線粒體功能調(diào)控在膀胱癌治療中作用的研究進(jìn)展

劉飛能，夏成興，楊德林

昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，昆明 650101

膀胱癌是常見的惡性腫瘤，近年來我國膀胱癌發(fā)病率及病死率有增高趨勢(shì)[1]。目前，膀胱癌的常規(guī)治療手段主要是手術(shù)、放化療，其中很多藥物治療主要基于線粒體的功能作用在膀胱癌中發(fā)揮效應(yīng)，如臨床上常用的化療藥順鉑、阿霉素、吉西他濱等均可基于線粒體功能來誘導(dǎo)膀胱癌細(xì)胞發(fā)生凋亡[2]。線粒體是一個(gè)復(fù)雜的真核細(xì)胞器，它由磷脂組成特征性的外膜和內(nèi)膜共同來維持線粒體膜的穩(wěn)定性，當(dāng)其膜穩(wěn)定性改變時(shí)，誘發(fā)凋亡因子的啟動(dòng)，腫瘤細(xì)胞可誘發(fā)凋亡[3]。阿糖內(nèi)酯在膀胱癌的治療中使得線粒體膜電位(MMP)顯著降低、Bcl-2下調(diào)和Caspase-3活化，激活凋亡蛋白通路Caspase的活化，進(jìn)而誘發(fā)膀胱癌發(fā)生凋亡[4]。癌癥是一種增殖紊亂性疾病，也是一種凋亡缺陷性疾病，當(dāng)促凋亡基因或者抑制凋亡基因受到各種因素影響發(fā)生功能異常時(shí)，都會(huì)引起凋亡變化。姜黃素在膀胱腫瘤中所誘發(fā)的細(xì)胞凋亡，主要機(jī)制是線粒體作為細(xì)胞凋亡的主要調(diào)控器，凋亡信號(hào)通路受線粒體調(diào)控，通過激活膀胱腫瘤的線粒體凋亡信號(hào)通路c-myc和PI3K/Akt來影響腫瘤的進(jìn)一步發(fā)展[5]。腫瘤細(xì)胞可產(chǎn)生高于正常細(xì)胞水平的活性氧(ROS)，ROS的產(chǎn)生主要來源于線粒體，藤黃酸等藥物通過改變線粒體功能來調(diào)控膀胱癌細(xì)胞內(nèi)的ROS平衡，從而誘導(dǎo)ROS介導(dǎo)的凋亡或自噬等機(jī)制發(fā)揮治療作用[6]。膀胱腫瘤細(xì)胞為了維持持續(xù)的增殖，必須調(diào)整癌細(xì)胞的代謝和營養(yǎng)獲得方式，而線粒體作為胞內(nèi)重要的能量代謝細(xì)胞器，可影響膀胱腫瘤細(xì)胞的能量供給、細(xì)胞周期等，在膀胱癌的發(fā)展中起重要作用。雙胍類藥物可阻止膀胱癌的生長，其主要通過改變線粒體能量代謝，從而干預(yù)膀胱腫瘤中Warburg效應(yīng)及能量供給，進(jìn)而阻止腫瘤的生長[7]。目前，很多藥物研究都基于線粒體的功能在腫瘤治療中所發(fā)揮的作用，深入研究膀胱癌細(xì)胞線粒體功能的特性對(duì)治療膀胱癌有較大的研究價(jià)值。現(xiàn)就線粒體功能調(diào)控在膀胱癌治療中的作用研究進(jìn)展情況綜述如下。

1 線粒體膜穩(wěn)定性調(diào)控在膀胱癌治療中的作用

線粒體是重要的雙層膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞器，線粒膜的穩(wěn)定性和膜電位對(duì)維持細(xì)胞的功能很大的影響。線粒體外膜(MOM)包裹整個(gè)線粒體，并包含帶有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白并能將分子、離子運(yùn)進(jìn)和運(yùn)出細(xì)胞器的通道。內(nèi)膜折疊成嵴并包含有許多對(duì)細(xì)胞代謝和能量產(chǎn)生(線粒體ATP合酶)起重要作用的酶類[8]。同時(shí)線粒體是一種高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，為維持其形態(tài)、分布和大小，經(jīng)歷著分裂和融合的協(xié)調(diào)循環(huán)，這被稱為“線粒體動(dòng)力學(xué)”。線粒體膜在細(xì)胞免疫、周期、凋亡和線粒體質(zhì)量控制中起重要作用，膜的融合是由線粒體內(nèi)膜的融合和外膜的融合驅(qū)動(dòng)的，因此膜的穩(wěn)定性與線粒體功能息息相關(guān)[3]。MMP在維持線粒體膜穩(wěn)定性的過程中有重要作用，MMP的崩潰通常被認(rèn)為是受調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡的開始，一些電子傳輸鏈的解耦聯(lián)劑可促進(jìn)質(zhì)子向線粒體基質(zhì)中轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致MMP崩潰[9]。

