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(rèn)知。癌細(xì)胞的特點是異常增殖，因此深入理解細(xì)胞增殖機制，是理解癌變機制的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為生長因子和細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子是細(xì)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(xiàn)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(xì)菌的生長不需要生長因子，也沒有明顯的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子[2]，因此細(xì)胞增殖機制可能還存在更深層次的解釋。

1 滲透壓是細(xì)胞分裂的原動力

細(xì)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(xì)胞膜的物理學(xué)特點出發(fā)，試圖從物理角度理解細(xì)胞的分裂機制。細(xì)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(xì)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(xì)胞內(nèi)物質(zhì)摩爾濃度一般大于細(xì)胞周圍的物質(zhì)摩爾濃度，因此，細(xì)胞內(nèi)的滲透壓一般大于細(xì)胞外的滲透壓，比如，細(xì)菌、真菌和植物細(xì)胞內(nèi)的滲透壓常常達(dá)到4～5個大氣壓的壓強[4]。但是，一般認(rèn)為哺乳動物細(xì)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(xì)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(xì)胞內(nèi)外的滲透壓并不天然相等，比如，短時間缺血缺氧，細(xì)胞會水腫脹大，稍長時間，細(xì)胞會腫脹壞死，因此，哺乳動物細(xì)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(xì)胞產(chǎn)生的能量至少20%用于維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡的調(diào)節(jié)[5]。因此，哺乳動物細(xì)胞如果不主動調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)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(xì)胞進(jìn)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(xì)胞分裂過程，這樣，滲透壓就不再是破壞力，而是細(xì)胞分裂的動力。因此我們前期提出了滲透壓是細(xì)胞分裂的原動力假說[6]。

2 升高滲透壓，促進(jìn)細(xì)胞分裂

如果認(rèn)為滲透壓是細(xì)胞分裂的原動力，滲透壓至少滿足兩點要求：①促進(jìn)細(xì)胞分裂；②啟動DNA復(fù)制。既然滲透壓可以輕易把細(xì)胞類似肥皂泡一樣脹破，就有理由相信細(xì)胞分裂的推動力來自滲透壓。早期研究[4,7-8]表明，細(xì)菌、真菌和植物細(xì)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(xì)胞在分裂過程中，體積也首先不斷增大，細(xì)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(xì)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(xì)胞，其體積大小差異不大。是什么因素促使細(xì)胞總保持相同的體積大??？由于滲透壓可以推動細(xì)胞體積脹大，但是細(xì)胞膜的承受能力有限，到達(dá)其耐受極限的時候就會脹破，因此，細(xì)胞分裂可能只是細(xì)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(xì)胞膜耐受極限值的時候，就是細(xì)胞要開始分裂的時間節(jié)點。相同環(huán)境下，同類細(xì)胞耐受滲透壓的極限值接近，因此，這些細(xì)胞體積大小類似。類似道理，不同環(huán)境下，不同種類的細(xì)胞，耐受滲透壓極限值不同，因此，細(xì)胞存在大小差異。綜上所述，滲透壓通過脹大細(xì)胞體積而促進(jìn)細(xì)胞分裂，細(xì)胞分裂的時間節(jié)點發(fā)生在滲透壓升高接近細(xì)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(xì)胞分裂應(yīng)該是兩個獨立事件[11]。事實上，雙核、多核細(xì)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(xì)胞分裂之間只有建立協(xié)同關(guān)系，細(xì)胞才可以產(chǎn)生和進(jìn)化。除了減數(shù)分裂特例，對于大部分細(xì)胞來講，這種協(xié)同關(guān)系是：在細(xì)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(xì)胞分裂過程，還是細(xì)胞分裂過程啟動了DNA復(fù)制？如果說DNA復(fù)制啟動了細(xì)胞分裂，那么細(xì)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(xì)胞，但是，至今幾乎所有真核生物細(xì)胞，包括真菌、植物和動物細(xì)胞，在每次細(xì)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(xì)菌細(xì)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(xì)胞分裂前完成。因此，細(xì)胞分裂過程啟動DNA復(fù)制可能更接近事實。那么，細(xì)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(xì)胞體積脹大，細(xì)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(dá)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(jìn)入平臺期，也就是分解與合成達(dá)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?zhǔn)椒磻?yīng)（polymerase chain reaction，PCR），開始時指數(shù)增加，隨著濃度的增加，PCR到達(dá)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(xì)胞骨架對細(xì)胞核膜的牽拉，細(xì)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(xì)胞首先表現(xiàn)為細(xì)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(xì)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(xì)胞體積脹大的同時，通過細(xì)胞骨架牽拉細(xì)胞核膜，促進(jìn)細(xì)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(xì)菌DNA復(fù)制起始位點直接與細(xì)胞膜相連，而真核生物DNA復(fù)制起始位點與細(xì)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(xì)胞分裂時體積不斷脹大，直接或間接通過細(xì)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(jìn)細(xì)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(xì)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(jìn)細(xì)胞分裂，也可以啟動DNA復(fù)制，因此是細(xì)胞分裂的原動力。

4 滲透壓與細(xì)胞骨架通過改變細(xì)胞形態(tài)調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)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(xì)胞的產(chǎn)生受信號分子調(diào)節(jié)，而不同細(xì)胞表型或基因表達(dá)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(xì)胞種類有上百種，每種細(xì)胞的三維幾何形態(tài)不一，形態(tài)的差異提示細(xì)胞核在三維立體各個方向受到細(xì)胞骨架的牽拉力量不同，導(dǎo)致細(xì)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(xì)胞骨架協(xié)同調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)胞分化。如果這樣，發(fā)育過程中細(xì)胞

