活性氧调控炎症诱发肿瘤机制的研究进展

于卫华，周庆彪，刘　颖，师腾瑞，王　帅，张晓迪，海春旭

活性氧调控炎症诱发肿瘤机制的研究进展

于卫华，周庆彪，刘颖，师腾瑞，王帅，张晓迪2，*，海春旭1，*

( 第四军医大学毒理学教研室，陕西西安710032 )

大量基础和临床研究表明，由生物、物理、化学因素以及自身免疫疾病导致的炎症反应与肿瘤的发病密切相关。流行病学资料也证实炎症与肿瘤之间存在明显关联性，是导致肿瘤的重要危险因素。氧化应激与炎症紧密相连，炎症可导致氧化应激，氧化应激亦可引发炎症。在致癌因素和致炎因素刺激下，机体会生成大量活性氧(ROS)，如果无法及时清除，便可能造成周围组织细胞的DNA损伤和恶性转化。本文阐述了ROS参与调控慢性炎症诱发肿瘤的可能机制及最新研究进展，以期为肿瘤的预防和治疗提供新的思路。

活性氧；炎症；恶性转化；肿瘤；治疗

早在19世纪，Virchow首次指出肿瘤组织中有大量炎症细胞的浸润，随后大量临床病例也证实肿瘤多发于慢性炎症灶，人们逐渐认识到炎症与肿瘤关系密切。诱发炎症的因素很多，包括细菌或病毒感染、过敏原、辐射、有毒化学物、肥胖、饮酒、吸烟和高热量饮食等，而这些又都是肿瘤发生的危险因素。研究表明全世界约20%的肿瘤是由感染和炎症引起的，目前证实的与肿瘤相关的慢性炎症包括：石棉纤维或二氧化硅微尘引起的矽肺与肺癌相关；牙龈炎与口腔癌相关；肠道炎症与结肠癌和直肠癌相关；幽门螺旋杆菌引起的慢性胃炎与胃癌相关；吸烟引起的支气管炎与肺癌相关[1-2]。Dvorak等[3]也发现肿瘤组织和炎症组织均包含大量的间质细胞、炎症细胞和血管生成细胞，两者之间的差别在于肿瘤组织不能恢复正常，而炎症在感染被有效控制后可以恢复。一般来说炎症持续的时间越长，肿瘤发生的机率越高。炎症病灶究竟是如何发展为肿瘤的，这个问题一直是近年研究的热点。氧化应激、炎症和肿瘤三者之间关系密切，炎症和肿瘤的危险因素均可引起机体生成大量活性氧(reative oxygen species，ROS)，造成病灶组织的氧化应激。本文主要分析了ROS参与慢性炎症诱发肿瘤的可能机制，包括诱导细胞基因稳定性改变、调控肿瘤细胞的增殖、抑制肿瘤细胞的凋亡、以及促进肿瘤血管生成和转移。了解肿瘤的炎性微环境和氧化还原平衡的变化，有利于我们更加全面地认识肿瘤发病过程，为解决肿瘤这一难题提供新的策略和手段。

1　ROS在炎症诱发肿瘤过程中发挥关键作用

在感染、中毒、损伤和缺血再灌注等因素刺激作用下，机体的免疫系统被迅速激活。炎症反应按照病程分为两个阶段，急性炎症反应和慢性炎症反应。急性炎症反应是炎症的起始阶段，持续时间较短，以渗出病变和中性粒细胞浸润为主要特征，可以有效清除病原微生物，对机体具有积极意义。如果致炎因子持续存在，机体就会进入慢性炎症阶段，出现吞噬细胞和淋巴细胞浸润，可能导致包括肿瘤在内的多种慢性疾病发生。急性炎症反应过程中机体会快速释放大量肿瘤坏死因子(TNF-α)、白介素-1(IL-1)和白介素-6(IL-6)等细胞因子和炎症介质，并导致组织耗氧增加和呼吸爆发，在短时间内生成大量ROS，有效地消灭和清除外源异物。这一过程不仅诱导了周围细胞DNA不可修复的损伤，还会启动细胞内的凋亡程序，因此一般不会导致肿瘤的发生。而在慢性炎症反应过程中，长期缓慢释放的ROS会造成附近细胞的基因突变，一旦不能及时修复，便会引发细胞癌变。同时，慢性炎症导致的局部ROS水平升高为肿瘤提供了良好的生存条件，能够促进肿瘤细胞的生长和转移。

2　ROS参与炎症诱发肿瘤的可能性机制

大量证据表明，ROS在炎症与肿瘤发病的关联反应中发挥桥梁和纽带作用。ROS参与了炎症介导的肿瘤发生、发展、浸润和转移等进程，目前认为其具体机制与以下几个方面有关。

