鎳暴露相關的肺癌發生分子機制研究

朱曉曉 張順 蔡挺

摘 要：人體鎳及其化合物暴露主要是通過吸入和攝入，已有的流行病學研究，肺癌發病率與鎳元素相關暴露有顯著的相關性。然而，鎳及其化合物可通過多種途徑從多個方面作用于組織細胞，誘導肺癌發生的分子機制尚不明確。本文主要對鎳及其化合物影響細胞凋亡、自噬、侵襲和轉移、增殖等方面進行綜述，進一步促進與鎳相關的肺癌致病機制的深入研究。

關鍵詞：鎳；肺癌；凋亡；自噬；侵襲和轉移；增殖

中圖分類號：R734.2 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.17.002

文章編號：1006-1959（2018）17-0004-04

Abstract：Exposure of human nickel and its compounds is mainly through inhalation and ingestion，and existing epidemiological studies have shown a significant correlation between lung cancer incidence and nickel-related exposure.However，nickel and its compounds can act on tissue cells in many ways through various ways，and the molecular mechanism of inducing lung cancer is still unclear.This review focuses on the effects of nickel and its compounds on apoptosis，autophagy，invasion and metastasis，and proliferation，and further promotes the in-depth study of the pathogenesis of nickel-related lung cancer.

Key words：Nickel；Lung cancer；Apoptosis；Autophagy；Invasion and metastasis；Proliferation

鎳（nickel）是天然存在于地殼中的金屬元素，是地球上最豐富的元素之一，物理和化學性能獨特。金屬鎳及其化合物廣泛應用于工業生產過程中，例如鎳精煉，電鍍以及與其他金屬結合[1，2]。研究發現鎳冶金工人體內鎳及其化合物含量明顯高于普通人群[3]，其暴露主要是通過吸入和攝入，會對人體健康產生多種不利影響，包括皮膚過敏，肺纖維化和呼吸道癌癥等[4]，其中最嚴重的問題是與鎳的致癌活性有關。自上世紀70年代以來，已有不少流行病學研究報告表明，職業接觸金屬類毒物是肺癌的危險因素，暴露于鎳及其化合物導致鎳精煉工人導致肺癌的風險升高[5-7]。早在1990年，國際癌癥研究機構（IARC）將鎳化合物作為人類致癌物（1組），和金屬鎳作為人類可能致癌（2B組），鎳元素接觸與肺癌發病率有顯著的相關性。然而，鎳誘導相關的腫瘤發生分子機制尚不明確。本文主要綜述目前已提出的多種鎳及其化合物誘導肺癌的可能機制，包括鎳及其化合物誘導細胞凋亡、自噬、侵襲和轉移、增殖等。

1凋亡

凋亡（apoptosis）是細胞的一種基本生物學現象，為特定基因調控的主動性細胞自我死亡過程[8]。細胞凋亡抵抗是腫瘤細胞逃避生理監測并獲得超過正常細胞生長優勢的關鍵因素。Park S等[9]通過流式細胞術對斷裂的DNA研究，證實了暴露于鎳納米顆粒下（粒徑<100 nm）的肺泡上皮（A549）細胞因活性氧簇（ROS）的產生引起凋亡損傷。Zhao J等[10]通過實驗將小鼠上皮（JB6）細胞暴露于0.1～20 μg/cm2的鎳納米顆粒或細顆粒24 h后，也可觀察到細胞凋亡。目前研究表明，金屬鎳細顆粒和納米顆粒的基因毒性可能是通過凋亡途徑導致腫瘤發生，但并沒有得到驗證。

