腫瘤惡液質(zhì)病人肌肉減少的分子機(jī)制

朱明星 盧宗亮 吳長蓬 許紅霞

據(jù)全球腫瘤流行病數(shù)據(jù)估計(GLOBOCAN 2018)，2018年全球約有1 810萬新增癌癥病例和960萬癌癥死亡病例[1]。其中，亞洲癌癥患病人數(shù)和死亡人數(shù)分別占全球病例的60%和70%。在我國，癌癥同樣是人口死亡的主要原因，也是重大的公共衛(wèi)生問題。國家癌癥中心提供的數(shù)據(jù)顯示，2015年中國約新增429.2萬癌癥病例和281.4萬癌癥死亡病例[2]。

終末期癌癥病人往往表現(xiàn)為極度消瘦、厭食、乏力、體能差甚至臥床，即出現(xiàn)惡液質(zhì)(cachexia)狀態(tài)。惡液質(zhì)是腫瘤最常見的并發(fā)癥之一，報道稱80%左右的胃癌或胰腺癌，50%左右的結(jié)腸癌、肺癌或前列腺癌，以及約40%的乳腺癌病人隨癌癥進(jìn)展會出現(xiàn)惡液質(zhì)[3]，約30%的癌癥病人因惡液質(zhì)死亡[4]。骨骼肌減少(muscle atrophy，MA)是惡液質(zhì)的核心表現(xiàn)。惡液質(zhì)的定義比較公認(rèn)的是Fearon等[5]在2011年腫瘤惡液質(zhì)國際大會專家共識中提出的：“以持續(xù)性骨骼肌丟失為特征，不能被營養(yǎng)支持完全緩解，逐步導(dǎo)致器官功能損害的多因素綜合征”。除惡性腫瘤，多種慢性疾病，如COPD、CHF、慢性腎功能衰竭、艾滋病等到疾病后期均可發(fā)生肌肉減少及惡液質(zhì)狀態(tài)[6]。2008年在華盛頓召開的惡液質(zhì)大會中，臨床醫(yī)師和研究人員對惡液質(zhì)的診斷標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成共識[7]，即人體在無節(jié)食的情況下，6個月內(nèi)體質(zhì)量下降>5%；或BMI<20(我國<18.5)同時伴有體質(zhì)量下降>2%；或四肢骨骼肌量指數(shù)(appendicular skeletal muscle index, ASMI)符合肌肉減少癥標(biāo)準(zhǔn)(男性<7.0 kg/m2，女性<6.0 kg/m2-歐洲人群)及同時伴有體質(zhì)量下降>2%。

世界腫瘤惡液質(zhì)年會(International Society on Sarcopenia, Cachexia and Wasting Disorders Conference)截至2019年已舉行11屆，大會每年對腫瘤惡液質(zhì)最新進(jìn)展和熱點(diǎn)問題進(jìn)行探討，其中對腫瘤惡液質(zhì)病人肌肉減少的分子機(jī)制研究逐年增多。肌肉減少原因歸結(jié)起來就是肌肉蛋白質(zhì)降解增加與蛋白質(zhì)合成受阻。研究顯示，惡液質(zhì)肌肉減少涉及的蛋白質(zhì)合成的信號通路主要是PI3K/AKT/mTOR信號通路，而涉及的蛋白質(zhì)降解通路主要包括AKT/FOXO3a通路、Myostatin/Activin A/B信號通路、炎癥因子NF-κB通路、p38MAPK信號通路以及JAK-STAT通路等(圖1)。

圖1 腫瘤惡液質(zhì)發(fā)生肌肉減少機(jī)制示意圖

1 蛋白質(zhì)合成PI3K/AKT/mTOR通路

磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol3-kinases，PI3Ks)是細(xì)胞內(nèi)的一種磷脂酰肌醇激酶，參與多種細(xì)胞生命活動，如細(xì)胞生長、增殖、分化、運(yùn)動、存活和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等。PI3Ks的作用與致癌基因PIK3CA和抑癌基因PTEN密切相關(guān)[8]。

