线粒体靶向药物的研究进展

潘凌立1，潘 达2，廖卫兵1，柯 超1，陈安清1(综述)，郭清莲3(审校)

(1.黄石市中心医院急诊科，湖北 黄石435002;2.湖北科技学院五官医学院，湖北 咸宁437100;3.武汉大学中南医院检验科，武汉430071)

线粒体是真核细胞内重要细胞器之一，具有独立的遗传系统，是半自主性的细胞器。它既是细胞的“能量工厂”，同时也是离子稳态、细胞凋亡、疾病发生与发展等多种生理过程的参与者。线粒体功能异常不仅会影响细胞的正常生理过程，还可能会导致细胞凋亡。近年来，线粒体已成为药物研发的重要靶标，以线粒体为靶向的药物研究，已成为当前的一大热门领域。本文就线粒体靶向药物的研究进展予以综述。

1 线粒体靶向药物基础

1.1 线粒体在细胞凋亡中的作用 线粒体在细胞能量代谢和钙稳态维持中起核心作用，同时对细胞凋亡及抗氧化作用有重要影响。在生理条件下，线粒体参与三羧酸循环中的氧化反应，为有效转换各种代谢中间物提供了平台。它参与呼吸过程中的电子传递，完成能量转换;以线粒体跨膜电势形式储存的能量，最终在复合物Ⅴ中合成腺苷三磷酸(ATP)。线粒体在维持细胞钙稳态和细胞凋亡过程中也起着重要作用。细胞凋亡通路并不是单一的，某些细胞可在死亡受体介导下，激活细胞凋亡通路，使细胞内胱天蛋白酶的上下游均产生激活;而在许多细胞中，胱天蛋白酶通路的激活必须依赖于线粒体对凋亡信号的放大，才能发生凋亡。线粒体可作为多种凋亡信号的收集和放大器，对凋亡信号进行整合，从而使膜间腔内的凋亡蛋白调节物释放，并产生凋亡。细胞凋亡可能是复杂的双重调控，是由线粒体DNA和核DNA相互作用介导的。在凋亡过程中，线粒体蛋白可能会在细胞核内产生结合，调控凋亡通路，从而导致凋亡效应的产生[1-2]。

1.2 线粒体作为抗肿瘤药物的靶标 由于线粒体对细胞产能和凋亡的重要调控作用，线粒体作为潜在而重要的抗肿瘤药物靶目标，越来越为人们所重视。正常细胞与肿瘤细胞在线粒体结构和功能上的区别，也逐渐为人们所研究[3]。某些快速生长的肿瘤细胞的线粒体少且小，而某些良性肿瘤细胞则拥有大量的线粒体及氧化酶类，某些线粒体的内膜蛋白也发生了突变。与线粒体结构突变相似，在不同种类的肿瘤细胞中，也观察到了线粒体功能紊乱，包括ATP合成改变及活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的 不 正 常 升 高等[4]。尽管在肿瘤细胞中存在着线粒体功能紊乱，但具体的功能改变情况取决于肿瘤类型、组织部位、肿瘤发展阶段及微环境等。在肿瘤细胞线粒体中，糖酵解的大幅增加是一个典型的代谢变异;肿瘤细胞更多地依靠这种无氧途径来产生ATP，满足细胞的生长及增殖。尽管这种现象的机制仍不十分明确，但普遍认为是线粒体的功能障碍影响了肿瘤细胞的氧化磷酸化，从而迫使其增加糖酵解为细胞供能。在肿瘤细胞中，线粒体电子传递链复合物及ATP酶的活性也有所降低，并且线粒体DNA存在大量突变，在某些特定细胞中存在特定的突变。与正常细胞相比，肿瘤细胞的线粒体膜电势也有所升高[5-6]。另外，肿瘤细胞内ROS升高，是线粒体功能紊乱及其电子传递链复合物渗漏的表现。

2 线粒体靶向药物机制

由于肿瘤细胞与正常细胞线粒体在结构及功能上的差异，选择线粒体作为抗肿瘤药物的靶目标，已成为目前研究热点。以线粒体为靶目标的抗肿瘤药物作用机制，主要集中在线粒体跨膜电势累积、线粒体电子传递链复合物抑制、线粒体渗透转化孔(mitochondrial permeability transition pore，MPTP)开启、线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)调节、糖酵解通路调节等[2-3]。

