鐵過載狀態(tài)下衰老細(xì)胞自發(fā)轉(zhuǎn)化為腫瘤

堐榜琴，任武賢，韓應(yīng)兵，張建國(guó)*

(1山西藥科職業(yè)學(xué)院, 2亞寶藥業(yè)腫瘤研究所, 太原 030031)

衰老與腫瘤是相互對(duì)立的：衰老預(yù)示著生命走向終結(jié)，而腫瘤則是將細(xì)胞有限的生命轉(zhuǎn)化為無限。有人設(shè)想將腫瘤細(xì)胞“永生”的特性用于延長(zhǎng)人的自然壽命，也有人提出用衰老的方式誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡[1]。衰老與腫瘤又是相互依存的：衰老是生命進(jìn)程中的必然，腫瘤則是衰老的自然結(jié)果。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者圣-喬其指出：腫瘤是一種衰老性疾病，假如人活的足夠老，最終都將死于腫瘤[2]。衰老細(xì)胞如何逾越死亡壁壘并最終自然轉(zhuǎn)化為腫瘤細(xì)胞呢？這是一個(gè)令人困惑、至今沒有人能回答了的問題。最近由愛丁堡大學(xué)與德國(guó)衰老生物學(xué)研究所開展的一項(xiàng)大型基因研究發(fā)現(xiàn)，與更長(zhǎng)壽和更健康的生命有關(guān)的幾個(gè)基因組區(qū)域也參與了鐵元素的代謝，表明鐵代謝可能是衰老的關(guān)鍵[3]，無獨(dú)有偶，我國(guó)上海生命科學(xué)院胡榮貴課題組最新研究揭示：鐵過載與多種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)，從機(jī)制上闡明了二者的相關(guān)性[4]。本課題組將衰老與腫瘤同時(shí)放在一個(gè)鐵離子濃度不斷升高的體系中，用已經(jīng)掌握的知識(shí)初步推演出衰老與腫瘤在鐵過載狀態(tài)下的演變過程，即衰老的過程是細(xì)胞內(nèi)自由三價(jià)鐵離子濃度由低到高不斷推動(dòng)和加快自由基反應(yīng)速率的過程；腫瘤的形成則是以鐵離子濃度超過閾值上限，并開始將衰老細(xì)胞中的超氧陰離子自由基轉(zhuǎn)化成氧氣為轉(zhuǎn)折點(diǎn)的。腫瘤是衰老的自然結(jié)果。

1 鐵過載是衰老發(fā)生的生化基礎(chǔ)

自從1956年Harman D提出衰老的自由基理論后，人們對(duì)自由基與DNA、脂類和蛋白質(zhì)的反應(yīng)作了大量研究，各種研究資料支持氧化損傷累積是衰老過程的直接原因[5,6]。自由基在生命體系中無處不在，盡管生物體內(nèi)建立了歧化酶等一系列防御體系，但自由基是生命所必須的，對(duì)細(xì)胞的分化增殖起信使介質(zhì)作用[7]，因此自由基在細(xì)胞內(nèi)必須保持穩(wěn)定的閾值濃度，這就使得氧化損傷成為不可避免，衰老也就是一種必然。氧在細(xì)胞中不可能像體外那樣一次性接受兩個(gè)電子，細(xì)胞中的氧化反應(yīng)總是從氧接受一個(gè)電子生成超氧陰離子自由基開始的，該自由基正是產(chǎn)生其它活性氧的源頭。超氧陰離子自由基的反應(yīng)活性比較弱，在水溶液中的存活時(shí)間僅為一秒鐘，多數(shù)情況下起還原劑的作用[8]；它具有親水性，不能穿越細(xì)胞膜，因此它的直接破壞作用非常有限；它不具備從DNA、脂類和蛋白質(zhì)中抽提一個(gè)氫，引發(fā)鏈?zhǔn)阶杂苫磻?yīng)的能力，具備這種能力的只有羥基自由基（·OH）[9]。羥基自由基是超氧陰離子自由基在自由鐵離子催化下，通過Haber-weiss反應(yīng)生成的，鐵還能催化脂氫過氧化物均裂，產(chǎn)生更多的活性氧[8]。羥基自由基在體內(nèi)沒有特異性的清除機(jī)制，只能通過多種措施限制鐵離子的釋放[10]。因此，自由鐵離子濃度高低，決定著羥基自由基生成速率[11]，自然也就決定著衰老的進(jìn)程。長(zhǎng)期以來，人們沒有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，把自由基帶來的損傷，全部歸結(jié)于超氧陰離子自由基。

