從銅代謝探討炎-癌轉化的機制與中醫藥干預炎-癌轉化思路

龔卓之,王倩影,閆 賀,李 騰,劉 濤

(中國中醫科學院望京醫院,北京 100102)

銅是人和動物必需的微量元素,但攝入銅過多對器官和細胞會造成損傷,其機制與氧化還原反應及炎癥反應關系密切。銅死亡作為一種不同于已知細胞死亡機制的新型細胞死亡方式,于2022年3月提出,掀起醫學界中“銅”熱潮,但其機制尚未明確[1]。炎-癌轉化是炎癥相關性疾病從炎癥發展至癌癥的過程的總稱,銅作為人體必需的微量元素,在干預炎-癌轉化過程中顯示出巨大的潛力,中藥具有絡合微量元素的作用,干預炎-癌轉化的機制尚不明確。本研究從銅代謝探討炎-癌轉化的機制,為銅死亡的可能機制提供新思路,并基于銅代謝探討中藥干預炎-癌轉化的思路。

1 銅代謝與炎-癌轉化

1.1銅對人體的影響及銅代謝 銅廣泛存在于自然環境和工業過程中,是人體和動物體內必需的微量元素,是形成骨骼、血紅蛋白以及紅細胞的重要礦物元素,涉及各種生物過程,包括氧化應激和炎癥反應等,其在人體內主要以銅蛋白的形式存在[2]。人類主要通過飲用水、含銅器皿和食物接觸銅,不同的食物含有不同含量的銅,銅含量高的食物包括海鮮(0.3～16 mg/kg)、肉類及內臟(157 mg/kg)及馬鈴薯(0.48～16 mg/kg)[3-4]。銅含量過高產生的毒性作用主要通過氧化應激和炎癥存在于消化系統和神經系統中[5]。銅在人體內的吸收主要發生在十二指腸和小腸[6]。腸上皮細胞攝取銅主要由位于腸細胞頂端的銅轉運蛋白1(CTR1)介導,此過程中,腸上皮細胞表面的多種酶如十二指腸細胞色素B將Cu2+還原為Cu+。Cu+經腸上皮細胞吸收后由銅轉運ATP酶α釋放至門靜脈循環中。新吸收的Cu+再經CTR1介導進入肝細胞,其中絕大部分的Cu+通過銅伴侶蛋白抗氧化物-1-銅轉運ATP酶β-高爾基復合體途徑與銅藍蛋白前體結合形成銅藍蛋白,轉運至全身各系統。銅到達靶組織后,催化多種生理過程中的反應,包括線粒體能量產生、酪氨酸和神經遞質代謝、氧化還原穩態和細胞外基質重塑[7-8]。

1.2炎-癌轉化的近現代研究 炎-癌轉化是炎癥相關性疾病從炎癥發展至癌癥過程的總稱,炎癥水平與腫瘤的發生、預后密切相關,炎癥細胞釋放的化學物質對周圍的細胞具有誘變作用,加速其向高度惡性腫瘤狀態的轉化[9]。慢性炎癥微環境中存在大量活性氧(ROS)、細胞因子和趨化因子等炎癥介質,這些炎癥介質通過級聯反應誘導細胞異常增殖,招募炎性細胞,或導致氧化損傷,進而引起基因突變,同時伴隨胞內氧化損傷修復機制混亂的突變細胞在炎性環境中繼續失控增殖,最終導致腫瘤發生[10]。

1.2.1細胞因子 細胞因子是一類參與生物過程并具有促炎或抗炎作用的分泌蛋白。根據其功能可將細胞因子分為3類,一類是促炎細胞因子,如白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素(IL)-8、趨化因子、干擾素等家族。二類是抗炎性細胞因子,包括IL-4、IL-10、IL-11。三類是某些細胞因子,如轉化生長因子-β(TGF-β)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、IL-6等,在不同情況下均發揮促炎和抗炎作用。炎-癌轉化主要與發揮促炎作用的細胞因子關系密切,其能夠促進腫瘤的生長、進展和免疫抑制,腫瘤易感性也與嚴重程度與炎癥細胞因子基因的功能多態性密切相關。

