多柔比星誘導(dǎo)的骨骼肌功能障礙機(jī)制研究進(jìn)展

李 愛(ài)，魏安奎，徐 昕

（1.上海市兒童醫(yī)院，上海交通大學(xué)附屬兒童醫(yī)院康復(fù)科，上海200062；上海體育學(xué)院2.運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院，3.運(yùn)動(dòng)康復(fù)系，上海200438）

癌癥被認(rèn)為是世界上第二位主要死亡原因，其治療中藥物干預(yù)通常基于化學(xué)療法[1]。多柔比星（doxorubicin，DOX）是治療多種實(shí)體腫瘤廣泛使用的化療藥物[2]，但DOX在殺滅腫瘤細(xì)胞的同時(shí)可產(chǎn)生肌肉毒性[3]，引起肌肉疲勞和無(wú)力，患者耐受能力下降，誘導(dǎo)骨骼肌功能障礙，促使骨骼肌萎縮[4]，導(dǎo)致患者對(duì)治療的反應(yīng)減弱，預(yù)后惡化，生活質(zhì)量下降[5]。近年來(lái)，DOX的肌毒性作用逐漸受到相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注，但有關(guān)DOX誘導(dǎo)骨骼肌功能障礙的發(fā)生機(jī)制尚不清楚。因此，本文就DOX誘導(dǎo)的骨骼肌功能障礙的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行綜述，希望為臨床DOX用藥預(yù)防產(chǎn)生肌毒性提供理論依據(jù)，促進(jìn)化療藥物DOX生物利用度的提高，達(dá)到減少癌癥化療引起的相關(guān)并發(fā)癥并改善患者生命質(zhì)量的目的。

1 多柔比星毒性作用簡(jiǎn)述

DOX 是從鏈霉菌培養(yǎng)物中分離出來(lái)的一種廣泛使用且有效的蒽環(huán)類(lèi)化療劑，其主要是通過(guò)損害DNA 復(fù)制和RNA 轉(zhuǎn)錄，抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ（topoisomeraseⅡ，TOPⅡ）以及自由基生成導(dǎo)致DNA損傷或脂質(zhì)過(guò)氧化而發(fā)揮藥效[6-8]。另一方面，在DOX的化學(xué)結(jié)構(gòu)中存在醌環(huán)，可以通過(guò)氧化還原酶黃嘌呤氧化酶、NADH 脫氫酶和細(xì)胞色素P450 還原酶介導(dǎo)藥物的單電子還原。這種還原可將醌轉(zhuǎn)化為半醌自由基，其在有氧環(huán)境中經(jīng)歷氧化還原循環(huán)以形成羥基自由基、超氧化物和過(guò)氧化物，引起脂質(zhì)過(guò)氧化、DNA 損傷和細(xì)胞死亡[9]，對(duì)各種生長(zhǎng)周期的腫瘤細(xì)胞都具有殺滅作用[10]，臨床上廣泛用于乳腺癌、肝癌、結(jié)腸癌、淋巴瘤和白血病等多種癌癥的治療[11]。然而，由于其劑量依賴(lài)性毒性作用，對(duì)心、腦、肝、腎、肺及骨骼肌等器官組織均可產(chǎn)生不同程度的毒性反應(yīng)，造成全身多個(gè)系統(tǒng)的損傷[12-14]，嚴(yán)重威脅癌癥患者生存質(zhì)量。由于DOX心肌毒性嚴(yán)重威脅患者生命，在臨床和基礎(chǔ)研究中都受到廣泛的關(guān)注[15]。近年來(lái)研究表明，DOX的毒性除了對(duì)心肌具有高度特異性，也可與骨骼肌相互作用產(chǎn)生肌肉毒性，誘導(dǎo)骨骼肌功能障礙[16]。

2 多柔比星誘導(dǎo)的骨骼肌功能障礙

2.1 多柔比星誘導(dǎo)骨骼肌功能障礙的表現(xiàn)

