紅肉中血紅素的腸道致癌作用機理與預防措施的研究進展

彭家宣,郭秀蘭,侯彩云,王國澤,唐仁勇

(成都大學藥學與生物工程學院,四川成都 610106)

近年來,癌癥已成為全球范圍內第二大致死因素,結直腸癌(colorectal cancer,CRC)是第三種最常見癌癥[1]。國家癌癥中心最新數據顯示,結直腸癌在國人患惡性腫瘤中的發病率也已躍居第三位,僅次于肺癌和胃癌,病死率位居第五位[2]。研究發現結直腸癌的發病率與飲食有很大聯系[1],高消費量的紅肉及其加工制品的攝入被認為是誘發結直腸癌的一個重要因素[3-5]。紅肉通常是指肉樣因肌紅蛋白含量高而呈現紅色的哺乳動物肉,其營養價值豐富,是人類食物蛋白的主要來源[6-7]。但2015年10月國際癌癥研究機構(IARC)將加工肉制品列為1類致癌物,紅肉列為2A類致癌物質[6]。最近一些研究表明紅肉及其加工制品中的血紅素、亞硝基化合物(NOCs)、雜環胺(HCAs)、N-羥乙酰神經氨酸(Neu5Gc)以及多環芳烴(PAHs)都是潛在致癌物質,能夠促進癌癥發展[7-10]。

近年來,人們越發關注血紅素導致CRC的潛在機理。2004年,Pierre的小鼠實驗中發現,CRC的發生率與其飲食中的血紅素含量有很大聯系[3,11]。2010年,Pierre實驗小組進一步發現亞硝基肌紅蛋白較肌紅蛋白具有更強的腸道致癌作用[3]。次年,Bastide進一步證實血紅素能夠催化促進NOCs的形成[12]。2013年,IJssennagger發現血紅素鐵能夠催化促進粘膜上皮細胞的異常增殖,誘發CRC[13]。2015年,Bastide的實驗發現血紅素能夠促進醛類的生成,增加CRC的發病率[1]。

血紅素是一種鐵卟啉化合物,鐵(Fe)原子位于其原卟啉環內,通過N-Fe鍵與四個吡咯環結合。它有a、b、c三種主要的變體,其中血紅素b更容易釋放出游離血紅素,是哺乳動物中最豐富的存在形式,其分子結構為一個大型疏水性四聚吡咯環連接兩個垂直于卟啉環的丙酸側鏈[3],具有多種生理功能[4,11]。本文主要就血紅素誘發結直腸癌的潛在機理(圖1)進行綜述,并列出可能減弱血紅素致癌性的相關措施。

圖1 血紅素致癌機理圖

1 血紅素誘導結直腸癌的致癌機理

1.1 血紅素誘導細胞毒性

血紅素的吸收主要集中在小腸上部[9]。被吸收后的血紅素由血紅素氧合酶催化分解,產生亞鐵離子(Fe2+)、膽綠素和一氧化碳[9]。血紅素氧合酶有HO-2和HO-1兩種形式,HO-2是正常生理條件下代謝血紅素的酶[3,9]。然而,在血紅素過多的情況下,異構體HO-1的表達會加速,使得游離血紅素和不穩定的鐵累積[9,14]。其次,食用大量紅肉或加工肉后,攝入的血紅素不能被小腸全部吸收,轉移至大腸,成為游離血紅素[4],在低鈣低纖維飲食者體內停留較長時間,增加血紅素與腸道上皮細胞的接觸[4,9]。

1.1.1 促進細胞的裂解 2006年,Glei的體外實驗發現[15],血紅素濃度大于100 μmol/L就會導致細胞膜的損傷,對人的原發性結腸細胞產生細胞毒性作用。2010年,Ishikawa發現血紅素的濃度在0.1～100 μmol/L時,其誘導的DNA損傷隨濃度增加而顯著增加,但添加血紅素抑制劑ZnPP和過氧化氫酶可抑制血紅素誘導的DNA損傷[16-17]。即過量的游離血紅素能夠顯著增加細胞膜的滲透性、促進細胞的裂解[14]。

