腫瘤細胞線粒體靶向治療機制及藥物研究進展

朱紫衣，劉晨霞，江忠勇，常 凱

(1.簡陽市人民醫(yī)院實驗醫(yī)學科，四川 簡陽 641400；2.西南醫(yī)科大學臨床醫(yī)學院，四川 瀘州 646000；3.西部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院檢驗科，四川 成都 610083)

腫瘤是在基因組、表觀基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝水平上發(fā)生多種改變的一種復(fù)雜疾病。轉(zhuǎn)移是全球腫瘤死亡的第一大原因，越來越多的證據(jù)表明線粒體代謝改變可以驅(qū)動腫瘤的發(fā)生，線粒體功能異常與惡性腫瘤進展和轉(zhuǎn)移相關(guān)[1]。與正常細胞相比，腫瘤細胞線粒體動力學發(fā)生改變，糖酵解增強，活性氧(ROS)水平增加，線粒體DNA(mtDNA)發(fā)生突變等，這些改變有助于腫瘤細胞侵襲和轉(zhuǎn)移[2]。理解腫瘤細胞線粒體特點及其對腫瘤轉(zhuǎn)移擴散、抗藥、惡性增殖的作用價值有助于我們針對線粒體的調(diào)控過程及相關(guān)靶點提供更有價值的治療策略。

1 腫瘤細胞線粒體特點及其對腫瘤轉(zhuǎn)移的作用價值

1.1 線粒體代謝改變與腫瘤轉(zhuǎn)移 代謝活動改變是腫瘤特征之一。為滿足癌細胞快速生長和增殖，在氧濃度不受限制的條件下，葡萄糖攝取水平升高，糖酵解速度加快。多種類型腫瘤均發(fā)現(xiàn)有氧糖酵解增強，而糖酵解增強與不良臨床結(jié)局相關(guān)[3]。越來越多的研究證明腫瘤細胞遷移與支持轉(zhuǎn)移擴散的線粒體顯著代謝改變有關(guān)。腫瘤細胞線粒體發(fā)生酶突變導(dǎo)致酶功能喪失，促進低氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)的穩(wěn)定，并誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)位至細胞核，導(dǎo)致能量代謝由氧化向糖酵解轉(zhuǎn)變[4]。同時，參與三羧酸循環(huán)(TCA)的琥珀酸脫氫酶(SDH)受到抑制，導(dǎo)致線粒體和胞質(zhì)琥珀酸水平增加。代謝物琥珀酸的積累也可促進HIF-1的穩(wěn)定，誘導(dǎo)包括己糖激酶、二磷酸果糖酶、丙酮酸激酶等一系列基因的表達來調(diào)節(jié)糖酵解代謝。糖酵解通過各種途徑參與腫瘤擴散轉(zhuǎn)移的不同階段，如不同腫瘤被檢測到糖酵解基因的激活，在乳腺癌、胰腺癌、神經(jīng)母細胞瘤患者中，己糖激酶的胚胎亞型己糖激酶2(HK2)的表達與腫瘤復(fù)發(fā)風險增加和不良臨床結(jié)局相關(guān)；丙酮酸激酶同工酶M2(PKM2)作為糖酵解最終限速步驟的關(guān)鍵酶，可誘導(dǎo)不同類型腫瘤的侵襲表型和促進轉(zhuǎn)移，該酶還作為HIF-1a的轉(zhuǎn)錄共激活因子進一步促進糖酵解，誘導(dǎo)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)[5]。糖酵解途徑的激活還與轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)誘導(dǎo)的EMT、線粒體功能之間存在關(guān)系，研究[6]表明前列腺癌細胞在經(jīng)歷EMT并獲得間充質(zhì)特征時比上皮細胞表現(xiàn)出更高的糖酵解活性，高糖酵解率與細胞骨架重排和細胞遷移增加有關(guān)，而反過來抑制糖酵解可抑制前列腺癌細胞的遷移特性。

