李艷青,郭洪波

0 引言

化療誘導(dǎo)的周圍神經(jīng)病變(Chemotherapy-induced peripheral neuropathy,CIPN)是化療藥物常見的劑量限制性不良反應(yīng),臨床常以四肢末端對稱性麻木、疼痛、感覺異常為主要表現(xiàn),多呈“手套樣”或“襪套樣”改變,嚴(yán)重時可造成跌倒、燙傷甚至致殘,嚴(yán)重影響患者的生存質(zhì)量。CIPN發(fā)病多與化療藥物累積量相關(guān),隨著化療周期的推進(jìn),CIPN癥狀也越重,許多患者常因不能耐受而減量、中斷或者放棄治療,導(dǎo)致依從性降低,最終延誤治療。有研究表明,隨著腫瘤患者存活率的全面提高,預(yù)計CIPN的患病率在未來十年內(nèi)將有明顯增加[1]。近年來,該病逐漸成為國內(nèi)外專家的研究熱點(diǎn),目前尚無較好的針對該病的藥物,這與其發(fā)病機(jī)制不明確、診斷方式待完善、評估手段欠缺有關(guān)。

臨床上可引起周圍神經(jīng)病變的常見化療藥物有鉑類、紫杉類、硼替佐米等[2],這些藥物極少穿過血腦屏障,對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有一定的保護(hù)作用,而外周神經(jīng)系統(tǒng)(感覺、運(yùn)動、自主神經(jīng)等)則受神經(jīng)毒性影響很大[3]。國內(nèi)外學(xué)者通過建立體內(nèi)、體外模型,對CIPN機(jī)制有了一定了解,越來越多的證據(jù)表明,線粒體障礙在CIPN中有著重要地位,保護(hù)線粒體功能有望成為預(yù)防和治療該病的重要措施。本文通過總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于線粒體損傷參與CIPN的最新機(jī)制研究,根據(jù)線粒體在不同化療藥物中的機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 線粒體結(jié)構(gòu)及功能

線粒體是普遍存在于除了哺乳動物成熟紅細(xì)胞以外的真核細(xì)胞中的細(xì)胞器,由雙層單位膜套疊而成,外膜上含有多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,內(nèi)膜具有高度選擇通透性,而線粒體內(nèi)腔充滿可溶性蛋白和脂肪等基質(zhì),是三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)、氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation)的主要場所,線粒體內(nèi)的眾多酶系均可參與氧化反應(yīng)。線粒體擁有自己獨(dú)立的遺傳系統(tǒng),其中線粒體DNA(mtDNA)構(gòu)成了線粒體基因組[4]。

線粒體的主要功能是使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)氧化并與磷酸化耦聯(lián)生成ATP,在攝取和釋放Ca2+中也起著重要的作用,對調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理活動有著重要作用,生命活動中的細(xì)胞死亡也與線粒體有關(guān)[4]。

2 線粒體損傷

線粒體損傷是指在生理或者病理因素作用下,線粒體出現(xiàn)線粒體嵴數(shù)目減少、結(jié)構(gòu)改變、融合分裂變異、呼吸鏈電子傳遞受阻、線粒體DNA(mtDNA)突變等改變,導(dǎo)致線粒體氧化還原及能量代謝功能異常,造成線粒體氧化磷酸化能力減低、能量合成減少、生物氧化中斷、Ca2+平衡失調(diào)一系列功能障礙,最終導(dǎo)致細(xì)胞衰老、死亡,造成多種疾病產(chǎn)生[5]。

