穩(wěn)態(tài)磁場與藥物聯用對腫瘤細胞的生物學效應研究進展

張 寧，宋 超，張翔飛，李志元

(1.中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心，合肥 230031；2.中國科學技術大學科學島分院，合肥 230036)

根據磁場強度大小，磁場大體上可分為弱磁場(小于1 mT)、中等強度磁場(1 mT～1 T)、強磁場(1～20 T)和超強磁場(20 T以上)[1]。根據強度是否隨時間變化，磁場又可以分為穩(wěn)態(tài)磁場(又稱靜磁場、穩(wěn)恒磁場，static magnetic field，SMF)和時變磁場(又稱動態(tài)磁場)。其中，穩(wěn)態(tài)磁場在空間上是恒定不變的矢量場，強度和方向不隨時間改變。相較于時變磁場，穩(wěn)態(tài)磁場因變化參數少而更適合用來研究磁場的生物學效應。

惡性腫瘤已成為世界范圍內最重要的公共健康問題之一，目前常用化療和/或手術治療。由于較高劑量的抗腫瘤藥物對正常組織細胞有毒副作用，加之病人在藥物治療后容易出現藥物耐受，如何提高腫瘤細胞對藥物的敏感性成為急待解決的難題。鑒于穩(wěn)態(tài)磁場本身有較好的安全性，穩(wěn)態(tài)磁場與藥物聯合用于腫瘤治療的探究受到了廣泛關注。一方面，穩(wěn)態(tài)磁場單獨使用對多種腫瘤細胞具有一定的抑制作用[2]；另一方面，在特定條件下，穩(wěn)態(tài)磁場與藥物聯用比藥物單獨使用具有更好的腫瘤抑制效應。根據聯用藥物的不同，本文就穩(wěn)態(tài)磁場聯合常用藥物對腫瘤細胞的生物學效應進行總結與分析。

1 SMF與平陽霉素聯用

平陽霉素通過誘導DNA斷裂導致細胞死亡，對多種腫瘤如肺癌等具有良好療效，但長期服用可導致肺纖維化[3]。為降低平陽霉素的毒副作用，賀福長等[4]發(fā)現，SMF與平陽霉素聯用對人細胞MEC-1的抑瘤效應顯著提高，且是單獨使用平陽霉素的2.2倍。韓澤民等[5]發(fā)現，在人舌癌細胞Tca8113裸鼠荷瘤模型中，從腫瘤體積大小、裸鼠體重變化、腫瘤組織病理學和術后復發(fā)等4個方面評價化療效果時，SMF與平陽霉素聯用的化療效果顯著提升，且相對單獨使用平陽霉素組，抑瘤率提高了1倍、體重增長了10%。

由于DNA手性與磁場左右不對稱性的相互作用，磁場可以影響DNA合成[6]，而平陽霉素導致細胞死亡的機制是誘導DNA斷裂[3]。正常的DNA合成與損傷修復過程對腫瘤細胞的生長至關重要，鑒于DNA與磁場或平陽霉素調控細胞命運密切相關，因此，推測磁場增強平陽霉素的腫瘤抑制效應與DNA合成及損傷修復有關。此外，磁場還可能通過影響細胞膜的通透性以提高平陽霉素攝入，進而增強藥物的抗腫瘤效果。表1總結了平陽霉素與SMF聯用的藥效及潛在機理。

