线粒体功能调控在膀胱癌治疗中作用的研究进展

刘飞能，夏成兴，杨德林

昆明医科大学第二附属医院，昆明 650101

膀胱癌是常见的恶性肿瘤，近年来我国膀胱癌发病率及病死率有增高趋势[1]。目前，膀胱癌的常规治疗手段主要是手术、放化疗，其中很多药物治疗主要基于线粒体的功能作用在膀胱癌中发挥效应，如临床上常用的化疗药顺铂、阿霉素、吉西他滨等均可基于线粒体功能来诱导膀胱癌细胞发生凋亡[2]。线粒体是一个复杂的真核细胞器，它由磷脂组成特征性的外膜和内膜共同来维持线粒体膜的稳定性，当其膜稳定性改变时，诱发凋亡因子的启动，肿瘤细胞可诱发凋亡[3]。阿糖内酯在膀胱癌的治疗中使得线粒体膜电位(MMP)显著降低、Bcl-2下调和Caspase-3活化，激活凋亡蛋白通路Caspase的活化，进而诱发膀胱癌发生凋亡[4]。癌症是一种增殖紊乱性疾病，也是一种凋亡缺陷性疾病，当促凋亡基因或者抑制凋亡基因受到各种因素影响发生功能异常时，都会引起凋亡变化。姜黄素在膀胱肿瘤中所诱发的细胞凋亡，主要机制是线粒体作为细胞凋亡的主要调控器，凋亡信号通路受线粒体调控，通过激活膀胱肿瘤的线粒体凋亡信号通路c-myc和PI3K/Akt来影响肿瘤的进一步发展[5]。肿瘤细胞可产生高于正常细胞水平的活性氧(ROS)，ROS的产生主要来源于线粒体，藤黄酸等药物通过改变线粒体功能来调控膀胱癌细胞内的ROS平衡，从而诱导ROS介导的凋亡或自噬等机制发挥治疗作用[6]。膀胱肿瘤细胞为了维持持续的增殖，必须调整癌细胞的代谢和营养获得方式，而线粒体作为胞内重要的能量代谢细胞器，可影响膀胱肿瘤细胞的能量供给、细胞周期等，在膀胱癌的发展中起重要作用。双胍类药物可阻止膀胱癌的生长，其主要通过改变线粒体能量代谢，从而干预膀胱肿瘤中Warburg效应及能量供给，进而阻止肿瘤的生长[7]。目前，很多药物研究都基于线粒体的功能在肿瘤治疗中所发挥的作用，深入研究膀胱癌细胞线粒体功能的特性对治疗膀胱癌有较大的研究价值。现就线粒体功能调控在膀胱癌治疗中的作用研究进展情况综述如下。

1 线粒体膜稳定性调控在膀胱癌治疗中的作用

线粒体是重要的双层膜结构细胞器，线粒膜的稳定性和膜电位对维持细胞的功能很大的影响。线粒体外膜(MOM)包裹整个线粒体，并包含带有转运蛋白并能将分子、离子运进和运出细胞器的通道。内膜折叠成嵴并包含有许多对细胞代谢和能量产生(线粒体ATP合酶)起重要作用的酶类[8]。同时线粒体是一种高度动态的细胞器，为维持其形态、分布和大小，经历着分裂和融合的协调循环，这被称为“线粒体动力学”。线粒体膜在细胞免疫、周期、凋亡和线粒体质量控制中起重要作用，膜的融合是由线粒体内膜的融合和外膜的融合驱动的，因此膜的稳定性与线粒体功能息息相关[3]。MMP在维持线粒体膜稳定性的过程中有重要作用，MMP的崩溃通常被认为是受调节细胞死亡的开始，一些电子传输链的解耦联剂可促进质子向线粒体基质中转移，从而导致MMP崩溃[9]。

