活性氧調控炎癥誘發腫瘤機制的研究進展

于衛華，周慶彪，劉　穎，師騰瑞，王　帥，張曉迪，海春旭

活性氧調控炎癥誘發腫瘤機制的研究進展

于衛華，周慶彪，劉穎，師騰瑞，王帥，張曉迪2，*，海春旭1，*

( 第四軍醫大學毒理學教研室，陜西西安710032 )

大量基礎和臨床研究表明，由生物、物理、化學因素以及自身免疫疾病導致的炎癥反應與腫瘤的發病密切相關。流行病學資料也證實炎癥與腫瘤之間存在明顯關聯性，是導致腫瘤的重要危險因素。氧化應激與炎癥緊密相連，炎癥可導致氧化應激，氧化應激亦可引發炎癥。在致癌因素和致炎因素刺激下，機體會生成大量活性氧(ROS)，如果無法及時清除，便可能造成周圍組織細胞的DNA損傷和惡性轉化。本文闡述了ROS參與調控慢性炎癥誘發腫瘤的可能機制及最新研究進展，以期為腫瘤的預防和治療提供新的思路。

活性氧；炎癥；惡性轉化；腫瘤；治療

早在19世紀，Virchow首次指出腫瘤組織中有大量炎癥細胞的浸潤，隨后大量臨床病例也證實腫瘤多發于慢性炎癥灶，人們逐漸認識到炎癥與腫瘤關系密切。誘發炎癥的因素很多，包括細菌或病毒感染、過敏原、輻射、有毒化學物、肥胖、飲酒、吸煙和高熱量飲食等，而這些又都是腫瘤發生的危險因素。研究表明全世界約20%的腫瘤是由感染和炎癥引起的，目前證實的與腫瘤相關的慢性炎癥包括：石棉纖維或二氧化硅微塵引起的矽肺與肺癌相關；牙齦炎與口腔癌相關；腸道炎癥與結腸癌和直腸癌相關；幽門螺旋桿菌引起的慢性胃炎與胃癌相關；吸煙引起的支氣管炎與肺癌相關[1-2]。Dvorak等[3]也發現腫瘤組織和炎癥組織均包含大量的間質細胞、炎癥細胞和血管生成細胞，兩者之間的差別在于腫瘤組織不能恢復正常，而炎癥在感染被有效控制后可以恢復。一般來說炎癥持續的時間越長，腫瘤發生的機率越高。炎癥病灶究竟是如何發展為腫瘤的，這個問題一直是近年研究的熱點。氧化應激、炎癥和腫瘤三者之間關系密切，炎癥和腫瘤的危險因素均可引起機體生成大量活性氧(reative oxygen species，ROS)，造成病灶組織的氧化應激。本文主要分析了ROS參與慢性炎癥誘發腫瘤的可能機制，包括誘導細胞基因穩定性改變、調控腫瘤細胞的增殖、抑制腫瘤細胞的凋亡、以及促進腫瘤血管生成和轉移。了解腫瘤的炎性微環境和氧化還原平衡的變化，有利于我們更加全面地認識腫瘤發病過程，為解決腫瘤這一難題提供新的策略和手段。

1　ROS在炎癥誘發腫瘤過程中發揮關鍵作用

在感染、中毒、損傷和缺血再灌注等因素刺激作用下，機體的免疫系統被迅速激活。炎癥反應按照病程分為兩個階段，急性炎癥反應和慢性炎癥反應。急性炎癥反應是炎癥的起始階段，持續時間較短，以滲出病變和中性粒細胞浸潤為主要特征，可以有效清除病原微生物，對機體具有積極意義。如果致炎因子持續存在，機體就會進入慢性炎癥階段，出現吞噬細胞和淋巴細胞浸潤，可能導致包括腫瘤在內的多種慢性疾病發生。急性炎癥反應過程中機體會快速釋放大量腫瘤壞死因子(TNF-α)、白介素-1(IL-1)和白介素-6(IL-6)等細胞因子和炎癥介質，并導致組織耗氧增加和呼吸爆發，在短時間內生成大量ROS，有效地消滅和清除外源異物。這一過程不僅誘導了周圍細胞DNA不可修復的損傷，還會啟動細胞內的凋亡程序，因此一般不會導致腫瘤的發生。而在慢性炎癥反應過程中，長期緩慢釋放的ROS會造成附近細胞的基因突變，一旦不能及時修復，便會引發細胞癌變。同時，慢性炎癥導致的局部ROS水平升高為腫瘤提供了良好的生存條件，能夠促進腫瘤細胞的生長和轉移。

