环氧化酶-2与肿瘤发生关系的研究进展

王继贵

(中南大学湘雅二医院，湖南长沙 410011)

环氧化酶(cyclooxygenase，COX)有两个异构体，即环氧化酶1(COX-1)和环氧化酶-2(COX-2)，前者又称为前列腺素内过氧化物合酶-1(Prostaglandin endoperoxide synthase-1，PGES-1)，后者又叫前列腺素内过氧化物合酶-2(PGES-2)。COX-1mRNA及蛋白质在正常生理情况下大多数组织中都可发现；而COX-2mRNA在正常组织中水平很低或不可检出，其蛋白质在所有正常组织中都是不可检出的[1]。大量的实验和临床证据支持COX-2在肿瘤发生中起着关键性的作用。临床和流行病学的资料表明，COX-2的异常表达在某些实体肿瘤和血液学恶性肿瘤时，同不利的临床后果有关联。COX-2严重地影响肿瘤发生的所有阶段，从肿瘤起始到肿瘤的进展以及肿瘤细胞的扩散，都与COX-2有关。本文简要述及COX-2的生化特性以及它促进肿瘤发生的机制。

1 COX-2的生化特性

COX-2基因定位于1号染色体(1q25.2-q25.3)，其结构与COX-1有60%同源性。COX-2基因大约长8.3kb，由10个外显子和9个内含子组成。COX-2基因编码一种同型二聚体蛋白质，大小为604个氨基酸，在结构和酶促活性方面高度类似于COX-1。X-线结晶学分析显示在COX-2单体的N-末端和C-末端内存在几个功能域，它调节COX-2的细胞定位、在膜上的泊位以及催化活性[2]。COX-2在细胞内主要定位于内质网(ER)腔内及核被膜内，在肿瘤细胞中，COX-2定位于线粒体和脂质体中[3]。

花生四烯酸，一种20-碳链的多不饱和脂肪酸，它在5、8、11和14的位置含有四个顺位双键，是COX-2的主要基质，其他多不饱和脂肪酸衍生物，它们在8、11和14位置含有顺位双键，能够用作COX-2的基质，包括2-花生四酰基甘油、花生四酰基乙醇胺及羟基花生四烯酸。除利用脂质基质外，COX-2能代谢许多外源性化学物质，包括饮食的、职业的及环境的致癌物[4]。这些化合物通过COX-2的过氧化物酶活性转化成高反应性分子，它们同细胞DNA相互作用，产生碱性加成物，导致癌基因激活或肿瘤抑制物抑制。外源性化学物依赖于COX-2代谢物的转化，显示在某些肿瘤疾病中起着重要的致瘤作用，包括结肠癌和膀胱癌。

2 在实体瘤及血液学恶性肿瘤时COX-2过表达

除精囊、肾和脑的某些区域外，正常组织在基础情况时显示COX-2表达低或不可检出。然而，在人类实体瘤和血液学恶性肿瘤时，COX-2过表达。在胃癌时，COX-2表达同凋亡和增殖标志相关，是一个强烈的预后指征[5]。在肺癌(特别是腺癌)时，COX-2表达是一个独立的不良预后因素，特别是在早期阶段，对于鉴别不良预后是有用的[6]。COX-2在40%侵袭性乳腺癌的病人中表达，它的出现同局部复发率增加、较高的远处转移和生存率降低相关[7]。最近已有报告COX-2表达和总的不良预后之间的关联，在其他癌时也有发现[8，9]，包括脑肿瘤、卵巢和子宫癌、胆道肿瘤、肝癌、非小细胞肺癌、头和颈肿瘤、甲状腺肿瘤及黑色素瘤等。

COX-2促进造血细胞恶变，在急性白血病人的原始细胞中，COX-2表达上调[10]。在非何杰金氏淋巴瘤的病人中，COX-2的表达同复发增加及生存期降低相关[11]。在新诊断的多发性骨髓瘤病人的骨髓细胞中，COX-2水平增加同生存期降低，早期复发及不良预后相关[12]。

3 COX-2促进肿瘤发生的机制

在培养的肿瘤细胞株及鼠癌模型的研究中证实：COX-2在肿瘤的发生中起着关键性的作用。COX-2的过表达影响恶性肿瘤表型的几个方面，包括细胞生长和增殖失控、增加逃避凋亡的能力、维持新血管形成、增加侵袭潜能以及转移播散和逃避宿主的免疫监视能力[13]。COX-2在细胞自主的方式中经由活性氧族(reactive oxygen species，ROS)通过诱导遗传学不稳定性及脂质过氧化物诱导DNA突变促进癌变前的细胞转变成恶性细胞或进展成恶性肿瘤[14]。除这些细胞的自主效应以外，COX-2参与肿瘤细胞和它们周围环境之间的相互作用。这些相互作用对生存、生长及肿瘤细胞播散是很关键的。的确，COX-2在修饰肿瘤微环境以创造一个庇护所，在庇护所内恶性肿瘤细胞能进一步地繁衍和进展，保护环境的强烈刺激，起着关键性的作用[15]。

