基于细胞氧化还原平衡的抗肿瘤新靶点及其药物的研究进展论文

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摘要：氧化还原反应的变化和活性氧的产生是正常细胞代谢的一部分。在正常生理条件下，低水平的活性氧维持着细胞生存所依赖的关键信 号通路，而在肿瘤的发生过程中，细胞内活性氧水平显著升高。肿瘤细胞内高水平的活性氧状态也影响其死亡执行信号，改变细胞内氧化还原 平衡就能够迫使肿瘤细胞凋亡。因此，干预肿瘤细胞内氧化还原系统成为新的抗肿瘤治疗策略。本文主要列举了调控氧化还原平衡的主要靶点 及其相关药物的研发情况。

0引言

        细胞内的氧化还原反应是通过原子丢失或获得电子来完成 的，是维持细胞正常代谢的必要过程。与细胞氧化还原反应最 相关的分子是活性氧(reactive oxygen species, ROS)。活性氧 是一种高度反应性的分子，主要来源于线粒体、过氧化物酶体和 内质网的各种代谢反应中的氧。活性氧包括自由基，如超氧阴 离子(。2・-)、羟基自由基(・OH),以及过氧化氢(H₂O₂)等非自 由基物种，其中H₂O₂是一种更稳定的存在形式。在低、中度水 平下，ROS可以起到第二信使的作用，激活相应的信号通路并 维持细胞的增殖。并且ROS还参与了与转录因子激活，调节相 关的抗氧化基因的表达，如激活蛋白1(activator protein 1, AP- 1)、核因子(nuclear factor, NF- k B、、低氧转录因子 1a (hypoxia inducible transcription factor 1a , HIF-1a )和 p53⑴。而当细胞 内ROS水平超出临界水平时，细胞的氧化还原平衡被打破，过量 的ROS会造成细胞的氧化损伤⑵。

        因此，维持细胞内氧化还原的平衡是细胞存活的关键。当 细胞内ROS水平开始升高，细胞会启动抗氧化系统清除过量的 ROS，活性氧选择性地与抗氧化蛋白的半胱氨酸残基结合，使细 胞内氧化还原快速恢复稳态。细胞氧化应激是由于活性氧产生 增强或抗氧化系统受抑制而导致的一种氧化还原失衡状态。当 细胞内氧化应激水平过高时，会引起细胞坏死或凋亡⑶。研究表 明，肿瘤细胞内由于抗氧化酶的过度表达，维持着较高的氧化应 激水平。如果通过药物升高细胞内ROS水平或抑制细胞抗氧化 能力来进一步加重氧化应激，是一种潜力巨大的抗癌策略。目前， 针对这一作用机制研发的化疗药物已经在临床上广泛使用⑷。

       以下介绍几种参与维持细胞氧化还原稳态的抗氧化系统，代 谢分子以及转录因子，它们或可成为抑制肿瘤细胞生长的重要 靶点。

1 Trx系统

       胞质硫氧还蛋白(thioredoxin, Trx)系统是细胞内主要的抗 氧化系统之一，由硫氧还蛋白1 (thioredoxin 1, Trx 1)、硫氧还蛋 白还原酶1 (thioredoxin 1, TrxR 1)和NADPH组成，通过可逆的 半胱氨酸修饰维持细胞内氧化还原平衡。Trx 1和TrxR 1的表 达及其活性在许多肿瘤类型中上调，导致细胞增殖、存活、耐药 和细胞凋亡抑制⑸。

2 GRX系统

       谷胱甘肽(glutathione/glutaredoxin, GRX)是主要的细胞硫 醇蛋白，由谷氨酰胺、半胱氨酸和甘氨酸三种氨基酸组成，通过 二硫交换反应调节某些酶的活性，当GRX过表达时保护细胞免 受H₂O₂诱导的凋亡⑹。当谷胱甘肽丢失，或谷胱甘肽/谷胱甘 肽二硫醚比值(GSH/GSSG )降低时，会增加氧化应激水平和肿 瘤易感性，而GSH水平的升高会增加癌细胞的抗氧化能力，使它 们对化疗更有耐受性。因此，去除肿瘤细胞的这一分子屏障是 恢复死亡信号，促使凋亡的一种方法。

3其他抗氧化酶类

3.1 超氧化物歧化酶(Superoxide dismutases, SOD)

         超氧化物歧化酶是一种特征抗氧化酶，能够将两个超氧化物 阴离子歧化成H₂O₂和分子氧。SOD有三种表型:主要存在于胞 质的CuZnSOD,存在于线粒体的MnSOD以及胞外SOD。细胞 内MnSOD的缺失会引起细胞氧化应激以及细胞坏死或凋亡⑵。


