王碩

天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院胸外科300211

0 引言

肺癌是惡性程度極高的癌癥，根據(jù)2015年中國癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在我國肺癌的發(fā)病率和病死率均居首位[1]。按組織學(xué)類型，肺癌可分為小細(xì)胞肺癌（small cell lung cancer，SCLC）及非小細(xì)胞肺癌（n on-small cell lung cancer，NSCLC），其中 NSCLC 占全部肺癌的80%以上[2]。NSCLC確診時(shí)，患者常處于中晚期，5年生存率偏低。雖然，以手術(shù)治療、放射治療、化學(xué)治療、靶向治療為主的傳統(tǒng)治療，以及其和近年來新興的免疫治療的綜合運(yùn)用延長了部分NSCLC患者的生存期，但仍有部分患者的治療及預(yù)后不佳[3]。

肺是氣體交換的核心器官，眾多肺泡所拓展出的大面積氣體交換平臺與肺臟豐富的血運(yùn)使肺成為氧化應(yīng)激的關(guān)鍵場所[4]。氧化應(yīng)激是指外界及機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）和體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)失衡，體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)無法清除從外界帶來的或由機(jī)體內(nèi)生成的活性氧，從而造成的一系列組織損傷[5]。目前，可吸入顆粒物（PM2.5）及石棉纖維已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)社會環(huán)境中普遍的污染源，外界的ROS和體內(nèi)炎性細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、表皮細(xì)胞為清除污染物所釋放的ROS使抗氧化體系不堪重負(fù)。有研究者分析了PM2.5產(chǎn)生的ROS對大鼠肺泡巨噬細(xì)胞的影響，結(jié)果顯示腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α,TNF-α） 這一促炎因子及核因子E2相關(guān)因子2（n uclear factor E2-related factor，Nrf2），NF-κB 和 MAPK 等信號通路被激活[6]。同時(shí)，有研究結(jié)果表明，PM2.5能誘導(dǎo)NSCLC細(xì)胞上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)換（epithelial-mesenchymal transition，EMT）并形成腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cell，CSC），有利于NSCLC的局部侵襲及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移[7]。此外，一項(xiàng)針對Wistar大鼠的研究結(jié)果表明，肺泡中的巨噬細(xì)胞暴露于石棉纖維下，會產(chǎn)生大量的帶電H2O2離子，激活肺內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)，2個(gè)月的石棉接觸，能使Wistar大鼠肺內(nèi)產(chǎn)生腫塊，且腫塊大小與接觸劑量呈正相關(guān)[8]。

氧化應(yīng)激與NSCLC之間具有互相促進(jìn)和依存的關(guān)系。一方面，氧化應(yīng)激的存在大大提升了基因損傷概率，而肺泡細(xì)胞線粒體DNA損傷，會造成能量供應(yīng)障礙，促進(jìn)了腫瘤血管的生成，抑制了腫瘤免疫微環(huán)境。上述多個(gè)影響逐層累加，促進(jìn)NSCLC發(fā)生。同時(shí)，氧化應(yīng)激所造成的轉(zhuǎn)錄因子及下游細(xì)胞信號通路異常，使NSCLC發(fā)展迅速并變得易于轉(zhuǎn)移[9]。另一方面，NSCLC細(xì)胞通過調(diào)節(jié)抗氧化水平和ROS水平，從而維持氧化應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生在其增殖和生存適宜的水平[10]。

1 氧化應(yīng)激是NSCLC發(fā)生發(fā)展的重要因素

1.1 氧化應(yīng)激損傷線粒體DNA

ROS對線粒體 DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的損傷作用主要體現(xiàn)在兩方面。一是ROS誘導(dǎo)線粒體功能障礙，其中ROS水平升高時(shí)，會使電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）復(fù)合體產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致線粒體膜電位異常并使線粒體膜通透性增加[11]；二是mtDNA相關(guān)的免疫應(yīng)答，即已經(jīng)損傷的mtDNA片段從線粒體中釋放，免疫原性分子可募集各種免疫細(xì)胞（如巨噬細(xì)胞、TLR9陽性T細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞）到受損區(qū)域，引發(fā)炎癥和免疫反應(yīng)[12]。