2　ROS參與炎癥誘發腫瘤的可能性機制

大量證據表明，ROS在炎癥與腫瘤發病的關聯反應中發揮橋梁和紐帶作用。ROS參與了炎癥介導的腫瘤發生、發展、浸潤和轉移等進程，目前認為其具體機制與以下幾個方面有關。

2.1誘導細胞基因穩定性改變

炎癥誘導的腫瘤發生與氧化應激緊密相關，腫瘤組織存在大量的炎癥細胞浸潤和ROS生成。在動物模型中給予抗氧化劑或呼吸爆發的阻斷劑，可有效抑制慢性炎癥誘導的DNA的氧化損傷和腫瘤發生[4]。而腫瘤促進劑的一個重要特征就是招募炎癥細胞，并刺激它們產生ROS。給予佛波酯或紫外線暴露，可誘導小鼠皮膚DNA的氧化修飾產物8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)升高，隨著暴露水平提高和損傷加劇，最終會引起小鼠皮膚發生炎癥和腫瘤[5]。與活化巨噬細胞體外共培養會導致原代細胞的DNA鏈斷裂、姐妹染色體交聯和突變等基因組損傷，并導致正常細胞發生惡性轉化。這些細胞基因組的改變是由于DNA遭受羥自由基(·OH)、超氧陰離子()等ROS攻擊，發生堿基修飾和染色體變異造成的[6]。同時，炎癥細胞可以促進黃曲霉毒素、雌激素和芳香烴類化合物等前致癌物激活，并引起DNA損傷，而這一過程依賴于ROS[7-9]。因此，ROS在炎癥反應誘導的細胞基因穩定性改變和惡性轉化中發揮了關鍵作用。

2.2 促進惡性轉化細胞的增殖

當正常細胞發生癌變時會觸發機體的免疫反應，招募炎癥細胞至腫瘤生長位點，這一過程不僅可清除惡性轉化的細胞，也有可能促進癌變細胞的存活和增殖。巨噬細胞和中性粒細胞活化以后，自身會釋放大量的超氧化物、過氧化物和羥自由基，這些ROS可以作為第二信使，可啟動絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、激活蛋白(AP-1)、胞外信號調節激酶(ERK)和c-Jun氨基末端激酶(JNK)信號通路，調控腫瘤細胞的增殖和細胞周期進程[10]。體外研究證實過氧化氫(H O)和處理可以促進多種癌

22細胞的有絲分裂和細胞增殖進程，給予超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、β胡蘿卜素和黃酮類抗氧化劑能夠有效抑制腫瘤細胞增殖[11]。核轉錄因子kappa-B(NF-κB)是一種聯系炎癥和腫瘤的重要中介分子，TNF-α、IL-1和IL-6等炎癥因子均能激活NF-κB，促進淋巴瘤和白血病細胞的增殖，NF-κB的失活會抑制這些腫瘤細胞的增殖。而這一過程依賴于細胞內ROS的生成，當給予N-乙酰半胱氨酸(NAC)、還原型谷胱甘肽(GSH)、茶多酚和維生素E干預后，可有效阻斷多種刺激引起的NF-κB活化和腫瘤細胞的增殖[12-13]。因此，炎癥會引起周圍組織的氧化還原平衡紊亂，病灶細胞ROS水平升高不僅能夠誘導正常細胞發生惡性轉化，也可為腫瘤的生長提供有利條件。

2.3抑制惡性轉化細胞的凋亡

與正常細胞相比，腫瘤細胞的一個重要特征就是生存能力明顯增強。磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)及其下游絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)信號通路在細胞的增殖、分化和凋亡過程中均發揮重要作用。Akt可阻斷 P53、Bcl-2和Caspase-9等促凋亡蛋白的激活，抑制腫瘤細胞凋亡。這一過程依賴于ROS，給予抗氧化劑NAC干預可有效抑制Akt的磷酸化，阻斷促凋亡蛋白P53、Bcl-2和Caspase-9的下調和失活[14-16]。同時，Akt能促進泛素化蛋白連接酶(MDM2)發生細胞核轉位，阻斷P53途徑的細胞凋亡[17-18]。在多種炎癥和腫瘤模型中，均檢測到了PI3K-Akt信號通路激活。ROS對細胞的生物學作用存在劑量效應關系，低劑量時作為第二信使具有促進細胞增殖和生存作用，而過高劑量的ROS會誘導腫瘤細胞發生凋亡或壞死。決定ROS促腫瘤還是抗腫瘤的關鍵在于ROS產生的部位以及劑量[19-20]。慢性炎癥持續低劑量的ROS刺激，不僅促進了細胞的惡性轉化和腫瘤細胞增殖，而且還能抑制腫瘤細胞發生凋亡。

