红肉中血红素的肠道致癌作用机理与预防措施的研究进展

彭家宣,郭秀兰,侯彩云,王国泽,唐仁勇

(成都大学药学与生物工程学院,四川成都 610106)

近年来,癌症已成为全球范围内第二大致死因素,结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是第三种最常见癌症[1]。国家癌症中心最新数据显示,结直肠癌在国人患恶性肿瘤中的发病率也已跃居第三位,仅次于肺癌和胃癌,病死率位居第五位[2]。研究发现结直肠癌的发病率与饮食有很大联系[1],高消费量的红肉及其加工制品的摄入被认为是诱发结直肠癌的一个重要因素[3-5]。红肉通常是指肉样因肌红蛋白含量高而呈现红色的哺乳动物肉,其营养价值丰富,是人类食物蛋白的主要来源[6-7]。但2015年10月国际癌症研究机构(IARC)将加工肉制品列为1类致癌物,红肉列为2A类致癌物质[6]。最近一些研究表明红肉及其加工制品中的血红素、亚硝基化合物(NOCs)、杂环胺(HCAs)、N-羟乙酰神经氨酸(Neu5Gc)以及多环芳烃(PAHs)都是潜在致癌物质,能够促进癌症发展[7-10]。

近年来,人们越发关注血红素导致CRC的潜在机理。2004年,Pierre的小鼠实验中发现,CRC的发生率与其饮食中的血红素含量有很大联系[3,11]。2010年,Pierre实验小组进一步发现亚硝基肌红蛋白较肌红蛋白具有更强的肠道致癌作用[3]。次年,Bastide进一步证实血红素能够催化促进NOCs的形成[12]。2013年,IJssennagger发现血红素铁能够催化促进粘膜上皮细胞的异常增殖,诱发CRC[13]。2015年,Bastide的实验发现血红素能够促进醛类的生成,增加CRC的发病率[1]。

血红素是一种铁卟啉化合物,铁(Fe)原子位于其原卟啉环内,通过N-Fe键与四个吡咯环结合。它有a、b、c三种主要的变体,其中血红素b更容易释放出游离血红素,是哺乳动物中最丰富的存在形式,其分子结构为一个大型疏水性四聚吡咯环连接两个垂直于卟啉环的丙酸侧链[3],具有多种生理功能[4,11]。本文主要就血红素诱发结直肠癌的潜在机理(图1)进行综述,并列出可能减弱血红素致癌性的相关措施。

图1 血红素致癌机理图

1 血红素诱导结直肠癌的致癌机理

1.1 血红素诱导细胞毒性

血红素的吸收主要集中在小肠上部[9]。被吸收后的血红素由血红素氧合酶催化分解,产生亚铁离子(Fe2+)、胆绿素和一氧化碳[9]。血红素氧合酶有HO-2和HO-1两种形式,HO-2是正常生理条件下代谢血红素的酶[3,9]。然而,在血红素过多的情况下,异构体HO-1的表达会加速,使得游离血红素和不稳定的铁累积[9,14]。其次,食用大量红肉或加工肉后,摄入的血红素不能被小肠全部吸收,转移至大肠,成为游离血红素[4],在低钙低纤维饮食者体内停留较长时间,增加血红素与肠道上皮细胞的接触[4,9]。

1.1.1 促进细胞的裂解 2006年,Glei的体外实验发现[15],血红素浓度大于100 μmol/L就会导致细胞膜的损伤,对人的原发性结肠细胞产生细胞毒性作用。2010年,Ishikawa发现血红素的浓度在0.1～100 μmol/L时,其诱导的DNA损伤随浓度增加而显著增加,但添加血红素抑制剂ZnPP和过氧化氢酶可抑制血红素诱导的DNA损伤[16-17]。即过量的游离血红素能够显著增加细胞膜的渗透性、促进细胞的裂解[14]。