研究[10]發(fā)現(xiàn)，亞硒酸鹽可對(duì)化學(xué)耐藥性的膀胱癌細(xì)胞起治療作用，其機(jī)制是導(dǎo)致MMP崩潰，增加超氧化物的產(chǎn)生和減少ATP合成，破壞溶酶體膜并激活自噬。miRNA-98已被證明對(duì)腫瘤發(fā)生至關(guān)重要，在膀胱癌中，miRNA-98通過靶向膀胱癌細(xì)胞中的LASS2蛋白并通過調(diào)控線粒體功能來調(diào)節(jié)膀胱癌化療耐藥性，發(fā)揮作用的機(jī)制是miRNA-98靶向作用LASS2過表達(dá)來誘導(dǎo)線粒體融合和下調(diào)線粒體電位達(dá)到減少膀胱癌化療耐藥性[11]。有報(bào)道指出，當(dāng)膜電位紊亂時(shí)也會(huì)通過各種信號(hào)通路發(fā)生細(xì)胞凋亡。像光敏劑等可以促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞毒性ROS的產(chǎn)生，通過激活線粒體信號(hào)通路(通過破壞電子傳遞鏈，導(dǎo)致MMP損失)和其他細(xì)胞信號(hào)通路，導(dǎo)致癌細(xì)胞程序性死亡[12]。此外在膀胱癌中，光敏劑CDHS801介導(dǎo)的光動(dòng)力學(xué)通過啟動(dòng)線粒體途徑的細(xì)胞快速凋亡來誘導(dǎo)膀胱癌T24細(xì)胞凋亡，其機(jī)制是CDHS801進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后定位在線粒體內(nèi)，使得MMP下降，通透性增加，細(xì)胞色素C轉(zhuǎn)位到胞質(zhì)中，從而誘導(dǎo)凋亡來殺傷腫瘤[13]。研究發(fā)[14]現(xiàn)，巖藻依聚糖誘導(dǎo)的人膀胱癌細(xì)胞凋亡與Bax/Bcl-2比的增加，MMP的耗散以及線粒體細(xì)胞色素c的胞質(zhì)釋放有關(guān)。阿糖內(nèi)酯在膀胱癌的治療中可使MMP顯著降低、Bcl-2下調(diào)、Caspase-3活化，導(dǎo)致線粒體功能障礙、MAPK-p38活化和Akt抑制，進(jìn)而誘導(dǎo)膀胱癌T24細(xì)胞發(fā)生ROS介導(dǎo)的凋亡[4]。甘草查爾酮可使膀胱癌T24細(xì)胞發(fā)生凋亡，主要機(jī)制是增加膀胱癌細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平，進(jìn)而誘導(dǎo)膀胱癌的線粒體功能發(fā)生障礙，使MMP降低，增加凋亡蛋白酶激活因子1、Caspase-9、Caspase-3 mRNA表達(dá)，使膀胱癌T24細(xì)胞凋亡[15]。

2 線粒體凋亡信號(hào)通路調(diào)控在膀胱癌治療中的作用

線粒體是細(xì)胞凋亡的調(diào)控開關(guān)，而線粒體功能失衡是介導(dǎo)內(nèi)源性凋亡的重要環(huán)節(jié)。凋亡的關(guān)鍵過程是MOM的透化作用，該過程受多結(jié)構(gòu)域Bcl-2家族蛋白的調(diào)節(jié)。促凋亡蛋白Bax和Bak等負(fù)責(zé)在MOM上形成孔，抗凋亡蛋白(Bcl-2、Mcl-1、Bcl-xL等)可以抑制這種成孔過程。Bcl-2家族凋亡蛋白誘導(dǎo)凋亡的通路是在某些半胱天冬酶的翻譯修飾后轉(zhuǎn)移到線粒體外膜，然后從線粒體釋放細(xì)胞色素c，凋亡誘導(dǎo)因子(AIF)和其他促凋亡因子，從而觸發(fā)細(xì)胞凋亡[16]。

