活性氧在腫瘤發(fā)生和治療中的作用研究進(jìn)展

石煥煥，朱運(yùn)峰

（北京交通大學(xué)生命科學(xué)與生物工程研究院，北京100044）

活性氧（reactive oxygen species，ROS）是氧衍生的活性小分子，包括O2·-，·OH，RO2·，RO·和

某些非ROS［1］。線粒體和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸還原型輔酶Ⅱ（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶家族是內(nèi)源性ROS 的2 個(gè)主要貢獻(xiàn)者。線粒體是內(nèi)源性ROS的最大貢獻(xiàn)者之一。據(jù)估計(jì)，線粒體消

耗的約1%O2用于產(chǎn)生O2·-［2］，線粒體有多達(dá)10 個(gè)能產(chǎn)生O2的已知位點(diǎn)［3］。復(fù)合物Ⅲ已被證明可將O2·-和H2O2釋放到膜間隙和線粒體基質(zhì)中，它們是許多生物過程所必需的，包括細(xì)胞分化、細(xì)胞信號(hào)傳遞和適應(yīng)性免疫［4］。NADPH 氧化酶家族的主要功能是產(chǎn)生ROS，通過生物膜轉(zhuǎn)移電子產(chǎn)生O2·-，它迅速轉(zhuǎn)化為H2O2，可通過水通道蛋白擴(kuò)散穿過膜，影響多種細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)［5］。在高濃度時(shí)，ROS可能損害生物大分子，包括DNA［6］、蛋白質(zhì)［7］和細(xì)胞膜成分，并進(jìn)一步在癌癥的發(fā)生與發(fā)展中起作用［8］。

1 ROS與腫瘤發(fā)生發(fā)展相關(guān)的信號(hào)通路

在多數(shù)癌癥患者中都檢測(cè)到ROS 的升高［9］，ROS 相關(guān)敏感信號(hào)通路蛋白在許多類型的癌癥中表達(dá)持續(xù)升高，它們參與細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、分化，蛋白質(zhì)合成，葡萄糖代謝，細(xì)胞存活和炎癥反應(yīng)等生物功能［10］。ROS 可作為細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的第二信使，參與磷酸肌醇-3 激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）調(diào)節(jié)的信號(hào)途徑，以及NF-κB激活途徑。

PI3K/Akt 通路參與許多關(guān)鍵的細(xì)胞功能，包括蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞周期進(jìn)程、增殖、細(xì)胞凋亡和自噬［11-12］。乳腺癌細(xì)胞中，雌激素代謝產(chǎn)生的ROS可激活PI3K/Akt信號(hào)通路［13］；上皮生長(zhǎng)因子（epidermal growth factor，EGF）在人卵巢癌細(xì)胞中產(chǎn)生的H2O2激活A(yù)kt 及其底物P70 S6K1［14］；此外，膽囊癌細(xì)胞中ROS 的抑制降低了磷酸化（活性）Akt 的水平并誘導(dǎo)了細(xì)胞凋亡［15］。ROS 還可滅活染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源物（phosphatese and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN），其負(fù)調(diào)節(jié)3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇（3，4，5-phosphatidyl inositol phospate，PIP3）的合成，從而通過氧化活性中心內(nèi)的半胱氨酸殘基來抑制Akt的活化；此外，ROS 能促進(jìn)PTEN 上酪蛋白激酶Ⅱ的磷酸化，促使PTEN進(jìn)入蛋白水解途徑［16］。

NF-κB 是氧化還原調(diào)節(jié)的氧化應(yīng)激傳感器，并被低劑量的H2O2激活。如用白細(xì)胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）處理MCF-7乳腺癌細(xì)胞獲得H2O2和超氧化物，此結(jié)果激活了NF-κB，同時(shí)也促進(jìn)了細(xì)胞增殖［17］。NF-κB 誘導(dǎo)激酶（NF-κB inducing kinase，NIK）是NF-κB 途徑中內(nèi)源性ROS 的關(guān)鍵靶標(biāo)，口腔鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞中，ROS 可通過其促進(jìn)NIK 活性和隨后的NF-κB 反式激活的能力而作為NF-κB信號(hào)級(jí)聯(lián)的生理信號(hào)調(diào)節(jié)劑起作用［18］。在口腔鱗癌細(xì)胞中，沉默超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）可增加胞內(nèi)ROS 水平，與NIK 和NF-κB 活性增加相關(guān)［18］。由4-羥雌甾二醇過量產(chǎn)生的ROS 通過誘導(dǎo)IκB 激酶α 和IκB 激酶β 活性增加NF-κB 的核轉(zhuǎn)位及與DNA 的結(jié)合能力，從而有助于腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)［19］（圖1）。

圖1 活性氧相關(guān)信號(hào)通路.NIK：NF-κβ 誘導(dǎo)激酶；IKKα：Iκβ 激酶α；IKKβ：Iκβ激酶β；PTEN：張力蛋白同源物；PI3K：磷酸肌醇-3激酶；Akt：蛋白激酶B；PIP3：3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇.

