氧化应激在胃癌中的研究进展

Research Progress of Oxidative Stress in Gastric Cancer

摘要: 胃癌(GC)是世界上癌症死亡率最高的原因之一，因其侵袭性强，生存率低，复发转移率高，严重威胁着全球44亿人类的健康。氧化应激是一种由机体内氧化过程中的基因突变、氧化分子的增加以及抗氧化剂的减少所造成的危害。氧化应激学说是胃癌发生和发展机制研究中的重要学说之一，这两者之间的关系一直备受关注。本文就这一话题结合国内外研究结果，分别介绍了氧化应激的定义、胃癌的基本概念和细胞氧化应激能够产生的各种损害。重点介绍了氧化应激的发病机制和胃癌的临床特征，并且总结了氧化应激在胃癌中的作用。通过调控氧化应激的分子机制来预防和治疗胃癌，或可能成为GC诊断及治疗研究的方向。

Abstract: Gastric cancer (GC) is one of the causes of the highest cancer mortality in the world. Due to its strong invasiveness, low survival rate and high recurrence and metastasis rate, GC poses a serious threat to the health of 4.4 billion people worldwide. Oxidative stress is a harm caused by genetic mutations in the body’s oxidation process, an increase in oxidative molecules, and a decrease in antioxidants. The theory of oxidative stress is one of the important theories in the study of the pathogenesis and development of gastric cancer, and the relationship between the two has attracted much attention. This paper introduces the definition of oxidative stress, the basic concept of gastric cancer and the damage caused by cellular oxidative stress. This paper focuses on the pathogenesis of oxidative stress and the clinical features of gastric cancer, and summarizes the role of oxidative stress in gastric cancer. The prevention and treatment of gastric cancer by regulating the molecular mechanism of oxidative stress may become the direction of GC diagnosis and treatment.

1. 引言

胃癌(gastric cancer, GC)是世界上最常见的恶性肿瘤之一，因其具有高度侵袭性等特点，成为导致癌症相关死亡的第三大原因 [1]。胃癌的发生发展是一个多因素共同影响的过程，主要的危险因素包括吸烟、饮酒、饮食习惯、遗传与免疫因素、环境污染物以及幽门螺旋杆菌感染(HP) [2]。近十几年来，由于卫生食品安全标准的提高、人们饮食结构改变以及幽门螺旋杆菌的根除，胃癌的发病率在世界范围内逐渐降低 [3]。目前手术切除及相关淋巴结清扫治疗联合化疗是唯一可以根治胃癌的方式，但由于胃癌的早期临床表现并不显著，缺乏特异性，多数胃癌患者确诊时已进展到胃癌晚期，往往失去了手术治疗的最佳时机 [4]，5年生存率仅为20%~25% [5]。在接受辅助治疗的胃癌患者中，大约有50%的人会出现全身或局部肿瘤复发转移，发生肿瘤转移后患者的生存率仅为6% [6]。因此，深入研究胃癌的发病机制，开发新的、有效的药物和治疗方案是亟待解决的问题。但是目前，导致胃癌发生的明确机制尚不清楚。许多研究报道，胃癌的发生发展与氧化应激有关，氧化应激是由于活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成及其清除能力之间的不平衡 [7]，这种失衡调节了凋亡程序 [8] 并引发胃癌 [9]。所以，通过抗氧化疗法来治疗胃癌被认为是一种非常具有前景性的研究方向。本文拟对氧化应激在胃癌发生发展中的作用进行综述。