2.1 基于线粒体膜电势的药物 肿瘤细胞线粒体跨膜电势显著高于正常细胞，某些药物以此为基础，选择性地积聚于肿瘤细胞线粒体内，从而抑制肿瘤细胞生长，甚至引发细胞凋亡。最具有代表性的是电子移位亲脂性阳离子(delocalized lipophilic cations，DLCs)化合物[7]。高的线粒体跨膜电势(ΔΨm)、更大的电场力，使DLCs在肿瘤细胞线粒体内选择性地积聚;而高浓度DLCs会导致线粒体毒性，引发细胞凋亡。除跨膜电势影响外，细胞内其他的多种因素均有可能对DLCs的药效产生影响，如细胞质对其吸收转运及相应的生化反应行为均有可能造成影响。现已有多种DLCs被研发应用，但其临床效果仍需进一步观察验证。罗丹明123是一种特异的线粒体染料，其亲脂性及正电荷分布，使其能穿过线粒体的双层膜，并积聚于负电荷环境的线粒体基质内。其在动物肿瘤模型中具有良好的抗肿瘤活性，在肾脏肿瘤细胞和乳腺癌细胞中也有良好的效果。但是，单纯以罗丹明123为抗肿瘤药物的临床治疗效果并不好;将罗丹明123与其他治疗药物或手段联用，是提高疗效的方法之一[8]。地喹氯铵是一种具有两个正电荷及长脂肪酸链的DLCs，在临床上作为局部抗生素已使用半个多世纪。地喹氯铵主要聚集在肿瘤细胞线粒体内，引起线粒体结构和功能的变异;对线粒体上的钙结合蛋白有抑制作用，从而抑制细胞的增殖[9]。

2.2 基于线粒体电子传递链的药物 在肿瘤细胞中，其电子传递链活性比正常细胞低20%～30%[10]，相比于早期肿瘤细胞，晚期肿瘤细胞中超氧化物歧化酶1活性明显下降，而一氧化氮合成酶活性明显上升[11]。较低的电子传递链活性，反映出肿瘤细胞线粒体氧化磷酸化功能的紊乱。作为细胞内ROS产生的主要场所，对电子传递链的干扰可能会导致电子渗漏，从而增加ROS的产生，最终导致线粒体损伤和细胞凋亡。由于肿瘤细胞ROS浓度较高，因此基于ROS机制的细胞杀伤药物，也具有良好的肿瘤细胞靶向性[12]。白藜芦醇是葡萄等水果中富含的天然产物，有提高线粒体功能活性的作用。白藜芦醇可以抑制线粒体电子传递链复合物Ⅰ～Ⅲ的活性，减少ATP的生成;通过与泛素蛋白的竞争作用，白藜芦醇降低复合物Ⅲ的活性并降低ROS水平。白藜芦醇具有抗氧化作用，其可引起线粒体膜渗透性改变[13]，通过线粒体通路引导细胞凋亡[14]。白藜芦醇对细胞内许多重要信号转导通路有影响作用，如磷脂酰肌醇3-激酶/丝苏氨酸蛋白激酶、JAK激酶/信号转导和转录激活因子等通路[15]。白藜芦醇的许多类似物具有抗肿瘤活性[16]。α-维生素 E 琥珀酸酯(α-tocopheryl succinate，α-TOS)是一种维生素E的衍生物，α-TOS可在细胞内引起ROS的快速增加，具有较好的细胞毒性及抗肿瘤活性。α-TOS可诱导多种肿瘤细胞的凋亡，对正常组织不造成伤害，且α-TOS及其衍生物能显著抑制多种肿瘤的生长，包括肺癌、结肠癌、乳腺癌、黑色素瘤和间皮瘤等。通过阻碍鼠抗人Bcl-xL单克隆抗体或B细胞淋巴瘤/白血病2(Bcl-2)与Bak BH3肽段的结合，α-TOS也可抑制 Bcl-xL及 Bcl-2的抗凋亡活性[17-18]。α-TOS进入细胞后，特异性进入线粒体内，与线粒体上的泛醌竞争，替代泛醌，结合在线粒体内膜复合体Ⅱ上，影响线粒体内膜复合体Ⅱ的功能，尤其是山梨醇脱氢酶活性表达，并引起ROS的产生[19]。正常细胞中酯酶活性较高，可以将α-TOS水解成为α-维生素E，失去毒性;α-TOS类药物在细胞内表现出的药效作用，还可能与pH等因素相关。在不同pH下，分别表现出抗氧化活性或抗肿瘤活性[20]。维生素E类衍生物对肿瘤细胞的选择性，可能依赖于其对某些特殊的转导通路(如磷脂酰肌醇3-激酶/丝苏氨酸蛋白激酶、核因子κB等)的抑制[21]。

