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探究质子泵抑制剂抗肿瘤机制的研究进展

作者:2017-06-03 18:15阅读:文章来源:未知
  质子泵是一种膜蛋白,存在于生物膜上,能逆浓度梯度转运氢离子。常见的质子泵有三类: P 型质子泵、V 型质子泵、F 型质子泵。其中空泡型质子泵( V 型质子泵) 位于小泡的膜,如溶酶体膜、高尔基体的囊泡膜以及植物液泡膜上,主要参与调节细胞器内的pH,与肿瘤的发生、发展密切相关。质子泵抑制剂( proton pump inhibitors,PPI) 能抑制V-型ATP 酶( V-ATPase) 的活性来调控多数肿瘤细胞内的pH 梯度,从而调节肿瘤的酸性微环境,进而抑制肿瘤的生长,促进其凋亡,改变肿瘤细胞的恶性生物学行为。PPI 也能通过调节细胞内酸性细胞器的pH 梯度来改变抗肿瘤药物在细胞内分布,增加核内药物摄取,增强肿瘤细胞对化疗药物的敏感性。另外,它也能通过调控自噬来改善肿瘤细胞对化疗药物的敏感性。除此之外,基于大多数肿瘤细胞主要以糖酵解的方式获取能量,肿瘤细胞这种代谢不仅可以为肿瘤细胞的增殖提供原料,还可为肿瘤细胞提供酸性微环境以利于其生存。PPI 能打乱恶性肿瘤细胞的代谢特征,最终使肿瘤生长受抑制。现对目前PPI 抗肿瘤机制的研究进展进行综述。
  1 PPI 调控肿瘤细胞外酸性微环境
  与正常细胞相比,肿瘤细胞呈外酸内碱的pH梯度,这种pH 梯度的异常与肿瘤细胞特殊的代谢密切相关。肿瘤细胞摄取葡萄糖的能力强,但主要以糖酵解的方式利用葡萄糖获能,同时产生大量的乳酸。肿瘤细胞能利用乳酸来维持自身的酸性微环境,以利于其转移。另一方面,由于肿瘤细胞生长旺盛,肿瘤组织极易出现相对血流灌注不足而引起异常酸性代谢产物的蓄积,促进了肿瘤新生血管的形成,为肿瘤的转移提供了适宜的环境。一些研究表明,肿瘤细胞外的酸性微环境能够激发细胞增殖,活化转录因子,增强靶基因表达,促使肿瘤发生。因此,充分了解肿瘤细胞酸性微环境的调控机制是寻找肿瘤治疗的新途径。V-ATPase 在肿瘤细胞pH 调节机制中发挥关键性作用。已有研究证实,V-ATPase 在一些肿瘤细胞的质膜上高表达,参与氢离子的排出,抑制V-ATPase 的活性能导致肿瘤细胞的死亡,从而抑制肿瘤细胞在异种移植模型中的形成和瘤体的生长。V-ATPase 是由负责氢离子转运的膜部分( V0) 和负责催化ATP 分解的胞质部分( V1) 构成的多个亚单位酶复合体。V-ATPase 的活性调控细胞内外pH 稳态及酸性细胞器的pH 值,细胞内有多种机制可以严格控制V-ATPase 的活性,其中ATP6L 是V0 区域的亚单位c,V-ATPase 的亚单位ATP6L 对于维持V-ATPase的活性起关键作用。在侵袭性胰腺肿瘤中V-ATPase的亚单位ATP6L 的表达远高于良性和非侵袭性胰腺肿瘤。也有研究发现,用RNA 干扰技术降低ATP6L 的表达后,V-ATPase 的活性被抑制,H +排出受阻进而影响肿瘤的酸性微环境,阻止了肝细胞肝癌( hepatocellular carcinoma,HCC) 的生长和侵袭。Xu 等研究发现,HCC 患者肝癌组织ATP6L 的mRNA 和蛋白水平相对于正常肝组织表达明显上调,更重要的是ATP6L 不仅在HCC 细胞内细胞器分布,在HCC 细胞的质膜上也明显高表达。因此,探讨V-ATPase 抑制剂的抗肿瘤机制尤为重要。一些抑制V-ATPase 的分子和药物,如刀豆素A、NiK-12192 和巴佛洛霉素A1 已经被证实,但是其临床前期测试不良结果限制了这些V-ATPase 抑制剂的临床使用。也有研究表明,PPIs 作为不良反应少的治疗消化性溃疡的一线药物同样也能发挥抑制V-ATPase 的作用。兰索拉唑能够抑制肿瘤细胞的V-ATPase,使细胞内的H + 不能排出细胞外,破坏了肿瘤细胞的酸性微环境,同时,兰索拉唑也能提高细胞内活性氧含量及碱化溶酶体从而发挥抑癌作用。Chen 等研究也发现,泮托拉唑能减少V-ATPases 的表达来改变酸性细胞器的pH 梯度,增加化疗药物在核内的摄取,从而增强胃癌细胞对化疗药物的敏感性。