2.1 氧化應(yīng)激反應(yīng)與線粒體損傷 線粒體是機(jī)體內(nèi)活性氧的主要來源,活性氧是ATP生成過程中的副產(chǎn)物,氧化應(yīng)激反應(yīng)與活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生密切相關(guān)。線粒體在能量轉(zhuǎn)換過程中會發(fā)生大量的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng),當(dāng)偶爾有一個電子轉(zhuǎn)移到氧,使這個細(xì)胞器產(chǎn)生超氧自由基[包括超氧化陰離子(O2-)、羥基自由基(HO)等][6-7],這些氧自由基通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成活性氧,當(dāng)ROS水平較低時,可促進(jìn)細(xì)胞增生;當(dāng)活性氧的產(chǎn)生和積累與防御抗氧化系統(tǒng)之間存在不平衡時,細(xì)胞內(nèi)兩種相反的拮抗力量失衡,ROS的破壞作用大于抗氧化劑的代償作用[8-9];其次,氧化陰離子(O2-)和羥基自由基(HO)因未配對到電子,出現(xiàn)高度不穩(wěn)定性,能夠引發(fā)氧化并進(jìn)一步生成ROS,例如過氧化氫(H2O2)、過氧亞硝酸鹽(ONOO-)和次氯酸(HOCl)[10]。過量的ROS產(chǎn)生會對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸、電子傳遞鏈原件等生物結(jié)構(gòu)造成損害,導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜失去適當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)梯度,從而導(dǎo)致線粒體能量產(chǎn)生關(guān)閉,并與線粒體膜間隙釋放的促凋亡蛋白一起啟動細(xì)胞死亡的激活[7]。線粒體在ROS的清除中也有一定作用,受損的線粒體會間接導(dǎo)致ROS積累,最終形成惡性循環(huán)[11]。

此外,多項研究表明,ROS水平較高時,會引起線粒體內(nèi)膜非特異性通透性孔道(Mitochondrial permeability transition pore,MPTP)開放,導(dǎo)致跨膜電位崩潰、細(xì)胞色素C外漏,再啟動caspase的級聯(lián)活化,最終由caspase-3啟動凋亡[4]。

2.2 Ca2+失調(diào)與線粒體損傷 Ca2+是一種普遍存在于細(xì)胞內(nèi)的信號信使,參與包括代謝、基因轉(zhuǎn)錄、生長、運(yùn)動、生存和凋亡等在內(nèi)的多種細(xì)胞功能。線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)是維持細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)的主要細(xì)胞器,其中線粒體Ca2+的變化會影響線粒體呼吸、三磷酸腺苷(ATP)的產(chǎn)生、線粒體自噬、凋亡和壞死等線粒體途徑[12-13]。線粒體在內(nèi)膜中表達(dá)復(fù)雜的線粒體鈣單胞體復(fù)合體(MCUc),Ca2+通過線粒體鈣單胞體復(fù)合體穿過線粒體內(nèi)膜,這是目前Ca2+進(jìn)入線粒體基質(zhì)的唯一已知途徑。當(dāng)過多的ROS生成、mtDNA突變或其他病理改變發(fā)生時,線粒體的Ca2+穩(wěn)態(tài)也會發(fā)生改變,過氧亞硝酸鹽使關(guān)鍵的線粒體酶失活,細(xì)胞能量狀態(tài)受影響,觸發(fā)線粒體Ca2+的釋放。異常升高的Ca2+通過MCUc有效地滲透線粒體內(nèi)膜,Ca2+超載導(dǎo)致線粒體電位、線粒體通透性的改變,使線粒體滲透腫脹和外線粒體膜破裂,最終發(fā)生線粒體功能障礙[14-15]。

2.3 mtDNA突變與線粒體損傷 線粒體自身含有獨(dú)特的雙鏈環(huán)狀DNA,位于線粒體基質(zhì)內(nèi)或者附著于線粒體內(nèi)膜。線粒體DNA通常是裸露的,不與組蛋白結(jié)合,與核DNA相比,更容易發(fā)生突變,且其損傷修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)能力有限[4]。此外,線粒體的DNA聚合酶缺乏校對活性,導(dǎo)致mtDNA復(fù)制過程中的錯誤率較高[16]。線粒體DNA在整個周期中不斷合成,在此期間其穩(wěn)定性差,容易受到外部干擾,這些因素共同導(dǎo)致線粒體DNA突變率高,當(dāng)線粒體DNA突變達(dá)到一定閾值,會使電子傳遞鏈效率下降,增強(qiáng)ROS的產(chǎn)生[17],觸發(fā)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(MPTP)的打開,影響線粒體的動力學(xué)和有絲分裂,并誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡[18]。有研究者在酵母和嚙齒動物的老化過程中,觀察到線粒體DNA可以在染色體著絲粒周圍區(qū)域水平插入,進(jìn)而改變核DNA序列而導(dǎo)致線粒體功能障礙相關(guān)疾病的發(fā)生[19]。