骨骼肌是人體最大器官，成年人中占總體質(zhì)量的40%，其基本功能是產(chǎn)生機(jī)械力以支持身體姿勢(shì)并促進(jìn)各種運(yùn)動(dòng)[17]，并且在血糖控制和代謝穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用[18]。有研究報(bào)道，DOX給藥后會(huì)引起骨骼肌顯著的生理變化，包括肌力、肌生成速度的下降以及肌疲勞感的增加，最終導(dǎo)致骨骼肌功能的衰退[19]。也有研究表明，DOX對(duì)骨骼肌纖維類(lèi)型可產(chǎn)生不良影響，如DOX 給藥后，比目魚(yú)?。á裥?，慢肌纖維）易產(chǎn)生疲勞；減少趾長(zhǎng)伸?。á蛐?，快肌纖維）可減少力的產(chǎn)生并且增加疲勞。因此，在研究DOX肌肉毒性和干預(yù)措施時(shí)，還應(yīng)考慮對(duì)骨骼肌纖維類(lèi)型的影響，以便盡量減少毒副作用[20]。在分子生物學(xué)層面，DOX 還可以增加骨骼肌線粒體活性氧成分，引起骨骼肌細(xì)胞凋亡，并且促使肌肉質(zhì)量明顯下降，表明DOX誘導(dǎo)的肌肉損傷可引起肌肉質(zhì)量的喪失和肌肉功能的惡化[21]；同時(shí)，在對(duì)肌肉特異性糖皮質(zhì)激素受體敲除（muscle-specific glucocorticoid receptor knockout，mGRKO）小鼠進(jìn)行環(huán)磷酰胺（cyclophosphamide），DOX 和5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU）聯(lián)合用藥時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以引起小鼠肌肉萎縮，并且這種化療藥物引起的肌肉萎縮的重要原因可能依賴(lài)于骨骼肌中的糖皮質(zhì)激素信號(hào)[22]。因此，明確DOX誘導(dǎo)骨骼肌功能障礙的相關(guān)發(fā)病特點(diǎn)對(duì)于機(jī)制研究和并發(fā)癥防治至關(guān)重要。

2.2 可誘導(dǎo)骨骼肌功能障礙的多柔比星劑量

DOX被廣泛用于多種惡性腫瘤的化療，其劑量選擇也因疾病狀況和個(gè)體差異而有所不同。目前，臨床推薦最大累計(jì)劑量為450～500 mg·m-2，當(dāng)DOX 的累積使用劑量達(dá)到550 mg·m-2體表面積時(shí)，可能會(huì)使患者發(fā)展為充血性心力衰竭（congestive heart failure，CHF）或引起心肌病等心臟毒性反應(yīng)[23]。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，昆明種小鼠隔日注射DOX（1.5，3.0和4.5 mg·kg-1），共7次，DOX誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌損傷的極量為4.5 mg·kg-1，如再增加劑量便會(huì)明顯增加死亡率[24]。對(duì)腫瘤壞死因子受體1（tumor necrosis factor receptor subtype 1，TNFR1）基因缺乏小鼠，單次ip給予DOX 20 mg·kg-1（該劑量相當(dāng)于給予小細(xì)胞肺癌患者的DOX 化療），發(fā)現(xiàn)可抑制小鼠趾長(zhǎng)伸肌的最大力，并且加速疲勞；注射后72 h，小鼠血清腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）水平升高，由此推測(cè)臨床DOX 濃度可能以TNFR1 依賴(lài)性方式破壞嚙齒類(lèi)動(dòng)物肢體肌功能[25]。因此，研究DOX 單次（急性）或累積（慢性）給藥后實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生存率及其對(duì)骨骼肌的損害程度，有助于更好地把握DOX誘導(dǎo)產(chǎn)生骨骼肌功能障礙，建立合適的動(dòng)物模型，為未來(lái)臨床研究奠定理論基礎(chǔ)。

