌。新的证据突显了肠道微生物区系在加强肠道癌变方面的关键作用，而草药可以通过触发免疫反应、调节微生物组成和激活免疫信号通路来调节肠道生物失调。短链脂肪酸(SCFA)是当不可消化的植物碳水化合物到达近端结肠并被各种微生物区系代谢时产生的，这些微生物区系通过改变肠道微生物和免疫系统来缓解结直肠癌。在C57BL/6小鼠模型中，红枣多糖(ZMPs)通过缓解AOM/DSS减少的粪便微生物区系多样性和促进益生菌的丰度来调节肠道微生物群落，包括双歧杆菌、类杆菌、乳杆菌和梭状芽孢杆菌sp._K4410MGS-306。与模型组比较，膳食ZMPs摄入降低了CRC小鼠的肠道pH，显著增加了SCFAs浓度。2.1.3 基因组学基因组学的应用可以帮助识别受药物调控的精确基因。下一代测序显示，咖啡酸苯乙酯(CAPE)或山奈酚都能消除CRC诱导的RKO和HCT-116细胞中的致病DNA突变，如PIK3CA、KIT和ABL1。通过利用单碱基分辨DNA甲基化测序，Guo等人揭示了姜黄素在偶氮甲烷(AOM)和葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的CAC C57BL/6小鼠模型中逆转了CAC诱导的DNA CpG甲基化下调。2.1.4 多组学西洋参口服可减轻AOM/DSS诱导的A/J小鼠结肠炎和结肠癌的发生。血清和粪便代谢组学分析表明，西洋参逆转了AOM/DSS诱导的谷氨酰胺和亚麻酸的下降，这两种代谢产物通过保护肠粘膜和抑制促炎细胞因子的释放而显示出抗癌作用。16S rRNA测序显示，西洋参提取物维持了一个健康的肠道微生物群落，并通过明显增加有益的肠道微生物群如厚壁菌门，减少有害的类杆菌属和疣微菌门而保护其免受病理过程的影响。
2.2 胃癌胃癌(GC)始于慢性胃炎，发展为胃萎缩、肠化生、异型增生，最后发展为腺癌。通过利用不同的组学方法，药物治疗中尚未解开的抗GC机制已在很大程度上得到了扩展，包括但不限于介导参与细胞凋亡、细胞周期停滞、DNA修复和细胞骨架重组的关键分子(表2)。
表2 组学在药用植物胃癌研究中的应用2.2.1 蛋白组学黄芩素(SCU)是黄芩中含量丰富的一种黄酮类化合物，通过诱导GC-AGS和SNU484细胞的凋亡而促进细胞死亡。为了验证SCU处理后GC细胞中蛋白质的变化，人们采用了双向凝胶电泳(2-DE)、质谱分析(MS)和MALDI-TOF/MS分析相结合的比较蛋白质组学技术。两种致癌分子磷酸肌醇酯-3-激酶β催化亚单位(PIK3CB)和蛋白磷酸酶2A(CIP2A)的表达水平在SCU处理后显著下调。分子对接研究表明，SCU可以与PIK3CB直接结合，具有理想的亲和力。吉马酮是从郁金中分离得到的单环半萜类化合物。吉马酮通过诱导细胞周期停滞于G0/G1期、诱导细胞凋亡和促进自噬小体的形成来抑制GC。无标记蛋白质组学和生物信息学分析表明，吉马酮显著下调在GC患者肿瘤组织中异常高表达的HBXIP的蛋白水平。此外，过表达HBXIP可有效缓解吉马酮诱导的细胞周期停滞和细胞凋亡，而si-HBXIP则增强吉马酮对GC细胞增殖的抑制作用，提示HBXIP是吉马酮治疗GC的潜在靶点。蛋白质组学分析表明，表达下调幅度最大的蛋白HSP27显著阻断了乙酸乙酯提取物(COE)对SGC-7901细胞的抑制作用。从机制上讲，过表达HSP27减轻了COE抑制的IκBα和NF-κB的磷酸化。此外，蛋白质组学方法为理解柑橘果实中存在的果胶凝集素、从人参中提取的人参皂苷F2和从姜黄中提取的β-榄香烯的抗GC机制提供了重要信息。许多研究证明这些药用植物的蛋白质参与了细胞周期停滞、细胞凋亡和其他过程。