肿瘤细胞线粒体靶向治疗机制及药物研究进展

朱紫衣，刘晨霞，江忠勇，常 凯

(1.简阳市人民医院实验医学科，四川 简阳 641400；2.西南医科大学临床医学院，四川 泸州 646000；3.西部战区总医院检验科，四川 成都 610083)

肿瘤是在基因组、表观基因组、转录组、蛋白质组和代谢水平上发生多种改变的一种复杂疾病。转移是全球肿瘤死亡的第一大原因，越来越多的证据表明线粒体代谢改变可以驱动肿瘤的发生，线粒体功能异常与恶性肿瘤进展和转移相关[1]。与正常细胞相比，肿瘤细胞线粒体动力学发生改变，糖酵解增强，活性氧(ROS)水平增加，线粒体DNA(mtDNA)发生突变等，这些改变有助于肿瘤细胞侵袭和转移[2]。理解肿瘤细胞线粒体特点及其对肿瘤转移扩散、抗药、恶性增殖的作用价值有助于我们针对线粒体的调控过程及相关靶点提供更有价值的治疗策略。

1 肿瘤细胞线粒体特点及其对肿瘤转移的作用价值

1.1 线粒体代谢改变与肿瘤转移 代谢活动改变是肿瘤特征之一。为满足癌细胞快速生长和增殖，在氧浓度不受限制的条件下，葡萄糖摄取水平升高，糖酵解速度加快。多种类型肿瘤均发现有氧糖酵解增强，而糖酵解增强与不良临床结局相关[3]。越来越多的研究证明肿瘤细胞迁移与支持转移扩散的线粒体显著代谢改变有关。肿瘤细胞线粒体发生酶突变导致酶功能丧失，促进低氧诱导因子1(HIF-1)的稳定，并诱导其转位至细胞核，导致能量代谢由氧化向糖酵解转变[4]。同时，参与三羧酸循环(TCA)的琥珀酸脱氢酶(SDH)受到抑制，导致线粒体和胞质琥珀酸水平增加。代谢物琥珀酸的积累也可促进HIF-1的稳定，诱导包括己糖激酶、二磷酸果糖酶、丙酮酸激酶等一系列基因的表达来调节糖酵解代谢。糖酵解通过各种途径参与肿瘤扩散转移的不同阶段，如不同肿瘤被检测到糖酵解基因的激活，在乳腺癌、胰腺癌、神经母细胞瘤患者中，己糖激酶的胚胎亚型己糖激酶2(HK2)的表达与肿瘤复发风险增加和不良临床结局相关；丙酮酸激酶同工酶M2(PKM2)作为糖酵解最终限速步骤的关键酶，可诱导不同类型肿瘤的侵袭表型和促进转移，该酶还作为HIF-1a的转录共激活因子进一步促进糖酵解，诱导上皮间质转化(EMT)[5]。糖酵解途径的激活还与转化生长因子-β(TGF-β)诱导的EMT、线粒体功能之间存在关系，研究[6]表明前列腺癌细胞在经历EMT并获得间充质特征时比上皮细胞表现出更高的糖酵解活性，高糖酵解率与细胞骨架重排和细胞迁移增加有关，而反过来抑制糖酵解可抑制前列腺癌细胞的迁移特性。

1.2 线粒体ROS水平增加与肿瘤转移 线粒体是细胞ROS产生的主要来源，复合物Ⅰ和Ⅲ是其产生的主要位点。研究[7]表明，与正常细胞相比，肿瘤细胞ROS水平明显更高，ROS水平增加有助于肿瘤启动，促进肿瘤发生与发展所必需的生化和分子变化，以及增加肿瘤对化疗的耐药性。在氧化应激环境中，非生理水平的ROS可能通过破坏蛋白质、脂质、mtDNA导致线粒体功能障碍和致癌。相较于核基因组，mtDNA由于靠近ROS产生位点，同时由于缺少内含子，DNA损伤修复系统能力有限，因此ROS产生增加会诱导mtDNA损伤[8]。Woo等[9]发现，ROS相关的mtDNA不稳定性增加了小鼠小肠肿瘤的数量和肿瘤生长。ROS水平升高还可促进肿瘤细胞增殖和迁移，并激活与细胞存活相关的不同信号通路，促进肿瘤生长和恶性转化[10]。此外，ROS增加可能参与了细胞骨架重塑，激活与转移性扩散和侵袭相关的不同过程[11]。研究[12]发现，动态的肌动蛋白网络由氮氧化物(NOX)的上游调节器Rac控制，这意味着ROS可能参与了肌动蛋白细胞骨架的调控。EMT作为肿瘤侵袭转移的重要环节，升高的ROS可以激活不同途径，诱导EMT相关的形态学改变。例如，ROS生成增加刺激胰腺癌细胞，核因子κB(NF-κB)信号通路被激活，细胞侵袭性增加，而使用抗氧化剂可以抑制EMT和细胞的侵袭性[13]。总之，ROS的积累可通过影响细胞骨架重构、细胞外基质(ECM)降解和信号通路激活等不同机制影响肿瘤细胞的迁移和转移。

