镍暴露相关的肺癌发生分子机制研究

朱晓晓 张顺 蔡挺

摘 要：人体镍及其化合物暴露主要是通过吸入和摄入，已有的流行病学研究，肺癌发病率与镍元素相关暴露有显著的相关性。然而，镍及其化合物可通过多种途径从多个方面作用于组织细胞，诱导肺癌发生的分子机制尚不明确。本文主要对镍及其化合物影响细胞凋亡、自噬、侵袭和转移、增殖等方面进行综述，进一步促进与镍相关的肺癌致病机制的深入研究。

关键词：镍；肺癌；凋亡；自噬；侵袭和转移；增殖

中图分类号：R734.2 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.17.002

文章编号：1006-1959（2018）17-0004-04

Abstract：Exposure of human nickel and its compounds is mainly through inhalation and ingestion，and existing epidemiological studies have shown a significant correlation between lung cancer incidence and nickel-related exposure.However，nickel and its compounds can act on tissue cells in many ways through various ways，and the molecular mechanism of inducing lung cancer is still unclear.This review focuses on the effects of nickel and its compounds on apoptosis，autophagy，invasion and metastasis，and proliferation，and further promotes the in-depth study of the pathogenesis of nickel-related lung cancer.

Key words：Nickel；Lung cancer；Apoptosis；Autophagy；Invasion and metastasis；Proliferation

镍（nickel）是天然存在于地壳中的金属元素，是地球上最丰富的元素之一，物理和化学性能独特。金属镍及其化合物广泛应用于工业生产过程中，例如镍精炼，电镀以及与其他金属结合[1，2]。研究发现镍冶金工人体内镍及其化合物含量明显高于普通人群[3]，其暴露主要是通过吸入和摄入，会对人体健康产生多种不利影响，包括皮肤过敏，肺纤维化和呼吸道癌症等[4]，其中最严重的问题是与镍的致癌活性有关。自上世纪70年代以来，已有不少流行病学研究报告表明，职业接触金属类毒物是肺癌的危险因素，暴露于镍及其化合物导致镍精炼工人导致肺癌的风险升高[5-7]。早在1990年，國际癌症研究机构（IARC）将镍化合物作为人类致癌物（1组），和金属镍作为人类可能致癌（2B组），镍元素接触与肺癌发病率有显著的相关性。然而，镍诱导相关的肿瘤发生分子机制尚不明确。本文主要综述目前已提出的多种镍及其化合物诱导肺癌的可能机制，包括镍及其化合物诱导细胞凋亡、自噬、侵袭和转移、增殖等。

1凋亡

凋亡（apoptosis）是细胞的一种基本生物学现象，为特定基因调控的主动性细胞自我死亡过程[8]。细胞凋亡抵抗是肿瘤细胞逃避生理监测并获得超过正常细胞生长优势的关键因素。Park S等[9]通过流式细胞术对断裂的DNA研究，证实了暴露于镍纳米颗粒下（粒径<100 nm）的肺泡上皮（A549）细胞因活性氧簇（ROS）的产生引起凋亡损伤。Zhao J等[10]通过实验将小鼠上皮（JB6）细胞暴露于0.1～20 μg/cm2的镍纳米颗粒或细颗粒24 h后，也可观察到细胞凋亡。目前研究表明，金属镍细颗粒和纳米颗粒的基因毒性可能是通过凋亡途径导致肿瘤发生，但并没有得到验证。

