自噬應用于腫瘤治療的研究進展

伍思霖， 丁海林， 黃玉瑩， 顧 曄， 張曉彪

復旦大學附屬中山醫院神經外科，上海 200032

·綜述·

自噬應用于腫瘤治療的研究進展

伍思霖， 丁海林， 黃玉瑩， 顧 曄， 張曉彪*

復旦大學附屬中山醫院神經外科，上海 200032

自噬是一種自我分解過程，用于降解長壽命蛋白質或衰老壞死的細胞器。這一途徑極度依賴溶酶體，廣泛存在于真核細胞中且高度保守。細胞發生適宜程度的自噬可以保護細胞本身，幫助其抵抗外界的不良環境，然而當細胞自噬過度時，則會引起自噬性細胞死亡。近年來，隨著對細胞自噬研究的不斷深入，人們發現細胞自噬與大多數腫瘤的發生、發展密切相關。臨床上有越來越多的與自噬作用相關的藥物用于腫瘤的臨床治療，但是其對于不同腫瘤的治療效果不一，并且其對正常細胞的影響需要通過更多的臨床試驗和實驗研究來明確。本文就細胞自噬在腫瘤發生、發展中的“雙刃劍”作用以及通過藥物調節自噬來治療腫瘤的相關進展作一綜述。

自噬；細胞死亡；腫瘤；腫瘤治療；凋亡

1 自噬的定義和分類

自噬(autophagy)通常被認為是一種調節細胞內物質周轉的自分解代謝機制，維持細胞和機體內環境穩態[1]。自噬現象極為廣泛地分布于真核生物細胞中，但其自身卻是一個極度保守并且依賴溶酶體(lysosome)的自我消化過程[2]。自噬在進化過程中高度保守，從單細胞真核生物到脊椎動物和人都有參與自噬過程的同源基因。泛素-蛋白酶系統主要降解大多數短壽命的蛋白質，與之不同，細胞自噬則主要參與多種長壽命蛋白質的降解[3]。

依據底物進入溶酶體內的方式，可將自噬分為3類：(1)巨自噬(macroautophagy)；(2)微自噬(microautophagy)；(3)分子伴侶介導的自噬(chaperone mediated autophagy，CMA)[4]。而我們通常所說的自噬即是巨自噬[5]，主要涉及細胞質成分的降解，以及ATP和基本代謝原料(氨基酸、脂肪酸等)的回收，以在營養物剝奪/匱乏或代謝應激期間維持細胞生物合成，滿足細胞生存所需的基本條件[6]。通過研究單細胞真核生物酵母菌的自噬過程，發現首先胞質內出現大量游離的膜性結構，細胞逐步形成從頭結構，稱為前自噬泡(pre-autophagosome)，其不斷延長以吞噬和包裹壞死的細胞器或者變性的蛋白質，形成了具有雙層膜的囊泡結構，也被稱為自噬泡(autophagic vacuole)，接著溶酶體和自噬泡外膜融合形成自噬性溶酶體(autophagolysosome)，其含有的各種酸性水解酶導致了自噬體內膜及其內容物的降解[7]。

在研究自噬過程中已經發現了至少38種參與酵母菌自噬過程的特異性基因，這些基因現均已統一命名為自噬相關基因(autophagy related gene, ATG)，依次被命名為ATG1、ATG2……ATG37、ATG38；哺乳動物自噬基因的命名與酵母菌類似，但也有細小差異，如ATG8在哺乳動物被稱為LC3/ATG8L/GABARAP、ATG12被稱為hATG12/hAPG12，ATG6則被稱為Beclin 1。這也是研究較多的3個自噬基因，在自噬過程中扮演著重要的角色[8-9]。