2.2.2 转录组学熊果酸(UA)是一种从多种中草药中提取的天然化合物，能抑制GC在SNU484和SNU638细胞中的增殖、侵袭和迁移。基因芯片分析结合基因本体论分析进一步表明，UA显著上调了Hippo通路上游靶基因RAS关联结构域家族(RASSF1)，下调了Hippo通路下游靶基因YAP1以及癌基因FOXM1、KRAS和BATF。更重要的是，RASSF1沉默显著逆转了UA诱导的p-Yap蛋白表达上调，表明UA通过调节RASSF1从而减少肿瘤的发生。血根碱(SAN)是一种从加拿大血竭中提取的苯并菲类生物碱，它们在体内外均能抑制GC-BGC-823细胞的增殖。基因芯片检测结果显示，三七总皂甙可抑制GC诱导的miR-96-5p、miR-29c-3p和MAP4K4基因的异常表达。这些结果表明，SAN通过抑制这些miRNAs并激活MAPK/JNK信号通路而显示出抗GC活性。槲皮素是天然植物中的一种常见成分，通过增加ROS的产生和降低线粒体膜电位(ΔΨm)而诱导人胃癌细胞的凋亡。基因芯片分析进一步表明，经槲皮素诱导的差异表达基因参与了细胞凋亡途径，如TP53INP1、VEGFB和CDK10。同样，基因芯片分析表明，杠柳苷通过调节内源性(线粒体)和外源性(FAS和TNFR信号)凋亡途径对胃癌细胞株产生抗癌作用。2.2.3 代谢组学在36例GC患者的临床试验中，健脾养正消癥方(JPYZXZ)减少了药物的不良反应，改善了患者化疗后的生活质量。代谢组学分析显示，接受化疗的GC患者存在L-谷氨酰胺、L-亮氨酸、L-异亮氨酸和L-缬氨酸的代谢缺陷，而经JPYZXZ治疗后，这些代谢缺陷被逆转。此外，JPYZXZ的临床抗GC机制与抑制GC引起的葡萄糖内酯代谢增加有关。加味四君子汤(MSJZT)是另一种在裸鼠GC模型中显示抗癌作用的中草药制剂。HILIC和UHPLC-Q-TOF/MS代谢组学方法显示，改良的MSJZT降低了小鼠血浆中LDH、谷氨酰胺合成酶和PCYT2的mRNA和蛋白水平。这些结果提示，MSJZT抗GC作用的机制至少部分是通过调节GC所致的氨基酸、糖酵解和脂质代谢等能量代谢障碍来实现的。2.2.4 多组学Lin等人将基于下一代测序的RNA-seq转录组学与定量蛋白质组学相结合，发现丹参酮IIA (TIIA)，一种从丹参中分离的二萜醌，可以抑制GC细胞的葡萄糖代谢。从机制上将，TIIA通过影响G6PI、LDHB、MDH1、PCK2和PGK1的蛋白表达水平，减少葡萄糖消耗和丙酮酸的产生。此外，在TIIA诱导的细胞凋亡和DNA损伤中，P53表达增加，AKT表达降低，这可能是刺激GC有氧糖酵解的原因之一。与蛋白质组学结果相对应，TIIA上调了PSMB3蛋白水平，下调了RS2蛋白水平，这些蛋白参与了细胞周期停滞和DNA修复。
2.3 肝癌肝细胞癌主要由病毒感染或过量饮酒及黄曲霉毒素暴露所致的肝硬化所致。抗肿瘤血管生成拟态(VM)已成为一种通过破坏肿瘤血液供应系统来抑制肝细胞癌进展的重要策略。组学技术有助于确定许多药用植物的抗肝癌机制，包括诱导细胞凋亡、自噬和DNA损伤以及对几个非编码RNA的调节。2.3.1 蛋白组学南蛇藤提取物(COE)有效地抑制了MHCC97-H细胞和小鼠移植瘤模型中VM的形成。蛋白质组学分析表明，在COE处理后下调的103个蛋白质中，EphA2的表达下降最为明显。临床切除的具有VM结构的肝细胞癌患者肿瘤组织中，EphA2的表达高于无VM结构的组织，而COE阻断的EphA2导致细胞侵袭减少和VM形成受损。蛋白质组学研究表明，藤黄酸通过调节STMN1和14-3-3σ抑制肝癌细胞增殖和诱导细胞凋亡。随后的功能研究表明，过度表达的STMN1降低了肝癌细胞对GA和GEA的敏感性，而沉默的STMN1则增强了敏感性。