李治邑 綜述 李妙齡 審校

西南醫(yī)科大學心血管醫(yī)學研究所，醫(yī)學電生理教育部重點實驗室，四川省醫(yī)學電生理重點實驗室（瀘州 646000）

根據(jù)作用方式，可將抗腫瘤藥分為：①烷基化劑（如環(huán)磷酰胺等）；②抗腫瘤抗生素類藥（蒽環(huán)類藥物，如阿霉素等）；③抗代謝藥物（如5-氟尿嘧啶等）；④有絲分裂紡錘體抑制劑或抗有絲分裂藥物（紫杉烷類藥物，如長春新堿等）；⑤針對分子的藥物（如貝沙羅汀等）。阿霉素是抗生素蒽環(huán)類藥物，在治療乳腺癌[1]、食道癌[2]、霍奇金淋巴瘤[3]、非霍奇金淋巴瘤[4]、白血病等腫瘤上發(fā)揮了重要作用，但慢性或急性作用又可導致機體產(chǎn)生嚴重的毒副作用使其在臨床使用受限。在藥物作用的過程中會出現(xiàn)線粒體結(jié)構(gòu)和功能的改變，而線粒體在心肌組織穩(wěn)態(tài)中起著至關重要的作用。阿霉素可干擾線粒體呼吸鏈（如解偶聯(lián)）或抑制重要的線粒體酶的活性，進而導致線粒體膜電位的改變和線粒體氧化應激的增加，最終導致心肌細胞和內(nèi)皮細胞的凋亡。

1 氧化應激損傷

1.1 阿霉素誘導ROS產(chǎn)生

線粒體膜內(nèi)富含心磷脂，是蛋白質(zhì)亞基組裝和催化功能必不可少的成分[5-6]。阿霉素對這種心磷脂有很高的親和力，導致阿霉素在心肌細胞內(nèi)積聚[7-8]。阿霉素進入線粒體，通過與心磷脂結(jié)合進而抑制呼吸鏈[9]，與線粒體膜的結(jié)合還可能增加阿霉素與線粒體電子傳輸鏈的NADH 脫氫酶（復合物I）在較低濃度下相互作用的機會。

有研究表明，阿霉素氧化還原循環(huán)發(fā)生在線粒體電子傳輸鏈[10]，更具體地說，發(fā)生在電子傳遞鏈復合體I。阿霉素具有醌的結(jié)構(gòu)，電子傳遞鏈復合體I中的各種NAD（P）H 依賴還原酶通過電子還原將阿霉素轉(zhuǎn)化為半醌自由基，這種半醌與分子氧反應生成超氧自由基，從而產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS），如過氧化氫（H2O2）、羥自由基（·OH）、過氧亞硝酸根（ONOO-）等，同時還會釋放電子，破壞呼吸鏈的完整性[7-9]。

CHAISWING等[11]通過計算機定量超微結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)線粒體是阿霉素損傷心肌最廣泛和持續(xù)的亞細胞器結(jié)構(gòu)；在阿霉素抗腫瘤治療后的早期，心肌細胞線粒體中的蛋白質(zhì)就發(fā)生了顯著的氧化/硝化翻譯后修飾。雖然在過去的實驗里幾乎都是在體外條件下用超標的阿霉素劑量進行實驗，無法證實體內(nèi)的適用性，但后續(xù)有研究用不同劑量進行實驗，結(jié)果支持阿霉素治療產(chǎn)生的活性氧主要來源于線粒體的觀點[12]。

1.2 阿霉素誘導活性氮自由基的產(chǎn)生

阿霉素激活NAD（P）H 氧化酶（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidases，NOXs），從而激活心肌細胞凋亡途徑自由基的產(chǎn)生[13]。NOXs激活可能通過線粒體將ROS轉(zhuǎn)化為超氧自由基并與一氧化氮反應生成ONOO-[14]。ONOO-激活基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs），這些蛋白酶已被認為是阿霉素產(chǎn)生過氧亞硝酸鹽導致心臟毒性的主要機制[15]。有研究發(fā)現(xiàn)，用阿霉素治療后，小鼠心肌細胞中會形成過氧亞硝酸鹽[16]；并且有研究證明，阿霉素可誘導一氧化氮合成，從而導致亞硝酸鹽在細胞內(nèi)積聚[17]。