2 SMF與順鉑聯用

順鉑通過激活DNA損傷反應進而誘導凋亡，在多種實體腫瘤如睪丸癌、卵巢癌、頭頸癌和結腸癌等中取得較好療效，但是長期用藥會導致耐藥及治療失敗[7]。鑒于此，近年來涌現了SMF調控腫瘤細胞順鉑敏感性的報道，但效果差異較大。一方面，穩(wěn)態(tài)磁場與順鉑聯用能增加腫瘤細胞對順鉑的吸收，而這可能與細胞膜表面空洞增加有關[8]。對人慢性髓系白血病細胞K562，SMF不但可以增加對順鉑的吸收[9]，而且還可以提高順鉑的殺傷效力[10]，這可能與細胞代謝活性降低、DNA損傷及細胞膜破損增強有關。此外，二者聯用還能促進對肝癌細胞Hepa1-6的殺傷以及增加G2/M期滯留[11]，增加人卵巢癌細胞A2780的順鉑攝入及胞內積累、降低耐藥株藥物抗性[12]，降低宮頸癌細胞HeLa的細胞活力及提高對ROS(活性氧)敏感度[13]。另一方面，本課題組發(fā)現1 T SMF不能提高順鉑對乳腺癌細胞MCF7、結腸癌細胞HCT116、宮頸癌細胞HeLa及鼻咽癌細胞CNE2Z等腫瘤細胞的殺傷效果[14]。有趣的是，Vergallo等[15]在研究31.7～232 mT SMF與順鉑聯用對人神經母細胞瘤SH-SY5Y的效應時發(fā)現，聯用2 h降低細胞活力及線粒體數量增加ROS，而聯用24 h會拮抗順鉑毒性。

綜上，由于細胞類型或磁場強度可能會影響穩(wěn)態(tài)磁場與順鉑聯用的效果，因此，需要充分摸索不同磁場強度對不同類型細胞的聯用效果，才能得到全面、可靠的結果。細胞膜上磷酸化的糖蛋白負責將藥物運輸出細胞，是細胞耐藥的成因之一，磁場處理后可以使K562細胞的糖蛋白含量降低[9]，推測可能是磁場增強藥物殺傷效果的原因之一。表1總結了順鉑與SMF聯用的藥效，潛在機理與細胞膜通透性增加、磷酸化糖蛋白表達降低、DNA損傷及ROS敏感性等相關。

3 SMF與阿霉素聯用

阿霉素通過抑制拓撲異構酶Ⅱ的功能導致DNA雙鏈斷裂并產生ROS，對乳腺癌等多種腫瘤具有一定療效，但較高劑量對心臟的毒副作用較大[16]。研究表明，SMF可以降低阿霉素的副作用，因此，使得更高劑量的阿霉素可以用來治療相關疾病。例如，10 mT SMF與阿霉素聯用，能協同降低乳腺癌細胞MCF7的細胞活力與增殖，大大降低阿霉素的殺傷劑量及副作用[17]。此外，二者聯用還可以促進對肝癌細胞Hepa1-6殺傷、阻滯細胞于G1和G2/M期[11]，提高對K562細胞的細胞毒性[18]，顯著降低黑色素瘤B16的細胞活性、增加DNA損傷[19]。類似地，在乳腺癌移植的小鼠中，SMF與阿霉素聯用促進乳腺癌腫瘤消退，顯著提高了化療效果[20]。

盡管穩(wěn)態(tài)磁場可能通過影響細胞膜通透性，從而抑制阿霉素的攝入并促進外排[21]，但這與二者聯用后的效應增強相反。理論預測表明磁場影響細胞膜電位及改變離子通道開/關事件概率[22]，加之磁場與阿霉素都會影響DNA[6,8,16]，因此，二者聯用的機制可能與細胞膜電位、離子通道開/關及DNA有關，但仍需進一步證實。表1總結了阿霉素與SMF聯用的藥效并分析了潛在機理。

4 SMF與5-氟尿嘧啶以及紫杉醇聯用

5-氟尿嘧啶(5-FU)通過抑制胸苷酸合酶的活性來抑制腫瘤細胞DNA合成，通常被用來治療實體瘤如結腸癌、頭頸癌和乳腺癌等[23]，而紫杉醇通過穩(wěn)定有絲分裂微管以抑制有絲分裂進而殺死腫瘤細胞[24]。本課題組發(fā)現在MCF7、HCT116、HeLa及CNE2Z等多種腫瘤細胞中，1 T SMF可提高5-FU、5-FU聯合紫杉醇的抗腫瘤效力[14]。在K562細胞中，SMF可以增加紫杉醇的抗腫瘤效應，降低紫杉醇的起效濃度[19,25]，潛在機制可能與DNA損傷及細胞阻滯等有關。此外，SMF可通過促進腫瘤細胞的微血管通透性，從而提高紫杉醇對倉鼠移植的無黑色素黑色素瘤A-mel-3的抗腫瘤作用[26]。