3.2 过氧化还原酶(Peroxiredoxins, PRDXs)

         过氧化还原酶是以过氧化氢为电子受体催化底物氧化的酶， 能够将烷基过氧化物和H₂O₂还原成相应的醇或H₂O_o PRDX 被认为是已知的最重要的抗氧化酶之一，对于平衡细胞H₂O₂的 产生是必不可少的，在细胞信号传导和代谢中发挥重要作用。 在氧化应激条件下，PRDX被Nrf2激活并上调，而PRDX的过度 表达可以促进肿瘤的生长向。

3.3 NO代谢

       NO代谢将蛋白质巯基修饰为s-硝基硫醇，然后进一步修饰 为二硫化物、亚磺酸或s-谷胱甘肽修饰的蛋白质，这一过程被称 为氧化还原开关。这些翻译后的修改是可逆的，并且能够调节 细胞内ROS的水平。

3.4氧化还原转录因子

       转录因子参与大多数改变细胞表型的信号通路的调节，这 些转录因子最终通过调控转录程序来调控细胞的生理过程。许 多转录因子是由氧化还原调节的，包括HIF、AP-1、p-catenin、 NF- k B、Notch和c-myc。其中大多数转录因子是细胞发育或 分化的重要调节因子，同时也参与细胞的氧化还原信号通路的 调节，可作为肿瘤治疗的靶点。
根据以上靶点设计相关药物，能通过诱导氧化应激提高细胞 内活性氧的含量，改变癌细胞的氧化还原平衡，介导肿瘤细胞凋 亡。下面分别列举针对于上述靶点的化疗药物：

4 Trx-TrxR抑制剂

4.1 金诺芬(auranofin)

         金诺芬是1985年批准的治疗类风湿性关节炎的药物，被认 为是硫氧还蛋白还原酶的抑制剂，其机制是与TrxR的活性位点 硒半胱氨酸结合发挥强的酶抑制作用⑼。金诺芬的另一种机制 是通过氧化损伤和抑制泛素-蛋白酶体系统，靶向于参与细胞 周期调控、蛋白质降解、基因表达和DNA修复的去泛素酶。这 两种作用机制都会导致细胞凋亡。金诺芬长期使用会产生副作 用，因此金诺芬用于治疗类风湿性关节炎的使用正在减少，最近 的临床试验已经开始探索它作为一种抗癌剂的用途。

4.2 Motexafin gadolinium(MGD)

      MGD是TrxR和核糖核酸还原酶的抑制剂，临床作为放射增敏 剂，最初用于脑肿瘤转移。MGD通过网格蛋白依赖性通路上调细 胞内活性氧水平，同时伴随着辐射的协同作用而导致细胞凋亡^［10］_o

4.3 PX-12

        硫氧还蛋白抑制剂PX-12在体内外均具有良好的抗肿瘤活 性。PX-12对硫氧还蛋白残基Cys73进行不可逆硫代烷基化，从 而抑制Trx氧化还原活性，抑制缺氧诱导的HIF-1a蛋白和血管 内皮生长因子VEGF的分泌，起到抗肿瘤作用。PX-12在晚期难 治性实体肿瘤的I b期试验中显示了良好的药动学和药效学^［11］。

4.4 三氧化二神(Arsenic trioxide, ATO)

        ATO 一直用于治疗癌症和其他疾病。AT。可通过诱导过氧 化氢生成、消耗GSH和下调Trx 1表达改变细胞的氧化还原稳 态。另外，ATO可与其他临床使用的化疗药物联用，提高其治疗 人实体肿瘤的疗效^［12］。

4.5 Dimesna(BNP7787)

       Dimesna是一种新的二硫代化合物，其靶标为Trx和Grx_o Dimesna已被用于治疗各种实体肿瘤，包括卵巢癌和非小细胞肺 癌^［1%

4.5.1 GSH抑制剂

(1) 丁硫氨酸亚砜(L-S, R buthionine sulfoximine, BSO)

         GSH升高与癌细胞对各种细胞毒性药物的耐药性有关。谷 胱甘肽抑制剂BSO通过抑制谷胱甘肽生物合成过程中的关键酶 谷氨酰半胱氨酸连接酶发挥作用。BSO在体外和体内均被证实 能增强化疗药物对癌细胞的细胞毒性^［1气

(2) Telcyta(TLK-286 )

