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STAT3是一种重要的转录因子,参与众多细胞因子和生长因子受体的信号转导,在细胞生长和细胞凋亡等多种细胞过程中发挥着关键作用[1-2]。STAT3的活化可以通过刺激白介素-6受体(IL-6R)、Janus酪氨酸激酶、BCR-ABL和SRC家族激酶等来启动[3]。STAT3经磷酸化活化后形成同源和异源二聚体,并易位至细胞核,发挥转录激活因子的作用[4-6]。目前,越来越多的证据显示,多种恶性肿瘤存在STAT3的过度激活,包括前列腺癌、肺癌、乳腺癌、皮肤癌和宫颈癌等,抑制STAT3的磷酸化成为一种很有前景的治疗策略。此外,STAT3还与肝损伤、纤维化、风湿性关节炎、心肌缺血等疾病有关[7]。尽管一些STAT3抑制剂正在进行临床试验,但迄今为止尚未批准STAT3抑制剂用于癌症的治疗。因此,仍然迫切需要发现潜在的STAT3抑制剂[8]。
SPR是一种光学生物传感技术,该技术利用光学测量的折射率变化,分析样品与固定在SPR传感器上的分子的结合情况。因其无需标记样品,具有高灵敏度,能实时检测生物分子间的相互作用而被广泛运用于医疗检测、药物筛选、环境监测和食品检测等领域[9]。
本课题采用SPR技术从中药单体中筛选能与STAT3特异性结合的小分子化合物,通过蛋白免疫印迹技术和双荧光素酶报告基因考察小分子对STAT3的抑制作用,采用分子对接技术拟合化合物与STAT3的结合模式,明确其可能的作用位点,从而为STAT3抑制剂的发现提供理论指导和实践经验。
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DMSO(美国Sigma公司);EDC/NHS(GE公司);胰酶(美国Gibco公司);DMEM培养基(美国Corning公司);胎牛血清(美国Gibco公司);细胞裂解液、PMSF、30%丙烯酰胺溶液、1.5 mol/L Tris(pH=8.8)、1.0 mol/L Tris(pH=6.8)、10%SDS、TEMED、BCA试剂盒、双荧光素酶报告基因检测试剂盒(上海碧云天生物技术有限公司);硝酸纤维素膜(德国Sartorius Stedim公司);转染试剂(美国Life Technology公司)
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Biacore T2000(GE医疗生命科学公司);电子天平(上海天平仪器厂);电泳仪(美国Bio-Rad公司);制冰机(德国Eppendorf公司);−80℃低温冰箱(美国Thermo公司);CO2细胞培养箱(美国Thermo公司);离心管(美国Corning公司);低温高速台式离心机(美国Thermo公司);移液枪(德国Eppendorf公司);超纯水仪(美国Millipore公司);多功能酶标仪(美国Thermo公司)。
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HeLa细胞(购自上海碧云天生物科技有限公司,由本实验室冻存、培养);HeLa-STAT3-Luc细胞(由本实验室构建、培养、冻存)。
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(1)STAT3预富集
将STAT3纯化蛋白用去离子水溶解并配成1 g/L的蛋白母液,用4种不同pH的醋酸盐缓冲液(pH4.0、pH4.5、pH5.0、pH5.5)稀释蛋白母液至50 mg/L,进样,于Biacore预富集系统检测不同pH条件下蛋白STAT3的响应值,确定最佳蛋白偶联条件。
(2) STAT3偶联
在预富集实验中所得最佳pH条件下,将STAT3稀释至50 mg/L,通过EDC/NHS活化CM5芯片表面羧基,然后通过羧基氨基缩合反应将STAT3键合到CM5芯片上,乙醇胺封闭未结合的羧基,从而实现STAT3偶联到CM5芯片上的目的。
(3)亲和力分子
将中药小分子单体化合物用DMSO溶解,然后用PBS稀释成32 μmol/L (DMSO终浓度为5%)的样品后进样,流动相为5%DMSO的PBS溶液,通过Biacore系统分析其流过STAT3蛋白表面的响应值,筛选出对STAT3响应值较高(高于阳性对照或与其相当)的单体化合物作为候选化合物。
(4)动力学分析
