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靶向肿瘤酸性微环境的抗肿瘤新策略.pdf

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第2 0卷 第5期2(X)8年10月生命科学Ch in e s eBul letinofLif e scie n eesVol.20,No.5oet.,2(X)8文章编号:l0(抖.0374(2(X)8)05一0 795一0 5靶向肿瘤酸性微环境的抗肿瘤新策略沈秋瑾,覃文新*(上海交通大学肿瘤研究所癌基因及相关基因国家重点实验室,上海2 0 0 0 3 2)摘要:越来越多的体 内体 外实验及临床检测都证明了肿瘤酸性微环境对肿瘤 的发生、发展和迁移起着重要作用。在肿瘤酸性微环境的重要 调节因子中,v型AT P酶(v一A T Pa se s)的作用至关重要。这些蛋 白能将离子泵 出膜外,在正常细胞和肿瘤细胞中都有着多种功能。本文回顾和总结了该领域的最新研究成果:在异种移植人肿瘤细胞 的动物模型中,体内实验显示,采用小分子干扰R N A(siRNA)可抑制V一AT Pa ses的功能,加入药物性质子泵抑 制剂可显著地抑制 人肿瘤细胞 的生长。这些结果提示V-A T Pa s e s 可作为癌症 治疗 中一个重要的新选 择靶标。关键词:V型AT P酶(V一A T Pa s e s);肿瘤酸 性微环境;质子泵抑制剂;细胞外基质;抗肿瘤 药物中图分类号:Q5 5:R9 79.l:R 730,232文献标识码:ATargetingt Umoracidicmic roenvir on x nenta sanewstr ategyagainstc anc e rSHENQiu一i n,QI N研/en一xi n*(Na nt io na l L刁b orator yf o rO ne ogen esa ndR ela忱刁G en e s,Sha ngha i Ca n cerI nst itut e,Sha ngha i Jiaoto ng Un ive r sit ySeho olofMe diei n e,Sha ngha iZ(XX】32,Ch in a)A bstr act:Gr owin ge vid enee ofe xp er imentinvitr oo rinvivoa ndel而ea ldet eet io nsug gests akeyr oleoftumora cidiem ier o envi r onmentinea ne erdeveloPme nt,Progr essio n,a nd met astasis.Amongt hekeyr egulators ofthetumo ra ci die而er oenvi r onment,va cu ola rH+一AT Pa ses(V一A TPases)Playa nimPor ta nrr ole.T he s ePr otein sea nPum P io n sa cr osst hem em bra nes,a nde overan um ber off un et io n sinava r iet yofn o nna laswella stumo r eel ls.Were viewandsum me rizesomere eentr e sults showingt hatamolee ularinhibitio nofV一AT Pa sesbysmallinter f er ingR N A(siR N A)i nviv oaswellas aPha nn acologiein hibitio nt li ro ughProto nPumP in hibito r s(PPI)ledt otumo r eytotoxieitya ndm a rked in hibitionof huma nt umo rgrowt hinx e nogra f tmo dels.The s ere sultsPr op os eV一A T Pas e s as akeyta rgetf o rn ewst r ateg ie sinea nee rtr eatme nt.Key wo rd s:va cu ola rH+A T Pase s(V一A T Pa ses):t omo ra cid ic而er oe n vir onment;Proto nPumPin hi bito r(PPI);ext r ae ellula rmat r ix(ECM):a nti neoPlast iedr ugs肿瘤的微环境包 括胞外低p H、低氧浓度、高葡萄糖吸收率等【l,许多证据表明肿瘤微环境影响肿瘤的生长1 2 1、微血管形成川、侵袭和转移1 3 1,也影响肿瘤细胞对放疗、化疗的敏感性1 4 1。