吳發(fā)勝，張暉，謝家童，李建福，陳慧，魯世金

0 引言

肺癌是常見的癌癥，全球每年新增肺癌病例220萬例，占全部惡性腫瘤發(fā)病的11.4%；每年新增死亡病例180萬例，占全部癌癥死亡病例的18.0%[1]。造成嚴(yán)重的社會負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟損失。早期肺癌的一些常見癥狀是咳嗽、低熱、痰中帶血，然而，部分患者在癌癥擴散前期可能沒有任何癥狀,存在一定的隱匿性，對臨床診療帶來一定挑戰(zhàn)。肺癌的臨床治療方案由多個因素決定，如腫瘤的病理類型、臨床分期和解剖位置，以及患者基礎(chǔ)身體條件等。臨床常用的治療方法包括手術(shù)、放療、化療、免疫、靶向及中醫(yī)藥治療等。其中靶向藥物治療是目前肺癌臨床治療中常見的重要手段。線粒體是幾乎所有真核細胞中都存在的膜結(jié)合細胞器，主要通過氧化磷酸化為細胞提供能量。最近的研究表明，線粒體通過多種途徑影響肺癌發(fā)生、進展和耐藥性，靶向線粒體藥物治療已成為目前肺癌治療研究中的熱點。本文就線粒體在肺癌發(fā)展中的作用機制及治療中的研究進展作一綜述。

1 線粒體的結(jié)構(gòu)與功能

線粒體廣泛存在于人體的細胞內(nèi)，它是由外膜、膜間隙、內(nèi)膜和基質(zhì)組成的雙膜細胞器。其主要功能是通過氧化磷酸化的過程將葡萄糖和脂肪酸等有機分子分解，以三磷酸腺苷的形式為細胞提供能量。線粒體的功能還包括調(diào)節(jié)活性氧（reactive oxygen species, ROS）的產(chǎn)生與代謝、細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[2]，以及對細胞凋亡的調(diào)控作用[3]。最近研究還發(fā)現(xiàn)，線粒體參與了癌癥生物學(xué)的各個方面，如癌基因的活化、能量代謝途徑的改變、氧化應(yīng)激、動力學(xué)等均受到線粒體的調(diào)控[4]，這直接導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生或間接促進了腫瘤的發(fā)生與侵襲。通過對線粒體作用機制的進一步研究，可為腫瘤的預(yù)防及治療提供新的思路。

2 線粒體在肺癌發(fā)展中的作用機制

2.1 線粒體DNA突變

線粒體有自己的基因組，包含一個16.6 kb的環(huán)狀基因組，它編碼37個基因（13個呼吸酶復(fù)合蛋白、22個tRNA和2個rRNA），這些基因?qū)τ陔娮觽鬟f和氧化磷酸化所涉及的蛋白質(zhì)的產(chǎn)生至關(guān)重要[5]。由于線粒體DNA（mitochondria DNA,mtDNA）直接暴露在基質(zhì)當(dāng)中，缺少相應(yīng)的保護，這導(dǎo)致mtDNA突變在人體細胞中十分常見。隨著近年來對mtDNA研究的深入，mtDNA突變被證實在腫瘤的發(fā)生、進展中發(fā)揮重要作用。Stewart等[6]通過對癌癥基因組圖譜（TCGA）聯(lián)盟的全基因組測序（WGS）數(shù)據(jù)來繪制來自527種人類癌癥的14種腫瘤的體細胞線粒體基因組測序數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)近2/3的實體瘤至少攜帶一個mtDNA突變，且突變常發(fā)生在薄弱的D環(huán)區(qū)。有研究發(fā)現(xiàn)，在高轉(zhuǎn)移性肺癌細胞中，具有NADH脫氫酶亞基6（ND6）致病突變的mtDNA，在體外和腫瘤微環(huán)境中通過細胞外囊泡轉(zhuǎn)移到低轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞和基質(zhì)細胞當(dāng)中[7]，表明mtDNA的細胞間轉(zhuǎn)移，可能成為肺癌轉(zhuǎn)移的重要通道，見圖1。Horibe等研究證明，mtDNA突變還可以通過提高內(nèi)在ROS水平，激活NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和誘導(dǎo)A549肺癌細胞中的凋亡蛋白抑制劑表達來降低腫瘤對順鉑的敏感性[8]。除了mtDNA序列變異外，mtDNA拷貝數(shù)變異導(dǎo)致mtDNA耗竭或積累也被證實可能導(dǎo)致癌癥的發(fā)生及進展[9]。

