渗透压失控可能致癌

张 丰，蒋润民，王 贺，刘振儒，薛鑫淼，张 涵，张泽宇（空军军医大学：西京医院病理科暨基础医学院病理学教研室，学员六大队二十三队，学员五大队十八队，学员五大队十九队，学员一大队三队，陕西 西安 700）

目前已经普遍接受癌变是癌基因激活和抑癌基因失活的观点，现在临床上主要针对癌基因而不是抑癌基因来治疗恶性肿瘤。由于激活突变的癌基因存在很大的异质性，因此，个体化治疗是目前一个重要趋势。但是，不是所有的恶性肿瘤都可以应用个体化靶向治疗药物，另外，靶向药物昂贵，因此，临床依然迫切需求新的经济有效的治疗策略。

寻求新的治疗方法，需要对癌变机制有新的认知。癌细胞的特点是异常增殖，因此深入理解细胞增殖机制，是理解癌变机制的基础。传统的观点认为生长因子和细胞周期调节因子是细胞不断增殖的启动因素[1]，在该观念的指导下，有大量相关实验文献发表。但是，深入思考后会发现该理论依然存在问题，比如，细菌的生长不需要生长因子，也没有明显的细胞周期调节因子[2]，因此细胞增殖机制可能还存在更深层次的解释。

1 渗透压是细胞分裂的原动力

细胞结构很复杂，这些复杂的结构常常扰乱我们的研究思路，我们实验室从细胞膜的物理学特点出发，试图从物理角度理解细胞的分裂机制。细胞膜是脂质双分子层，在水中容易形成直径约10～30 nm的球状结构，除此之外，细胞膜还具有半透膜特点，允许水分子和脂类自由通过，但是大分子和离子无法自由通过[3]。由于细胞内物质摩尔浓度一般大于细胞周围的物质摩尔浓度，因此，细胞内的渗透压一般大于细胞外的渗透压，比如，细菌、真菌和植物细胞内的渗透压常常达到4～5个大气压的压强[4]。但是，一般认为哺乳动物细胞内外渗透压差别不是很大，因此，人们很少从渗透压角度理解哺乳动物细胞的分裂机制。但是，一些常见的现象提示我们，哺乳动物细胞内外的渗透压并不天然相等，比如，短时间缺血缺氧，细胞会水肿胀大，稍长时间，细胞会肿胀坏死，因此，哺乳动物细胞内外渗透压的平衡需要耗费能量。事实上有体外实验表明，细胞产生的能量至少20%用于维持细胞内外渗透压平衡的调节[5]。因此，哺乳动物细胞如果不主动调节细胞内外渗透压，就会像肥皂泡一样很快胀破，只有控制渗透压，细胞才可能不会肿胀坏死。反过来，既然渗透压有如此大的力量，如果细胞进化出控制渗透压升高的分子调节机制，那么就有可能利用渗透压的力量来完成细胞分裂过程，这样，渗透压就不再是破坏力，而是细胞分裂的动力。因此我们前期提出了渗透压是细胞分裂的原动力假说[6]。

2 升高渗透压，促进细胞分裂

如果认为渗透压是细胞分裂的原动力，渗透压至少满足两点要求：①促进细胞分裂；②启动DNA复制。既然渗透压可以轻易把细胞类似肥皂泡一样胀破，就有理由相信细胞分裂的推动力来自渗透压。早期研究[4,7-8]表明，细菌、真菌和植物细胞在启动分裂之前，都先体积胀大，而胀大的力量来自渗透压。最近研究[9-10]发现，哺乳动物细胞在分裂过程中，体积也首先不断增大，细胞分裂时形态变圆，该过程依然依赖渗透压。虽然不同物种的细胞体积存在大小差异，但是，在相同的环境下，相同种类的细胞，其体积大小差异不大。是什么因素促使细胞总保持相同的体积大小？由于渗透压可以推动细胞体积胀大，但是细胞膜的承受能力有限，到达其耐受极限的时候就会胀破，因此，细胞分裂可能只是细胞为了避免胀破，而在胀破之前主动采取的免死方式，这样，渗透压增大到细胞膜耐受极限值的时候，就是细胞要开始分裂的时间节点。相同环境下，同类细胞耐受渗透压的极限值接近，因此，这些细胞体积大小类似。类似道理，不同环境下，不同种类的细胞，耐受渗透压极限值不同，因此，细胞存在大小差异。综上所述，渗透压通过胀大细胞体积而促进细胞分裂，细胞分裂的时间节点发生在渗透压升高接近细胞膜耐受极限的时候。