1.2 線粒體ROS水平增加與腫瘤轉(zhuǎn)移 線粒體是細胞ROS產(chǎn)生的主要來源，復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ是其產(chǎn)生的主要位點。研究[7]表明，與正常細胞相比，腫瘤細胞ROS水平明顯更高，ROS水平增加有助于腫瘤啟動，促進腫瘤發(fā)生與發(fā)展所必需的生化和分子變化，以及增加腫瘤對化療的耐藥性。在氧化應(yīng)激環(huán)境中，非生理水平的ROS可能通過破壞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、mtDNA導(dǎo)致線粒體功能障礙和致癌。相較于核基因組，mtDNA由于靠近ROS產(chǎn)生位點，同時由于缺少內(nèi)含子，DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)能力有限，因此ROS產(chǎn)生增加會誘導(dǎo)mtDNA損傷[8]。Woo等[9]發(fā)現(xiàn)，ROS相關(guān)的mtDNA不穩(wěn)定性增加了小鼠小腸腫瘤的數(shù)量和腫瘤生長。ROS水平升高還可促進腫瘤細胞增殖和遷移，并激活與細胞存活相關(guān)的不同信號通路，促進腫瘤生長和惡性轉(zhuǎn)化[10]。此外，ROS增加可能參與了細胞骨架重塑，激活與轉(zhuǎn)移性擴散和侵襲相關(guān)的不同過程[11]。研究[12]發(fā)現(xiàn)，動態(tài)的肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)由氮氧化物(NOX)的上游調(diào)節(jié)器Rac控制，這意味著ROS可能參與了肌動蛋白細胞骨架的調(diào)控。EMT作為腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移的重要環(huán)節(jié)，升高的ROS可以激活不同途徑，誘導(dǎo)EMT相關(guān)的形態(tài)學改變。例如，ROS生成增加刺激胰腺癌細胞，核因子κB(NF-κB)信號通路被激活，細胞侵襲性增加，而使用抗氧化劑可以抑制EMT和細胞的侵襲性[13]。總之，ROS的積累可通過影響細胞骨架重構(gòu)、細胞外基質(zhì)(ECM)降解和信號通路激活等不同機制影響腫瘤細胞的遷移和轉(zhuǎn)移。

1.3 mtDNA突變與腫瘤轉(zhuǎn)移 人類mtDNA包含一個16.6 kb的編碼37個基因的環(huán)狀基因組，對參與電子傳遞和氧化磷酸化的蛋白產(chǎn)生至關(guān)重要。對腫瘤mtDNA的檢測發(fā)現(xiàn)，mtDNA在多種腫瘤如結(jié)腸癌、乳腺癌、肝癌、肺癌中均有體細胞突變發(fā)生，同時mtDNA拷貝數(shù)的變化與腫瘤類型有關(guān)[5]。在乳腺癌、肝癌(HCC)、非小細胞肺癌(NSCLC)和胃癌中檢測到mtDNA拷貝數(shù)減少[14]，而Sun等[15]在前列腺癌、頭頸癌和結(jié)直腸癌中發(fā)現(xiàn)mtDNA拷貝數(shù)增加。mtDNA突變和拷貝數(shù)的變化可能與腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移特性、EMT、侵襲性有關(guān)。復(fù)合物Ⅰ的mtDNA突變是腫瘤常見突變，不同程度的mtDNA突變可能影響復(fù)合物Ⅰ的活性。對小鼠的研究顯示，MT-ND6基因突變使得呼吸復(fù)合物Ⅰ活性缺乏，ROS過量產(chǎn)生，導(dǎo)致腫瘤細胞具有高轉(zhuǎn)移潛力；而對高轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞進行預(yù)處理以清除ROS后，腫瘤細胞在小鼠體內(nèi)的轉(zhuǎn)移潛能得到抑制，這些結(jié)果表明mtDNA突變可以通過增強腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移潛力促進腫瘤進展[16]。mtDNA突變也與癌細胞的EMT有關(guān)，EMT可以在mtDNA缺失的細胞中被誘導(dǎo)。在mtDNA缺失過程中，腫瘤細胞失去上皮特征，TGF-β激活Raf/MAPK信號通路，刺激細胞侵襲性，誘導(dǎo)EMT發(fā)生，腫瘤細胞進而獲得間質(zhì)表型[17]。在甲狀腺癌細胞中的研究[18]顯示，mtDNA有助于腫瘤細胞獲得侵襲性表型，導(dǎo)致其發(fā)生生物能量危機。此外，mtDNA的突變加劇ROS的產(chǎn)生，促進氧化應(yīng)激，從而促進更多mtDNA發(fā)生突變，形成惡性循環(huán)，加速腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[19]。不僅如此，mtDNA突變甚至會影響臨床治療進程，如MT-ND4突變會導(dǎo)致放療或紫杉醇和卡鉑化療產(chǎn)生耐藥性[20]。值得注意的是，盡管大多數(shù)證據(jù)支持mtDNA突變在腫瘤發(fā)生與發(fā)展中的作用，但也有少數(shù)研究令人意外。一項對21例結(jié)直腸癌患者癌組織和鄰近健康組織mtDNA的隨機點突變分析[21]顯示，與鄰近健康組織相比，結(jié)直腸癌腫瘤mtDNA突變的頻率降低，這項研究提示在腫瘤發(fā)育過程中并不是所有的mtDNA突變都有助于腫瘤發(fā)育，有些可能抑制腫瘤生長。由于mtDNA突變性質(zhì)、突變比例、突變對呼吸鏈的影響以及突變mtDNA與細胞質(zhì)信號通路的相互作用不同，mtDNA突變對于腫瘤的生物學影響可能會有所不同[22]。

