头颈癌与解偶联蛋白研究进展

彭瑶 刘冬阳 刘颖 张春晶 于海涛

【关键词】 头颈癌 线粒体 活性氧 解偶联蛋白

[Abstract] Head and neck cancer is a cancer with high morbidity and mortality. At the present stage， the treatment methods are mainly surgery， chemotherapy and radiotherapy， but the treatment effect for patients is not ideal， and the mortality rate of complications is high. There is no time to delay in finding an effective treatment. Uncoupled protein （UCP） is an antioxidant system that exists in the body. More and more studies have shown that the antioxidant system is associated with many diseases. This review focused on the relationship between UCP and head and neck cancer.

[Key words] Head and neck cancer Mitochondria Reactive oxygen species Uncoupling protein

First-author’s address： Jiamusi University， Jiamusi 154000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.18.043

随着人们生活方式的改变及工作压力的增加，各种疾病的患病的风险日益增高，癌症的患病率逐年攀升，头颈癌（head and neck cancer， HNC）作为常见恶性肿瘤之一，头颈部肿瘤涉及多个器官，包括颈部肿瘤、口腔额面部肿瘤以及耳鼻喉部位的肿瘤，其中被人们所熟知的有甲状腺癌、喉癌以及口腔癌。研究表明，吸烟及饮酒等环境因素会增加HNC的患病风险，发达国家的患病率高于其他国家。近年来，女性患头颈部肿瘤的概率有所上升，同时由于其涉及器官多，以及患病初期不易发现的特点，在诊断以及治疗的过程中，临床上存在很多受限因素。寻找出其他的可以帮助HNC患者的办法值得人们深入研究，本综述旨在讨论HNC与解偶联蛋白（UCP）的关系，以期找到可以帮助患者提高治疗效果和减轻患者痛苦的新途径。

1 HNC概述

HNC是全球范围内较常见和高发的恶性肿瘤之一。其中90%以鳞状细胞癌为主，全球每年有超过50万例新发病例，居全球第8位[1]。中华医学会于2018年2月在其网站发布了《中国肿瘤防治进展》报告[2]，公布了我国前10名高发癌和我国2015年前10位高死亡率的癌症，脑癌及中枢神经系统肿瘤（cancers of brain and central nervous system， CNS）在我国的发病率及死亡率相对较高，进入了前10位。脑癌及中枢神经系统癌症的发病率在全球癌症中排名第13位，死亡率排名第15位。目前，HNC的治疗仍以手术、放疗、化疗为主，但术后患者会出现难以吞咽等痛苦，影响患者的生活质量。以顺铂为核心的化疗和辅助放疗仍是晚期患者的一线治疗方案。然而，患者的治疗效果往往受限于解剖学位置无法完全切除和癌细胞对化疗药物的耐受，患者预后较差。近年来对于HNC的诊疗技术虽有所提高，但是患者的长期生存率仍偏低，2014年报道显示5年内仍有超过50%的患者死于该疾病或相关并发症。