研究[17]發(fā)現(xiàn)，紫薯花色苷可誘導(dǎo)和降低膀胱腫瘤促凋亡基因的表達(dá)，包括裂解的Caspase-3、Fas、Fas1、Bax和Bcl-2，通過對(duì)PI3K/Akt信號(hào)通路激活、抑制細(xì)胞周期進(jìn)程，最終發(fā)揮治療膀胱腫瘤的作用。5-溴-3-(3-羥基丙-1-炔基)-2H-吡喃-2-酮對(duì)膀胱癌T24細(xì)胞的殺傷通過促進(jìn)Caspase的活化，增加了ROS產(chǎn)生，還能引起DNA損傷，降低MMP，增加線粒體內(nèi)核酶G的分泌和AIF，同時(shí)降低Bcl-2表達(dá)，最終通過線粒體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，抑制膀胱癌細(xì)胞的增殖[18]。另外，維生素K2通過MMP丟失、細(xì)胞色素C釋放、Caspase-3級(jí)聯(lián)等線粒體途徑誘導(dǎo)膀胱癌細(xì)胞凋亡，主要涉及的線粒體信號(hào)通路是ROS和JNK/p38 MAPK信號(hào)通路[19]。鞣花酸通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體依賴性信號(hào)通路誘導(dǎo)膀胱癌細(xì)胞凋亡，主要是通過促進(jìn)ROS和Ca2+的產(chǎn)生，并降低MMP水平，促進(jìn)活性Caspase-9、Caspase-3[20]。巖藻依聚糖誘導(dǎo)膀胱癌細(xì)胞凋亡和抑制端粒酶活性是通過PI3K/Akt途徑的ROS依賴性失活[14]。研究線粒體細(xì)胞凋亡通路對(duì)于膀胱癌的治療中極為重要，近來很多新藥的發(fā)現(xiàn)都是基于此通路發(fā)掘的。Lin等[21]發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素可引起線粒體功能障礙，并進(jìn)一步誘導(dǎo)膀胱癌905細(xì)胞系凋亡。Wb分析表明，桔皮素治療通過擾亂線粒體鈣穩(wěn)態(tài)，觸發(fā)細(xì)胞色素C釋放，激活Caspase-3和Caspase-9途徑，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，從而達(dá)到治療膀胱癌的目的。c-myc、PI3K/Akt信號(hào)傳導(dǎo)途徑在姜黃素誘導(dǎo)的EJ膀胱癌細(xì)胞凋亡中起重要作用[5]，而白藜蘆醇對(duì)膀胱癌細(xì)胞凋亡的影響歸因于miR-21對(duì)Akt/Bcl-2信號(hào)通路的調(diào)節(jié)[22]。

3 線粒體ROS調(diào)控在膀胱癌治療中的作用

ROS主要產(chǎn)生于線粒體中，ROS在腫瘤中發(fā)揮雙重作用，氧化應(yīng)激可通過DNA損傷促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，進(jìn)展和對(duì)治療的抵抗，導(dǎo)致突變和基因組不穩(wěn)定性的積累，以及重編程細(xì)胞代謝和信號(hào)傳導(dǎo)。相反，升高的ROS水平可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡[23]。ROS是呼吸的副產(chǎn)物，當(dāng)線粒體損傷后會(huì)導(dǎo)致ROS大量蓄積，并且可能會(huì)產(chǎn)生多種病理反應(yīng)，因此真核生物已經(jīng)開發(fā)出防御機(jī)制來應(yīng)對(duì)異常的線粒體，線粒體自噬就是可以選擇性的隔離雙膜自噬體中的功能障礙或線粒體過多的一個(gè)過程。線粒體功能異常所致的自噬性死亡及凋亡與細(xì)胞內(nèi)ROS的存在密切相關(guān)[24]。