3 線粒體功能障礙與化療導(dǎo)致的周圍神經(jīng)病變

3.1 紫杉類藥物

3.1.1 紫杉類藥物導(dǎo)致的周圍神經(jīng)病變 紫杉類藥物是腫瘤化療的基石,目前我國獲批的紫杉類藥物包括紫杉醇注射液、多西他賽、紫杉醇脂質(zhì)體和注射用白蛋白結(jié)合型紫杉醇,多用于卵巢癌、肺癌、前列腺癌、胰頭癌等實(shí)體腫瘤的治療[20]。臨床治療過程中高達(dá)80%的患者在紫杉醇治療期間出現(xiàn)周圍神經(jīng)病變,包括急性疼痛綜合征,通常在服用紫杉醇后1～3 d內(nèi)出現(xiàn),并在1周內(nèi)基本消失,隨著治療過程進(jìn)展,神經(jīng)病變嚴(yán)重程度會增加,50%的患者在治療12個月后仍可能出現(xiàn)感覺障礙,且癥狀會持續(xù)很長時間[21-22]。

3.1.2 線粒體損傷與紫杉類藥物 盡管關(guān)于紫杉類藥物導(dǎo)致的周圍神經(jīng)病變機(jī)制尚不明確,但多項研究表明,其與線粒體損傷關(guān)系密切。Duggett等[23]利用大鼠分離的背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元,首次證明了在體紫杉醇在DRG中誘發(fā)線粒體功能障礙的性質(zhì);Lv等[24]利用JC-1探針,檢測到紫杉醇處理的大鼠背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞線粒體膜電位喪失,表明紫杉醇誘導(dǎo)的外周神經(jīng)毒性可能與線粒體膜完整性破壞和線粒體損傷有關(guān);Li等[25]在大鼠實(shí)驗(yàn)中觀察到紫杉醇在暴露后24 h,背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元中存在氧化應(yīng)激反應(yīng)增加。以上均表明,紫杉類藥物可能破壞線粒體膜完整性,增加ROS的產(chǎn)生,進(jìn)而造成CIPN的發(fā)生。

此外,紫杉類藥物治療還可能損害線粒體的軸突運(yùn)輸。有研究者在人類誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞衍生感覺神經(jīng)元(iPSC-SN)模型中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過紫杉醇處理的iPSC SNs線粒體在2個方向上的運(yùn)動減少,暴露紫杉醇72 h后,幾乎完全抑制線粒體沿神經(jīng)突向下的運(yùn)輸[26];在用紫杉醇治療后的斑馬魚體內(nèi)模型中,ROS、H2O2在基底角質(zhì)細(xì)胞中增加,表明細(xì)胞質(zhì)中的H2O2似乎至少部分來自線粒體損傷,進(jìn)而導(dǎo)致MMP-13(表皮基質(zhì)金屬蛋白酶13)的上調(diào),最終誘導(dǎo)基質(zhì)降解和無髓鞘軸突的退化,實(shí)驗(yàn)過程中軸突線粒體也顯示出損傷的跡象,如融合/分裂缺陷和空泡化[27];此外,紫杉醇也可以通過耗盡編碼遠(yuǎn)端軸突線粒體裂變/融合機(jī)制的mRNA來改變線粒體功能,這種毒性作用最終導(dǎo)致軸突能量供應(yīng)不足和軸突變性[28]。

總之,越來越多的證據(jù)證明,紫杉醇,尤其是白蛋白結(jié)合型紫杉醇,在化療過程中會引起嚴(yán)重的周圍神經(jīng)病變,甚至直接影響疾病預(yù)后,這些病變與線粒體膜破壞、氧自由基產(chǎn)生、線粒體軸突運(yùn)輸受損聯(lián)系緊密。