蛋白激酶B(protein kinase B, PKB)即AKT，是一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶，在多種細(xì)胞生長過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，如葡萄糖代謝、凋亡、細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞遷移。過表達(dá)AKT的轉(zhuǎn)基因小鼠，其骨骼肌肌量明顯增大，AKT相關(guān)信號通路被激活[9]。磷酸化的AKT可促進(jìn)小G蛋白Rheb(Ras homology enriched in brain，Rheb)的正調(diào)控，從而促進(jìn)Rheb集聚，激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)復(fù)合體。這一過程激活蛋白質(zhì)翻譯，進(jìn)而增加骨骼肌細(xì)胞分化生長。mTOR與其他蛋白相結(jié)合，形成mTOR復(fù)合物1(mTORC1)和mTOR復(fù)合物2(mTORC2)2種不同的蛋白質(zhì)復(fù)合物，他們調(diào)節(jié)不同的細(xì)胞過程，具有促進(jìn)物質(zhì)代謝，參與細(xì)胞凋亡、自噬的功能。

PI3K/AKT/mTOR通路主要與蛋白質(zhì)的合成相關(guān)。該通路具體的分子途徑是：PI3K-AKT經(jīng)PI3K生成磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)，進(jìn)一步激活磷酸肌苷依賴性蛋白激酶-1(phosphoinositide dependent proteinkinase-1，PDK1)，PDK1通過磷酸化激活A(yù)KT，使AKT定位于質(zhì)膜，進(jìn)一步激活αNF-κB激酶抑制劑(inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase subunit alpha，IKK-α)，IKK-α磷酸化激活mTORC2。

一些因子可以激活該通路，其中包括表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)、類胰島素生長因子(insulin-like growth factors-1，IGF-1)、胰島素和鈣調(diào)蛋白(calcium modulated protein，CaM)等[10-12]。胰島素或IGF-1與其受體相結(jié)合后，通過胰島素受體底物(insulin receptor substrate-1，IRS-1)激活PI3K/AKT/mTOR信號通路，促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成[13]。當(dāng)細(xì)胞缺乏IGF-1或者發(fā)生胰島素抵抗時，會抑制PI3K/AKT/mTOR通路，從而使真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白(eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein，4E-BP)和p70核糖體蛋白S6激酶(ribosomal protein S6 kinase beta-1，S6K1,也稱p70S6K)下調(diào)，最終導(dǎo)致真核翻譯起始因子(eukaryotic initiation factor 4E, eIF4E)和p70S6K等促進(jìn)蛋白質(zhì)合成相關(guān)過程受到抑制[13]。有研究顯示，當(dāng)小鼠被敲除胰島素受體后，肌肉重量和功能下降的主要原因是蛋白合成受到抑制而非分解增加[14]。

2 肌肉AKT/FOXO信號通路

叉頭因子O蛋白家族(forkhead box class O family，F(xiàn)OXO)是調(diào)節(jié)骨骼肌細(xì)胞平衡的重要分子，其中FOXO1和FOXO3是調(diào)節(jié)骨骼肌蛋白質(zhì)降解的主要成員。AKT可以促進(jìn)FOXO磷酸化，抑制FOXO核轉(zhuǎn)位而阻止其轉(zhuǎn)錄，同時阻止E3連接酶上調(diào)，抑制蛋白水解系統(tǒng)激活，減少蛋白降解[15]。惡液質(zhì)狀態(tài)時,FOXO通路相關(guān)基因增加，促進(jìn)病人的肌肉減少。動物實(shí)驗(yàn)研究顯示，骨骼肌FOXO1轉(zhuǎn)基因小鼠的Ⅰ型肌纖維基因表達(dá)下調(diào)、血糖控制受損，小鼠骨骼肌體積減小[16]。Milan等[17]發(fā)現(xiàn)，在肌肉減少過程中，F(xiàn)OXO轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)通過調(diào)節(jié)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬系統(tǒng)發(fā)揮作用。抑制FOXO的轉(zhuǎn)錄活性可抑制肌肉蛋白質(zhì)的泛素化降解。在小鼠惡液質(zhì)模型中，F(xiàn)OXO過度激活導(dǎo)致肌肉減少。有證據(jù)顯示，抑制FOXO能夠挽回肌肉損失[18]。