3 多柔比星誘導(dǎo)的骨骼肌功能障礙機(jī)制

3.1 氧化應(yīng)激

癌癥或化學(xué)治療劑介導(dǎo)的氧化應(yīng)激是藥物誘導(dǎo)的毒性的潛在機(jī)制。非靶向組織，如橫紋肌，在化學(xué)療法中受到氧化應(yīng)激的嚴(yán)重影響，引起毒性反應(yīng)和功能損傷[4]。DOX生成的活性氧（reactive oxygen species，ROS）可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷和蛋白酶的活化，進(jìn)一步產(chǎn)生分解代謝[3]。研究顯示，細(xì)胞中被干擾的氧化還原信號(hào)已被證實(shí)可以激活幾種蛋白水解，ROS 可作為信號(hào)分子，促使鈣蛋白酶和胱天蛋白酶3的活化。鈣蛋白酶可通過(guò)分解結(jié)構(gòu)蛋白導(dǎo)致肌萎縮，而增加的ROS可引起細(xì)胞質(zhì)鈣水平升高，激活鈣蛋白酶[26-27]。同時(shí)，胱天蛋白酶3在消耗性疾病環(huán)境中對(duì)肌蛋白降解過(guò)程產(chǎn)生重要作用[28]。此外，除了DOX誘導(dǎo)的鈣蛋白酶和胱天蛋白酶3 活化外，在骨骼肌纖維中產(chǎn)生的DOX 介導(dǎo)的ROS還可以通過(guò)對(duì)肌蛋白的氧化修飾潛在加速蛋白質(zhì)的分解[29]，引起骨骼肌功能障礙。

3.2 Ca2+超載

Ca2+作為真核生物體內(nèi)的第二信使，參與細(xì)胞內(nèi)眾多生命現(xiàn)象的發(fā)生與調(diào)節(jié)[30]。在骨骼肌中Ca2+可通過(guò)去極化或由ATP 激活的嘌呤受體來(lái)釋放。在去極化狀態(tài)下，二氫吡啶受體與蘭尼堿受體（ryanodine receptor，RyR）相互作用，從肌漿網(wǎng)釋放Ca2+[31]，而DOX給藥增加了從骨骼肌分離的肌漿網(wǎng)中的鈣釋放，在整個(gè)肌肉水平，DOX 會(huì)干擾肌動(dòng)蛋白-肌球蛋白相互作用并降低鈣的敏感性[16]。van Norren 等[32]認(rèn)為，Ca2+失調(diào)可破壞對(duì)肌管應(yīng)答的平衡，產(chǎn)生較低的最大力，降低最大松弛速度，增加疲勞感，破壞骨骼肌松弛和限制收縮，且長(zhǎng)期使用DOX 還會(huì)引起初始Ca2+過(guò)載而引起細(xì)胞凋亡增加，而現(xiàn)存的骨骼肌細(xì)胞可能會(huì)因?yàn)椴粩鄿p少Ca2+的再吸收而受損。也有研究認(rèn)為，在DOX心肌毒性作用下，CHF誘導(dǎo)的肌肉類(lèi)型特異性損傷與細(xì)胞內(nèi)鈣離子釋放和吸收機(jī)制的缺陷以及肌鈣二氫吡啶敏感性鈣通道活性的降低有關(guān)，并且這種損傷在慢肌纖維中更為明顯[33]。由此可見(jiàn)，DOX心肌毒性也可造成骨骼肌功能障礙，并且因肌纖維類(lèi)型的不同有所差異，而對(duì)于其中的相關(guān)作用機(jī)制還有待于進(jìn)一步探討。

3.3 線粒體能量代謝

線粒體超氧化物的產(chǎn)生是細(xì)胞內(nèi)ROS 的重要來(lái)源。Gilliam 等[34]認(rèn)為，DOX 可能以時(shí)間依賴(lài)性方式破壞骨骼肌中線粒體能量代謝與氧化還原的平衡。在單次大劑量DOX（20 mg·kg-1）給藥2 h后發(fā)現(xiàn)，DOX抑制線粒體復(fù)合物Ⅰ和復(fù)合物Ⅱ呼吸能力并增加H2O2排放，損傷線粒體呼吸功能；線粒體呼吸/膜電位〔respiratiry O2flux（JO2）/membrane potential（Δψm），JO2/Δψ〕曲線相在DOX 給藥24 h后向右移動(dòng)明顯，可見(jiàn)線粒體氧消耗增加，膜電位下降，破壞細(xì)胞內(nèi)正常的氧化還原平衡，導(dǎo)致骨骼肌氧化損傷；在72 h時(shí)間點(diǎn)線粒體呼吸能力進(jìn)一步下降，H2O2的釋放潛力增加。同時(shí)，DOX 損害線粒體中的鈣攝取，并增加線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）對(duì)鈣開(kāi)放的敏感性。相關(guān)研究還指出，線粒體ROS釋放增加和鈣蛋白酶活化是DOX 誘導(dǎo)的心肌和骨骼肌肌病發(fā)生的重要原因。DOX給藥后，大鼠心肌和骨骼肌中線粒體ROS 產(chǎn)生增加，鈣蛋白酶活化，線粒體呼吸功能下降，心肌和骨骼肌發(fā)生氧化損傷、肌細(xì)胞凋亡和收縮功能障礙[35]。此外，最新研究數(shù)據(jù)顯示，DOX等化療藥物可誘導(dǎo)線粒體超氧化物產(chǎn)生，并引起線粒體毒性反應(yīng)，促使線粒體功能受損，但并不一定會(huì)導(dǎo)致骨骼肌氧化能力降低[36]。