2 自噬與腫瘤的發生和發展

細胞自噬錯綜復雜，涉及人類健康和疾病的許多方面，包括神經元變性、微生物感染、老化以及癌癥等[10-12]。許多研究[12-14]發現，自噬與多種不同腫瘤發生、發展及預后有著極為密切的關系。研究[15]顯示，在人非小細胞肺癌A549細胞株中，自噬抑制劑一方面抑制了腫瘤細胞自噬，另一方面通過刺激ROS形成而促進5-FU誘導的細胞凋亡。Cho等[16]研究發現，Beclin 1高表達與胃癌預后較好有關，提示自噬對于胃癌具有一定的抑瘤作用。研究[17]提示，通過化學藥物誘發的肝癌細胞系自噬能力明顯下降，并且從肝癌細胞和癌前病變的肝結節中分離得到的溶酶體相關酶類的活性明顯下降。Liang等[18]研究發現，在正常的乳腺上皮組織中Beclin 1呈現高表達，而在乳腺癌細胞中表達明顯下調甚至缺失；在穩定轉染Beclin1的人乳腺癌MCF-7細胞株發現，其不僅提高了腫瘤細胞的自噬程度，而且明顯抑制了MCF-7細胞株的成瘤性。因此，選擇Beclin1作為腫瘤基因治療新靶點，提高腫瘤細胞的自噬能力，有望成為腫瘤治療的新途徑。

自噬在腫瘤細胞中的作用往往表現出兩面性：一方面，在某些特定環境下，自噬通過抑制凋亡途徑而保護腫瘤細胞；另一方面，自噬也可以通過清除有害的蛋白質和受損細胞器給予腫瘤細胞更多的發展空間，從而起到保護腫瘤的作用。

3 自噬與腫瘤臨床治療

激素藥物、化學治療與放射治療都可以不同程度地誘發細胞自噬。然而細胞自噬在腫瘤臨床治療中的作用與其在腫瘤發生、發展中的雙面作用一樣，也是一把雙刃劍，可抑制或促進腫瘤的存活[19-21]。此外，目前缺乏合適的自噬特異性藥物用于腫瘤的臨床治療，但是針對某些自噬調節劑在腫瘤治療中適用性和安全性方面的研究結果提供了一些這方面的實驗依據。

3.1 自噬抑制劑在癌癥治療中的應用 在腫瘤組織中，與正常細胞相比，自噬更容易被治療藥物的細胞毒性作用以及代謝應激反應所誘發，從而保護腫瘤細胞免于死亡[22]。因此，自噬抑制劑通常被認為在殺死癌細胞的過程中與化療或放療具有協同效應。研究發現在多種腫瘤模型中自噬抑制劑具有一定的抗癌作用，包括神經膠質瘤[23]、結腸癌[24]和前列腺癌[25]等。順鉑(DDP)是一種廣譜化療藥物，臨床上廣泛應用于治療肺癌、膀胱癌及直腸癌等多種腫瘤治療，但耐藥性一直是臨床治療難以克服的障礙[26]。研究[27]表明，DDP等藥物可以引起腫瘤細胞自噬，提示腫瘤耐藥性很可能與自噬有關。有研究[28]提示，自噬抑制劑可能分別增強了DDP和5-FU在食管癌和結腸癌中的治療功效。Liu等[29]研究發現，DDP聯合應用自噬抑制劑3-MA治療食管鱗狀細胞癌可以提高抑制率及細胞凋亡率，而且細胞周期組織在S期的細胞數增加。還有研究[30]提示，3-MA可以通過明顯抑制腫瘤細胞PI3K激酶的活性從而阻斷自噬的發生，而自噬表達下調可增強吉西他濱(抗代謝化療藥)對肺癌A549細胞的抑制作用，從而提高化療效果。還有支持抑制細胞自噬作為抗癌策略的臨床前研究[31]提示，在治療HER2過度表達的轉移性乳腺癌病例中，腫瘤細胞的自噬作用增強了癌細胞對曲妥珠單抗的抗性，而通過shRNA敲低LC3導致抗性細胞被重新致敏，提高了腫瘤的治療效果。在治療慢性骨髓性白血病(CML)的臨床研究[32]中發現，自噬抑制藥物或RNAi靶向自噬調節劑通過強化甲磺酸伊馬替尼的作用誘導腫瘤細胞死亡。在不存在特異性靶向自噬調節劑的情況下，溶酶體性抗瘧藥物間接自噬抑制氯喹(CQ)和羥基氯喹(HCQ)能夠有效地干擾溶酶體的酸化過程，并且最終阻止細胞自噬，目前正用于結合多種腫瘤類型的標準治療的臨床試驗研究。多數研究[22,33]提示，抑制細胞自噬可能是提高惡性腫瘤治療效果的重要途徑之一，但是自噬抑制在癌癥治療中的作用機制仍不明了，需要進一步的基礎研究和臨床試驗研究來證實。