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

5 細(xì)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(xì)胞內(nèi)的壓力，細(xì)胞為了避免被脹死，開始周期性地分裂，因此，細(xì)胞分裂應(yīng)該是一種自然的狀態(tài)。動物細(xì)胞體內(nèi)，營養(yǎng)物質(zhì)一般充足，但是為什么細(xì)胞分為三類，一類為不穩(wěn)定細(xì)胞，總處于分裂狀態(tài)，比如皮膚和腸上皮細(xì)胞；第二類為穩(wěn)定細(xì)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(xì)胞；第三類為永久性細(xì)胞，也就是不論怎樣情況下，都不再分裂，比如心肌細(xì)胞和神經(jīng)元。為什么動物細(xì)胞不同于細(xì)菌、真菌和植物細(xì)胞？本文認(rèn)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(xì)胞壁，也就是靠細(xì)胞外的推力來對抗?jié)B透壓，但是，即使細(xì)胞壁非常堅固，也不能長時間對抗細(xì)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(xì)胞一般采用三種方式來對抗?jié)B透壓：第一種是細(xì)胞骨架，通過細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架的牽拉，對抗細(xì)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(xì)胞內(nèi)的離子滲透壓，同時減慢細(xì)胞內(nèi)整體滲透壓的升高速度；第三種是細(xì)胞之間的相互擠壓，類似薄弱的細(xì)胞壁作用。有研究表明不穩(wěn)定細(xì)胞膜電位較低（10～30 mV），而穩(wěn)定細(xì)胞膜電位中等（40～50 mV），永久性細(xì)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(xì)胞一般位于表層，而穩(wěn)定細(xì)胞一般位于機體內(nèi)部，因此穩(wěn)定細(xì)胞在各個方向受到的接觸壓力會大于上皮細(xì)胞，因此，只有上皮細(xì)胞處于不斷的分裂狀態(tài)，而穩(wěn)定細(xì)胞在生理狀態(tài)下不增殖。在損傷情況下，穩(wěn)定細(xì)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(xì)胞仍然具有很高的鈉鉀泵功能以及強有力的細(xì)胞骨架牽拉，仍可以對抗細(xì)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(xì)胞異常增殖的疾病，由于滲透壓是細(xì)胞分裂的原動力，對滲透壓升高速度的控制程度決定細(xì)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(xì)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(xì)胞開始從良性不斷向惡性腫瘤方向演進(jìn)。因此，癌變過程其實就是對抗細(xì)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(xì)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(xì)胞內(nèi)滲透壓調(diào)控機制被破壞：①腫瘤細(xì)胞的膜電位低于正常細(xì)胞[16]，而且多方研究表明，腫瘤細(xì)胞內(nèi)的鈉濃度高于正常細(xì)胞2～5倍[18]，這些均提示腫瘤細(xì)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(xì)胞骨架，影響細(xì)胞骨架的組裝，直接降低細(xì)胞通過細(xì)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(xì)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(xì)胞核基質(zhì)對抗?jié)B透壓通過細(xì)胞骨架牽拉細(xì)胞核膜的作用，從而提前啟動細(xì)胞分裂過程。④大部分腫瘤細(xì)胞為非整倍體核型，染色體數(shù)目一般多于正常細(xì)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(xì)胞比正常細(xì)胞滲透壓升高速度更快，從而提前啟動細(xì)胞分裂和DNA復(fù)制過程[6,22]。最后，由于惡性腫瘤細(xì)胞的鈉鉀泵、細(xì)胞骨架以及核基質(zhì)改變，引起細(xì)胞形態(tài)改變，發(fā)生明顯的組織和細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞壁從而借助滲透壓殺死細(xì)菌，筆者認(rèn)為同樣方法也可能用于惡性腫瘤治療。因為腫瘤細(xì)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(jìn)一步抑制腫瘤細(xì)胞的滲透壓控制機制，有很大可能特異性殺死腫瘤細(xì)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(xì)胞存在很大的可能。目前抑制細(xì)胞骨架的臨床用藥主要是長春新堿和長春賓塞等，其他細(xì)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(xì)胞骨架的藥物研究。最后，我們推測鈉鉀泵和細(xì)胞骨架抑制劑可能具有協(xié)同殺死惡性腫瘤細(xì)胞的效果。

8 結(jié)語

我們通過對細(xì)胞分裂機制的物理學(xué)原理分析，提出滲透壓是細(xì)胞分裂的原動力假說，在此基礎(chǔ)上提出癌變是細(xì)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(xì)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(jìn)細(xì)胞分裂；③低滲促進(jìn)組織損傷修復(fù)；④細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子參與調(diào)控細(xì)胞內(nèi)滲透壓調(diào)節(jié)；⑤激素和生長因子等通過升高細(xì)胞內(nèi)滲透壓促進(jìn)細(xì)胞增生；⑥細(xì)胞骨架交聯(lián)和細(xì)胞內(nèi)脂類蓄積導(dǎo)致細(xì)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(xì)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(xì)胞對抗?jié)B透壓的能力，因此也是抗癌藥物；⑩真核細(xì)胞DNA復(fù)制環(huán)（loop）的長度，稍短于在細(xì)胞分裂過程中細(xì)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。