将候选化合物浓度以二倍比进行梯度稀释,浓度范围为0.0625~64 μmol/L(DMSO终浓度均为5%),通过Biacore系统分析获得结合响应值,根据响应值与候选化合物浓度之间的量效关系绘制动力学曲线,根据曲线拟合情况判断候选化合物与STAT3的结合特异性,从而找到能与STAT3蛋白特异性结合的小分子单体。
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HeLa细胞以5×105个/孔接种于6孔板,于37 ℃、5%CO2细胞培养箱中培养过夜。次日,加入不同浓度的化合物,作用24 h后,加入100 μl Western及IP细胞裂解液(含1 mmol/L PMSF),冰上裂解25 min,收集蛋白于1.5 ml离心管,12 000 r/min,4 ℃离心10 min,吸取上清液,使用BCA蛋白定量试剂盒进行总蛋白定量。蛋白样品中加入5×蛋白上样缓冲液,煮沸5 min,进行SDS-PAGE凝胶电泳。电泳结束后,在250 mA恒流电下将蛋白从凝胶转移到NC膜上,5%脱脂牛奶封闭,进行一抗(p-STAT3/STAT3)、二抗孵育,结束后在红外双色激光成像系统(Odyssey)上扫膜检测700和800通道激发的荧光信号,观察各泳道中蛋白表达情况。
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HeLa-STAT3-Luc细胞计数后按1×105个/孔接种于24孔板,置于37 ℃、5%CO2细胞培养箱中培养24 h,加入不同浓度化合物孵育4 h,然后加入IL-6(100 ng/ml)和IL-6R(100 ng/ml)共同刺激24 h,弃上清液,每孔加入120 μl细胞裂解液,离心后取5 μl上清液转移至新的384孔板,每孔加入25 μl荧光素酶1液,使用多功能酶标仪检测荧光值,然后加入25 μl荧光素酶2液,再次测荧光值,定内参。
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分子对接以Protein Preparation Wizard模块处理蛋白,选择STAT3蛋白与小分子抑制剂的晶体复合物6NUQ,依次去水、加氢,以LigPrep模块处理配体,力场优化均采用OPLS2005模式,其余参数均使用默认;以Grid模块建立蛋白对接坐标,范德华力半径设置为1.0;采用精确对接模式(XP)的方法进行对接,对接结果用PyMol软件作图。
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数据以(x±s)表示,采用统计学软件SPSS19.0对数据进行单因素方差分析,进行组间差异比较。P<0.05认为差异具有统计学意义。
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为了研究STAT3蛋白的最佳偶联条件,采用不同pH的醋酸盐缓冲液稀释蛋白,进行预富集分析,结果显示STAT3在pH4.0的条件下响应值最高(图1)。因此,后续实验选择pH4.0的缓冲液进行偶联。
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取市售的STAT3蛋白用pH4.0醋酸盐缓冲液稀释至50 mg/L,通过Biacore系统的内置程序偶联到CM5芯片上,结果显示STAT3偶联量为8 000 RU,达到预计偶联水平(图2)。
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为了筛选能够结合STAT3蛋白的小分子化合物,我们将50种中药单体统一稀释到32 μmol/L,利用Biacore系统检测结合情况,通过响应值观察小分子与STAT3蛋白的结合强度。结果发现,不同小分子化合物与STAT3蛋白的结合存在差异(图3),我们以阳性对照(C188-9)为标准,筛选响应值不低于阳性对照响应值的化合物,得到了梓醇(catalpol)、黄芩素(baicalein)、芹黄素(apigenin)、槲皮素(quercitrin)、人参皂苷(ginsenoside)、京尼平苷酸(geniposidic acid)、桑辛素(morusin)等10多种小分子作为候选化合物,接着进行动力学分析以确定它们与STAT3蛋白的结合特异性。
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为了验证候选化合物与STAT3蛋白的结合是否为特异性结合,我们将候选化合物进行梯度稀释,通过Biacore系统分析获得结合响应值,绘制动力学结合曲线。对10多种化合物均进行动力学分析,发现只有芹黄素与STAT3的结合具有特异性。芹黄素与STAT3的结合响应值随着药物浓度的增大而升高,当浓度增大到一定值时响应值呈水平趋势不再变化,说明高浓度芹黄素同STAT3的结合存在饱和现象,即芹黄素与STAT3的结合为特异性结合(图4)。因此,选择芹黄素作为可能的STAT3抑制剂进行生物学验证。
