低氘水抗腫瘤作用的研究進展及其可能機制

陳淼 劉光甫 陳楚言 楊慧齡 祝葆華

[摘要] 飲用低氘水可以預防疾病、延緩衰老、活化機體免疫細胞，特別是對某些癌癥等疾病的輔助治療，是近年國外核醫學領域和水生理學領域對低氘水研究的重大突破。目前，抗癌化療藥物仍是腫瘤的重要治療手段，但其毒副作用強，易導致多藥耐藥的產生，而低氘水使用方便，無毒副作用，且可能對腫瘤的多藥耐藥逆轉有巨大作用。其抗癌機制極其復雜，故本文對低氘水抗腫瘤作用的研究進展及其可能機制做一綜述。

[關鍵詞] 低氘水；抗腫瘤；機制

[中圖分類號] R733 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2015）02（a）-0155-05

自然界中的水是由2個氫原子和1個氧原子組成，而氫原子按其質量不同又分為3個同位素，分別為氫（H）、氘（D）、氚（T）。重氫的含量約為0.015%，由D代替H結合的水就是重水。天然水中氘和氕的比率（D/H）是1∶6600，通常把氘體積分數低于0.015%（150×10-6）的水稱為貧氘水或低氘水（deuterium depleted water，DDW）[1-5]。低氘水的理化作用首先被發現，由于其特殊性被廣泛用于化工、核能等行業。隨著其在防治疾病、增強機體抗氧化能力和免疫力、延緩衰老等方面的發現，低氘水在國外已經被商品化作為飲用水。

在早期的研究中，發現水中氘含量降低后可增強機體抗氧化能力。隨著研究的深入，發現低氘水還具有增強血管的反應性[6]、放射保護和激活免疫力[7]、利于培養細胞生長[8]、改善機體基礎代謝水平、抗細胞突變和延緩衰老[9]等作用，是近年國外核醫學領域和水生理學領域對低氘水應用研究的重大突破[6-7]。同時，研究發現低氘水可以誘導腫瘤細胞凋亡，抑制多種腫瘤細胞的增殖，并引起移植瘤小鼠腫瘤組織消退[10-12]。

隨著對低氘水研究的深入，目前對低氘水的研究已涉及多個領域包括醫學、食品、美容保健、農業等，并取得較顯著的成功。由于低氘水獨特的性質及作用，目前已成為研究的熱點，在飲用水及化妝品領域已有其產品的投入。

1 低氘水的抗腫瘤作用

除了通過特殊的制備工藝生產低氘水外，自然界中也存在含氘量低的水，如冰川水和雪水，其含氘量一般為0.0125%～0.0135%。調查發現生活在冰山及寒冷區域的動物體型較為龐大，且魚類和浮游生物也較容易繁殖，是因為在寒冷極地或者在地球兩極地區的水中含氘量較熱帶與亞熱帶地區的水少，特別是在南極的冰雪中，重水的含量微乎其微，使得南極雪水的密度最小，是地球上最輕的水。

對于低氘水的研究，Hughes等[10]最早發現通過給腹水瘤小鼠飲用0.0025%～0.003%的低氘水可以有效地延長其生存期。隨后Somlyai等[11]進一步研究發現，低氘水（含氘量為0.003%～0.01%）可以使體內的D/H比例發生一定改變，從而抑制HT-29結腸癌細胞、MCF-7乳腺癌細胞、PC-3前列腺癌細胞和M19黑素瘤細胞等多種腫瘤細胞的增殖；隨后，低氘水逐漸成為研究的熱點。研究發現，當普通水中氘含量降低65%的時候就可以表現出一定的抑制腫瘤的作用[12]，而且新的研究在證實低氘水無毒副作用的同時也表明低氘水對多種腫瘤細胞，如肺癌[13]、胰腺癌[14]、前列腺癌等均有抑制作用。Krempels等[13]對4例肺癌伴腦轉移患者的回顧性研究表明，連續飲用低氘水（0.001%～0.002%）3個月的肺癌合并腦轉移患者，生存期是其他抗癌治療法患者的5～10倍。Cong等[15]研究提示，低氘水可通過誘導腫瘤細胞凋亡而抑制肺癌生長。此外，本課題組首次報道了低氘水可以抑制鼻咽癌細胞與宮頸癌細胞的增殖及遷移[16-18]，提示低氘水具有抑制鼻咽癌細胞與宮頸癌細胞的作用。

近年來，在匈牙利藥品管理局批準下開展了一項超過1500例前列腺癌患者參與的臨床Ⅱ期雙盲、隨機調查實驗，按照藥物臨床試驗質量管理規范（good clinical practice，GCP）標準，調查結果顯示，飲用低氘水的前列腺癌患者與飲用普通飲用水的對照組前列腺癌患者相比，飲用低氘水的前列腺癌患者的生存期與生活質量都得到了顯著的提高。提示通過降低體內氘的濃度，可以抑制體內癌細胞的增長，誘發癌細胞的凋亡，對腫瘤的預防、復發和轉移的防治具有重要意義。