3.2 自噬誘導劑在癌癥治療中的作用 如前所述，雖然自噬抑制劑結合標準治療正有望成為新的抗癌方案，但是某些癌細胞系和異種移植腫瘤對涉及自噬誘導而不是抑制的治療方案更為敏感。這通常發生凋亡缺陷的細胞中，其中癌細胞致力于非凋亡性細胞死亡模式，包括壞死、程序性壞死和自噬細胞死亡[33]。在多種癌細胞系的體外實驗中，使用不同烷化劑(如放線菌素D和三氧化二砷)、激素(他莫昔芬和維生素D類似物)、基因治療(包括p53和p27kip1)，均觀察到自噬體的形成及不同程度的細胞死亡[34-37]。然而，自噬在細胞死亡過程中是否起到積極作用仍不清楚，或者只是迫于生存環境的壓力，細胞通過加強能量和氨基酸回收程序來維持生存力。因此，死亡細胞中自噬體的存在并不意味著自噬性細胞死亡，除非在等同的應激條件下降低自噬基本調節因子的表達，而出現細胞存活時間延長的現象[38]。例如，STF-62247是一種小分子激動劑，其可以誘導細胞自噬并選擇性殺死與自噬體積累相關的von Hippel-Lindau (VHL)缺陷性腎癌細胞，有望成為治療腎癌的新型靶向藥物[39]。

在具有失巢凋亡的腫瘤中，自噬常作為細胞死亡的主要機制，因為具有功能性細胞凋亡的細胞在嚴重受壓時進行快速和“清潔”(不與炎癥相關)的凋亡性細胞死亡[3]。因為在癌癥中常發生細胞凋亡通路的缺失，所以正如前所述在極端壓力下的腫瘤細胞常通過其他機制死亡。然而，自噬作為原發性細胞死亡機制之一，將為靶向應用的治療方案利用自噬誘導更有效地殺傷腫瘤細胞提供理論依據。研究[40]發現，他莫昔芬等雌激素受體拮抗劑以雌二醇受體為藥物靶點，能夠誘導乳腺癌細胞MCF-7發生過度自噬，引起自噬性細胞死亡。雷帕霉素、替莫唑胺和三氧化二砷在治療惡性膠質瘤過程中可使腫瘤細胞自噬活性上調[41]。這表明細胞自噬可能是癌細胞對抗腫瘤治療的一種潛在的耐受機制。由此可以推測臨床抗癌治療不佳可能與放化療過程中誘發了腫瘤細胞的自噬有關。雷帕霉素是一種新型大環內酯類抗真菌與免疫抑制劑，是mTOR蛋白的特異性抑制劑，還具有誘導細胞自噬的作用[42]。有研究[43]發現，多數腫瘤細胞經雷帕霉素誘導后自噬標志物LC3表達上調，表明雷帕霉素可能主要通過抑制mTOR激酶活性提高腫瘤細胞的自噬活性，從而達到抑制腫瘤生長的目的。

