乙醛脱氢酶与消化道肿瘤相关研究进展

吴国栋，李 惠，曲 波

哈尔滨医科大学附属第二医院消化内科，黑龙江 哈尔滨150086

目前许多研究认为肿瘤组织中存在一部分数量较少的肿瘤干细胞，越来越多的证据表明这些肿瘤干细胞可能与肿瘤的形成、转移及耐药关系密切。乙醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)可以氧化醛形成相应酸来实现解毒作用，然而其作用不仅如此，许多ALDH 如ALDH1A2、ALDH1A3、ALDH1A7、ALDH2* 2、ALDH3A1、ALDH4A1、ALDH5A1、ALDH6 及ALDH9A都在人正常和肿瘤干细胞中被发现，它们不仅起到肿瘤干细胞标志物的作用，也在细胞自我保护、增殖和分化方面发挥作用［1-2］。然而，ALDH 与细胞增殖、分化等的具体关系目前尚不清楚。我们就ALDH 与消化道肿瘤的关系作一概述。

1 ALDH 家族和ALDH1

ALDH 超家族成员在内源性和外源性醛的氧化方面起重要作用，这种作用可以阻止有毒的醛在体内积聚，维持了细胞的稳态，使机体正常功能免受过量的醛的毒性影响。同时，ALDH 通过代谢一些醛的中间体来合成一些重要的分子，如视黄酸、叶酸等。除此之外，ALDH 还表现出一些额外的非酶功能:结合激素及一些小分子物质包括雄激素、胆固醇、甲状腺激素等;吸收紫外线，减弱紫外线在角膜上的作用［2］。其在胚胎发育、神经传导、氧化应激及肿瘤中都有重要作用。我们发现有一些ALDH 是干细胞和肿瘤干细胞的标志物。迄今为止，人类基因组中发现19 个已知的ALDH 基因，编码不同的ALDH 亚型。ALDH 基因突变及ALDH 活性的丧失导致许多疾病的发生，如:白内障与ALDH1A1、ALDH3A1、ALDH18A1 缺失相关，高脯氨酸血症与ALDH4A1 缺失相关，心脏疾病与ALDH2 缺失相关，癫痫与ALDH7A1 缺失相关，酒精敏感与ALDH1A1、ALDH1B1、ALDH2 缺失相关。

最近，ALDH 与干细胞和肿瘤干细胞的关系也被人们认识到，如ALDH1A1 在人类造血干细胞中高表达;ALDH1B1 主要在结肠干细胞中表达，在结肠腺癌中表达则明显上调。在ALDH 家族中，ALDH1 与肿瘤关系的研究较多，ALDH1 家族主要包括ALDH1A1、ALDH1A2、ALDH1A3、ALDH1B1、ALDH1L1 和 ALDH1L2，其分布范围较广，包含肝脏、肾脏、脑、胃肠道等组织中，我们可以应用免疫组织化学技术(aldefluor)方便地评估各组织中ALDH 的表达。

2 ALDH 作为消化道肿瘤标志物

应用ALDH1 作为消化道肿瘤标志物有其组织学依据，正常组织中根据ALDH1 分布的不同可以分为3种类型［3］:(1)缺乏或很少有ALDH1 表达的组织，如乳腺和肺组织;(2)ALDH1 表达相对较弱的组织，如结肠和胃组织;(3)ALDH1 高度表达的组织，如肝脏、胰腺组织。因此，ALDH1 可以在表达水平不高的组织中作为相应的组织肿瘤干细胞标志物如乳腺、肺、结肠、胃组织等，但不适合在高表达组织中作为肿瘤干细胞标志物如肝脏、胰腺等。在胃肠道中，ALDH1 阳性细胞(＜5%)主要位于结肠和胃的正常隐窝底部［1］。消化道肿瘤与ALDH 相关研究中结肠癌研究较为多见，相关研究中普遍接受ALDH1 作为结肠癌干细胞的标志物之一［4］。其中ALDH1A1 和ALDH3A1 在正常和癌症干细胞的分化和增殖等功能中起重要作用［5］，消化道肿瘤的ALDH3A1 高水平表达可能是环磷酰胺类药物具有较差的临床疗效的原因。

许多研究［6］发现ALDH1 阳性表达的肿瘤细胞有干细胞特性，在乳腺癌中发现ALDH1 阳性的癌细胞在免疫缺陷的小鼠体内可以形成乳球和导管小叶结构且有很强的侵袭力。Ginestier 等［6］从500 多例患者标本中发现ALDH1 高表达与乳腺癌预后呈负相关。在膀胱癌、肺癌中的情况也相似［7-8］。通过免疫组化等手段研究显示ALDH1+细胞仅仅局限于结肠隐窝底部，且分布较为分散，当正常上皮癌变后，ALDH1+细胞的数目增加且分布也开始远离隐窝底部。Huang 等［9］的研究阐述了ALDH 可以作为结肠干细胞的一个特异性标志物，且可以通过追踪ALDH+干细胞来了解结肠癌发病过程，结肠干细胞数量在结肠上皮隐窝处大量增加与结肠癌发生及发展密切相关，被Huang 等称为“干细胞过量增殖”假说(SC overpopulation hypothesis)。