1.1.2 形成血红素细胞毒性因子 游离在大肠中的血红素分子疏水端插入到细胞膜的脂质层中,释放活性氧和自由基[9]。由活性氧作用形成的脂质过氧化物,与血红素的原卟啉环结合,形成极亲脂分子,即“血红素细胞毒性因子”[9]。在Ijssennagger的小鼠实验中发现,该因子能够诱导如Tis7,Nemo和细胞坏死诱导因子——受体相互作用蛋白激酶3(Receptor interacting protein kinase-3,RIP3)等细胞毒性应激标记物的大量表达,对结肠上皮细胞产生明显的细胞毒性[13]。即血红素介导产生的脂质过氧化物诱导细胞毒性因子表达,损伤结肠粘膜上皮细胞[18],导致结肠隐窝区域干细胞增殖,形成代偿性上皮增生[9,19],增加患结直肠癌的风险。

1.2 血红素促进亚硝基化合物(NOCs)的形成

NOCs由蛋白质发酵再经亚硝基化形成,是一种强大的致癌物质,在许多类型的食物中都可以检测到[6]。Bingham在1996年就报导称红肉能促进内源性NOCs的形成[20]。2007年,Kuhnle证实亚硝基铁(FeNO)是导致NOCs内源性形成的主要因素[21]。2009年,Joosen证实血红素在红肉中刺激内源性NOCs的形成[22]。人体内的NOCs来源大致可以分为两种[10,23],一种是体内自生的亚硝基化剂和亚硝基化底物[24],另一种是通过膳食摄入的亚硝基化合物前体,如腌制等加工肉以及啤酒等[25]。

亚硝基化底物在正常酸性胃中形成亚硝基硫醇(RS-NO)和NO,在低酸性胃中直接形成NOCs[26]。RS-NO本身无害,但能转化提供NO,并通过仲胺的亚硝化反应生成亚硝胺,促进亚硝基血红素或者其他NOCs形成,具有一定的毒性,致癌作用[9,26-27]。而NO积累过量,会促进活性氧生成。过多活性氧可能会导致K-ras基因和APC基因“G-T”突变,诱导结直肠癌[9]。此外,过量的NO也可作为亚硝基化剂,促进NOCs形成[9]。

1.2.1 促进DNA烷基化 红肉及其加工肉制品的摄入增加了体内的血红蛋白和肌红蛋白的含量,肌红蛋白和血红蛋白极容易亚硝基化形成亚硝基肌红蛋白和亚硝基血红蛋白,NO直接与其反应生成NOCs[26]。NOCs极有可能与DNA碱基亲核中心发生反应,造成DNA烷基化,诱导上皮细胞中K-ras基因和TP53基因发生“G-A”的突变,导致结直肠癌[9,28-29]。

1.2.2 生成DNA加和物 此外,一些亚硝化甘氨酸衍生物已被证明能与DNA生成NOCs衍生物,如O6-羧甲基鸟嘌呤(O6-CMG)以及O6-甲基鸟嘌呤(O6-MeG)等甲基加合物[29-30]。其中,O6-CMG不会被细菌和哺乳动物的O6-羧甲基鸟嘌呤-DNA转移酶(MGMT)所修复,容易在肠道细胞的DNA上累积,促进结肠细胞脱落,导致结直肠癌的前期病变[5,29]。

1.3 血红素诱导脂质过氧化

脂类是各种活性氧和活性氮的生物靶点,能够参与多种生化反应,导致大量的副产物生成[29]。2014年,Bussche等人研究红肉饮食中形成O6-CMG和丙二醛(MDA)的影响因素,证实血红素铁参与促进了脂质过氧化和NOCs的形成[29]。此外,在Bastide的实验中发现,含血红蛋白的饮食显著增加了粪便中的硫代巴比妥酸反应物质以及尿液中的脂质氧化产物4-羟基壬烯醛(4-HNE)的代谢物1,4-二羟基非复方酸(DHN-MA)的量,再次证明血红素铁能催化促进脂质过氧化[1]。

脂类负责维持细胞膜的完整性,大量的脂质过氧化改变了脂类膜的组成和结构,显著改变脂质双分子层的物理性质[31]。其次,脂质过氧化作用使膜上的酶和受体失活,导致膜的流动性降低,增加对钙等离子的非特异性通透性,影响细胞的正常代谢功能[9]。脂质过氧化物作为一种高度反应活性的化合物,能够与亚铁离子反应生成相应的烷氧自由基,从而产生新的过氧化反应,或降解为能交联DNA和蛋白质的反应活性化合物[31]。脂质过氧化物的醛基降解产物对细胞有毒性,其中最具代表性的是MDA和4-HNE[29]。