2.4加速腫瘤的侵襲與轉移

90%的癌癥患者死于腫瘤的轉移。炎癥微環境能夠促進腫瘤細胞的侵襲和轉移，炎癥細胞能夠釋放腫瘤轉移所需的黏附分子和趨化因子，甚至有研究認為腫瘤的轉移起源于炎癥的擴散[21]。ROS不僅可通過激活NF-κB，上調細胞內黏附蛋白(ICAM-1)表達[22-24]，也能通過激活MAPK家族蛋白促進細胞基質金屬酶(MMPs)的表達[25-26]，而ICAM-1和MMPs在調控癌細胞的轉移和擴散中都起到重要作用。給予H2O2預處理，可以有效提高腫瘤移植小鼠模型的肺轉移率，其可能原因是H2O2降低了腫瘤細胞的黏附性或者激活了腫瘤細胞遷移的相關調控蛋白。實體瘤中的血管生成對于腫瘤的生長和擴散轉移至關重要，缺氧誘導因子(HIF-1)和血管內皮生長因子(VEGF)是調控腫瘤血管生成的關鍵分子。而ROS可以通過刺激這些分子的表達影響腫瘤的血管生成和腫瘤的侵襲[27-28]。這些結果表明，ROS參與了炎癥反應與腫瘤轉移之間的關聯，特別是導致了腫瘤細胞的侵襲能力增強。

2.5增加腫瘤對治療的耐受性

目前針對腫瘤的治療手段主要是手術切除、放療和化療，而臨床分析表明腫瘤細胞對放療和化療有很強的耐受性，但其具體機制尚不清楚。近年來大量的研究證明炎癥微環境可能是導致腫瘤放療和化療耐受性的關鍵因素[29]。作為重要的轉錄激活因子，NF-κB的不恰當激活是導致腫瘤細胞抗凋亡和耐受性增強的重要原因。在抗腫瘤藥物和放射線照射刺激下，激活的炎癥細胞可釋放大量TNF-α、IL-1，引起腫瘤及周邊組織中NF-κB活化程度升高，最終導致腫瘤細胞對放化療的敏感性降低[30-32]。大黃素可誘導HeLa細胞內ROS升高，增強惡性轉化細胞的凋亡水平，提高HeLa細胞對三氧化二砷的敏感性[33]。此外，慢性炎癥誘導的ROS會導致腫瘤細胞內的Nrf2抗氧化系統的激活和GSH升高，提高腫瘤細胞的抗氧化能力和對放、化療生成ROS的耐受能力。Nature最新報道稱谷氨酸脫氫酶(GDH-1)可以通過影響細胞的“谷氨酸—α酮戊二酸—延胡索酸”代謝途徑，促進延胡索酸和谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)結合，提高GPX活性和細胞的ROS耐受水平[2]。放療和化療治療可誘發機體炎癥反應，提高腫瘤細胞的ROS耐受性和對不利環境的適應能力，從而促進腫瘤細胞的死灰復燃和治療后的轉移，為腫瘤的治療增加了困難。

3　腫瘤預防和治療策略的新啟示

致炎因子持續存在和組織損傷是發生慢性炎癥的根本原因，慢性感染、損傷不愈和急性炎癥遷延等均會導致機體的慢性炎癥反應。在炎癥的病灶部位，吞噬細胞和中性粒血細胞聚集并生成大量ROS。慢性炎癥引發的ROS長期緩慢釋放，會持續攻擊附近正常的機體細胞，誘導基因組的穩定性改變和正常細胞的惡性轉化。炎癥微環境為腫瘤的生存和轉移提供了有利條件，而ROS則是連接慢性炎癥與腫瘤的橋梁(圖1)。因此，將腫瘤的防治重心放在“炎癥-氧化應激-腫瘤”方向，對于攻克腫瘤這一世界性難題具有重要意義。一方面，要求我們對多種因素引起的機體慢性炎癥予以重視，及時的發現和消除炎癥，防患于未然。另一方面，也提示我們在腫瘤治療中要考慮炎癥微環境對腫瘤生存、發展和轉移的影響，將炎癥和氧化應激水平的干預與傳統的腫瘤治療方法相結合，才能達到好的效果。目前，抗炎類化學藥物在腫瘤的治療應用中也取得了一定的進展，如阿司匹林可以抑制環氧合酶(COX-1，COX-2)形成，減少前列腺素合成，對于前列腺癌和結腸癌具有一定的療效[34-35]。此外，研究還證實了TNF-a和IL-6的抗體對多種實體腫瘤的生長和轉移有明顯的抑制效果。鑒于慢性炎癥、氧化應激和腫瘤發病三者之間的密切關系，針對炎癥和氧化應激的干預將為腫瘤治療提供全新的思路。

圖1　ROS：連接慢性炎癥與腫瘤的“橋梁”

[1] 張莉莉，姚樹坤，李妮矯. 慢性炎癥與消化系統腫瘤的相關性研究進展[J]. 中 國中西醫結合消化雜志，2010，18(2)：131-135.

