孙国贵(综述)/王雅棣*(审校)

(河北医科大学第四医院放疗科，  河北    石家庄     050011)

【摘要】   活性氧(reactive  oxygen  species，ROS)是近年来基础医学和生命科学领域研究的热点。大量研究发现，ROS不仅参与细胞凋亡、坏死，还可参与细胞间信号转导，影响基因的表达，从而促进细胞的增殖分化，导致细胞凋亡减少或增殖过度而易引发肿瘤。因此，通过探讨ROS在肿瘤发生、发展及治疗中的作用，将为肿瘤防治打开新的视野。

【关键词】   活性氧；  肿瘤；  氧化应激

   中图分类号：R730.54       文献标识码：  A       文章编号：  1004-616X(2011)01-0078-03       doi: 10.3969/j.issn.1004-616x.2011.01.021

1    活性氧自由基的定义、产生及生理作用

自由基是指在1个轨道上具有1个不成对电子的原子或原子团。一般通过分子或离子的均裂获得：即A∶B→A·＋B·。活性氧(reactive  oxygen  species，ROS)是一类由氧形成、并在分子组成上含有氧且化学性质比氧自身活泼的氧原子或原子团；主要是含氧自由基和易于形成自由基的过氧化物，如超氧自由基(O2-.)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(·OH)等。ROS主要由分子氧经线粒体内膜(inner  mitochondrial  membrane，IMM)呼吸链复合体Ⅰ(NADH/biquinone  oxidoreductase)及复合体Ⅲ(ubiquinol/cytochrome  c  oxidoreductase)传递产生[1]。在正常的生理情况下，约有2％的氧消耗在线粒体，用于生成ROS[2]。除线粒体外，其它内源性产生途径还有一氧化氮合成酶(NOS)，细胞色素P450(Cyto  P450)，NADPH氧化酶(NOX)，脂加氧酶(LOX)，环加氧酶(COX)，黄嘌呤氧化酶(XO)等[3]；而外源性ROS产生途径主要包括电离辐射、金属离子、佛波醇酯类、氯化合物及细菌感染等。

生理状态下，机体多种抗氧化酶(SOD、GPx、GST、CAT等)不断清除细胞内产生的ROS及自由基。ROS在不断产生及清除中保持氧化-还原系统稳定，并在人体整个生理过程中发挥重要作用[4]。然而，这种动态平衡一旦受到破坏导致ROS过剩(ROS产生增多或抗氧化酶减少)，将引起各种氧化应激(oxidative  stress)的发生，对细胞造成伤害，严重时会导致细胞死亡。研究表明，抗氧化应激系统缺陷是肿瘤细胞的共性，增加的氧化应激通过改变细胞内氧化还原状态、氧化修饰关键氨基酸残基来攻击细胞的DNA、脂质及蛋白质而引发一系列病理过程，包括各种心血管疾病，神经退行性疾病，衰老及肿瘤的发生等150余种疾病[4－5]。

2    ROS与肿瘤的发生和发展

2.1    ROS与nDNA

肿瘤形成需要经历启动(initiation)、促进(promotion)及进展(progression)3个阶段。目前研究证明，  ROS参与了肿瘤形成的3个阶段[6]，ROS诱导核DNA(nuclear  DNA，nDNA)氧化性损伤与肿瘤的发生密不可分[7]。ROS通过诱导nDNA单链或双链的断裂或交联引起嘌呤、嘧啶及脱氧核糖发生nDNA突变。羟自由基(·OH)是极强的氧化剂，可以氧化脱氧核糖核苷酸、磷酸基骨架、嘌呤碱基及嘧啶碱基等nDNA的全部组成部分，进而形成许多DNA突变产物。人类8-羟基鸟嘌呤糖苷酶(8-OH-G)是·OH在机体形成的DNA碱基损伤最为普遍的形式，并且导致A∶T→G∶C的颠换[8]，这种永久修饰基因的产生是DNA突变和肿瘤发生的基础。Ras原癌基因及肺癌、肝癌组织中的抑癌基因都被发现有A∶T→G：C的颠换[6]。这暗示ROS通过介导原癌基因的激活或抑癌基因的失活而诱发nDNA的突变来参与肿瘤活化的初始阶段。此外，NO－、  ONOO－则能作用于nDNA碱基从而导致其单链断裂[9]，进一步引起nDNA突变。据估计，哺乳动物细胞每天遭受·OH及其它ROS自由基大约1.5×105次氧化攻击[10]，而这些氧化修饰性攻击可能是引发nDNA突变的关键因素。经反复作用，nDNA修复功能出现异常，从而产生具有形成肿瘤潜力的细胞(initiation)。ROS诱导的持续性氧化损伤能够进一步扩大这些启动细胞的克隆性选择，并且逐渐形成为具有新特征的细胞亚群(promotion)。最后，细胞凋亡减少，基因组不稳定性及异型性增加，进展为突变细胞，导致肿瘤发生(progression)[11－12]。