此外,泮托拉唑还可以有效抑制上皮细胞-间充质转化标志物神经-钙黏素和波形蛋白的表达及丝氨酸、苏氨酸蛋白激酶( serine /threonineprotein kinase,AKT) 和糖原合成酶激酶3β 的磷酸化,使肿瘤的迁移和侵袭能力减少。肿瘤的酸性微环境促进了肿瘤的生长和转移,泮托拉唑能通过抑制V-ATPase 的活性来降低磷酸化的低密度脂蛋白受体相关蛋白6 的表达,从而抑制Wnt /β 联蛋白信号通路使该通路的转录因子β 联蛋白以及靶基因c-myc 和cyclin D1 表达下调,最终抑制人胃癌细胞株SGC7901 的增殖和促进其凋亡。Tamada 等研究也发现,泮托拉唑能显著抑制V-ATPase、低氧诱导因子1α 的表达,从而抑制肿瘤的生长,介导细胞的凋亡。
  2 PPI 调控肿瘤细胞自噬
  自噬是一个吞噬自身细胞质蛋白或细胞器并使其包被进入囊泡,并与溶酶体融合形成自噬溶酶体,降解其所包裹的内容物的过程,借此实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新。自噬与肿瘤的关系十分复杂,在肿瘤的不同阶段呈现不同的作用,在营养缺乏、低氧等应激反应适中的情况下,自噬体通过对细胞裂解产物的清除来提高受损肿瘤细胞的存活率,并为细胞提供氨基酸、核酸等营养成分,是肿瘤细胞在低氧环境下的存活机制; 但当应激过强时,自噬对肿瘤细胞的保护作用消失,在凋亡信号的刺激下发生程序性死亡。此外,自噬也参与了肿瘤耐药的调节,化疗药物诱导的自噬标志物主要存在于低氧区域,与肿瘤的耐药密切相关。尽管目前抗血管生成药物及化疗药物的应用使肿瘤的生长在一定程度得到了抑制,但由于酸性核内体的内吞作用,使化疗药物不能到达细胞核发挥效应,因此自噬体成为了抗肿瘤耐药的潜在靶点。基于临床上使用的化疗药物多为弱碱性药物,细胞内外pH 值对化疗药物疗效的影响很大,而且随着肿瘤体积的增大,细胞内外的pH 值差异越明显,更易出现耐药。PPI 作为细胞自噬抑制剂,不仅可以减少自噬体的形成,而且可以调控肿瘤细胞外酸性微环境来发挥抗肿瘤效应。PPI 泮托拉唑通过提高溶酶体pH 来减少自噬体的形成; 自噬体减少后,肿瘤细胞对化疗药物多稀紫杉醇的敏感性增加,紫杉醇的毒性增加,抗肿瘤作用亦增强。也有研究发现,PPI兰索拉唑能够提高酸性核内体的pH 值,使化疗药物的内吞减少,从而改变化疗药物的分布,兰索拉唑本身对肿瘤细胞是没有毒性的,但其可以增加阿霉素的渗透作用,阿霉素进入核内与靶基因结合发挥抗肿瘤效应,因此,兰索拉唑与化疗药物联合使用,能有效抑制肿瘤的生长,且这一作用在小鼠模型中得以证实。然而,细胞自噬调控在肝癌发生、发展过程中是发挥抑癌还是促癌作用尚不明确,有研究发现细胞自噬在肝癌发生、发展的不同阶段发挥着抑癌和促癌的双重效应,在化疗期间,自噬体可通过清除化疗药物而促进肿瘤的生长,在肿瘤生长初期,自噬则协同细胞的凋亡过程来杀伤肿瘤细胞,对机体发挥保护作用。随着肿瘤的形成,特别是在肿瘤的生长后期,由于肿瘤细胞高代谢活性和相对血流灌注不足而引起缺血缺氧等恶劣环境,细胞自噬被激活,维持了肿瘤细胞的生存。另一方面,肿瘤细胞自噬和凋亡途径之间也存在相互调控的路径,在凋亡信号的刺激下,自噬体明显增多,使细胞发生非凋亡性程序性死亡。奥美拉唑能调控胰腺癌细胞的自噬相关基因Atg12、自噬标志分子LC3 以及促凋亡基因Bad、耐药基因Mdr-1 的表达,从而引起胰腺癌细胞的程序性死亡。
  3 PPI 调控肿瘤的代谢
