化療誘導的周圍神經病變與線粒體損傷

李艷青,郭洪波

0 引言

化療誘導的周圍神經病變(Chemotherapy-induced peripheral neuropathy,CIPN)是化療藥物常見的劑量限制性不良反應,臨床常以四肢末端對稱性麻木、疼痛、感覺異常為主要表現,多呈“手套樣”或“襪套樣”改變,嚴重時可造成跌倒、燙傷甚至致殘,嚴重影響患者的生存質量。CIPN發病多與化療藥物累積量相關,隨著化療周期的推進,CIPN癥狀也越重,許多患者常因不能耐受而減量、中斷或者放棄治療,導致依從性降低,最終延誤治療。有研究表明,隨著腫瘤患者存活率的全面提高,預計CIPN的患病率在未來十年內將有明顯增加[1]。近年來,該病逐漸成為國內外專家的研究熱點,目前尚無較好的針對該病的藥物,這與其發病機制不明確、診斷方式待完善、評估手段欠缺有關。

臨床上可引起周圍神經病變的常見化療藥物有鉑類、紫杉類、硼替佐米等[2],這些藥物極少穿過血腦屏障,對中樞神經系統有一定的保護作用,而外周神經系統(感覺、運動、自主神經等)則受神經毒性影響很大[3]。國內外學者通過建立體內、體外模型,對CIPN機制有了一定了解,越來越多的證據表明,線粒體障礙在CIPN中有著重要地位,保護線粒體功能有望成為預防和治療該病的重要措施。本文通過總結國內外關于線粒體損傷參與CIPN的最新機制研究,根據線粒體在不同化療藥物中的機制進行綜述。

1 線粒體結構及功能

線粒體是普遍存在于除了哺乳動物成熟紅細胞以外的真核細胞中的細胞器,由雙層單位膜套疊而成,外膜上含有多種轉運蛋白,內膜具有高度選擇通透性,而線粒體內腔充滿可溶性蛋白和脂肪等基質,是三羧酸循環(Tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)、氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation)的主要場所,線粒體內的眾多酶系均可參與氧化反應。線粒體擁有自己獨立的遺傳系統,其中線粒體DNA(mtDNA)構成了線粒體基因組[4]。

線粒體的主要功能是使營養物質氧化并與磷酸化耦聯生成ATP,在攝取和釋放Ca2+中也起著重要的作用,對調節細胞的生理活動有著重要作用,生命活動中的細胞死亡也與線粒體有關[4]。

2 線粒體損傷

線粒體損傷是指在生理或者病理因素作用下,線粒體出現線粒體嵴數目減少、結構改變、融合分裂變異、呼吸鏈電子傳遞受阻、線粒體DNA(mtDNA)突變等改變,導致線粒體氧化還原及能量代謝功能異常,造成線粒體氧化磷酸化能力減低、能量合成減少、生物氧化中斷、Ca2+平衡失調一系列功能障礙,最終導致細胞衰老、死亡,造成多種疾病產生[5]。

2.1 氧化應激反應與線粒體損傷 線粒體是機體內活性氧的主要來源,活性氧是ATP生成過程中的副產物,氧化應激反應與活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的產生密切相關。線粒體在能量轉換過程中會發生大量的電子轉移反應,當偶爾有一個電子轉移到氧,使這個細胞器產生超氧自由基[包括超氧化陰離子(O2-)、羥基自由基(HO)等][6-7],這些氧自由基通過鏈式反應形成活性氧,當ROS水平較低時,可促進細胞增生;當活性氧的產生和積累與防御抗氧化系統之間存在不平衡時,細胞內兩種相反的拮抗力量失衡,ROS的破壞作用大于抗氧化劑的代償作用[8-9];其次,氧化陰離子(O2-)和羥基自由基(HO)因未配對到電子,出現高度不穩定性,能夠引發氧化并進一步生成ROS,例如過氧化氫(H2O2)、過氧亞硝酸鹽(ONOO-)和次氯酸(HOCl)[10]。過量的ROS產生會對蛋白質、脂質和核酸、電子傳遞鏈原件等生物結構造成損害,導致線粒體內膜失去適當的電化學梯度,從而導致線粒體能量產生關閉,并與線粒體膜間隙釋放的促凋亡蛋白一起啟動細胞死亡的激活[7]。線粒體在ROS的清除中也有一定作用,受損的線粒體會間接導致ROS積累,最終形成惡性循環[11]。