FOXO1和FOXO3在誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄泛素化酶肌肉環(huán)狀指基因1(muscle ring finger1，MuRF1)和肌肉萎縮盒F基因(muscle atrophy F-box，MAFbx，Atrogin-1)的上調(diào)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[19]。MuRF1和MAFbx是一種E3連接酶，為骨骼肌萎縮的蛋白標(biāo)志物。肌蛋白在降解過程中，需要經(jīng)過其泛素化后再被蛋白酶體降解。在去神經(jīng)、糖皮質(zhì)激素過量等條件下,MuRF1和MAFbx過度活化，引起惡液質(zhì)[20]。MuRF1不僅能降解細(xì)肌絲中的肌動蛋白和肌鈣蛋白相關(guān)成分，而且MuRF1和MAFbx還均參與了粗肌絲肌球蛋白重鏈相關(guān)成分的分解[21]。有研究顯示，激活I(lǐng)GF-1/AKT/mTOR信號通路，能夠抑制MuRF1和MAFbx等的活性，從而使蛋白酶體系統(tǒng)中E3泛素化連接酶活性下調(diào)。將IGF-1注入小鼠體內(nèi),可以激活A(yù)KT，然后磷酸化FOXO，導(dǎo)致MuRF1和MAFbx表達(dá)降低，減少肌肉降解[19,22]。

一項(xiàng)有趣的研究發(fā)現(xiàn)，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活子1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alph, PGC-1α)與AKT作用類似，能負(fù)調(diào)控FOXO的激活[22]。在荷瘤小鼠和肌肉萎縮的條件下,PGC-1α在血液和組織中的含量下降，而過表達(dá)PGC-1α則抑制FOXO3a的表達(dá)，逆轉(zhuǎn)部分肌肉損失。同時，在運(yùn)動過程中可以激活PGC-1α的表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1α可調(diào)節(jié)肌纖維中線粒體的生物合成和氧化磷酸化[23]。在腫瘤惡液質(zhì)中，肌肉萎縮針對的是Ⅱ型肌纖維，而Ⅰ型肌纖維并沒有類似的降解[24]。這有可能是由于PGC-1α抑制Ⅰ型肌纖維中的FOXO3a活性所致。嘗試尋找PGC-1α的激活劑可能是一種很有前景的、可以防止腫瘤或者其他分解代謝條件下的肌萎縮的方法。

3 Myostatin和激活素A/B信號通路

Myostatin又稱肌肉生長抑制素，是較晚發(fā)現(xiàn)的在生物進(jìn)化中極保守的轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)超家族成員，Myostatin主要由骨骼肌細(xì)胞合成和分泌，具有特異性抑制肌肉生成的作用，能誘導(dǎo)惡液質(zhì)的發(fā)生[25]。Myostatin可有效抑制細(xì)胞周期由G1期向S期的過渡，使細(xì)胞生長速度顯著變慢，細(xì)胞周期蛋白CyclinD1表達(dá)下調(diào)，從而抵制成肌細(xì)胞的增殖；同時骨骼肌分化標(biāo)志肌細(xì)胞生成素(Myogenin)和主要組織相容性復(fù)合體(MHC)的表達(dá)也受Myostatin抑制，導(dǎo)致成肌細(xì)胞不能分化為多核的融合肌管細(xì)胞。小鼠過表達(dá)Myostatin可導(dǎo)致骨骼肌明顯萎縮[26]，相反，通過不同基因方法抑制Myostatin的表達(dá)可促進(jìn)肌肉質(zhì)量和肌纖維增大[27]。Myostatin的拮抗劑已被證明能夠預(yù)防Lewis肺癌(Lewis lung carcinoma，LLC)小鼠模型中的腫瘤惡液質(zhì)[28]。

除Myostatin外，激活素A/B (Activin A/B)作為TGF-β家族成員，可激活TNF-α/TAK1通路，在骨骼肌細(xì)胞中可發(fā)現(xiàn)Activin A上調(diào)[29]，阻斷該模型中的Activin A，可以逆轉(zhuǎn)肌肉萎縮。TGF-β分子通常與激活素Ⅱ型受體(ActRⅡ)相結(jié)合，激活A(yù)ctRⅡ通路中肌肉萎縮關(guān)鍵的泛素連接酶MAFbx/Atrogin1，增加MuRF1的表達(dá)，可增強(qiáng)肌肉蛋白的泛素化作用，從而導(dǎo)致肌原纖維蛋白降解[30-31]。ActRⅡ拮抗劑能完全抵消上述作用[32]。最近的研究顯示，ActRⅡB受體拮抗劑可用于治療4種不同小鼠模型的腫瘤惡液質(zhì)。