抗凋亡蛋白的异常表达是多种恶性肿瘤的常见特征，包括肺癌、乳腺癌、前列腺癌、黑素瘤和白血病等。抗凋亡蛋白的过度表达促进肿瘤细胞的生长，摆脱生理监测，进而促进肿瘤的形成[11，12]。最近研究表明，氯化镍（NiCl2）诱导的上皮细胞致癌转化，介导致癌途径激活，伴随着增强的B淋巴细胞瘤-2基因（Bcl-2）及其家族成员Bcl-xL蛋白表达[13]。Bcl-2和Bcl-xL蛋白的表达与癌症和细胞转化有关[11，14]。国内有学者[15]对NiCl2转化的人肺上皮细胞的抗凋亡特性及其潜在机制进行了探讨，该研究表明转化的人肺上皮细胞（BEAS-2B）对NiCl2诱导的细胞凋亡具有抗性，证实了Bcl-2，Bcl-xL和ROS清除酶的表达在NiCl2转化的BEAS-2B细胞凋亡抗性方面是重要的。对于NiCl2暴露下诱导人肺上皮细胞转化的分子研究机制很少，其转化的细胞是否具有凋亡抗性和致瘤性有待进一步研究。另有研究表明[16]乙酸镍暴露可诱导附膜蛋白（MUC1）表达，激活人支气管上皮细胞（Beas-2B）中的EGFR/ERK1/2信号通路，增强对凋亡细胞死亡的抗性，慢性暴露于镍化合物时持续的MUC1表达可能有助于增加上皮细胞抵抗力，通过抑制生理凋亡来促进癌症的发展。

此外， Kalaivani P等[17]通过测试新型镍缩氨基硫脲配合物对人肺腺癌细胞系（A549）的体外细胞毒性，实验表明该配合物具有细胞毒性，可诱导A549细胞凋亡。也有研究表明[18]活性氧激活的Akt/ASK1/p38信号通路在镍化合物诱导的BEAS 2B细胞凋亡中具有一定作用。另Wang YF等[19]也证实了镍诱导人近端肾小管细胞的细胞毒性和细胞凋亡通过ROS和线粒体介导的途径。因此，镍及其化合物可从多方面引起细胞凋亡，从而导致肿瘤发生。

2自噬

自噬（autophagy）是一种保守的分解代谢性细胞通路，通过溶酶体降解大分子和细胞器，维持细胞稳态和适应性[20，21]。自噬既可对肿瘤细胞产生抑制作用，也可促进其发生和发展，其复杂的双重调节作用已在临床研究中不断被证实[22-24]。此双重调节作用最有可能的解释是自噬在癌症中的作用是动态的，并且自噬在肿瘤细胞中受多种信号通路的调控[25]。其中，Beclin1是酵母自噬基因Atg6/Vps30的同源基因，也称为BECN1，在肿瘤发生、发展中起重要作用，是一个重要的抑癌基因[26]。吕嘉春研究[27]构建了结晶型硫化镍恶性转化人支气管上皮细胞（16HBE）模型，发现恶性转化细胞（16HBE-T）的GFP-LC3蛋白点状聚集明显低于正常细胞（16HBE-N），且自噬信号通路关键效应分子mTOR激酶活性上升，同时Beclin 1表达下降，证明了结晶型硫化镍可通过依赖mTOR激酶自噬途径参与诱导16HBE细胞恶性转化的癌变过程。此外，黄传书教授等[28]发现了一种新的蛋白SQSTM1/p62对镍诱导的炎性肿瘤坏死因子（TNF）表达具有重要作用，可能导致人支气管上皮细胞的转化活性和致癌性。实验发现，镍暴露下小鼠在体肺组织、离体的人肺上皮细胞内、及人肺鳞状细胞癌中可观察到SQSTM1蛋白上调。进一步的研究表明，敲除SQSTM1蛋白可显著抑制慢性镍暴露后人肺上皮细胞的转化。镍诱导的SQSTM1蛋白降解是通过MTOR-ULK1-BECN1介导的自噬，SQSTM1蛋白上调表现出促进镍诱导的细胞转化。

此外，核因子2（nuclear factor E2related factor 2，Nrf2）也是当前自噬相关的肺癌发生分子机制的研究热点。国内有学者[29]通过在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）细胞系中上调/下调Nrf2，研究Nrf2对NSCLC自噬的影响及其在NSCLC发展中的作用。其结果显示Nrf2是与NSCLC患者的生存率负相关的独立预后因子，Nrf2表达升高促进NSCLC转化，增强肿瘤细胞在体内和体外逃逸凋亡。该研究进一步提示Nrf2还可以诱导自噬体形成并增强自噬活性，进而抑制NSCLC细胞的凋亡。另韩国研究团队[30]报道肺肿瘤组织和镍转化的人肺支气管上皮BEAS-2B细胞（NiT细胞）中转录因子Nrf2高表达，其在NiT细胞的细胞凋亡抗性中起关键作用。有研究表明[31]二甲双胍可通过己糖激酶2（HK2）驱动人支气管上皮细胞中的脂质运载蛋白2（LCN2）活化减轻了NiCl2诱导的自噬和细胞凋亡。然而，我们是否可利用这一特征，用于临床治疗，有待探讨。

