王碩

天津醫(yī)科大學第二醫(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]。按組織學類型，肺癌可分為小細胞肺癌（small cell lung cancer，SCLC）及非小細胞肺癌（n on-small cell lung cancer，NSCLC），其中 NSCLC 占全部肺癌的80%以上[2]。NSCLC確診時，患者常處于中晚期，5年生存率偏低。雖然，以手術治療、放射治療、化學治療、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使肺成為氧化應激的關鍵場所[4]。氧化應激是指外界及機體內產生的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）和體內的抗氧化系統(tǒng)失衡，體內抗氧化系統(tǒng)無法清除從外界帶來的或由機體內生成的活性氧，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和體內炎性細胞、巨噬細胞、表皮細胞為清除污染物所釋放的ROS使抗氧化體系不堪重負。有研究者分析了PM2.5產生的ROS對大鼠肺泡巨噬細胞的影響，結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，有研究結果表明，PM2.5能誘導NSCLC細胞上皮-間充質轉換（epithelial-mesenchymal transition，EMT）并形成腫瘤干細胞（cancer stem cell，CSC），有利于NSCLC的局部侵襲及遠處轉移[7]。此外，一項針對Wistar大鼠的研究結果表明，肺泡中的巨噬細胞暴露于石棉纖維下，會產生大量的帶電H2O2離子，激活肺內氧化應激反應，2個月的石棉接觸，能使Wistar大鼠肺內產生腫塊，且腫塊大小與接觸劑量呈正相關[8]。

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

1 氧化應激是NSCLC發(fā)生發(fā)展的重要因素

1.1 氧化應激損傷線粒體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誘導線粒體功能障礙，其中ROS水平升高時，會使電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）復合體產生缺陷，導致線粒體膜電位異常并使線粒體膜通透性增加[11]；二是mtDNA相關的免疫應答，即已經損傷的mtDNA片段從線粒體中釋放，免疫原性分子可募集各種免疫細胞（如巨噬細胞、TLR9陽性T細胞和嗜中性粒細胞）到受損區(qū)域，引發(fā)炎癥和免疫反應[12]。

線粒體在正常細胞增殖中扮演重要角色，氧化應激過程對線粒體的干擾會導致細胞周期停滯[13]。氧化應激參與了NSCLC中，包括起始期、促進期和進展期等的所有過程。在起始期，ROS導致mtDNA損傷，主要機制是基因序列突變和/或DNA結構改變。在促進期，ROS可促進基因表達異常，細胞間正常的信號通信被破壞，第二信使被改變，從而促進腫瘤細胞增殖并抑制細胞凋亡[14]。在進展期，氧化應激可進一步改變受影響的mtDNA[15]。有研究調查了41名肺癌、膀胱癌和頭頸部腫瘤患者，結果顯示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]。這一結果表明，氧化應激導致的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。

1.2 氧化應激促進新生血管形成

在NSCLC發(fā)展及癌細胞擴散過程中，新生血管形成起到了重要作用。越來越多的證據(jù)表明，ROS作為信號分子介導了腫瘤新生血管的形成[17]。已證實，眾多酶系能產生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），氧化酶的非吞噬細胞氧化酶（n onphagocytic cell oxidase，NO X）家族等[18]。血管內皮細胞內，ROS由NOX家族生成，根據(jù)所生成ROS的類型，NOX家族成員可進一步被劃分為產生超氧化物的NOX1/2/3/5和產生H2O2的NOX4、DUOX1/2。研究結果表明，NOX介導的H2O2生成過多，可使血管內皮生長因子 (vascular endothelial growth factor，VEGF)及其受體 2（VEGFR-2）被誘導表達，從而激活基質金屬蛋白酶（mat rix metalloproteinase，MM P），氧化應激使NOX產生了過量H2O2，促進了腫瘤新生血管生成并使腫瘤易于擴散[19]。

此外，其他一些和血管生成相關的轉錄因子和基因也被ROS調控。例如，低氧誘導因子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）被認為是對氧化還原敏感的轉錄因子[20]。ROS誘導的HIF表達也表明，在內皮細胞內氧化應激對NOX表達起到了正反饋調節(jié)作用[21]。

1.3 氧化應激使細胞信號通路異常

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的擴增、突變或蛋白過表達所形成的異常，會導致EGFR介導的信號通路失調，進而導致腫瘤的發(fā)生，特別是肺癌的發(fā)生與EGFR密切相關。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與氧化應激之間存在關聯(lián)。H2O2會使人肺癌細胞中EGFR磷酸化表達升高[23]。同EGF誘導的EGFR激活不同，H2O2會優(yōu)先誘導EGFR酪氨酸磷酸化，而EGF會同時觸發(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EGFR Tyr磷酸化的重要機制。EGFR的細胞內激酶結構域包含6個半胱氨酸殘基，其中Cys797位于三磷酸腺苷結合囊內，會優(yōu)先成為內源性H2O2的靶點。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了下游信號[24]。