有學(xué)者報(bào)道了藤黃酸作用于人膀胱癌細(xì)胞中的各種關(guān)鍵分子(NF-κB、Beclin-1、p62和NBR1)來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和自噬，這個(gè)過程主要由ROS負(fù)責(zé)介導(dǎo)[6]。Wang等[25]證實(shí)，Akt2磷酸化會(huì)干擾受體TR3出口到細(xì)胞質(zhì)并靶向線粒體，從而導(dǎo)致自噬誘導(dǎo)。因此，TR3介導(dǎo)的自噬可以通過下調(diào)Akt2活性而誘導(dǎo)不敏感細(xì)胞。同時(shí)有很多證據(jù)顯示，由于腫瘤的微環(huán)境和代謝重編排等緣故，腫瘤細(xì)胞可產(chǎn)生高于正常細(xì)胞水平的ROS含量，因此基于ROS的代謝和穩(wěn)態(tài)的機(jī)制，可以為治療腫瘤提供一個(gè)好的方法[26]。有研究報(bào)道，聚多巴胺涂敷的分支Au-Ag納米顆粒的光熱暴露誘導(dǎo)人膀胱癌細(xì)胞周期停滯，通過對(duì)ROS的調(diào)控及其內(nèi)源性途徑誘導(dǎo)了腫瘤細(xì)胞凋亡和自噬[27]。另外，有學(xué)者報(bào)道了ACT(肌動(dòng)蛋白)通過促進(jìn)ROS/JNK激活和鈍化AKT通路抑制人膀胱癌的細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)自噬和凋亡[28]。七葉素通過產(chǎn)生ROS來降低MMP和增加細(xì)胞色素C釋放，通過Fas死亡受體和線粒體途徑誘導(dǎo)人膀胱癌細(xì)胞凋亡并抑制膀胱腫瘤生長，它可以作為一種潛在的膀胱癌化療藥物[29]。所以，通過對(duì)ROS在膀胱癌中的調(diào)控機(jī)制研究，可以找到更多有效治療膀胱癌的新方法。有學(xué)者報(bào)道，雷帕霉素通過LKB1缺陷介導(dǎo)的線粒體障礙增強(qiáng)對(duì)尿路上皮癌細(xì)胞的生長抑制，主要是通過ROS/AMPK/mTOR通路誘導(dǎo)自噬[30]。文獻(xiàn)[24]報(bào)道，ROS/JNK/P53通路誘導(dǎo)膀胱癌細(xì)胞發(fā)生自噬。然而，對(duì)ROS誘導(dǎo)的膀胱癌的自噬性通路的最優(yōu)選擇尚未明確，需要大量的研究學(xué)者參與。

4 線粒體能量代謝調(diào)控在膀胱癌治療中的作用

線粒體代謝的改變存在于癌癥中，可能對(duì)生物能學(xué)和代謝物的合成產(chǎn)生不同的影響。大多癌細(xì)胞處于不同程度的缺氧和酸中毒的環(huán)境中，所以腫瘤細(xì)胞的能量代謝與正常細(xì)胞代謝不一樣，前者遵循的可能是Warburg effect[31]。然而，膀胱腫瘤細(xì)胞的能量代謝不完全遵循Warburg效應(yīng)，膀胱癌細(xì)胞還具有有效的氧化磷酸化過程，其中癌細(xì)胞促進(jìn)相鄰間質(zhì)細(xì)胞中的糖酵解，從而導(dǎo)致營養(yǎng)前體的形成增加，這些高能代謝物沿指定方向轉(zhuǎn)移到相鄰的腫瘤細(xì)胞，并進(jìn)入克雷布斯循環(huán)，并產(chǎn)生足夠的ATP[32]。Otto.Warburg首先提出，癌細(xì)胞更偏愛于糖酵解，而糖酵解主要來自功能失調(diào)的線粒體，相反，腫瘤細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)和功能的改變導(dǎo)致谷氨酰胺的吸收和利用增加。這意味著它們能夠滿足腫瘤細(xì)胞生長的生物能量和生物合成需求，被稱為腫瘤線粒體代謝重編程[33]。值得注意的是，與正常細(xì)胞相比，尿路上皮細(xì)胞的整體代謝變化表明糖酵解途徑上調(diào)，這在相關(guān)文獻(xiàn)中有報(bào)道[34]。