2 低氘水抗腫瘤作用的可能機制

2.1 低氘水對腫瘤細胞的周期調控

20世紀90年代，有研究者在使用體積分數為0.003%的低氘水培養基培養L929細胞時，發現其相對于正常培養基培養的L929細胞，細胞分裂的遲滯期延長了5～10 h[19]。在海藻的葉狀體觀察低氘水對植物細胞的影響實驗中，發現將葉狀體置于含有低氘水的培養基后，植物表現出了細胞呼吸作用活躍、光合作用停止，細胞內pH值為堿性而細胞外的pH值則偏向于酸性[20]。已經有研究證實細胞內pH值的變化是細胞進行分裂的一個重要機制[21]。Decoursey等[22]通過對重水的研究發現只有在氘體積分數降低到一定程度，水才能通過細胞膜和質子通道，改變細胞的酸堿平衡，影響細胞內質子轉運，從而影響細胞分裂。細胞吸收水的過程是靠水分子團通過細胞膜與質子通道而實現的，由于氘與氧分子更容易形成更小更穩定的水分子結構，從而更容易穿透細胞膜，進入細胞內。研究認為，細胞內穩定的氘/氫比例（D/H）是維持細胞信號轉導、腫瘤細胞分裂增殖的重要條件。當細胞內的D/H比率達到一定的閾值后，觸發細胞周期調控系統，引起細胞分裂。因此，改變或降低細胞內D/H的比例，腫瘤細胞有絲分裂所需要的條件消失，腫瘤的生長受到阻滯。在海藻實驗的例子中，低氘水培養的海藻細胞，活化細胞質膜上的H+-ATPase，使細胞內的H+排除，改變細胞內D/H比例，影響細胞生長[20]。此外，王宏強等[16-17]、張力等[18]通過實驗發現，腫瘤細胞經過低氘水培養基培養后，細胞的PCNA蛋白與P21蛋白均受到調控。P21最初是作為P53的下游基因被發現的，它參與細胞的生長、分貨、衰老及死亡過程，同時又與腫瘤的發生密切相關，在細胞的生理、病理過程中發揮著重要的作用。研究證實了P21能夠與cyclin D/cdk形成復合物而使細胞周期停滯在G1期；它還可以與PCNA相互作用，阻斷PCNA活化DNA聚合酶的活性從而抑制DNA的合成，使細胞周期停滯。

2.2 低氘水調控腫瘤細胞的凋亡機制

細胞凋亡是通過啟動細胞自身內部死亡機制而產生的一種細胞死亡方式，細胞凋亡的失調在腫瘤的發生、發展中發揮著極其重要的作用，是腫瘤細胞的重要標志[23]。目前，通過修復細胞凋亡機制誘導細胞死亡，是腫瘤化學治療的主要手段。P53基因被認為是腫瘤的抑制基因，因為P53蛋白可作為一種關卡控制因子，通過調節細胞從G1期進入S期來控制細胞的過度增殖，并且能促進細胞凋亡。P53是周期調控基因P21的重要的上游基因，很多試驗證明了P53參與著腫瘤細胞的凋亡調控。研究發現，宮頸癌患者對化療的敏感性是通過P53-Bax調節通路，誘導細胞凋亡而起作用的[10]；Gy？觟ngyi等[12]發現低氘水能夠降低移植瘤裸鼠的原癌基因C-myc和Ha-ras和上調抑癌基因P53基因的表達，誘導腫瘤細胞凋亡。

目前研究表明，細胞凋亡機制誘導細胞死亡也可能作為低氘水輔助治療腫瘤的潛在機制。Gong等[15]通過體內體外實驗發現，低氘水抑制肺癌細胞增殖作用中存在凋亡機制的參與，提示低氘水可能是通過誘導細胞S期阻滯和腫瘤細胞凋亡抑制癌細胞的生長。此外，Bcl家族與Caspase家族是目前被認為與腫瘤細胞凋亡有密切關系的基因家族。相信隨著對低氘水研究的深入，低氘水誘導腫瘤細胞凋亡的機制將會越來越清晰。

