Nrf2/HO-1信号通路在胃癌发生和治疗中的作用

Role of Nrf2/HO-1 Signaling Pathway in the Genesis and Treatment of Gastric Cancer

摘要: 胃癌(GC)是我国最常见的恶性肿瘤之一，其明确的发病机制仍是一个亟待解决的问题。Nrf2/HO-1信号通路是细胞氧化应激的重要信号通路，研究发现Nrf2/HO-1信号通路的异常激活或累积能影响胃癌细胞的生长、血管形成及耐药性。本文将详细论述Nrf2/HO-1信号通路与胃癌之间的相互作用及其耐药机制，为提高胃癌的诊断、预防和治疗提供有效的技术手段。

Abstract: Gastric cancer (GC) is one of the most common malignant tumors in our country, its clear pathogen-esis is still a problem to be solved. Nrf2/HO-1 signaling pathway is an important signaling pathway of cellular oxidative stress. Studies have shown that abnormal activation or accumulation of Nrf2/HO-1 signaling pathway can affect the growth, angiogenesis and drug resistance of gastric cancer cells. In this paper, the interaction between Nrf2/HO-1 signaling pathway and gastric cancer and the mechanism of drug resistance will be discussed in detail, so as to provide effective technical means for improving the diagnosis, prevention and treatment of gastric cancer.

1. 引言

胃癌(gastric cancer, GC)现在仍是全球肿瘤相关死亡的主要的原因之一。尽管目前的治疗方法有所改善，但晚期胃癌患者的预后和治疗效果仍较差。因此，迫切需要从分子水平对胃癌的发病机制进行探索，挖掘更为明确的肿瘤相关关键分子，作为胃癌患者早期检测和靶向治疗的潜在标志物。核因子E2相关因子2/血红素加氧酶1 (Nrf2/HO-1)信号通路是细胞氧化应激的经典通路，参与了胃癌的发生、发展及化学药物耐药过程 [1] 。本文将对Nrf2/HO-1信号通路对胃癌发生发展和治疗中的影响进行阐述。

2. 胃癌及其治疗

胃癌(gastric cancer, GC)是全球最常见的恶性肿瘤之一，根据国际癌症研究中心(International Agency for Research on Cancer, IARC)提供的GLOBOCAN 2020统计结果显示，全球恶性肿瘤新增约1930万例(男性约1007万例，女性923万例)，死亡病例约1000万例 [2] 。其中胃癌的新发病例约110万例，死亡病例达76.9万例，在全球恶性肿瘤中的发病率和死亡率分别位居第五位和第四位。男性的胃癌发病率是女性的两倍。在一些东南亚国家，它是男性最常见的恶性肿瘤，也是导致恶性肿瘤死亡的主要原因 [3] [4] 。在我国，胃癌是最常见的恶性肿瘤之一，其死亡率仅次肺癌而位居第二 [5] 。虽然近几十年来全球范围内胃癌的发病率和死亡率有所下降，但因其5年生存率低于20%，胃癌仍然是世界范围内最致命的恶性肿瘤之一，严重威胁着人们的生命健康。

胃癌是一种多因素疾病，其发生发展是多种因素长时间协同的结果，环境因素和遗传因素均可影响胃癌的发生发展，如遗传免疫因素、饮食习惯、吸烟、饮酒、幽门螺旋杆菌和EB病毒感染，并且发病率和死亡率随着年龄的增长而逐渐上升 [6] 。然而，截止目前为止胃癌的病因学尚未得到充分的阐明。由于早期胃癌患者症状多具隐匿性，其症状与消化道溃疡相似，常无明显体征，仅仅表现为恶心、嗳气、反酸、食欲不振、胃烧灼感和上腹饱胀不适或隐痛等，往往容易延误就医导致病情加重 [7] 。多数胃癌患者确诊时已进展到胃癌中晚期，多伴有腹膜、邻近器官或组织及淋巴结转移，是胃癌临床预后不良最重要的原因之一 [8] 。早期胃癌患者的主要治疗方法是内镜下胃癌切除术，并接受根除幽门螺旋杆菌治疗，多数能够痊愈。晚期胃癌患者大多失去了手术的最佳治疗时机，治疗原则是以化疗为主的全身治疗结合姑息手术治疗、分子靶向治疗和支持治疗的综合治疗，可延长患者的总体生存期并改善生活质量，但仍只能挽救不超过30%的患者 [9] 。随着分子靶向治疗成为研究热点，研究发现大多数靶向治疗对消化系统肿瘤，如结直肠癌(贝伐单抗、西妥昔单抗)有效，但似乎对胃癌无效。对于HER-2阳性的GC，只有抗HER-2的单克隆抗体曲妥珠单抗可用于一线治疗，抗血管生成药物雷莫卢单抗，可用于的二线治疗 [10] 。因此晚期胃癌的最佳治疗方案仍在探索中，胃癌发生发展的相关分子机制的研究对于揭示新的生物标志物和治疗靶点至关重要。