因此，Myostatin主要通過ActRⅡB-SMAD2/3通路阻斷骨骼肌分化增殖[33]。有趣的是，IGF-1可以顯著逆轉(zhuǎn)Myostatin對AKT的抑制[34]。但在腫瘤病人中，這顯然是存在一定問題的，因?yàn)镮GF-1可能與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。骨骼肌的保存是通過阻斷Myostatin和Activin A/B信號通路而實(shí)現(xiàn)的，但他并不一定是所有動物模型和人類發(fā)生腫瘤惡液質(zhì)的原因。

4 炎癥因子通路

腫瘤惡液質(zhì)常伴有全身性慢性炎癥狀態(tài)，NF-κB、CRP、 IL-1、IL-6、TNF-α等炎癥因子水平會有不同程度的升高。

NF-κB是肌肉萎縮中一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，它參與細(xì)胞凋亡、炎癥和分化等多種細(xì)胞生命活動[35]，能被許多炎癥因子所激活。研究發(fā)現(xiàn)，NF-κB可被TNF-α、TWEAK(TNF-related weak inducer of apoptosis)、IL-1、蛋白水解誘導(dǎo)因子(proteolysis inducing factor，PIF)、血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)等通過活性氧簇誘導(dǎo)激活，激活的NF-κB能夠促進(jìn)Myostatin的表達(dá)增加，從而使肌肉分化生長因子(myogenic differentiation，MyoD)的mRNA表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致骨骼肌的生長與分化受阻，最終破壞肌肉組織的損傷修復(fù)[36]。IL-1能通過介導(dǎo)NF-κB和p38-MAPK信號通路，促進(jìn)E3連接酶MuRF1和MAFbx基因的表達(dá)，進(jìn)而使肌纖維蛋白發(fā)生泛素化降解[37]。TWEAK通過激活NF-κB而上調(diào)MuRF1，導(dǎo)致MyHC消耗增加[37]。NF-κB抑制劑可以通過抑制NF-κB通路減少M(fèi)uRF1和MAFbx的表達(dá)，從而顯著地降低腫瘤惡液質(zhì)引起的肌肉萎縮[38]。

TNF-α由活化的巨噬細(xì)胞合成，可以誘導(dǎo)惡液質(zhì)的發(fā)生[39]。在體外試驗(yàn)中，TNF-α可使脂肪細(xì)胞從血漿脂蛋白中攝取脂肪酸減少，抑制脂肪合成，同時抑制骨骼肌細(xì)胞的分化，并在一定程度上抵抗胰島素，進(jìn)而影響胰島素信號通路[40]。加入TNF-α抑制PI3K/AKT通路，可以導(dǎo)致培養(yǎng)的肌細(xì)胞肌管萎縮，還可以通過NF-κB和p38-MAPK激活MuRF1等E3連接酶誘導(dǎo)泛素化-蛋白酶體途徑，導(dǎo)致肌原纖維蛋白分解[41-43]。惡液質(zhì)狀態(tài)下，骨骼肌組織中是否存在先天免疫細(xì)胞很少被報道，因此，這些細(xì)胞也不太可能在肌肉組織環(huán)境中產(chǎn)生TNF-α。從這個角度來說，TNF-α與腫瘤惡液質(zhì)的關(guān)系就不太清楚。最近的一項(xiàng)研究顯示[44]，對腫瘤惡液質(zhì)病人使用TNF-α抗體抑制其功能后，惡液質(zhì)并沒有獲得任何改善效果，在觀察的濃度下，TNF-α可能是一種促進(jìn)因子，但不足以促使肌肉組織萎縮，還需要其他腫瘤或炎癥因子的協(xié)同作用。