[2] Jin L，Li D，Alesi GN，et al. Glutamate dehydrogenase 1 signals through antioxidant glutathione peroxidase 1 to regulate redox homeostasis and tumor growth[J]. Cancer Cell，2015，27(2)：257-270.

[3] Dvorak HF，Detmar M，Claffey KP，et al. Vascular permeability factor/vascular endothelial growth factor：an important mediator of angiogenesis in malignancy and inflammation[J]. Int Arch Allergy Immunol，1995，107(1/2/3)：233-235.

[4] Wei H，Frenkel K. Suppression of tumor promoter-induced oxidative events and DNA damage in vivo by sarcophytol A：a possible mechanism of antipromotion[J]. Cancer Res，1992，52(8)：2298-2303.

[5] Orimo H，Tokura Y，Hino R，et al. Formation of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine in the DNA of cultured human keratinocytes by clinically used doses of narrowband and broadband ultraviolet B and psoralen plus ultraviolet A[J]. Cancer Sci，2006，97(2)：99-105.

[6] Srivastava NN，Shukla SK，Yashavarddhan MH，et al. Modification of radiation-induced DNA double strand break repair pathways by chemicals extracted from Podophyllumhexandrum：an in vitro study in human blood leukocytes[J]. Environ Mol Mutagen，2014，55(5)： 436-448.

[7] Dutta K，Prasad P，Sinha D. Chronic low level arsenic exposure evokes inflammatory responses and DNA damage[J]. Int J Hyg Environ Health，2015，218(6)：564-574.

[8] Pereira C，Gracio D，Teixeira JP，et al. Oxidative stress and DNA damage：Implications in inflammatory Bowel disease[J]. Inflamm Bowel Dis，2015，21(10)：2403-2417.

[9] Rosin MP，Saad ES，Ward AJ，et al. Involvement of inflammatory reactions and elevated cell proliferation in the development of bladder cancer in schistosomiasis patients[J]. Mutat Res，1994，305(2)：283-292.

[10] Kumar D，Tewari-Singh N，Agarwal C，et al. Nitrogen mustard exposure of murine skin induces DNA damage，oxidative stress and activation of MAPK/Akt-AP1 pathway leading to induction of inflammatory and proteolytic mediators[J]. Toxicol Lett，2015，235(3)：161-171.

[11] Li H，Huang K，Liu X，et al. Lithium chloride suppresses colorectal cancer cell survival and proliferation through ROS/GSK-3beta/NF-kappaB signaling pathway[J]. Oxid Med Cell Longev，2014，2014：241864.

[12] Myant KB，Cammareri P，McGhee EJ，et al. ROS production and NF-kappaB activation triggered by RAC1 facilitate WNT-driven intestinal stem cell proliferation and colorectal cancer initiation[J]. Cell Stem Cell，2013，12(6)：761-773.

[13] Ruiz-Ramos R，Lopez-Carrillo L，Rios-Perez AD，et al. Sodium arsenite induces ROS generation，DNA oxidative damage，HO-1 and c-Myc proteins，NF-kappaB activation and cell proliferation in human breast cancer MCF-7 cells[J]. Mutat Res，2009，674(1/2)：109-115.

[14] Ramalingam M，Kim SJ. Insulin on hydrogen peroxide-induced oxidative stress involves ROS/Ca2+and Akt/Bcl-2 signaling pathways[J]. Free Radic Res，2014，48(3)：347-356.

[15] Kim SY，Yoo SJ，Ronnett GV，et al. Odorant stimulation promotes survival of rodent olfactory receptor neurons via PI3K/Akt activation and Bcl-2 expression[J]. Mol Cells，2015，38(6)：535-539.

[16] Rahmani M，Aust MM，Hawkins E，et al. Co-administration of the mTORC1/TORC2 inhibitor INK128 and the Bcl-2/Bcl-xL antagonist ABT-737 kills human myeloid leukemia cells through Mcl-1 down-regulation and AKT inactivation[J]. Haematologica，2015，100(12)：1553-1563.

[17] Aroui S，Dardevet L，Ajmia WB，et al. A Novel platinumnaurocalcine conjugate induces apoptosis of human glioblastoma cells by acting through the ROS-ERK/AKT-p53 pathway[J]. Mol Pharm，2015，12(12)：4336-4348.