1.3.1 形成丙二醛(MDA) MDA本身是一种二醛,能与蛋白质的伯胺或DNA相互交联,发生反应[31]。如MDA可以与伯胺形成1,4-二氢吡啶加和物,同时也可参与促进O6-CMG等具高突变性和遗传毒性的DNA加合物形成[29]。

1.3.2 形成4-羟基壬烯醛(4-HNE) 4-HNE也含有一个醛基官能团,能够与组织细胞内的蛋白、核酸、酶类等物质相互作用,诱导APC基因发生“G-T”的突变以及结直肠上皮细胞异常增殖,引发一系列组织病理损伤,导致CRC的产生[9]。Bastide的实验证明,4-HNE浓度高于20 μmol/L时将杀死正常细胞。而在较低浓度,它们可以诱导小鼠Apc+/+细胞产生突变,诱发癌变[1]。

1.4 高血红素诱导肠道菌群失调

肠道在维持身体和外部平衡中起到了重要的作用,能将病原体排出体外,同时吸收营养物质[32]。肠道菌群有助于维持正常肠上皮细胞的各种代谢、免疫和稳态功能。肠道菌群的数量、分布或稳定性的任何变化都可能引起上皮细胞的慢性炎症,导致结直肠癌[9]。饮食是影响肠道菌群最主要的因素之一[33]。

1.4.1 增加大肠杆菌和拟杆菌门,减少乳酸杆菌 高血红素饮食能够增加肠道中大肠杆菌和拟杆菌门,减少乳酸杆菌等厚壁菌门[29,33]。而拟杆菌门和大肠杆菌会产生肠毒素诱导炎症,不能形成有效的肠道表面屏障,使共生细菌及其衍生物极其容易侵入肿瘤间质,成为诱发和维持促肿瘤炎症的驱动力[34],促进慢性炎症的发生。活化的炎性细胞提供活性氧和活性亚硝基中间体,诱导DNA损伤和基因组不稳定,促进早期肿瘤的生成[35]。同时大肠杆菌含有亚硝酸还原酶,能够加速亚硝化过程[36],促进NOCs形成,增加患结直肠癌风险。

1.4.2 减少双歧杆菌,增加产硫细菌 此外,红肉中的其他因素也会导致肠道菌群改变,如脂肪会导致双歧杆菌减少、产硫细菌增加[4]。双歧杆菌的减少降低了丁酸产量,减弱对DNA加和物O6-CMG合成的抑制,影响细胞分化和肠道健康[37]。产硫细菌主要生成硫化氢,损伤肠道上皮细胞[4],导致与炎症相关的转录因子如NF-κB的过度启动,促进肿瘤细胞增殖[4,38]。降低血红素致癌的可能措施。

2.1 利用钙和叶绿素减少血红素铁的吸收

乳制品、豆类和海产品等食物中的钙能够抑制细胞毒性和结直肠癌[4,39-40]。有报道称,钙离子能够螯合血红素,减少肠道中游离血红素的含量,使其在肠道内无反应,最终随粪便排泄出体外[4]。含钙饮食能够明显降低如异常隐窝病灶(ACF)和粘蛋白衰竭病灶(MDF)等癌前病变的发生率[39-40],阻止上皮细胞的异常代谢增生[32]。Allam等[41]指出,天然食物中的碳酸钙结合血红素的能力强于磷酸钙,应被广泛用于减少结直肠癌等相关癌症风险。

绿色蔬菜中含有大量的叶绿素,其结构类似于血红素,是植物体内的镁卟啉化合物。叶绿素中所含的卟啉可以与血红素卟啉相竞争,与脂质过氧化物结合,从而减少“血红素细胞毒性因子”的含量,抑制其毒性和细胞增殖作用[9]。此外,叶绿素还可以与血红素形成络合物,也降低了血红素的毒性作用和异常增殖[27]。