3 ALDH 与肿瘤细胞通路

ALDH 能参与到许多肿瘤细胞表达的重要细胞通路中，在肿瘤发生、发展及耐药性中起重要作用。如:STAT 家族是一组转录因子，STAT3 是一个在大肠癌发生、发展中起重要作用的细胞通路。Li 等［10］研究表明ALDH 参与结肠癌干细胞STAT3 的磷酸化，在结肠癌发展中起到作用。同时，ALDH 作为肿瘤干细胞标志物，与CD133 一同存在时可以增强肿瘤干细胞的致瘤性，与ALDH+/CD133-或仅ALDH+的细胞相比，ALDH+/CD133+细胞往往会形成更大的肿瘤，同时成瘤速度也更快。STAT 可以作为一个结肠癌干细胞的治疗靶点，那么ALDH 也可以作为一种新的抗肿瘤治疗的靶点。

ALDH 在胃癌中也有类似作用，Nishikawa 等［11］实验表明ALDH 高表达的胃癌细胞移植到免疫缺陷小鼠体内后对比ALDH 低表达的细胞会形成更大的瘤体，且在小鼠体内表现出更高的致瘤性。应用5-氟尿嘧啶和顺铂培养出的肿瘤细胞含有较多ALDH 高表达的细胞，同时Notch1 和Sonic hedgehog(Shh)在ALDH 高表达细胞中也有表达的上调，Nishikawa 等［11］认为胃癌中ALDH 产生耐药性是通过Notch1 和Shh 信号通路，给我们提供了一个新的胃癌可能的治疗靶点。

Ajani 等［12］通过对食管癌患者的肿瘤标本研究发现，ALDH1 高表达的食管癌细胞与放化疗抗性、肿瘤高侵袭性(表现出更高增殖率)相关，且他们都过度表达抗性基因如Shh、YAP1、Gal-3、Hes-1 等。同时也发现如果细胞抵抗5-氟尿嘧啶，那么其ALHD1+的细胞数量会增加，抗性基因会出现过度表达，且肿瘤细胞侵袭性会增加。Ajani 等［12］的研究给我们提供了一个新的治疗策略，可以应用一些抵抗耐放化疗基因的试剂，如Shh 拮抗剂［13］，或针对诸如YAP1、Gal-3、Hes-1 等基因的抑制剂。

4 ALDH 与肿瘤耐药性及肿瘤的治疗

ALDH 抑制剂目前正被新兴的临床需要所驱动着。然而该种抑制剂仅开发出针对19 种酶中的3 种，它们包括酶代谢相关的ALDH2 及抗肿瘤的药物ALDH1A1 和ALDH3A1 抑制剂。ALDH1A1 和ALDH3A1同工酶活性的增加与肿瘤细胞群对氧氮磷环类抗肿瘤药物耐药性相关，如环磷酰胺和甲基苄肼。ALDH 在耐药机制中的作用被支持是通过观察到当ALDH 活性被抑制后药物作用有所增强。基于这些观察结果，ALDH 同工酶被建议作为新的药理靶点来治疗癌症。在这方面，新的药物被开发和测试叫做ALDH 抑制剂，在肿瘤治疗方面尤其针对于ALDH1A1 和ALDH3A1 同工酶。当然我们必须认识到ALDH 的活化在一些特定的疾病或治疗条件中却是表现出有益效果的。如:Alda-1，一种ALDH 的小分子活化剂，可以防止ALDH2 失活，以此来防止长时间应用硝酸甘油治疗出现的患者对药物的耐受［14］。

ALDH1 最初发现与恶性肿瘤相关是发现与环磷酰胺(CTX)类药物耐药相关，ALDH1 发挥对CTX 的作用是通过氧化其中间产物醛磷酰胺成羟基磷酰胺而发生耐药。在结肠癌耐药性方面的研究，Dylla 等［15］发现在应用环磷酰胺治疗后，剩余的肿瘤细胞中有大量富集ESA+CD44+的结肠癌干细胞，且它们都表现出高水平的ALDH 活性。在应用ALDH 抑制剂或ALDH1A1 靶向siRNA 处理ESA+CD44+的结肠癌干细胞后，这些肿瘤干细胞对于环磷酰胺的敏感性增加，说明其耐药性来自于ALDH 的高度活性。如果能继续研究ALDH 抑制剂或是影响ALDH 表达通路的抑制剂我们可能会找到克服耐药肿瘤干细胞或直接抑制肿瘤干细胞生长的工具［16］。对于ALDH 抑制剂的意义，Raha 等［17］的研究表明肿瘤细胞暴露在细胞毒性药物中会引起ALDH 表达增高，这与肿瘤细胞耐药有很大关系;同时如果给耐药细胞群应用ALDH 抑制剂后应用抗肿瘤药物就可以有效清除耐药细胞群，这说明ALDH 抑制剂对于抗肿瘤及延缓癌症复发有一定积极意义。

