化疗诱导的周围神经病变与线粒体损伤

李艳青,郭洪波

0 引言

化疗诱导的周围神经病变(Chemotherapy-induced peripheral neuropathy,CIPN)是化疗药物常见的剂量限制性不良反应,临床常以四肢末端对称性麻木、疼痛、感觉异常为主要表现,多呈“手套样”或“袜套样”改变,严重时可造成跌倒、烫伤甚至致残,严重影响患者的生存质量。CIPN发病多与化疗药物累积量相关,随着化疗周期的推进,CIPN症状也越重,许多患者常因不能耐受而减量、中断或者放弃治疗,导致依从性降低,最终延误治疗。有研究表明,随着肿瘤患者存活率的全面提高,预计CIPN的患病率在未来十年内将有明显增加[1]。近年来,该病逐渐成为国内外专家的研究热点,目前尚无较好的针对该病的药物,这与其发病机制不明确、诊断方式待完善、评估手段欠缺有关。

临床上可引起周围神经病变的常见化疗药物有铂类、紫杉类、硼替佐米等[2],这些药物极少穿过血脑屏障,对中枢神经系统有一定的保护作用,而外周神经系统(感觉、运动、自主神经等)则受神经毒性影响很大[3]。国内外学者通过建立体内、体外模型,对CIPN机制有了一定了解,越来越多的证据表明,线粒体障碍在CIPN中有着重要地位,保护线粒体功能有望成为预防和治疗该病的重要措施。本文通过总结国内外关于线粒体损伤参与CIPN的最新机制研究,根据线粒体在不同化疗药物中的机制进行综述。

1 线粒体结构及功能

线粒体是普遍存在于除了哺乳动物成熟红细胞以外的真核细胞中的细胞器,由双层单位膜套叠而成,外膜上含有多种转运蛋白,内膜具有高度选择通透性,而线粒体内腔充满可溶性蛋白和脂肪等基质,是三羧酸循环(Tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)、氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation)的主要场所,线粒体内的众多酶系均可参与氧化反应。线粒体拥有自己独立的遗传系统,其中线粒体DNA(mtDNA)构成了线粒体基因组[4]。

线粒体的主要功能是使营养物质氧化并与磷酸化耦联生成ATP,在摄取和释放Ca2+中也起着重要的作用,对调节细胞的生理活动有着重要作用,生命活动中的细胞死亡也与线粒体有关[4]。

2 线粒体损伤

线粒体损伤是指在生理或者病理因素作用下,线粒体出现线粒体嵴数目减少、结构改变、融合分裂变异、呼吸链电子传递受阻、线粒体DNA(mtDNA)突变等改变,导致线粒体氧化还原及能量代谢功能异常,造成线粒体氧化磷酸化能力减低、能量合成减少、生物氧化中断、Ca2+平衡失调一系列功能障碍,最终导致细胞衰老、死亡,造成多种疾病产生[5]。

2.1 氧化应激反应与线粒体损伤 线粒体是机体内活性氧的主要来源,活性氧是ATP生成过程中的副产物,氧化应激反应与活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的产生密切相关。线粒体在能量转换过程中会发生大量的电子转移反应,当偶尔有一个电子转移到氧,使这个细胞器产生超氧自由基[包括超氧化阴离子(O2-)、羟基自由基(HO)等][6-7],这些氧自由基通过链式反应形成活性氧,当ROS水平较低时,可促进细胞增生;当活性氧的产生和积累与防御抗氧化系统之间存在不平衡时,细胞内两种相反的拮抗力量失衡,ROS的破坏作用大于抗氧化剂的代偿作用[8-9];其次,氧化阴离子(O2-)和羟基自由基(HO)因未配对到电子,出现高度不稳定性,能够引发氧化并进一步生成ROS,例如过氧化氢(H2O2)、过氧亚硝酸盐(ONOO-)和次氯酸(HOCl)[10]。过量的ROS产生会对蛋白质、脂质和核酸、电子传递链原件等生物结构造成损害,导致线粒体内膜失去适当的电化学梯度,从而导致线粒体能量产生关闭,并与线粒体膜间隙释放的促凋亡蛋白一起启动细胞死亡的激活[7]。线粒体在ROS的清除中也有一定作用,受损的线粒体会间接导致ROS积累,最终形成恶性循环[11]。