線粒體在正常細(xì)胞增殖中扮演重要角色，氧化應(yīng)激過程對線粒體的干擾會導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯[13]。氧化應(yīng)激參與了NSCLC中，包括起始期、促進(jìn)期和進(jìn)展期等的所有過程。在起始期，ROS導(dǎo)致mtDNA損傷，主要機(jī)制是基因序列突變和/或DNA結(jié)構(gòu)改變。在促進(jìn)期，ROS可促進(jìn)基因表達(dá)異常，細(xì)胞間正常的信號通信被破壞，第二信使被改變，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖并抑制細(xì)胞凋亡[14]。在進(jìn)展期，氧化應(yīng)激可進(jìn)一步改變受影響的mtDNA[15]。有研究調(diào)查了41名肺癌、膀胱癌和頭頸部腫瘤患者，結(jié)果顯示mtDNA突變頻率比核基因突變高19～220倍，其中超過40%的肺癌患者存在mtDNA突變[16]。這一結(jié)果表明，氧化應(yīng)激導(dǎo)致的mtDNA損傷和突變在肺癌發(fā)生發(fā)展過程中有重要作用，其可能成為肺癌防治的新靶點(diǎn)。

1.2 氧化應(yīng)激促進(jìn)新生血管形成

在NSCLC發(fā)展及癌細(xì)胞擴(kuò)散過程中，新生血管形成起到了重要作用。越來越多的證據(jù)表明，ROS作為信號分子介導(dǎo)了腫瘤新生血管的形成[17]。已證實(shí)，眾多酶系能產(chǎn)生ROS，其中包括環(huán)氧化酶（cyclooxygenase，COX），一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS），煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ni cotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADP H），氧化酶的非吞噬細(xì)胞氧化酶（n onphagocytic cell oxidase，NO X）家族等[18]。血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)，ROS由NOX家族生成，根據(jù)所生成ROS的類型，NOX家族成員可進(jìn)一步被劃分為產(chǎn)生超氧化物的NOX1/2/3/5和產(chǎn)生H2O2的NOX4、DUOX1/2。研究結(jié)果表明，NOX介導(dǎo)的H2O2生成過多，可使血管內(nèi)皮生長因子 (vascular endothelial growth factor，VEGF)及其受體 2（VEGFR-2）被誘導(dǎo)表達(dá)，從而激活基質(zhì)金屬蛋白酶（mat rix metalloproteinase，MM P），氧化應(yīng)激使NOX產(chǎn)生了過量H2O2，促進(jìn)了腫瘤新生血管生成并使腫瘤易于擴(kuò)散[19]。

此外，其他一些和血管生成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和基因也被ROS調(diào)控。例如，低氧誘導(dǎo)因子1（hypox ia inducible factor-1，HIF-1），氧化還原因子 1（redox factor 1，REF-1），核因子 κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）和激活蛋白 1（activa tor protein-1，AP-1）被認(rèn)為是對氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子[20]。ROS誘導(dǎo)的HIF表達(dá)也表明，在內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激對NOX表達(dá)起到了正反饋調(diào)節(jié)作用[21]。

1.3 氧化應(yīng)激使細(xì)胞信號通路異常

表皮生長因子受體（epithelial growth factor receptor，EGFR）屬于人表皮生長因子受體（human EGFR，HER）跨膜受體Tyr激酶家族。EGFR的擴(kuò)增、突變或蛋白過表達(dá)所形成的異常，會導(dǎo)致EGFR介導(dǎo)的信號通路失調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，特別是肺癌的發(fā)生與EGFR密切相關(guān)。目前，EGFRTyr激酶抑制劑(TKIs)已被用于EGFR突變的NSCLC患者的治療[22]。

EGFR與氧化應(yīng)激之間存在關(guān)聯(lián)。H2O2會使人肺癌細(xì)胞中EGFR磷酸化表達(dá)升高[23]。同EGF誘導(dǎo)的EGFR激活不同，H2O2會優(yōu)先誘導(dǎo)EGFR酪氨酸磷酸化，而EGF會同時(shí)觸發(fā)絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）和Tyr受體磷酸化，H2O2抑制Cys依賴的酪氨酸蛋白磷酸酯酶（prote in tyrosine phosphatases，PT Ps）可能是誘導(dǎo)EGFR Tyr磷酸化的重要機(jī)制。EGFR的細(xì)胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域包含6個(gè)半胱氨酸殘基，其中Cys797位于三磷酸腺苷結(jié)合囊內(nèi)，會優(yōu)先成為內(nèi)源性H2O2的靶點(diǎn)。Cys797被氧化后，EGFR激酶活性增加，因此PTPs和/或EGFR中特定殘基的氧化增強(qiáng)了下游信號[24]。