2 ROS與腫瘤細(xì)胞增殖

低濃度的外源性H2O2通過增加細(xì)胞內(nèi)ROS水平促進(jìn)IgG 缺陷癌細(xì)胞存活［20］。通過小干擾RNA抑制抗氧化酶Mn-SOD 表達(dá)可導(dǎo)致卵巢癌細(xì)胞中超氧化物增加70%，促進(jìn)癌細(xì)胞增殖［21］。NADPH氧化酶是ROS產(chǎn)生的主要原因之一，在HCT-15和HT-29 細(xì)胞中，干擾其表達(dá)后，顯著抑制ROS 的產(chǎn)生，抑制細(xì)胞增殖［22］。在乳腺癌細(xì)胞中，抑制線粒體單向轉(zhuǎn)運(yùn)體可阻止ROS的產(chǎn)生，并抑制雌激素誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖［23］。雌激素誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖是由ROS介導(dǎo)的胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular signalregulated kinase1/2，ERK1/2）/絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號(hào)通路激活引起的［24］。相反，抗氧化劑可抑制腫瘤細(xì)胞增殖［25］。抗氧化酶Mn-SOD 的穩(wěn)定異位表達(dá)降低了胰腺腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞生長(zhǎng)［26］。此外，內(nèi)源性Mn-SOD 和Cu/Zn-SOD 及過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的表達(dá)水平和活性與各種胰腺癌細(xì)胞系中的細(xì)胞增殖呈負(fù)相關(guān)［26］。

3 ROS與腫瘤細(xì)胞遷移和侵襲

基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）家族是一類依賴于鋅離子和鈣離子的蛋白水解酶，主要的生理作用是降解細(xì)胞外基質(zhì)，MMP 病理狀態(tài)下參與組織重構(gòu)、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和惡性腫瘤轉(zhuǎn)移等生理病理活動(dòng)。

ROS 的生成介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）-MMP2 級(jí)聯(lián)的刺激激活［27］，可使細(xì)胞表現(xiàn)出更高的遷移和侵襲能力［28］。A549 細(xì)胞暴露于Cd 2 μmol·L-1，胞內(nèi)ROS產(chǎn)生顯著增加，同時(shí)細(xì)胞的遷移和侵襲［29］增強(qiáng)。腎上腺素和去甲腎上腺素處理乳腺癌細(xì)胞后產(chǎn)生ROS水平升高，并且去甲腎上腺素處理誘導(dǎo)血紅素加氧酶1、MMP-2和MMP-9的表達(dá)［30］。隱丹參酮可降低黑色素瘤細(xì)胞系A(chǔ)375細(xì)胞ROS水平同時(shí)還在體外阻斷細(xì)胞遷移和侵襲，這與MMP-9的下調(diào)有關(guān)［31］。

此外，細(xì)胞遷移這一過程依賴于局灶性細(xì)胞-基質(zhì)黏連的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。黏著斑激酶（focal adhesion kinase，F(xiàn)AK）是調(diào)節(jié)局灶性細(xì)胞-基質(zhì)黏連動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵蛋白，ROS 產(chǎn)生增加可導(dǎo)致FAK 的磷酸化增加從而促進(jìn)細(xì)胞遷移［32］。侵襲性偽足是癌細(xì)胞中富含肌動(dòng)蛋白的膜突起，促進(jìn)細(xì)胞周圍蛋白水解和侵襲行為，而NADPH 氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生的ROS是侵襲性偽足形成和功能所必需的［33］。