IL-1β是目前已知的與炎癥反應密切相關的促炎因子,在胃炎-癌轉化的過程中扮演著重要角色,IL-1β參與了胃黏膜萎縮、腸上皮化生、異型增生等多種與胃炎-癌轉化相關的病理性改變[11]。IL-6在腫瘤細胞抗凋亡中至關重要,IL-6的缺失可抑制其下游調控因子信號轉導及轉錄激活蛋白3(STAT3)的表達,抑制腫瘤細胞增殖,降低腫瘤數量、大小并減少腫瘤多樣性。研究發現IL-6是結腸炎相關結腸癌的關鍵腫瘤啟動因子[12]。作為腫瘤組織的自分泌生長因子之一,IL-8可刺激腫瘤細胞增殖并促使細胞黏附分子的表達,以促進腫瘤的發生發展與轉移。有研究者發現在正常胃黏膜→癌前狀態→胃癌的發生過程中IL-8蛋白陽性表達率逐漸升高[13]。干擾素-γ( IFN-γ)是Th1淋巴細胞分泌的主要效應因子。動物試驗顯示,IFN-γ可介導慢性炎癥損傷,調控氧化應激反應,增加趨化因子對胃黏膜的浸潤程度,促進癌細胞基因異常擴增,增加上皮細胞惡變風險[14]。TGF-β是一種肽類物質,可以控制增殖、分化和胚胎發育,其在腫瘤早期可以抑制腫瘤增長,進展期可以誘導體內反應,進而促進腫瘤細胞生長、侵犯和轉移。TGF-β1隨著慢性萎縮性胃炎嚴重程度的升高其表達水平也逐漸升高,Borrmann分型和浸潤深度不同TGF-β1的表達也不同[15]。TNF-α是起促癌作用的必要細胞因子之一,與TNF-α誘導活性相關的幽門螺旋桿菌基因產物在胃炎-癌轉化過程中可能起到了關鍵作用[16]。一項納入200例患者的臨床研究顯示,TNF-α mRNA及蛋白表達在腸型胃癌演變的各階段均有顯著增加[17]。炎癥中細胞因子的分泌增加,能夠活化NLRP3炎癥小體、核轉錄因子(NF)-κB等信號通路,激活細胞的增殖、促進新生血管生成、促進炎癥因子和趨化因子等促炎因子分泌,參與了腫瘤免疫逃逸、新生血管及腫瘤微環境的形成[18-19]。

1.2.2氧化應激 氧化應激是指細胞內自由基如ROS和活性氮等破壞蛋白質、脂質和DNA等生物大分子的氧化損傷和改變基因表達,從而造成細胞損傷和死亡。ROS是人類機體發揮固有免疫作用的活性成分,在感染相關性胃炎中,中性粒細胞、血管內皮細胞、胃黏膜細胞甚至幽門螺旋桿菌本身都是ROS的來源。持續的氧化應激與ROS生成及其清除系統失衡相互影響,導致慢性炎癥并介導癌癥的發生,并且炎癥誘發的ROS累積可增強腫瘤代謝適應、增殖和血管形成[20]。炎-癌轉化過程中,反應性氧類與自由基增高。反應性氧類和自由基能攻擊細胞內容物,一方面觸發使正常細胞惡性化,另一方面腫瘤細胞又可產生ROS,繼而引發新的脂質過氧化反應,從而進一步加速ROS的產生,不斷觸發和促發正常細胞惡性化,加速腫瘤細胞增生、浸潤和轉移[21]。ROS作為氧化應激的重要代謝產物,能激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路,促進腫瘤細胞增殖[22]。ROS與炎癥因子作為第二信使,激活NF-κB信號通路,ROS生成減少通過降低NF-κB的活化,抑制下游炎癥因子的轉錄,減輕肝臟損傷及炎癥[23]。

1.3銅代謝為炎-癌轉化的關鍵 銅主要通過誘發氧化應激和炎癥反應介導炎-癌轉化。與健康人的細胞相比,癌細胞通常對Cu2+的需求更高,腫瘤組織中血清Cu2+水平的升高與多種癌癥患者的腫瘤分期、疾病進展均密切相關[24-25]。

