滲透壓失控可能致癌

張 豐，蔣潤民，王 賀，劉振儒，薛鑫淼，張 涵，張澤宇（空軍軍醫(yī)大學(xué)：西京醫(yī)院病理科暨基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教研室，學(xué)員六大隊二十三隊，學(xué)員五大隊十八隊，學(xué)員五大隊十九隊，學(xué)員一大隊三隊，陜西 西安 700）

目前已經(jīng)普遍接受癌變是癌基因激活和抑癌基因失活的觀點，現(xiàn)在臨床上主要針對癌基因而不是抑癌基因來治療惡性腫瘤。由于激活突變的癌基因存在很大的異質(zhì)性，因此，個體化治療是目前一個重要趨勢。但是，不是所有的惡性腫瘤都可以應(yīng)用個體化靶向治療藥物，另外，靶向藥物昂貴，因此，臨床依然迫切需求新的經(jīng)濟有效的治療策略。

尋求新的治療方法，需要對癌變機制有新的認知。癌細胞的特點是異常增殖，因此深入理解細胞增殖機制，是理解癌變機制的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的觀點認為生長因子和細胞周期調(diào)節(jié)因子是細胞不斷增殖的啟動因素[1]，在該觀念的指導(dǎo)下，有大量相關(guān)實驗文獻發(fā)表。但是，深入思考后會發(fā)現(xiàn)該理論依然存在問題，比如，細菌的生長不需要生長因子，也沒有明顯的細胞周期調(diào)節(jié)因子[2]，因此細胞增殖機制可能還存在更深層次的解釋。

1 滲透壓是細胞分裂的原動力

細胞結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)常常擾亂我們的研究思路，我們實驗室從細胞膜的物理學(xué)特點出發(fā)，試圖從物理角度理解細胞的分裂機制。細胞膜是脂質(zhì)雙分子層，在水中容易形成直徑約10～30 nm的球狀結(jié)構(gòu)，除此之外，細胞膜還具有半透膜特點，允許水分子和脂類自由通過，但是大分子和離子無法自由通過[3]。由于細胞內(nèi)物質(zhì)摩爾濃度一般大于細胞周圍的物質(zhì)摩爾濃度，因此，細胞內(nèi)的滲透壓一般大于細胞外的滲透壓，比如，細菌、真菌和植物細胞內(nèi)的滲透壓常常達到4～5個大氣壓的壓強[4]。但是，一般認為哺乳動物細胞內(nèi)外滲透壓差別不是很大，因此，人們很少從滲透壓角度理解哺乳動物細胞的分裂機制。但是，一些常見的現(xiàn)象提示我們，哺乳動物細胞內(nèi)外的滲透壓并不天然相等，比如，短時間缺血缺氧，細胞會水腫脹大，稍長時間，細胞會腫脹壞死，因此，哺乳動物細胞內(nèi)外滲透壓的平衡需要耗費能量。事實上有體外實驗表明，細胞產(chǎn)生的能量至少20%用于維持細胞內(nèi)外滲透壓平衡的調(diào)節(jié)[5]。因此，哺乳動物細胞如果不主動調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外滲透壓，就會像肥皂泡一樣很快脹破，只有控制滲透壓，細胞才可能不會腫脹壞死。反過來，既然滲透壓有如此大的力量，如果細胞進化出控制滲透壓升高的分子調(diào)節(jié)機制，那么就有可能利用滲透壓的力量來完成細胞分裂過程，這樣，滲透壓就不再是破壞力，而是細胞分裂的動力。因此我們前期提出了滲透壓是細胞分裂的原動力假說[6]。