2.2    ROS与mtDNA

线粒体DNA(mitochondria  DNA，mtDNA)具有编码呼吸链氧化磷酸化复合体中13条多肽链的基因及线粒体蛋白质合成所需要的22个tRNA、2个rRNA  的基因。mtDNA突变可影响氧化磷酸化的过程，引起一系列病理变化而诱发肿瘤[13]。目前，虽然肿瘤细胞内mtDNA突变的位点、程度及机制尚不清楚，但大部分肿瘤组织，如肺癌、乳腺癌、肝癌、胃癌、肾癌、膀胱癌、淋巴瘤等都发现了mtDNA突变[13－14]。mtDNA含有的MTATP6基因突变可能参与了肿瘤活化，并且抑制肿瘤细胞凋亡[15]。Wang等[16]发现，肿瘤细胞内mtDNA表达水平增高，可能是对肿瘤细胞能量需求增多适应性反应的结果，促使肿瘤细胞凋亡减少，并与致癌有关。与nDNA相比，mtDNA由于缺乏蛋白质保护和抗氧化酶损伤修复系统[3]，更容易受到ROS的损伤作用而发生突变，其突变率是nDNA的  10～20倍，而抗氧化酶则可减少细胞突变的发生。mtDNA突变又能够增加ROS的产生，进一步加剧mtDNA的突变效应，使突变量积累(mtDNA的错配、插入、缺失及框移等)而加速核染色体畸变[17]，从而增加肿瘤发生的风险。由于编码mtDNA复制、转录所需的大部分酶均由nDNA调控，因此由ROS介导的氧化损伤所致的线粒体基因组不稳定(mitochondrial  genome  instability，mtGI)[18]以及mtDNA损伤片段通过不良插入整合nDNA有可能带来核基因组不稳定，两者可能共同参与了多阶段致癌过程[12]。Shay等[19]进一步研究发现，mtDNA上几段不相连的基因(12SrRNA、COXI、ND4L/ND4)中的一部分相连而成的片段整合入HeLa  TG细胞，而整合位点在myc基因附近；这更加提示，mtDNA、nDNA两者共同作用在多阶段致癌过程中可能发挥了主导作用。

2.3    ROS与脂质

生物膜磷脂中的多不饱和脂肪酸(PUFA)因含多个双键而化学性质活泼，容易受到ROS的攻击而发生脂类氧化反应。经过自由基连锁反应(引发作用、扩增作用、终止作用)[20]，形成一系列脂质中间产物及终产物，如脂氧自由基(LO·)、脂过氧自由基(LOO·)、氢过氧化脂(LOOH)、丙二醛(MDA)及4-羟基烯醛(HNE)等。MDA能够进一步作用于DNA碱基G、A、C而各自形成M1G、M1A及M1C引起基因突变[20－21]。HNE则可通过调控下游信号转导分子(JNK、PKC、c-jun、c-myc、c-myb、AP-1及NF-κB)而引起细胞功能改变[22]。

2.4    ROS与蛋白质

ROS不仅能氧化蛋白质主链，而且还能氧化侧链氨基酸残基，尤其对赖氨酸、精氨酸、组氨酸、脯氨酸及苏氨酸更为敏感[23]。ROS攻击蛋白质后形成羰基衍生物，因此蛋白质羰基已成为判断ROS介导蛋白质氧化和氧化应激的定量指标[20]。蛋白质羰基能够改变其三级结构，导致蛋白质部分或全部伸展，尤其易于形成蛋白质-蛋白质之间的潜在有害交联物[24]。ONOO－  能引起半胱氨酸、酪氨酸、蛋氨酸及色氨酸的难逆性亚硝基化。酪氨酸亚硝基化能够进一步抑制其磷酸化及腺苷化[25]，从而引起重要的蛋白质功能障碍。严重的氧化应激亦可诱导二硫键介导的蛋白交联、蛋白质过氧化物、脂质过氧化物及糖基化产物之间加合物的形成，并且能够进一步抑制20  S、26  S多催化活性蛋白酶[26]，其生物学功能必然发生巨大变化。