1.3.1細胞因子 細胞因子的變化與炎-癌轉化關系密切,銅可影響細胞因子在各個組織中的表達情況,硫酸銅濃度超過10 mg/kg時,可通過增加IL-1β、IL-6、TNF-α和IFN-γ的mRNA水平引起氧化應激、細胞凋亡、DNA損傷和炎癥反應[26]。銅可增加IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α等促炎因子的表達,從而誘發炎癥、癌癥[27]。有研究者用300 mg/kg硫酸銅處理雞12周后,發現腦和法氏囊中IL-1β和IL-8的表達上調[28-29]。Wang等[30]發現亞慢性暴露于300 mg/kg硫酸銅可增加NF-κB水平,并誘導雞腎臟IL-2、IL-12β和IFN-γ的表達水平。上述細胞因子與胃黏膜萎縮、腸上皮化生、異型增生等胃炎-癌轉化過程中的關鍵階段關系密切,并參與腫瘤免疫逃逸、新生血管及腫瘤微環境的形成。銅介導的炎-癌轉化過程中,細胞因子分泌增加而激活的NLRP3、MAPKs、NF-κB等通路起到關鍵作用。銅可上調NLRP3炎癥小體的水平,有研究者發現用銅螯合劑可抑制典型NLRP3炎癥小體,銅含量的減少將導致Caspase-1依賴性的炎癥水平降低[31]。有實驗者將硫酸銅添加到雞的飲食中,發現NF-κB通路被激活,進而誘導炎性反應[32]。細胞因子可誘導活化NF-κB,活化后的NF-κB復合物又可誘導細胞因子如IL-1、IL-6、IL-8、TNF-α,激發上皮-間質轉化的產生,促使細胞發生惡性轉化。降低銅濃度會影響NF-κB的轉錄活性,進而抑制血管內皮生長因子(VEGF)、IL-8和IL-6等促血管生成因子的表達,誘導內皮細胞遷移,干預腫瘤的發生發展[33]。體內實驗與體外實驗均發現濃度超過25 μg/kg的氧化銅納米微粒誘導的炎癥與MAPK信號通路的激活有關[34-35]。IL-8和IL-6與其受體結合后通過激活造血細胞產生的Src樣激酶,增加癌細胞對激素的敏感性,由此通過MAPK信號通路促進癌細胞的生長和遷移[36]。研究發現用10,20,40 mg/kg硫酸銅處理小鼠,可誘導肝臟IL-1β、IL-8上調,進而誘發肝臟炎癥,并且MAPKs、NF-κB兩條通路的相關靶點有所改變[37]。銅具有促進血管生成的作用,而血管生成是腫瘤進展的重要因素,是內皮細胞遷移、增殖,以及新生血管形成的過程。

1.3.2氧化應激 研究表明[38-39],不管是游離形式的銅還是銅藍蛋白,均可以促進氧化還原反應,導致自由基的產生,從而引發氧化應激:①血清中高比例的游離Cu2+在fenton和Haber-Weiss反應中,通過產生ROS,從而具備氧化還原潛力,并具有一定的細胞毒性,在對大鼠的實驗研究中,Civelek等[38]揭示了游離Cu2+可能有利于糖基化和脂質過氧化。②銅藍蛋白水平的增加同樣可能導致氧化應激和ROS積累增加。ROS的產生與惡性細胞轉化存在內在聯系,CTR1依賴性Cu2+導入可激活MAPK信號級聯從而促使腫瘤細胞增殖[39]。ROS積累增加會改變免疫活性細胞的表面結構,加速代謝,損害細胞膜、蛋白質和DNA等,并可能加重局部組織損傷并引起慢性炎癥[40]。有學者將人支氣管上皮樣細胞在銅存在的環境下孵育24 h后,細胞內銅濃度增加,ROS產量增加,IL-6、IL-8、IL-10水平上升,得出銅參與人支氣管上皮樣細胞中氧化應激介導的炎癥的結論[41]。