IL-6是由活化的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的，是癌癥惡液質(zhì)全身炎癥的驅(qū)動因子，多種腫瘤都會分泌IL-6[45]。IL-6可能是通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)引起惡液質(zhì)，促進(jìn)惡液質(zhì)病人氧化應(yīng)激的發(fā)生，抑制下丘腦脂肪酸氧化，從而引起食物攝入減少。中樞注入IL-6的拮抗劑可以改善病人食物攝入，但只有超生理劑量下的IL-6才能誘導(dǎo)無腫瘤或疾病狀態(tài)下的肌肉萎縮[46]。在IL-6依賴的鼠惡液質(zhì)模型中，肌蛋白合成的抑制在早期即發(fā)生，與正常對照組相比，C26荷瘤小鼠腓腸肌重量減輕到對照組的84%，蛋白水解酶的活性明顯降低，說明溶酶體組織蛋白酶通路和ATP依賴性蛋白水解通路參與其中[47]。在IL-6誘導(dǎo)的肌肉萎縮過程中，IL-6是否直接調(diào)控E3連接酶的表達(dá)還具有一定爭議。IL-6信號通路模式是通過信號轉(zhuǎn)到受體形成的異質(zhì)二聚體(gp130)和膜結(jié)合受體，激活JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路下游，導(dǎo)致信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白(STAT)磷酸化，進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄[48]。最近，在消瘦的肺癌病人中的試驗(yàn)顯示，IL-6單克隆抗體可以逆轉(zhuǎn)厭食、疲勞和貧血，但對體質(zhì)量改善無明顯影響[49]。

5 p38MAPK通路

腫瘤病人在形成惡液質(zhì)的過程中，細(xì)胞對各種胞外調(diào)節(jié)信號作出特異性應(yīng)答，除上述一些信號通路外，大多數(shù)細(xì)胞中還存在另外2條細(xì)胞因子通路途徑：p38MAPK途徑和JAK-STAT途徑。2條途徑獨(dú)立存在于細(xì)胞內(nèi)，共同進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。但有研究發(fā)現(xiàn)，絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)可能是兩者的關(guān)鍵分子，因?yàn)楫?dāng)JAK激活的同時，伴有MAPK的活化[50]。

p38MAPK最早因?yàn)榕c應(yīng)激相關(guān)而引起研究者注意，后來發(fā)現(xiàn)它與多種腫瘤(包括宮頸癌、卵巢癌、肝癌、淋巴瘤)凋亡的啟動、細(xì)胞周期的靜止等密切相關(guān)。p38MAPK除介導(dǎo)炎癥、凋亡外，還參與細(xì)胞存活、分化和發(fā)育等過程。TNF-α、IL-1和TWEAK能通過介導(dǎo)NF-κB和p38MAPK信號通路，促進(jìn)E3連接酶MuRF1和MAFbx基因的表達(dá)，進(jìn)而使肌纖維蛋白發(fā)生泛素化降解[37,51]。研究顯示，阻斷p38MAPK級聯(lián)反應(yīng)，可以減輕細(xì)胞的炎癥反應(yīng)[52]。在腫瘤細(xì)胞中，p38MAPK可增加TNF-α的表達(dá)，反過來，TNF-α也可以活化p38MAPK上游MAPKKK(MAP kinase kinase kinase),進(jìn)而激活p38-MAPK，誘導(dǎo)凋亡[53]。

6 JAK-STAT通路

JAK-STAT信號途徑是由Heim在研究干擾素誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)的過程中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)?shù)鞍桌野彼峒っ?Janus activated kinase，JAK)與配體結(jié)合時，他們通過單個酪氨酸上的磷酸化激活STAT，促使STATs形成二聚體，然后轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，與目標(biāo)基因啟動子中的特定反應(yīng)元件結(jié)合，并激活其轉(zhuǎn)錄[54]。有研究表明，STATs能調(diào)節(jié)與細(xì)胞增殖、分化、凋亡相關(guān)基因的表達(dá)。其下游基因的表達(dá)，能抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)其增殖分化，從而增強(qiáng)免疫逃避能力，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展及侵襲和轉(zhuǎn)移的能力[55]。加入STAT3蛋白抑制劑能夠阻斷STAT與DNA相結(jié)合，進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞的分化、增殖與生長，促進(jìn)其凋亡[56]。雖然JAK-STAT信號通路與肌肉減少直接相關(guān)的研究鮮有報道，但可以發(fā)現(xiàn)，抑制JAK-STAT信號通路，就可抑制腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移，促進(jìn)其凋亡壞死，從而阻止病人發(fā)生腫瘤惡液質(zhì)，防止腫瘤病人的肌肉減少。這為治療腫瘤惡液質(zhì)提供了方向，且已成為抗癌治療研究的熱點(diǎn)。