2 升高滲透壓，促進細胞分裂

如果認為滲透壓是細胞分裂的原動力，滲透壓至少滿足兩點要求：①促進細胞分裂；②啟動DNA復(fù)制。既然滲透壓可以輕易把細胞類似肥皂泡一樣脹破，就有理由相信細胞分裂的推動力來自滲透壓。早期研究[4,7-8]表明，細菌、真菌和植物細胞在啟動分裂之前，都先體積脹大，而脹大的力量來自滲透壓。最近研究[9-10]發(fā)現(xiàn)，哺乳動物細胞在分裂過程中，體積也首先不斷增大，細胞分裂時形態(tài)變圓，該過程依然依賴滲透壓。雖然不同物種的細胞體積存在大小差異，但是，在相同的環(huán)境下，相同種類的細胞，其體積大小差異不大。是什么因素促使細胞總保持相同的體積大??？由于滲透壓可以推動細胞體積脹大，但是細胞膜的承受能力有限，到達其耐受極限的時候就會脹破，因此，細胞分裂可能只是細胞為了避免脹破，而在脹破之前主動采取的免死方式，這樣，滲透壓增大到細胞膜耐受極限值的時候，就是細胞要開始分裂的時間節(jié)點。相同環(huán)境下，同類細胞耐受滲透壓的極限值接近，因此，這些細胞體積大小類似。類似道理，不同環(huán)境下，不同種類的細胞，耐受滲透壓極限值不同，因此，細胞存在大小差異。綜上所述，滲透壓通過脹大細胞體積而促進細胞分裂，細胞分裂的時間節(jié)點發(fā)生在滲透壓升高接近細胞膜耐受極限的時候。

3 滲透壓升高啟動DNA復(fù)制

不論從理論還是實驗方面分析，DNA復(fù)制和細胞分裂應(yīng)該是兩個獨立事件[11]。事實上，雙核、多核細胞以及減數(shù)分裂的存在，也支持它們之間是兩個獨立事件。但是，很明顯DNA復(fù)制和細胞分裂之間只有建立協(xié)同關(guān)系，細胞才可以產(chǎn)生和進化。除了減數(shù)分裂特例，對于大部分細胞來講，這種協(xié)同關(guān)系是：在細胞分裂之前，DNA要首先完成至少一輪復(fù)制。但是，到底是DNA復(fù)制啟動細胞分裂過程，還是細胞分裂過程啟動了DNA復(fù)制？如果說DNA復(fù)制啟動了細胞分裂，那么細胞在分裂之前DNA復(fù)制應(yīng)該不少于一輪，因此應(yīng)該存在多輪復(fù)制的細胞，但是，至今幾乎所有真核生物細胞，包括真菌、植物和動物細胞，在每次細胞分裂之前，只發(fā)生一輪復(fù)制。雖然在營養(yǎng)豐富的環(huán)境下，細菌細胞在分裂之前可以啟動多輪復(fù)制，但是只有一輪復(fù)制在細胞分裂前完成。因此，細胞分裂過程啟動DNA復(fù)制可能更接近事實。那么，細胞分裂過程又怎樣啟動DNA復(fù)制過程的？可能存在至少兩種機制，一種是化學(xué)信號機制，一種是物理力學(xué)機制。由于滲透壓推動細胞體積脹大，細胞膜在機械壓力牽拉下會釋放化學(xué)應(yīng)激信號，應(yīng)激信號會隨著滲透壓增大而增強，這些化學(xué)信號通過信號通路或者直接與DNA復(fù)制起始位點發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)濃度達到DNA復(fù)制啟動所需要的濃度限值的時候，就啟動DNA復(fù)制，事實上，這方面的實驗證據(jù)已經(jīng)很多[12]。但是，化學(xué)反應(yīng)的特點是隨著反應(yīng)產(chǎn)物的濃度增加，最終進入平臺期，也就是分解與合成達到平衡，稀釋之后，又開始合成反應(yīng)。因此，空間對于化學(xué)反應(yīng)來講，也是一個必要因素。比如，聚合酶鏈式反應(yīng)（polymerase chain reaction，PCR），開始時指數(shù)增加，隨著濃度的增加，PCR到達平臺期，這時很難再增加反應(yīng)的產(chǎn)量。病理情況下，在沒有滲透壓向外的脹力通過細胞骨架對細胞核膜的牽拉，細胞核會因為核膜和核基質(zhì)的收縮而回縮，比如，凋亡和壞死的細胞首先表現(xiàn)為細胞核固縮，最后碎裂溶解。因此，滲透壓在提供DNA發(fā)揮功能所需要的物理空間上起重要作用。不但如此，由于真核細胞的核內(nèi)空間有限，如果沒有多余的空間，DNA可能也無法復(fù)制，因此，滲透壓推動細胞體積脹大的同時，通過細胞骨架牽拉細胞核膜，促進細胞核體積增大，為DNA復(fù)制提供空間，從而有利于DNA的復(fù)制。因此，即使從化學(xué)反應(yīng)角度來看，DNA復(fù)制除了需要一定濃度的起始蛋白，還需要DNA復(fù)制所需要的物理空間。除此之外，研究[13-14]發(fā)現(xiàn)細菌DNA復(fù)制起始位點直接與細胞膜相連，而真核生物DNA復(fù)制起始位點與細胞核骨架或核基質(zhì)相連。由于DNA復(fù)制需要打開DNA雙鏈，因此可能存在這種情況：細胞分裂時體積不斷脹大，直接或間接通過細胞骨架牽拉DNA，從而有助于DNA雙鏈打開，并觸發(fā)DNA復(fù)制。不過，目前雖然沒有滲透壓增大可以直接啟動DNA復(fù)制的證據(jù)，但是大量臨床和實驗表明，物理牽拉可以直接促進細胞分裂，比如皮膚牽拉擴大植皮面積等。因此，滲透壓升高通過細胞骨架的牽拉不但給DNA復(fù)制提供物理空間，也可能直接啟動DNA的復(fù)制。綜上所述，由于滲透壓既可以促進細胞分裂，也可以啟動DNA復(fù)制，因此是細胞分裂的原動力。

