铁过载状态下衰老细胞自发转化为肿瘤

堐榜琴，任武贤，韩应兵，张建国*

(1山西药科职业学院, 2亚宝药业肿瘤研究所, 太原 030031)

衰老与肿瘤是相互对立的：衰老预示着生命走向终结，而肿瘤则是将细胞有限的生命转化为无限。有人设想将肿瘤细胞“永生”的特性用于延长人的自然寿命，也有人提出用衰老的方式诱导肿瘤细胞死亡[1]。衰老与肿瘤又是相互依存的：衰老是生命进程中的必然，肿瘤则是衰老的自然结果。诺贝尔奖获得者圣-乔其指出：肿瘤是一种衰老性疾病，假如人活的足够老，最终都将死于肿瘤[2]。衰老细胞如何逾越死亡壁垒并最终自然转化为肿瘤细胞呢？这是一个令人困惑、至今没有人能回答了的问题。最近由爱丁堡大学与德国衰老生物学研究所开展的一项大型基因研究发现，与更长寿和更健康的生命有关的几个基因组区域也参与了铁元素的代谢，表明铁代谢可能是衰老的关键[3]，无独有偶，我国上海生命科学院胡荣贵课题组最新研究揭示：铁过载与多种肿瘤的发生、发展相关，从机制上阐明了二者的相关性[4]。本课题组将衰老与肿瘤同时放在一个铁离子浓度不断升高的体系中，用已经掌握的知识初步推演出衰老与肿瘤在铁过载状态下的演变过程，即衰老的过程是细胞内自由三价铁离子浓度由低到高不断推动和加快自由基反应速率的过程；肿瘤的形成则是以铁离子浓度超过阈值上限，并开始将衰老细胞中的超氧阴离子自由基转化成氧气为转折点的。肿瘤是衰老的自然结果。

1 铁过载是衰老发生的生化基础

自从1956年Harman D提出衰老的自由基理论后，人们对自由基与DNA、脂类和蛋白质的反应作了大量研究，各种研究资料支持氧化损伤累积是衰老过程的直接原因[5,6]。自由基在生命体系中无处不在，尽管生物体内建立了歧化酶等一系列防御体系，但自由基是生命所必须的，对细胞的分化增殖起信使介质作用[7]，因此自由基在细胞内必须保持稳定的阈值浓度，这就使得氧化损伤成为不可避免，衰老也就是一种必然。氧在细胞中不可能像体外那样一次性接受两个电子，细胞中的氧化反应总是从氧接受一个电子生成超氧阴离子自由基开始的，该自由基正是产生其它活性氧的源头。超氧阴离子自由基的反应活性比较弱，在水溶液中的存活时间仅为一秒钟，多数情况下起还原剂的作用[8]；它具有亲水性，不能穿越细胞膜，因此它的直接破坏作用非常有限；它不具备从DNA、脂类和蛋白质中抽提一个氢，引发链式自由基反应的能力，具备这种能力的只有羟基自由基（·OH）[9]。羟基自由基是超氧阴离子自由基在自由铁离子催化下，通过Haber-weiss反应生成的，铁还能催化脂氢过氧化物均裂，产生更多的活性氧[8]。羟基自由基在体内没有特异性的清除机制，只能通过多种措施限制铁离子的释放[10]。因此，自由铁离子浓度高低，决定着羟基自由基生成速率[11]，自然也就决定着衰老的进程。长期以来，人们没有认识到这一点，把自由基带来的损伤，全部归结于超氧阴离子自由基。

在细胞铁的代谢库中，除有铁蛋白外，还有柠檬酸、ATP、DTP、GTP和磷脂等铁的络合物，这些属于低分子量的非蛋白络合铁，具有自由铁的性质，能够催化Haber-weiss反应，也被称为流动性的自由铁[12]。转铁蛋白将三价铁离子从血液中运送至细胞后，首先形成了非蛋白络合铁[13]，非蛋白络合铁又激活铁蛋白基因生成脱铁铁蛋白[14]，脱铁铁蛋白络合铁的能力远比非蛋白络合铁强，反过来从非蛋白络合铁中争夺铁，最终达到平衡状态[13]。铁是人体内重要的金属元素，功能性的铁属于二价铁，铁过载是针对三价铁而言，主要包括储存铁、转运铁、非蛋白络合铁等。铁在体内没有明显的排出机制，而且可以反复利用，因此随着年龄的增长，细胞内的储存铁会越来越多，这是一种普遍现象。

2 铁引发自由基反应具有两重性

细胞内存在生理浓度的超氧阴离子自由基是铁离子诱发自由基反应的生化基础，但铁离子对超氧阴离子的作用存在两重性：当铁离子浓度处在阈值范围时，浓度越高，诱发自由基反应能力就越强，衰老进程就越快。因此，衰老的过程，就是铁离子浓度不断升高的过程；当铁离子浓度超过阈值上限时，就会产生完全相反的结果，就会发生从量变到质变的现象，因为高浓度的三价铁离子能把超氧阴离子自由基直接转化为氧气，Fe3++O2·→Fe2++O2，这样使得细胞中的超氧阴离子自由基浓度会低于生理浓度，这时，细胞的性质发生了根本性的改变，从氧化过剩转化为氧化停滞，衰老进程停止，出现无氧的原始生命状态，即只增值不分化的“α”态，细胞完全处于化学还原状态，如：谷胱甘肽等还原性物质占主导地位[15]，这是细胞从衰老转化为肿瘤的转折点。