肿瘤 的微环境诱导选择能在恶性环境下生存的肿瘤细胞,并促使其恶性发展。尤其是酸性微环境和肿瘤的抗放射化疗、增殖、转移 都有关。50年前,科 学家就观察到肿瘤细胞 的葡萄糖摄取量极高,于是人们认为肿瘤的酸性是由于它们高效率的糖酵解生成的乳酸l s,即主要是无氧代谢决定了肿瘤的酸度,肿瘤细胞通过上调低氧诱导因子la(hypo xia一indueib lef ac to rla,HI Fla)在低氧环境中存活下来,并且适应了糖酵解的产乳酸环境1 6 1。不过,有实验证明在糖酵解产生的乳酸量降低的情况下,或者在提高肿收稿日期:20 08一0 4一0 2;修回日期:2 008一0 5一05墓金项目:“973”计#l J(200 2 C B 5 1 3104):上海 市优秀学科带头人计划项目(0 5xD1 4013)*通讯作者:E一ma il:wqinshs ei.o rg79 6生命科学第2 0卷瘤组织的氧分压和血流量的情况下,肿瘤依然能够产生酸性环境,提示肿瘤细胞可能通过某种调节机制 降低了对氧的需求量川,而且无氧代谢并不是实体瘤产生酸性微环境的唯一机制1 7.8 1。导致肿瘤酸性pH的原因可能包括:(a)肿瘤的异常血管会引起肿瘤氧灌注的不足;(b)细胞转化和生长失控引起的缺氧和代谢异常;(c)跨膜pH调节能力的增加。这些情况可能导致一种恶性循环,一方面维持原来的酸性环境;另一方面趋 向于选择高度恶性化的肿瘤细胞使其能在这种恶劣环境下生存下来。肿瘤细胞表达的多种离子交换体在建立恶性肿瘤微环境中起着重要作用。这些跨膜蛋白将离子从胞内泵到胞外,或者从内层膜泵到膜间腔。这种机制主要是使细胞脱离H+的危害,否则H便会在细胞质内积聚,激活酶级联反应,导致细胞死亡。v一AT Pa se s是目前研究得最 多的,也是和肿瘤酸性微环境的建立和维持都有关的一种质子 泵。IV一A仆a se s在肿摘转移中的作用V一ATPa ses在几十年前就己被发现,普遍存在于从酵母到人的真核生物中。它能感知胞内pH,以A TP为能量,泵出H+。V一AT Pa se s由13个亚单位组成,总的相对分 子质量约gOOk,它有两个结构域:位于胞浆的v,部分,包括3A、3B、C、D、E、F、ZG、H,功能为水解A TP;位于胞膜 的V。部分,包 括a、e、d、e、e”,是质子运输通道。然而,并不是所有 的V一A T Pa ses都是完全一样的,它有一些组织特异性的亚基亚型,但功能差不多I 9。V一A T Pa s e s分布于某些器官、组织或细胞 的囊泡、溶酶体、突触小泡、内体、分泌腺体、高尔基体质膜上,对细胞的生存非常重要l0 1。V-ATPa se s有多种功能:如受体介导的内吞、分泌蛋白的储存、蛋 白降解、第二次转运、某些细胞器的膜融合、Na+的吸收、男性精子顶体的酸化、破骨细胞的骨重吸收等l“】。V一A TPa s e s作为细胞特异性质子泵,在控制胞内胞外pH中起重要作用。v一A TPa s e s通过将H泵到胞外或者一些膜包 围细胞器的膜间腔内,来维持细胞质的中性pH、囊腔内的酸性pH和胞外的酸性pH I”】。在许多不同类型的转移肿瘤中,v一A TPa se s高表达,且能促进肿瘤的侵袭和转移l2 1。在肿瘤组织 内,v一A T Pa s e s通过将H泵出膜外或泵入囊泡内,使得胞外或囊泡酸化,维持碱性胞质溶胶与酸性胞外环境或酸性囊泡之间的异常高p H梯度。肿瘤组织外的高浓度H+还会随浓度梯度进入正常组织细胞 内,从而引起正常细胞的坏死或凋亡。此外,有研究证明肿瘤细胞外低P H环境可诱导溶酶体酶的分泌增加和活化,如e athepsinB、D、Ll,。胞外低pH还可能通过蛋白水解酶的激活促进细胞外基质(e xt rae ellula rmat r ix,EeM)的降解和重构,从而促进肿瘤的侵袭和转移【”,。V一A TPa ses对肿瘤侵袭和转移的促进能力主要依赖于V一A TPa s e s维持细胞外酸性微环境和腔内酸性pH的能力。v.ATpa s e s的作用影响到降解E CM的许多蛋白酶的激活、分泌和细胞分布。这些蛋白酶的激活需要一个细胞外低pH环境,包括基质金属蛋白酶(mat r ixmet a llopr oteinase s,M MP s)、骨形态发生蛋 白一1型金属蛋白酶、组织丝氨酸蛋 白酶、adamalysin相关膜蛋白酶等l4一”l。