根据癌发生的常规模式，正常细胞获得恶性肿瘤的表型以多步方式进行[16]，首先，遗传的“不良影响”必须伴随有额外的遗传损伤，它导致致癌因素激活和肿瘤抑制基因瓦解。这些效应同克隆选择周期联合，在有利的微环境存在时，产生一群恶性前细胞，然后进展成恶性肿瘤细胞，进一步发展成转移播散。大量的研究证据表明，COX-2影响肿瘤发生的每个步骤，从肿瘤起始到肿瘤进展直至转移播散。下面分别详述。

3.1 COX-2促进肿瘤的起始

Colby等[17]最近的研究提供了洞悉在肿瘤起始时COX-2的作用。COX-2表达的构成用牛角蛋白5促进剂指向胰腺外分泌的导管细胞，导致在6-8个月之后自发的发生胰导管腺癌。在这个模型中，通过一种慢性炎性反应，肿瘤发生明显地提前，在3～4周时它被检出，且伴随有炎性细胞的一个早期炎症，随后伴随有新血管形成和导管细胞化生的改变，它逐渐进展成异常结构，最终成为腺癌。COX-2启动肿瘤的效应同炎性反应的发生相一致，它由COX-2启动和维持，因此强调慢性炎症和COX-2的肿瘤启动效应之间有联系。在培养细胞及胃肠道癌动物模型中所进行的研究支持慢性炎症、COX-2和肿瘤发生之间的联系。在这些研究中，胃或食管上皮细胞长期暴露到12指肠或胃液中，启动一个局部炎性反应，逐渐演变成非典型的增生，继后低度结构异常、再就高度结构异常，在没有致癌物存在的情况下，最终发生癌变，在这些实验情况下，在初始炎性反应时，早期检测到COX-2过表达，促使转化为瘤形成的转变[18]。临床证据进一步支持炎症驱动COX-2在转化-结构异常-癌发生顺序中的作用。

3.2 COX-2促使肿瘤进展

大量的资料支持COX-2起着肿瘤促进剂的作用，虽然仅有COX-2的表达不足以触发肿瘤的发展，它显著地加速与饮食有关的致癌物、环境毒素和遗传突变的致癌效应。在转基因鼠之中，COX-2过表达，通过角蛋白与促进剂选择性地指向皮肤，不发生自发性的皮肤肿瘤。然而，这些转基因鼠更易感DMBA(9，10-二甲基苯蒽，诱导实验性皮肤癌的一种化合物)，当暴露到DMBA之后，在COX-2转基因的鼠中 (同野生型鼠比较)检出了较高数量的皮肤癌。这些过表达COX-2的转基因鼠当用TPA(十四烷酰佛波醇乙酸酯)治疗时，可发生皮肤肿瘤。然而，当用antracine作为肿瘤的促进剂时，在COX-2转基因的鼠中发生皮肤肿瘤的数量比野生型鼠高6倍[19]。而且，在COX-2转基因鼠中的肿瘤，组织学上更具侵袭性(与野生型鼠比较)，这些结果支持COX-2发挥肿瘤促进效应的概念。

3.3 COX-2促进肿瘤转移

癌细胞的播散需要有序的一系列事件，特征是移动性和侵袭性增加，通过周围及淋巴循环的侵袭性移向远处器官并定植。Solinas等[20]在报告中指出，炎症是代表癌的第七个标志，髓单核细胞是癌有关炎症的关键成份。肿瘤有关的巨噬细胞及它们的介质，在癌侵袭及转移多步过程中是影响的关键要素。自同细胞外基质的相互作用到建立一个转移前的合适位置，有证据表明炎症介质影响遗传稳定性并引起持久的外力改变，提示肿瘤微环境的炎症成份，是对于产生转移变异体有关影响的基本机制。因此，努力鉴别转移表型的早期标志，在它们播散到远处器官之前用于诊断和预后，对于癌转移的治疗干预，增加成功率是很关键的。

有足够的证据表明COX-2影响转移性小瀑布的每一个步骤，包括刺激上皮-间叶细胞的转变、E-钙黏蛋白的表达下调以及涉及在基底膜降解中的蛋白质水解酶上调，最近的研究强调后面这些效应的关联。Sivula等[21]用免疫组化微矩阵法分析了278例侵袭性乳腺癌组织标本中COX-2和基质金属蛋白酶-2(MMP-2)蛋白水平的表达。结果显示：30%乳腺癌病人COX-2高表达，83%乳腺癌病人MMP-2高表达，这两个因素呈正相关(P=0.003)。这些结果表明，侵袭性乳腺癌同COX-2和MMMP-2表达水平升高有关，这两个参数是乳腺癌不良预后的标志。