圖1 線粒體DNA突變引起細胞的癌變Figure 1 Canceration of cells caused by mitochondrial DNA mutations

2.2 線粒體自噬

線粒體自噬作為人體自噬反應(yīng)中的一種[10]，對線粒體質(zhì)量控制非常重要，在ROS刺激、營養(yǎng)物質(zhì)剝奪、細胞衰老等條件下，線粒體經(jīng)歷膜電位去極化。去極化線粒體被和細胞蛋白隔離在自噬體中，自噬體隨后與溶酶體融合并降解，維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性和線粒體適應(yīng)性。PINK1/Parkin途徑被認(rèn)為是線粒體自噬的主要途徑。它清除去極化的線粒體，以維持線粒體功能和代謝穩(wěn)態(tài)，防止Warburg代謝和過量ROS產(chǎn)生[11]。除了在促進去極化線粒體自噬中的典型作用外，研究還發(fā)現(xiàn)，Parkin與HIF-1α相互作用，通過泛素化促進HIF-1α降解，從而抑制乳腺癌細胞的轉(zhuǎn)移[12]。而HIF-1α通過誘導(dǎo)HIF靶基因來促進腫瘤發(fā)生，從而增強糖酵解、血管生成和轉(zhuǎn)移[13]。因此，Parkin或Pink1的缺失可能會引發(fā)HIF-1α的高表達進而促進腫瘤發(fā)生。此外，Pink1/Parkin誘導(dǎo)的線粒體自噬還通過將TBK1束縛在中心體上、促進紡錘體組裝和有絲分裂來調(diào)節(jié)細胞周期檢查點。因此，增加線粒體自噬可以抑制細胞周期的進展，從而抑制腫瘤細胞的快速增殖[14]，見圖2。

圖2 PINK1/Parkin通過線粒體自噬途徑影響腫瘤的發(fā)生Figure 2 Tumourigenesis affected by PINK1/Parkin through the mitochondrial autophagy pathway