2.1诱导细胞基因稳定性改变

炎症诱导的肿瘤发生与氧化应激紧密相关，肿瘤组织存在大量的炎症细胞浸润和ROS生成。在动物模型中给予抗氧化剂或呼吸爆发的阻断剂，可有效抑制慢性炎症诱导的DNA的氧化损伤和肿瘤发生[4]。而肿瘤促进剂的一个重要特征就是招募炎症细胞，并刺激它们产生ROS。给予佛波酯或紫外线暴露，可诱导小鼠皮肤DNA的氧化修饰产物8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)升高，随着暴露水平提高和损伤加剧，最终会引起小鼠皮肤发生炎症和肿瘤[5]。与活化巨噬细胞体外共培养会导致原代细胞的DNA链断裂、姐妹染色体交联和突变等基因组损伤，并导致正常细胞发生恶性转化。这些细胞基因组的改变是由于DNA遭受羟自由基(·OH)、超氧阴离子()等ROS攻击，发生碱基修饰和染色体变异造成的[6]。同时，炎症细胞可以促进黄曲霉毒素、雌激素和芳香烃类化合物等前致癌物激活，并引起DNA损伤，而这一过程依赖于ROS[7-9]。因此，ROS在炎症反应诱导的细胞基因稳定性改变和恶性转化中发挥了关键作用。

2.2 促进恶性转化细胞的增殖

当正常细胞发生癌变时会触发机体的免疫反应，招募炎症细胞至肿瘤生长位点，这一过程不仅可清除恶性转化的细胞，也有可能促进癌变细胞的存活和增殖。巨噬细胞和中性粒细胞活化以后，自身会释放大量的超氧化物、过氧化物和羟自由基，这些ROS可以作为第二信使，可启动丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、激活蛋白(AP-1)、胞外信号调节激酶(ERK)和c-Jun氨基末端激酶(JNK)信号通路，调控肿瘤细胞的增殖和细胞周期进程[10]。体外研究证实过氧化氢(H O)和处理可以促进多种癌

22细胞的有丝分裂和细胞增殖进程，给予超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、β胡萝卜素和黄酮类抗氧化剂能够有效抑制肿瘤细胞增殖[11]。核转录因子kappa-B(NF-κB)是一种联系炎症和肿瘤的重要中介分子，TNF-α、IL-1和IL-6等炎症因子均能激活NF-κB，促进淋巴瘤和白血病细胞的增殖，NF-κB的失活会抑制这些肿瘤细胞的增殖。而这一过程依赖于细胞内ROS的生成，当给予N-乙酰半胱氨酸(NAC)、还原型谷胱甘肽(GSH)、茶多酚和维生素E干预后，可有效阻断多种刺激引起的NF-κB活化和肿瘤细胞的增殖[12-13]。因此，炎症会引起周围组织的氧化还原平衡紊乱，病灶细胞ROS水平升高不仅能够诱导正常细胞发生恶性转化，也可为肿瘤的生长提供有利条件。

2.3抑制恶性转化细胞的凋亡

与正常细胞相比，肿瘤细胞的一个重要特征就是生存能力明显增强。磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)及其下游丝氨酸/苏氨酸激酶(Akt)信号通路在细胞的增殖、分化和凋亡过程中均发挥重要作用。Akt可阻断 P53、Bcl-2和Caspase-9等促凋亡蛋白的激活，抑制肿瘤细胞凋亡。这一过程依赖于ROS，给予抗氧化剂NAC干预可有效抑制Akt的磷酸化，阻断促凋亡蛋白P53、Bcl-2和Caspase-9的下调和失活[14-16]。同时，Akt能促进泛素化蛋白连接酶(MDM2)发生细胞核转位，阻断P53途径的细胞凋亡[17-18]。在多种炎症和肿瘤模型中，均检测到了PI3K-Akt信号通路激活。ROS对细胞的生物学作用存在剂量效应关系，低剂量时作为第二信使具有促进细胞增殖和生存作用，而过高剂量的ROS会诱导肿瘤细胞发生凋亡或坏死。决定ROS促肿瘤还是抗肿瘤的关键在于ROS产生的部位以及剂量[19-20]。慢性炎症持续低剂量的ROS刺激，不仅促进了细胞的恶性转化和肿瘤细胞增殖，而且还能抑制肿瘤细胞发生凋亡。