2.3 基于线粒体MPTP的药物 传统的MPTP模型是一个介于线粒体内膜与外膜间的复合蛋白结构，MPTP上包含多种重要蛋白，如腺嘌呤核酸转运酶、电压依赖阴离子通道等。MPTP是压力依赖的、环孢素A敏感的、高电导率的线粒体膜通道，MPTP的开启可导致线粒体去极化。异常的MPTP开启会导致线粒体膜电势的坍塌，使线粒体向细胞质中释放细胞凋亡因子，导致细胞死亡。肿瘤细胞与正常细胞MPTP不同，如在某些肝癌细胞中，腺嘌呤核酸转运酶的活性及对米酵菌酸的敏感程度低;在肿瘤细胞中，腺嘌呤核酸转运酶2基因常常处于过表达状态[22]。肿瘤细胞与正常细胞在MPTP上的不同，使得在治疗过程中MPTP作为有效的治疗靶点。厚朴酚不仅可通过细胞凋亡蛋白依赖/非依赖途径引发细胞凋亡，还可通过影响线粒体MPTP引发细胞坏死[23]。厚朴酚对食管癌细胞有选择性杀伤作用，且在高浓度ROS环境下依然有效。厚朴酚可引发线粒体膜电势的下降，并可被环孢素A抑制，线粒体上的MPTP很可能是厚朴酚的作用位点。重组人亲环素D可能在厚朴酚结合过程中发挥了重要作用，剔除了重组人亲环素D的细胞可抵御由厚朴酚引发的细胞死亡[24]。桦木酸是一种天然五环三萜类化合物，具有多种药理学作用，包括消炎、抗艾滋病毒1及抗肿瘤作用。桦木酸对结肠癌、黑色素瘤等均有较好的治疗效果[25]。桦木酸介导的细胞凋亡是一种非p53依赖途径。桦木酸可直接引起线粒体膜渗透性改变[26]，引起线粒体去极化而不依赖于胱天蛋白酶。桦木酸的药理作用是通过过量的ROS引发MPTP。

2.4 基于线粒体DNA的药物 人类的mtDNA包含16.5 kb的碱基对，编码13个呼吸链复合物;mtDNA缺少组氨酸蛋白保护且修复能力较弱，易受到破坏。在肿瘤细胞中，存在着大量mtDNA的突变[27]，大部分突变类型均是碱基T变为A或G变为A，这种突变很有可能与ROS的诱导有关。在约70%的结肠癌细胞中均可观察到mtDNA突变，大部分突变发生在嘌呤基团上，说明mtDNA突变与ROS有关。mtDNA对药物在细胞内的药效有重要影响，由于线粒体电子传递链对细胞供能有重要作用，因此与mtDNA结合的药物会影响细胞的能量代谢和细胞生长。地特氯铵主要积聚于线粒体内，可引发mtDNA的特异损伤，并阻碍其修复[28]。在地特氯铵的作用下，线粒体内膜嵴及mtDNA均有损伤，展现了良好的体内抗肿瘤活性。以环丙沙星为代表的喹诺酮类药物，对mtDNA造成时间依赖性的损伤，并阻碍其修复;对糖酵解上游途径的调节使得乳酸水平升高。依托泊苷是一种广泛应用于抗肿瘤治疗的DNA拓扑异构酶Ⅱ抑制剂，其可以抑制由胸腺线粒体中分离得到的DNA拓扑异构酶Ⅱ;低剂量浓度的依托泊苷主要导致细胞核DNA损伤，而高剂量浓度的依托泊苷会导致MPTP开启[29]。基于这类药物的作用方式，对细胞核DNA的干扰仍是其可能的抗肿瘤作用机制，但其对mtDNA的影响也需进一步研究。

