整合虚拟筛选与实验验证，发现膳食植物化学物质可作为具有抗增殖活性的PI3Kα抑制剂

《Food Chemistry》：Integrated virtual screening and experimental validation identify dietary phytochemicals as PI3Kα inhibitors with antiproliferative activity

　　

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  系统筛选了1966种靶向PI3Kα的饮食植物化学物质。
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  黄酮类骨架显示出最强的PI3Kα酶抑制活性。
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  紫花苜蓿苷和黄酮醇表现出亚微米至低微摩尔级IC??值。
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  白藜芦醇、矢车菊素和芹菜素抑制了MCF-7细胞增殖。
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  食品来源的黄酮类化合物被优先选为具有功能的PI3Kα生物活性物质。

引言

癌症仍然是全球主要的死亡原因，代表着重大的公共卫生挑战（Siegel, Miller, Wagle, & Jemal, 2023）。癌症的分子基础涉及控制细胞生长、存活和代谢的多种信号通路的失调（Vogelstein & Kinzler, 2004）。其中，PI3K/AKT/mTOR信号轴的异常激活是在人类恶性肿瘤中观察到的最常见的改变之一，包括乳腺癌、结直肠癌和血液系统癌症，凸显了这一通路作为关键治疗靶点的重要性（Asati, Mahapatra, & Bharti, 2016; Hennessy, Smith, Ram, Lu, & Mills, 2005）。

PI3Ks是一组脂质激酶，被分为三组：Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类（Burris, 2013; Engelman, Luo, & Cantley, 2006; Zhao & Vogt, 2008）。由于Ⅰ类PI3Ks直接参与癌变转化、肿瘤生长和治疗耐药，因此被研究得最为广泛（Engelman et al., 2006; Zhao & Vogt, 2008）。这些酶通过生成第二信使磷脂酰肌醇(3,4,5)-三磷酸[PI(3,4,5)P?]来调控细胞增殖、存活和代谢等关键过程，从而激活下游包括AKT和mTOR在内的信号级联（Shaw & Cantley, 2006）。Ⅰ类PI3Ks进一步分为ⅠA亚型（p110α、p110β和p110δ，与p85调节亚基相关联）和ⅠB亚型（p110γ，与p87或p101相关联）（Liu, Cheng, Roberts, & Zhao, 2009; Tewari, Patni, Bishayee, Sah, & Bishayee, 2022）。

在这些亚型中，由PIK3CA基因编码的p110α催化亚基具有特别的临床意义。PIK3CA是人类癌症中最常突变的癌基因之一，其突变存在于超过30%的实体瘤中（Samuels & Ericson, 2006）。这些突变主要聚集在第9外显子（E542K和E545K）和第20外显子（H1047R）的热区，导致PI3K信号组成性激活并促进肿瘤发生（Stephens et al., 2009）。PI3Kα在癌症进展中的重要性推动了多种选择性PI3K抑制剂用于临床开发。Alpelisib是首个获FDA批准的PI3Kα选择性抑制剂，在内分泌治疗联合用药中，已证明对激素受体阳性、HER2阴性、PIK3CA突变的晚期乳腺癌患者具有显著的临床获益（André et al., 2019）。最近，inavolisib在PIK3CA突变的乳腺癌患者中显示出改善的临床疗效，进一步支持了PI3Kα作为重要治疗靶点的地位（Turner et al., 2024）。早期的PI3Kα抑制剂，如taselisib（GDC-0032），在临床试验中也显示出有前景的抗肿瘤活性；然而，由于治疗相关毒性和不利的获益-风险比，其临床开发已被终止（Baselga et al., 2018）。

尽管开发了多种PI3K抑制剂并使用了传统化疗和放疗，但治疗耐药和剂量限制性毒性仍是主要挑战（Mishra, Patel, Alanazi, Kilroy, & Garrett, 2021; Nunnery & Mayer, 2019; Tan, 2020）。这些局限性凸显了需要对PI3K信号进行改良且安全性和耐受性更好的替代或互补策略。植物来源的植物化学物质因其结构多样性、多样的生物活性和总体良好的安全性而日益受到关注，被视为潜在的抗癌剂。许多天然化合物已被证明能够调控失调的与癌症相关的信号通路，包括PI3K/AKT/mTOR，从而增强疗效并减少不良反应，可单独使用或与常规疗法联合使用（Lin et al., 2020; Suvarna, Murahari, Khan, Chaubey, & Sangave, 2017; Wang, Chen, Fu, & Yan, 2020）。天然植物化学物质可以调控涉及癌症进展的多种信号通路，使其成为抗癌药物发现的理想候选物（Mazurakova et al., 2024）。