此外,多項研究表明,ROS水平較高時,會引起線粒體內膜非特異性通透性孔道(Mitochondrial permeability transition pore,MPTP)開放,導致跨膜電位崩潰、細胞色素C外漏,再啟動caspase的級聯活化,最終由caspase-3啟動凋亡[4]。

2.2 Ca2+失調與線粒體損傷 Ca2+是一種普遍存在于細胞內的信號信使,參與包括代謝、基因轉錄、生長、運動、生存和凋亡等在內的多種細胞功能。線粒體和內質網(ER)是維持細胞內鈣穩態的主要細胞器,其中線粒體Ca2+的變化會影響線粒體呼吸、三磷酸腺苷(ATP)的產生、線粒體自噬、凋亡和壞死等線粒體途徑[12-13]。線粒體在內膜中表達復雜的線粒體鈣單胞體復合體(MCUc),Ca2+通過線粒體鈣單胞體復合體穿過線粒體內膜,這是目前Ca2+進入線粒體基質的唯一已知途徑。當過多的ROS生成、mtDNA突變或其他病理改變發生時,線粒體的Ca2+穩態也會發生改變,過氧亞硝酸鹽使關鍵的線粒體酶失活,細胞能量狀態受影響,觸發線粒體Ca2+的釋放。異常升高的Ca2+通過MCUc有效地滲透線粒體內膜,Ca2+超載導致線粒體電位、線粒體通透性的改變,使線粒體滲透腫脹和外線粒體膜破裂,最終發生線粒體功能障礙[14-15]。

2.3 mtDNA突變與線粒體損傷 線粒體自身含有獨特的雙鏈環狀DNA,位于線粒體基質內或者附著于線粒體內膜。線粒體DNA通常是裸露的,不與組蛋白結合,與核DNA相比,更容易發生突變,且其損傷修復系統修復能力有限[4]。此外,線粒體的DNA聚合酶缺乏校對活性,導致mtDNA復制過程中的錯誤率較高[16]。線粒體DNA在整個周期中不斷合成,在此期間其穩定性差,容易受到外部干擾,這些因素共同導致線粒體DNA突變率高,當線粒體DNA突變達到一定閾值,會使電子傳遞鏈效率下降,增強ROS的產生[17],觸發線粒體通透性轉換孔(MPTP)的打開,影響線粒體的動力學和有絲分裂,并誘導細胞程序性死亡[18]。有研究者在酵母和嚙齒動物的老化過程中,觀察到線粒體DNA可以在染色體著絲粒周圍區域水平插入,進而改變核DNA序列而導致線粒體功能障礙相關疾病的發生[19]。

3 線粒體功能障礙與化療導致的周圍神經病變

3.1 紫杉類藥物

3.1.1 紫杉類藥物導致的周圍神經病變 紫杉類藥物是腫瘤化療的基石,目前我國獲批的紫杉類藥物包括紫杉醇注射液、多西他賽、紫杉醇脂質體和注射用白蛋白結合型紫杉醇,多用于卵巢癌、肺癌、前列腺癌、胰頭癌等實體腫瘤的治療[20]。臨床治療過程中高達80%的患者在紫杉醇治療期間出現周圍神經病變,包括急性疼痛綜合征,通常在服用紫杉醇后1～3 d內出現,并在1周內基本消失,隨著治療過程進展,神經病變嚴重程度會增加,50%的患者在治療12個月后仍可能出現感覺障礙,且癥狀會持續很長時間[21-22]。