4 COX-2抑制剂抗肿瘤效应的机制

非类固醇抗炎药 (nonsteroidal antiinflammatory drug,NSAIDS)可以减少发生癌症的危险性[22]，由于其抑制了对胃肠道粘膜有保护作用的COX-1，使其胃肠道的付作用较大，导致发展了COX-2特异的抑制剂昔布类(coxibs)。塞来考昔(celecoxib)和罗非考昔(rofecoxib)是第一批被发展的昔布类。随后发展的有艾托考昔(etoricoxib)、伐地考昔(valdecoxib)和鲁米那考昔(luminaracoxib)。

coxibs是慢的，依赖时间的COX-2抑制剂，它不可逆地结合到COX-2催化活性位置的特殊残基上，导致它的失活。在培养的肿瘤细胞株中及肿瘤异种移植物中证实这些化合物具有明显的抗肿瘤特性。在某些肿瘤细胞中，coxibs发挥抗肿瘤效应，只有当应用的浓度高于抑制COX-2活性需要的浓度时，而且肿瘤细胞缺乏表达一种COX-2，这种COX-2具有类似敏感的coxibs抗增殖效应[23]。这些发现假定coxibs具有不依赖COX-2的效应。已经开发出coxibs的结构类似物，它们没有来自于COX-2抑制剂的不利付作用。例如二甲基塞来考昔(Dimethylcelecoxib,DMC),可有效地抑制增殖及各种肿瘤细胞株的细胞生存，然而，DMC及其他的coxibs类似物的机制仍不完全清楚。一项最近的研究指出DMC抑制前列腺素E2(Prostaglandin，PGE2)的产生[24]。上述发现强调DMC及它的类似物的抗肿瘤机制，在它们推荐到临床试验之前，需要进行额外的实验研究。

与昔布类药物类似，NSAIDS和阿匹林具有抗肿瘤性质，来自于它们能够抑制COX酶，同时，NSAIDS是弱的不依赖于时间的COX-1和COX-2抑制剂；阿司匹林能强有力的和不可逆的抑制COX-1和COX-2。然而，NSAIDS及阿司匹林对肿瘤细胞也有不依赖于COX的效应，例如，阿司匹林经由激活核因子-κB(NF-κB)诱导肿瘤细胞凋亡。最近的研究[25]明确地证实一种新的机制，舒林酸(Sulindac)，一种COX-1和COX-2的抑制剂，通过同视黄酸(retinoic)受体X alpha相互作用和抑制AKT(蛋白激酶B)的激活，可诱导凋亡。

5 COX-2抑制剂的临床应用

coxibs药物的发展，初始用于化学预防，后来用于癌症治疗。Stinbach等首先用塞来考昔治疗家庭性腺瘤息肉病，证实结直肠息肉的数量和大小显著减少。随后几个大型随机临床试验均证实用塞来考昔预防腺瘤性结肠息肉病，用400mg塞来考昔每天一次，在息肉切除后三年内可显著地降低结直腺瘤的发生[26]。然而，用coxibs治疗，血栓形成事件的发病率及严重性则显著增加，在停止治疗后它仍持续一年[27]。然而，最近一项meta-分析对72份研究进行独立评估[28]，发现在同长期使用塞来考昔有关的心血管效应危险性方面，没有显著增加，除非病人以前已有心血管病的危险因素。尽管COX-2抑制剂在癌症治疗中的效力还有些问题，用塞来考昔联合系统化疗或放疗的几个临床试验，当前正在继续进行。从这些试验的结果，将提供有用的信息，可进一步地评价COX-2抑制剂在辅助化疗中的效力。

6 小结

流行病学、临床及实验研究的主要证据均支持COX-2促进肿瘤发生，COX-2促进肿瘤发生的机制，仍然是一个令人兴奋的研究领域，它将毫无疑问地继续影响我们对肿瘤细胞行为复杂性的理解。需要进行额外的基础研究，以明确地确定当肿瘤转化时，COX-2是原因或是结果？遍及多年在体外实验及动物模型中积累的发现，应当加速通过用原发肿瘤样本进行研究。

在癌症治疗中，在体外，COX-2抑制剂强有力的抗肿瘤效应，和它们在临床试验中的效力，存在明显的差异；临床试验的结果和几个经验教训，也可学习和应用到将来的研究中，以达到更好地理解COX-2在肿瘤形成中的作用。在癌症治疗中，COX-2抑制剂不能不加区别地应用，应基于病人肿瘤的COX-2的状况，而不同的应用。在治疗之前，应进行组织学分析，以确定COX-2在原发肿瘤中的表达，以弄清COX-2表达肿瘤可能对COX-2抑制剂的反应；同样也应评价在PGE2降解中酶的伴随表达，特别是在对COX-2抑制剂治疗没有反应的病人。

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