鑒于紫杉醇與SMF聯用后細胞出現大量的孔洞[8,19]，提示兩者聯用效果增強可能與細胞膜通透性增加進而促進藥物吸收有關；而5-FU與SMF聯用增強效果的潛在機制可能與共同影響腫瘤細胞DNA合成有關[6,14]。表1總結了5-FU/紫杉醇與SMF聯用的藥效，潛在機理涉及DNA損傷和細胞膜表面孔洞增加、干擾有絲分裂紡錘體及抑制腫瘤血管形成。

表1 SMF與藥物聯合的生物學效應

5 SMF與EGFR相關藥物聯用

表皮生長因子受體(EGFR)與雷帕霉素靶蛋白(mTOR)在多種腫瘤中過度活化，是很多腫瘤治療的靶點[27]。本課題組發(fā)現，SMF增強mTOR抑制劑對CNE2Z細胞[28]、EGFR抑制劑對CNE2Z和HCT116細胞[29]的抗腫瘤功效。西妥單抗是EGFR阻斷性受體，常用于EGFR高表達的頭頸癌治療[30]。2018年的一項報道指出，雖然單獨使用SMF或西妥昔單抗都顯著抑制路易斯肺癌細胞LLC-1在小鼠體內生長，但是兩者聯用對腫瘤生長抑制卻無任何改善[31]，提示SMF與西妥昔單抗可能相互拮抗。

由于磁場單獨可以抑制EGFR活化[29]，與磁場聯用能拮抗大分子EGFR靶向抗體的功效[31]，而增加小分子EGFR抑制劑的功效[29]，這表明磁場與藥物聯用的效果除了與磁場參數、藥物種類和細胞類型有關外，可能還與聯用藥物的分子量大小有關。表1總結了EGFR相關藥物與SMF聯用的藥效與潛在機理。

6 SMF與其它藥物聯用

Pacini等[32]指出，SMF消除了低濃度維生素D對MCF7細胞的促增殖效應，提高了高濃度維生素D的抗增殖效應，但對克隆形成并無作用。Tenuzzo等[33]發(fā)現，不同類型的凋亡誘導劑與6 mT SMF聯用呈現細胞類型依賴的應答；除了增加T細胞淋巴瘤3DO凋亡外，都顯著抑制其他原代或腫瘤細胞凋亡。Chen等[34]發(fā)現，SMF能提高辣椒素誘導的肝癌細胞HepG2的線粒體依賴的凋亡，這可能與SMF提高了辣椒素對細胞表面辣椒素受體(TPRV1)通道的結合效率有關。此外，SMF結合羥基喜樹堿在一定的條件下對Hepa1-6細胞有協同抑制效應，主要表現在細胞活性下降、細胞G2/M期被阻滯、細胞形態(tài)受損，但未檢測出細胞DNA損傷[35]，這表明在所采用的藥物濃度和時間下，二者聯用對Hepa1-6細胞的協同抑制效應，可能由細胞增殖周期阻滯引起。表1詳細總結了SMF與藥物聯合的生物學效應并分析了潛在機理。

7 小結

綜上所述，SMF促進多種藥物的抗腫瘤效果，但在個別情況下，兩者聯用并無明顯疊加或協同效應，甚至會出現拮抗效應。SMF與藥物聯用的生物學效應依賴于藥物種類、磁場強度、處理時間和細胞類型。考慮到很多化療藥物需要穿過細胞膜進入細胞內發(fā)揮作用，并且很多藥物作用機制涉及DNA及相關過程，而磁場本身會直接影響DNA合成、增加細胞膜通透性以促進藥物進入細胞、降低磷酸化糖蛋白以抑制藥物運輸到細胞外、單獨或與藥物聯用后導致細胞膜表面空洞增加等，磁場與藥物聯用的效應推測也與DNA合成及藥物進入細胞的能力等因素密切相關。

SMF單獨抑制腫瘤細胞就受到多種因素影響，所以兩者聯合的機制可能有多個方面，更多深層次機制仍然需要被挖掘。揭示SMF與藥物聯用的規(guī)律與機制，不僅能拓展人們對磁生物學機制的認識，還為日后磁場聯合藥物治療的臨床應用提供理論參考。