3. Nrf2/HO-1信号通路概述

氧化应激在细胞凋亡、坏死和自噬方面起着关键作用。大量研究表明，ROS的适度增加有利于细胞增殖，而ROS的过表达则可以引起多种生物活动，如增强细胞增殖能力、DNA损伤和遗传稳定性、细胞损伤、细胞死亡、自噬，特别是耐药性 [11] 。氧化应激除了可导致包括动脉粥样硬化、高血压、心力衰竭、缺血和再灌注损伤在内的多种心血管疾病，与恶性肿瘤的关系也十分密切 [12] 。核因子E2相关因子2 (Nrf2)/血红素加氧酶1 (Nrf2/HO-1)信号通路是体内氧化应激最重要的通路之一，也是Nrf2发挥作用的经典途径。Nrf2是一种特异性转录因子，在生理状态下，Nrf2主要分布在细胞质中，通过整合细胞质连接蛋白Keap1形成复合物 [13] 。Keap1是Nrf2的负调控因子，可介导蛋白酶体对Nrf2泛素化的降解，从而维持Nrf2低活性的生理状态 [14] 。当氧化应激或其他化学刺激下，Nrf2通过磷酸化和Keap1解离，Nrf2进入细胞核，识别并结合抗氧化反应元件(ARE)上的碱基序列，启动编码抗氧化、抗炎和抗凋亡功能的多个下游靶基因的转录，诱导其表达，如HO-1、谷胱甘肽过氧化物酶1 (GPx-1)和NAD(P)H：醌氧化还原酶1：(NQO1)等抗氧化和解毒酶被激活，从而在抗氧化应激、抗炎症、抗凋亡和其它的细胞保护中发挥作用，保护正常细胞免受活性氧(Reactive oxygen species, ROS)诱导的DNA损伤 [14] [15] 。其中HO-1是Nrf2依赖的细胞反应的主要效应因子之一 [16] 。HO-1是血红素加氧酶的三种异构体中的一种，是血红素分解代谢过程中的起始酶和限速酶 [17] 。它催化血红素降解产生胆红素(BV)、一氧化碳(CO)和亚铁，具有抗氧化、抗凋亡和抗炎作用。HO-1及其代谢物是机体重要的内源性保护系统，在维持细胞稳态、细胞适应和细胞损伤中发挥作用 [18] 。