研究[10]发现，亚硒酸盐可对化学耐药性的膀胱癌细胞起治疗作用，其机制是导致MMP崩溃，增加超氧化物的产生和减少ATP合成，破坏溶酶体膜并激活自噬。miRNA-98已被证明对肿瘤发生至关重要，在膀胱癌中，miRNA-98通过靶向膀胱癌细胞中的LASS2蛋白并通过调控线粒体功能来调节膀胱癌化疗耐药性，发挥作用的机制是miRNA-98靶向作用LASS2过表达来诱导线粒体融合和下调线粒体电位达到减少膀胱癌化疗耐药性[11]。有报道指出，当膜电位紊乱时也会通过各种信号通路发生细胞凋亡。像光敏剂等可以促进膀胱癌细胞毒性ROS的产生，通过激活线粒体信号通路(通过破坏电子传递链，导致MMP损失)和其他细胞信号通路，导致癌细胞程序性死亡[12]。此外在膀胱癌中，光敏剂CDHS801介导的光动力学通过启动线粒体途径的细胞快速凋亡来诱导膀胱癌T24细胞凋亡，其机制是CDHS801进入肿瘤细胞后定位在线粒体内，使得MMP下降，通透性增加，细胞色素C转位到胞质中，从而诱导凋亡来杀伤肿瘤[13]。研究发[14]现，岩藻依聚糖诱导的人膀胱癌细胞凋亡与Bax/Bcl-2比的增加，MMP的耗散以及线粒体细胞色素c的胞质释放有关。阿糖内酯在膀胱癌的治疗中可使MMP显著降低、Bcl-2下调、Caspase-3活化，导致线粒体功能障碍、MAPK-p38活化和Akt抑制，进而诱导膀胱癌T24细胞发生ROS介导的凋亡[4]。甘草查尔酮可使膀胱癌T24细胞发生凋亡，主要机制是增加膀胱癌细胞内Ca2+水平，进而诱导膀胱癌的线粒体功能发生障碍，使MMP降低，增加凋亡蛋白酶激活因子1、Caspase-9、Caspase-3 mRNA表达，使膀胱癌T24细胞凋亡[15]。

2 线粒体凋亡信号通路调控在膀胱癌治疗中的作用

线粒体是细胞凋亡的调控开关，而线粒体功能失衡是介导内源性凋亡的重要环节。凋亡的关键过程是MOM的透化作用，该过程受多结构域Bcl-2家族蛋白的调节。促凋亡蛋白Bax和Bak等负责在MOM上形成孔，抗凋亡蛋白(Bcl-2、Mcl-1、Bcl-xL等)可以抑制这种成孔过程。Bcl-2家族凋亡蛋白诱导凋亡的通路是在某些半胱天冬酶的翻译修饰后转移到线粒体外膜，然后从线粒体释放细胞色素c，凋亡诱导因子(AIF)和其他促凋亡因子，从而触发细胞凋亡[16]。

研究[17]发现，紫薯花色苷可诱导和降低膀胱肿瘤促凋亡基因的表达，包括裂解的Caspase-3、Fas、Fas1、Bax和Bcl-2，通过对PI3K/Akt信号通路激活、抑制细胞周期进程，最终发挥治疗膀胱肿瘤的作用。5-溴-3-(3-羟基丙-1-炔基)-2H-吡喃-2-酮对膀胱癌T24细胞的杀伤通过促进Caspase的活化，增加了ROS产生，还能引起DNA损伤，降低MMP，增加线粒体内核酶G的分泌和AIF，同时降低Bcl-2表达，最终通过线粒体途径诱导细胞凋亡，抑制膀胱癌细胞的增殖[18]。另外，维生素K2通过MMP丢失、细胞色素C释放、Caspase-3级联等线粒体途径诱导膀胱癌细胞凋亡，主要涉及的线粒体信号通路是ROS和JNK/p38 MAPK信号通路[19]。鞣花酸通过内质网应激和线粒体依赖性信号通路诱导膀胱癌细胞凋亡，主要是通过促进ROS和Ca2+的产生，并降低MMP水平，促进活性Caspase-9、Caspase-3[20]。岩藻依聚糖诱导膀胱癌细胞凋亡和抑制端粒酶活性是通过PI3K/Akt途径的ROS依赖性失活[14]。研究线粒体细胞凋亡通路对于膀胱癌的治疗中极为重要，近来很多新药的发现都是基于此通路发掘的。Lin等[21]发现，糖皮质激素可引起线粒体功能障碍，并进一步诱导膀胱癌905细胞系凋亡。Wb分析表明，桔皮素治疗通过扰乱线粒体钙稳态，触发细胞色素C释放，激活Caspase-3和Caspase-9途径，导致细胞凋亡，从而达到治疗膀胱癌的目的。c-myc、PI3K/Akt信号传导途径在姜黄素诱导的EJ膀胱癌细胞凋亡中起重要作用[5]，而白藜芦醇对膀胱癌细胞凋亡的影响归因于miR-21对Akt/Bcl-2信号通路的调节[22]。