2.5 基于线粒体代谢的靶向药物 肿瘤细胞主要利用糖酵解途径为细胞供能，维持细胞的生长及增殖。在肿瘤细胞中，多种糖酵解及三羧酸循环过程中的酶活性均有所改变，这些改变使得肿瘤细胞更依赖于糖酵解途径。肿瘤细胞在代谢途径上的改变，为药物靶向设计提供了优秀的靶点，某些针对肿瘤细胞代谢的抗肿瘤药物，已被证明具有良好的抗肿瘤活性。二氯乙酸盐通过抑制线粒体丙酮酸脱氢酶激酶，使丙酮酸脱氢酶活化，将丙酮酸转化为乙酰-辅酶A。丙酮酸脱氢酶负调节丙酮酸脱氢酶激酶，通过抑制丙酮酸脱氢酶激酶可使癌细胞从糖酵解到糖氧化途径的不正常代谢发生逆转。二氯乙酸盐被证实可向下调节包括乳腺癌和恶性胶质瘤等多种癌细胞的线粒体膜电位的异常升高，同时可激活钾离子通道，增加线粒体ROS生成，但正常细胞不受影响[30]。在肿瘤细胞A549中，二氯乙酸盐引起细胞凋亡、H2O2升高及电压门控钾离子通道Kv1.5的激活。二氯乙酸盐使线粒体增殖减少并恢复正常，且细胞凋亡增加，从而抑制肿瘤生长。目前，二氯乙酸盐作为单一药物治疗，正在肿瘤患者中进行一期临床测试。氯尼达明是一种吲哚类羧酸衍生物，同时具有杀精及抗肿瘤作用。其在肿瘤细胞内首要的作用是进行能量调节。基于对己糖激酶Ⅱ(常在肿瘤细胞内过表达)的抑制，氯尼达明可对糖酵解途径产生抑制，并能改变ANT的渗透性，ANT受体米酵菌酸可阻滞这种脂蛋白。氯尼达明也可增强其他药物(如阿霉素、顺铂、卡莫斯汀等)的毒性。针对一系列肿瘤细胞，均已开展氯尼达明与其他药物联用或单独使用的临床治疗[31]。

3 结语

现阶段已有相当数量的以线粒体上特异结合位点为靶点或以线粒体结构功能的变异为靶点的小分子化合物被研究报道，其中许多化合物具有潜在的抗肿瘤活性[20]。目前，大部分化合物的抗肿瘤活性均仅限于体外细胞水平或动物实验上;在接下来的研究中，探究化合物的临床药效和长期作用是十分必要的。值得注意的是，影响肿瘤的因素是十分复杂的，因此不同种类的抗肿瘤药物的联用及多功能药物的研发，将是抗肿瘤药物研发的方向之一。

[1]Fulda S，Galluzzi L，Kroemer G.Targeting mitochondria for cancer therapy[J].Nat Rev Drug Discov，2010，9(6):447-464.

[2]Wang F，Ogasawara MA，Huang P.Small mitochondria-targeting molecules as anti-cancer agents[J].Mol Aspects Med，2010，31(1):75-92.

[3]Bellance N，Lestienne P，Rossignol R.Mitochondria:from bioenergetics to the metabolic regulation of carcinogenesis[J].Front Biosci(Landmark Ed)，2009，14:4015-4034.

[4]Diehn M，Cho RW，Lobo NA，et al.Association of reactive oxygen species levels and radioresistance in cancer stem cells[J].Nature，2009，458(7239):780-783.

[5]Galluzzi L，Morselli E，Kepp O，et al.Mitochondrial gateways to cancer[J].Mol Aspects Med，2010，31(1):1-20.

[6]Gogvadze V，Orrenius S，Zhivotovsky B.Mitochondria as targets for cancer chemotherapy[J].Semin Cancer Biol，2009，19(1):57-66.

[7]Modica-Napolitano JS，Aprille JR.Delocalized lipophilic cations selectively target the mitochondria of carcinoma cells [J].Adv Drug Deliv Rev，2001，49(1/2):63-70.

[8]Vander Heiden MG，Cantley LC，Thompson CB.Understanding the Warburg effect:the metabolic requirements of cell proliferation[J].Science，2009，324(5930):1029-1033.

[9]Bodden WL，Palayoor ST，Hait WN.Selective antimitochondrial agents inhibit calmodulin [J].Biochem Biophys Res Commun，1986，135(2):574-582.

[10]Galli S，Labato MI，Bal de Kier Joffe E，et al.Decreased mitochondrial nitric oxide synthase activity and hydrogen peroxide relate persistent tumoral proliferation to embryonic behavior[J].Cancer Res，2003，63(19):6370-6377.

[11]Sanchez-Pino MJ，Moreno P，Navarro A.Mitochondrial dysfunction in human colorectal cancer progression [J].Front Biosci，2007，12:1190-1199.