         Telcyta是一种GSH类似物，抑制谷胱甘肽s-转移酶pi亚 型(GST-p1-1 )，曾与铂、紫杉烷和蔥环类药物联合应用于GST-1 高表达的肿瘤表型的治疗^［1叫TLK-286是一种前体药物，它由 GST-p1-1激活产生抗癌烷基化剂，并释放谷胱甘肽衍生物。

(3) 双硫仑(Disulfiram)

        双硫仑是一种抑制乙醛脱氢酶的药物，可以改变细胞内 GSH和氧化型谷胱甘肽GSSG的比率，使其转移到氧化状态，并 诱导细胞凋亡。

(4) NOV-002

         NOV-002通过作为丫-谷氨酰转肽酶(gamma-glutamyl- transpeptidase, GGT)的竞争性底物，改变了 GSH/GSSG的比值。 GGT催化还原型谷胱甘肽的Y-谷氨酰基转移到受体蛋白，得到 谷胱甘肽化蛋白。NOV-002通过上调SOD-3和谷胱甘肽过氧 化物酶-2的表达来抑制肿瘤细胞的增殖、存活和侵袭^［1叫

(5) N-乙酰半胱氨酸(N-Acetylcysteine, NAC)

        NAC是谷胱甘肽前体L-半胱氨酸的前体药物，已被证明可 以调节机体的抗氧化和NO系统,抑制肿瘤细胞活性氧水平。

(6) 甲萘醌(Menadione/Vitamin K3)

        甲萘醌是一种合成的维生素K1和K2的衍生物。甲萘醌产 生的氧化应激是剂量依赖性的并且是由抑制GSH引起的，最终 诱导细胞凋亡。

4.5.2转录因子HIF抑制剂

(1) PX-478

       PX-478是一种小分子，可抑制HIF-1a和HIF 1转录因子 活性并抑制缺氧诱导的肿瘤细胞增殖^［1气

(2) 拓扑替康(Topotecan, TPT)

       TPT是一种FDA批准的喜树碱类似物，抑制DNA拓扑异构 酶I,同时也能够阻断HIF-1a的翻译，目前用于小细胞肺癌或卵 巢癌患者的二线治疗四。

5诱导ROS生成药物

(1)阿霉素(Doxorubicin)

        阿霉素是一种蔥环类抗生素，阿霉素的抗癌活性主要是通 过抑制DNA拓扑异构酶II诱导双链DNA断裂，造成肿瘤细胞 DNA损伤。同时，阿霉素定位于线粒体内，参与活性氧等自由基 氧化产物的生化反应，可引起线粒体肿胀、超微结构改变和线粒 体功能紊乱^[1叫阿霉素诱导的氧化应激可引起线粒体膜去极化， 诱导细胞凋亡。

(2) 非那替尼(Fenretinide)

        非那替尼是一种半合成维甲酸类药物，最初作为一种小剂量 化学还原剂研制。非那替尼能够诱导肿瘤细胞凋亡^[20]，这一过 程与ROS的产生有关。一方面，非那替尼能结合并激活维甲酸 受体,从而诱导细胞分化和凋亡；另一方面，非那替尼通过抑制 线粒体呼吸链辅酶Q导致ROS的增加，诱导细胞凋亡。

(3) 博莱霉素(Bleomycin)

        博莱霉素也是一种广泛应用于治疗淋巴瘤、鳞状细胞癌和睾 丸肿瘤治疗的抗癌药物，在体内和体外均可引起DNA单链和双 链断裂，导致细胞损伤^[21]。博莱霉素的抗肿瘤作用机制也涉及 博莱霉素-铁复合物的形成，它能将分子氧还原成超氧化物和 羟基自由基，从而攻击DNA并引发其断裂。

(4) 顺铂(Cisplatin)

        顺铂是另一种广泛应用的抗癌药物，一般认为是DNA损伤 剂。它主要与DNA瞟吟碱基的亲核N7-位点相互作用，导致 DNA-蛋白质和链间及链内交联的形成。最新研究表明，顺铂也 可诱导ROS的产生，并与线粒体DNA发生相互作用，造成其损 伤[糾

          目前还有一些针对氧化还原反应的药物已经进入临床试验 阶段，但大多药物都是与化疗药物联用，不能作为单药使用。针 对氧化还原平衡的抗肿瘤药物虽然前景良好，但其研发成功率 却令人失望。主要原因可能与肿瘤细胞氧化还原机制的复杂性 和我们认识的不完全性有关。此外，肿瘤进展中至关重要的氧 化还原靶点也难以寻找。然而，研究人员一直在设计与精细氧 化还原反应基团不可逆结合的药物，可能在未来会取得突破性 进展。

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