4 展 望

細胞自噬在腫瘤和治療反應中的作用無疑是很復雜的。自噬的雙刃劍功能作為腫瘤抑制劑和癌細胞存活的保護劑，可能以相反的方式影響抗癌治療功效。利用腫瘤中的功能性自噬狀態和藥理學自噬調節癌癥治療和預防為癌癥治療提供了新的機會。自噬缺陷與代謝應激、DNA損傷累積、基因組不穩定性和腫瘤易感性相關，但仍然存在諸多問題。合理自噬上調可以保留細胞適應性和基因組完整性，以防止癌癥發展和進展;長期自噬缺陷型腫瘤也可能對基因毒性和(或)代謝應激誘導抗癌劑，例如DNA損傷和抗血管生成藥物特別敏感。相反，對于自噬能力較強的腫瘤組織，自噬往往成為他們在代謝應激條件下存活的重要途徑，例如在腫瘤快速生長、轉移和治療期間，應用自噬抑制劑可以增加任何抗癌形式的功效，包括放射、化療、生物制劑和組合方案。

總之，當利用自噬系統提高抗癌效益時，必須仔細考慮自噬的多方面性質及其與其他生物過程(包括細胞死亡途徑)的相互影響。腫瘤細胞中的自噬調節機制，腫瘤自噬功能狀態對癌癥進展和對治療反應的影響，以及闡明如何最佳地調節自噬以提高腫瘤防治的有效性，這些領域都值得深入探索和研究，以實現根除癌癥的目標。

[ 1 ] CHENG J, LIAO Y, XIAO L, et al. Autophagy regulates MAVS signaling activation in a phosphorylation-dependent manner in microglia[J]. Cell Death Differ, 2017, 24(2): 276-287.

[ 2 ] JIN S. P53, autophagy and tumor suppression[J]. Autophagy, 2005, 1(3): 171-173.

[ 3 ] DEGENHARDT K, MATHEW R, BEAUDOIN B, et al. Autophagy promotes tumor cell survival and restricts necrosis, inflammation, and tumorigenesis[J]. Cancer Cell, 2006, 10(1): 51-64.

[ 4 ] MIZUSHIMA N, KOMATSU M. Autophagy: renovation of cells and tissues[J]. Cell, 2011, 147(4): 728-741.

[ 5 ] MAH L Y, RYAN K M. Autophagy and cancer[J]. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2012, 4(1): a008821.

[ 6 ] CHEN W, SUN Y, LIU K, et al. Autophagy: a double-edged sword for neuronal survival after cerebral ischemia[J]. Neural Regen Res, 2014, 9(12): 1210-1216.

[ 7 ] YOSHIMORI T. Autophagy: a regulated bulk degradation process inside cells[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2004, 313(2): 453-458.

[ 8 ] MIZUSHIMA N, YOSHIMORI T, OHSUMI Y. The role of Atg proteins in autophagosome formation[J]. Annu Rev Cell Dev Biol, 2011, 27: 107-132.

[ 9 ] RUSSELL R C, YUAN H X, GUAN K L. Autophagy regulation by nutrient signaling[J]. Cell Res, 2014, 24(1): 42-57.

[10] WINSLOW A R, RUBINSZTEIN D C. Autophagy in neurodegeneration and development[J]. Biochim Biophys Acta, 2008, 1782(12): 723-729.

[11] YEN W L, KLIONSKY D J. How to live long and prosper: autophagy, mitochondria, and aging[J]. Physiology (Bethesda), 2008, 23: 248-262.

[12] MATHEW R, KARANTZA-WADSWORTH V, WHITE E. Role of autophagy in cancer[J]. Nat Rev Cancer, 2007, 7(12): 961-967.

[13] LIN L, BAEHRECKE E H. Autophagy, cell death, and cancer[J]. Mol Cell Oncol, 2015, 2(3): e985913.

[14] WHITE E, MEHNERT J M, CHAN C S. Autophagy, metabolism, and cancer[J]. Clin Cancer Res, 2015, 21(22): 5037-5046.

[15] PAN X, ZHANG X, SUN H, et al. Autophagy inhibition promotes 5-fluorouraci-induced apoptosis by stimulating ROS formation in human non-small cell lung cancer A549 cells[J]. PLoS One, 2013, 8(2): e56679.