4 滲透壓與細胞骨架通過改變細胞形態(tài)調(diào)節(jié)細胞分化

有限空間可以限制DNA復(fù)制，同樣也可能限制RNA的轉(zhuǎn)錄。細胞分化是基因表譜系的改變，雖然已經(jīng)清楚發(fā)育過程中不同類型細胞的產(chǎn)生受信號分子調(diào)節(jié)，而不同細胞表型或基因表達譜系的維持受轉(zhuǎn)錄因子和表觀遺傳修飾控制，但是，物理因素是否影響基因轉(zhuǎn)錄，目前還不清楚。動物細胞種類有上百種，每種細胞的三維幾何形態(tài)不一，形態(tài)的差異提示細胞核在三維立體各個方向受到細胞骨架的牽拉力量不同，導(dǎo)致細胞核的形態(tài)也不一樣[15]。研究表明DNA與核基質(zhì)結(jié)合的部位，基因轉(zhuǎn)錄活躍[16]，因此，不能排除這種情況：滲透壓與細胞骨架協(xié)同調(diào)節(jié)細胞核形態(tài)以及相應(yīng)方向DNA被牽拉狀態(tài)，結(jié)果引起不同方向物理空間大小不一，從而影響不同方向DNA上的基因轉(zhuǎn)錄水平，最終影響細胞分化。如果這樣，發(fā)育過程中細胞

形態(tài)的不斷改變本身在產(chǎn)生和維持細胞類型方面也可能具有重要作用。因此，滲透壓和細胞骨架協(xié)同不但可以改變細胞形態(tài)，也可以間接影響基因轉(zhuǎn)錄和細胞分化。