2 线粒体与活性氧

活性氧（reactive oxygen species， ROS）被认为是细胞代谢和氧消耗的产物，是一类高反应性的活性因子或自由基，可影响机体的信号传导，机体代谢，炎症、细胞凋亡和细胞焦亡。从研究报道上看，肿瘤与高水平的ROS有关，高水平的ROS对DNA、脂质、蛋白质造成破坏，促进遗传的不稳定性和诱导肿瘤发生[3-4]。 ROS的过量产生可能是癌症基因激活，细胞代谢增加和肿瘤抑制活性降低的结果。另外，肿瘤与线粒体代谢活性的改变有关，这种改变称为Warburg效应，即在有氧条件下，癌细胞也通过糖酵解产生大部分ATP，并且糖酵解ATP的产生与肿瘤细胞的侵袭性之间存在相关性，大多数肿瘤细胞表现出有氧糖酵解的增加（Warburg 效应）和高氧化應激状态[5]，靶向这些特征性改变可望成为一种特异性针对肿瘤细胞的治疗方法。受肿瘤相关基因信号通路和代谢改变的影响，肿瘤细胞的氧化还原状态经常处于失衡状态，表现为ROS水平异常增高及氧化胁迫（oxidative stress）。异常升高的ROS在肿瘤细胞中的作用至今仍然备受争议，ROS一方面可促进细胞生长和肿瘤耐药，另一方面也能引起细胞的损伤甚至死亡;然而，必须严格调节肿瘤细胞中ROS的调节，以防止肿瘤细胞死亡。肿瘤细胞为适应高氧化应激而上调自身抗氧化能力，最终适应并维持存活。氧化应激的调节在肿瘤发生发展和对治疗的应答上都起着重要的作用。利用基因技术和药物手段扰乱细胞的氧化还原平衡可导致肿瘤的发生和发展。Piskounova等[6]研究提示，增高的ROS对于促进和维持肿瘤细胞高转移表型可能具有关键作用。然而高氧化应激状态的肿瘤细胞更容易受外源性ROS诱导剂的损伤。放射治疗和传统的细胞毒性抗癌药物大都可以直接或间接地增加肿瘤细胞中ROS水平，因此联合放疗或传统化疗与抑制抗氧化系统的药物有望取得治疗肿瘤的良好效果，但靶向氧化还原调节控制ROS水平是否可以作为一种有效的方式选择性的杀死肿瘤细胞还需要开展深入研究。

许多类型的肿瘤细胞都具有较正常细胞高的ROS水平[7]。细胞内的ROS主要来源于线粒体，其次是内质网和过氧化物酶体。线粒体被认为与生物能量状态密切相关，且在控制细胞凋亡中起重要作用;线粒体不仅可以释放活性氧，还具有强大的抗氧化作用。线粒体通过在生理和病理条件下产生和消耗ROS而成为细胞信号调节中不可或缺的参与者。线粒体ROS（mROS）是正常和功能活跃的线粒体的代谢产物，是氧化磷酸化和氧分子还原过程中电子泄漏的结果，由于其在肿瘤发生中的关键作用一直没有得到阐明，因此引起了癌症研究界的关注。mROS包括超氧阴离子，羟基自由基，过氧化氢和单重态氧[8-11]。由于ROS的产生和清除都是维持细胞健康所必需的，因此线粒体中不同的抗氧化剂系统（例如SOD2、UCP2、Grx2、GPrx、Trx2和TrxR）在保持氧化还原平衡中起着协调作用[12-13]。线粒体抗氧化剂系统的破坏会导致氧化应激稳态失衡，从而导致对参与包括癌症在内的众多疾病过程的生物分子的改变[14]。目前，通过调节mROS观察线粒体功能对癌症病理生理的有益和有害作用是一个活跃的研究领域。一些新发现增加了科学界对阐明线粒体在癌症病理生理中的作用的兴趣，因为mROS的产生，氧化还原调节和凋亡信号均与癌症病因有关[15]。

3 UCP

线粒体是人体细胞最重要的细胞器之一，是细胞进行有氧呼吸和产生能量的主要场所。同时，线粒体也直接参与肿瘤的发生。线粒体氧化磷酸化是腺苷三磷酸（ATP）合成的主要方式，线粒体通过氧化磷酸化为细胞各项生命活动提供能量。在这种细胞呼吸过程中，底物氧化会在整个线粒体内膜上产生质子梯度，从而建立电化学梯度（Δψm），Δψm中包含的能量主要用于ATP合成。但是，并非Δψm中所有可用的能量都与ATP合成偶联。一些能量被质子渗漏反应消耗。结果来自代谢氧化反应的能量作为热量被消散。这种现象称为“线粒体解偶联”。在癌症发展过程中，癌细胞会自我进化以适应其环境和生长需求。例如，在癌细胞中，已经提出高水平的线粒体解偶联为这些细胞提供了生存优势。这种生存优势是通过两种机制实现的：减弱超氧化物的产生和癌细胞代谢的重新编程。