  肿瘤的代谢是指在致癌因素的作用下,细胞的过度增生和异常分化所引起的糖摄取增加、乳酸堆积、核酸合成增加等代谢改变。肿瘤细胞的持续性生长需要大量的营养物质和能量才能满足其需要。肿瘤细胞的糖代谢异常活跃,著名的瓦博格效应提出,肿瘤细胞主要以糖酵解的形式获能,并产生大量乳酸促进肿瘤的转移。肿瘤细胞代谢的改变最终都汇集到致癌信号通路的激活或代谢相关酶类的改变。因此,从糖代谢、核酸代谢以及铁代谢等水平来研究肿瘤的发生和发展,通过抑制或激活肿瘤代谢相关的某些酶的活性或信号通路来降低肿瘤细胞的存活率,将为肿瘤的治疗提供新的策略。由于肿瘤细胞糖代谢的主要方式为糖酵解,所以糖酵解相关酶的调节是目前抗肿瘤的积有效的方向。丙酮酸激酶是糖酵解途径的主要限速酶,丙酮酸激酶M2是丙酮酸激酶M1 的剪接变体,在多种癌症细胞中过表达。Shen 等研究发现,泮托拉唑能通过抑制丙酮酸激酶M2 的活性,抑制胃癌SGC-7901 细胞的增殖和选择性地诱导其凋亡。肿瘤细胞凋亡涉及的因素很多,据报道PPI 能通过线粒体依赖途径诱导胃癌细胞凋亡,并且在酸性环境下抑制细胞外信号调节激酶1 /2 的磷酸化来发挥其抑癌作用。PPI 除了改变糖代谢的关键酶发挥抗肿瘤效应外,还可以通过影响铁代谢发挥抑癌作用。V-ATPase抑制剂可以通过抑制肿瘤细胞溶酶体膜上的V-ATPase,提高溶酶体内的pH 值,从而抑制转铁蛋白上铁的释放,使细胞内缺铁,铁的缺乏使RNA 和DNA 的合成受阻进而发挥抗肿瘤效应; 此外,V-ATPase 抑制剂还可以上调p53 基因的表达来促进肿瘤细胞的凋亡。肿瘤的代谢改变不仅涉及了酶类的改变,而且更多地引起了肿瘤相关基因和信号通路的激活。PPI 可以改变肿瘤相关基因的表达来发挥抗肿瘤作用,T 细胞起源的蛋白激酶( T-cell-originated protein kinase,TOPK) 在生理情况下只存在于胸腺和睾丸中,但在多种癌细胞中高表达,TOPK 是磷脂酰肌醇3-激酶/AKT 激活细胞外信号调节激酶1 /2 信号的重要信号分子。泮托拉唑被证实为TOPK 的体内外直接抑制剂,能够抑制JB6Cl41 细胞株和HCT116 结肠癌细胞的TOPK 活性,敲除HCT116 细胞中的TOPK 同时也减弱了该细胞株对泮托拉唑的敏感性,体内研究表明,腹腔内注释泮托拉唑能有效抑制HCT116 结肠肿瘤相关小鼠的肿瘤生长,同时泮托拉唑治疗后TOPK 的下游分子即磷酸化的组蛋白3 表达也下降。肿瘤细胞外的酸性微环境对局部浸润的淋巴细胞和肿瘤相关巨噬细胞发挥抑制作用; 肿瘤相关巨噬细胞可以分为两型: M1 型为经典活化的巨噬细胞,M2 型为替代性活化的巨噬细胞,两者功能大不相同,前者通常发挥抗肿瘤效应,后者通常发挥抑制免疫反应和促肿瘤效应; 泮托拉唑能增强M1 型肿瘤相关巨噬细胞在原发于腹水的可种植性T 细胞淋巴瘤小鼠模型中的募集,从而抑制肿瘤生长。低剂量的泮托拉唑( 20 μg /mL) 预处理胃癌细胞能增加胃癌细胞对顺铂化疗药物的敏感性,并且泮托拉唑能诱导胃癌细胞凋亡和抑制胃癌细胞信号转导与转录活化因子3 通路的活化,从而使下游靶基因c-Myc、cyclin D1 和Bcl-2 表达下调。部分学者对泮托拉唑调控鼠T 细胞淋巴瘤肿瘤微环境的pH 梯度抑制肿瘤生长和促进肿瘤凋亡的具体机制进行了深入研究,研究发现泮托拉唑抑制了V-ATPase 的活性和表达后,一系列代谢、凋亡和免疫反应相关指标随之发生变化,如热激蛋白70、葡萄糖转运蛋白1、低氧诱导因子1α、血管内皮生长因子、转化生长因子β、白细胞介素10 等的下调和干扰素γ、抑癌基因p53、一氧化氮的上调,这一系列的变化引起了肿瘤生长受抑制和肿瘤细胞凋亡增加。其中低氧诱导因子1α 是泮托拉唑抗胃腺癌SGC-7901 细胞株的一个靶点。泮托拉唑能靶向作用上皮细胞-间质转化和AKT /糖原合成酶激酶3β /β-联蛋白信号通路,逆转耐药SGC7901 细胞株的高侵袭性表型。PPI 作用于胃癌细胞后,可以观察到伴随细胞外信号调节激酶通路失活的大量胃癌细胞凋亡,相比之下,正常胃黏膜细胞却能过表达抗凋亡调控分子,如热激蛋白70 和热激蛋白27 抵抗PPI 所诱导的凋亡。
  4 结语
  肿瘤的发生、发展是一个复杂的过程。PPI 的抗肿瘤机制十分复杂,改变细胞外酸性微环境以及减少自噬体的形成有利于防止肿瘤的发生和转移;此外,PPI 还可以改变代谢相关酶类的表达来发挥其对肿瘤的抑制作用,调控酶类的表达以阻断代谢相关信号通路将为肿瘤的治疗提供新的靶点。随着人们对肿瘤研究的深入,将会发现更多的PPI 抗肿瘤机制,为肿瘤的治疗提供积极、有效的途径。
 

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