1.1.2 形成血紅素細胞毒性因子 游離在大腸中的血紅素分子疏水端插入到細胞膜的脂質層中,釋放活性氧和自由基[9]。由活性氧作用形成的脂質過氧化物,與血紅素的原卟啉環結合,形成極親脂分子,即“血紅素細胞毒性因子”[9]。在Ijssennagger的小鼠實驗中發現,該因子能夠誘導如Tis7,Nemo和細胞壞死誘導因子——受體相互作用蛋白激酶3(Receptor interacting protein kinase-3,RIP3)等細胞毒性應激標記物的大量表達,對結腸上皮細胞產生明顯的細胞毒性[13]。即血紅素介導產生的脂質過氧化物誘導細胞毒性因子表達,損傷結腸粘膜上皮細胞[18],導致結腸隱窩區域干細胞增殖,形成代償性上皮增生[9,19],增加患結直腸癌的風險。

1.2 血紅素促進亞硝基化合物(NOCs)的形成

NOCs由蛋白質發酵再經亞硝基化形成,是一種強大的致癌物質,在許多類型的食物中都可以檢測到[6]。Bingham在1996年就報導稱紅肉能促進內源性NOCs的形成[20]。2007年,Kuhnle證實亞硝基鐵(FeNO)是導致NOCs內源性形成的主要因素[21]。2009年,Joosen證實血紅素在紅肉中刺激內源性NOCs的形成[22]。人體內的NOCs來源大致可以分為兩種[10,23],一種是體內自生的亞硝基化劑和亞硝基化底物[24],另一種是通過膳食攝入的亞硝基化合物前體,如腌制等加工肉以及啤酒等[25]。

亞硝基化底物在正常酸性胃中形成亞硝基硫醇(RS-NO)和NO,在低酸性胃中直接形成NOCs[26]。RS-NO本身無害,但能轉化提供NO,并通過仲胺的亞硝化反應生成亞硝胺,促進亞硝基血紅素或者其他NOCs形成,具有一定的毒性,致癌作用[9,26-27]。而NO積累過量,會促進活性氧生成。過多活性氧可能會導致K-ras基因和APC基因“G-T”突變,誘導結直腸癌[9]。此外,過量的NO也可作為亞硝基化劑,促進NOCs形成[9]。

1.2.1 促進DNA烷基化 紅肉及其加工肉制品的攝入增加了體內的血紅蛋白和肌紅蛋白的含量,肌紅蛋白和血紅蛋白極容易亞硝基化形成亞硝基肌紅蛋白和亞硝基血紅蛋白,NO直接與其反應生成NOCs[26]。NOCs極有可能與DNA堿基親核中心發生反應,造成DNA烷基化,誘導上皮細胞中K-ras基因和TP53基因發生“G-A”的突變,導致結直腸癌[9,28-29]。

1.2.2 生成DNA加和物 此外,一些亞硝化甘氨酸衍生物已被證明能與DNA生成NOCs衍生物,如O6-羧甲基鳥嘌呤(O6-CMG)以及O6-甲基鳥嘌呤(O6-MeG)等甲基加合物[29-30]。其中,O6-CMG不會被細菌和哺乳動物的O6-羧甲基鳥嘌呤-DNA轉移酶(MGMT)所修復,容易在腸道細胞的DNA上累積,促進結腸細胞脫落,導致結直腸癌的前期病變[5,29]。

1.3 血紅素誘導脂質過氧化

脂類是各種活性氧和活性氮的生物靶點,能夠參與多種生化反應,導致大量的副產物生成[29]。2014年,Bussche等人研究紅肉飲食中形成O6-CMG和丙二醛(MDA)的影響因素,證實血紅素鐵參與促進了脂質過氧化和NOCs的形成[29]。此外,在Bastide的實驗中發現,含血紅蛋白的飲食顯著增加了糞便中的硫代巴比妥酸反應物質以及尿液中的脂質氧化產物4-羥基壬烯醛(4-HNE)的代謝物1,4-二羥基非復方酸(DHN-MA)的量,再次證明血紅素鐵能催化促進脂質過氧化[1]。

脂類負責維持細胞膜的完整性,大量的脂質過氧化改變了脂類膜的組成和結構,顯著改變脂質雙分子層的物理性質[31]。其次,脂質過氧化作用使膜上的酶和受體失活,導致膜的流動性降低,增加對鈣等離子的非特異性通透性,影響細胞的正常代謝功能[9]。脂質過氧化物作為一種高度反應活性的化合物,能夠與亞鐵離子反應生成相應的烷氧自由基,從而產生新的過氧化反應,或降解為能交聯DNA和蛋白質的反應活性化合物[31]。脂質過氧化物的醛基降解產物對細胞有毒性,其中最具代表性的是MDA和4-HNE[29]。