3.1.2 線粒體損傷與紫杉類藥物 盡管關于紫杉類藥物導致的周圍神經病變機制尚不明確,但多項研究表明,其與線粒體損傷關系密切。Duggett等[23]利用大鼠分離的背根神經節神經元,首次證明了在體紫杉醇在DRG中誘發線粒體功能障礙的性質;Lv等[24]利用JC-1探針,檢測到紫杉醇處理的大鼠背根神經節細胞線粒體膜電位喪失,表明紫杉醇誘導的外周神經毒性可能與線粒體膜完整性破壞和線粒體損傷有關;Li等[25]在大鼠實驗中觀察到紫杉醇在暴露后24 h,背根神經節神經元中存在氧化應激反應增加。以上均表明,紫杉類藥物可能破壞線粒體膜完整性,增加ROS的產生,進而造成CIPN的發生。

此外,紫杉類藥物治療還可能損害線粒體的軸突運輸。有研究者在人類誘導的多能干細胞衍生感覺神經元(iPSC-SN)模型中發現,經過紫杉醇處理的iPSC SNs線粒體在2個方向上的運動減少,暴露紫杉醇72 h后,幾乎完全抑制線粒體沿神經突向下的運輸[26];在用紫杉醇治療后的斑馬魚體內模型中,ROS、H2O2在基底角質細胞中增加,表明細胞質中的H2O2似乎至少部分來自線粒體損傷,進而導致MMP-13(表皮基質金屬蛋白酶13)的上調,最終誘導基質降解和無髓鞘軸突的退化,實驗過程中軸突線粒體也顯示出損傷的跡象,如融合/分裂缺陷和空泡化[27];此外,紫杉醇也可以通過耗盡編碼遠端軸突線粒體裂變/融合機制的mRNA來改變線粒體功能,這種毒性作用最終導致軸突能量供應不足和軸突變性[28]。

總之,越來越多的證據證明,紫杉醇,尤其是白蛋白結合型紫杉醇,在化療過程中會引起嚴重的周圍神經病變,甚至直接影響疾病預后,這些病變與線粒體膜破壞、氧自由基產生、線粒體軸突運輸受損聯系緊密。

3.2 鉑類化合物

3.2.1 鉑類化合物導致的周圍神經病變 鉑類化合物是目前臨床上應用最廣泛的化療藥物之一,臨床上常用的鉑類藥物包括順鉑、卡鉑、奈達鉑、奧沙利鉑和洛鉑,多用于結直腸癌、胃腸道癌、婦科腫瘤、膀胱癌等常見惡性腫瘤的化療。神經毒性是這些藥物常見的毒副作用,以劑量限制性末梢神經病變為主。其中奧沙利鉑和順鉑最為常見[29-30],高達84.5%的使用奧沙利鉑的患者出現口周麻木、感覺異常等周圍神經病變,55%順鉑治療患者會有神經毒性表現,在停藥3～6個月后,患者癥狀仍不消退,嚴重影響疾病治療及患者生活質量[21]。

3.2.2 線粒體損傷與鉑類化合物 既往研究多認為鉑類化合物在背根神經節的沉積可能是其誘發周圍神經病變的重要發病機制[31],而最近有大量實驗表明,線粒體損傷在其中也發揮重要作用。Podratz等[32]在大鼠實驗中發現,經過順鉑處理的背根神經節在體外和體內表現出線粒體空泡化和降解;在5-溴-2′-脫氧尿苷(BrdU)摻入后,檢測到線粒體DNA復制、線粒體基因轉錄被抑制,表明線粒體DNA損傷可能是順鉑引起周圍神經病變的獨特機制,其團隊在隨后的果蠅實驗中,發現用順鉑處理的幼蟲有翻正和熱敏感行為缺乏,在免疫染色中未檢測到活性的caspase3,同時有軸突線粒體膜電位下降、活性氧增加,這些均表明順鉑可誘導果蠅幼蟲行為缺陷、線粒體活性降低、活性氧生成增加和線粒體暫停,影響軸突運輸[33]。