2 腫瘤細胞線粒體靶向作用機制及藥物

2.1 靶向線粒體代謝 葡萄糖是腫瘤進展的主要參與者之一，是腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移的啟動子。糖酵解快速產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)，為腫瘤細胞增殖提供充足的能量。腫瘤細胞在有氧或缺氧條件下，糖酵解活性增強，線粒體呼吸減少。因此，逆轉(zhuǎn)腫瘤細胞的高糖酵解狀態(tài)以誘導(dǎo)細胞死亡是一種可能的治療方法。逆轉(zhuǎn)腫瘤細胞的高糖酵解狀態(tài)的第一個嘗試是阻止腫瘤細胞攝取葡萄糖。雙羥基苯甲酸化合物WZB117是一種不可逆的阻斷葡萄糖轉(zhuǎn)運的快速阻斷劑，能夠阻斷葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1(GLUT1)活性，減少細胞內(nèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運，降低腫瘤內(nèi)糖酵解代謝[23]。體內(nèi)外研究[24]表明，WZB117和紫杉醇或順鉑聯(lián)合治療可以發(fā)揮協(xié)同抗腫瘤作用。某些腫瘤細胞鈉-葡萄糖轉(zhuǎn)運體2(SGLT2)水平明顯增高，采用FDA批準的小分子抑制劑gliflozin靶向SGLT2降低血糖水平，可以降低肺腺癌小鼠模型腫瘤的生長，延長生存時間[25]。另一個藥物二氯乙酸(DCA)通過抑制丙酮酸脫氫酶激酶將癌細胞的高糖酵解狀態(tài)恢復(fù)到正常的葡萄糖氧化代謝狀態(tài)，使腫瘤細胞對凋亡信號更加敏感，損害其增殖能力[26]。另一種嘗試考慮減少ATP的發(fā)生，如服用二甲雙胍。流行病學研究[27]表明，用二甲雙胍控制血糖水平的2型糖尿病患者患腫瘤的風險降低。既往研究[28]也顯示患有腫瘤后開始服用二甲雙胍來控制血糖的患者存活率更高。二甲雙胍抗腫瘤的機制可能與全身葡萄糖和胰島素水平降低有關(guān)。胰島素是一種已知的腫瘤有絲分裂素，胰島素和胰島素樣生長因子(IGFs)水平降低可抑制促腫瘤的磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信號通路。二甲雙胍抗腫瘤的另一種機制可能是其作為線粒體電子轉(zhuǎn)移鏈復(fù)合物Ⅰ抑制劑和磷酸腺苷(AMP)活化蛋白激酶激活劑直接減少了ATP的產(chǎn)生[29]。Wheaton等[30]研究表明，二甲雙胍通過抑制線粒體復(fù)合物Ⅰ發(fā)揮其體內(nèi)抗腫瘤作用。使用患者樣本對二甲雙胍在卵巢癌中的作用機制進行的綜合代謝組學分析[31]證實，二甲雙胍的主要抗腫瘤作用是由靶向腫瘤細胞內(nèi)固有線粒體代謝驅(qū)動的。葡萄糖類似物2-DG可與葡萄糖競爭結(jié)合己糖激酶，增加氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)自噬，增加細胞凋亡，從而降低腫瘤細胞的生長[32]。然而，2-DG對不同類型腫瘤的治療效果有限，研究[33]發(fā)現(xiàn)2-DG聯(lián)合二甲雙胍治療腫瘤可以顯著減少ATP存儲量，抑制細胞增殖信號通路的激活，減少單一藥物高劑量治療的不良反應(yīng)。