阿霉素在早期誘導線粒體脂質(zhì)過氧化，隨后在所有的亞細胞間形成硝化損傷產(chǎn)物，并在后期引起更廣泛的細胞損傷[11]。與MIKKELSEN 等[18]的假設一致，在心臟中氧化損傷先于硝化性損傷，并且硝化性損傷放大了氧化損傷作用[11]。

1.3 阿霉素誘導線粒體通透性改變

阿霉素可增加氧化磷酸化和引起線粒體轉(zhuǎn)換孔復合體功能改變。這種線粒體通透性的改變是阿霉素導致的劑量依賴性改變，線粒體通透性轉(zhuǎn)換會導致線粒體失去在內(nèi)膜上形成和維持電化學梯度的能力[19]。線粒體蛋白易受到外界刺激的影響，從而導致細胞內(nèi)氧化應激的增加，線粒體膜滲透性轉(zhuǎn)換可能在調(diào)節(jié)與阿霉素治療相關的不良生物能量和功能后果方面發(fā)揮了迄今未知的作用[20]。近年已有實驗發(fā)現(xiàn)在多能干細胞誘導的心肌細胞[21]或大鼠滲透性心肌纖維[22]中阿霉素抑制線粒體呼吸。

1.4 阿霉素誘導氧化應激信號通路活性的增強

阿霉素導致的心肌細胞氧化應激活性增強可致下游信號通路發(fā)生一系列的代償反應，如Keap1/Nrf2/ARE通路的激活[23]或改變MAP激酶和/或PPAR核受體介導的通路[24]。在氧化狀態(tài)下，Keap1不能與Nrf2結(jié)合，從而允許該轉(zhuǎn)錄因子在細胞核內(nèi)積累并激活轉(zhuǎn)錄抗氧化反應元件（AU-rich element，ARE）。有文獻報道，阿霉素可致大鼠心肌細胞中Keap1的氧化和Nrf2介導的抗氧化反應激活[25]，證明了這些通路參與了氧化應激過程。

2 線粒體中的關鍵蛋白

2.1 連接蛋白43（Cx43）

連接蛋白43是細胞間信息傳遞的主要連接蛋白，對離子和小分子的細胞間轉(zhuǎn)運起重要調(diào)節(jié)作用，并負責不同類型細胞之間的電傳遞，尤其是心肌細胞[26]。在過去的十年中，Cx43在各種細胞類型的線粒體中的存在已有報道[27]。有研究表明，線粒體Cx43通過減少胞漿和線粒體活性氧的產(chǎn)生，減少線粒體鈣超載，減少線粒體膜去極化和細胞色素C 的釋放而發(fā)揮心臟保護作用。線粒體Cx43通過阻止細胞色素C釋放到胞漿中，減少其激活Caspase-3級聯(lián)反應，從而控制細胞凋亡的啟動[28-29]。

線粒體Cx43還參與另一信號轉(zhuǎn)導通路，該通路可阻止線粒體通透孔的形成，從而防止線粒體腫脹、線粒體外膜破裂和產(chǎn)生凋亡的線粒體內(nèi)容物的釋放[30]。

RODRíGUEZ-SINOVAS等[31]證明缺血預處理通過熱休克蛋白90（heat shock protein90，Hsp90）和線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶20（translocase of outer mitochondrial membrane 20，TOMM20）的有關機制誘導Cx43 從胞漿到線粒體的移位。該系統(tǒng)包括將目標蛋白與伴侶蛋白（Hsp90/Hsp70）結(jié)合，傳遞到TOMM 復合物的特定部分，然后釋放到線粒體膜內(nèi)[32]。Cx43移位到線粒體似乎對某些形式的心臟保護很重要，線粒體Cx43的增加與缺血預處理和心臟保護有關，可能是通過調(diào)節(jié)線粒體離子的穩(wěn)態(tài)和腫脹而發(fā)揮保護作用[33]。