1.3.1 形成丙二醛(MDA) MDA本身是一種二醛,能與蛋白質的伯胺或DNA相互交聯,發生反應[31]。如MDA可以與伯胺形成1,4-二氫吡啶加和物,同時也可參與促進O6-CMG等具高突變性和遺傳毒性的DNA加合物形成[29]。

1.3.2 形成4-羥基壬烯醛(4-HNE) 4-HNE也含有一個醛基官能團,能夠與組織細胞內的蛋白、核酸、酶類等物質相互作用,誘導APC基因發生“G-T”的突變以及結直腸上皮細胞異常增殖,引發一系列組織病理損傷,導致CRC的產生[9]。Bastide的實驗證明,4-HNE濃度高于20 μmol/L時將殺死正常細胞。而在較低濃度,它們可以誘導小鼠Apc+/+細胞產生突變,誘發癌變[1]。

1.4 高血紅素誘導腸道菌群失調

腸道在維持身體和外部平衡中起到了重要的作用,能將病原體排出體外,同時吸收營養物質[32]。腸道菌群有助于維持正常腸上皮細胞的各種代謝、免疫和穩態功能。腸道菌群的數量、分布或穩定性的任何變化都可能引起上皮細胞的慢性炎癥,導致結直腸癌[9]。飲食是影響腸道菌群最主要的因素之一[33]。

1.4.1 增加大腸桿菌和擬桿菌門,減少乳酸桿菌 高血紅素飲食能夠增加腸道中大腸桿菌和擬桿菌門,減少乳酸桿菌等厚壁菌門[29,33]。而擬桿菌門和大腸桿菌會產生腸毒素誘導炎癥,不能形成有效的腸道表面屏障,使共生細菌及其衍生物極其容易侵入腫瘤間質,成為誘發和維持促腫瘤炎癥的驅動力[34],促進慢性炎癥的發生。活化的炎性細胞提供活性氧和活性亞硝基中間體,誘導DNA損傷和基因組不穩定,促進早期腫瘤的生成[35]。同時大腸桿菌含有亞硝酸還原酶,能夠加速亞硝化過程[36],促進NOCs形成,增加患結直腸癌風險。

1.4.2 減少雙歧桿菌,增加產硫細菌 此外,紅肉中的其他因素也會導致腸道菌群改變,如脂肪會導致雙歧桿菌減少、產硫細菌增加[4]。雙歧桿菌的減少降低了丁酸產量,減弱對DNA加和物O6-CMG合成的抑制,影響細胞分化和腸道健康[37]。產硫細菌主要生成硫化氫,損傷腸道上皮細胞[4],導致與炎癥相關的轉錄因子如NF-κB的過度啟動,促進腫瘤細胞增殖[4,38]。降低血紅素致癌的可能措施。

2.1 利用鈣和葉綠素減少血紅素鐵的吸收

乳制品、豆類和海產品等食物中的鈣能夠抑制細胞毒性和結直腸癌[4,39-40]。有報道稱,鈣離子能夠螯合血紅素,減少腸道中游離血紅素的含量,使其在腸道內無反應,最終隨糞便排泄出體外[4]。含鈣飲食能夠明顯降低如異常隱窩病灶(ACF)和粘蛋白衰竭病灶(MDF)等癌前病變的發生率[39-40],阻止上皮細胞的異常代謝增生[32]。Allam等[41]指出,天然食物中的碳酸鈣結合血紅素的能力強于磷酸鈣,應被廣泛用于減少結直腸癌等相關癌癥風險。

綠色蔬菜中含有大量的葉綠素,其結構類似于血紅素,是植物體內的鎂卟啉化合物。葉綠素中所含的卟啉可以與血紅素卟啉相競爭,與脂質過氧化物結合,從而減少“血紅素細胞毒性因子”的含量,抑制其毒性和細胞增殖作用[9]。此外,葉綠素還可以與血紅素形成絡合物,也降低了血紅素的毒性作用和異常增殖[27]。