2.3 線粒體動力學(xué)障礙

線粒體動力學(xué)是指線粒體通過動態(tài)的分裂和融合循環(huán)以維持其形狀、分布和大小的高度動力學(xué)性質(zhì)，線粒體動力學(xué)障礙主要分為融合和分裂失衡。這種動態(tài)平衡的打破，與腫瘤的發(fā)生與進展，以及腫瘤的耐藥密切相關(guān)。第一，從融合方面來看，線粒體的融合是由兩種屬于大型GTPases的動力蛋白相關(guān)家族成員調(diào)節(jié)包括MFN1、MFN2、OPA1調(diào)控。Qi等[15]通過對癌癥基因組圖譜數(shù)據(jù)庫進行分析，證實與鄰近正常組織相比，炎性小體家族重要成員黑色素瘤缺乏因子2（absent in melanoma 2, AIM2）在肺腺癌和鱗狀細胞癌中顯著上調(diào)，且高AIM2表達與非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）患者的不良預(yù)后有關(guān)。進一步的研究表明，AIM2與NSCLC細胞中的線粒體共定位， AIM2的過度表達通過抑制MFN2合成，減少細胞內(nèi)線粒體的融合，從而促進腫瘤進展。與之相反的是，AIM2敲除導(dǎo)致線粒體融合增強、細胞增殖減少、細胞內(nèi)ROS產(chǎn)生減少，進而導(dǎo)致MAPK/ERK信號通路失活，抑制腫瘤細胞生長。此外，Wang等的研究表明，在肺癌細胞中，T細胞免疫球蛋白和含黏蛋白結(jié)構(gòu)域的分子4（T-cell immunoglobulin and mucin domaincontaining molecule 4, TIM-4）通過增強視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy 1, OPA1）表達促進線粒體融合，其具體機制涉及PI3K/AKT通路，TIM-4與負(fù)載膜聯(lián)蛋白A2（annexin A2, ANXA2）相互作用，激活PI3K/AKT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，并通過PI3K/AKT途徑增強L-OPA1蛋白的表達，促進肺癌細胞的氧化磷酸化以加速腫瘤進展[16]。第二，從裂變方面來看，線粒體的分裂主要由線粒體動力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1, DRP1）介導(dǎo)[17]。Yu等[18]收集70例肺癌和正常組織，并采用免疫組織化學(xué)法檢測組織中DRP1的表達，結(jié)果顯示DRP1在肺癌組織中顯著過表達，證實DRP1的表達與肺癌的發(fā)生密切相關(guān)。Liu等的研究則進一步證實了這一點，高遷移率族蛋白B1（high mobility group box 1, HMGB1）通過促進磷酸化DRP1的表達，增加肺癌細胞中的線粒體裂變，促進肺癌遷移[19]。此外，在KRAS突變的NSCLC中，DRP1被證實可以通過利用乳酸為腫瘤細胞生長提供能量，還可以阻止ROS誘導(dǎo)的腫瘤細胞的氧化清除，從而促進細胞增殖[20]。線粒體的融合和分裂過程見圖3。

圖3 線粒體的融合與分裂Figure 3 Mitochondrial fusion and division

2.4 能量代謝路徑的改變

線粒體能量代謝相關(guān)途徑主要包括糖酵解、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化、酮體代謝、脂肪代謝和糖異生。約90%的細胞ATP通過這種氧化磷酸化（OXPHOS）途徑在線粒體中產(chǎn)生。然而大多數(shù)癌細胞具有與正常組織根本不同的代謝特征。由于腫瘤微環(huán)境的局部缺氧環(huán)境，線粒體ATP合成途徑從氧化磷酸化向高糖酵解速率的轉(zhuǎn)變，稱為Warburg效應(yīng)。這種能量代謝路徑的改變，滿足了腫瘤細胞對能量的旺盛需求，為癌癥細胞的生長提供了優(yōu)勢，被認(rèn)為是癌癥發(fā)生的重要標(biāo)志。細胞凋亡誘導(dǎo)因子（apoptosis-inducing factor, AIF）是調(diào)節(jié)細胞死亡重要因素之一。最近研究發(fā)現(xiàn)，AIF在線粒體能量代謝中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)功能。Rao等[21]通過敲除肺癌細胞AIF基因，觀察到AIF的遺傳失活能夠顯著降低小鼠的腫瘤負(fù)荷，延長小鼠的生存期。更進一步的機制研究發(fā)現(xiàn)，AIF的缺失會損害呼吸鏈復(fù)合物I的功能，降低OXPHOS的速率，增強糖酵解和對葡萄糖剝奪的敏感性，導(dǎo)致細胞代謝向糖酵解的轉(zhuǎn)變。SUN2（SAD1/UNC84 domain containing protein-2, SUN2）蛋白是位于內(nèi)核膜的核骨架和細胞骨架的連接子復(fù)合物的關(guān)鍵成分，其通過抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1和LDHA基因的表達，調(diào)控Warburg效應(yīng)中葡萄糖攝取和丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)化，見圖4，抑制肺癌中的Warburg效應(yīng)來發(fā)揮腫瘤抑制作用[22]。