综上所述，自噬在参与癌变过程中具有重要作用，但是调控途径的上下游信号分子比较多、机制复杂。因此，通过阐明自噬在肺细胞癌变中的参与过程来预防和治疗肺癌，值得更深入的研究。

3侵袭和转移

肺癌的侵袭和转移（invasion and metastasis）是一個极其复杂的多基因调控和多步骤发展过程，是肿瘤的恶性标志和特征。镍及其化合物影响细胞的迁移、侵袭和内皮细胞粘附作用，影响肺癌治疗效果和导致患者死亡的主要原因之一。Chiou YH等[32]通过实验发现高镍暴露组EGFR突变的患病率明显高于低镍暴露组，肺组织中的镍积聚可能导致未吸烟的肺癌患者发生EGFR突变。其主要原因可能是镍诱导的miR-21通过活化EGFR/NF-kB信号传导途径来抑制SPRY2和RECK表达，增加肺癌细胞的侵袭性，特别是在EGFR L858R表达载体转染的细胞中。此外，肺癌患者血液内镍元素水平与miR-21表达水平相关，证实了镍暴露可能导致癌症发病率上升，也会促进肺癌的侵袭。国内有学者[33]通过体外研究证实镍化合物，如氯化镍，可激活人肺癌细胞中的TLR4信号途径，而TLR4/MyD88的信号转导促进了镍诱导的人肺癌细胞的侵袭力，同时受到人肺癌细胞中IL-8，TGF-β，MMP2和MMP9的表达影响，揭示了p38MAPK途径和NF-kB途径增强由镍诱导的人肺癌细胞侵袭潜力的可能机制。

4增殖

细胞以分裂的方式进行增殖（proliferation），是生物体的重要生命特征。已有研究表明致癌性金属化合物改变基因表达，主要是通过激活原癌基因或干扰负责下调细胞生长的肿瘤抑制基因[34]，促进细胞增殖。王琛等[35]通过不同浓度的Ni2+对小鼠成纤维细胞L929刺激，观察到L929 细胞增殖受到显著抑制，结果表明Ni2+对 L929 细胞可产生细胞毒性作用。Cameron KS等 [36]在研究中观察到肺部化学相关性的非肿瘤性病变，随着氧化镍（NiO）暴露浓度的增加而更严重，支气管和纵隔淋巴结的淋巴增生色素沉着，也发现肺泡/支气管腺瘤或癌（混合癌）发病率增加。Bucchianico SD等[37]最新研究将BEAS-2B细胞镍暴露于金属镍和氧化镍纳米粒子，透射电镜和电感耦合等离子体质谱研究结果提示，氧化镍纳米粒子易导致DNA链断裂并产生细胞内活性氧，引起染色体畸变，产生细胞毒性和遗传毒性。此外，国内有学者[38]探讨了镍离子对人血管内皮细胞（HUVECs）增殖的影响，通过MTT法和GiEMSA染色法观察在不同浓度的镍离子下HUVECs细胞细胞增殖程度，结果发现Ni2+对于于HuVEC细胞具有毒性作用。当前，镍诱导细胞增殖作用相关的肺癌发生机制及其治疗研究甚少，寻找一种可以逆转镍的致癌作用药物，是未来的研究重点之一。

5结论

镍及其化合物通过多种途径作用于细胞，影响细胞的凋亡、自噬、侵袭和转移、增殖等多个方面，诱导肺癌发生的机制相当复杂。如今细胞生物学、分子生物学、基因技术的飞速发展，有助于促进镍诱导肺癌发生机制研究的深入。结合目前有关镍及其化合物致肺癌分子机制的研究基础，探索阻断镍及其化合物对于机体的致肺癌作用，必定推动镍致肺癌防治研究工作前进一大步。

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收稿日期：2018-7-6；修回日期：2018-8-8

编辑/李桦