此外,多项研究表明,ROS水平较高时,会引起线粒体内膜非特异性通透性孔道(Mitochondrial permeability transition pore,MPTP)开放,导致跨膜电位崩溃、细胞色素C外漏,再启动caspase的级联活化,最终由caspase-3启动凋亡[4]。

2.2 Ca2+失调与线粒体损伤 Ca2+是一种普遍存在于细胞内的信号信使,参与包括代谢、基因转录、生长、运动、生存和凋亡等在内的多种细胞功能。线粒体和内质网(ER)是维持细胞内钙稳态的主要细胞器,其中线粒体Ca2+的变化会影响线粒体呼吸、三磷酸腺苷(ATP)的产生、线粒体自噬、凋亡和坏死等线粒体途径[12-13]。线粒体在内膜中表达复杂的线粒体钙单胞体复合体(MCUc),Ca2+通过线粒体钙单胞体复合体穿过线粒体内膜,这是目前Ca2+进入线粒体基质的唯一已知途径。当过多的ROS生成、mtDNA突变或其他病理改变发生时,线粒体的Ca2+稳态也会发生改变,过氧亚硝酸盐使关键的线粒体酶失活,细胞能量状态受影响,触发线粒体Ca2+的释放。异常升高的Ca2+通过MCUc有效地渗透线粒体内膜,Ca2+超载导致线粒体电位、线粒体通透性的改变,使线粒体渗透肿胀和外线粒体膜破裂,最终发生线粒体功能障碍[14-15]。

2.3 mtDNA突变与线粒体损伤 线粒体自身含有独特的双链环状DNA,位于线粒体基质内或者附着于线粒体内膜。线粒体DNA通常是裸露的,不与组蛋白结合,与核DNA相比,更容易发生突变,且其损伤修复系统修复能力有限[4]。此外,线粒体的DNA聚合酶缺乏校对活性,导致mtDNA复制过程中的错误率较高[16]。线粒体DNA在整个周期中不断合成,在此期间其稳定性差,容易受到外部干扰,这些因素共同导致线粒体DNA突变率高,当线粒体DNA突变达到一定阈值,会使电子传递链效率下降,增强ROS的产生[17],触发线粒体通透性转换孔(MPTP)的打开,影响线粒体的动力学和有丝分裂,并诱导细胞程序性死亡[18]。有研究者在酵母和啮齿动物的老化过程中,观察到线粒体DNA可以在染色体着丝粒周围区域水平插入,进而改变核DNA序列而导致线粒体功能障碍相关疾病的发生[19]。

3 线粒体功能障碍与化疗导致的周围神经病变

3.1 紫杉类药物

3.1.1 紫杉类药物导致的周围神经病变 紫杉类药物是肿瘤化疗的基石,目前我国获批的紫杉类药物包括紫杉醇注射液、多西他赛、紫杉醇脂质体和注射用白蛋白结合型紫杉醇,多用于卵巢癌、肺癌、前列腺癌、胰头癌等实体肿瘤的治疗[20]。临床治疗过程中高达80%的患者在紫杉醇治疗期间出现周围神经病变,包括急性疼痛综合征,通常在服用紫杉醇后1～3 d内出现,并在1周内基本消失,随着治疗过程进展,神经病变严重程度会增加,50%的患者在治疗12个月后仍可能出现感觉障碍,且症状会持续很长时间[21-22]。