[16] CHO Y Y, KIM D J, LEE H S, et al. Autophagy and cellular senescence mediated by Sox2 suppress malignancy of cancer cells[J]. PLoS One, 2013, 8(2): e57172.

[17] LADE A, NOON L A, FRIEDMAN S L. Contributions of metabolic dysregulation and inflammation to nonalcoholic steatohepatitis, hepatic fibrosis, and cancer[J]. Curr Opin Oncol, 2014, 26(1): 100-107.

[18] LIANG X H, JACKSON S, SEAMAN M, et al. Induction of autophagy and inhibition of tumorigenesis by beclin 1[J]. Nature, 1999, 402(6762): 672-676.

[19] LEVY J M, THORBURN A. Targeting autophagy during cancer therapy to improve clinical outcomes[J]. Pharmacol Ther, 2011, 131(1): 130-141.

[20] YOUN P, CHEN Y, FURGESON D Y. Cytoprotection against beta-amyloid (Abeta) peptide-mediated oxidative damage and autophagy by Keap1 RNAi in human glioma U87mg cells[J]. Neurosci Res, 2015, 94: 70-78.

[21] VIJAYARATHNA S, GOTHAI S, JOTHY S L, et al. Can cancer therapy be achieved by bridging apoptosis and autophagy: a method based on microRNA-dependent gene therapy and phytochemical targets[J]. Asian Pac J Cancer Prev, 2015, 16(17): 7435-7439.

[22] GEWIRTZ D A. Autophagy, senescence and tumor dormancy in cancer therapy[J]. Autophagy, 2009, 5(8): 1232-1234.

[23] SHINGU T, FUJIWARA K, BOGLER O, et al. Stage-specific effect of inhibition of autophagy on chemotherapy-induced cytotoxicity[J]. Autophagy, 2009, 5(4): 537-539.

[24] CAREW J S, MEDINA E C, ESQUIVEL J A 2nd, et al. Autophagy inhibition enhances vorinostat-induced apoptosis via ubiquitinated protein accumulation[J]. J Cell Mol Med, 2010, 14(10): 2448-2459.

[25] KIM R H, COATES J M, BOWLES T L, et al. Arginine deiminase as a novel therapy for prostate cancer induces autophagy and caspase-independent apoptosis[J]. Cancer Res, 2009, 69(2): 700-708.

[26] KOBERLE B, TOMICIC M T, USANOVA S, et al. Cisplatin resistance: preclinical findings and clinical implications[J]. Biochim Biophys Acta, 2010, 1806(2): 172-182.

[27] REN J H, HE W S, NONG L, et al. Acquired cisplatin resistance in human lung adenocarcinoma cells is associated with enhanced autophagy[J]. Cancer Biother Radiopharm, 2010, 25(1): 75-80.

[28] LI J, HOU N, FARIED A, et al. Inhibition of autophagy by 3-MA enhances the effect of 5-FU-induced apoptosis in colon cancer cells[J]. Ann Surg Oncol, 2009, 16(3): 761-771.

[29] LIU D, YANG Y, LIU Q, et al. Inhibition of autophagy by 3-MA potentiates cisplatin-induced apoptosis in esophageal squamous cell carcinoma cells[J]. Med Oncol, 2011, 28(1): 105-111.

[30] MIAO X D, CAO L, ZHANG Q, et al. Effect of PI3K-mediated autophagy in human osteosarcoma MG63 cells on sensitivity to chemotherapy with cisplatin[J]. Asian Pac J Trop Med, 2015, 8(9): 731-738.

[31] VAZQUEZ-MARTIN A, OLIVERAS-FERRAROS C, MENENDEZ J A. Autophagy facilitates the development of breast cancer resistance to the anti-HER2 monoclonal antibody trastuzumab[J]. PLoS One, 2009, 4(7): e6251.

[32] BELLODI C, LIDONNICI M R, HAMILTON A, et al. Targeting autophagy potentiates tyrosine kinase inhibitor-induced cell death in Philadelphia chromosome-positive cells, including primary CML stem cells[J]. J Clin Invest, 2009, 119(5): 1109-1123.

