低氘水抗肿瘤作用的研究进展及其可能机制

陈淼 刘光甫 陈楚言 杨慧龄 祝葆华

[摘要] 饮用低氘水可以预防疾病、延缓衰老、活化机体免疫细胞，特别是对某些癌症等疾病的辅助治疗，是近年国外核医学领域和水生理学领域对低氘水研究的重大突破。目前，抗癌化疗药物仍是肿瘤的重要治疗手段，但其毒副作用强，易导致多药耐药的产生，而低氘水使用方便，无毒副作用，且可能对肿瘤的多药耐药逆转有巨大作用。其抗癌机制极其复杂，故本文对低氘水抗肿瘤作用的研究进展及其可能机制做一综述。

[关键词] 低氘水；抗肿瘤；机制

[中图分类号] R733 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2015）02（a）-0155-05

自然界中的水是由2个氢原子和1个氧原子组成，而氢原子按其质量不同又分为3个同位素，分别为氢（H）、氘（D）、氚（T）。重氢的含量约为0.015%，由D代替H结合的水就是重水。天然水中氘和氕的比率（D/H）是1∶6600，通常把氘体积分数低于0.015%（150×10-6）的水称为贫氘水或低氘水（deuterium depleted water，DDW）[1-5]。低氘水的理化作用首先被发现，由于其特殊性被广泛用于化工、核能等行业。随着其在防治疾病、增强机体抗氧化能力和免疫力、延缓衰老等方面的发现，低氘水在国外已经被商品化作为饮用水。

在早期的研究中，发现水中氘含量降低后可增强机体抗氧化能力。随着研究的深入，发现低氘水还具有增强血管的反应性[6]、放射保护和激活免疫力[7]、利于培养细胞生长[8]、改善机体基础代谢水平、抗细胞突变和延缓衰老[9]等作用，是近年国外核医学领域和水生理学领域对低氘水应用研究的重大突破[6-7]。同时，研究发现低氘水可以诱导肿瘤细胞凋亡，抑制多种肿瘤细胞的增殖，并引起移植瘤小鼠肿瘤组织消退[10-12]。

随着对低氘水研究的深入，目前对低氘水的研究已涉及多个领域包括医学、食品、美容保健、农业等，并取得较显著的成功。由于低氘水独特的性质及作用，目前已成为研究的热点，在饮用水及化妆品领域已有其产品的投入。

1 低氘水的抗肿瘤作用

除了通过特殊的制备工艺生产低氘水外，自然界中也存在含氘量低的水，如冰川水和雪水，其含氘量一般为0.0125%～0.0135%。调查发现生活在冰山及寒冷区域的动物体型较为庞大，且鱼类和浮游生物也较容易繁殖，是因为在寒冷极地或者在地球两极地区的水中含氘量较热带与亚热带地区的水少，特别是在南极的冰雪中，重水的含量微乎其微，使得南极雪水的密度最小，是地球上最轻的水。

对于低氘水的研究，Hughes等[10]最早发现通过给腹水瘤小鼠饮用0.0025%～0.003%的低氘水可以有效地延长其生存期。随后Somlyai等[11]进一步研究发现，低氘水（含氘量为0.003%～0.01%）可以使体内的D/H比例发生一定改变，从而抑制HT-29结肠癌细胞、MCF-7乳腺癌细胞、PC-3前列腺癌细胞和M19黑素瘤细胞等多种肿瘤细胞的增殖；随后，低氘水逐渐成为研究的热点。研究发现，当普通水中氘含量降低65%的时候就可以表现出一定的抑制肿瘤的作用[12]，而且新的研究在证实低氘水无毒副作用的同时也表明低氘水对多种肿瘤细胞，如肺癌[13]、胰腺癌[14]、前列腺癌等均有抑制作用。Krempels等[13]对4例肺癌伴脑转移患者的回顾性研究表明，连续饮用低氘水（0.001%～0.002%）3个月的肺癌合并脑转移患者，生存期是其他抗癌治疗法患者的5～10倍。Cong等[15]研究提示，低氘水可通过诱导肿瘤细胞凋亡而抑制肺癌生长。此外，本课题组首次报道了低氘水可以抑制鼻咽癌细胞与宫颈癌细胞的增殖及迁移[16-18]，提示低氘水具有抑制鼻咽癌细胞与宫颈癌细胞的作用。

近年来，在匈牙利药品管理局批准下开展了一项超过1500例前列腺癌患者参与的临床Ⅱ期双盲、随机调查实验，按照药物临床试验质量管理规范（good clinical practice，GCP）标准，调查结果显示，饮用低氘水的前列腺癌患者与饮用普通饮用水的对照组前列腺癌患者相比，饮用低氘水的前列腺癌患者的生存期与生活质量都得到了显著的提高。提示通过降低体内氘的浓度，可以抑制体内癌细胞的增长，诱发癌细胞的凋亡，对肿瘤的预防、复发和转移的防治具有重要意义。