2. 氧化应激的定义和机制

氧化应激是指生物体细胞在遇到各种应激刺激时，机体内产生高水平物质堆积，如活性氧(ROS)、活性氮(RNS)自由基等，导致机体内氧化–还原反应速率失衡，而各种氧化物导致的氧化速度超出了机体的抗氧化能力，最终导致氧化应激损伤人体组织。简单来说，氧化应激就是一种氧化–抗氧化稳态的紊乱，从而导致潜在的细胞损伤的过程 [10]。氧化应激的调节是肿瘤发生发展和抗肿瘤治疗过程中的重要因素，可通过活性氧(ROS)的过量产生而驱动肿瘤的发生及进展 [11] [12]。过量的ROS产生会导致DNA的损伤，启动多种肿瘤 [13] 的癌变过程，并且大量的ROS有助于侵袭性癌细胞突变、自我更新、抑制抗蛋白酶、损伤局部组织、促进肿瘤异质性、突变和转移。ROS是细胞氧化还原反应的产物，在肿瘤细胞研究中最常见的ROS是超氧化物、过氧化氢和羟基自由基，它们能够改变DNA和蛋白质的结构并改变其细胞行为。ROS可以直接或间接氧化特定的氨基酸残基，破环蛋白质的结构、功能和稳定性，并且ROS可引起脂质过氧化，促使白介素-8 (IL-8)、肿瘤坏死因子-α (TNF-α)等炎性因子的水平升高。对DNA而言，ROS可直接诱导单链断裂和碱基加合直接损伤DNA。过量的ROS诱导肿瘤细胞分泌基质金属蛋白酶(MMP)，如MMP-1，促进肿瘤微环境中的血管生长。此外，MMP-1、MMP-2和MMP-9的瞬时表达与毛细血管样结构形成过程中ROS的增加相关，这表明MMP介导的血管生成也通过ROS的上调而发生 [14]。ROS还可以通过激活血红素加氧酶-1 (HO-1)来触发血管舒张，从而增加肿瘤的血液供应，这是一种产生一氧化碳或诱导一氧化氮形成的酶 [15]。肿瘤中的ROS参与了细胞周期进程和增殖、细胞存活和凋亡、能量代谢、细胞的形态、粘附、运动、血管生成和肿瘤干性的维持。

多项研究结果表明，过量的活性氧(ROS)的产生或抗氧化防御系统的缺陷会导致氧化应激的发生，并导致白血病的发生和治疗失败 [16]。与正常细胞相比，黑色素瘤细胞更容易受到ROS的积累，并表现出更高水平的ROS [17]。除此之外，氧化应激在大多数常见肿瘤的转化和进展中起着至关重要的作用，例如肺癌、胃癌、食管癌、膀胱癌和结直肠癌等 [18]。与肿瘤发生有关的许多信号传导途径可以通过直接或间接机制调节活性氧(ROS)的代谢。其中核因子E2相关因子2 (Nrf2)/抗氧化反应元件(ARE)信号通路就是机体内抗氧化应激损伤的重要通路，该通路对维持机体内环境自由基的平衡起重要作用 [19]。此外，细胞内ROS生成的增强可能与PI3K/AKT信号通路或致癌的Ras基因表达的增加有关，这种细胞对药物诱导的凋亡具有耐药性 [20]。

3. 胃癌的临床特点

胃癌受多种危险因素的影响，发病机制复杂，是全球第五大最常见的恶性肿瘤和肿瘤相关死亡的第四大原因 [21]。我国胃癌的发病率远远高于其他国家，是我国第二大最常见的癌症，也是癌症相关死亡的第二大原因。根据2019年全球疾病负担研究，中国的残疾调整生命年(DALYs)占全球胃癌总数的44.21% [22]。胃癌的早期症状不明显，仅仅只表现为包括胃烧灼感、恶心、食欲不振等症状，而往往容易被忽视，因此胃癌的诊断多集中在晚期 [23]。晚期胃癌患者多表现为上腹部持续性疼痛，由于食欲下降进而出现消瘦、体重减轻，呕吐便血等症状。胃癌细胞侵袭性强，能直接转移到周围的结肠、胰腺、肝脏和其他器官，血液转移到其他远处的器官，腹膜播散和淋巴转移。其中，腹膜转移是胃癌临床预后不良的最重要原因 [24]。临床的诊断方法包括内窥镜检查、活组织检查、影像学检查和肿瘤标志物的检查，其中内窥镜检查是胃癌最有效的诊断方法，它可以正确地识别病变部位并收集活检标本，有助于胃癌患者及早发现、诊断和治疗 [25]。虽然有靶向治疗和免疫治疗等新的治疗方法的进展使胃癌的治疗多样化，但胃癌最传统、最有效的治疗方法仍然是根治性手术切除，多适用于早期患者，局部晚期胃癌患者在根治性手术后需接受辅助性化疗，以降低肿瘤微转移的机会 [26]。对于晚期胃癌患者的治疗原则仍以全身化疗为主的综合治疗，这类患者中的绝大部分已合并远处转移或无法进行根治性手术，应用紫杉类、铂类、氟尿嘧啶类及阿霉素类等化疗药物联合分子靶向药物治疗晚期胃癌，可延长患者的总体生存期并改善生活质量 [27]。然而，由于胃癌细胞对化疗药物的敏感性较差，且化疗药物引发的骨髓抑制、肝肾功能损害及严重的胃肠道反应等毒性反应，因此胃癌的临床研究及最佳治疗模式仍在探索中。