抗凋亡蛋白的異常表達是多種惡性腫瘤的常見特征，包括肺癌、乳腺癌、前列腺癌、黑素瘤和白血病等。抗凋亡蛋白的過度表達促進腫瘤細胞的生長，擺脫生理監測，進而促進腫瘤的形成[11，12]。最近研究表明，氯化鎳（NiCl2）誘導的上皮細胞致癌轉化，介導致癌途徑激活，伴隨著增強的B淋巴細胞瘤-2基因（Bcl-2）及其家族成員Bcl-xL蛋白表達[13]。Bcl-2和Bcl-xL蛋白的表達與癌癥和細胞轉化有關[11，14]。國內有學者[15]對NiCl2轉化的人肺上皮細胞的抗凋亡特性及其潛在機制進行了探討，該研究表明轉化的人肺上皮細胞（BEAS-2B）對NiCl2誘導的細胞凋亡具有抗性，證實了Bcl-2，Bcl-xL和ROS清除酶的表達在NiCl2轉化的BEAS-2B細胞凋亡抗性方面是重要的。對于NiCl2暴露下誘導人肺上皮細胞轉化的分子研究機制很少，其轉化的細胞是否具有凋亡抗性和致瘤性有待進一步研究。另有研究表明[16]乙酸鎳暴露可誘導附膜蛋白（MUC1）表達，激活人支氣管上皮細胞（Beas-2B）中的EGFR/ERK1/2信號通路，增強對凋亡細胞死亡的抗性，慢性暴露于鎳化合物時持續的MUC1表達可能有助于增加上皮細胞抵抗力，通過抑制生理凋亡來促進癌癥的發展。

此外， Kalaivani P等[17]通過測試新型鎳縮氨基硫脲配合物對人肺腺癌細胞系（A549）的體外細胞毒性，實驗表明該配合物具有細胞毒性，可誘導A549細胞凋亡。也有研究表明[18]活性氧激活的Akt/ASK1/p38信號通路在鎳化合物誘導的BEAS 2B細胞凋亡中具有一定作用。另Wang YF等[19]也證實了鎳誘導人近端腎小管細胞的細胞毒性和細胞凋亡通過ROS和線粒體介導的途徑。因此，鎳及其化合物可從多方面引起細胞凋亡，從而導致腫瘤發生。

2自噬

自噬（autophagy）是一種保守的分解代謝性細胞通路，通過溶酶體降解大分子和細胞器，維持細胞穩態和適應性[20，21]。自噬既可對腫瘤細胞產生抑制作用，也可促進其發生和發展，其復雜的雙重調節作用已在臨床研究中不斷被證實[22-24]。此雙重調節作用最有可能的解釋是自噬在癌癥中的作用是動態的，并且自噬在腫瘤細胞中受多種信號通路的調控[25]。其中，Beclin1是酵母自噬基因Atg6/Vps30的同源基因，也稱為BECN1，在腫瘤發生、發展中起重要作用，是一個重要的抑癌基因[26]。呂嘉春研究[27]構建了結晶型硫化鎳惡性轉化人支氣管上皮細胞（16HBE）模型，發現惡性轉化細胞（16HBE-T）的GFP-LC3蛋白點狀聚集明顯低于正常細胞（16HBE-N），且自噬信號通路關鍵效應分子mTOR激酶活性上升，同時Beclin 1表達下降，證明了結晶型硫化鎳可通過依賴mTOR激酶自噬途徑參與誘導16HBE細胞惡性轉化的癌變過程。此外，黃傳書教授等[28]發現了一種新的蛋白SQSTM1/p62對鎳誘導的炎性腫瘤壞死因子（TNF）表達具有重要作用，可能導致人支氣管上皮細胞的轉化活性和致癌性。實驗發現，鎳暴露下小鼠在體肺組織、離體的人肺上皮細胞內、及人肺鱗狀細胞癌中可觀察到SQSTM1蛋白上調。進一步的研究表明，敲除SQSTM1蛋白可顯著抑制慢性鎳暴露后人肺上皮細胞的轉化。鎳誘導的SQSTM1蛋白降解是通過MTOR-ULK1-BECN1介導的自噬，SQSTM1蛋白上調表現出促進鎳誘導的細胞轉化。

此外，核因子2（nuclear factor E2related factor 2，Nrf2）也是當前自噬相關的肺癌發生分子機制的研究熱點。國內有學者[29]通過在非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）細胞系中上調/下調Nrf2，研究Nrf2對NSCLC自噬的影響及其在NSCLC發展中的作用。其結果顯示Nrf2是與NSCLC患者的生存率負相關的獨立預后因子，Nrf2表達升高促進NSCLC轉化，增強腫瘤細胞在體內和體外逃逸凋亡。該研究進一步提示Nrf2還可以誘導自噬體形成并增強自噬活性，進而抑制NSCLC細胞的凋亡。另韓國研究團隊[30]報道肺腫瘤組織和鎳轉化的人肺支氣管上皮BEAS-2B細胞（NiT細胞）中轉錄因子Nrf2高表達，其在NiT細胞的細胞凋亡抗性中起關鍵作用。有研究表明[31]二甲雙胍可通過己糖激酶2（HK2）驅動人支氣管上皮細胞中的脂質運載蛋白2（LCN2）活化減輕了NiCl2誘導的自噬和細胞凋亡。然而，我們是否可利用這一特征，用于臨床治療，有待探討。