1.3 mtDNA突变与肿瘤转移 人类mtDNA包含一个16.6 kb的编码37个基因的环状基因组，对参与电子传递和氧化磷酸化的蛋白产生至关重要。对肿瘤mtDNA的检测发现，mtDNA在多种肿瘤如结肠癌、乳腺癌、肝癌、肺癌中均有体细胞突变发生，同时mtDNA拷贝数的变化与肿瘤类型有关[5]。在乳腺癌、肝癌(HCC)、非小细胞肺癌(NSCLC)和胃癌中检测到mtDNA拷贝数减少[14]，而Sun等[15]在前列腺癌、头颈癌和结直肠癌中发现mtDNA拷贝数增加。mtDNA突变和拷贝数的变化可能与肿瘤细胞的转移特性、EMT、侵袭性有关。复合物Ⅰ的mtDNA突变是肿瘤常见突变，不同程度的mtDNA突变可能影响复合物Ⅰ的活性。对小鼠的研究显示，MT-ND6基因突变使得呼吸复合物Ⅰ活性缺乏，ROS过量产生，导致肿瘤细胞具有高转移潜力；而对高转移性肿瘤细胞进行预处理以清除ROS后，肿瘤细胞在小鼠体内的转移潜能得到抑制，这些结果表明mtDNA突变可以通过增强肿瘤细胞的转移潜力促进肿瘤进展[16]。mtDNA突变也与癌细胞的EMT有关，EMT可以在mtDNA缺失的细胞中被诱导。在mtDNA缺失过程中，肿瘤细胞失去上皮特征，TGF-β激活Raf/MAPK信号通路，刺激细胞侵袭性，诱导EMT发生，肿瘤细胞进而获得间质表型[17]。在甲状腺癌细胞中的研究[18]显示，mtDNA有助于肿瘤细胞获得侵袭性表型，导致其发生生物能量危机。此外，mtDNA的突变加剧ROS的产生，促进氧化应激，从而促进更多mtDNA发生突变，形成恶性循环，加速肿瘤的发生与发展[19]。不仅如此，mtDNA突变甚至会影响临床治疗进程，如MT-ND4突变会导致放疗或紫杉醇和卡铂化疗产生耐药性[20]。值得注意的是，尽管大多数证据支持mtDNA突变在肿瘤发生与发展中的作用，但也有少数研究令人意外。一项对21例结直肠癌患者癌组织和邻近健康组织mtDNA的随机点突变分析[21]显示，与邻近健康组织相比，结直肠癌肿瘤mtDNA突变的频率降低，这项研究提示在肿瘤发育过程中并不是所有的mtDNA突变都有助于肿瘤发育，有些可能抑制肿瘤生长。由于mtDNA突变性质、突变比例、突变对呼吸链的影响以及突变mtDNA与细胞质信号通路的相互作用不同，mtDNA突变对于肿瘤的生物学影响可能会有所不同[22]。

2 肿瘤细胞线粒体靶向作用机制及药物

2.1 靶向线粒体代谢 葡萄糖是肿瘤进展的主要参与者之一，是肿瘤侵袭和转移的启动子。糖酵解快速产生三磷酸腺苷(ATP)，为肿瘤细胞增殖提供充足的能量。肿瘤细胞在有氧或缺氧条件下，糖酵解活性增强，线粒体呼吸减少。因此，逆转肿瘤细胞的高糖酵解状态以诱导细胞死亡是一种可能的治疗方法。逆转肿瘤细胞的高糖酵解状态的第一个尝试是阻止肿瘤细胞摄取葡萄糖。双羟基苯甲酸化合物WZB117是一种不可逆的阻断葡萄糖转运的快速阻断剂，能够阻断葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)活性，减少细胞内葡萄糖转运，降低肿瘤内糖酵解代谢[23]。体内外研究[24]表明，WZB117和紫杉醇或顺铂联合治疗可以发挥协同抗肿瘤作用。某些肿瘤细胞钠-葡萄糖转运体2(SGLT2)水平明显增高，采用FDA批准的小分子抑制剂gliflozin靶向SGLT2降低血糖水平，可以降低肺腺癌小鼠模型肿瘤的生长，延长生存时间[25]。另一个药物二氯乙酸(DCA)通过抑制丙酮酸脱氢酶激酶将癌细胞的高糖酵解状态恢复到正常的葡萄糖氧化代谢状态，使肿瘤细胞对凋亡信号更加敏感，损害其增殖能力[26]。另一种尝试考虑减少ATP的发生，如服用二甲双胍。流行病学研究[27]表明，用二甲双胍控制血糖水平的2型糖尿病患者患肿瘤的风险降低。既往研究[28]也显示患有肿瘤后开始服用二甲双胍来控制血糖的患者存活率更高。二甲双胍抗肿瘤的机制可能与全身葡萄糖和胰岛素水平降低有关。胰岛素是一种已知的肿瘤有丝分裂素，胰岛素和胰岛素样生长因子(IGFs)水平降低可抑制促肿瘤的磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信号通路。二甲双胍抗肿瘤的另一种机制可能是其作为线粒体电子转移链复合物Ⅰ抑制剂和磷酸腺苷(AMP)活化蛋白激酶激活剂直接减少了ATP的产生[29]。Wheaton等[30]研究表明，二甲双胍通过抑制线粒体复合物Ⅰ发挥其体内抗肿瘤作用。使用患者样本对二甲双胍在卵巢癌中的作用机制进行的综合代谢组学分析[31]证实，二甲双胍的主要抗肿瘤作用是由靶向肿瘤细胞内固有线粒体代谢驱动的。葡萄糖类似物2-DG可与葡萄糖竞争结合己糖激酶，增加氧化应激，诱导自噬，增加细胞凋亡，从而降低肿瘤细胞的生长[32]。然而，2-DG对不同类型肿瘤的治疗效果有限，研究[33]发现2-DG联合二甲双胍治疗肿瘤可以显著减少ATP存储量，抑制细胞增殖信号通路的激活，减少单一药物高剂量治疗的不良反应。