研究[35]發(fā)現(xiàn)，膀胱癌對(duì)骨骼肌活動(dòng)產(chǎn)生負(fù)面影響是通過影響線粒體磷脂動(dòng)力學(xué)及其蛋白質(zhì)的相互作用引起的，磷脂生物合成途徑的調(diào)控可被認(rèn)為是治療癌癥相關(guān)肌肉萎縮的潛在治療靶點(diǎn)。Lon在膀胱癌組織中高表達(dá)，膀胱癌細(xì)胞中Lon的下調(diào)通過抑制c-Jun N端激酶(JNK)磷酸化而抑制了癌細(xì)胞的增殖，這是由于ROS生成減少所致，并且通過促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞對(duì)化學(xué)治療劑的敏感性而增強(qiáng)細(xì)胞凋亡。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過使用細(xì)胞外通量分析儀測(cè)量有氧呼吸和糖酵解，可以確定膀胱癌細(xì)胞中Lon的下調(diào)降低了細(xì)胞的生物能[36]。二甲雙胍可抑制線粒體甘油磷酸脫氫酶，從而影響葡萄糖代謝，胍類藥物對(duì)糖代謝的作用需要線粒體攝取，而雙胍類藥物抑制生長的機(jī)制尚不明確。目前，雙胍類藥物作用機(jī)制的研究主要集中在線粒體電子傳遞鏈中復(fù)合物1的抑制以及amp依賴性蛋白激酶的激活，通過干預(yù)與線粒體相關(guān)的代謝，胍類藥物可抑制膀胱癌的生長[7]。線粒體MT-RNR2蛋白在膀胱腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)，它是一種具有抗凋亡活性的小肽，與促凋亡蛋白結(jié)合，可通過協(xié)調(diào)一些線粒體代謝酶打破常規(guī)的代謝循環(huán)使腫瘤細(xì)胞抗凋亡，我們可從線粒體代謝方面來改變這種不常規(guī)代謝從而減少腫瘤中線粒體MT-RNR2蛋白抗凋亡作用[37]。因此，當(dāng)線粒體的代謝發(fā)生變化時(shí)，膀胱癌細(xì)胞的代謝均會(huì)有相應(yīng)的改變，可將線粒體作為靶點(diǎn)，以其改變腫瘤細(xì)胞的代謝來治療膀胱癌，代謝是膀胱癌治療熱點(diǎn)的一個(gè)長勢(shì)領(lǐng)域，需要更多的研究來推動(dòng)該領(lǐng)域的治療發(fā)展。

綜上所述，線粒體功能調(diào)控在各種藥物治療膀胱癌發(fā)揮作用的機(jī)制中意義重大，線粒體膜穩(wěn)定性、凋亡信號(hào)通路、ROS的產(chǎn)生、能量代謝的調(diào)控是藥物基于線粒體功能調(diào)控治療膀胱癌的主要機(jī)制。在基于線粒體膜穩(wěn)定性的調(diào)控中，阿糖內(nèi)酯等藥物主要是打破線粒體中的膜電位的穩(wěn)態(tài)，誘發(fā)凋亡因子的驅(qū)動(dòng)，使得腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡。癌癥是一種凋亡缺陷性疾病，癌細(xì)胞的凋亡通路是被抑制的，但通過姜黃素等藥物通過對(duì)膀胱癌細(xì)胞線粒體的作用，可激活線粒體c-myc和PI3K/Akt信號(hào)凋亡通路。膀胱癌中ROS含量高，可通過藤黃酸等藥物改變線粒體功能來調(diào)控癌細(xì)胞內(nèi)的ROS，從而誘導(dǎo)ROS介導(dǎo)的凋亡或自噬等機(jī)制發(fā)揮治療膀胱癌的作用。膀胱癌喜好糖酵解，可通過藥物改變線粒體能量代謝從而改變膀胱腫瘤中的Warburg效應(yīng)及其能量供給，以此發(fā)揮抗腫瘤作用。通過深入了解線粒體功能調(diào)控在膀胱癌治療中的作用，可以為膀胱癌的診斷及治療提供新的方案，但其中的很多切確機(jī)制仍未完全明確，如ROS的改變?cè)谥委煱螂装┲?，是更容易誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，還是自噬的發(fā)生？另外，我們還可以深入研究探討如何干預(yù)膀胱癌中線粒體的能量代謝來最大程度降低腫瘤的能量供給？這些問題仍需要大量的實(shí)驗(yàn)研究來解決。