綜上所述，自噬在參與癌變過程中具有重要作用，但是調控途徑的上下游信號分子比較多、機制復雜。因此，通過闡明自噬在肺細胞癌變中的參與過程來預防和治療肺癌，值得更深入的研究。

3侵襲和轉移

肺癌的侵襲和轉移（invasion and metastasis）是一個極其復雜的多基因調控和多步驟發展過程，是腫瘤的惡性標志和特征。鎳及其化合物影響細胞的遷移、侵襲和內皮細胞粘附作用，影響肺癌治療效果和導致患者死亡的主要原因之一。Chiou YH等[32]通過實驗發現高鎳暴露組EGFR突變的患病率明顯高于低鎳暴露組，肺組織中的鎳積聚可能導致未吸煙的肺癌患者發生EGFR突變。其主要原因可能是鎳誘導的miR-21通過活化EGFR/NF-kB信號傳導途徑來抑制SPRY2和RECK表達，增加肺癌細胞的侵襲性，特別是在EGFR L858R表達載體轉染的細胞中。此外，肺癌患者血液內鎳元素水平與miR-21表達水平相關，證實了鎳暴露可能導致癌癥發病率上升，也會促進肺癌的侵襲。國內有學者[33]通過體外研究證實鎳化合物，如氯化鎳，可激活人肺癌細胞中的TLR4信號途徑，而TLR4/MyD88的信號轉導促進了鎳誘導的人肺癌細胞的侵襲力，同時受到人肺癌細胞中IL-8，TGF-β，MMP2和MMP9的表達影響，揭示了p38MAPK途徑和NF-kB途徑增強由鎳誘導的人肺癌細胞侵襲潛力的可能機制。

4增殖

細胞以分裂的方式進行增殖（proliferation），是生物體的重要生命特征。已有研究表明致癌性金屬化合物改變基因表達，主要是通過激活原癌基因或干擾負責下調細胞生長的腫瘤抑制基因[34]，促進細胞增殖。王琛等[35]通過不同濃度的Ni2+對小鼠成纖維細胞L929刺激，觀察到L929 細胞增殖受到顯著抑制，結果表明Ni2+對 L929 細胞可產生細胞毒性作用。Cameron KS等 [36]在研究中觀察到肺部化學相關性的非腫瘤性病變，隨著氧化鎳（NiO）暴露濃度的增加而更嚴重，支氣管和縱隔淋巴結的淋巴增生色素沉著，也發現肺泡/支氣管腺瘤或癌（混合癌）發病率增加。Bucchianico SD等[37]最新研究將BEAS-2B細胞鎳暴露于金屬鎳和氧化鎳納米粒子，透射電鏡和電感耦合等離子體質譜研究結果提示，氧化鎳納米粒子易導致DNA鏈斷裂并產生細胞內活性氧，引起染色體畸變，產生細胞毒性和遺傳毒性。此外，國內有學者[38]探討了鎳離子對人血管內皮細胞（HUVECs）增殖的影響，通過MTT法和GiEMSA染色法觀察在不同濃度的鎳離子下HUVECs細胞細胞增殖程度，結果發現Ni2+對于于HuVEC細胞具有毒性作用。當前，鎳誘導細胞增殖作用相關的肺癌發生機制及其治療研究甚少，尋找一種可以逆轉鎳的致癌作用藥物，是未來的研究重點之一。

5結論

鎳及其化合物通過多種途徑作用于細胞，影響細胞的凋亡、自噬、侵襲和轉移、增殖等多個方面，誘導肺癌發生的機制相當復雜。如今細胞生物學、分子生物學、基因技術的飛速發展，有助于促進鎳誘導肺癌發生機制研究的深入。結合目前有關鎳及其化合物致肺癌分子機制的研究基礎，探索阻斷鎳及其化合物對于機體的致肺癌作用，必定推動鎳致肺癌防治研究工作前進一大步。

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收稿日期：2018-7-6；修回日期：2018-8-8

編輯/李樺