5 細胞分裂速度同步于滲透壓升高速度

在營養(yǎng)物質(zhì)充足的情況下，滲透壓不斷升高細胞內(nèi)的壓力，細胞為了避免被脹死，開始周期性地分裂，因此，細胞分裂應(yīng)該是一種自然的狀態(tài)。動物細胞體內(nèi)，營養(yǎng)物質(zhì)一般充足，但是為什么細胞分為三類，一類為不穩(wěn)定細胞，總處于分裂狀態(tài)，比如皮膚和腸上皮細胞；第二類為穩(wěn)定細胞，一般不分裂或分裂不明顯，但是在損傷情況下，開始大量分裂，比如肝細胞；第三類為永久性細胞，也就是不論怎樣情況下，都不再分裂，比如心肌細胞和神經(jīng)元。為什么動物細胞不同于細菌、真菌和植物細胞？本文認為這可能源于它們各自采用控制滲透壓的方式不同，后三者都具有細胞壁，也就是靠細胞外的推力來對抗?jié)B透壓，但是，即使細胞壁非常堅固，也不能長時間對抗細胞內(nèi)滲透壓的升高，其結(jié)果只能采取周期性的分裂方式來緩解滲透壓的傷害。動物細胞一般采用三種方式來對抗?jié)B透壓：第一種是細胞骨架，通過細胞內(nèi)細胞骨架的牽拉，對抗細胞內(nèi)外滲透壓差產(chǎn)生的脹力；第二種是鈉鉀泵，鈉鉀泵每次排出3個鈉離子并排入2個鉀離子，降低細胞內(nèi)的離子滲透壓，同時減慢細胞內(nèi)整體滲透壓的升高速度；第三種是細胞之間的相互擠壓，類似薄弱的細胞壁作用。有研究表明不穩(wěn)定細胞膜電位較低（10～30 mV），而穩(wěn)定細胞膜電位中等（40～50 mV），永久性細胞膜電位最高（60～70 mV），膜電位的高低直接反映出鈉鉀泵的功能，也反映對抗?jié)B透壓的耗能情況[17]。上皮細胞一般位于表層，而穩(wěn)定細胞一般位于機體內(nèi)部，因此穩(wěn)定細胞在各個方向受到的接觸壓力會大于上皮細胞，因此，只有上皮細胞處于不斷的分裂狀態(tài)，而穩(wěn)定細胞在生理狀態(tài)下不增殖。在損傷情況下，穩(wěn)定細胞失去接觸擠壓，因此開始分裂。但是，即使在損傷情況下，因為永久性細胞仍然具有很高的鈉鉀泵功能以及強有力的細胞骨架牽拉，仍可以對抗細胞內(nèi)的滲透壓，所以不會分裂。

6 惡性腫瘤是滲透壓調(diào)控機制被不斷破壞的結(jié)果

癌變是一種細胞異常增殖的疾病，由于滲透壓是細胞分裂的原動力，對滲透壓升高速度的控制程度決定細胞的分裂速度，因此，如果對抗?jié)B透壓升高的分子機制發(fā)生損壞，可能因為細胞膜應(yīng)激信號和物理牽拉作用快速增強，不但引起DNA復(fù)制提前啟動，而且導(dǎo)致染色體在沒有完成組裝的情況下發(fā)生分配，從而引起基因組不穩(wěn)定和非整倍體，這樣啟動惡性循環(huán)，細胞開始從良性不斷向惡性腫瘤方向演進。因此，癌變過程其實就是對抗細胞內(nèi)滲透壓升高的分子機制被不斷破壞的結(jié)果，破壞程度越大，對滲透壓升高控制越差，細胞分裂越快，腫瘤的惡性度也越高。事實上，至少有4方面證據(jù)表明腫瘤細胞內(nèi)滲透壓調(diào)控機制被破壞：①腫瘤細胞的膜電位低于正常細胞[16]，而且多方研究表明，腫瘤細胞內(nèi)的鈉濃度高于正常細胞2～5倍[18]，這些均提示腫瘤細胞的鈉鉀泵功能下降。②癌基因Src、Ras以及Rho等蛋白產(chǎn)物可以直接作用于細胞骨架，影響細胞骨架的組裝，直接降低細胞通過細胞骨架對抗?jié)B透壓的能力[19-20]。③有研究表明Rb抑癌蛋白是細胞核內(nèi)DNA復(fù)制起始位點與核基質(zhì)連接蛋白[21]，Rb基因缺失可能降低細胞核基質(zhì)對抗?jié)B透壓通過細胞骨架牽拉細胞核膜的作用，從而提前啟動細胞分裂過程。④大部分腫瘤細胞為非整倍體核型，染色體數(shù)目一般多于正常細胞，非整倍體在同等時間內(nèi)產(chǎn)生更多的RNA和蛋白質(zhì)，因此，在相同的時間內(nèi)，導(dǎo)致腫瘤細胞比正常細胞滲透壓升高速度更快，從而提前啟動細胞分裂和DNA復(fù)制過程[6,22]。最后，由于惡性腫瘤細胞的鈉鉀泵、細胞骨架以及核基質(zhì)改變，引起細胞形態(tài)改變，發(fā)生明顯的組織和細胞形態(tài)異型性，而形態(tài)異常會通過物理力學(xué)機制影響基因轉(zhuǎn)錄和細胞分化，因此惡性腫瘤分化異常。綜上所述，惡性腫瘤是一種細胞內(nèi)對抗?jié)B透壓的分子機制被不斷破壞的結(jié)果。