14-3-3σ沉默可逆转TTA抑制细胞生长和诱导细胞凋亡的作用。有趣的是，人们通过AutoDock Vina建模进行的生物信息学分析预测发现，TTA与14-3-3σ的A链直接相互作用。蛋白质组学分析发现，HSP27是对藤黄中分离的黄原酮(TDP)反应最显著的下调蛋白之一。沉默Hsp27通过线粒体途径抑制细胞生长并诱导HepG2细胞凋亡，而Hsp27的加强表达可以挽救TDP的抑制作用。山药皂苷通过诱导细胞凋亡、自噬和DNA损伤，抑制二乙基亚硝胺(DEN)诱导的大鼠肝癌和肝癌裸鼠移植瘤的生长。ITRAQ分析表明薯蓣皂苷显著降低了TP53诱导的糖酵解和凋亡调节因子(TIGAR)的表达，这一点在体内外的实时定量聚合酶链式反应和蛋白质印迹分析实验中得到进一步证实。在SMMC7721细胞和肿瘤裸鼠移植瘤模型中，TIGAR基因的敲除通过增加P53和抑制Akt/mTOR和CDK5/ATM通路来加重薯蓣皂苷的抑制作用。蛋白质组学分析表明，从云南藤黄中分离到的GUTK显著上调了肌动蛋白结合蛋白1(PFN1)的表达。组织芯片数据显示，在晚期人类肝癌中，PFN1表达减少更常见，这与低存活率有关。此外，PFN1的过表达模仿了GUTK在降低肿瘤转移标志物表达方面的作用，包括F-肌动蛋白和其他参与肌动蛋白成核、分支和聚合的蛋白质(。表3列出了用蛋白质组学方法揭示的其他药用植物的抗肝癌机制。
表3 组学在药用植物治疗肝癌中的应用
2.3.2 转录组学雷公藤内酯是从雷公藤中提取的一种结构独特的二萜三环氧化物，以不依赖于P53的方式诱导多种肝癌细胞系的凋亡。miRNA芯片发现，雷公藤内酯显著下调了HepG2细胞和异种移植小鼠模型中两个致癌miRNA簇(miR-17-92和miR-106b-25)的表达，从而上调了它们共同的靶基因BIM、PTEN和p21的表达水平。这两个miRNA簇的敲除增强了雷公藤内酯的抗癌活性，而它们的过表达则保护肝癌细胞免受雷公藤内酯诱导的细胞凋亡。进一步的机制研究表明，雷公藤内酯通过靶向ERCC3蛋白抑制c-Myc的表达，从而抑制这两个miRNA簇。此外，转录学方法已经深入了解了从黄芩水溶性提取物中分离的黄芩素抗肝癌机制的各种遗传变化(表3)。2.3.3 代谢组学复方苦参注射液通过抑制MMP2、MYC和REG1A蛋白表达，上调CASP3蛋白表达，抑制SMMC-7721细胞的增殖和迁移。¹H-核磁共振代谢组学方法验证了22种差异代谢物，这些代谢物被映射到CKI治疗后糖代谢和氨基酸代谢的关键途径。更具体地说，CKI显著增加了培养液中丙酮酸的含量，同时减少了细胞对肝细胞癌升高的谷氨酸的摄取，从而缓解了肝癌细胞的代谢紊乱。对DEN诱导的大鼠肝细胞癌的代谢组学研究表明，水红花子(SHHZF)能增加机体对亚油酸和油酸的摄取和利用，增加花生四烯酸代谢产物的含量，从而提高机体免疫力。此外，SHHZF还提高了肝脏特异性酶-磷脂酰乙醇胺N-甲基转移酶(PEMT)的活性，并抑制了胆汁酸的异常代谢。SHHZF将这些代谢物调节到正常水平，这可以部分解释SHHZF对肝癌的治疗作用机制。Ren等人通过将Fe@Fe3O4纳米颗粒与人参皂苷Rg3偶联，开发了一种新型的纳米药物NpRg3。NpRg3通过增强免疫应答，显著减少DEN诱导的肝肿瘤结节，延缓肝细胞癌诱导的形态，延长肝细胞癌小鼠的存活时间，抑制肺转移。小鼠血清和肝脏的代谢组学分析表明，NpRg3的应用通过增加游离脂肪酸，减少3-吲哚丙酸和尿素，以及重塑失衡的肠道微生物区系来抑制肝癌的进展。表3还总结了代谢组学方法在确定响应于三萜皂苷、澳洲茄碱、补骨脂素聚合物脂纳米粒、番荔枝和重楼皂甙。