Deng 等［18］的研究发现ALHD1 是Ⅱ～Ⅲ期结肠癌患者接受放化疗后的一个独立的预后因素。ALDH高表达与肿瘤复发和转移有显著的相关性，ALDH1 表达每增加一个百分点，肿瘤复发风险增加0.03%。然而ALDH1 在结肠癌患者中表达的意义需要进一步在临床试验中得到评估。

除消化道肿瘤外，ALDH 与许多其他肿瘤的耐药性关系的研究也值得我们关注，因为它们可以在消化道肿瘤研究中给我们许多提示。Luo 等［19］在人类黑色素瘤的研究中提出，ALDH1A 不仅是黑色素瘤的标志物，同时也是一个潜在的治疗靶点。研究者们应用替莫唑胺、紫杉醇和阿霉素进行实验，选择的细胞系是1250Lu 细胞及A375 细胞。对比于相应的阴性表达细胞，ALDH+1250Lu 细胞及ALDH+A375 细胞表现出药物敏感性的下降，对敲除ALDH1A 基因后的ALDH+1250Lu 细胞及ALDH+A375 细胞进行分析，之前耐药的细胞开始出现凋亡与坏死。这些结果表明ALDH1A的表达有助于ALDH+黑色素瘤细胞对化疗药物产生抗性。

一些抗肿瘤药物已经被证明在化疗中对肿瘤产生氧化应激作用，导致脂质过氧化和产生醛类物质［1］。ALDH3A1 活性和耐氧氮磷环类药物之间的关系已经在体外实验证明:高浓度醛脱氢酶环境中培养人肿瘤细胞以增加ALDH3A1 活性，可以使细胞获得稳定的对氧氮磷环类药物的耐药。这种相关性在转染了鼠ALDH3 的人乳腺癌MCF-7 细胞中也得到了证实，而这种抗性在应用了ALDH3 抑制剂二乙氨基苯后得到了逆转。从ALDH3 对环磷酰胺的代谢产物中分析证实了醛磷酰胺的氧化是该同工酶对于氧氮磷环类药物耐药的主要机制。已经有报道ALDH3 和ALDH1 活性的个体差异在人乳腺癌细胞中导致了对4-氢过氧化环磷酰胺的耐药，而这是乳腺癌的一个基本治疗方案。鉴于恶性肿瘤组织中广泛表达ALDH3，在正常乳腺组织和原发乳腺癌组织化疗开始之前测量ALDH 水平有助于对化疗效果进行预测，这为疾病个体化治疗方案提供了基础。由于ALDH3A1 是确定肿瘤细胞对氧氮磷环类药物耐药的关键性指标，我们就可以试图通过抑制ALDH3A1 的合成提高临床治疗效果，或是通过该方法减弱正常组织对化疗药物的敏感性。此外，ALDH3A1 是参与多药耐药的转移基因MTDH 的下游基因，MTDH 是Ha-Ras 和c-Myc 的转化活性的下游介质，它调节肿瘤进展的几个重要方面，其在肿瘤发生过程中对其转化、侵袭、转移、逃避凋亡和耐药均有作用。MTDH 过度表达占乳腺癌患者的40%，且与较差的临床预后相关［20］。研究也发现敲除MTDH 后可以抑制ALDH3 表达且诱导化疗敏感性的增加。为进一步探讨ALDH3A1 在MTDH 介导耐药机制中的重要性，研究人员设计了敲除ALDH3A1 的LM2 细胞系作为实验对象，实验结果是LM2 细胞对紫杉醇、阿霉素和4-氢过氧化环磷酰胺的敏感性增加，恢复ALDH3A1 的表达后LM2 细胞又对上述药物产生耐药性。由此看来，ALDH3A1 起到了广谱耐药的作用，此外它也有助于增加肿瘤干细胞的耐药性。

肿瘤干细胞学说让我们对肿瘤发生、发展有了新的认识，ALDH 作为肿瘤干细胞的发现也在研究肿瘤发生及治疗等方面提供了帮助和新的思路。ALDH 的进一步研究，尤其是与相关信号转导通路相关的研究，有可能进一步阐述肿瘤耐药的重要机制，对今后肿瘤的靶向治疗起到关键性作用。

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