2.2 使用亞硝酸替代劑、阻斷劑等抑制NOCs的合成

加工肉制品中的亞硝酸鹽是外源性NOCs的主要來源,可以利用亞硝酸鹽替代劑直接減少NOCs的外源性攝入,利用阻斷劑抑制亞硝胺的形成,降低結直腸癌風險。亞硝酸鹽在肉中主要起到抑菌、增色的作用[42]。有研究表明,可以利用殼聚糖和乳酸鏈球菌素來代替亞硝酸鹽對肉毒梭狀芽孢桿菌等腐敗菌的抑制作用[42];利用胭脂樹紅[43]、番茄紅素[44]等色素替代亞硝酸鹽與肌紅蛋白相作用的增色效果。其次,利用多酚、抗壞血酸、大蒜素等阻斷劑阻止亞硝基化的進程[45-46],如大豆中的異黃酮能抑制NO合成酶的形成,顯著降低NOCs含量[45]。此外,也可以通過巴氏殺菌、氣調包裝和輻照等技術有效阻斷NOCs合成[46],減弱血紅素的致癌效果。

2.3 利用天然抗氧化物質抑制脂肪過氧化

天然抗氧化物質主要是指水果和蔬菜中所含的抗氧化劑,可以有效防止脂肪過氧化,并且在一定程度上減弱了血紅素的致癌效果[4],主要包括多酚、類胡蘿卜素、生育酚、抗壞血酸、大蒜素以及棕櫚烯酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸[4,46]。其中,西紅柿的β-胡蘿卜素和番茄紅素含量較高,能夠有效降低血漿濃度,抑制結直腸癌的發展[47];紅酒中的白藜蘆醇具有多效藥理特性,能夠抑制血小板聚集,抵抗活性氧的傷害[47];橄欖油中含有生育酚、角鯊烯、醇類和多酚等幾種生物活性化合物,能夠影響細胞中的多胺代謝,從而降低腫瘤形成的風險[47]。此外,茶葉中的兒茶素約占茶多酚的75%到80%,也能夠有效抑制蛋白激酶的誘導作用,調節Akt、p38MAPK等信號通路,促進細胞凋亡,抑制癌細胞的增值,降低腫瘤形成的風險[48-49]。姜黃中的姜黃素能夠抑制血管平滑肌細胞中脂多糖誘導的炎癥介質的過分表達,降低AP-1,NF-κB,IL-1β,IL-6等因子,以及單核細胞趨化因子和基質金屬蛋白酶等在主動脈組織中的作用,抑制結直腸癌的發展[49]。

2.4 添加益生元和益生菌改善腸道菌群紊亂

益生元是一種膳食補充劑,不能被人體直接消化吸收,只能在人體腸道中被細菌分解利用,促進乳酸菌和雙歧桿菌等益生菌的增殖,現已廣泛應用的益生元包括果糖、菊粉、低聚果糖、半乳糖和木糖等[50]。在食品中添加益生元,可以給腸道益生菌補充“食物”,激活與增殖人體內的益生菌群,以達到促進微生態平衡,改善健康的目的。聯合國糧食及農業組織(UNFAO)和世界衛生組織(WHO)將益生菌定義為“活的微生物,并在適當的劑量下有利于宿主的健康”[51]。最近已有研究證明,憑借17種益生菌就可能恢復正常的腸道免疫功能[1,4]。具體而言,利用益生元和益生菌,能夠調節腸道菌群,增加對腸道有益的革蘭氏陽性菌,減少梭狀芽孢桿菌;分泌抗炎細胞因子,增強腸道屏障功能;以及通過分泌抗氧化和抗癌化合物提高人體免疫功能[1,4,49,52],從而降低食用紅肉帶來的結直腸癌風險。此外,膳食纖維等益生元也能夠在腸道消化過程中,增加糞便體積,加快腸道轉運,稀釋細胞毒素的濃度,減弱其與腸道上皮細胞的接觸,進一步降低結直腸癌風險[33,53]。

3 總結與展望

紅肉營養價值豐富,是微量元素和必須氨基酸的良好來源,也是人們日常飲食中不可或缺的。但其富含的血紅素是誘發結直腸癌的主要原因之一,其主要通過誘導細胞毒性,催化脂質過氧化和亞硝基化合物的形成,導致腸道菌群紊亂,誘發炎癥,并促進癌變。為此,許多研究發現鈣和葉綠素可減少血紅素鐵的吸收,亞硝酸鹽替代劑等能夠抑制NOCs的合成,天然抗氧化物質可抑制脂肪過氧化,而添加益生元和益生菌能夠改善腸道菌群紊亂,綜合減弱血紅素的負面效果。隨著對預防血紅素致癌的深入研究,豐富抑制劑的種類,優化其添加量,進一步提高紅肉及其加工制品的安全性將是未來研究工作的重點。