圖4 線粒體能量代謝途徑改變Figure 4 Changes in the mitochondrial energy metabolism pathway

3 靶向線粒體治療在肺癌治療中的運用

3.1 增加肺癌放化療療效

放療及化療作為經(jīng)典的治療手段，在肺癌的治療中發(fā)揮了中流砥柱的作用。近年來研究發(fā)現(xiàn)，靶向線粒體藥物可以通過線粒體相關(guān)途徑增強肺癌放化療的療效。Dong等[23]研究表明，莫布替尼在與順鉑聯(lián)合使用時，通過降低PI3K/mTOR信號通路的活化，提高ROS水平并誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，破壞線粒體功能，引起NSCLC細胞能量代謝的紊亂。與單藥比較，對肺癌細胞的生長起到了更好的抑制效果。Bajpai等[24]設(shè)計并構(gòu)建了一種基于膽固醇靶向線粒體的嵌合納米顆粒（mt-CNPs），由順鉑、喜樹堿和替加環(huán)素組成，可同時損害mtDNA、線粒體拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ和線粒體核糖體。并在體外實驗通過共聚焦顯微鏡證實，mt-CNPs在6小時內(nèi)有效定位于A549肺癌細胞的線粒體中，導(dǎo)致線粒體形態(tài)損傷和ROS的產(chǎn)生，相比于單純的化療藥物，mt-CNP在肺癌中顯示出更強的癌細胞殺傷能力。Tsakiridis等[25]通過對腺癌A549和NSCLC H1299細胞進行卡格列凈、放療和順鉑化療處理，并進行增殖、克隆存活和免疫印跡實驗分析，結(jié)果顯示卡格列凈抑制了線粒體OXPHOS級聯(lián)反應(yīng)并激活A(yù)MPK，抑制脂肪、蛋白質(zhì)和mTOR，增強了NSCLC細胞對放療和順鉑的敏感性。

3.2 逆轉(zhuǎn)肺癌細胞對化療藥物的耐藥性

肺癌化療中會不可避免地出現(xiàn)耐藥的情況。逆轉(zhuǎn)癌癥化療耐藥性仍然是化療的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。隨著對線粒體研究的進一步深入，證實可以通過靶向線粒體等方式將藥物輸送至腫瘤部位，從而克服耐藥。Tian等[26]發(fā)現(xiàn)一種由透明質(zhì)酸包裹的紫杉醇（paclitaxel, PTX）脂質(zhì)體，利用自身負(fù)zeta電位和納米級尺寸減少了免疫系統(tǒng)對其的清除，直接作用腫瘤部位，隨后HA被溶酶體中豐富的HAase降解，脂質(zhì)體的zeta電位由陰性變?yōu)殛栃?，DQA包封的脂質(zhì)體通過其親脂性和離域陽離子性質(zhì)靶向線粒體，將PTX傳遞給線粒體，這使得PTX克服一般耐藥，同時在細胞質(zhì)和線粒體內(nèi)發(fā)揮作用。Ruan等[27]通過研究發(fā)現(xiàn)，熱響應(yīng)納米載體N-異丙基丙烯酰胺（N-isopropylacrylamide, PNIPAM）可以防止阿霉素（doxorubicin, DOX）流出并促進DOX在耐藥肺癌中的積累和線粒體靶向。體外實驗證實，負(fù)載DOX的PNIPAM通過增強DOX與線粒體的共定位，顯著降低肺癌H69AR細胞中的ATP水平，使腫瘤細胞中ATP依賴性藥物外排泵活性減弱，從而抑制H69AR細胞中的藥物外排，逆轉(zhuǎn)DOX耐藥小細胞肺癌細胞中DOX耐藥性。普朗尼克85（pluronic 85, P85）在許多研究中被證明可以逆轉(zhuǎn)耐藥性[28]，Wang等[29]構(gòu)建了一種新的使用酸裂解的二甲基馬來酸酐（DA）以二硫鍵為中間接頭（DA-P85-SS-TPP和DA-P-SS-T）修飾多產(chǎn)酸P85共軛線粒體靶向三苯基膦（TPP）的納米載體，這種納米載體在肺癌組織的酸性環(huán)境（pH=6.5）下顯示明顯的線粒體靶向性質(zhì)，通過延長其在血液中的循環(huán)時間并增加腫瘤細胞的內(nèi)吞作用。而具有TPP的聚合物可用作將PTX靶向遞送到線粒體的有效載體，隨后PTX誘導(dǎo)線粒體膜電位降低，導(dǎo)致ATP水平降低，阻斷能量供應(yīng)并顯著抑制P-糖蛋白的生物活性，最終克服A549/ADR細胞的TPX耐藥性。