3 线粒体ROS调控在膀胱癌治疗中的作用

ROS主要产生于线粒体中，ROS在肿瘤中发挥双重作用，氧化应激可通过DNA损伤促进肿瘤的发生，进展和对治疗的抵抗，导致突变和基因组不稳定性的积累，以及重编程细胞代谢和信号传导。相反，升高的ROS水平可以诱导肿瘤细胞死亡[23]。ROS是呼吸的副产物，当线粒体损伤后会导致ROS大量蓄积，并且可能会产生多种病理反应，因此真核生物已经开发出防御机制来应对异常的线粒体，线粒体自噬就是可以选择性的隔离双膜自噬体中的功能障碍或线粒体过多的一个过程。线粒体功能异常所致的自噬性死亡及凋亡与细胞内ROS的存在密切相关[24]。

有学者报道了藤黄酸作用于人膀胱癌细胞中的各种关键分子(NF-κB、Beclin-1、p62和NBR1)来诱导细胞凋亡和自噬，这个过程主要由ROS负责介导[6]。Wang等[25]证实，Akt2磷酸化会干扰受体TR3出口到细胞质并靶向线粒体，从而导致自噬诱导。因此，TR3介导的自噬可以通过下调Akt2活性而诱导不敏感细胞。同时有很多证据显示，由于肿瘤的微环境和代谢重编排等缘故，肿瘤细胞可产生高于正常细胞水平的ROS含量，因此基于ROS的代谢和稳态的机制，可以为治疗肿瘤提供一个好的方法[26]。有研究报道，聚多巴胺涂敷的分支Au-Ag纳米颗粒的光热暴露诱导人膀胱癌细胞周期停滞，通过对ROS的调控及其内源性途径诱导了肿瘤细胞凋亡和自噬[27]。另外，有学者报道了ACT(肌动蛋白)通过促进ROS/JNK激活和钝化AKT通路抑制人膀胱癌的细胞增殖，诱导自噬和凋亡[28]。七叶素通过产生ROS来降低MMP和增加细胞色素C释放，通过Fas死亡受体和线粒体途径诱导人膀胱癌细胞凋亡并抑制膀胱肿瘤生长，它可以作为一种潜在的膀胱癌化疗药物[29]。所以，通过对ROS在膀胱癌中的调控机制研究，可以找到更多有效治疗膀胱癌的新方法。有学者报道，雷帕霉素通过LKB1缺陷介导的线粒体障碍增强对尿路上皮癌细胞的生长抑制，主要是通过ROS/AMPK/mTOR通路诱导自噬[30]。文献[24]报道，ROS/JNK/P53通路诱导膀胱癌细胞发生自噬。然而，对ROS诱导的膀胱癌的自噬性通路的最优选择尚未明确，需要大量的研究学者参与。

4 线粒体能量代谢调控在膀胱癌治疗中的作用

线粒体代谢的改变存在于癌症中，可能对生物能学和代谢物的合成产生不同的影响。大多癌细胞处于不同程度的缺氧和酸中毒的环境中，所以肿瘤细胞的能量代谢与正常细胞代谢不一样，前者遵循的可能是Warburg effect[31]。然而，膀胱肿瘤细胞的能量代谢不完全遵循Warburg效应，膀胱癌细胞还具有有效的氧化磷酸化过程，其中癌细胞促进相邻间质细胞中的糖酵解，从而导致营养前体的形成增加，这些高能代谢物沿指定方向转移到相邻的肿瘤细胞，并进入克雷布斯循环，并产生足够的ATP[32]。Otto.Warburg首先提出，癌细胞更偏爱于糖酵解，而糖酵解主要来自功能失调的线粒体，相反，肿瘤细胞线粒体结构和功能的改变导致谷氨酰胺的吸收和利用增加。这意味着它们能够满足肿瘤细胞生长的生物能量和生物合成需求，被称为肿瘤线粒体代谢重编程[33]。值得注意的是，与正常细胞相比，尿路上皮细胞的整体代谢变化表明糖酵解途径上调，这在相关文献中有报道[34]。