2.2 使用亚硝酸替代剂、阻断剂等抑制NOCs的合成

加工肉制品中的亚硝酸盐是外源性NOCs的主要来源,可以利用亚硝酸盐替代剂直接减少NOCs的外源性摄入,利用阻断剂抑制亚硝胺的形成,降低结直肠癌风险。亚硝酸盐在肉中主要起到抑菌、增色的作用[42]。有研究表明,可以利用壳聚糖和乳酸链球菌素来代替亚硝酸盐对肉毒梭状芽孢杆菌等腐败菌的抑制作用[42];利用胭脂树红[43]、番茄红素[44]等色素替代亚硝酸盐与肌红蛋白相作用的增色效果。其次,利用多酚、抗坏血酸、大蒜素等阻断剂阻止亚硝基化的进程[45-46],如大豆中的异黄酮能抑制NO合成酶的形成,显著降低NOCs含量[45]。此外,也可以通过巴氏杀菌、气调包装和辐照等技术有效阻断NOCs合成[46],减弱血红素的致癌效果。

2.3 利用天然抗氧化物质抑制脂肪过氧化

天然抗氧化物质主要是指水果和蔬菜中所含的抗氧化剂,可以有效防止脂肪过氧化,并且在一定程度上减弱了血红素的致癌效果[4],主要包括多酚、类胡萝卜素、生育酚、抗坏血酸、大蒜素以及棕榈烯酸和亚麻酸等不饱和脂肪酸[4,46]。其中,西红柿的β-胡萝卜素和番茄红素含量较高,能够有效降低血浆浓度,抑制结直肠癌的发展[47];红酒中的白藜芦醇具有多效药理特性,能够抑制血小板聚集,抵抗活性氧的伤害[47];橄榄油中含有生育酚、角鲨烯、醇类和多酚等几种生物活性化合物,能够影响细胞中的多胺代谢,从而降低肿瘤形成的风险[47]。此外,茶叶中的儿茶素约占茶多酚的75%到80%,也能够有效抑制蛋白激酶的诱导作用,调节Akt、p38MAPK等信号通路,促进细胞凋亡,抑制癌细胞的增值,降低肿瘤形成的风险[48-49]。姜黄中的姜黄素能够抑制血管平滑肌细胞中脂多糖诱导的炎症介质的过分表达,降低AP-1,NF-κB,IL-1β,IL-6等因子,以及单核细胞趋化因子和基质金属蛋白酶等在主动脉组织中的作用,抑制结直肠癌的发展[49]。

2.4 添加益生元和益生菌改善肠道菌群紊乱

益生元是一种膳食补充剂,不能被人体直接消化吸收,只能在人体肠道中被细菌分解利用,促进乳酸菌和双歧杆菌等益生菌的增殖,现已广泛应用的益生元包括果糖、菊粉、低聚果糖、半乳糖和木糖等[50]。在食品中添加益生元,可以给肠道益生菌补充“食物”,激活与增殖人体内的益生菌群,以达到促进微生态平衡,改善健康的目的。联合国粮食及农业组织(UNFAO)和世界卫生组织(WHO)将益生菌定义为“活的微生物,并在适当的剂量下有利于宿主的健康”[51]。最近已有研究证明,凭借17种益生菌就可能恢复正常的肠道免疫功能[1,4]。具体而言,利用益生元和益生菌,能够调节肠道菌群,增加对肠道有益的革兰氏阳性菌,减少梭状芽孢杆菌;分泌抗炎细胞因子,增强肠道屏障功能;以及通过分泌抗氧化和抗癌化合物提高人体免疫功能[1,4,49,52],从而降低食用红肉带来的结直肠癌风险。此外,膳食纤维等益生元也能够在肠道消化过程中,增加粪便体积,加快肠道转运,稀释细胞毒素的浓度,减弱其与肠道上皮细胞的接触,进一步降低结直肠癌风险[33,53]。

3 总结与展望

红肉营养价值丰富,是微量元素和必须氨基酸的良好来源,也是人们日常饮食中不可或缺的。但其富含的血红素是诱发结直肠癌的主要原因之一,其主要通过诱导细胞毒性,催化脂质过氧化和亚硝基化合物的形成,导致肠道菌群紊乱,诱发炎症,并促进癌变。为此,许多研究发现钙和叶绿素可减少血红素铁的吸收,亚硝酸盐替代剂等能够抑制NOCs的合成,天然抗氧化物质可抑制脂肪过氧化,而添加益生元和益生菌能够改善肠道菌群紊乱,综合减弱血红素的负面效果。随着对预防血红素致癌的深入研究,丰富抑制剂的种类,优化其添加量,进一步提高红肉及其加工制品的安全性将是未来研究工作的重点。