3 渗透压升高启动DNA复制

不论从理论还是实验方面分析，DNA复制和细胞分裂应该是两个独立事件[11]。事实上，双核、多核细胞以及减数分裂的存在，也支持它们之间是两个独立事件。但是，很明显DNA复制和细胞分裂之间只有建立协同关系，细胞才可以产生和进化。除了减数分裂特例，对于大部分细胞来讲，这种协同关系是：在细胞分裂之前，DNA要首先完成至少一轮复制。但是，到底是DNA复制启动细胞分裂过程，还是细胞分裂过程启动了DNA复制？如果说DNA复制启动了细胞分裂，那么细胞在分裂之前DNA复制应该不少于一轮，因此应该存在多轮复制的细胞，但是，至今几乎所有真核生物细胞，包括真菌、植物和动物细胞，在每次细胞分裂之前，只发生一轮复制。虽然在营养丰富的环境下，细菌细胞在分裂之前可以启动多轮复制，但是只有一轮复制在细胞分裂前完成。因此，细胞分裂过程启动DNA复制可能更接近事实。那么，细胞分裂过程又怎样启动DNA复制过程的？可能存在至少两种机制，一种是化学信号机制，一种是物理力学机制。由于渗透压推动细胞体积胀大，细胞膜在机械压力牵拉下会释放化学应激信号，应激信号会随着渗透压增大而增强，这些化学信号通过信号通路或者直接与DNA复制起始位点发生反应，当浓度达到DNA复制启动所需要的浓度限值的时候，就启动DNA复制，事实上，这方面的实验证据已经很多[12]。但是，化学反应的特点是随着反应产物的浓度增加，最终进入平台期，也就是分解与合成达到平衡，稀释之后，又开始合成反应。因此，空间对于化学反应来讲，也是一个必要因素。比如，聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR），开始时指数增加，随着浓度的增加，PCR到达平台期，这时很难再增加反应的产量。病理情况下，在没有渗透压向外的胀力通过细胞骨架对细胞核膜的牵拉，细胞核会因为核膜和核基质的收缩而回缩，比如，凋亡和坏死的细胞首先表现为细胞核固缩，最后碎裂溶解。因此，渗透压在提供DNA发挥功能所需要的物理空间上起重要作用。不但如此，由于真核细胞的核内空间有限，如果没有多余的空间，DNA可能也无法复制，因此，渗透压推动细胞体积胀大的同时，通过细胞骨架牵拉细胞核膜，促进细胞核体积增大，为DNA复制提供空间，从而有利于DNA的复制。因此，即使从化学反应角度来看，DNA复制除了需要一定浓度的起始蛋白，还需要DNA复制所需要的物理空间。除此之外，研究[13-14]发现细菌DNA复制起始位点直接与细胞膜相连，而真核生物DNA复制起始位点与细胞核骨架或核基质相连。由于DNA复制需要打开DNA双链，因此可能存在这种情况：细胞分裂时体积不断胀大，直接或间接通过细胞骨架牵拉DNA，从而有助于DNA双链打开，并触发DNA复制。不过，目前虽然没有渗透压增大可以直接启动DNA复制的证据，但是大量临床和实验表明，物理牵拉可以直接促进细胞分裂，比如皮肤牵拉扩大植皮面积等。因此，渗透压升高通过细胞骨架的牵拉不但给DNA复制提供物理空间，也可能直接启动DNA的复制。综上所述，由于渗透压既可以促进细胞分裂，也可以启动DNA复制，因此是细胞分裂的原动力。