3.4 細(xì)胞自噬和凋亡

DOX給藥可引起自噬體成熟輔助因子（Beclin-1，Atg12 和Atg7）、微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3（microtubule associated protein 1 lightchain 3，LC3）、LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值和組織蛋白酶L（cathepsin L）等幾種重要自噬蛋白的mRNA 水平和蛋白豐度在肌肉水平增加，并導(dǎo)致肌結(jié)構(gòu)損傷，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[37]，產(chǎn)生肌肉疲勞、無(wú)力甚至引起肌萎縮和肌消耗等一系列并發(fā)癥。表明相關(guān)自噬基因表達(dá)在DOX 誘導(dǎo)的骨骼肌功能障礙中具有一定的催化作用。同時(shí)，DOX作為一種有效的化療藥物，也是肌細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)劑。相關(guān)組織學(xué)研究數(shù)據(jù)顯示，DOX給藥后可引起正常肌結(jié)構(gòu)改變，TUNEL染色肌纖維中陽(yáng)性細(xì)胞核數(shù)量顯著增加，表明DOX 可誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞凋亡[21]。Campbell等[38]認(rèn)為，DOX給藥后，小鼠體質(zhì)量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，比目魚(yú)肌中LC3-I 和P62 等相關(guān)自噬蛋白在不同時(shí)間段表達(dá)顯著升高；比目魚(yú)肌和跖肌形態(tài)學(xué)異常，表明DOX給藥可能對(duì)骨骼肌細(xì)胞的凋亡和自噬等分解代謝過(guò)程產(chǎn)生不良影響。最新研究表明，DOX可通過(guò)Akt-mTOR通路誘導(dǎo)比目魚(yú)肌細(xì)胞凋亡，而分泌型卷曲相關(guān)蛋白2（secreted frizzled-related protein 2，sFRP2）可通過(guò)增強(qiáng)Akt-mTOR 信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制DOX 的這種不良影響，這提示sFRP2 可能是DOX 誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞凋亡的一個(gè)潛在治療靶點(diǎn)[39]。

3.5 一氧化氮濃度和氨基酸代謝

一氧化氮（nitric oxide，NO）可以調(diào)節(jié)靜息和收縮骨骼肌中的氧輸送[40]，骨骼肌中NO 產(chǎn)生波動(dòng)會(huì)造成骨骼肌生長(zhǎng)和分化受損，導(dǎo)致骨骼肌功能下降，單劑量DOX給藥并且定量檢測(cè)骨骼肌細(xì)胞內(nèi)和間充質(zhì)NO 濃度，在不同時(shí)間段可出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，但未見(jiàn)劑量依賴(lài)效應(yīng)。而NO濃度的改變，可能對(duì)骨骼肌產(chǎn)生顯著的生理影響，造成組織中局部血液灌注增加，ROS 生成增加和過(guò)亞硝酸鹽形成，可能是引起DOX 給藥后骨骼肌功能障礙的潛在機(jī)制[41]；另一方面，骨骼肌肌質(zhì)量的增減與蛋白合成和降解之間的動(dòng)態(tài)平衡密切相關(guān)，并且這一動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的核心是游離氨基酸中氨基酸的可用性[42]。Fabris等[43]在其研究中監(jiān)測(cè)了DOX給藥后骨骼肌間充質(zhì)、細(xì)胞內(nèi)和血管腔內(nèi)氨基酸的濃度。發(fā)現(xiàn)DOX 給藥后，細(xì)胞內(nèi)總氨基酸、必需氨基酸和支鏈氨基酸濃度顯著增加，說(shuō)明DOX給藥后可造成骨骼肌蛋白質(zhì)降解增加，加劇骨骼肌損傷。在血漿中，總氨基酸濃度與DOX 給藥劑量差異也密切相關(guān)，與DOX 4.5 mg·kg-1劑量組相比，在1.5 mg·kg-1組觀察到更高濃度的血漿總氨基酸，表明細(xì)胞內(nèi)到循環(huán)系統(tǒng)中氨基酸濃度的流出高于系統(tǒng)性攝取，致使動(dòng)脈氨基酸濃度增加。微透析研究骨骼肌間充質(zhì)也揭示了DOX 可能對(duì)骨骼肌到血管系統(tǒng)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制產(chǎn)生劑量相關(guān)的影響，這些可能機(jī)制為未來(lái)研究氨基酸代謝減少骨骼肌損傷和恢復(fù)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3.6 肌源性調(diào)節(jié)因子表達(dá)