除了對線粒體DNA和線粒體軸突運輸的損傷,鉑類藥物還可能破壞鈣穩態、抑制線粒體呼吸鏈,進而引起周圍神經病變。多項實驗將背根神經節暴露于順鉑或奧沙利鉑后,發現線粒體呼吸鏈復合物I～III被抑制,基礎呼吸、備用呼吸能力和ATP降低,活性氧產生量增加,胞漿鈣濃度增加、線粒體鈣濃度持續降低,最終損害線粒體功能[34-35]。此外,Imai等[36]也提出,雪旺細胞的有絲分裂毒性可能與順鉑神經毒性的發病機制相關。

綜上所述,鉑類化合物作為大多數實體腫瘤化療方案中必不可少的藥物,其引起的周圍神經病變在非血液性毒副作用中不可忽視,它造成的線粒體DNA損傷、氧化應激反應增強、線粒體鈣濃度降低以及有絲分裂毒性等在其中發揮著重要作用。

3.3 硼替佐米

3.3.1 硼替佐米導致的周圍神經病變 硼替佐米是蛋白酶體抑制劑,多用于惡性血液系統疾病的治療,是多發性骨髓瘤治療的一線用藥,有高達80.5%的患者會產生神經毒性,病變多表現為肢體末梢的麻木和刺痛,但多數可逆,大多數患者可在治療結束后2～6個月有所緩解[21]。

3.3.2 線粒體損傷與硼替佐米 硼替佐米導致的周圍神經病變的機制尚不明確,線粒體損傷可能是重要原因之一。Jannuzzi等[37]通過實驗發現,經硼替佐米處理的人類神經細胞會出現線粒體膜電位降低、氧化磷酸化復合物含量減少,進一步導致蛋白毒性應激,還有可能誘導有絲分裂毒性。硼替佐米促進了無髓纖維中δ2微管蛋白(D2)的積累,這是其誘導的周圍神經病變的標志,Pero等[38]研究發現,D2的過度表達可以單獨抑制動態暫停和快速運行線粒體在兩個方向上的運動,引起軸突病變。近年也有研究者認為,硼替佐米引發的周圍神經病變與mTORC1通路激活密不可分,該實驗發現在暴露于硼替佐米的背根神經節神經元中NADPH氧化酶2(NOX2)明顯上調,使用CM-H2DCFDA氧化敏感探針進行檢測、成像和定量后,發現NOX2可進一步誘導ROS的過度產生,從而導致mTORC1通路激活,最終引起背根神經節神經元凋亡[39]。總之,應用硼替佐米后,部分患者會出現周圍神經病變,這可能與硼替佐米降低線粒體膜電位、抑制線粒體運動、誘導活性氧產生相關。

4 線粒體功能改善藥物對CIPN的防治

研究表明,PPARγ激動劑因具有減輕氧化應激和抑制ROS相關下游通路的作用而在治療CIPN方面顯示出良好的治療特性[40],但因其開發困難,且其神經保護作用尚未在臨床中證明,相關臨床研究有待進一步開展;米屈肼聯合N-乙酰半胱氨酸可通過增強組織氧合作用,對CIPN大鼠有顯著的抗痛覺過敏作用[41],但該實驗同樣缺乏足夠多的臨床證據;而氨磷汀的活性代謝物可能會阻止ROS的產生,從而保護未分裂的神經元[42],盡管氨磷汀作為細胞保護劑廣泛用于臨床,但對CIPN的預防作用可能并不顯著,亟待進一步的研究證實;度洛西汀作為一種針對p53相關細胞凋亡通路的治療藥物,可通過抑制氧化應激、激活p53、Bcl2家族和PARP1來減輕神經損傷,是目前唯一具有臨床證據支持的CIPN治療藥物[43]。

5 結語

隨著腫瘤患者生存率的提高,CIPN逐漸成為臨床上被廣泛關注的問題,但目前其機制尚不明確,也缺乏有效的治療和預防方法。針對發病機制,了解化療藥物導致周圍神經病變的因果關系,對臨床發現新手段,有效預防和治療CIPN至關重要。目前,越來越多的證據表明,線粒體損傷在CIPN中起重要作用,也有越來越多的研究者致力于研究線粒體功能改善藥物。隨著研究的不斷深入,線粒體損傷在CIPN中的地位可能會逐漸顯現,為CIPN的研究和防治開拓新思路。