4 渗透压与细胞骨架通过改变细胞形态调节细胞分化

有限空间可以限制DNA复制，同样也可能限制RNA的转录。细胞分化是基因表谱系的改变，虽然已经清楚发育过程中不同类型细胞的产生受信号分子调节，而不同细胞表型或基因表达谱系的维持受转录因子和表观遗传修饰控制，但是，物理因素是否影响基因转录，目前还不清楚。动物细胞种类有上百种，每种细胞的三维几何形态不一，形态的差异提示细胞核在三维立体各个方向受到细胞骨架的牵拉力量不同，导致细胞核的形态也不一样[15]。研究表明DNA与核基质结合的部位，基因转录活跃[16]，因此，不能排除这种情况：渗透压与细胞骨架协同调节细胞核形态以及相应方向DNA被牵拉状态，结果引起不同方向物理空间大小不一，从而影响不同方向DNA上的基因转录水平，最终影响细胞分化。如果这样，发育过程中细胞

形态的不断改变本身在产生和维持细胞类型方面也可能具有重要作用。因此，渗透压和细胞骨架协同不但可以改变细胞形态，也可以间接影响基因转录和细胞分化。

5 细胞分裂速度同步于渗透压升高速度

在营养物质充足的情况下，渗透压不断升高细胞内的压力，细胞为了避免被胀死，开始周期性地分裂，因此，细胞分裂应该是一种自然的状态。动物细胞体内，营养物质一般充足，但是为什么细胞分为三类，一类为不稳定细胞，总处于分裂状态，比如皮肤和肠上皮细胞；第二类为稳定细胞，一般不分裂或分裂不明显，但是在损伤情况下，开始大量分裂，比如肝细胞；第三类为永久性细胞，也就是不论怎样情况下，都不再分裂，比如心肌细胞和神经元。为什么动物细胞不同于细菌、真菌和植物细胞？本文认为这可能源于它们各自采用控制渗透压的方式不同，后三者都具有细胞壁，也就是靠细胞外的推力来对抗渗透压，但是，即使细胞壁非常坚固，也不能长时间对抗细胞内渗透压的升高，其结果只能采取周期性的分裂方式来缓解渗透压的伤害。动物细胞一般采用三种方式来对抗渗透压：第一种是细胞骨架，通过细胞内细胞骨架的牵拉，对抗细胞内外渗透压差产生的胀力；第二种是钠钾泵，钠钾泵每次排出3个钠离子并排入2个钾离子，降低细胞内的离子渗透压，同时减慢细胞内整体渗透压的升高速度；第三种是细胞之间的相互挤压，类似薄弱的细胞壁作用。有研究表明不稳定细胞膜电位较低（10～30 mV），而稳定细胞膜电位中等（40～50 mV），永久性细胞膜电位最高（60～70 mV），膜电位的高低直接反映出钠钾泵的功能，也反映对抗渗透压的耗能情况[17]。上皮细胞一般位于表层，而稳定细胞一般位于机体内部，因此稳定细胞在各个方向受到的接触压力会大于上皮细胞，因此，只有上皮细胞处于不断的分裂状态，而稳定细胞在生理状态下不增殖。在损伤情况下，稳定细胞失去接触挤压，因此开始分裂。但是，即使在损伤情况下，因为永久性细胞仍然具有很高的钠钾泵功能以及强有力的细胞骨架牵拉，仍可以对抗细胞内的渗透压，所以不会分裂。