其中,MMP s是降解和重构ECM重要的蛋 白酶类,能完全降解E cM的所有结构成分。肿瘤胞外酸性还可 以激活尿激酶型胞浆素原活化体(u rok in ase一t yP epla smin ogenaetivato r,uP)系统,在酸性条件下,upA和up A前体(P r o一u PA)复合体在酸性激活的c at he-P si nL的催化下分离,生成uPA,uPA再被激活为胞浆素,胞浆素具有底物特异性,既可以降解E CM蛋 白(包括纤勃蛋白、层裁蛋 白、血纤蛋白等),还可 以催化M MP的活性,间接降解ECM川。最近,我们用RNA干扰技术降低V一ATPa se s的AT P6以c亚基基因)的表达,从而抑制了V一AT Pa se s的功能,通过胞外质子浓度的降低和蛋白酶活性的下调,有效抑制了癌的转移I 吕l。肿瘤转移是最后发生的事件,是恶性肿瘤的临床治疗 失败的根本原因I9 1。纵观肿瘤转移的整个过程,降解和重构E CM几乎每一步都存在1 2 01。所以,阻止ECM的降解己成为一个具有可观发展前景的肿瘤转移治疗手段。但是,以前的实验结果最终仅是通过M MP抑制剂抑制一种或几种M MP,并未提供乐观的结果。这其中一个主要原因是MMP家族含有2 0多个成员,而没有一种内源性或外源性的MMP抑制剂能同时抑制所有MMP的功能1 2 1】。我们的实验结果l8 j和其他一些报道I0.13】显示有一种方法可以抑制肿瘤转移蛋白酶的激活,就是通过提高转移肿瘤细胞的细胞外微环境P H值,可以完全抑制蛋 白酶的激活并阻止ECM的降解与重构。N is h和Fo rga c川发现使用不同的离子交换体可以区分不同转移行为的肿瘤细胞;具有低转移潜能的肿瘤细胞优先使用N a份交换体和HC037H转运体,而高转 移 性细胞 则倾向于使用质膜V-第5期沈秋瑾,等:靶 向肿瘤酸性微环境的抗肿瘤新策略797A T Pa s e S。总之,这些发现提 供了一些新的体 内体外证据,证明v一A TPa s e s可以作为肿瘤治疗的一个新靶点,它的机理就是直接调节肿瘤微环境的pH梯度,间接阻止ECM蛋白酶的激活。2质子泵抑制剂作为抗肿瘤药物肿瘤细胞的异常pH梯度的改变和维持受到质子转运体像N a+爪十交换体、V一AT Pa s e s的调节。这种调节在肿瘤发生、生长和耐药过程中是个很重要的因素,可以作为新抗癌药物的特异性靶点I“,22 2,。目前恶性肿瘤对化疗药物耐药以及肿瘤的侵袭和转移是造成肿瘤患者治疗失败的主要原因。不管是单药耐药性还是多药耐药性1 2 3,研究表明这些耐药肿瘤细胞中的药物浓度显著降低,从而减弱了药物 的药性,这可能与肿瘤细胞膜上的药泵,如p一g p有关1 2 4】,也可能与肿瘤细胞外 的酸性微环境有关1 2 51。在放疗或化疗抗性的肿瘤细胞中,V一ATPa ses的表达水平增加,而且化疗还能诱导其表达1 2 6,2 7。对于弱碱性药物,如慈环类药物,由于胞外 的酸性高,使得这些药物难 以以非离子形式穿透细胞膜,即便穿透细胞膜进入胞浆,也有可能进入酸性囊泡,如溶酶体中,而难以进入核内与靶点D NA等发挥作用,从而导致细胞耐药1 2 8.2 91。体外分子沉默技术和v一ATp韶e s的药理性抑制剂,如ba f if o my ci nA l能延缓肿瘤 的生长1 3 01,而且这些方法可 以导致肿瘤细胞严重的毒性,诱导其死亡,但是它们对正常细胞也有较大的毒性,因而难以用于临床。质子泵抑制剂(Pr o t onpum Pi雨b if o r,p pl)己经广泛并成功用于胃消化疾病 的治疗,因为它们具有抗酸效应。在胃的酸性部位加入PP I 后,PP I即被质子化,并不可逆地结合到质子泵上,有效地抑制质子的运输和细胞外环境的酸化。PP I的特异性靶点是存在于胃壁细胞腔内的正常的K+lH,一AT Pa s e s。但是,PP I也能抑制V一A T Pa se s的活性,阻止质子跨膜运输。基于恶性肿瘤细胞的异常pH这一特征,Lu cia ni等1 3】分别用体 内体外实验检测了PPI对不 同细胞的特异性:(a)不同的人肿瘤耐药性细胞;(b)B细胞肿瘤细胞。他们观察到生理学浓度的PP I显著提高了细胞内酸性囊泡的pH和胞外pH,诱导了细胞内酸性囊泡的积累。体 内体外实验中分别用低剂量PP I对两种肿瘤细胞作预处理后,(a)组的不同肿瘤细胞恢复了对氯氨铂(c isP la t in)、5一氟尿啥咤和阿霉素的敏感性;(b)组药物敏感性细胞对抗癌制剂的敏感性增强。肿瘤的酸性会诱导肿瘤组织内PP I的选择性积累,就像胃内经常发生的那样。根据对胃小室的分析,在酸性环境中,PP I被质子化并转化为活性形式,于是K+服+一ATPa se被抑制,pH梯度也随之 改变。