研究[35]发现，膀胱癌对骨骼肌活动产生负面影响是通过影响线粒体磷脂动力学及其蛋白质的相互作用引起的，磷脂生物合成途径的调控可被认为是治疗癌症相关肌肉萎缩的潜在治疗靶点。Lon在膀胱癌组织中高表达，膀胱癌细胞中Lon的下调通过抑制c-Jun N端激酶(JNK)磷酸化而抑制了癌细胞的增殖，这是由于ROS生成减少所致，并且通过促进膀胱癌细胞对化学治疗剂的敏感性而增强细胞凋亡。进一步发现，通过使用细胞外通量分析仪测量有氧呼吸和糖酵解，可以确定膀胱癌细胞中Lon的下调降低了细胞的生物能[36]。二甲双胍可抑制线粒体甘油磷酸脱氢酶，从而影响葡萄糖代谢，胍类药物对糖代谢的作用需要线粒体摄取，而双胍类药物抑制生长的机制尚不明确。目前，双胍类药物作用机制的研究主要集中在线粒体电子传递链中复合物1的抑制以及amp依赖性蛋白激酶的激活，通过干预与线粒体相关的代谢，胍类药物可抑制膀胱癌的生长[7]。线粒体MT-RNR2蛋白在膀胱肿瘤细胞中的表达，它是一种具有抗凋亡活性的小肽，与促凋亡蛋白结合，可通过协调一些线粒体代谢酶打破常规的代谢循环使肿瘤细胞抗凋亡，我们可从线粒体代谢方面来改变这种不常规代谢从而减少肿瘤中线粒体MT-RNR2蛋白抗凋亡作用[37]。因此，当线粒体的代谢发生变化时，膀胱癌细胞的代谢均会有相应的改变，可将线粒体作为靶点，以其改变肿瘤细胞的代谢来治疗膀胱癌，代谢是膀胱癌治疗热点的一个长势领域，需要更多的研究来推动该领域的治疗发展。

综上所述，线粒体功能调控在各种药物治疗膀胱癌发挥作用的机制中意义重大，线粒体膜稳定性、凋亡信号通路、ROS的产生、能量代谢的调控是药物基于线粒体功能调控治疗膀胱癌的主要机制。在基于线粒体膜稳定性的调控中，阿糖内酯等药物主要是打破线粒体中的膜电位的稳态，诱发凋亡因子的驱动，使得肿瘤细胞发生凋亡。癌症是一种凋亡缺陷性疾病，癌细胞的凋亡通路是被抑制的，但通过姜黄素等药物通过对膀胱癌细胞线粒体的作用，可激活线粒体c-myc和PI3K/Akt信号凋亡通路。膀胱癌中ROS含量高，可通过藤黄酸等药物改变线粒体功能来调控癌细胞内的ROS，从而诱导ROS介导的凋亡或自噬等机制发挥治疗膀胱癌的作用。膀胱癌喜好糖酵解，可通过药物改变线粒体能量代谢从而改变膀胱肿瘤中的Warburg效应及其能量供给，以此发挥抗肿瘤作用。通过深入了解线粒体功能调控在膀胱癌治疗中的作用，可以为膀胱癌的诊断及治疗提供新的方案，但其中的很多切确机制仍未完全明确，如ROS的改变在治疗膀胱癌中，是更容易诱导肿瘤细胞凋亡，还是自噬的发生？另外，我们还可以深入研究探讨如何干预膀胱癌中线粒体的能量代谢来最大程度降低肿瘤的能量供给？这些问题仍需要大量的实验研究来解决。