3.1.2 线粒体损伤与紫杉类药物 尽管关于紫杉类药物导致的周围神经病变机制尚不明确,但多项研究表明,其与线粒体损伤关系密切。Duggett等[23]利用大鼠分离的背根神经节神经元,首次证明了在体紫杉醇在DRG中诱发线粒体功能障碍的性质;Lv等[24]利用JC-1探针,检测到紫杉醇处理的大鼠背根神经节细胞线粒体膜电位丧失,表明紫杉醇诱导的外周神经毒性可能与线粒体膜完整性破坏和线粒体损伤有关;Li等[25]在大鼠实验中观察到紫杉醇在暴露后24 h,背根神经节神经元中存在氧化应激反应增加。以上均表明,紫杉类药物可能破坏线粒体膜完整性,增加ROS的产生,进而造成CIPN的发生。

此外,紫杉类药物治疗还可能损害线粒体的轴突运输。有研究者在人类诱导的多能干细胞衍生感觉神经元(iPSC-SN)模型中发现,经过紫杉醇处理的iPSC SNs线粒体在2个方向上的运动减少,暴露紫杉醇72 h后,几乎完全抑制线粒体沿神经突向下的运输[26];在用紫杉醇治疗后的斑马鱼体内模型中,ROS、H2O2在基底角质细胞中增加,表明细胞质中的H2O2似乎至少部分来自线粒体损伤,进而导致MMP-13(表皮基质金属蛋白酶13)的上调,最终诱导基质降解和无髓鞘轴突的退化,实验过程中轴突线粒体也显示出损伤的迹象,如融合/分裂缺陷和空泡化[27];此外,紫杉醇也可以通过耗尽编码远端轴突线粒体裂变/融合机制的mRNA来改变线粒体功能,这种毒性作用最终导致轴突能量供应不足和轴突变性[28]。

总之,越来越多的证据证明,紫杉醇,尤其是白蛋白结合型紫杉醇,在化疗过程中会引起严重的周围神经病变,甚至直接影响疾病预后,这些病变与线粒体膜破坏、氧自由基产生、线粒体轴突运输受损联系紧密。

3.2 铂类化合物

3.2.1 铂类化合物导致的周围神经病变 铂类化合物是目前临床上应用最广泛的化疗药物之一,临床上常用的铂类药物包括顺铂、卡铂、奈达铂、奥沙利铂和洛铂,多用于结直肠癌、胃肠道癌、妇科肿瘤、膀胱癌等常见恶性肿瘤的化疗。神经毒性是这些药物常见的毒副作用,以剂量限制性末梢神经病变为主。其中奥沙利铂和顺铂最为常见[29-30],高达84.5%的使用奥沙利铂的患者出现口周麻木、感觉异常等周围神经病变,55%顺铂治疗患者会有神经毒性表现,在停药3～6个月后,患者症状仍不消退,严重影响疾病治疗及患者生活质量[21]。

3.2.2 线粒体损伤与铂类化合物 既往研究多认为铂类化合物在背根神经节的沉积可能是其诱发周围神经病变的重要发病机制[31],而最近有大量实验表明,线粒体损伤在其中也发挥重要作用。Podratz等[32]在大鼠实验中发现,经过顺铂处理的背根神经节在体外和体内表现出线粒体空泡化和降解;在5-溴-2′-脱氧尿苷(BrdU)掺入后,检测到线粒体DNA复制、线粒体基因转录被抑制,表明线粒体DNA损伤可能是顺铂引起周围神经病变的独特机制,其团队在随后的果蝇实验中,发现用顺铂处理的幼虫有翻正和热敏感行为缺乏,在免疫染色中未检测到活性的caspase3,同时有轴突线粒体膜电位下降、活性氧增加,这些均表明顺铂可诱导果蝇幼虫行为缺陷、线粒体活性降低、活性氧生成增加和线粒体暂停,影响轴突运输[33]。