2.3.4 多组学球姜酮在体外通过诱导细胞周期停滞和细胞凋亡来抑制肝癌的形成，并抑制NSG小鼠皮下和原位肿瘤的生长和肺转移。基因芯片研究发现，球姜酮通过激活促凋亡基因(Diablo、CASP3、BNIP3L、Ded和PMAIP1)和抑制抗凋亡基因(ERCC2和Hells)的表达来诱导肝癌细胞的凋亡，同时也抑制了PI3K/AKT/mTOR和STAT3信号通路。基于核磁共振的代谢组学分析显示，球姜酮处理的肝癌细胞¹³C₆葡萄糖消耗和糖酵解中间水平(甘油-3-磷酸和3-磷酸甘油酸)显著受到抑制。进一步的机制研究证实，球姜酮解除了糖酵解和戊糖磷酸途径基因的表达调控，这可能是抑制肝癌发生的有效途径。
2.4 胰腺癌胰腺癌正成为最致命的癌症之一，由于其致病潜伏期和临床上缺乏有效的药物，其死亡率在世界范围内最高。胰腺癌的总体5年生存率低于5%。组学，特别是转录组学，揭示了药用植物治疗中的一系列癌抑制基因和原癌基因的变化，这引起了越来越多的机会来发现潜在的生物标记物，并最终并发胰腺癌(表4)。
表4 组学在药用植物治疗胰腺癌中的应用2.4.1 蛋白组学白桦酸(BA)来源于鼠李科、白藜科和桦木科等植物，对胰腺导管癌细胞(PDAC)的增殖和转移有选择性抑制作用，而对正常胰腺细胞无明显影响。人们通过结合Kaplan-Meier绘图仪数据库的蛋白质芯片发现，BA上调了VAPB、BRE和APOA1的蛋白表达，这可能有助于延长PDAC患者的生存时间。有趣的是，BA下调的蛋白(TACO1、RNF167、POLRMT和DDX49)与线粒体呼吸链复合体I的活性相关，这部分解释了BA的抗胰腺机制。人们通过大规模的无标记比较蛋白质组方法发现了多种蛋白质，包括CUL5、IL33、GPS1和DUSP4，这些蛋白质与罂粟科植物中血根碱的抗胰腺癌作用有关。qRT-PCR和蛋白质印迹分析证实，血根碱治疗后DUSP4显著上调，这可能是一种负向调节ERK、JNK和MAPK的肿瘤抑制因子。2.4.2 转录组学给小鼠灌胃一种名为八宝丹(BBD)的中药混合粉末可显著减少PDAC小鼠模型的体积和体重。人们利用高通量RNA测序鉴定出638个上调基因(包括MTUS1、PDGFB、SOD3和UCHL1等抑癌基因)和259个下调基因(包括CDK15和MYBL1等癌基因)。这些基因与BBD抑制的癌症相关通路(MAPK级联和Wnt信号通路)和BBD升高的代谢活动(类固醇激素生物合成和脂肪细胞脂解调节)相关。万寿菊SFE是金盏花的超临界CO₂萃取物，它通过减少线粒体呼吸和有氧糖酵解，诱导胰腺癌细胞MiaPaca-2自噬细胞死亡。人们通过基因表达芯片的比较发现，万寿菊SFE上调了骨形态发生蛋白-8B(BMP8B)的表达，继而诱导自噬细胞死亡。更重要的是，沉默BMP8B逆转了万寿菊SFE对线粒体氧化磷酸化的抑制，并缓解了内质网应激和转录因子C/EBP同源蛋白(CHOP)的表达。RNA测序证实了从长辣椒中分离出的胡椒素在MiaPaca-2细胞中发生的几个转录变化，这些变化与氧化应激和内质网应激有关。微阵列分析还有助于识别在治疗药用植物后肿瘤抑制基因和原癌基因表达的各种变化，例如从冷杉中提取的萜烯类物质和从掌叶大黄中分离得到的大黄素(表4)。例如，用从白芍中提取的芍药苷(PF)治疗后，肿瘤抑制基因HTRA3的表达显著增强。2.4.3 多组学黄连素(BBR)是一种广泛存在于中草药中的异喹啉生物碱，具有抑制胰腺癌细胞存活和转移的作用。精确的靶向代谢组分析表明，BBR通过破坏线粒体结构，通过影响柠檬酸的代谢和转运而影响三羧酸循环活性，从而显著干扰胰腺癌细胞的能量代谢。进一步的RNA测序表明，BBR通过介导ACLY、ACO1和SLC25A1抑制脂肪酸的生物合成。此外，BBR还降低了癌基因KRAS的表达，增加了抑癌基因CDKN2A的表达。