4 ROS與腫瘤細(xì)胞凋亡

細(xì)胞內(nèi)ROS 的不成比例增加可誘導(dǎo)癌細(xì)胞周期停滯和凋亡?？缒に牡鞍壮易?（transmembrane-4-L-six-family-1，TM4SF1）是L6 家族的成員，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞發(fā)育、生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)，TM4SF1 的減少可能通過上調(diào)BCa 細(xì)胞中的ROS，誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯和凋亡［34］。細(xì)胞周期蛋白B 是細(xì)胞周期蛋白家族的成員，與細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（cyclindependent kinase，CDK）相互作用以調(diào)節(jié)G2/M 周期檢查點(diǎn)，ROS 的積累通過下調(diào)細(xì)胞周期蛋白B1而引起G2/M期阻滯［35］；微原纖維相關(guān)蛋白5（microfibrin related protein 5，MFAP5）是細(xì)胞外基質(zhì)糖蛋白，MFAP5敲低的細(xì)胞中ROS水平升高，誘導(dǎo)大量細(xì)胞分布于G2/M期，同時(shí)降低細(xì)胞周期蛋白B1、細(xì)胞周期蛋白D1和CDK4的表達(dá)［36］。

ROS 的增加可激活線粒體介導(dǎo)的胱天蛋白酶級(jí)聯(lián)凋亡途徑，增加的Bax/Bcl-2 比率，促進(jìn)凋亡［37］。P38是MAPK 家族成員，參與凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以響應(yīng)ROS 的增加。研究顯示，可通過增加P22phox/NADPH 氧化酶1相互作用和降低谷胱甘肽水平來提高細(xì)胞ROS 的產(chǎn)生，激活P38/MAPK途徑誘導(dǎo)人乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞凋亡［38］，也能通過激活ROS-MAPK介導(dǎo)的線粒體信號(hào)通路誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞中胱天蛋白酶依賴性細(xì)胞凋亡［39］（圖2）。

圖2 活性氧對(duì)細(xì)胞遷移侵襲、周期和凋亡的影響.MMP：基質(zhì)金屬蛋白酶家族；CDK：細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶.

5 ROS與干細(xì)胞

ROS在決定正常干細(xì)胞的命運(yùn)中起重要作用，干細(xì)胞需低水平的ROS來維持靜止和自我更新［40］。

在人類胃腸癌細(xì)胞中，干細(xì)胞樣群（CD44高表達(dá)）具有較低的ROS 水平［41］。Chang 等［42］觀察到這種產(chǎn)生低ROS的細(xì)胞群中干細(xì)胞標(biāo)志物（OCT4和NANOG）的表達(dá)增加，并且比高產(chǎn)生ROS 的細(xì)胞群體致瘤性更高。多能干細(xì)胞（induced pleuripotent stem cells，iPSC）由于內(nèi)源性抗氧化酶的上調(diào)而顯著降低胞內(nèi)ROS 水平［43］。谷氨酰胺在腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cells，CSC）中的主要作用是作為谷胱甘肽合成的代謝前體以維持氧化還原平衡，并使細(xì)胞內(nèi)ROS保持在相對(duì)低的水平。因此，谷氨酰胺的消耗導(dǎo)致ROS增加，其傾向于誘導(dǎo)細(xì)胞分化并最終導(dǎo)致CSC群體的逐漸減少［44］。當(dāng)干細(xì)胞中產(chǎn)生過量的ROS時(shí)，它將直接導(dǎo)致組織更新和再生的惡化。過量的ROS 會(huì)損害干細(xì)胞自我更新、分化和增殖［45］。miR-155-5p 通過靶向共同轉(zhuǎn)錄因子C/ebpβ 來抑制抗氧化基因而誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞ROS產(chǎn)生，引發(fā)移植的干細(xì)胞特性喪失［46］。

6 ROS在腫瘤治療中的作用

基于ROS的腫瘤治療是抗癌的新思路，目前被認(rèn)為是癌癥治療的基本手段。與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞處于相對(duì)較高的氧化還原狀態(tài)，因此通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)ROS 水平選擇性殺死腫瘤細(xì)胞。傳統(tǒng)抗癌藥物在這其中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)新型ROS載體在其中也發(fā)揮重要作用。