3.3 與中醫(yī)藥聯(lián)合應(yīng)用研究

傳統(tǒng)中醫(yī)藥以其獨特的整體觀念和辨證論治體系，在肺癌特別是中晚期肺癌治療中療效甚佳，中醫(yī)藥與手術(shù)、放化療、靶向治療的聯(lián)合運用更是表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。隨著對中醫(yī)藥抗腫瘤作用機制的深入研究，證實中藥單藥和復(fù)方具有強大線粒體功能的調(diào)控作用，并通過此途徑參與地參與腫瘤的治療[30]?？嘈尤蕦儆谥箍然邓帲瑥V泛運用于肺癌治療當(dāng)中，苦杏仁苷是傳統(tǒng)中藥苦杏仁中的有效成分。Lin等[31]研究發(fā)現(xiàn)，苦杏仁苷在體外實驗中抑制肺癌A9和PC8細胞的增殖，進一步的機制研究證實，苦杏仁苷可以增強NFκB-1基因在肺癌細胞中的表達，NF-κB的持續(xù)性激活改變了與細胞凋亡相關(guān)的蛋白質(zhì)（Bax、Bcl-2、細胞色素C、半胱天冬酶9、半胱天冬酶3和PARP）的表達，最終導(dǎo)致肺癌細胞中線粒體介導(dǎo)的細胞凋亡。同時，Wang等[32]也發(fā)現(xiàn)，中國傳統(tǒng)抗癌藥物土貝母苷I（tubeimoside I, Tub），通過破壞了線粒體和溶酶體通路及其相互作用，從而表現(xiàn)出對癌癥細胞具有特異性和增強的殺傷作用。其具體機制包括增強DRP1介導(dǎo)的線粒體分裂以及阻斷了功能失調(diào)的線粒體的去除，最終導(dǎo)致ROS的積累，并通過ROS介導(dǎo)的Bax、Bcl-2以及細胞色素C改變誘導(dǎo)的肺癌細胞凋亡。Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，中藥復(fù)方蟾蝓保元湯，可以通過增加Bax/Bcl-2蛋白比例，將細胞色素c從線粒體釋放到細胞質(zhì)中，隨后激活半胱天冬酶-9和下游激活半胱天冬酶-3來誘導(dǎo)細胞凋亡，顯著抑制人肺腺癌細胞的生長并誘導(dǎo)凋亡。另外，桔貝合劑是一種由桔梗、浙貝母、苦杏仁、麥冬、黃芩、枇杷葉、甘草組成的中成藥口服液，被證實增強了吉非替尼在NSCLC細胞中的敏感性，其具體機制涉及對PI3K/AKT和MAPK信號通路的抑制，進而誘導(dǎo)線粒體介導(dǎo)的細胞凋亡[34]。

4 結(jié)論

在既往觀念中，線粒體對肺癌的影響主要涉及能量合成及代謝過程，隨著對線粒體作用機制的深入研究，發(fā)現(xiàn)線粒體還可以通過對細胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞凋亡進行調(diào)控，其功能障礙在肺癌發(fā)生和侵襲中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，且被證實在臨床治療中引起部分化學(xué)藥物的耐藥。目前，對線粒體功能障礙特異性誘導(dǎo)的肺癌體內(nèi)模型有限，缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐，靶向線粒體治療肺癌藥物的開發(fā)及臨床試驗數(shù)量較少，需要更多的研究工作，今后還需加強相關(guān)藥物的研發(fā)并積極投入臨床試驗，以期為肺癌治療提供新的思路及藥物選擇。

利益沖突聲明：

所有作者均聲明不存在利益沖突。