2.4加速肿瘤的侵袭与转移

90%的癌症患者死于肿瘤的转移。炎症微环境能够促进肿瘤细胞的侵袭和转移，炎症细胞能够释放肿瘤转移所需的黏附分子和趋化因子，甚至有研究认为肿瘤的转移起源于炎症的扩散[21]。ROS不仅可通过激活NF-κB，上调细胞内黏附蛋白(ICAM-1)表达[22-24]，也能通过激活MAPK家族蛋白促进细胞基质金属酶(MMPs)的表达[25-26]，而ICAM-1和MMPs在调控癌细胞的转移和扩散中都起到重要作用。给予H2O2预处理，可以有效提高肿瘤移植小鼠模型的肺转移率，其可能原因是H2O2降低了肿瘤细胞的黏附性或者激活了肿瘤细胞迁移的相关调控蛋白。实体瘤中的血管生成对于肿瘤的生长和扩散转移至关重要，缺氧诱导因子(HIF-1)和血管内皮生长因子(VEGF)是调控肿瘤血管生成的关键分子。而ROS可以通过刺激这些分子的表达影响肿瘤的血管生成和肿瘤的侵袭[27-28]。这些结果表明，ROS参与了炎症反应与肿瘤转移之间的关联，特别是导致了肿瘤细胞的侵袭能力增强。

2.5增加肿瘤对治疗的耐受性

目前针对肿瘤的治疗手段主要是手术切除、放疗和化疗，而临床分析表明肿瘤细胞对放疗和化疗有很强的耐受性，但其具体机制尚不清楚。近年来大量的研究证明炎症微环境可能是导致肿瘤放疗和化疗耐受性的关键因素[29]。作为重要的转录激活因子，NF-κB的不恰当激活是导致肿瘤细胞抗凋亡和耐受性增强的重要原因。在抗肿瘤药物和放射线照射刺激下，激活的炎症细胞可释放大量TNF-α、IL-1，引起肿瘤及周边组织中NF-κB活化程度升高，最终导致肿瘤细胞对放化疗的敏感性降低[30-32]。大黄素可诱导HeLa细胞内ROS升高，增强恶性转化细胞的凋亡水平，提高HeLa细胞对三氧化二砷的敏感性[33]。此外，慢性炎症诱导的ROS会导致肿瘤细胞内的Nrf2抗氧化系统的激活和GSH升高，提高肿瘤细胞的抗氧化能力和对放、化疗生成ROS的耐受能力。Nature最新报道称谷氨酸脱氢酶(GDH-1)可以通过影响细胞的“谷氨酸—α酮戊二酸—延胡索酸”代谢途径，促进延胡索酸和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)结合，提高GPX活性和细胞的ROS耐受水平[2]。放疗和化疗治疗可诱发机体炎症反应，提高肿瘤细胞的ROS耐受性和对不利环境的适应能力，从而促进肿瘤细胞的死灰复燃和治疗后的转移，为肿瘤的治疗增加了困难。

3　肿瘤预防和治疗策略的新启示

致炎因子持续存在和组织损伤是发生慢性炎症的根本原因，慢性感染、损伤不愈和急性炎症迁延等均会导致机体的慢性炎症反应。在炎症的病灶部位，吞噬细胞和中性粒血细胞聚集并生成大量ROS。慢性炎症引发的ROS长期缓慢释放，会持续攻击附近正常的机体细胞，诱导基因组的稳定性改变和正常细胞的恶性转化。炎症微环境为肿瘤的生存和转移提供了有利条件，而ROS则是连接慢性炎症与肿瘤的桥梁(图1)。因此，将肿瘤的防治重心放在“炎症-氧化应激-肿瘤”方向，对于攻克肿瘤这一世界性难题具有重要意义。一方面，要求我们对多种因素引起的机体慢性炎症予以重视，及时的发现和消除炎症，防患于未然。另一方面，也提示我们在肿瘤治疗中要考虑炎症微环境对肿瘤生存、发展和转移的影响，将炎症和氧化应激水平的干预与传统的肿瘤治疗方法相结合，才能达到好的效果。目前，抗炎类化学药物在肿瘤的治疗应用中也取得了一定的进展，如阿司匹林可以抑制环氧合酶(COX-1，COX-2)形成，减少前列腺素合成，对于前列腺癌和结肠癌具有一定的疗效[34-35]。此外，研究还证实了TNF-a和IL-6的抗体对多种实体肿瘤的生长和转移有明显的抑制效果。鉴于慢性炎症、氧化应激和肿瘤发病三者之间的密切关系，针对炎症和氧化应激的干预将为肿瘤治疗提供全新的思路。

图1　ROS：连接慢性炎症与肿瘤的“桥梁”

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R730.2

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1004-616X(2016)02-0158-04

1 0.3969/j.issn.1004-616x.2016.02.017

2015-11-26；

2016-01-11

国家自然科学基金(81473010，31400724，31070766)

作者信息： 于卫华，E-mail：18392181838@163.com。*

，海春旭，E-mail：cx-hai@fmmu.edu.cn；张晓迪，E-mail：zhangxiaodi@fmmu. edu.cn。