然而，大量的研究发现，Nrf2/HO-1信号通路实际上是一把“双刃剑”。它既能阻止正常细胞进展为肿瘤细胞，也能保护肿瘤细胞免受过度的氧化应激、化疗药物和放射治疗的影响，从而提高肿瘤细胞的存活率 [19] 。最近的研究表明，Nrf2可有效调控组织中抗氧化基因的表达，Nrf2/HO-1轴的异常激活在肿瘤细胞和肿瘤组织中更常见，这与肿瘤微环境的重构、肿瘤细胞抗氧化能力增加、化疗耐药性和临床预后差有关 [16] 。除此之外，Nrf2还能刺激一些与抗氧化活性无关的致癌基因，如基质金属蛋白酶-9 (MMP-9)、肿瘤坏死因子-α (TNF-α)和血管内皮生长因子A (VEGF-A) [20] 。Nrf2和HO-1在多种肿瘤细胞中过表达，并与肿瘤的发生发展相关，能促进肿瘤细胞的迁移、侵袭和远处转移，包括胃癌、晚期肺癌、头颈部鳞状细胞癌、肝癌、食道鳞状细胞癌、结肠癌、胰腺癌和胆囊癌等 [21] [22] 。最近的一项研究表明，Nrf2和HO-1在透明细胞肾细胞癌中的表达明显高于邻近的正常组织，其表达增强与较短的总生存期和较高的转移率显著相关，往往提示患者预后较差 [23] 。同样，Yang等人 [24] 发现Nrf2主要表达于胃癌组织的细胞核中，Nrf2的高表达促进了胃癌的进展，HO-1主要在细胞质中表达，HO-1与Nrf2的表达呈正相关，Nrf2和HO-1的表达量与GC的攻击性行为有关。因此，Nrf2和HO-1可能是肿瘤治疗的潜在治疗靶点，Nrf2和HO-1可能是胃癌患者预后的一个显著标志，在胃癌的发生和进展中起着不可或缺的作用。

4. Nrf2/HO-1信号通路与胃癌细胞的凋亡

细胞凋亡分为内源性和外源性凋亡两种凋亡途径，其中内源性(或线粒体)凋亡途径的触发与细胞接受的多种刺激因素有关，如氧化应激、DNA损伤、细胞毒性药物损伤和生长因子缺乏。内源性凋亡途径是由B细胞淋巴瘤-2 (B-cell lymphoma-2, BCL-2)家族主导引起的线粒体外膜通透性改变的另一种凋亡路径 [25] 。这种途径依赖于由caspase-9的前体、凋亡蛋白酶激活因子-1 (Apaf-1)和细胞色素C组成的凋亡体复合物的形成。而Bcl-2家族成员Bax、Bak、Bcl-2、Bcl-xL、Bid和Bim等促凋亡和抗凋亡蛋白通过调节线粒体膜通透性来控制细胞色素C的释放，Bax和Bak寡聚在线粒体膜表面，促进线粒体外膜上的孔道形成。细胞色素C等促凋亡因子穿过这些孔道从线粒体中释放进入细胞质中，激活Caspases级联反应，促进细胞凋亡 [26] 。因此，细胞中抗凋亡Bcl-2蛋白的过表达通常与许多恶性肿瘤的不良预后相关 [27] 。

Nrf2/HO-1信号通路可以通过调控细胞凋亡相关蛋白来促进胃癌的进展。Nrf2是该通路中的关键因子，能直接调控Bcl-2家族、caspases-3/9等凋亡蛋白，从而发挥抗凋亡作用。活化的Nrf2能与Bcl-2和Bcl-xL所在的ARE相关基因结合，通过上调抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL，抑制Bax蛋白的表达，继而降低caspases-3/7/9的含量，保护肿瘤细胞，减少凋亡细胞，从而增加其致癌潜能 [28] [29] [30] 。