3 鐵代謝障礙

3.1 阿霉素導致鐵代謝障礙

心臟是最活躍的代謝器官之一，它需要提供心肌細胞活動所需的能量。線粒體在這項任務中起關鍵作用，而線粒體正常功能所需的微量元素之一是鐵。數(shù)據(jù)表明，心肌細胞中近1/3 的的鐵分布在線粒體中[34]。鐵是理想的電子傳輸者，它可以促進生化反應，但也可以誘導活性氧（ROS）的產(chǎn)生，過多的活性氧可能會破壞細胞結(jié)構(gòu)[35]。線粒體需要鐵的持續(xù)性供應，鐵供應的減少會影響細胞產(chǎn)能，鐵超載會產(chǎn)生過多的ROS 導致線粒體損傷[36]。有證據(jù)支持阿霉素導致鐵代謝障礙[37]。鐵螯合劑和鐵的抑制劑可通過保護線粒體減少阿霉素毒性。此外，阿霉素毒性的嚴重程度和不同線粒體鐵蛋白的活性之間的關系也表明了線粒體鐵失調(diào)在阿霉素誘導的心臟毒性中的重要性[38-40]。另外，有證據(jù)表明，進入線粒體的鐵是通過絲裂鐵蛋白2和線粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運蛋白（mitochondrial calcium uniporter，MCU）調(diào)節(jié)的，而鐵的輸出是通過ATP結(jié)合盒B亞家族蛋白維持，如ATP結(jié)合盒B亞家族成員8（ABCB8）[19，41-44]。

3.2 鐵在阿霉素誘導的活性氧形成中起著至關重要的作用

由過渡金屬（如鐵）催化的Fenton 反應和Haber-Weiss反應產(chǎn)生ROS。DOX半醌超氧自由基和H2O2可以促進鐵蛋白和細胞質(zhì)烏頭酸酶釋放鐵，從而改變鐵的代謝。隨后，鐵可以與阿霉素反應，產(chǎn)生·OH[9，45]。氧化還原循環(huán)釋放的活性氧、過渡金屬和鐵絡合物的形成被認為是阿霉素引起的多種心肌有害效應的原因[46]。

4 凋亡

4.1 線粒體基因組DNA（MtDNA）損傷

人們普遍認為DNA 損傷是阿霉素誘導的心肌細胞死亡的早期重要事件[47]。阿霉素進入線粒體，可能通過產(chǎn)生活性氧（ROS）直接或間接地與線粒體DNA（MtDNA）相互作用。線粒體DNA的破壞可能會導致呼吸鏈功能障礙，進而產(chǎn)生額外的ROS，從而攻擊呼吸鏈本身，再次導致線粒體DNA突變[8]。

直接作用：蒽環(huán)類藥物，如阿霉素，被稱為拓撲異構(gòu)酶II（TOP2）類藥。阿霉素可以通過插入DNA鏈來阻斷DNA的合成，并且可以抑制TOP2的作用。這種酶在不改變脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)和序列的情況下改變DNA的拓撲結(jié)構(gòu)，瞬間導致雙鏈DNA 斷裂，進而調(diào)節(jié)DNA的超螺旋[48]。

間接作用：DNA復合物的產(chǎn)生：①阿霉素在線粒體產(chǎn)生自由基，這些自由基促進脂質(zhì)過氧化，從而促進丙二醛的產(chǎn)生，丙二醛與脫氧鳥苷、脫氧腺苷和脫氧胞苷的環(huán)外氨基反應形成烷基化復合物[48]。②4，6-二氨基-5-甲酰胺基嘧啶（FapyAde）或5-羥甲基尿嘧啶（5-OH-MeUra）等氮堿的氧化損傷也已被證實。這些氧化復合物是高度誘變的產(chǎn)物，可以阻止DNA 復制，并增加DNA聚合酶讀取錯誤的頻率。③阿霉素還可以通過NAD（P）H 氧化酶體系和過渡金屬與甲醛生成復合物。這種復合物與DNA 形成共價鍵，根據(jù)插入?yún)^(qū)域的不同，也可以或多或少形成穩(wěn)定的插層或更穩(wěn)定的DNA 交聯(lián)[45]。解旋酶不能分離DNA 鏈并干擾其解離可能是這些交聯(lián)導致的，但也可能是由于阿霉素對解旋酶的直接作用引起的[7-8，48]。