6.1 針對(duì)ROS的傳統(tǒng)抗癌藥物

維生素C作為電子供體，可減少ROS［47］。王紅陽(yáng)院士研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，高濃度的維生素C對(duì)肝癌干細(xì)胞具有顯著的殺傷作用［48］。進(jìn)入細(xì)胞的維生素C通過增加細(xì)胞內(nèi)ROS，引起DNA損傷和能量耗竭，最終導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯和凋亡。維生素C 也起著預(yù)防作用。如嚴(yán)重的獲得性肺炎患者表現(xiàn)出ROS、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和IL-6顯著增加，SOD活性顯著降低和DNA損傷，維生素C 能顯著降低ROS，TNF-α 和IL-6，減輕DNA損傷［49］；長(zhǎng)期補(bǔ)充維生素C的萎縮性胃炎患者，血清ROS含量顯著降低，提示維生素C可減少萎縮性胃炎患者的氧化應(yīng)激［50］。

一些天然化合物也可通過使ROS產(chǎn)生增加，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。冬凌草有顯著的抗腫瘤活性，據(jù)報(bào)道，冬凌草甲素可誘導(dǎo)多種癌細(xì)胞凋亡或自噬，這與其誘導(dǎo)細(xì)胞ROS產(chǎn)生增加有關(guān)［51-53］；冬凌草甲素也可誘導(dǎo)食管癌KYSE-150 細(xì)胞產(chǎn)生ROS 依賴性的凋亡［54］。通過產(chǎn)生ROS，誘導(dǎo)P53、激活胱天蛋白酶和抑制STAT3 信號(hào)通路誘導(dǎo)結(jié)腸癌HCT116細(xì)胞凋亡［55］。木香烴內(nèi)酯以濃度依賴性方式抑制食管癌Eca-109細(xì)胞的生長(zhǎng)［56］，這與線粒體膜電位的喪失和ROS 的產(chǎn)生有關(guān)，通過上調(diào)Bax，下調(diào)Bcl-2，顯著激活胱天蛋白酶3 和多聚ADP-核糖聚合酶，引發(fā)食管癌細(xì)胞凋亡［56］。

6.2 ROS響應(yīng)性載體療法

腫瘤的病理微環(huán)境的ROS 水平較高，利用這一特點(diǎn)，研究者探索出ROS 響應(yīng)性載體，利用載體/ROS高親和力的特點(diǎn)，提高載體安全性的同時(shí)達(dá)到治療疾病目的［57］。

多柔比星（doxorubicin，DOX）可由ROS 響應(yīng)性載體運(yùn)載，利用載體本身的ROS高親和性得到釋放而起到其抗癌活性。兩親性材料膠束作為載體運(yùn)載DOX 可作為抗癌劑，利用癌細(xì)胞內(nèi)高ROS 誘導(dǎo)兩親性材料降解，釋放DOX 誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡［58］。由硫醇縮酮運(yùn)載DOX 和光敏感化合物，實(shí)現(xiàn)同步化療和光動(dòng)力療法［59］，硫縮酮連接光敏感基團(tuán)啟動(dòng)光動(dòng)力療法，同時(shí)釋放DOX達(dá)到抗腫瘤的療效［60］。硼酸酯在氧化條件下會(huì)響應(yīng)ROS 而有效降解，導(dǎo)致納米系統(tǒng)的拆解，運(yùn)載的DOX發(fā)揮作用，可有效逆轉(zhuǎn)腫瘤耐藥［58］。另一種ROS 響應(yīng)性載體可通過阿帕替尼增強(qiáng)DOX敏感性和ROS介導(dǎo)的光動(dòng)力療法性能之間的協(xié)同作用成功地逆轉(zhuǎn)了腫瘤耐藥［61］。ROS 響應(yīng)性載體可同時(shí)增加腫瘤氧合作用抑制缺氧誘導(dǎo)因子功能，優(yōu)化放療的治療作用［62］。

7 展望

ROS 與許多疾病有著直接或間接的聯(lián)系。當(dāng)ROS 長(zhǎng)期攻擊人體細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞正?；顒?dòng)遭到破壞，機(jī)體自身的氧化抗氧化失衡，ROS 堆積細(xì)胞受損影響自身免疫能力，導(dǎo)致疾病甚至癌癥的發(fā)生。傳統(tǒng)抗癌藥物抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)的機(jī)制上有許多文獻(xiàn)報(bào)道，但在臨床上的治療效果鮮有了解，其能否在清除癌細(xì)胞的同時(shí)保護(hù)正常細(xì)胞還需長(zhǎng)時(shí)間的研究，相信新型抗癌藥物載體的探究和應(yīng)用能更好地解決這一問題。隨著對(duì)ROS在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和生物科學(xué)等方面研究的不斷深入，人們?cè)谙嚓P(guān)疾病的診斷、治療方面將取得更大的突破。