2.3 低氘水調控腫瘤細胞中的miRNAs的表達

近年來，microRNAs（miRNAs）在調節基因的表達與腫瘤細胞的表型方面已經發展成為一支重要力量，其與細胞的增值[24-26]、細胞周期進程[27-29]、侵襲[30-32]以及分化[33-34]等密切相關，是腫瘤發生、發展過程中的重要分子之一。microRNA是20～22個堿基長度的非編碼RNA。miRNA不編碼任何蛋白質，但調控基因轉錄后的表達。Volinia等[35]對500多例患肺癌、胃癌、乳腺癌、結腸癌、前列腺癌或胰腺癌的患者進行miRNAs的表達分析，發現21種在正常人體中表達低的miRNA在腫瘤患者中都過度表達，如miR-21、miR-17-92和miR-191。而且他們的研究也充分說明miRNAs廣泛參與癌癥的病理過程，可能促進也可能抑制癌癥的發生。Zhang等[36]研究了283種miRNAs基因，發現有41種miRNAs在乳腺癌、卵巢癌和黑色素瘤這3種腫瘤中基因表達改變是相同的，其中26種基因表達增加，15種表達減少。miRNAs表達的改變會通過調節與腫瘤細胞增殖和存活有關的基因功能表達從而促進或者抑制腫瘤的形成。腫瘤細胞可表現很多改變，可以直接或間接地影響miRNAs表達，很多miRNAs被認為具有致癌或抑癌的功能。在離體和在體的實驗中，發現miRNAs具有腫瘤抑制或促進的作用，并且目前一些有關的miRNA靶點已經被報道[37-38]。在肝細胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）中，miRNA可以靶向調控與細胞周期、凋亡、轉移相關的蛋白表達[39]。本課題組在前期研究中證明低氘水可以抑制肝癌HepG2細胞的增殖和侵襲[40]。而且通過基因芯片分析對肝癌HepG2細胞的miRNA表達譜，可以發現在差異表達的miRNA中，既有表達上調的，也有表達下調的。因此，有理由相信低氘水對miRNAs的表達是其抗腫瘤作用的機制之一。

2.4 DNA損傷機制

目前研究表明，過量的紫外照射和過高濃度的氘均可以通過損傷對生物體內氘的濃度尤為敏感的DNA修復酶，造成DNA密碼子排列錯亂，從而最終影響生物體的有絲分裂。在20世紀初，大部分研究專家提出生物體內氘的含量與機體衰老密切相關。某些酶和蛋白在DNA復制及修復過程中以及氫鍵的形成中起重要作用[41]。同時研究表明，氘可以在DNA的螺旋結構中置換氫原子，導致了衰老及腫瘤發生，而這種影響作用主要通過推進DNA雙螺旋結構相移、斷裂、替換，另一方面使得核糖核酸排列混亂，甚至重新合成，出現突變[42]。

3 小結

人體內的水含量占到了65%～70%，可以說水是生命之源，而氫鍵是DNA的基本化學鍵，參與了機體幾乎所有的生命反應，氘正是以這樣的方式影響著DNA的遺傳、復制。自從1934年，美國科學家尤里發現氘之后，人們對于氘的研究才正式開始。隨著對低氘水的研究深入，人們慢慢發現其在臨床醫藥上的應用前景，其中對于低氘水對腫瘤的作用更是備受關注。直到1990年匈牙利國立研究所報道低氘水能夠誘導貓和狗自發性惡性腫瘤完全或者部分消退，并注冊申請低氘水作為抗癌藥物在動物中使用[43]，低氘水正式步入了抗腫瘤研究的快車道。腫瘤的發生與發展極其復雜，是多種因素相互作用的結果，其根本原因是生物體內細胞穩態失衡。造成細胞穩態失衡的原因有很多，其中蛋白質功能紊亂、DNA突變、化學因素等被認為是腫瘤發生的元兇。由于腫瘤發生的復雜性，目前腫瘤的治療依舊以殺傷性化學藥物為主，但化學藥物在殺滅腫瘤細胞的同時，對正常細胞也有同樣的殺傷作用，對正常細胞影響大，在治療過程中患者往往會出現不同程度的毒副作用，甚至誘發新的腫瘤。而鑒于低氘水的天然屬性，對人體幾乎沒有任何毒副作用。目前，低氘水的體內外實驗已經證實了其具有抗腫瘤活性，且對人體正常細胞無毒副作用，甚至具有促進正常細胞生長功能，提示低氘水還可能具有活化細胞、延緩衰老的功效[16]。由于腫瘤發生的復雜性，低氘水抗腫瘤的機制也是多種多樣。研究表明，低氘水通過逆轉運Na+-H+離子泵和K+-H+-ATP，調節細胞內pH值和D/H比例，抑制腫瘤增殖，并且低氘水能夠修復體內損傷突變的DNA，抑制腫瘤的發生發展。microRNA是近年來研究的熱點，miRNA在腫瘤細胞的分化、增殖、凋亡等方面發揮著重要的作用，相信隨著對低氘水研究的深入，低氘水調控人體內miRNA的表達，從而抑制腫瘤發生發展，很可能是低氘水研究的一大方向。目前對于低氘水的研究還處于初級階段，人們對于低氘水具體的抗腫瘤機制的認識還十分模糊，其抗腫瘤機制還有待進一步研究。隨著基因芯片等分子生物學技術一日千里的發展，必將為我們揭開低氘水抗癌作用的神秘面紗。

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