在许多肿瘤组织中测不到歧化酶（SOD）的活性[7]，有人推测其原因，是超氧阴离子自由基过多造成的。其实相反，肿瘤细胞中歧化酶的活性就应该是低的，因为歧化酶的基因表达是受超氧阴离子自由基调控的，这是进化的本能[7]。肿瘤细胞中超氧阴离子自由基低于生理浓度，歧化酶的生成量必然就会减少，只有在肿瘤形成的初期，歧化酶的活性才是较高的。肿瘤一旦形成，细胞中的超氧阴离子自由基的浓度一定低于生理浓度，而自由铁离子浓度一定是高于阈值浓度上限。已知的慢性肉芽肿（CGD）是一种遗传病，已证明各种吞噬细胞均缺乏产生超氧阴离子自由基的能力[16]；实验又证实，肿瘤细胞膜上的转铁蛋白受体明显增多，对铁的需求量明显增加[17]。人体内各组织细胞的含铁量是不同的，对铁的反应度差别很大[18]，如心脏细胞、胰岛β细胞、脑细胞等，对铁非常敏感，铁过载对其造成的损害更大，因此，死亡往往源于这些组织的衰老，但发生肿瘤的机会也相对较少。

3 超氧阴离子自由基缺失是肿瘤发生的生化基础

圣-乔其曾指出：生物体内的结构蛋白质属于半导体，或者说结构蛋白是通过自由基联系在一起的[2]。他将牛的正常肝组织与肝癌组织中的结构蛋白分别抽提出来，并进行特殊溶解，结果正常肝组织结构蛋白溶液显棕色，肝癌组织结构蛋白呈无色，从而证实了肝癌组织中缺失了自由电子。细胞在氧化反应过程中通过线粒体、微粒体、浆膜和胞浆等酶系和非酶系统，产生大量的超氧阴离子自由基[19]，这些自由基绝不是只产生副作用，它是细胞间、组织间相互联系的纽带。细胞中超氧阴离子自由基浓度低于生理浓度时，细胞之间的联系就会减弱甚至消失，接触抑制也就失去了作用，正常的免疫识别也会受到影响，肿瘤的特征开始显露出来。

超氧阴离子自由基浓度低于生理浓度时，细胞色素氧化酶的作用就会减弱，氧作为最终电子受体的功能也会受阻，这是因为超氧阴离子自由基的生成反应为自动催化反应。在细胞中许多重要的反应属于自动催化反应，如：生物分子核酸和蛋白质中的D-糖和L-氨基酸的生成反应，就属于不对称性自动催化反应，这是生命有机体重要的特征[20]；细胞如果丢失某种多糖，就永远不能再合成这种多糖，尽管合成这种多糖的基因和酶都正常，而且在以后世代中会出现一种永久性分化形式[21，22]；二氧化碳的生成有一个奇特的现象，就是细胞中一定要有一个最低预存浓度的二氧化碳，否则氧化反应不能正常进行，如，急性高原病，虽然起因是缺氧，但主要原因是二氧化碳不足造成的[23]；细胞色素氧化酶发挥作用最关键的一步，是先将氧气转化为超氧阴离子自由基，这一步反应速率决定着整个氧化反应的速率，进化选择了超氧阴离子自由基存在一个稳定的生理浓度，这就为该反应奠定了基础，如同多糖合成和二氧化碳产生一样，该反应是一种自动催化反应。如果超氧阴离子自由基低于生理浓度，自动催化能力减弱，即便是氧供应充足，细胞也不能得到足够的能量，“有氧酵解”开始占主导地位，这就是著名的Warburg效应，也是肿瘤细胞最显著的特征之一[24，25]。

4 延缓衰老与肿瘤治疗

延缓衰老最直接的办法就是降低细胞内自由三价铁离子的浓度，要实现这一目标还有很长的路要走。目前，临床上唯一的一线去铁药是地拉罗斯，它主要适应于长期输血患者，作用的靶点是血清铁蛋白，但血清铁蛋白中的铁是没有活性的，它不会对细胞造成任何伤害，相反它是一种抗氧化剂，临床所期望的除铁剂是能够进入到细胞内，而且能够夺得非蛋白络合铁中的铁，还要求副作用小。已经对300多种化合物进行了筛选，还没有发现一种化合物能同时能满足这三个条件，这也是20多年来在除铁方面没有新突破的主要原因。

去铁与补充超氧阴离子自由基相结合是治疗肿瘤的一种新方法，这种方法与目前临床上的化疗有相似之处，但又不完全相同。化疗药物大多数是通过产生超氧阴离子自由基而发挥作用的[8]，但是，肿瘤患者正常细胞中的铁离子浓度较高，当然肿瘤细胞中的铁离子浓度更高，化疗药物产生的超氧阴离子自由基，在高浓度铁的催化下，产生爆发性自由基反应，直接将细胞杀死，虽然对肿瘤细胞的杀伤力更强，但对正常细胞造成的破坏也是让人难以接受的，因此，化疗前必须进行有效的除铁，否则，产生的毒副作用就难以避免，更重要的是通过除铁后治疗目标发生了根本性改变，纯粹的化疗是以杀死肿瘤细胞为目标，而除铁后的化疗，是以诱导癌细胞分化为目标。日本科学家坂井田功尝试用去铁胺治疗晚期肝癌患者，在临床上获得了显著的疗效[26]。可见，先除铁，之后再做小剂量化疗，将是今后临床上治疗肿瘤的方向。