除了增加EGFR Tyr的磷酸化外，H2O2還可作為調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的第二信使[25]。EGF被刺激后，EGFR將激活信號傳遞給下游信號通路，包括Ras/MAPK和PI3K/Akt通路。H2O2可調(diào)節(jié)SRC同源區(qū)2結(jié)構(gòu)域蛋白C（SRC homology domain 2 containing protein，SHC）、生長因子受體結(jié)合蛋白 2（growth factor receptor bound protein 2，Grb2） 和鳥嘌呤核苷酸交換蛋白（so n of sevenless homologue，S OS），形成SHC-Grb2-SOS復(fù)合體，而SHC-Grb2-SOS復(fù)合體與EGFR結(jié)合后會促進(jìn)三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate，GTP）與大鼠肉瘤（rat sarcoma，Ras）蛋白的二磷酸鳥苷（Guanosine diphosphate，GDP）交換，這一途徑對癌癥的發(fā)生和發(fā)展起到了促進(jìn)作用，包括生長、增殖、分化、遷移和抑制凋亡[26]。

PI3K/Akt/mTOR信號通路的變化和NSCLC密切相關(guān)[27]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）的表達(dá)與肺癌相關(guān)的許多基因突變有關(guān)，包括EGFR和鼠類肉瘤病毒癌（Kirsten rat sarcoma，KRAS）基因的激活。EGFR 在肺癌細(xì)胞中表達(dá)突變時(shí)，PI3K及Akt通過轉(zhuǎn)錄、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和激活因子被激活。因此，許多NSCLC組織中檢測出了PI3K下游介質(zhì)，而超過50%的NSCLC組織中，Akt磷酸化水平升高，其與肺癌進(jìn)展相關(guān)[28]。

2 NSCLC調(diào)控ROS濃度及高水平ROS的治療作用

2.1 NSCLC通過激活抗氧化通路控制ROS水平

在NSCLC的發(fā)展階段，過量的ROS蓄積會啟動細(xì)胞凋亡及自噬進(jìn)程，而抗氧化通路的過度激活能使 NSCLC逃脫過量的 ROS損傷[29]。NF-κB及Nrf2等原本具有機(jī)體保護(hù)作用的抑制因子被過度激活，從而使NSCLC逃逸了ROS蓄積所造成的氧化損傷。NF-κB作為轉(zhuǎn)錄因子，在細(xì)胞增殖、存活、調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和藥物治療耐藥性的形成中發(fā)揮重要作用，其是一種已知的氧化應(yīng)激傳感器，可檢測低水平的H2O2[30]。Nrf2是抗氧化途徑重要的調(diào)控因子，其在腫瘤細(xì)胞中被激活，從而增加抗氧化蛋白的產(chǎn)生并維持氧化還原平衡。細(xì)胞核中，Nrf2與堿性亮氨酸拉鏈伴侶（b asicleucinezipper，bZi p）二聚，并與位于Ⅱ期啟動子和抗氧化基因中的抗氧化反應(yīng)元件（anti oxidant reaction eleme nt，ARE）結(jié)合，Nrf2 與ARE結(jié)合后會使包括谷胱甘肽、超氧化物歧化酶（superoxide dismutas e，SOD）及熱休克蛋白在內(nèi)的多種抗氧化酶的水平升高[31]。Nrf2/ARE通路的損傷可導(dǎo)致氧化應(yīng)激、炎癥和線粒體功能障礙，Nrf2可被香煙煙霧、感染、氧化應(yīng)激或炎癥激活，Nrf2通路的過度激活創(chuàng)造了有利于NSCLC細(xì)胞生存的環(huán)境，保護(hù)其免受氧化應(yīng)激的影響[32]。

2.2 高濃度ROS在NSCLC治療中的作用

長期低水平的ROS暴露可促進(jìn)NSCLC的細(xì)胞有絲分裂、細(xì)胞存活、細(xì)胞生長、細(xì)胞增殖和血管生成[33]。腫瘤起始細(xì)胞（tu mor initiatingcells，TICs）在腫瘤對酪氨酸激酶抑制劑（tyrosine kinase inhibitor，TKI）藥物和化療藥物的耐藥方面起著重要作用，藥物外排泵系統(tǒng)在TICs中的過表達(dá)是TICs耐藥的重要機(jī)制。研究結(jié)果表明，低濃度的ROS可誘導(dǎo)藥物外排泵 P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）的上調(diào)，從而使細(xì)胞獲得多重耐藥（multiple drug resistance，MDR）表型；低濃度（1 μmol/L）的 H2O2處理，可使P-gp過度表達(dá)，而高濃度（10μmol/L）的 H2O2處理則會抑制細(xì)胞表達(dá)P-gp。因此，ROS濃度和P-gp介導(dǎo)的腫瘤耐藥性相關(guān)[34]。