在成人骨骼肌中，肌源性調(diào)節(jié)因子（myogenic regulatory factor，MRF）可以誘導(dǎo)衛(wèi)星細(xì)胞恢復(fù)肌肉完整性，以應(yīng)對(duì)損傷和壓力。被活化的衛(wèi)星細(xì)胞表達(dá)初生MRF，形成成肌細(xì)胞，并在次生MRF的作用下分化成肌管，重建肌纖維。而DOX的肌肉毒性作用可破壞MRF表達(dá)，改變肌肉的完整性和再生能力。研究顯示，DOX 給藥后，比目魚(yú)肌中MYF5 和生肌決定因子蛋白（myogenic determining factor，MyoD）表達(dá)升高[44]，但是這種上調(diào)與之前已有研究報(bào)道相反（DOX 給藥可下調(diào)MYF5和MyoD 蛋白），破壞骨骼肌MRF 表達(dá)[45]，骨骼肌結(jié)構(gòu)和功能受損，從而引起骨骼肌功能障礙），分析推測(cè)可能與DOX給藥時(shí)間相關(guān)。DOX急性給藥（24 h），僅支持生肌信號(hào)反應(yīng)在這一時(shí)間點(diǎn)的變化，未來(lái)的研究中應(yīng)該延長(zhǎng)DOX 給藥時(shí)間繼續(xù)探索[44]。另一方面，DOX肌毒性相關(guān)的骨骼肌萎縮可能繼發(fā)于血管功能障礙和DOX 衍生的心功能障礙引起的骨骼肌血流量減少[7，34]。同時(shí)，DOX 心臟毒性可引起左心功能降低，最終導(dǎo)致心衰[46]，而心衰時(shí)流向骨骼肌的血流減少，進(jìn)一步引起骨骼肌萎縮和壞死，破壞骨骼肌MRF表達(dá)[47]。此外，也有研究表明，DOX誘導(dǎo)的骨骼肌和心肌質(zhì)量變化，特別是在轉(zhuǎn)錄組學(xué)中，骨骼肌變化更為明顯，并進(jìn)一步分析可能與兩種組織再生能力不同有關(guān)[48]。因此，把握DOX肌肉毒性與心肌毒性之間的潛在聯(lián)系，有助于更全面地探索DOX的毒性反應(yīng)機(jī)制，在未來(lái)研究中顯得尤為重要。

4 結(jié)語(yǔ)

DOX 作為一種常用的強(qiáng)效抗癌藥物用于多種癌癥的治療，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)DOX 具有細(xì)胞毒性作用，在殺滅癌細(xì)胞時(shí)也可產(chǎn)生肌毒性反應(yīng)，引起肌肉疲勞、無(wú)力，促使肌萎縮，最終引起骨骼肌的功能失調(diào)。圖1 總結(jié)了DOX 誘導(dǎo)的骨骼肌功能障礙可能與氧化應(yīng)激、Ca2+超載、線粒體能量代謝、細(xì)胞自噬與凋亡、一氧化氮濃度和氨基酸代謝以及肌源性調(diào)節(jié)因子表達(dá)等多種機(jī)制相關(guān)；同時(shí)，DOX 的肌肉毒性作用與使用劑量也密切相關(guān)。未來(lái)研究中應(yīng)結(jié)合臨床用藥情況，進(jìn)一步深入探討DOX致機(jī)體各個(gè)系統(tǒng)毒副作用的潛在聯(lián)系，以便展開(kāi)有效的預(yù)防措施，改善癌癥患者生存質(zhì)量，惠及廣大患者及家庭。

圖1 多柔比星（DOX）誘導(dǎo)的骨骼肌功能障礙相關(guān)機(jī)制.