4.2 線粒體的凋亡途徑

線粒體功能障礙在阿霉素治療的早期階段很普遍，可能是細胞凋亡的直接原因[49]。KOTAMRAJU 等最近研究表明，超氧陰離子產(chǎn)生的過氧化氫可能是阿霉素誘導內(nèi)皮細胞和心肌細胞凋亡的關鍵氧化劑，線粒體通過釋放細胞色素C 導致Caspase 激活和隨后的細胞死亡等機制在調(diào)節(jié)細胞凋亡中起著關鍵作用[48]。線粒體可對幾種信號（即活性氧、氧化還原狀態(tài)改變和鈣水平增加）做出反應，這些信號觸發(fā)Caspase 激活蛋白的釋放，如細胞色素C 和凋亡誘導因子[50]。細胞色素C 從線粒體釋放到胞漿中可以導致Caspase-9 的激活，Caspase-9 負責激活效應Caspase，如Caspase-3，從而誘導細胞死亡。有實驗表明，Caspase-3 的活性主要歸因于線粒體途徑[49-51]。

4.3 炎癥反應損傷線粒體

蒽環(huán)類藥物可誘導促炎細胞因子IL-6 和TNF 的過度表達，引起心臟組織的炎癥反應，導致心肌細胞內(nèi)線粒體和細胞膜的氧化損傷，增加心臟毒性[52]。

5 線粒體能量代謝障礙

心臟高能磷酸鹽代謝障礙，已被認為是蒽環(huán)類藥物心臟毒性的一個重要特征。已提出的阿霉素誘導的心臟能量衰竭的機制包括線粒體氧化還原功能的改變、細胞內(nèi)ATP 的降低，能量底物利用狀況的改變，以及能量生產(chǎn)和消耗之間能量轉(zhuǎn)移的干擾[53-57]。研究表明，臨床相關的阿霉素引起的急性心功能不全也與心臟能量代謝受損有關。阿霉素引起的急性心臟毒性伴隨NADPH氧化還原狀態(tài)、線粒體膜電位和葡萄糖攝取的變化。許多實驗結(jié)果也一致地表明阿霉素擾亂了心肌線粒體能量代謝。

最近有研究表明阿霉素在培養(yǎng)的心肌細胞中是NF-κB 的有效激活因子[58]，通過干擾素-γ介導心肌細胞信號導致線粒體呼吸和脂肪酸氧化的中斷，也減少AMPK信號，從而導致能量代謝障礙[59]。有實驗表明，阿霉素影響心肌的代謝功能可能是通過調(diào)控PPAR核受體。在嚙齒動物中，阿霉素導致心肌組織中PPARα、PPARγ和PPARσ的下調(diào)，這些都被認為是對該藥物代謝組反應的重要因素。PGC1α被認為在介導這一系列反應中起主要作用[60-64]。

阿霉素在進入線粒體的過程中使線粒體的NADH脫氫酶、細胞色素氧化酶[65]、細胞色素還原酶及琥珀酸脫氫酶的活性降低，使其氧化磷酸化受到抑制，ATP生成障礙，還嚴重影響了心肌的收縮和舒張。

ATP/ADP 和能荷（EC）是反映細胞能量水平和能量狀況的重要參數(shù)。ATP/ADP和EC比值的降低不僅刺激了線粒體的氧化磷酸化，而且還導致自由能和線粒體膜電位的降低。

線粒體Ca2+蓄積可減少高能磷酸鍵生成，通過能量代謝機制進一步加重心肌細胞損傷。較多文獻認為阿霉素及其代謝物降低了線粒體鈣負荷的能力[19，48]。此外，心肌線粒體MPT 的誘導增強也可能是導致心肌線粒體呼吸頻率降低的原因之一[66]。

6 小結(jié)與展望

通過對阿霉素心臟毒性機制的研究，降低阿霉素治療癌癥帶來的副作用，對阿霉素的臨床應用，癌癥治療和患者預后有十分重要的意義，也對未來研發(fā)更有效的蒽環(huán)類藥物提供了理論基礎。

（利益沖突：無）