5. Nrf2/HO-1信号通路与血管形成

有研究表明，胃癌是一种高侵袭性的异质性恶性肿瘤，基因突变、表观遗传变化和异常的分子信号级联反应参与了胃癌的发生、扩散和转移 [24] 。肿瘤细胞的快速生长导致局部环境缺氧，刺激缺氧诱导因子-1α (HIF-1α)生成，促进肿瘤细胞、内皮细胞、淋巴细胞等细胞产生血管内皮生长因子(VEGF) [31] 。VEGF在包括胃癌在内的多种肿瘤组织中均呈高表达，预示该肿瘤的预后较差 [32] 。VEGF是一种血管内皮细胞特异性的有丝分裂原。肿瘤细胞分泌的VEGF通过增加血管通透性、维持内皮细胞存活、促进内皮细胞增殖和迁移、抑制内皮细胞凋亡、参与血管构建，有效诱导血管生成 [33] 。因此，VEGF/VEGFR-2级联反应是多种肿瘤抗血管生成治疗的中心治疗靶点。最近的研究结果发现缺氧环境可上调Nrf2、HO-1和HIF-1α的表达，而下调Nrf2可抑制肿瘤细胞的侵袭能力，降低Nrf2、HO-1和HIF-1α的表达。在体外实验中，缺氧上调了GC细胞中Nrf2和HO-1的表达，而通过siRNA沉默Nrf2的表达，甚至在缺氧培养条件下也抑制了肿瘤细胞的侵袭能力，抑制了Nrf2和HO-1的表达 [24] 。所以，Nrf2/HO-1信号级联反应促进了胃癌的侵袭和转移。并且Nrf2通过刺激胃癌细胞中HIF-1依赖的VEGF的表达，促进胃癌细胞生长来诱导血管生成 [34] 。而VEGF也加速了Nrf2的核易位，促进胃癌细胞中Nrf2的积累，VEGFR-2的活性促进了GC的致瘤性 [35] [36] [37] 。Kawasaki等人 [38] 也有类似的报道，他们认为Nrf2和HO-1的表达与胃癌患者的临床病理特征显著相关，是胃癌患者的独立预后预测因子。综上所述，Nrf2/HO-1轴与胃癌的恶性程度高度相关，Nrf2/HO-1可能通过影响血管生成参与了胃癌的恶性进展。

6. Nrf2/HO-1信号通路参与胃癌化疗药物的耐药过程

化学治疗是胃癌治疗中多学科方法的中心部分，能使进展期胃癌的整体疗效显著提高。然而，在长期的化疗药物的使用过程中，肿瘤细胞往往会通过多种途径获得耐药能力，其疗效受到多药耐药(MDR)的影响。肿瘤细胞的MDR受到多种因素的影响，包括凋亡通路缺陷、靶点改变、解毒作用增加和通过上调膜转运体减少细胞中的药物积累 [39] 。P-糖蛋白(P-gp)是ATP结合盒转运蛋白(ABC转运蛋白)中的成员，是一种明确的膜转运蛋白，能将药物分子从肿瘤细胞泵出，降低化疗效果，P-gp表达的上调与MDR的升高直接有关。ABC转运蛋白基因家族的许多基因，都是MDR的关键调控因子，它们的表达均受到Nrf2依赖的信号通路的调控 [40] 。化疗药物能刺激肿瘤细胞产生高水平的活性氧，在持续的氧化应激条件下，肿瘤细胞激活氧化还原敏感的转录因子Nrf2，使Nrf2-ARE通路下游靶基因如II相解毒酶、抗氧化酶系及药物转运体等蛋白表达上调，而这些蛋白大多在抗肿瘤药物的I、II、III相代谢过程中发挥作用，能增强肿瘤细胞对抗氧化应激和化疗药物的能力，导致耐药性逐渐增强 [41] 。因此，Nrf2不仅参与细胞对氧化应激相关损伤或致癌物依赖性破坏的防御，而且还参与恶性肿瘤进展和化疗耐药性。

Jeddi等人 [42] 发现，在胃癌组织中检测到Nrf2和MDR1/P-gp的过表达，Nrf2过表达与肿瘤大小、组织学分级、淋巴结和远处转移也有很强的相关性，P-gp的上调与组织学分级和肿瘤大小相关。同样在另一项研究中，Wang等人 [43] 发现，萝卜硫素作为Nrf2激活剂，上调Nrf2可以增加血脑屏障中p-糖蛋白的蛋白表达和外排活性。Nrf2转录因子和MDR1/P-gp转运体的共同表达暗示了Nrf2-P-gp轴可能参与了肿瘤进展和化疗耐药性。Nrf2和P-gp联合过表达可作为评估胃癌患者预后和化疗耐药的有价值的工具。

7. 总结

目前，胃癌的治疗以手术切除为主，但是对于胃癌进展到中晚期的患者，手术切除的治疗方法无法满足患者的需求。综上所述，Nrf2/HO-1信号通路在胃癌发生和发展过程中起着重要的调节作用，开发Nrf2/HO-1信号靶向药物或可成为胃癌治疗的一个重要方向。对Nrf2/HO-1信号靶向药物的深入研究有助于改善胃癌患者的治疗效果和生活质量。

NOTES

^*通讯作者。