3    ROS含量与肿瘤的发生

ROS诱导肿瘤形成，存在一定的剂量-效应关系。目前研究认为：急性、高浓度的ROS损伤DNA、蛋白质及脂质，引起细胞凋亡、坏死[5,23,27－28]；中等浓度的ROS引起细胞周期暂时性或永久性阻滞，并可能诱导细胞分化[27]；慢性、低水平的ROS促进细胞有丝分裂与细胞增殖，并且增加基因组不稳定性而诱导肿瘤的发生及进展[5,23,27－28]。Lau等[29]研究发现，通过亚硝酸盐作用产生高浓度的ROS，诱导大鼠肺上皮细胞(LEC)凋亡，并且这种作用能被谷胱甘肽(GSH)所阻断；而亚硝酸盐作用产生的慢性、低浓度的ROS则诱导LEC恶性肿瘤的形成[30]。

对于正常细胞，由于高浓度的ROS能够损伤DNA、脂质及蛋白质，这些氧化应激的累积效应则可能诱发癌变[7,20－21,24,27]；低浓度的平衡状态的ROS则对维持正常细胞的生理功能具有重要作用[3]。然而对于肿瘤细胞，高浓度的ROS则可引起细胞凋亡、坏死；慢性、较低水平的ROS则促进肿瘤细胞克隆性增生[5,23,27－28]。Szatrowski 等[24,31－32]研究发现，肿瘤细胞比正常细胞产生较多的ROS。这可能提示：缓慢增加的ROS可能促进了肿瘤的发生发展。

4    ROS与肿瘤治疗

虽然ROS对肿瘤的形成和发展起重要作用，但同时ROS亦具有抗肿瘤作用，高浓度的ROS诱导肿瘤细胞氧化损伤，引起其凋亡或坏死。许多研究表明，肿瘤细胞自身能够诱导氧化应激，其ROS水平高于正常细胞内的ROS水平，并且对于氧化应激反应更为敏感；而其谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶(SOD)含量较正常细胞低[24,27,31－32]。这说明，肿瘤细胞本身高浓度的ROS、肿瘤细胞对ROS的易感性和其抗氧化损伤防御系统缺陷这3个因素，决定了细胞内同样浓度ROS的作用下，肿瘤细胞首先发生凋亡而正常细胞则能耐受。

化学及放射治疗主要通过产生高浓度的ROS引起细胞凋亡。高浓度的ROS通过调节线粒体内膜的腺嘌呤核苷酸转位蛋白(ANT)分子构象而诱导线粒体膜通透性(MPT)转运孔开放，并且进一步降低线粒体跨膜电位(Δψm)，活化细胞色素c，凋亡酶激活因子(APAF-1)，caspase-8、9、10，caspase-3、6、7而诱导细胞凋亡[24]。Sen等[33]研究发现，伊立替康(CPT)通过增加细胞内ROS的水平降低线粒体跨膜电位(Δψm)而引起细胞凋亡。进一步研究显示，CPT通过产生ROS诱导开放非选择型和L－Ca2＋型电压门控通路，引起肌浆网Ca2＋－ATP酶功能失调而增加胞浆中游离Ca2＋，游离Ca2＋的大量增加则能够促进线粒体氧化磷酸化(oxidative  phosphorylation，OXHPOS)解耦连而导致细胞凋亡[34]。卡铂(CBP)通过诱导ROS激活膜死亡受体Fas(APO-1)通路而促进细胞凋亡[35]。放射辐射中产生的H2O2引起Δψm下降，诱导活化细胞色素c释放，Caspase活化，最终导致细胞凋亡，并且随H2O2浓度从μmol/L到mmol/L级分别诱导细胞凋亡和坏死；而过氧化氢酶(CAT)则能抑制H2O2引起的细胞凋亡[36]。

抗氧化酶(SOD、GPx、GST、CAT等)可保护DNA免受ROS损害，从根本上避免基因突变的发生。由于抗氧化酶能够减少ROS产生，因此Salganik等认为抗氧化酶应避免用于同步放化疗[24,37]。然而许多证据表明，ROS并非是放化疗杀伤癌细胞的唯一因素，而抗氧化酶能够增加放化疗效果并且降低其副作用，具有放射增敏作用[24]。

5    展    望

ROS既可致癌又可通过细胞毒作用而引起肿瘤细胞凋亡甚至坏死。不同含量及种类的ROS对细胞的作用不同，如何利用抗氧化酶(MnSOD等)、抗肿瘤药物、放疗剂量来调节ROS产生的水平、种类，以提高对肿瘤细胞的杀伤同时减少对正常组织损伤，是抗肿瘤治疗研究的目标；进一步阐明ROS的分子信号机制，对探索肿瘤基因治疗新理论具有重大的意义。

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收稿日期：  2010－02－24；  修订日期：2010－05－27

基金项目：  国家人事部高层次留学归国人员资助(国人厅发[2005]118号)

作者简介：  孙国贵(1980－　)，男，河北省唐山市人，博士，研究方向：恶性肿瘤放射治疗。

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