线粒体解偶联主要是由生理条件下的UCP引起的。UCP是解偶联蛋白的首字母缩写，这个首字母缩写是针对哺乳动物棕色脂肪组织中发现的线粒体解偶联蛋白（现在的UCP1）而引入的。UCP存在于多种生物中，属于线粒体阴离子载体蛋白超家族，其定位于线粒体内膜，UCP有五种同工型：UCP1独特地存在于棕色脂肪细胞的线粒体中，UCP2无处不在，UCP3主要在骨骼肌中表达，UCP4和UCP5是大脑特异性的。

UCP是位于线粒体内膜中的膜阴离子转运蛋白家族。UCP的生理功能包括降低线粒体膜电位，并以热的形式散发代谢能。UCP通过降低线粒体膜电位使电子传递与ATP合成的偶联过程分离，结果导致超氧自由基减少。由于这一关键作用，UCP对于细胞存活和增殖至关重要。在UCP家族成员中，UCP2是唯一在各种组织中广泛表达的UCP，包括心脏，肺，肾，肝，脾，巨噬细胞和皮肤。同时，UCP2是线粒体ROS的主要调节因子。近期研究表明，UCP2的作用可能不仅限于解偶联活性和对ROS的调节，也参与葡萄糖氧化，脂肪酸代谢，体重调节和胰岛素分泌等。由于UCP2在这些重要的细胞过程中起着关键作用，所以UCP2的失调可能导致多种疾病的发病机理，例如糖尿病，肥胖症和癌症等[16]。UCP2在许多人类癌症中被上调，然而迄今为止，对UCP2上调的作用及其促进肿瘤的机制仍知之甚少。研究表明，UCP2在人乳腺癌，结肠癌，前列腺癌，皮肤癌，胰腺癌以及HNC中高表达是因为人癌细胞倾向于具有更高水平的氧化应激[17]，UCP2缺乏会抑制良性和恶性肿瘤的形成[18]。酒精和吸烟是HNC的两个主要危险因素，研究表明，酒精和吸烟都能诱导UCP2的表达。由于UCP2在人类癌症（包括HNC）中经常高表达，笔者假设UCP2可能促进HNC的发展。

4 UCP2与HNC的关系

细胞周期失调是HNC重要的致癌驱动因素[19]，在HNC细胞中，由于CDK抑制剂（例如p21）和Rb的失活，通常会绕过G1/S检查点。笔者前期研究发现，抑制UCP2会诱导Fadu细胞中p21表达，并伴有G1/S CDK和细胞周期蛋白表达降低以及pRb水平降低，这与G1细胞数量增加和S细胞数量减少相一致，但尚不清楚抑制UCP2如何诱导p21表达。据报道，UCP2负调控肿瘤抑制因子p53，但FaDu含有突变体p53。因此，这不太可能归因于p53激活。但由于CDK和其他细胞周期调节剂有望成为HNC的靶向药物，因此抑制UCP2会抑制HNC的进展，靶向UCP2可能对癌细胞造成代谢和氧化应激，从而导致细胞死亡，所以靶向UCP2可能会成为HNC诊疗的新策略。

在肿瘤细胞中，UCP2和ROS的关系复杂，有时存在自相矛盾的联系。ROS水平升高幾乎是所有肿瘤细胞的特征。但是，许多形式的肿瘤也会放大UCP2的表达水平。一种解释是，UCP2可以通过增加超氧化物水平而被激活，然后升高的UCP2水平会降低线粒体ROS的产生，从而促进肿瘤的生长和化学抗性。因此，UCP2的抗氧化作用在癌症进展中特别重要。然而，尚不清楚UCP2如何促进肿瘤生长。

许多改变最终导致肿瘤的发展，线粒体的缺陷或功能失调是导致癌症的主要因素之一。线粒体处于控制细胞过程（如ATP合成，ROS产生，程序性细胞死亡）和维持钙稳态的中心阶段，因此，功能异常的线粒体在肿瘤细胞增殖，细胞存活，细胞周期，细胞死亡和代谢中会引起许多异常。而且细胞增殖、细胞存活和细胞死亡是细胞复制的保守机制，分别导致细胞增加或细胞损失。这些细胞过程共同协调以维持体内平衡，这些细胞过程之间的不平衡会导致癌症的发生和发展。UCP2上调（线粒体改变）被认为是致癌作用的重要因素。此外，由于ROS在细胞增殖，细胞死亡和致癌作用的调控中起着重要作用，因此笔者假设UCP2的表达可能对HNC细胞转化过程中的细胞周期，细胞增殖和凋亡具有强大的影响。