4. 氧化应激在胃癌中的作用

氧化应激在包括黏膜损伤、胃肠道溃疡和胃癌在内的胃肠道疾病的发病机制中均起着重要的作用。氧化应激在胃癌的发生发展中的分子机制复杂，涉及多种信号途径。包括四个方面的影响：首先，氧化应激会导致DNA损伤和突变 [28]。第二，氧化应激可以破坏正常的细胞周期调节，导致肿瘤细胞过度增殖。第三，氧化应激可以激活多条信号通路和抑癌基因，导致细胞凋亡抵抗，促进细胞增殖和侵袭 [29]。第四，氧化应激可诱发炎症，而炎症可进一步促进肿瘤细胞增殖和迁移 [30]。另外，幽门螺旋杆菌感染作为导致胃癌发生最为明确的危险因素之一，早期的研究表明，幽门螺旋杆菌诱导浸润的单核细胞和多形核细胞产生氧自由基，由于胃内的持续性氧化应激，从而导致胃上皮细胞DNA损伤，DNA的损伤触发了包括胃炎–萎缩–化生–发育增生–癌症序列，最终激活致癌基因或灭活肿瘤抑制基因的突变。并且经HP感染后激活了经典NF-κB信号通路，其典型靶点包括诱导型一氧化氮合酶(iNOS；也称为NOS2)和炎症细胞因子释放增加，介导炎症级联效应，促进活性氧和活性氮(RNS)的产生来影响肿瘤的起始 [31]。同时，产生的毒力因子细胞毒素相关蛋白A (CagA)激活NF-κB-p65可上调肠化生(IM)、异型增生(DYS)和胃癌(GC)中靶基因的表达，促进在GC的发生发展 [32] ；并且CagA蛋白刺激胃黏膜细胞，使促炎因子IL-8、IL-1、IL-10分泌增加，间接加速了胃癌的进展。另外，EBV相关胃癌(EBVaGC))是胃癌的一种特殊亚型，约占所有胃癌的1.3%~30.9% [33]，与Epstein-Barr病毒(EBV)感染密切相关。EBV也被称为人类疱疹病毒4 (HHV4)，是一种双链DNA病毒，感染超过90%的成年人，与霍奇金淋巴瘤、伯基特淋巴瘤和鼻咽癌的发生均有关。EBV编码的基因产物可以通过多种信号转导途径，如NF-κB、JNK、STAT3和PI3K/AK等，参与细胞的转化和增殖，抑制细胞的分化和凋亡，从而促进肿瘤的发生与发展 [34]。童翔等人发现，EBV能通过PI3K-AKT-mTOR通路增加缺氧诱导因子(HIF-1α)的合成和增加肿瘤血管生成拟态(VM)的形成，促进胃癌细胞的增殖、侵袭、血管生成和内皮–间充质转化(EMT) [35]。郑春雷等人的研究结果表明，胃癌组织中生存素(Survivin)和MMP-9的表达量均高于癌旁组织，并呈强阳性 [36]，也证实了胃癌具有强侵袭性。据报道，EBV感染有助于幽门螺杆菌感染引起的胃癌的发生。相反，幽门螺杆菌感染也加速了由EBV感染引发的肿瘤发生 [37]。此外，许多研究也表明氧化应激与胃癌的预后密切相关。既往研究表明，8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)是氧化应激相关的重要生物标志物，在幽门螺杆菌感染相关的慢性萎缩性胃炎和胃癌患者的血清中发现8-OHdG含量增加 [10]。并且据报道，胃癌患者合并感染HP时，谷胱甘肽(GSH)水平、谷氨酰胺和还原型、氧化型谷胱甘肽的比值(GSSG/GSH)显著降低。此外，还能促进H₂O₂的产生和氧化应激的加剧 [38]。经过补充GSH的治疗可有效缓解ROS的过度积累。在胃癌患者中，高水平的氧化标志物预示着预后不良 [39]。氧化应激的标志物有望成为诊断胃癌和评估其进展的指标。