3.2 鉑類化合物

3.2.1 鉑類化合物導(dǎo)致的周圍神經(jīng)病變 鉑類化合物是目前臨床上應(yīng)用最廣泛的化療藥物之一,臨床上常用的鉑類藥物包括順鉑、卡鉑、奈達(dá)鉑、奧沙利鉑和洛鉑,多用于結(jié)直腸癌、胃腸道癌、婦科腫瘤、膀胱癌等常見惡性腫瘤的化療。神經(jīng)毒性是這些藥物常見的毒副作用,以劑量限制性末梢神經(jīng)病變?yōu)橹鳌Ｆ渲袏W沙利鉑和順鉑最為常見[29-30],高達(dá)84.5%的使用奧沙利鉑的患者出現(xiàn)口周麻木、感覺異常等周圍神經(jīng)病變,55%順鉑治療患者會有神經(jīng)毒性表現(xiàn),在停藥3～6個月后,患者癥狀仍不消退,嚴(yán)重影響疾病治療及患者生活質(zhì)量[21]。

3.2.2 線粒體損傷與鉑類化合物 既往研究多認(rèn)為鉑類化合物在背根神經(jīng)節(jié)的沉積可能是其誘發(fā)周圍神經(jīng)病變的重要發(fā)病機(jī)制[31],而最近有大量實(shí)驗(yàn)表明,線粒體損傷在其中也發(fā)揮重要作用。Podratz等[32]在大鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過順鉑處理的背根神經(jīng)節(jié)在體外和體內(nèi)表現(xiàn)出線粒體空泡化和降解;在5-溴-2′-脫氧尿苷(BrdU)摻入后,檢測到線粒體DNA復(fù)制、線粒體基因轉(zhuǎn)錄被抑制,表明線粒體DNA損傷可能是順鉑引起周圍神經(jīng)病變的獨(dú)特機(jī)制,其團(tuán)隊在隨后的果蠅實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)用順鉑處理的幼蟲有翻正和熱敏感行為缺乏,在免疫染色中未檢測到活性的caspase3,同時有軸突線粒體膜電位下降、活性氧增加,這些均表明順鉑可誘導(dǎo)果蠅幼蟲行為缺陷、線粒體活性降低、活性氧生成增加和線粒體暫停,影響軸突運(yùn)輸[33]。

除了對線粒體DNA和線粒體軸突運(yùn)輸?shù)膿p傷,鉑類藥物還可能破壞鈣穩(wěn)態(tài)、抑制線粒體呼吸鏈,進(jìn)而引起周圍神經(jīng)病變。多項實(shí)驗(yàn)將背根神經(jīng)節(jié)暴露于順鉑或奧沙利鉑后,發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸鏈復(fù)合物I～I(xiàn)II被抑制,基礎(chǔ)呼吸、備用呼吸能力和ATP降低,活性氧產(chǎn)生量增加,胞漿鈣濃度增加、線粒體鈣濃度持續(xù)降低,最終損害線粒體功能[34-35]。此外,Imai等[36]也提出,雪旺細(xì)胞的有絲分裂毒性可能與順鉑神經(jīng)毒性的發(fā)病機(jī)制相關(guān)。

綜上所述,鉑類化合物作為大多數(shù)實(shí)體腫瘤化療方案中必不可少的藥物,其引起的周圍神經(jīng)病變在非血液性毒副作用中不可忽視,它造成的線粒體DNA損傷、氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)、線粒體鈣濃度降低以及有絲分裂毒性等在其中發(fā)揮著重要作用。

3.3 硼替佐米

3.3.1 硼替佐米導(dǎo)致的周圍神經(jīng)病變 硼替佐米是蛋白酶體抑制劑,多用于惡性血液系統(tǒng)疾病的治療,是多發(fā)性骨髓瘤治療的一線用藥,有高達(dá)80.5%的患者會產(chǎn)生神經(jīng)毒性,病變多表現(xiàn)為肢體末梢的麻木和刺痛,但多數(shù)可逆,大多數(shù)患者可在治療結(jié)束后2～6個月有所緩解[21]。