在細(xì)胞鐵的代謝庫(kù)中，除有鐵蛋白外，還有檸檬酸、ATP、DTP、GTP和磷脂等鐵的絡(luò)合物，這些屬于低分子量的非蛋白絡(luò)合鐵，具有自由鐵的性質(zhì)，能夠催化Haber-weiss反應(yīng)，也被稱為流動(dòng)性的自由鐵[12]。轉(zhuǎn)鐵蛋白將三價(jià)鐵離子從血液中運(yùn)送至細(xì)胞后，首先形成了非蛋白絡(luò)合鐵[13]，非蛋白絡(luò)合鐵又激活鐵蛋白基因生成脫鐵鐵蛋白[14]，脫鐵鐵蛋白絡(luò)合鐵的能力遠(yuǎn)比非蛋白絡(luò)合鐵強(qiáng)，反過來從非蛋白絡(luò)合鐵中爭(zhēng)奪鐵，最終達(dá)到平衡狀態(tài)[13]。鐵是人體內(nèi)重要的金屬元素，功能性的鐵屬于二價(jià)鐵，鐵過載是針對(duì)三價(jià)鐵而言，主要包括儲(chǔ)存鐵、轉(zhuǎn)運(yùn)鐵、非蛋白絡(luò)合鐵等。鐵在體內(nèi)沒有明顯的排出機(jī)制，而且可以反復(fù)利用，因此隨著年齡的增長(zhǎng)，細(xì)胞內(nèi)的儲(chǔ)存鐵會(huì)越來越多，這是一種普遍現(xiàn)象。

2 鐵引發(fā)自由基反應(yīng)具有兩重性

細(xì)胞內(nèi)存在生理濃度的超氧陰離子自由基是鐵離子誘發(fā)自由基反應(yīng)的生化基礎(chǔ)，但鐵離子對(duì)超氧陰離子的作用存在兩重性：當(dāng)鐵離子濃度處在閾值范圍時(shí)，濃度越高，誘發(fā)自由基反應(yīng)能力就越強(qiáng)，衰老進(jìn)程就越快。因此，衰老的過程，就是鐵離子濃度不斷升高的過程；當(dāng)鐵離子濃度超過閾值上限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生完全相反的結(jié)果，就會(huì)發(fā)生從量變到質(zhì)變的現(xiàn)象，因?yàn)楦邼舛鹊娜齼r(jià)鐵離子能把超氧陰離子自由基直接轉(zhuǎn)化為氧氣，F(xiàn)e3++O2·→Fe2++O2，這樣使得細(xì)胞中的超氧陰離子自由基濃度會(huì)低于生理濃度，這時(shí)，細(xì)胞的性質(zhì)發(fā)生了根本性的改變，從氧化過剩轉(zhuǎn)化為氧化停滯，衰老進(jìn)程停止，出現(xiàn)無氧的原始生命狀態(tài)，即只增值不分化的“α”態(tài)，細(xì)胞完全處于化學(xué)還原狀態(tài)，如：谷胱甘肽等還原性物質(zhì)占主導(dǎo)地位[15]，這是細(xì)胞從衰老轉(zhuǎn)化為腫瘤的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

在許多腫瘤組織中測(cè)不到歧化酶（SOD）的活性[7]，有人推測(cè)其原因，是超氧陰離子自由基過多造成的。其實(shí)相反，腫瘤細(xì)胞中歧化酶的活性就應(yīng)該是低的，因?yàn)槠缁傅幕虮磉_(dá)是受超氧陰離子自由基調(diào)控的，這是進(jìn)化的本能[7]。腫瘤細(xì)胞中超氧陰離子自由基低于生理濃度，歧化酶的生成量必然就會(huì)減少，只有在腫瘤形成的初期，歧化酶的活性才是較高的。腫瘤一旦形成，細(xì)胞中的超氧陰離子自由基的濃度一定低于生理濃度，而自由鐵離子濃度一定是高于閾值濃度上限。已知的慢性肉芽腫（CGD）是一種遺傳病，已證明各種吞噬細(xì)胞均缺乏產(chǎn)生超氧陰離子自由基的能力[16]；實(shí)驗(yàn)又證實(shí)，腫瘤細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體明顯增多，對(duì)鐵的需求量明顯增加[17]。人體內(nèi)各組織細(xì)胞的含鐵量是不同的，對(duì)鐵的反應(yīng)度差別很大[18]，如心臟細(xì)胞、胰島β細(xì)胞、腦細(xì)胞等，對(duì)鐵非常敏感，鐵過載對(duì)其造成的損害更大，因此，死亡往往源于這些組織的衰老，但發(fā)生腫瘤的機(jī)會(huì)也相對(duì)較少。

3 超氧陰離子自由基缺失是腫瘤發(fā)生的生化基礎(chǔ)

圣-喬其曾指出：生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)屬于半導(dǎo)體，或者說結(jié)構(gòu)蛋白是通過自由基聯(lián)系在一起的[2]。他將牛的正常肝組織與肝癌組織中的結(jié)構(gòu)蛋白分別抽提出來，并進(jìn)行特殊溶解，結(jié)果正常肝組織結(jié)構(gòu)蛋白溶液顯棕色，肝癌組織結(jié)構(gòu)蛋白呈無色，從而證實(shí)了肝癌組織中缺失了自由電子。細(xì)胞在氧化反應(yīng)過程中通過線粒體、微粒體、漿膜和胞漿等酶系和非酶系統(tǒng)，產(chǎn)生大量的超氧陰離子自由基[19]，這些自由基絕不是只產(chǎn)生副作用，它是細(xì)胞間、組織間相互聯(lián)系的紐帶。細(xì)胞中超氧陰離子自由基濃度低于生理濃度時(shí)，細(xì)胞之間的聯(lián)系就會(huì)減弱甚至消失，接觸抑制也就失去了作用，正常的免疫識(shí)別也會(huì)受到影響，腫瘤的特征開始顯露出來。

