枯草芽孢杆菌纳豆发酵提取物对黑色素癌细胞自噬和凋亡调控的机制

互推小编 2023-04-26

中兴大学王惠民教授团队：枯草芽孢杆菌纳豆发酵提取物对黑色素癌细胞自噬和凋亡调控的双功能机制

中兴大学王惠民教授团队在国际食品科学领域顶尖期刊FOOD AND CHEMICAL TOXICOLOGY (2020影响因子4.679)发表研究“Bifunctional mechanisms of autophagy and apoptosis regulations in melanoma from Bacillus subtilis natto fermentation extract”。此篇文章说明黄豆经由固态发酵得到的两种提取物，可调控氧化压力机转以毒杀黑色素癌细胞。中兴大学的周鑫佑博士研究生为此文第一作者，中兴大学的王惠民教授与卫生研究院的李岳伦副研究员为通讯作者。

摘要：

从纳豆萃取得到的两种提取物：纳豆冷冻干燥提取物（NFDE）和纳豆水提取物（NWE），均具有潜力开发成抗黑色素癌药物。在细胞毒性试验显示，两种提取物有显著的抗黑色素癌作用，且于低剂量即有显著效果；此外，作者也发现对正常细胞并不具有毒性（测试平台包括人类纤维母细胞Hs68、人类角质细胞HaCaT和大鼠脂肪干细胞rADSCs）。在机转部分，作者通过流式细胞仪测定和细胞自噬吖啶橙染色时发现一个有趣的变化，黑色素癌细胞会从自噬状态转变为凋亡反应；同一时间，使用DCFDA（2,7-二氯二氢荧光素二乙酸盐）染色来确认自由基含量变化，发现细胞内的氧化压力激增的时间点相互一致。作者认为，纳豆提取物可通过抑制激活的蛋白激酶（AMPK）来增加癌细胞的氧化压力水平以导致细胞死亡。总上所述，纳豆提取物可通过调节氧化压力，诱导黑色素癌细胞从自噬状态转变为凋亡状态，促进癌细胞死亡且同时避免对正常细胞的伤害 (图1)。

关键词：枯草芽孢杆菌纳豆提取物；黑色素癌；氧化压力；细胞自噬；细胞凋亡

黑色素癌：

黑色素癌是从黑色素细胞病变发展而来，具有很高的侵袭性，可以迅速扩散到患者整个体内，因此存活率非常低。在过去的几十年中，由于各种原因，黑色素癌的发生率逐渐增加，转移性黑色素癌比例亦大幅上扬，并且是全球发展最快的致死性癌症之一。根据世界卫生组织的数据，全世界每年大约诊断出132,000个黑色素癌新病例；尤其是在皮肤白皙的欧美国家，黑色素癌患者逐年都变得越来越普遍，且年轻化。作者过去的研究发现，天然产物可以诱导黑色素癌细胞死亡，且副作用较少，因此在本研究中，作者使用了两种从黄豆固态发酵得到的提取物用于治疗黑色素癌。

纳豆提取物：

纳豆是日本传统食品，为黄豆经由枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis var）发酵制成。纳豆富含对健康有益的活性成分，如蛋白质、必需维生素和多种矿物质。过去研究表明，它可以降低纤维蛋白原VII细胞因子和VIII细胞因子以及促进纤维蛋白溶解；对心血管疾病非常有效；纳豆含有聚谷氨酸，可增加矿物质在枯草芽孢杆菌粘液中的溶解度；而纳豆中的大豆异黄酮可藉由下调低密度脂蛋白水平来减少更年期的不适感，这可预防骨质疏松症和心血管疾病；它也在许多类型的癌细胞中诱导死亡。本文即从纳豆中开发出新型抗黑色素癌提取物。

结果与讨论:

本研究发现，纳豆的提取物在极低的浓度（< 3 µg / ml）或短时间内（< 6 h）会先诱导细胞自噬。一开始纳豆提取物对癌细胞仅有较低的毒性，开始细胞自噬，但是随着浓度增加到5 μg/ ml或一段时间后，这种现象将被细胞凋亡所取代，并且导致细胞死亡。结果表明，氧化压力在5 μg/ ml时显著增加，这与先前包括1，1-二苯基-2-吡啶并肼基（DPPH）和螯合测试等化学性抗氧化实验完全相反。黄豆发酵后产生纳豆激酶以及维生素K，黄酮类化合物；异黄酮等具有抗氧化作用的物质，这就是发酵大豆在DPPH测试中具有强抗氧化作用的原因；然而，它也包含诸如surfactin和iturin胜肽，它们可以通过增加氧化应激来对抗癌症，这也是为什么在化学性测试中具有抗氧化能力，但在细胞测试中却会上调氧化应激水平的原因。在酶活性测试中，也可以发现纳豆水提取物具有更好的酶活性作用，这意味着这些肽的含量更高，这也是获得比纳豆冷冻干燥提取物更好的作用的主要原因 (图2)。

在分子机转方面，AMPK受能量变化的影响产生反应。当细胞受损时，会表达高水平的AMPK，并通过自噬逆转以减少氧化压力的影响。纳豆提取物在低浓度下会产生细胞自噬（图三），但是当浓度达到5 μg/ ml时，AMPK的产生会受到抑制，此时，氧化压力开始增加，自噬停止，细胞凋亡开始。这些结果表明纳豆提取物仅对黑色素癌细胞具有细胞毒性，而不会伤害正常细胞，产生严重的副作用。正常细胞的代谢率低于癌细胞，与癌细胞相比正常细胞中产生的ROS更少，并且正常细胞不会死亡，因为AMPK的合成受到抑制。

结论：

使用冷冻干燥法和水萃取方法得到的纳豆提取物，可对黑色素癌具有治疗作用。纳豆提取物的细胞毒性机制涉及通过减少AMPK的合成来抑制癌细胞氧化应激的调节。纳豆物水提取物比冷冻干燥提取更有效用，两种纳豆提取物对正常细胞均无毒性，并可促进HS68细胞的生长，这是未来研究的方向。纳豆提取物有作为抗黑色素癌药物进一步纯化和开发的潜力。

作者介绍

王惠民教授

王惠民教授，现任职于中兴大学生医工程研究所；2003年毕业于成功大学化学工程系并取得博士学位。作为一位有为的年轻科学家，2004年他在中央研究院生物化学研究所继续攻读博士后，深入研究DNA基因/蛋白质以及SARS病毒；且在2005年于台北科技大学化学工程与生物技术与化学工程系就职兼任助理教授一职。从2007年，历任高雄医学大学助理教授、晋升副教授、教授，以及产学运营处产学合作组组长、国际事务处学术合作组组长、干细胞中心副主任等；行政经验任职丰富。

在过去的时间里，王教授已发表了近 200 篇 SCI 国际论文，包括Angewandte Chemie-International Edition、Chemical Science、Bioresource Technology、ACS Applied Materials & Interfaces、Nanoscale、ACS Applied Bio Materials、Molecular Nutrition & Food Research、Food and Chemical Toxicology、Cell Death & Disease、Oxidative Medicine and Cellular Longevity、Journal of Cellular and Molecular Medicine、Antioxidants、Journal of Functional Foods、Food Science and Human Wellness、Journal of Agricultural and Food Chemistry，内容涵盖癌症研究、生物材料、纳米粒子、皮肤药物、绿色永续能源和生物活性物质应用。除了出版论文刊物外，王教授的研究成果也获得相当多的专利权 (20项专利及多国技转)。

该文章《Bifunctional mechanisms of autophagy and apoptosis regulations in melanoma from Bacillus subtilis natto fermentation extract》于2021年1月26日在线发表于Food and Chemical Toxicology。

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