5 解偶联蛋白抑制剂-京尼平

京尼平（Genipin）是栀子果实的主要成分，是从肠道微生物群中水解得到的环烯醚萜苷。较多研究显示京尼平有抗炎、抗氧化，治疗糖尿病、癌症以及中枢神经系统疾病等作用[20-22]。同时，目前已证明京尼平是UCP2的特异性抑制剂[23]，近年来，其通过抑制肿瘤细胞增殖对多种肿瘤有治疗作用[24]，在直肠结肠癌和乳腺癌中均发现京尼平可抑制癌细胞增殖[25]。另一方面，Genipin增加ROS和ROS诱导的NAPDH氧化酶（NOX）的产生，触发胃癌细胞和人类非小细胞肺癌H1299细胞的凋亡[26]。同时，京尼平也被用于心血管疾病的药理治疗。因此，通过应用京尼平可为观察UCP是否参与HNC的生长及其他功能提供实验依据。

6 解偶联蛋白抑制剂-京尼平与HNC

口腔鳞状细胞癌是（oral squamous cell carcinoma， OSCC）常见的头颈部肿瘤。京尼平通过抑制PI3K/AKT/mTOR途徑诱导OSCC细胞自噬，是京尼平抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡的首次探索。京尼平促进了口腔鳞状癌细胞SCC-25和SCC-9的细胞凋亡，并且显著提高了对caspase-3和P-ARP的蛋白裂解能力;同时还发现京尼平促进了异种移植小鼠模型中裂解caspase-3的表达。有研究表明，京尼平在人胃癌细胞株中通过非p53依赖性Egr1/p21信号途径以剂量依赖性诱导细胞凋亡[27]。两者结合，证实了京尼平诱导OSCC细胞的凋亡。研究认为，京尼平通过抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路抑制OSCC细胞生长和提高自噬能力，PI3K/Akt/mTOR通路是OSCC治疗的一个新的靶点[27]，为OSCC的药物治疗提供新的候选方案。

总之，氧化应激或ROS的异常积累一直与包括癌症在内的多种疾病进程有关[28-32]。实际上，响应ROS积累的肿瘤细胞的特征性无限制生长模式已成为肿瘤防治研究的焦点，尽管ROS在肿瘤中可能具有促有丝分裂作用，但如果不被抗氧化剂系统所抵消，则处于较高水平，ROS可以诱导癌细胞损伤并诱导凋亡或坏死性坏死[33-34]。这表明，就细胞的生长和增殖而言，癌细胞需要实现微妙的氧化还原平衡以确保生存。细胞增殖、细胞存活和细胞死亡不断地发生在生物体内，维持这些事件之间的平衡是稳态的必要条件，这些细胞过程中任何一个的失调都可能导致癌症的病理状况。因此，了解肿瘤发生中此类过程的分子机制，并开发新的治疗药物至关重要。

7 问题与展望

虽然在过去的十年中，HNC在外科手术技术及术后护理中取得了一定进步，但在生物学治疗方法上和针对不同患者的治疗方法仍存在缺陷，并发症及死亡率仍居高不下，需要寻找新型的治疗方案。UCP抗氧化体系在一些疾病中被证实存在一定作用，但具体机制尚未明确，其作为许多重要疾病的潜在靶点正引起人们越来越多的关注。已经被证实UCP2在HNC中存在表达，通过抑制UCP2从而达到抑制HNC肿瘤细胞生长-靶向这一机制有待进一步研究。期待在以后的研究中可以更加深入了解抗氧化体系，以及与肿瘤发病及治疗之间的关系，为临床诊断和治疗HNC提供新的依据。

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（收稿日期：2021-02-04） （本文編辑：姬思雨）