3.3.2 線粒體損傷與硼替佐米 硼替佐米導(dǎo)致的周圍神經(jīng)病變的機(jī)制尚不明確,線粒體損傷可能是重要原因之一。Jannuzzi等[37]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),經(jīng)硼替佐米處理的人類神經(jīng)細(xì)胞會出現(xiàn)線粒體膜電位降低、氧化磷酸化復(fù)合物含量減少,進(jìn)一步導(dǎo)致蛋白毒性應(yīng)激,還有可能誘導(dǎo)有絲分裂毒性。硼替佐米促進(jìn)了無髓纖維中δ2微管蛋白(D2)的積累,這是其誘導(dǎo)的周圍神經(jīng)病變的標(biāo)志,Pero等[38]研究發(fā)現(xiàn),D2的過度表達(dá)可以單獨(dú)抑制動態(tài)暫停和快速運(yùn)行線粒體在兩個方向上的運(yùn)動,引起軸突病變。近年也有研究者認(rèn)為,硼替佐米引發(fā)的周圍神經(jīng)病變與mTORC1通路激活密不可分,該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在暴露于硼替佐米的背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元中NADPH氧化酶2(NOX2)明顯上調(diào),使用CM-H2DCFDA氧化敏感探針進(jìn)行檢測、成像和定量后,發(fā)現(xiàn)NOX2可進(jìn)一步誘導(dǎo)ROS的過度產(chǎn)生,從而導(dǎo)致mTORC1通路激活,最終引起背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元凋亡[39]。總之,應(yīng)用硼替佐米后,部分患者會出現(xiàn)周圍神經(jīng)病變,這可能與硼替佐米降低線粒體膜電位、抑制線粒體運(yùn)動、誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生相關(guān)。

4 線粒體功能改善藥物對CIPN的防治

研究表明,PPARγ激動劑因具有減輕氧化應(yīng)激和抑制ROS相關(guān)下游通路的作用而在治療CIPN方面顯示出良好的治療特性[40],但因其開發(fā)困難,且其神經(jīng)保護(hù)作用尚未在臨床中證明,相關(guān)臨床研究有待進(jìn)一步開展;米屈肼聯(lián)合N-乙酰半胱氨酸可通過增強(qiáng)組織氧合作用,對CIPN大鼠有顯著的抗痛覺過敏作用[41],但該實(shí)驗(yàn)同樣缺乏足夠多的臨床證據(jù);而氨磷汀的活性代謝物可能會阻止ROS的產(chǎn)生,從而保護(hù)未分裂的神經(jīng)元[42],盡管氨磷汀作為細(xì)胞保護(hù)劑廣泛用于臨床,但對CIPN的預(yù)防作用可能并不顯著,亟待進(jìn)一步的研究證實(shí);度洛西汀作為一種針對p53相關(guān)細(xì)胞凋亡通路的治療藥物,可通過抑制氧化應(yīng)激、激活p53、Bcl2家族和PARP1來減輕神經(jīng)損傷,是目前唯一具有臨床證據(jù)支持的CIPN治療藥物[43]。

5 結(jié)語

隨著腫瘤患者生存率的提高,CIPN逐漸成為臨床上被廣泛關(guān)注的問題,但目前其機(jī)制尚不明確,也缺乏有效的治療和預(yù)防方法。針對發(fā)病機(jī)制,了解化療藥物導(dǎo)致周圍神經(jīng)病變的因果關(guān)系,對臨床發(fā)現(xiàn)新手段,有效預(yù)防和治療CIPN至關(guān)重要。目前,越來越多的證據(jù)表明,線粒體損傷在CIPN中起重要作用,也有越來越多的研究者致力于研究線粒體功能改善藥物。隨著研究的不斷深入,線粒體損傷在CIPN中的地位可能會逐漸顯現(xiàn),為CIPN的研究和防治開拓新思路。