2.2 靶向ROS 肿瘤线粒体ROS过量产生是其重要特点之一。线粒体代谢加速导致ROS积累过多，而ROS的不断积累又加速肿瘤细胞的恶性转化，加之ROS在EMT进程中扮演重要角色，因此通过调节ROS水平进行抗肿瘤治疗是很有前景的。现有研究证实抗氧化剂如N-乙酰半胱氨酸(NAC)、二亚苯基碘(DPI)、维生素C、依布硒啉和巯丙酰甘氨酸(MPG)都可在体外延缓EMT进展。NAC是非常重要的抗氧化剂之一，已被证明可以通过抑制线粒体来源的ROS来抑制小鼠肺癌细胞的自发转移[34]。许多天然抗氧化剂也已经被发现可以抑制肿瘤转移，如芹黄素可以通过抑制NF-κB/Snail级联信号通路，进而抑制EMT，达到减低肝癌细胞迁移能力的目的[35]。除抑制ROS进行抗肿瘤以外，促进肿瘤细胞发生氧化应激，超过细胞自身的抗氧化能力，使ROS产生过量，达到诱导细胞周期阻滞和细胞凋亡的阈值，也是靶向ROS抗肿瘤的研究方向之一[36]。STA-4783是一种靶向肿瘤细胞ROS水平的药物，其通过抑制电子传输通量和增强ROS的产生诱导转化和正常细胞发生氧化应激，进一步升高肿瘤细胞ROS水平，诱导对肿瘤细胞的细胞毒性，促进细胞凋亡。研究[37]显示，STA-4783联合紫杉醇与单用紫杉醇相比，转移性黑色素瘤患者中位无进展生存期增加了1倍。目前正在研究的可选择性诱导线粒体氧化应激的特定分子苯基乙基异硫氰酸酯(PEITC)主要通过靶向调节线粒体ROS水平发挥抗肿瘤作用。Xiao等[38]研究发现，PEITC通过抑制复合物Ⅲ活性引起ROS增加，激活凋亡相关蛋白Bax、半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)，诱导细胞凋亡，最终促进人前列腺癌细胞死亡。Chan等[39]研究表明，PEITC可以通过促进ROS产生来诱导卵巢癌细胞凋亡，PEITC与二甲双胍联合应用不仅能减缓肿瘤细胞生长，还可以促进凋亡，重要的是联合应用两种药物对顺铂耐药细胞系仍有效。

2.3 靶向mtDNA 如前所述，由于mtDNA发生突变，线粒体出现功能障碍，因此纠正mtDNA突变被认为是恢复线粒体功能的有效策略。研究[40-41]发现调节mtDNA修复酶8-羟基鸟嘌呤DNA糖苷酶(OGG1)水平可以有效延缓mtDNA突变诱导的乳腺癌细胞的进展和转移；而过表达DNA连接酶Ⅲ可以有效改善碱基切除修复过程，修复mtDNA损伤，增加细胞存活，减少细胞自噬，进而保护细胞抵抗氧化应激。

3 结 语

线粒体代谢在肿瘤发展进程中是非常复杂和严格调控的，肿瘤细胞利用线粒体功能障碍来促进自身的发生与发展。对于肿瘤治疗，一个很重要的问题是如何使治疗药物靶向肿瘤细胞，尽可能减少对周围正常细胞的损害。目前许多抗肿瘤药物都缺少靶向性，对健康细胞的损害不亚于肿瘤细胞，而选择性给药到线粒体有助于增加这些药物的特异性和降低毒性。然而，基于线粒体在能量代谢、细胞凋亡调节和细胞信号传导中的多方面功能[42]，在没有潜在毒性问题的情况下实现线粒体定位是肿瘤靶向线粒体治疗的一大挑战。同时，鉴于线粒体疾病与大脑、心血管和内分泌系统等多种不同组织有关，组织特异性传递是另一个有待解决的重要挑战[43]。因此，为了充分利用线粒体靶向剂的治疗潜力，必须设计出允许在选定细胞群中特别调节线粒体功能的精细策略。而要实现这一目标，还需要进行大量的临床前和临床工作。