2.5 食管癌食道鳞状细胞癌(ESCC)是我国食管癌的主要组织亚型，也是我国食管癌中发病率最高的病例(表5)。辛弗林是一种从柑橘叶片中分离出来的天然酚类化合物，它能抑制ESCC的增殖、迁移和侵袭，并增强ESCC细胞对5-氟尿嘧啶(5-FU)的敏感性。定量蛋白质组学证实，辛弗林通过下调Galectin-3的蛋白表达而使AKT和ERK途径失活，从而显示出抗癌作用，这一点在ESCC细胞和裸鼠异种肿瘤移植瘤中得到了进一步的蛋白质印迹分析和qRT-PCR验证。基因表达芯片分析表明，穿心莲的水提物(APW)具有较高的生物活性，它通过调节WNT、转化生长因子-β、MAPK和ErbB信号通路及三磷酸腺苷结合盒转运体对食管癌细胞具有抗癌和抗转移作用。表5 组学在食管癌药用植物中的应用 
3. 讨论和展望
植物是研究和开发新药的宝库，现在世界上大约四分之一的常用药物是从植物成分中开发出来的。然而，仍有许多药物由于其有效成分和作用机制不清楚而未能在临床试验中获得批准。因此，多种多样的基因组学方法将抗癌药物的开发推向了前所未有的水平，特别是从药用植物中提取的抗癌药物。在过去的几十年里，组学技术的进步有助于剖析癌症发生和发展的分子和细胞机制。为了进一步促进药用植物抗癌药物的研究和发现，我们建议整合多种组学分析，在精确医学中引入多组学技术，并将单细胞多组学技术应用于肿瘤异质性的研究。
3.1 肿瘤研究中多种组学方法的整合单一的组学方法，如DNA-seq、微阵列和iTRAQ，从不同的维度(如基因、RNA和蛋白质水平)揭示了药用植物抗GI癌症的复杂机制。然而，仅依靠单个组学数据在单向水平上描述药用植物的抗癌药理作用不足以发现整个机制的概况。为了从系统和整体的角度更好地了解天然抗癌化合物的癌症-宿主相互作用和关键分子靶点，多维方法十分重要，并已成为癌症研究的重要一步。例如，人们通过整合定量蛋白质组学和转录组学，已经在经TIIA治疗的胃癌细胞中确定了转录和转录后基因，为机制研究提供了全面和详细的信息。此外，人们通过结合转录组学和代谢组学数据发现，BBR治疗后能量代谢和脂肪酸生物合成相关基因之间存在很强的相关性。多组学技术的出现极大地影响了癌症的研究格局，弥合了癌症分子特征和表型特征之间的差距，并使药物治疗目标的确定和药用植物新药的开发成为可能。
3.2 组学在精准医学中的应用癌症的复杂性和患者的多样性增加了对精准和个性化医疗的要求。精准医学的定义是根据遗传、表型或心理社会特征为个体患者量身定做的医疗保健方案。针对癌症的精准医学被称为“精准肿瘤学”，它寻求确定肿瘤驱动网络，并针对特定患者的肿瘤设计个性化治疗。众多的组学技术为精准肿瘤学诊断患者、预测风险和评估特定治疗是否适合某些癌症患者提供了必要的信息。从基因组学领域开始，下一代全外显子组和全基因组测序数据在很大程度上促进了癌症特异性突变的识别、染色体重排和单个肿瘤中拷贝数变异的分析。全基因组关联研究最近的临床应用集中在药物发现和重新定位、癌症预测和风险建模。表观基因组学有利于在疾病进展和药物治疗期间消灭正常细胞中的肿瘤细胞和肿瘤细胞内的差异。例如，目前MGMT启动子的DNA甲基化状态被用来确定治疗剂在胶质母细胞瘤治疗中是否有效。此外，大多数代谢组学数据都集中在诊断期间对患者的血浆或血清样本的分析，这可以在不进行侵入性肿瘤活检的情况下识别肿瘤特异性生物标记物。特别是，一些假定的代谢生物标志物已经被确定用于结直肠癌的早期检测，例如不饱和游离脂肪酸。