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动力学分析结果证实芹黄素可以特异性结合STAT3,为了确证芹黄素对STAT3磷酸化的抑制作用,我们利用IL-6诱导活化STAT3,通过Western-blot检测芹黄素对STAT3磷酸化的抑制作用。结果发现,IL-6可以显著刺激HeLa细胞STAT3的活化,而芹黄素能剂量依赖地抑制IL-6诱导的STAT3磷酸化,表明芹黄素可能是STAT3的抑制剂(图5)。
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为了进一步确证芹黄素对STAT3的抑制作用,我们采用双荧光素酶报告基因系统研究芹黄素对STAT3转录活性的影响。结果显示,IL-6刺激可以显著促进STAT3的转录活性,10μmol/L、20 μmol/L芹黄素能够抑制IL-6诱导的STAT3转录活性的增加(图6)。以上结果表明芹黄素能够抑制STAT3的转录活性,进一步证实芹黄素是STAT3的小分子抑制剂。
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为了明确STAT3与芹黄素的相互作用情况,我们采用分子对接技术分析STAT3与芹黄素的结合位点。结果显示,芹黄素结合于STAT3蛋白的SH2结构域,占据了STAT3磷酸络氨酸的结合口袋。与关键残基Glu638、Gln644、Gly656、Lys658形成氢键相互作用,与Tyr657残基形成π-π相互作用(图7)。
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STAT3在肿瘤中的持续激活和过度表达与肿瘤细胞的多种恶性生物学特征密切相关。STAT3的活化受多种细胞因子、生长因子,生长因子受体,非受体蛋白酪氨酸激酶等多重信号分子的调控,目前已成为肿瘤治疗领域的研究热点之一[10]。 STAT3存在6个结构域,包括氨基末端结构域(NTD)、卷曲螺旋结构域(CCD)、DNA结合结构域(DBD)、接头结构域、Src同源结构域(SH2)和羧基末端反式激活(TAD)结构域。目前,对STAT3的直接抑制作用可以通过破坏SH2、DBD或NTD结构域来阻止功能性STAT3二聚体的形成。STAT3的直接抑制剂主要分为三类:肽,小分子抑制剂和寡核苷酸。间接抑制剂则通过靶向STAT3信号通路阻断上游信号通路(如IL-6和JAK通路)间接抑制STAT3[11-12]。目前,STAT3抑制剂的研发已成为肿瘤治疗领域的研究热点之一。
芹黄素是一种天然黄酮类化合物,具有抗炎、抗氧化和抗癌作用 [13],其在多种癌症中(如乳腺癌、肺癌、肝癌、前列腺癌等)表现出对细胞的生长抑制与促凋亡作用。芹黄素不仅能够通过内源性与外源性凋亡途径促进细胞凋亡,也能通过降低基质金属蛋白酶-2,-9的表达抑制肿瘤细胞侵袭[14]。但是,芹黄素与STAT3的关系尚未研究,其对STAT3的抑制作用也没有报道。
本研究利用表面等离子体共振技术,从50个中药单体中筛选出能与STAT3特异性结合的小分子化合物芹黄素,然后运用Western-blot、双荧光素酶报告基因实验证实了芹黄素对STAT3的抑制作用。采用分子对接技术分析STAT3与芹黄素的结合位点,结果揭示芹黄素主要通过结合STAT3的SH2结构域抑制其磷酸化。本研究为芹黄素抗癌作用提供了理论基础,同时,也为发现STAT3及其他药物靶点的小分子抑制剂提供了研究经验。
Screening small molecular inhibitors of STAT3 based on surface plasmon resonance technology
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摘要:
目的 基于表面等离子体共振(SPR)技术,筛选能与信号转导和转录激活因子3(STAT3)特异性结合并抑制其活性的小分子化合物。 方法 使用基于SPR技术的Biacore T200生物分子互作分析系统,在最优pH富集条件下将纯化蛋白STAT3偶联到SPR系统的CM5芯片上,从50个中药单体中筛选出能够与STAT3结合且响应值较高的化合物,并对其结合特异性进行确认,然后运用生物学相关实验确证筛选所得化合物对STAT3的抑制作用,最后采用分子对接技术拟合化合物与STAT3的结合模式,明确其可能的作用位点。 结果 初步筛选获得10多个高响应的候选分子,通过动力学测定发现其中仅有1个分子芹黄素显示特异性结合。Western-blot实验结果表明,芹黄素能够剂量依赖地抑制STAT3的磷酸化;双荧光素酶报告基因结果显示,芹黄素能够剂量依赖地抑制IL-6诱导的STAT3的转录活性。分子对接结果表明,芹黄素与STAT3蛋白的SH2结构域结合,与关键残基Glu638、Gln644、Gly656、Lys658形成氢键相互作用,与Tyr657残基形成π-π相互作用。 结论 基于SPR技术筛选,发现芹黄素是STAT3的抑制剂。 -
关键词:
- 表面等离子体共振技术 /
- 信号转导和转录激活因子3 /
- 小分子抑制剂 /
- 芹黄素
Abstract:Objective To find small molecules binding specifically to signal transducer and activator of transcription3 (STAT3) based on surface plasmon resonance (SPR) technology and confirm their inhibitory activities to STAT3. Methods The biomolecular interaction analysis T200 system based on SPR technology was used to couple the purified protein STAT3 to CM5 chip under the optimal pH conditions. The compounds with high binding response value were screened out from 50 candidate compounds derived from traditional Chinese medicines and the binding specificity was then confirmed. Biological experiments were performed to confirm the inhibitory effects of the screened compounds on STAT3. The binding pattern of STAT3 and the compound was fitted by molecular docking technique. Results More than 10 candidate molecules exhibited binding activities to STAT3 and kinetics assays revealed that only one candidate molecule, apigenin, showed specific binding. Western-blot analysis exhibited that apigenin inhibited the phosphorylation of STAT3 dose-dependently. Luciferase reporter gene assays demonstrated that apigenin also inhibited IL-6-induced STAT3 transcriptional activity in a dose-dependent manner. Molecular docking results showed that apigenin binds to the SH2 domain of STAT3, and interacts with key residues Glu638, Gln644, Gly656 and Lys658 by hydrogen bonds and with Tyr657 through π-π interactions. Conclusion Apigenin was a direct inhibitor of STAT3. -
Key words:
- surface plasmon resonance /
- STAT3 /
- small molecular inhibitors /