[12]Trachootham D，Alexandre J，Huang P.Targeting cancer cells by ROS-mediated mechanisms:a radical therapeutic approach?[J].Nat Rev Drug Discov，2009，8(7):579-591.

[13]Zhang Y，Tian F，Xiao Q，et al.Exploiting the role of resveratrol in rat mitochondrial permeability transition [J].J Membr Biol，2013，246(5):365-373.

[14]Juan ME，Wenzel U，Daniel H，et al.Resveratrol induces apoptosis through ROS-dependent mitochondria pathway in HT-29 human colorectal carcinoma cells[J].J Agric Food Chem，2008，56(12):4813-4818.

[15]Roy P，Kalra N，Prasad S，et al.Chemopreventive potential of resveratrol in mouse skin tumors through regulation of mitochondrial and PI3K/AKT signaling pathways[J].Pharm Res，2009，26(1):211-217.

[16]Jeong SH，Jo WS，Song S，et al.A novel resveratrol derivative，HS1793，overcomes the resistance conferred by Bcl-2 in human leukemic U937 cells[J].Biochem Pharmacol，2009，77(8):1337-1347.

[17]Zhao Y，Neuzil J，Wu K.Vitamin E analogues as mitochondria-targeting compounds:from the bench to the bedside?[J].Mol Nutr Food Res，2009，53(1):129-139.

[18]Dong LF，Freeman R，Liu J，et al.Suppression of tumor growth in vivo by the mitocan αlpha-tocopheryl succinate requires respiratory complex Ⅱ[J].Clin Cancer Res，2009，15(5):1593-1600.

[19]Dong LF，Low P，Dyason JC，et al.Alpha-tocopheryl succinate induces apoptosis by targeting ubiquinone-binding sites in mitochondrial respiratorycomplex II[J].Oncogene，2008，27(31):4324-4335.

[20]Li DW，Tian FF，Ge YS，et al.A novel pH-sensitive(±)-α-tocopherol-5-fluorouracil adduct with antioxidant and anticancer properties[J].Chem Commun(Camb)，2011，47(38):10713-10715.

[21]Constantinou C，Papas A，Constantinou AL.Vitamin E and cancer:an insight into the anticancer activities of vitamin E isomers and analogs[J].Int J Cancer，2008，123(4):739-752.

[22]Berridge MV，Herst PM，Lawen A.Targeting mitochondrial permeability in cancer drug development[J].Mol Nutr Food Res，2009，53(1):76-86.

[23]Dong JX，Zhao GY，Yu QL，et al.Mitochondrial dysfunction induced by honokiol[J].J Membr Biol，2013，246(5):375-381.

[24]Chen G，Izzo J，Demizu Y，et al.Different redox states in malignant and nonmalignant esophageal epithelial cells and differential cytotoxic responses to bile acid and honokiol[J].Antioxid Redox Signal，2009，11(5):1083-1095.

[25]Jung GR，Kim KJ，Choi CH，et al.Effect of betulinic acid on anticancer drug-resistant colon cancer cells[J].Basic Clin Pharmacol Toxicol，2007，101(4):277-285.

[26]李佳涵.纳米粒子和线粒体靶向药物与线粒体相互作用[D].武汉:武汉大学，2012.

[27]Fliss MS，Usadel H，Caballero OL，et al.Facile detection of mitochondrial DNA mutations in tumors and bodily fluids [J].Science，2000，287(5460):2017-2019.

[28]Okamaoto M，Ohsato T，Nakada K，et al.Ditercalinium chloride，a pro-anticancer drug，intimately associates with mammalian mitochondrial DNA and inhibits its replication[J].Curr Genet，2003，43(5):364-370.

[29]Robertson JD，Gogvadze V，Zhivotovsky B，et al.Distinct pathways for stimulation of cytochrome c release by etoposide [J].J Biol Chem，2000，275(42):32438-32443.

[30]Bonnet S，Archer SL，Allalunis-Turner J，et al.A mitochondria-K+channel axis is suppressed in cancer and its normalization promotes apoptosis and inhibits cancer growth [J].Cancer Cell，2007，11(1):37-51.

[31]Berruti A，Bitossi R，Gorzegno G，et al.Time to progression in metastatic breast cancer patients treated with epirubicin is not improved by the addition of either cisplatin or lonidamine:final results of a phaseⅢ study with a factorial design[J].J Clin Oncol，2002，20(20):4150-4159.