2 中醫減弱銅毒干預炎-癌轉化

2.1中醫學對炎-癌轉化的認識 炎癥相關論述最早出現于《黃帝內經》中“炎爍”一詞。《素問·五行大論篇》曰:“南方生熱,熱生火……其變炎爍。”《外科證治全生集·癰疽總論》中記載:“中國之瘡毒,西國則稱之為發炎。有內炎外炎之名。”《成方便讀》又言:“毒者,即火邪之盛也。”由此窺見,炎-癌轉化與中醫理論中“熱”“火”“毒”關系密切。王延麗等[42]提出解毒排毒是治療胃癌前病變的思路,她認為此“毒”是指蟲毒、濕熱、痰濁、瘀血等久蘊成毒,毒邪為病,傷及津氣,終使胃熱陰傷,胃絡瘀滯。花寶金教授提出“熱極成毒”可能是肺炎-癌轉化進程的核心病機[43]。反復外感六淫、飲食不節、情志失調都會使熱邪產生,日久熱邪彌漫浸潤,發生質變,產生“毒邪”。“熱”“火”“毒”作為致病因素擾亂氣機,氣機阻滯,運化失常,水谷運化失常而致濕濁阻滯,甚或郁久化熱,濕熱相合,壅塞脾胃而為病。外感之毒因其濕熱、黏附、燔灼之性,經口直趨中道,郁阻氣機,導致胃失和降,脾失運化,肝失疏泄。《血論證·吐血》云:“氣為血之帥,血隨之而運行。”氣機阻滯,升降失司,血行壅滯,則蓄成瘀血,甚或日久積聚而成癌。氣血凝滯,毒之所由發也,無論外感邪毒,還是內蘊伏毒,皆與氣機失調密切相關。李軍祥教授認為潰瘍性結腸炎向炎-癌轉化的病機演變過程中濕熱伏藏腸道,每遇誘因反復發作,損傷腸道陰絡,氣血瘀滯,致使正虛而邪盛,濕熱邪氣瘀滯于膜原,日久蘊結成毒,而發為腫塊[44]。綜上,“熱”“火”“毒”是炎-癌轉化的核心病機,并與痰濕、氣滯密切相關。

2.2中醫學對銅毒的認識 《說文解字》曰:“毒,厚也。害人之草,往往而生。”銅代謝異常在中醫學中稱作“銅毒”,銅毒作為毒邪的一種,記載于《本草綱目》“諸毒”一節中。銅主要來自于外界,屬于外感之毒,《醫醫瑣言》言“六淫之邪無毒不犯人”,外銅自精竅,腠理而入,膠著不去,伏于經絡,蓄積體內,內生毒邪。毒邪作為致病因素,也是促進疾病逐漸惡化的因素,其具有正損性,易傷人體臟腑氣血陰陽,耗損正氣。毒邪之所成,主要是由外而受,但也可內生而發,溫病學中有六淫過甚可轉化成毒及外邪內侵蘊久成毒的思想,銅毒入里,正邪交爭,正勝邪退,銅毒蘊留,毒邪漸盛,正不勝邪,故而損傷人體。因此,“銅毒為患”具備外受內生的雙重含義。

2.3中醫學中“銅毒”與炎-癌轉化的關系 銅毒為炎-癌轉化之關鍵因素。《素問·至真要大論》曰:“病生于內者,必因于外,病生于外者,必因于里。”炎-癌轉化的內在機制是由于機體內與外致病因素共同作用所致。稟賦不足,銅濁邪毒聚于體內是炎-癌轉化階段的主要病機,對應長期慢性炎癥性病理狀態。銅毒其性屬陽,氣為陽之漸,陽為氣之甚,“氣有余便是火”,由此可見銅毒聚邪氣而化火,以熱灼血,灼傷血絡,加速炎-癌轉化的進程;銅毒直中氣絡,毒邪郁閉,郁而化熱,煉津成痰,痰熱膠結,氣機郁滯,此黏膩難消之象為炎-癌轉化之關鍵;銅毒入內,玄府閉塞,感毒化熱,內傷酒食,熱毒更盛,“火為熱之極,熱為火之漸”,《重訂通俗傷寒論》言“火盛者必有毒”,在炎-癌轉化過程中,毒熱貫穿其始終;銅毒初入,邪熱內閉,熱毒相搏,火毒熾盛,內外皆熱,在炎-癌轉化過程中,熱毒壅盛,癌毒化生是其主要病機,可引發病理產物的積聚,作為內在驅動因素存在于炎-癌轉化之間。故稟賦不足,銅濁邪毒,熱毒相搏,火熱燔灼,煉津成痰,痰熱膠結,氣機阻滯,痰瘀互結是銅毒誘導炎-癌轉化的主要病機,治宜清熱解毒、消痰散結、瀉火行氣、祛瘀活血。