2 低氘水抗肿瘤作用的可能机制

2.1 低氘水对肿瘤细胞的周期调控

20世纪90年代，有研究者在使用体积分数为0.003%的低氘水培养基培养L929细胞时，发现其相对于正常培养基培养的L929细胞，细胞分裂的迟滞期延长了5～10 h[19]。在海藻的叶状体观察低氘水对植物细胞的影响实验中，发现将叶状体置于含有低氘水的培养基后，植物表现出了细胞呼吸作用活跃、光合作用停止，细胞内pH值为碱性而细胞外的pH值则偏向于酸性[20]。已经有研究证实细胞内pH值的变化是细胞进行分裂的一个重要机制[21]。Decoursey等[22]通过对重水的研究发现只有在氘体积分数降低到一定程度，水才能通过细胞膜和质子通道，改变细胞的酸碱平衡，影响细胞内质子转运，从而影响细胞分裂。细胞吸收水的过程是靠水分子团通过细胞膜与质子通道而实现的，由于氘与氧分子更容易形成更小更稳定的水分子结构，从而更容易穿透细胞膜，进入细胞内。研究认为，细胞内稳定的氘/氢比例（D/H）是维持细胞信号转导、肿瘤细胞分裂增殖的重要条件。当细胞内的D/H比率达到一定的阈值后，触发细胞周期调控系统，引起细胞分裂。因此，改变或降低细胞内D/H的比例，肿瘤细胞有丝分裂所需要的条件消失，肿瘤的生长受到阻滞。在海藻实验的例子中，低氘水培养的海藻细胞，活化细胞质膜上的H+-ATPase，使细胞内的H+排除，改变细胞内D/H比例，影响细胞生长[20]。此外，王宏强等[16-17]、张力等[18]通过实验发现，肿瘤细胞经过低氘水培养基培养后，细胞的PCNA蛋白与P21蛋白均受到调控。P21最初是作为P53的下游基因被发现的，它参与细胞的生长、分货、衰老及死亡过程，同时又与肿瘤的发生密切相关，在细胞的生理、病理过程中发挥着重要的作用。研究证实了P21能够与cyclin D/cdk形成复合物而使细胞周期停滞在G1期；它还可以与PCNA相互作用，阻断PCNA活化DNA聚合酶的活性从而抑制DNA的合成，使细胞周期停滞。

2.2 低氘水调控肿瘤细胞的凋亡机制

细胞凋亡是通过启动细胞自身内部死亡机制而产生的一种细胞死亡方式，细胞凋亡的失调在肿瘤的发生、发展中发挥着极其重要的作用，是肿瘤细胞的重要标志[23]。目前，通过修复细胞凋亡机制诱导细胞死亡，是肿瘤化学治疗的主要手段。P53基因被认为是肿瘤的抑制基因，因为P53蛋白可作为一种关卡控制因子，通过调节细胞从G1期进入S期来控制细胞的过度增殖，并且能促进细胞凋亡。P53是周期调控基因P21的重要的上游基因，很多试验证明了P53参与着肿瘤细胞的凋亡调控。研究发现，宫颈癌患者对化疗的敏感性是通过P53-Bax调节通路，诱导细胞凋亡而起作用的[10]；Gy？觟ngyi等[12]发现低氘水能够降低移植瘤裸鼠的原癌基因C-myc和Ha-ras和上调抑癌基因P53基因的表达，诱导肿瘤细胞凋亡。

目前研究表明，细胞凋亡机制诱导细胞死亡也可能作为低氘水辅助治疗肿瘤的潜在机制。Gong等[15]通过体内体外实验发现，低氘水抑制肺癌细胞增殖作用中存在凋亡机制的参与，提示低氘水可能是通过诱导细胞S期阻滞和肿瘤细胞凋亡抑制癌细胞的生长。此外，Bcl家族与Caspase家族是目前被认为与肿瘤细胞凋亡有密切关系的基因家族。相信随着对低氘水研究的深入，低氘水诱导肿瘤细胞凋亡的机制将会越来越清晰。