除了对线粒体DNA和线粒体轴突运输的损伤,铂类药物还可能破坏钙稳态、抑制线粒体呼吸链,进而引起周围神经病变。多项实验将背根神经节暴露于顺铂或奥沙利铂后,发现线粒体呼吸链复合物I～III被抑制,基础呼吸、备用呼吸能力和ATP降低,活性氧产生量增加,胞浆钙浓度增加、线粒体钙浓度持续降低,最终损害线粒体功能[34-35]。此外,Imai等[36]也提出,雪旺细胞的有丝分裂毒性可能与顺铂神经毒性的发病机制相关。

综上所述,铂类化合物作为大多数实体肿瘤化疗方案中必不可少的药物,其引起的周围神经病变在非血液性毒副作用中不可忽视,它造成的线粒体DNA损伤、氧化应激反应增强、线粒体钙浓度降低以及有丝分裂毒性等在其中发挥着重要作用。

3.3 硼替佐米

3.3.1 硼替佐米导致的周围神经病变 硼替佐米是蛋白酶体抑制剂,多用于恶性血液系统疾病的治疗,是多发性骨髓瘤治疗的一线用药,有高达80.5%的患者会产生神经毒性,病变多表现为肢体末梢的麻木和刺痛,但多数可逆,大多数患者可在治疗结束后2～6个月有所缓解[21]。

3.3.2 线粒体损伤与硼替佐米 硼替佐米导致的周围神经病变的机制尚不明确,线粒体损伤可能是重要原因之一。Jannuzzi等[37]通过实验发现,经硼替佐米处理的人类神经细胞会出现线粒体膜电位降低、氧化磷酸化复合物含量减少,进一步导致蛋白毒性应激,还有可能诱导有丝分裂毒性。硼替佐米促进了无髓纤维中δ2微管蛋白(D2)的积累,这是其诱导的周围神经病变的标志,Pero等[38]研究发现,D2的过度表达可以单独抑制动态暂停和快速运行线粒体在两个方向上的运动,引起轴突病变。近年也有研究者认为,硼替佐米引发的周围神经病变与mTORC1通路激活密不可分,该实验发现在暴露于硼替佐米的背根神经节神经元中NADPH氧化酶2(NOX2)明显上调,使用CM-H2DCFDA氧化敏感探针进行检测、成像和定量后,发现NOX2可进一步诱导ROS的过度产生,从而导致mTORC1通路激活,最终引起背根神经节神经元凋亡[39]。总之,应用硼替佐米后,部分患者会出现周围神经病变,这可能与硼替佐米降低线粒体膜电位、抑制线粒体运动、诱导活性氧产生相关。

4 线粒体功能改善药物对CIPN的防治

研究表明,PPARγ激动剂因具有减轻氧化应激和抑制ROS相关下游通路的作用而在治疗CIPN方面显示出良好的治疗特性[40],但因其开发困难,且其神经保护作用尚未在临床中证明,相关临床研究有待进一步开展;米屈肼联合N-乙酰半胱氨酸可通过增强组织氧合作用,对CIPN大鼠有显著的抗痛觉过敏作用[41],但该实验同样缺乏足够多的临床证据;而氨磷汀的活性代谢物可能会阻止ROS的产生,从而保护未分裂的神经元[42],尽管氨磷汀作为细胞保护剂广泛用于临床,但对CIPN的预防作用可能并不显著,亟待进一步的研究证实;度洛西汀作为一种针对p53相关细胞凋亡通路的治疗药物,可通过抑制氧化应激、激活p53、Bcl2家族和PARP1来减轻神经损伤,是目前唯一具有临床证据支持的CIPN治疗药物[43]。

5 结语

随着肿瘤患者生存率的提高,CIPN逐渐成为临床上被广泛关注的问题,但目前其机制尚不明确,也缺乏有效的治疗和预防方法。针对发病机制,了解化疗药物导致周围神经病变的因果关系,对临床发现新手段,有效预防和治疗CIPN至关重要。目前,越来越多的证据表明,线粒体损伤在CIPN中起重要作用,也有越来越多的研究者致力于研究线粒体功能改善药物。随着研究的不断深入,线粒体损伤在CIPN中的地位可能会逐渐显现,为CIPN的研究和防治开拓新思路。