7 靶向滲透壓分子調(diào)控機制治療惡性腫瘤

青霉素主要通過抑制細胞壁從而借助滲透壓殺死細菌，筆者認為同樣方法也可能用于惡性腫瘤治療。因為腫瘤細胞對抗?jié)B透壓的分子機制已經(jīng)不同程度被破壞，如果短時間進一步抑制腫瘤細胞的滲透壓控制機制，有很大可能特異性殺死腫瘤細胞。事實上，多次抗腫瘤藥物篩選實驗總能篩出鈉鉀泵抑制劑如地高辛等藥物[23-26]，說明利用滲透壓殺死惡性腫瘤細胞存在很大的可能。目前抑制細胞骨架的臨床用藥主要是長春新堿和長春賓塞等，其他細胞骨架比如微絲的抑制劑還沒有用于臨床，因此，應(yīng)該加強針對細胞骨架的藥物研究。最后，我們推測鈉鉀泵和細胞骨架抑制劑可能具有協(xié)同殺死惡性腫瘤細胞的效果。

8 結(jié)語

我們通過對細胞分裂機制的物理學(xué)原理分析，提出滲透壓是細胞分裂的原動力假說，在此基礎(chǔ)上提出癌變是細胞內(nèi)對抗?jié)B透壓的分子調(diào)解機制被不同程度破壞的結(jié)果。以此為基礎(chǔ)，有若干推論：①從細胞膜蛋白的抗體中有可能篩出新的抗腫瘤藥物；②在沒有生長因子的營養(yǎng)物質(zhì)中，低滲可能促進細胞分裂；③低滲促進組織損傷修復(fù)；④細胞周期調(diào)節(jié)因子參與調(diào)控細胞內(nèi)滲透壓調(diào)節(jié)；⑤激素和生長因子等通過升高細胞內(nèi)滲透壓促進細胞增生；⑥細胞骨架交聯(lián)和細胞內(nèi)脂類蓄積導(dǎo)致細胞失去增生能力，發(fā)生衰老；⑦p53、p16和p21等抑癌蛋白可能是細胞核基質(zhì)與DNA復(fù)制起始位點連接蛋白；⑧鈉鉀泵突變失活可能導(dǎo)致癌變；⑨癌基因激動劑可能具有降低腫瘤細胞對抗?jié)B透壓的能力，因此也是抗癌藥物；⑩真核細胞DNA復(fù)制環(huán)（loop）的長度，稍短于在細胞分裂過程中細胞核直徑擴大的絕對長度。上述預(yù)測可以通過實驗來檢驗，從而間接驗證該假說的可靠性。