2.3 低氘水调控肿瘤细胞中的miRNAs的表达

近年来，microRNAs（miRNAs）在调节基因的表达与肿瘤细胞的表型方面已经发展成为一支重要力量，其与细胞的增值[24-26]、细胞周期进程[27-29]、侵袭[30-32]以及分化[33-34]等密切相关，是肿瘤发生、发展过程中的重要分子之一。microRNA是20～22个碱基长度的非编码RNA。miRNA不编码任何蛋白质，但调控基因转录后的表达。Volinia等[35]对500多例患肺癌、胃癌、乳腺癌、结肠癌、前列腺癌或胰腺癌的患者进行miRNAs的表达分析，发现21种在正常人体中表达低的miRNA在肿瘤患者中都过度表达，如miR-21、miR-17-92和miR-191。而且他们的研究也充分说明miRNAs广泛参与癌症的病理过程，可能促进也可能抑制癌症的发生。Zhang等[36]研究了283种miRNAs基因，发现有41种miRNAs在乳腺癌、卵巢癌和黑色素瘤这3种肿瘤中基因表达改变是相同的，其中26种基因表达增加，15种表达减少。miRNAs表达的改变会通过调节与肿瘤细胞增殖和存活有关的基因功能表达从而促进或者抑制肿瘤的形成。肿瘤细胞可表现很多改变，可以直接或间接地影响miRNAs表达，很多miRNAs被认为具有致癌或抑癌的功能。在离体和在体的实验中，发现miRNAs具有肿瘤抑制或促进的作用，并且目前一些有关的miRNA靶点已经被报道[37-38]。在肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）中，miRNA可以靶向调控与细胞周期、凋亡、转移相关的蛋白表达[39]。本课题组在前期研究中证明低氘水可以抑制肝癌HepG2细胞的增殖和侵袭[40]。而且通过基因芯片分析对肝癌HepG2细胞的miRNA表达谱，可以发现在差异表达的miRNA中，既有表达上调的，也有表达下调的。因此，有理由相信低氘水对miRNAs的表达是其抗肿瘤作用的机制之一。

2.4 DNA损伤机制

目前研究表明，过量的紫外照射和过高浓度的氘均可以通过损伤对生物体内氘的浓度尤为敏感的DNA修复酶，造成DNA密码子排列错乱，从而最终影响生物体的有丝分裂。在20世纪初，大部分研究专家提出生物体内氘的含量与机体衰老密切相关。某些酶和蛋白在DNA复制及修复过程中以及氢键的形成中起重要作用[41]。同时研究表明，氘可以在DNA的螺旋结构中置换氢原子，导致了衰老及肿瘤发生，而这种影响作用主要通过推进DNA双螺旋结构相移、断裂、替换，另一方面使得核糖核酸排列混乱，甚至重新合成，出现突变[42]。

3 小结

人体内的水含量占到了65%～70%，可以说水是生命之源，而氢键是DNA的基本化学键，参与了机体几乎所有的生命反应，氘正是以这样的方式影响着DNA的遗传、复制。自从1934年，美国科学家尤里发现氘之后，人们对于氘的研究才正式开始。随着对低氘水的研究深入，人们慢慢发现其在临床医药上的应用前景，其中对于低氘水对肿瘤的作用更是备受关注。直到1990年匈牙利国立研究所报道低氘水能够诱导猫和狗自发性恶性肿瘤完全或者部分消退，并注册申请低氘水作为抗癌药物在动物中使用[43]，低氘水正式步入了抗肿瘤研究的快车道。肿瘤的发生与发展极其复杂，是多种因素相互作用的结果，其根本原因是生物体内细胞稳态失衡。造成细胞稳态失衡的原因有很多，其中蛋白质功能紊乱、DNA突变、化学因素等被认为是肿瘤发生的元凶。由于肿瘤发生的复杂性，目前肿瘤的治疗依旧以杀伤性化学药物为主，但化学药物在杀灭肿瘤细胞的同时，对正常细胞也有同样的杀伤作用，对正常细胞影响大，在治疗过程中患者往往会出现不同程度的毒副作用，甚至诱发新的肿瘤。而鉴于低氘水的天然属性，对人体几乎没有任何毒副作用。目前，低氘水的体内外实验已经证实了其具有抗肿瘤活性，且对人体正常细胞无毒副作用，甚至具有促进正常细胞生长功能，提示低氘水还可能具有活化细胞、延缓衰老的功效[16]。由于肿瘤发生的复杂性，低氘水抗肿瘤的机制也是多种多样。研究表明，低氘水通过逆转运Na+-H+离子泵和K+-H+-ATP，调节细胞内pH值和D/H比例，抑制肿瘤增殖，并且低氘水能够修复体内损伤突变的DNA，抑制肿瘤的发生发展。microRNA是近年来研究的热点，miRNA在肿瘤细胞的分化、增殖、凋亡等方面发挥着重要的作用，相信随着对低氘水研究的深入，低氘水调控人体内miRNA的表达，从而抑制肿瘤发生发展，很可能是低氘水研究的一大方向。目前对于低氘水的研究还处于初级阶段，人们对于低氘水具体的抗肿瘤机制的认识还十分模糊，其抗肿瘤机制还有待进一步研究。随着基因芯片等分子生物学技术一日千里的发展，必将为我们揭开低氘水抗癌作用的神秘面纱。

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