一些研究已经利用蛋白质组学方法来识别癌症特异性生物标志物；然而，它们对临床益处的促进是有限的，因为蛋白质功能受无数机制的调节。然而，值得注意的是，癌症的发生并不一定表现出基因改变，也不总是反映在代谢物谱中。因此，组学的假阴性结果可能会导致癌症的漏诊，而假阳性结果，特别是那些之前报道的实际上来自良性组织的致病标志物，可能会导致误诊。例如此前有报道称，非同义的BARD1基因变异与乳腺癌风险增加有关。然而，后来的研究发现，先前报道的三个致病变异在澳大利亚人群中是良性的，表明BARD1不足以代表乳腺癌的高外显易感基因。为了避免这些错误，人们应该建立大型、多样化和标准化的数据集，以提供癌症患者的全面资料。2004年人们建立了首个将疾病表型与致病序列和变异体数量联系起来的网络可访问数据库DECPHER。癌症基因组图谱(TCGA)描述了36种癌症类型约85000例的详细组学和临床数据。CancerLinQ是由美国临床肿瘤学会(ASCO)提出的一种质量测量和报告系统，旨在收集大量癌症患者的生物信息。这些标准化数据集的意义不仅改善了个别患者的治疗，而且有助于医学界发现疾病和药物机制。
3.3 单细胞多组学在肿瘤异质性研究中的应用肿瘤的异质性，包括肿瘤间的异质性(不同肿瘤类型之间的异质性)和肿瘤内的异质性(单个肿瘤内的异质性)，在肿瘤的进展、转移和放化疗抵抗中起着至关重要的作用。以前，高通量测序技术已经被用来通过描绘细胞成分的基因组、转录组、蛋白质组和表观基因组来揭示异质性。例如，整合的全基因组DNA拷贝数阵列和基因表达阵列被用于对患者肿瘤组织中不同的胶质母细胞瘤亚型进行分类。外显子组测序转录组被用来检测整个原发型肾癌不同区域预后良好和预后不良的基因表达特征。然而，这些技术在研究肿瘤异质性方面的局限性是显而易见的，因为这些程序通常是检测混合细胞群体的平均信号，而不是单个细胞。在这种情况下，单细胞测序技术在描绘肿瘤组织的全面分子特征方面显示出巨大的优势。单细胞多组学技术可以表征肿瘤内癌细胞的杂交状态。人们利用单细胞RNA测序技术(scRNA-seq)，已在多种癌症中鉴定出具有调节肿瘤微环境能力的不同类型的细胞，如上皮/间充质细胞、免疫细胞和内皮细胞。此外，单细胞技术可以区分具有不同生物学特性的癌细胞亚群。例如，scRNA-seq揭示了PDAC中具有不同增殖和迁移潜力的几个癌细胞亚群，表明PDAC具有高度的肿瘤间异质性。静止期癌细胞(QCCs)是异质癌细胞群体中的一批癌细胞，暂时停留在G0/G1期，对依赖于增殖机制的化疗药物有天然的耐药性。此外，QCCs代表了一种临床上无症状的休眠形式，具有从惰性状态复苏到快速生长的能力，最终导致癌症复发。因此，通过单细胞多组学技术分离和研究QCCs的功能将成为开发针对潜伏的癌细胞以防止复发的治疗策略的有力工具。人们研究发现了从中草药中提取的具有细胞毒活性的化合物。耐药是肿瘤异质性的另一个结果，人们在利用多种单细胞测序方法揭示耐药机制方面已取得很大进展。例如，在化疗多年后，人们通过单细胞转录分析分析了乳腺癌患者的肿瘤内异质性。有趣的是，肿瘤内异质性会增强间充质和生长因子信号通路，包括上皮-间充质转化通路和受体酪氨酸激酶，而降低了抗原提呈和肿瘤坏死因子-α信号。

综上所述，高通量测序技术的发展给组学领域带来了前所未有的机遇。随着各种技术的优化和成熟，多组学的应用将更加广泛，多组学技术将对药用植物抗癌药物研究的进展起到至关重要的推动作用。

原文链接：  

https://doi.org/10.3389/fphar.2022.842203

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