超氧陰離子自由基濃度低于生理濃度時(shí)，細(xì)胞色素氧化酶的作用就會(huì)減弱，氧作為最終電子受體的功能也會(huì)受阻，這是因?yàn)槌蹶庪x子自由基的生成反應(yīng)為自動(dòng)催化反應(yīng)。在細(xì)胞中許多重要的反應(yīng)屬于自動(dòng)催化反應(yīng)，如：生物分子核酸和蛋白質(zhì)中的D-糖和L-氨基酸的生成反應(yīng)，就屬于不對(duì)稱性自動(dòng)催化反應(yīng)，這是生命有機(jī)體重要的特征[20]；細(xì)胞如果丟失某種多糖，就永遠(yuǎn)不能再合成這種多糖，盡管合成這種多糖的基因和酶都正常，而且在以后世代中會(huì)出現(xiàn)一種永久性分化形式[21，22]；二氧化碳的生成有一個(gè)奇特的現(xiàn)象，就是細(xì)胞中一定要有一個(gè)最低預(yù)存濃度的二氧化碳，否則氧化反應(yīng)不能正常進(jìn)行，如，急性高原病，雖然起因是缺氧，但主要原因是二氧化碳不足造成的[23]；細(xì)胞色素氧化酶發(fā)揮作用最關(guān)鍵的一步，是先將氧氣轉(zhuǎn)化為超氧陰離子自由基，這一步反應(yīng)速率決定著整個(gè)氧化反應(yīng)的速率，進(jìn)化選擇了超氧陰離子自由基存在一個(gè)穩(wěn)定的生理濃度，這就為該反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)，如同多糖合成和二氧化碳產(chǎn)生一樣，該反應(yīng)是一種自動(dòng)催化反應(yīng)。如果超氧陰離子自由基低于生理濃度，自動(dòng)催化能力減弱，即便是氧供應(yīng)充足，細(xì)胞也不能得到足夠的能量，“有氧酵解”開始占主導(dǎo)地位，這就是著名的Warburg效應(yīng)，也是腫瘤細(xì)胞最顯著的特征之一[24，25]。

4 延緩衰老與腫瘤治療

延緩衰老最直接的辦法就是降低細(xì)胞內(nèi)自由三價(jià)鐵離子的濃度，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。目前，臨床上唯一的一線去鐵藥是地拉羅斯，它主要適應(yīng)于長(zhǎng)期輸血患者，作用的靶點(diǎn)是血清鐵蛋白，但血清鐵蛋白中的鐵是沒有活性的，它不會(huì)對(duì)細(xì)胞造成任何傷害，相反它是一種抗氧化劑，臨床所期望的除鐵劑是能夠進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)，而且能夠奪得非蛋白絡(luò)合鐵中的鐵，還要求副作用小。已經(jīng)對(duì)300多種化合物進(jìn)行了篩選，還沒有發(fā)現(xiàn)一種化合物能同時(shí)能滿足這三個(gè)條件，這也是20多年來在除鐵方面沒有新突破的主要原因。

去鐵與補(bǔ)充超氧陰離子自由基相結(jié)合是治療腫瘤的一種新方法，這種方法與目前臨床上的化療有相似之處，但又不完全相同?；熕幬锎蠖鄶?shù)是通過產(chǎn)生超氧陰離子自由基而發(fā)揮作用的[8]，但是，腫瘤患者正常細(xì)胞中的鐵離子濃度較高，當(dāng)然腫瘤細(xì)胞中的鐵離子濃度更高，化療藥物產(chǎn)生的超氧陰離子自由基，在高濃度鐵的催化下，產(chǎn)生爆發(fā)性自由基反應(yīng)，直接將細(xì)胞殺死，雖然對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷力更強(qiáng)，但對(duì)正常細(xì)胞造成的破壞也是讓人難以接受的，因此，化療前必須進(jìn)行有效的除鐵，否則，產(chǎn)生的毒副作用就難以避免，更重要的是通過除鐵后治療目標(biāo)發(fā)生了根本性改變，純粹的化療是以殺死腫瘤細(xì)胞為目標(biāo)，而除鐵后的化療，是以誘導(dǎo)癌細(xì)胞分化為目標(biāo)。日本科學(xué)家坂井田功嘗試用去鐵胺治療晚期肝癌患者，在臨床上獲得了顯著的療效[26]?？梢?，先除鐵，之后再做小劑量化療，將是今后臨床上治療腫瘤的方向。