DeMilito等32研究还发现PPI抑制肿瘤细胞的能力与培养基酸度水平直接相关1 3 21;PP I能诱导B细胞肿瘤的选择性细胞毒性,它是通过激活大量的活性氧分子(r eaetiveo xygenspeeie s,RoS),并破坏溶酶体膜 的结构,引起依赖。a spa se的细胞凋亡。与期望的抑制pH调节相符,PP I使得酸性小泡碱性化,胞质溶胶酸性化。研究者还观察到PP I对来源于患有急性白血病患者的前体B细胞急性 白血病细胞有抗瘤活性,给移植了B细胞淋巴瘤的免疫缺陷小鼠体内注入PP I(P.O.)后,瘤的生长也显著降低。PPI的效果取决于靶肿瘤组织的酸度水平。因此,推测在实体瘤 或黑色素 瘤 中,酸性环境更高,则应有更多的PPI激活反应。黑色素瘤在极低pH(PH5)下仍能存活1 3 3 1,但是来源于B细胞淋巴瘤的细胞在这种p H下大部分都会死亡。这个结果至少表明黑色素瘤比B细胞淋巴瘤酸度更高,黑色素瘤细胞需要耐受更酸环境。总之,这些结果都表明PPI介导的抗瘤活性可能通过一个关键的机制来完成其抑制功能,使得肿瘤细胞有效地消除有毒的分子,包括质子和R O S。在PP I介导的抗肿瘤反应早期,RO S积累、酸性小泡的通透性增加,这对凋亡级联反应比较重要。紧接着的胞质酸化也许给大量的蛋白酶和其他溶酶体酶的激活提供了一个 良好的环境,进而引起一系列的细胞 自我降解死亡。这些结果也许证 明了一个观点:PP I不仅可以作为一种敏感的化学制剂,而且有可能是一类新型的抗瘤药物。推测PP I 的效应机制是显著降低了肿瘤细胞的异常的高P H梯度,最终导致肿瘤细胞的死亡。而肿瘤微环境就是以异常的pH梯度为特征,即胞外酸性pH和胞质碱性p H,恶性肿瘤和耐药性肿瘤都是这种情况。p pl的治疗原理就是通过监控V.A TPa se s介导的H+输出量,阻止V一AT Pa s e s的反应,改变pH梯度,进而允许抗瘤药物进入细胞发挥功能1 3”,最后启动凋亡途径抑制肿瘤细胞生长1 3 2】。3以肿瘤酸度作为抗癌药物的新导入系统体外实验证明,药理性抑制剂能很好地抑制V-ATPa se s的活性,但是却不适合用于临床,因为它们对正常细胞有毒性l 2 2。而p pl可 以作为V一AT Pa se s7 9 8生命科学第2 0卷的有效抑制剂,因为它需要质子化才能成为活性药物1 2 2!。这个至少说明两点:(l)PP I募集需要酸性条件;(2)PP I仅能在这种酸性条件下才能被激活为抗酸药物而起作用:证据就是PP I需要在酸性或至少是无缓冲能力的培养基条件下才能以活性药物形式起作用,而且研究者也证明了人肿瘤细胞确实可 以在极端环境下培养;但正常细胞在这种条件下都会死亡1 3 31。也就是说,PP I对正常细胞无毒性,但在肿瘤细胞内发挥作用,体内实验同样证 明了这点1 3 2】。将肿瘤酸度作为抗癌药物的新靶点,除了采用PP I外,还有报道叮咙橙、F R20212613 41、F R1673561351、F R17799513 61、NI K一121924一(5,6一d iehlor o一IH一indd一2-yl)一3一et hoxy一N一(2,2,6,6一tet ra methyl一Pip eridin一4一yl)-be n z amide一种叼噪衍生物l,、低pH肤纳米插入技术1 3 8。由于异常的pH梯度,叮睫橙可以在肿瘤组织中选择性累积,而且在放疗之后,叮咤橙在肿瘤(比如肌肉骨骼瘤)中也是有活性的,并发挥非常强的选择性细胞毒性效应l 3 9。最近,纳米技术结果证 明了只有在酸性pH条件下,肤段才可以选择性插入肿瘤细胞的膜上,用荧光标记后还可以在体内特异性显示酸性微环境的存在部位,可用于肿瘤或其他酸性组织的早期诊断和术后观察3 8 1。这些为针对肿瘤 的酸性特性研制出靶 向性治疗 药物提供了一个强有力的手段。4结论我们的实验结果l“l和国际上最新的报道为肿瘤的治疗提供了一个新途径:肿瘤内异常pH梯度的调节和维持因子可以作为抗肿瘤新策略的选择性和特异性靶标。在这些靶标中,V一A T Pa s e s最为重要,因为它在决定肿瘤微环境的酸性和之后产生的有毒分子(比如H或R os)的清除中起着重要作用。肿瘤酸性微环境可以作为一种新型的特异性药物导入系统,因为抗肿瘤药物需要在此酸性环境下被激活,进而可 以进入细胞内或核内发挥药效,杀死肿瘤细胞。此外,肿瘤酸性和另一个重要的肿瘤特征密切相关,即恶性肿瘤的转移。实验结果表明,在酸性培养条件下,肿瘤侵袭和转移能力增强1 3 3,。采用PP I或其他v一A TPa se s抑制剂能够有效降低肿瘤细胞的侵袭和转移能力,并抑制肿瘤细胞在低营养条件下生存。