除了增加EGFR Tyr的磷酸化外，H2O2還可作為調節(jié)信號轉導的第二信使[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可調節(jié)SRC同源區(qū)2結構域蛋白C（SRC homology domain 2 containing protein，SHC）、生長因子受體結合蛋白 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復合體，而SHC-Grb2-SOS復合體與EGFR結合后會促進三磷酸鳥苷（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[27]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）的表達與肺癌相關的許多基因突變有關，包括EGFR和鼠類肉瘤病毒癌（Kirsten rat sarcoma，KRAS）基因的激活。EGFR 在肺癌細胞中表達突變時，PI3K及Akt通過轉錄、信號轉導和激活因子被激活。因此，許多NSCLC組織中檢測出了PI3K下游介質，而超過50%的NSCLC組織中，Akt磷酸化水平升高，其與肺癌進展相關[28]。

2 NSCLC調控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蓄積會啟動細胞凋亡及自噬進程，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等原本具有機體保護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作為轉錄因子，在細胞增殖、存活、調節(jié)細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激傳感器，可檢測低水平的H2O2[30]。Nrf2是抗氧化途徑重要的調控因子，其在腫瘤細胞中被激活，從而增加抗氧化蛋白的產生并維持氧化還原平衡。細胞核中，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元件（anti oxidant reaction eleme nt，ARE）結合，Nrf2 與ARE結合后會使包括谷胱甘肽、超氧化物歧化酶（superoxide dismutas e，SOD）及熱休克蛋白在內的多種抗氧化酶的水平升高[31]。Nrf2/ARE通路的損傷可導致氧化應激、炎癥和線粒體功能障礙，Nrf2可被香煙煙霧、感染、氧化應激或炎癥激活，Nrf2通路的過度激活創(chuàng)造了有利于NSCLC細胞生存的環(huán)境，保護其免受氧化應激的影響[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NSCLC的細胞有絲分裂、細胞存活、細胞生長、細胞增殖和血管生成[33]。腫瘤起始細胞（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中的過表達是TICs耐藥的重要機制。研究結果表明，低濃度的ROS可誘導藥物外排泵 P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）的上調，從而使細胞獲得多重耐藥（multiple drug resistance，MDR）表型；低濃度（1 μmol/L）的 H2O2處理，可使P-gp過度表達，而高濃度（10μmol/L）的 H2O2處理則會抑制細胞表達P-gp。因此，ROS濃度和P-gp介導的腫瘤耐藥性相關[34]。

在癌細胞中，細胞內ROS的適度升高可促進其生長和增殖；另一方面，高水平的ROS又可誘導細胞凋亡[35]。癌細胞比非癌癥轉化細胞對升高的細胞內ROS更敏感，因此利用ROS誘導小分子靶向腫瘤治療已被認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被認為是一種有效的潛在抗癌藥物，其通過抑制細胞中負責抑制ROS和氧化應激的機制來提高ROS水平，從而選擇性地殺死癌細胞。在細胞中負責調節(jié)氧化應激的蛋白，如谷胱甘肽S-轉移酶 P1（glu tathione S-transferase P1，GST P1）和羰基還原酶 1（Carbonyl reductases，CBR1）均為 PL 的結合靶標。在體內和體外模型實驗中，都證實PL具有誘導選擇性腫瘤細胞毒性的特征[37]。

3 結 語

氧化應激與抗氧化系統(tǒng)間的平衡無疑對于癌癥防治具有重要意義。如前文所述，氧化應激是NSCLC發(fā)生的重要因素，氧化應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等細胞信號通路促進NSCLC組織中新生血管的形成，進一步促進腫瘤局部侵襲及遠端轉移。高濃度的ROS又體現(xiàn)出了促進NSCLC凋亡及自噬的作用。通過高濃度ROS清除腫瘤細胞是經典的順鉑等化療藥物的主要作用機制之一[38]。癌癥進展到晚期時，ROS蓄積會激活NF-κB及Nrf2等抗氧化轉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被維持在促進腫瘤細胞侵襲和轉移的適宜濃度。

PL這類可促進產生ROS的化合物在臨床有廣闊的應用前景，其不單可產生腫瘤細胞毒性，可同時作為佐劑聯(lián)合其他抗腫瘤治療藥物，提高癌細胞對治療的敏感性。例如，應用光動力治療與能產生ROS的化療藥物相結合，能顯著提高治療效果且降低了脫靶效應[39]。前期的研究成果，引起研究者重點關注基于ROS的綜合治療，并使其成為目前的研究熱點。雖然，目前臨床上已應用諸多治療癌癥的方案，然而降低腫瘤對具有特定作用機制的藥物的耐藥性，需要不同于傳統(tǒng)治療的新策略。通過抑制內源性抗氧化作用來升高細胞內ROS，調節(jié)負責維持氧化還原穩(wěn)態(tài)的蛋白質的功能，在腫瘤治療領域已初步展現(xiàn)出良好的療效[40]。聯(lián)合策略是調節(jié)耐藥的另一途徑，ROS誘導劑和商業(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。

在腫瘤細胞/耐藥腫瘤細胞微環(huán)境中，升高ROS水平可增強氧化應激反應，增強腫瘤對化療藥物的易損性。降低細胞內ROS是誘導腫瘤耐藥的介導因素，因此腫瘤耐藥這是一個濃度依賴性現(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對耐藥性的影響，從而將其作為一種治療手段。未來，設計利用有機小分子化合物調控控制細胞內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