2.4中藥減弱“銅毒”干預炎-癌轉化 中藥中的微量元素是中藥質量不可或缺的特征參數,微量元素對許多生物分子的活性起著關鍵的調控作用,同時也能對中藥有效成分在人體新陳代謝中的吸收、排泄產生影響,并通過絡合、螯合間接起到解毒作用,從而達到治病的目的[45-46]。劉建利團隊建立了一種中藥排銅的篩選方法,繼而探究中藥對銅的絡合能力,他們發現肝豆湯對Cu2+的絡合能力較強,研究者通過對方劑進行拆解并進行正測與反測后發現大黃、黃芩、黃連在肝豆湯起重要作用,大黃與黃芩對Cu2+的絡合具有協同作用,黃芩對Cu2+的絡合能力強于黃連,在肝豆湯中加入玫瑰花后,增強了對Cu2+的絡合能力[47]。陳革豫等[48-49]以PAN為絡合劑,無水乙醇為助溶劑,二氯甲烷為萃取劑,外加一定量的Cu2+用析相微萃取-分光光度法測定加入前后游離態Cu2+的變化,結果示茵陳、黃芩、升麻和魚腥草、土茯苓、玫瑰花、青皮、澤瀉、金錢草對Cu2+的絡合能力較強,并得出清熱藥、理氣藥、利水滲濕藥具有很強的對Cu2+的絡合能力。銅代謝為炎-癌轉化的關鍵是因為銅介導的炎-癌轉化過程中,NLRP3、MAPKs、NF-κB起到關鍵作用,研究表明,清熱藥、理氣藥等中藥對上述通路均有極強的相關性:黃連、梔子、蘆根、半夏等藥具有減輕胃黏膜炎癥反應,可調節胃黏膜細胞增殖與凋亡的失衡,達到阻斷胃癌前病變的目的[50-51]。黃連素對腫瘤組織新生血管生成的相關促進因子VEGF具有抑制作用,可能通過抑制NF-κB活性,抑制IκB降解和抑制NF-κB(P65)入核實現[52-53]。白花蛇舌草可通過NF-κB、MAPK、VEGF等多種途徑發揮抗炎作用[54]。以白花蛇舌草、三七、莪術等藥組成的健脾化瘀解毒方可有效抑制NF-κB發生核異位,進而抑制TNF-α和IL-6的轉錄,與此同時,該方可激活ROS的清除過程進而干預炎-癌轉化[55]。清熱藥、理氣藥、利水滲濕藥能起到清熱解毒、瀉火行氣、消痰散結、滲利水濕之效,與中醫治法貼合。筆者認為中藥干預炎-癌轉化的機制之一是其有效成分能與銅離子生成穩定的絡合物,進而從體內排出。

3 小 結

炎-癌轉化是量變到質變的過程,炎癥微環境為腫瘤微環境的形成提供了物質基礎,體內微環境失衡,誘導正常細胞發生基因突變并惡化,導致腫瘤的形成,而癌變后的腫瘤組織釋放炎癥相關細胞因子,進一步導致炎癥反應的持續進行,此惡性循環對于患者病情的緩解非常不利。銅主要通過誘發氧化應激和炎癥反應介導炎-癌轉化。銅水平的升高可導致部分炎癥相關細胞因子如IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α、TGF-β和IFN-γ表達,并激活NF-κB、NLRP3、MAPKs等通路誘導血管生成,促進腫瘤細胞生長、侵犯和轉移,與腫瘤患者的腫瘤分期、疾病進展關系密切。炎-癌轉化階段以“熱、火、毒、氣滯”等病理因素為主,治療宜清熱解毒、瀉火行氣、消痰散結、滲利水濕。從分子層面看,清熱藥、理氣藥、利水滲濕藥等中藥能與銅離子生成穩定絡合物,通過影響ROS、細胞因子和趨化因子等炎癥介質的水平來介導NF-κB、NLRP3、MAPKs等通路進而干預炎-癌轉化。

本研究從銅代謝出發,探究銅與炎-癌轉化的關系,為銅死亡干預炎-癌轉化的機制奠定基礎并提供方向,并期冀能探索出中醫藥治療腫瘤的新靶點,為中醫藥防治腫瘤提供了新的理論依據與治療思路。

利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。