5. 抗氧化剂预防和治疗胃癌

鉴于幽门螺旋杆菌感染能影响氧化应激，氧化应激与胃癌的密切关系，许多研究学者提出了利用抗氧化疗法来防治胃癌。经证实膳食、中草药中的天然抗氧化成分，可以降低包括胃癌、乳腺癌、肺癌等在内的氧化应激相关肿瘤发生的风险。大量流行病学研究表明，膳食中的类胡萝卜素由于其显著的抗氧化特性，可以预防胃炎。虾青素和胡萝卜素的抗氧化和抗炎作用，抑制ROS介导的炎症信号，可能有助于抑制幽门螺杆菌诱导的炎症 [40]。张成熙等人发现，番茄红素可以抑制幽门螺杆菌诱导的胃癌AGS细胞ATM/ATR依赖的DNA损伤反应，提示番茄红素可能有助于治疗幽门螺杆菌诱导的DNA损伤相关的疾病 [41]。研究报道，大蒜是一种有效的自由基清除剂，可以对抗由ROS引起的各种疾病。Chung等人在1998年首次发现大蒜成分可以抑制幽门螺杆菌的生长。在抑制幽门螺杆菌的过程中，大蒜中的大蒜素通过抑制toll样受体4 (TLR4)信号通路来抑制NF-κB的激活，从而产生抗炎作用 [42]。辣椒在抗氧化方面具有很高的营养价值，除了维生素E和C外，它是丰富的类胡萝卜素和维生素A的来源 [43]。辣椒素是辣椒的活性成分，使辣椒具有特有的辛辣味道。人们认为辣椒素可能对幽门螺杆菌感染有保护作用，1997年，Jones等人发现辣椒素在体外能有效抑制幽门螺杆菌的生长，这取决于时间和浓度 [44]。另外许多中草药中的某些活性成分也能抑制胃癌细胞的增殖、迁移和侵袭，比如银杏叶提取物通过ERK/NF-κB/MMP2信号级联可抑制动物胃癌原位肿瘤。并且通过检测ERK/NF-κB/MMP2信号级联反应的表达，发现其对胃癌细胞也有相同的作用 [45]。穿心莲内酯可诱导细胞周期阻滞在G1/M期，触发胃癌细胞中p53依赖性细胞凋亡，并干扰ROS和p53之间的串扰，进而抑制胃癌的迁移 [46]。小檗碱诱导细胞周期阻滞在G0/G1期 [47]，并可通过抑制MAPK/mTOR/p70S6K和Akt信号通路，诱导细胞抑制自噬，从而抑制体内胃癌肿瘤的生长 [48]。姜黄素(Curcumin, CUR)是一种从草本植物姜黄中分离而来的低分子量天然多酚，通过下调抗凋亡蛋白Bcl-2和survivin来抑制体内外GC的进展 [49]。姜黄素还可以通过增加miR-34a表达的的含量，诱导细胞周期阻滞在G0/G1期 [50]。芍药酚可下调MMP2和MMP9，诱导细胞凋亡，抑制胃癌转移 [51]。

6. 总结和展望

综上所述，氧化应激可能导致DNA损伤和突变，炎症发生，细胞周期调控的改变以及胃癌细胞增殖和迁移的增加。使用抗肿瘤药物改变细胞中氧化应激水平来诱导胃癌细胞的凋亡、抑制其增殖、迁移和侵袭成为现在的一个研究热点。抗氧化疗法可能将在未来为胃癌的防治提供新的方向。

NOTES

^*通讯作者。