- apigenin
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血流感染(BSI)是我国住院患者死亡的重要原因之一,其总住院病死率为12.83%,较高的死亡率与癌症 、高龄(>60岁)、脓毒症的诊断、重症监护室(ICU)住院和BSI发病前住院时间延长显著相关,其中,腹腔感染继发的BSI为15.69%[1] 。此外,高病死率也与病原体相关,包括甲氧西林敏感性金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、非念珠菌性真菌、念珠菌、假单胞菌及多重微生物感染[2] 。
据报道,念珠菌BSI的发病率为全球每1 000人中有0.08~1.73例,而病死率高达40%以上[3]。 其患者危险因素包括:免疫抑制剂的使用、广谱抗菌药物的应用、肠外营养治疗、入住重症监护病房和静脉置管等[4],其总体治疗原则为:棘白菌素作为初始治疗;患者达到临床稳定且血培养阴性后,可在5~7 d后换为氟康唑;定期重复进行血培养检查直至阴性;在发烧的情况下,可以间隔1 d重复抽血培养;怀疑中心静脉导管感染时,强烈建议将其拔除;血培养阴性且临床症状缓解后应继续治疗两周;不建议联合用药治疗念珠菌BSI。
中国医院侵袭性真菌监测网(CHIF-NET)2018年数据总结,我国医院真菌BSI的菌种分布中念珠菌属占91.6%,而其中光滑念珠菌占11.2%,继白色念珠菌、热带念珠菌和近平滑念珠菌之后,排在第4位。本文就一例消化道穿孔继发光滑念珠菌血流感染患者抗感染治疗的病例进行分析,以期助力医生对高危菌血症患者合理治疗的决策制定以及临床资源优化。
1. 病史摘要
患者,男,53岁,2023-02-26因“无明显诱因下腹痛”来院,在门诊诊断为消化道穿孔后于次日入院并行开腹探查术+小肠部分切除术,术后入ICU,期间降钙素原(PCT):1.688~13.45 ng/ml、C-反应蛋白(CRP):61.8~84.55 mg/L、白细胞(WBC):11.17~20.26×109/L、白介素-6(IL-6):198.7~2 222 pg/ml,嗜中性粒细胞绝对值:8.56×109/L,结果均高于正常值,期间两次引流液培养均示光滑念珠菌(+),一次血培养:光滑念珠菌(+),芽孢杆菌属(+)。先后给予的抗感染药物包含美罗培南、万古霉素、卡泊芬净和甲硝唑,同时进行连续性肾脏替代治疗(CRRT)、肠外营养等支持治疗。2023-03-03(ICU治疗5 d后),患者的感染指标以及临床表现持续好转,且各项生命体征平稳后,转入普通病区胃肠外科。
入胃肠外科当日,痰培养示洋葱伯克霍尔德菌生长(++++),予美罗培南1 g,q8 h、万古霉素1 g,q12 h广覆盖抗感染治疗共计8日后,PCT 0.468 ng/ml 、CRP 59.19 mg/L 、WBC 11.19×109/L,且后五天持续高温38.1 ℃~39.2 ℃,疗效不佳,遂根据药敏结果,更改抗感染方案为头孢哌酮/舒巴坦(3 g,q12 h)、莫西沙星(0.4 g,qd)共计2 d后,患者体温38.9 ℃,血氧饱和度88%,仍诉咳痰困难,医生考虑可能存在念珠菌血流感染,增加氟康唑0.2 g,bid,临床药师考虑,念珠菌BSI首推荐棘白菌素类,建议更改氟康唑为卡泊芬净,医生采纳,于次日停用氟康唑,而静脉滴注注射用醋酸卡泊芬净50 mg,qd。抗真菌治疗2 d后血培养鉴定结果为光滑念珠菌生长,同时药敏实验结果显示氟康唑为中介,改为静脉滴注“注射用醋酸卡泊芬净50 mg,qd+注射用头孢哌酮钠/舒巴坦钠3 g,q8 h+盐酸莫西沙星氯化钠注射液0.4 g,qd”的方案继续抗感染治疗。
2. 分析与讨论
光滑念珠菌在人群中的定植率和感染率,随着年龄的增长而升高[5] 。除年龄外,主要危险因素还包括:大范围的胃肠道手术、侵袭性治疗手段的应用(如机械通气、中心静脉导管、导尿管等)、广谱抗生素的使用、血液透析、一些潜在的疾病(糖尿病、肿瘤患者、肾衰患者、接受移植的患者及HIV感染患者)[5-7] 。
2.1 药物的选择
2016 美国感染病学会(IDSA)《念珠菌病管理临床实践指南》指出:在非粒细胞缺乏症、中性粒细胞缺乏症或重症念珠菌血流感染患者的初始治疗中或在经验性治疗时均首选棘白菌素,而氟康唑作为备选方案,仅可用于预防性治疗或者在非重症且无耐药风险的情况下应用。氟康唑对于光滑念珠菌感染者需证实药物敏感,且剂量需加倍。《中国成人念珠菌病诊断与治疗专家共识》指出念珠菌血流感染在获得药敏试验结果前,应首选棘白菌素类,尤其是光滑念珠菌血流感染。我国ICU患者调查结果显示,光滑念珠菌对卡泊芬净无耐药[8] ;一项我国对医院进行的非白念珠菌临床分离株药敏试验结果显示,常见的4种非白念珠菌对棘白菌素类敏感性为97.7%~100%[9]。因此,本例中患者初始抗真菌治疗选用的氟康唑方案不合理。