在癌細(xì)胞中，細(xì)胞內(nèi)ROS的適度升高可促進(jìn)其生長和增殖；另一方面，高水平的ROS又可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[35]。癌細(xì)胞比非癌癥轉(zhuǎn)化細(xì)胞對升高的細(xì)胞內(nèi)ROS更敏感，因此利用ROS誘導(dǎo)小分子靶向腫瘤治療已被認(rèn)為是一種潛在的治療策略[36]。蓽茇酰胺（Piperlongumine，PL）是從胡椒植物中分離得到的天然生物堿。PL被認(rèn)為是一種有效的潛在抗癌藥物，其通過抑制細(xì)胞中負(fù)責(zé)抑制ROS和氧化應(yīng)激的機(jī)制來提高ROS水平，從而選擇性地殺死癌細(xì)胞。在細(xì)胞中負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的蛋白，如谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶 P1（glu tathione S-transferase P1，GST P1）和羰基還原酶 1（Carbonyl reductases，CBR1）均為 PL 的結(jié)合靶標(biāo)。在體內(nèi)和體外模型實(shí)驗(yàn)中，都證實(shí)PL具有誘導(dǎo)選擇性腫瘤細(xì)胞毒性的特征[37]。

3 結(jié) 語

氧化應(yīng)激與抗氧化系統(tǒng)間的平衡無疑對于癌癥防治具有重要意義。如前文所述，氧化應(yīng)激是NSCLC發(fā)生的重要因素，氧化應(yīng)激造成線粒體功能障礙，從而損傷基因組穩(wěn)定性，并通過激活EGFR及mTOR等細(xì)胞信號通路促進(jìn)NSCLC組織中新生血管的形成，進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤局部侵襲及遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移。高濃度的ROS又體現(xiàn)出了促進(jìn)NSCLC凋亡及自噬的作用。通過高濃度ROS清除腫瘤細(xì)胞是經(jīng)典的順鉑等化療藥物的主要作用機(jī)制之一[38]。癌癥進(jìn)展到晚期時(shí)，ROS蓄積會激活NF-κB及Nrf2等抗氧化轉(zhuǎn)錄因子及下游信號通路，通過對抗氧化通路的過度激活，腫瘤細(xì)胞就獲得了對化療藥物的抗藥性，從而腫瘤微環(huán)境中的ROS被維持在促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移的適宜濃度。

PL這類可促進(jìn)產(chǎn)生ROS的化合物在臨床有廣闊的應(yīng)用前景，其不單可產(chǎn)生腫瘤細(xì)胞毒性，可同時(shí)作為佐劑聯(lián)合其他抗腫瘤治療藥物，提高癌細(xì)胞對治療的敏感性。例如，應(yīng)用光動力治療與能產(chǎn)生ROS的化療藥物相結(jié)合，能顯著提高治療效果且降低了脫靶效應(yīng)[39]。前期的研究成果，引起研究者重點(diǎn)關(guān)注基于ROS的綜合治療，并使其成為目前的研究熱點(diǎn)。雖然，目前臨床上已應(yīng)用諸多治療癌癥的方案，然而降低腫瘤對具有特定作用機(jī)制的藥物的耐藥性，需要不同于傳統(tǒng)治療的新策略。通過抑制內(nèi)源性抗氧化作用來升高細(xì)胞內(nèi)ROS，調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)維持氧化還原穩(wěn)態(tài)的蛋白質(zhì)的功能，在腫瘤治療領(lǐng)域已初步展現(xiàn)出良好的療效[40]。聯(lián)合策略是調(diào)節(jié)耐藥的另一途徑，ROS誘導(dǎo)劑和商業(yè)藥物的聯(lián)合，在選擇性殺傷腫瘤方面顯示了很大的前景。

在腫瘤細(xì)胞/耐藥腫瘤細(xì)胞微環(huán)境中，升高ROS水平可增強(qiáng)氧化應(yīng)激反應(yīng)，增強(qiáng)腫瘤對化療藥物的易損性。降低細(xì)胞內(nèi)ROS是誘導(dǎo)腫瘤耐藥的介導(dǎo)因素，因此腫瘤耐藥這是一個(gè)濃度依賴性現(xiàn)象。需要解決的問題之一就是如何界定ROS水平的低值和高值，從而評估其濃度依賴效應(yīng)對耐藥性的影響，從而將其作為一種治療手段。未來，設(shè)計(jì)利用有機(jī)小分子化合物調(diào)控控制細(xì)胞內(nèi)ROS水平，將有望成為潛在的NSCLC治療方法。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突