肿瘤细胞需要质子泵才能在肿瘤酸性微环境下生存,而这种酸性环境往往导致正常细胞的死亡。因此,V一ATPa se s质子泵可以作为肿瘤治疗中靶向肿瘤微环境的新靶 点。参考文献1 1】助幼u na l记N,Ga妞nby R A,G正csR J.涌v七D n 叮I e”t a l即dc el l ula rc o n歇月u e nc eso fa lt e代月b l以劝f l owi 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atme ntonresis恤e e ofsol idtumo rsto eytot oxiedr ugs.J N甜Ca n ce rIn st,2(叉 只,9 6(22):170 2l3DeMilitoA,Ie ssi E,Logo z ziMA,etal.Proto nPum Pin h ibito rsindu ee ap oPtosisofhuma nBe el lt umo rs廿i ro ugha e a sPa se一indep ende ntrne cha nismin volvingr ea et iveo xy-gen s户沈ie s.Ca nee rRe s,2加7,6 7(1 1):54 0817Lug in iL,Mat别r res eP,Tina r iA,eta l.Ca nni ba l ismof l ivelymPho cyt esby huma nmet astatiebutn otPr i ma r ymela-nom ae ells.Ca n ce rR es,2 兀巧,6 6(7):36 2938Ni iku raK.Eff eetofaV一ATPa seinhibitor,FR 202 12 6,insynge n eiernou s emodelofe xp er ime nta lbo n emeta sta sis.Ca nce rC hemot he rP harllla col,2(X)7,印(4):55 5一6 2Niik u 口K,Ta ka noM,Sa eadaM.An o velin hi b it or ofva cu-ola rA T Pa se,FR1673 56,wh iehea nd iser imin ateb etwe e no st以兄la stv解uol a r ATPa sea ndl ys os om a lva cuo la rATP出记.BrJP ha n 刀a c ol,2 兀峙,14 2(3):55 8一6 6Nii如阳K,Na ka ji maS,Taka n oM,eta l.F R17 79 95,anovelva cu ola rA TPa sein h ibit o r,e x er t sn oto nl ya ni雨bi t or yef-丘沁to nb on ed est ru ct ionbuta lsoa nt i一iln n lun oinf la jr nrna t or yef l触etsina d juva nt一ind ue ed别r thri t ier at.Bo n e,2(X)7,4 0(4):888.94P et ra ngol in iG,SuPinoR,巧ate siG,eta l.Ef f ectofa n ovelv即u ola r-H+一A TP别沁in hibit o ron e el la nd t Um orr esp ons et oea mPt ot he Cin s.JP h别n n a co fExPTher 2(】万,318(3):939.4 6八刀由e e vOA,DuPuy A D,Sega laM,etal.Meeha nisma ndus es ofam em bra nep ePt id et hat ta rgetstumo r sa ndot he ra ci d iet issu e si nvivo.Pn犯Nad从e dSeiUSA,2(X)7,l以(19):7 89 38Kusu za ki K,M切r at aH,Ma t suba r aT,etal.Aer i d in e o ra ngeco u ldb ea nInnova t iv ea n石ca ne e ra g e ntu nd erph o to nen er gy.I nVivo,2(X)7,2 1(2):20514
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