6 恶性肿瘤是渗透压调控机制被不断破坏的结果

癌变是一种细胞异常增殖的疾病，由于渗透压是细胞分裂的原动力，对渗透压升高速度的控制程度决定细胞的分裂速度，因此，如果对抗渗透压升高的分子机制发生损坏，可能因为细胞膜应激信号和物理牵拉作用快速增强，不但引起DNA复制提前启动，而且导致染色体在没有完成组装的情况下发生分配，从而引起基因组不稳定和非整倍体，这样启动恶性循环，细胞开始从良性不断向恶性肿瘤方向演进。因此，癌变过程其实就是对抗细胞内渗透压升高的分子机制被不断破坏的结果，破坏程度越大，对渗透压升高控制越差，细胞分裂越快，肿瘤的恶性度也越高。事实上，至少有4方面证据表明肿瘤细胞内渗透压调控机制被破坏：①肿瘤细胞的膜电位低于正常细胞[16]，而且多方研究表明，肿瘤细胞内的钠浓度高于正常细胞2～5倍[18]，这些均提示肿瘤细胞的钠钾泵功能下降。②癌基因Src、Ras以及Rho等蛋白产物可以直接作用于细胞骨架，影响细胞骨架的组装，直接降低细胞通过细胞骨架对抗渗透压的能力[19-20]。③有研究表明Rb抑癌蛋白是细胞核内DNA复制起始位点与核基质连接蛋白[21]，Rb基因缺失可能降低细胞核基质对抗渗透压通过细胞骨架牵拉细胞核膜的作用，从而提前启动细胞分裂过程。④大部分肿瘤细胞为非整倍体核型，染色体数目一般多于正常细胞，非整倍体在同等时间内产生更多的RNA和蛋白质，因此，在相同的时间内，导致肿瘤细胞比正常细胞渗透压升高速度更快，从而提前启动细胞分裂和DNA复制过程[6,22]。最后，由于恶性肿瘤细胞的钠钾泵、细胞骨架以及核基质改变，引起细胞形态改变，发生明显的组织和细胞形态异型性，而形态异常会通过物理力学机制影响基因转录和细胞分化，因此恶性肿瘤分化异常。综上所述，恶性肿瘤是一种细胞内对抗渗透压的分子机制被不断破坏的结果。

7 靶向渗透压分子调控机制治疗恶性肿瘤

青霉素主要通过抑制细胞壁从而借助渗透压杀死细菌，笔者认为同样方法也可能用于恶性肿瘤治疗。因为肿瘤细胞对抗渗透压的分子机制已经不同程度被破坏，如果短时间进一步抑制肿瘤细胞的渗透压控制机制，有很大可能特异性杀死肿瘤细胞。事实上，多次抗肿瘤药物筛选实验总能筛出钠钾泵抑制剂如地高辛等药物[23-26]，说明利用渗透压杀死恶性肿瘤细胞存在很大的可能。目前抑制细胞骨架的临床用药主要是长春新碱和长春宾塞等，其他细胞骨架比如微丝的抑制剂还没有用于临床，因此，应该加强针对细胞骨架的药物研究。最后，我们推测钠钾泵和细胞骨架抑制剂可能具有协同杀死恶性肿瘤细胞的效果。

8 结语

我们通过对细胞分裂机制的物理学原理分析，提出渗透压是细胞分裂的原动力假说，在此基础上提出癌变是细胞内对抗渗透压的分子调解机制被不同程度破坏的结果。以此为基础，有若干推论：①从细胞膜蛋白的抗体中有可能筛出新的抗肿瘤药物；②在没有生长因子的营养物质中，低渗可能促进细胞分裂；③低渗促进组织损伤修复；④细胞周期调节因子参与调控细胞内渗透压调节；⑤激素和生长因子等通过升高细胞内渗透压促进细胞增生；⑥细胞骨架交联和细胞内脂类蓄积导致细胞失去增生能力，发生衰老；⑦p53、p16和p21等抑癌蛋白可能是细胞核基质与DNA复制起始位点连接蛋白；⑧钠钾泵突变失活可能导致癌变；⑨癌基因激动剂可能具有降低肿瘤细胞对抗渗透压的能力，因此也是抗癌药物；⑩真核细胞DNA复制环（loop）的长度，稍短于在细胞分裂过程中细胞核直径扩大的绝对长度。上述预测可以通过实验来检验，从而间接验证该假说的可靠性。