棘白菌素类药物抗菌效果与游离药物浓度和最低抑菌浓度(MIC)之间的比值密切相关,不同菌种和感染类型可能对药代动力学—药效动力学(PK/PD)参数有不同要求。因此,在临床应用中,应根据具体菌种和感染类型选择适当的PK/PD参数,以优化治疗方案。棘白菌素类治疗念珠菌BSI的用法用量为:卡泊芬净,首剂70 mg,维持剂量50 mg/d,静脉滴注(i.v.gtt);米卡芬净,100 mg/d,i.v.gtt;阿尼芬净(国内未上市),200 mg负荷量,维持剂量100 mg/d,i.v.gtt;瑞扎芬净(待上市),400 mg负荷量,维持剂量每周200 mg,i.v.gtt。多数专家认为前3种药物治疗念珠菌BSI时可以互换,药品选择性无差异。根据我院实际情况,在药师建议下,次日医嘱停用氟康唑,启用卡泊芬净抗感染治疗。
2.2 卡泊芬净的用法用量分析
卡泊芬净具有三相、非线性药物代谢动力学特征。体内研究发现卡泊芬净用于念珠菌感染时,Cmax/MIC在10~20之间显示较好疗效。另有体外研究显示,卡泊芬净对念珠菌的目标谷浓度应大于1 µg/ml[10]。通常情况下,卡泊芬净首次静脉输注之后,初始阶段组织分布引起药物血浆浓度迅速下降,而后药物由血管外组织逐渐释放回来并伴随着缓慢的肝脏代谢,终末半衰期为27~50 h。因此,为了使最初的血浆浓度在治疗范围内同时防止药物蓄积,所需的给药策略为首剂给予负荷剂量,然后是剂量稍低的一日1次的维持剂量。同时,影响血浆清除的主要机制是分布,质量平衡研究结果显示在70 mg醋酸卡泊芬净单次给药后分布良好。研究显示,对于光滑念珠菌,卡泊芬净MIC≤0.06 mg/L时,应用负荷剂量为70 mg的方案可以达到高目标获取概率(PTA)[11]。因此,负荷剂量建议70 mg,而本例中胃肠外科使用的50 mg剂量不合理。
卡泊芬净的维持剂量无需根据种族、性别、肾脏受损情况及老年病人(65岁或以上)与否而调整,而且血液透析后不需要补充剂量。但由于卡泊芬净主要通过肝脏代谢,因此说明书建议肝功能不全的患者需调整剂量:中度肝功能不全成年患者的治疗剂量:70 mg负荷剂量后,治疗剂量为35 mg,每日一次;而由于数据不足,目前严重肝功能不全成年患者(Chid-Pugh评分>9分)尚无确定的临床用药方案。
本病例患者无肝性脑病,无腹水,总胆红素38.1 μmol/L,白蛋白23.3 g/L,凝血酶原时间延长5.6 s,故Chid-Pugh评分为9分,为中度肝功能不全。因此,醋酸卡泊芬净注射液的用量应为70 mg负荷剂量,35 mg维持治疗剂量,每日1次。
2.3 卡泊芬净的用药疗程
对于非中性粒细胞缺乏患者的念珠菌血流感染,《热病》50版推荐抗菌药物的疗程是末次血培养阳性后14 d;而2016 IDSA《念珠菌病管理临床实践指南》的相关表述为:血培养转阴后须继续治疗至少2周。本例中初次治疗为2023-02-28至2023-03-03(4 d),转至胃肠外科后停用了抗真菌药,疗程不足。2023-03-13继续启用了抗真菌治疗直至转出胃肠外科(5 d),后续跟进并确认了卡泊芬净的足疗程使用。
3. 总结与建议
真菌血流感染是临床上重大的感染,发病急、 病死率高,而高龄患者药动学、药效学参数的改变,增加了药物选择的难度。临床药师应充分发挥自身的优势,对于年龄>65岁、入住ICU、长期使用广谱抗生素及各种侵袭性操作的患者,若出现发热时,应积极留取血培养,根据患者药敏试验结果、真菌培养结果以及患者自身病情及其进展情况,合理选用抗菌药物,以达到符合临床预期的抗感染治疗效果。
该分析是关于一例消化道穿孔患者术后发生的继发念珠菌血流感染病例。在治疗过程中出现初始经验治疗选药不当、负荷剂量不足以及维持剂量偏大的情况,临床药师及时建议并被采纳:停用氟康唑而启用卡泊芬净;卡泊芬净负荷剂量的应用未能及时干预,于是再次向医生宣教卡泊芬净首剂为70 mg的用药方案;维持剂量因病人为中度肝功能不全,应为35 mg,每日一次,且应用药至血培养转阴后至少2周。此外,由于ICU期间具有棘白菌素暴露史,建议本例患者在胃肠外科使用卡泊芬净前,进行棘白菌素类药物敏感试验。
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