[33] KONDO Y, KONDO S. Autophagy and cancer therapy[J]. Autophagy, 2006, 2(2): 85-90.

[34] CRIGHTON D, WILKINSON S, O'PREY J, et al. DRAM, a p53-induced modulator of autophagy, is critical for apoptosis[J]. Cell, 2006, 126(1): 121-134.

[35] BUYTAERT E, CALLEWAERT G, HENDRICKX N, et al. Role of endoplasmic reticulum depletion and multidomain proapoptotic BAX and BAK proteins in shaping cell death after hypericin-mediated photodynamic therapy[J]. FASEB J, 2006, 20(6): 756-758.

[36] KANZAWA T, KONDO Y, ITO H, et al. Induction of autophagic cell death in malignant glioma cells by arsenic trioxide[J]. Cancer Res, 2003, 63(9): 2103-2108.

[37] KANZAWA T, ZHANG L, XIAO L, et al. Arsenic trioxide induces autophagic cell death in malignant glioma cells by upregulation of mitochondrial cell death protein BNIP3[J]. Oncogene, 2005, 24(6): 980-991.

[38] KROEMER G, LEVINE B. Autophagic cell death: the story of a misnomer[J]. Nat Rev Mol Cell Biol, 2008, 9(12): 1004-1010.

[39] TURCOTTE S, CHAN D A, SUTPHIN P D, et al. A molecule targeting VHL-deficient renal cell carcinoma that induces autophagy[J]. Cancer Cell, 2008, 14(1): 90-102.

[40] CHOI K S. Autophagy and cancer[J]. Exp Mol Med, 2012, 44(2): 109-120.

[41] CHIU H W, HO Y S, WANG Y J. Arsenic trioxide induces autophagy and apoptosis in human glioma cells in vitro and in vivo through downregulation of survivin[J]. J Mol Med (Berl), 2011, 89(9): 927-941.

[42] MERIC-BERNSTAM F, GONZALEZ-ANGULO A M. Targeting the mTOR signaling network for cancer therapy[J]. J Clin Oncol, 2009, 27(13): 2278-2287.

[43] ZENG X, KINSELLA T J. Mammalian target of rapamycin and S6 kinase 1 positively regulate 6-thioguanine-induced autophagy[J]. Cancer Res, 2008, 68(7): 2384-2390.

Autophagy in clinical therapy of tumor: research progress

WU Si-lin, DING Hai-lin, HUANG Yu-ying, GU Ye, ZHANG Xiao-biao*

Department of Neurosurgery, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

Autophagy is a self-decomposing process that is used to degrade long-lived proteins or necrotic organelles. It is extremely dependent on lysosomes, widely present in eukaryotic cells and highly conserved. Autophagy can protect the cells themselves and help them resist the adverse environment at a proper level, but excessive autophagy can result in autophagic cell death. In recent years, with the comprehensive research of autophagy, it has been found that autophagy is closely related to the development and progression of most tumors. More drugs associated with autophagy are used for the clinical treatment of tumors, but they have different therapeutic effects on different tumors, so the impact of autophagy-related drugs on normal cells need to be identified through more clinical trials and experimental studies. This paper reviews the roles of autophagy in the occurrence and development of tumors, and recent progress in the treatment of cancer by regulating autophagy through drugs.

autophagy; cell death; tumor; therapy on tumor; apoptosis

2017-03-09接受日期2017-05-24

上海市科學技術委員會引導項目(134119a1202)，上海市衛生和計劃生育委員會青年項目(20164Y0141). Supported by Foundation of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality(134119a1202) and Youth Project of Shanghai Municipal Health and Family Planning Commission (20164Y0141).

伍思霖，博士生. E-mail：wsl916@hotmail.com

*通信作者(Corresponding author). Tel: 021-64041990-5047, E-mail: xiaobiao_zhang@163.com

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20170190

R 73-36

A

[本文編輯] 葉 婷， 曉 路