在这些化合物中，饮食多酚和黄酮类化合物已被广泛报道能够干扰PI3K信号并在体外和体内模型中抑制癌细胞生长。代表性化合物包括槲皮素、芹菜素、黄酮醇、姜黄素、紫花苜蓿苷、隐丹参酮和红景天苷，它们通过多种分子机制抑制PI3K/AKT/mTOR通路，从而降低癌细胞增殖、诱导凋亡并抑制肿瘤进展（Narayanankutty, Nambiattil, & Mannarakkal, 2023; Tewari et al., 2022; 图S1）。然而，大多数既往研究聚焦于有限的饮食化合物、个别食物来源或特定的植物化学物质亚类，使得饮食植物化学物质的空间仍有大量未被探索。因此，需要对结构多样的饮食植物化学物质进行系统评估，以鉴定具有潜在抗癌活性的新型PI3Kα抑制剂。

计算方法的进步通过实现对大型化学库的快速筛选，彻底改变了早期药物发现。基于结构的虚拟筛选，特别是分子对接，现已常规用于根据预测的结合亲和力和相互作用模式优先筛选生物活性化合物，从而降低实验成本和时间（Kitchen, Decornez, Furr, & Bajorath, 2004; Seeliger & de Groot, 2010）。多个公开数据库，包括ZINC、PubChem、ChEMBL、COCONUT和SuperNatural，提供了丰富的合成化合物、已批准药物和天然产物用于计算筛选。相比之下，PhytoHub是一个专门策划的饮食植物化学物质及其代谢物数据库，使其特别适合于食品化学研究。因此，在本研究中，我们整合了计算和实验方法，系统地鉴定能够抑制PI3Kα的饮食植物化学物质。利用基于结构的虚拟筛选和分子对接（AutoDock Vina v1.2.3）对PhytoHub数据库中的全面饮食化合物库进行筛选，以优先选择对PI3Kα催化结构域具有强结合亲和力的候选物。选定的top-hit化合物随后通过体外PI3K脂质激酶实验和在人类乳腺癌细胞中的抗增殖评价进行验证。这一整合工作流提供了一个以食品化学为导向的框架，用于发现靶向致癌PI3K信号通路的饮食生物活性物质。

章节摘要

配体和受体的选择

从PhytoHub数据库中选择代表多种化学类别的饮食植物化学物质及其代谢物，用于针对本研究中所考察的PI3Kα受体催化亚基进行基于结构的虚拟筛选。PhytoHub是一个公开可获取的数据库，包含来自350多种常见食物的约1200种饮食化合物，以及超过560种相关的人类和动物代谢物。为确保理化相关性并

基于分子对接的饮食植物化学物质筛选

PI3Kα的活性位点结构，包括配体在催化口袋中的容纳以及关键氨基酸残基（S854、V851、D933、Q859和K802）的相互作用，已被充分表征（Hanan et al., 2022）。基于这一结构框架，对从PhytoHub数据库收集的1966种饮食植物化学物质进行了分子对接筛选，并根据预测结合亲和力（kcal/mol）、在PI3Kα催化口袋中的空间兼容性以及

CRediT作者贡献声明

Vivek Grandhe：撰写—初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式化分析、数据整理、概念构思。Brahmaiah Pendyala：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式化分析、数据整理、概念构思。Mohanakrishnan Neelakrishnan：方法论、形式化分析、数据整理。Ankit Patras：

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：Brahmaiah Pendyala报告获得美国农业部国家食品与农业研究所提供的资金支持。如有其他作者，则声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由美国农业部国家食品与农业研究所（USDA-NIFA）Evans-Allen研究项目资助，项目编号TENX2201-FS，登录号7003820。

Vivek Grandhe|Brahmaiah Pendyala|Mohanakrishnan Neelakrishnan|Ankit Patras|Hongwei Si