[18] Behera B，Mishra D，Roy B，et al. Abrusprecatorius agglutininderived peptides induce ROS-dependent mitochondrial apoptosis through JNK and Akt/P38/P53 pathways in HeLa cells[J]. Chem Biol Interact，2014，222C：97-105.

[19] Burhans WC，Heintz NH. The cell cycle is a redox cycle：linking phase-specific targets to cell fate[J]. Free Radic Biol Med，2009，47(9)：1282-1293.

[20] Maryanovich M，Gross A. A ROS rheostat for cell fate regulation[J]. Trends Cell Biol，2013，23(3)：129-134.

[21] 曾昭耆. 是腫瘤轉移還是炎癥擴散[J]. 中華全科醫師雜志，2006，5(3)：173.

[22] Kim SR，Bae YH，Bae SK，et al. Visfatin enhances ICAM-1 and VCAM-1 expression through ROS-dependent NF-kappaB activation in endothelial cells[J]. Biochim B iophys A cta，2008，1783(5)：886-895.

[23] Shimizu H，Yisireyili M，Higashiyama Y，et al. Indoxyl sulfate upregulates renal expression of ICAM-1 via production of ROS and activation of NF-kappaB and p53 in proximal tubular cells[J]. Life Sci，2013，92(2)：143-148.

[24] Song HY，Ryu J，Ju SM，et al. Extracellular HIV-1 Tat enhances monocyte adhesion by up-regulation of ICAM-1 and VCAM-1 gene expression via ROS-dependent NF-kappaB activation in astrocytes[J]. Exp M ol Med，2007，39(1)：27-37.

[25] Lee KJ，Hwang SJ，Choi JH，et al. Saponins derived from the roots of Platycodon grandiflorum inhibit HT-1080 cell invasion and MMPs activities：regulation of NF-kappaB activation via ROS signal pathway[J]. Cancer Lett，2008，268(2)：233-243.

[26] Guo J，Xu Y，Ji W，et al. Effects of exposure to benzo[a]pyrene on metastasis of breast cancer are mediated through ROS-ERK-MMP9 axis signaling[J]. Toxicol Lett，2015，234(3)：201-210.

[27] Cho KH，Choi MJ，Jeong KJ，et al. A ROS/STAT3/HIF-1alpha signaling cascade mediates EGF-induced TWIST1 expression and prostate cancer cell invasion[J]. Prostate，2014，74(5)：528-536.

[28] Sinnberg T，Noor S，Venturelli S，et al. The ROS-induced cytotoxicity of ascorbate is attenuated by hypoxia and HIF-1alpha in the NCI60 cancer cell lines[J]. J Cell Mol Med，2014，18(3)：530-541.

[29] Liu Q，Shuhendler A，Cheng J，et al. Cytotoxicity and mechanism of action of a new ROS-generating microsphere formulation for circumventing multidrug resistance in breast cancer cells[J]. Breast Cancer Res Treat，2010，121(2)：323-333.

[30] Baldwin AS. Control of oncogenesis and cancer therapy resistance by the transcription factor NF-kappaB[J]. J Clin Invest，2001，107(3)： 241-246.

[31] Bonavida B. RKIP-mediated chemo-immunosensitization of resistant cancer cells via disruption of the NF-kappaB/Snail/YY1/RKIP resistancedriver loop[J]. Crit Rev Oncog，2014，19(6)：431-445.

[32] Koti M，Gooding RJ，Nuin P，et al. Identification of the IGF1/PI3K/NF kappaB/ERK gene signalling networks associated with chemotherapy resistance and treatment response in high-grade serous epithelial ovarian cancer[J]. BMC Cancer，2013，13：549.

[33] 楊 潔，湯雪明，李 慧，等. 大黃素提高HeLa細胞對三氧化二砷促凋亡敏感性的研究[J]. 實 驗生物學報，2003，36(6)：465-475.

[34] Harris RE，Beebe-Donk J，Doss H，et al. Aspirin，ibuprofen，and other non-steroidal anti-inflammatory drugs in cancer prevention：a critical review of non-selective COX-2 blockade (review)[J]. Oncol Rep，2005，13(4)：559-583.

[35] Ng K，Meyerhardt JA，Chan AT，et al. Aspirin and COX-2 inhibitor use in patients with stage III colon cancer[J]. J Natl Cancer Inst，2015，107(1)：345.

R730.2

A

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

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

2015-11-26；

2016-01-11

國家自然科學基金(81473010，31400724，31070766)

作者信息： 于衛華，E-mail：18392181838@163.com。*

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