2.2 靶向ROS 腫瘤線粒體ROS過量產(chǎn)生是其重要特點之一。線粒體代謝加速導(dǎo)致ROS積累過多，而ROS的不斷積累又加速腫瘤細胞的惡性轉(zhuǎn)化，加之ROS在EMT進程中扮演重要角色，因此通過調(diào)節(jié)ROS水平進行抗腫瘤治療是很有前景的?，F(xiàn)有研究證實抗氧化劑如N-乙酰半胱氨酸(NAC)、二亞苯基碘(DPI)、維生素C、依布硒啉和巰丙酰甘氨酸(MPG)都可在體外延緩EMT進展。NAC是非常重要的抗氧化劑之一，已被證明可以通過抑制線粒體來源的ROS來抑制小鼠肺癌細胞的自發(fā)轉(zhuǎn)移[34]。許多天然抗氧化劑也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可以抑制腫瘤轉(zhuǎn)移，如芹黃素可以通過抑制NF-κB/Snail級聯(lián)信號通路，進而抑制EMT，達到減低肝癌細胞遷移能力的目的[35]。除抑制ROS進行抗腫瘤以外，促進腫瘤細胞發(fā)生氧化應(yīng)激，超過細胞自身的抗氧化能力，使ROS產(chǎn)生過量，達到誘導(dǎo)細胞周期阻滯和細胞凋亡的閾值，也是靶向ROS抗腫瘤的研究方向之一[36]。STA-4783是一種靶向腫瘤細胞ROS水平的藥物，其通過抑制電子傳輸通量和增強ROS的產(chǎn)生誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化和正常細胞發(fā)生氧化應(yīng)激，進一步升高腫瘤細胞ROS水平，誘導(dǎo)對腫瘤細胞的細胞毒性，促進細胞凋亡。研究[37]顯示，STA-4783聯(lián)合紫杉醇與單用紫杉醇相比，轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者中位無進展生存期增加了1倍。目前正在研究的可選擇性誘導(dǎo)線粒體氧化應(yīng)激的特定分子苯基乙基異硫氰酸酯(PEITC)主要通過靶向調(diào)節(jié)線粒體ROS水平發(fā)揮抗腫瘤作用。Xiao等[38]研究發(fā)現(xiàn)，PEITC通過抑制復(fù)合物Ⅲ活性引起ROS增加，激活凋亡相關(guān)蛋白Bax、半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)，誘導(dǎo)細胞凋亡，最終促進人前列腺癌細胞死亡。Chan等[39]研究表明，PEITC可以通過促進ROS產(chǎn)生來誘導(dǎo)卵巢癌細胞凋亡，PEITC與二甲雙胍聯(lián)合應(yīng)用不僅能減緩腫瘤細胞生長，還可以促進凋亡，重要的是聯(lián)合應(yīng)用兩種藥物對順鉑耐藥細胞系仍有效。

2.3 靶向mtDNA 如前所述，由于mtDNA發(fā)生突變，線粒體出現(xiàn)功能障礙，因此糾正mtDNA突變被認為是恢復(fù)線粒體功能的有效策略。研究[40-41]發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)mtDNA修復(fù)酶8-羥基鳥嘌呤DNA糖苷酶(OGG1)水平可以有效延緩mtDNA突變誘導(dǎo)的乳腺癌細胞的進展和轉(zhuǎn)移；而過表達DNA連接酶Ⅲ可以有效改善堿基切除修復(fù)過程，修復(fù)mtDNA損傷，增加細胞存活，減少細胞自噬，進而保護細胞抵抗氧化應(yīng)激。

3 結(jié) 語

線粒體代謝在腫瘤發(fā)展進程中是非常復(fù)雜和嚴格調(diào)控的，腫瘤細胞利用線粒體功能障礙來促進自身的發(fā)生與發(fā)展。對于腫瘤治療，一個很重要的問題是如何使治療藥物靶向腫瘤細胞，盡可能減少對周圍正常細胞的損害。目前許多抗腫瘤藥物都缺少靶向性，對健康細胞的損害不亞于腫瘤細胞，而選擇性給藥到線粒體有助于增加這些藥物的特異性和降低毒性。然而，基于線粒體在能量代謝、細胞凋亡調(diào)節(jié)和細胞信號傳導(dǎo)中的多方面功能[42]，在沒有潛在毒性問題的情況下實現(xiàn)線粒體定位是腫瘤靶向線粒體治療的一大挑戰(zhàn)。同時，鑒于線粒體疾病與大腦、心血管和內(nèi)分泌系統(tǒng)等多種不同組織有關(guān)，組織特異性傳遞是另一個有待解決的重要挑戰(zhàn)[43]。因此，為了充分利用線粒體靶向劑的治療潛力，必須設(shè)計出允許在選定細胞群中特別調(diào)節(jié)線粒體功能的精細策略。而要實現(xiàn)這一目標，還需要進行大量的臨床前和臨床工作。