蔡衛(wèi)超,曹衛(wèi)紅
(浙江省臺州醫(yī)院整形美容科,浙江 臺州 317000)
放射性物質(zhì)在我們的工作及生活中的應(yīng)用越來越多,涵蓋了工業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究等多個領(lǐng)域。與此同時,放射性皮膚損傷也受到了廣泛的關(guān)注。放射性物質(zhì)包含α、β、γ射線及中子等,不同劑量的放射性物質(zhì)可對皮膚造成不同程度的損傷。而在臨床工作中,有研究[1]顯示約87%~96%的放療患者會出現(xiàn)皮膚紅斑等放射性皮膚損傷反應(yīng),其中放射性潰瘍發(fā)生率為10%~15%。近年來,隨著皮膚惡性腫瘤術(shù)后放療的普及、外照射和放射性粒子內(nèi)照射治療逐步成為治療規(guī)范,這些都使得放射性皮膚損傷成為臨床常見病和多發(fā)病之一[2]。不同劑量的α、β、γ射線及中子對皮膚的損傷不全相似,其機(jī)理也不完全相同,但是皮膚損傷的表現(xiàn)形式相近。根據(jù)皮膚損傷的臨床表現(xiàn)不同,我們將其分為輕度(Ⅰ度反應(yīng))、中度(Ⅱ度反應(yīng))及重度(Ⅲ度反應(yīng))。Ⅰ度反應(yīng)表現(xiàn)形式主要為紅斑、燒灼及刺癢感;Ⅱ度反應(yīng)主要表現(xiàn)為高度充血、水腫及水皰形成;Ⅲ度反應(yīng)會出現(xiàn)皮膚潰瘍、壞死,并遷延不愈[3]。而針對放射性皮膚損傷,尤其是中重度以上的損傷,一直是臨床治療及基礎(chǔ)研究中的重點及難點,因此對其分子機(jī)制及生理生化機(jī)理的研究顯得尤為重要。
活性氧是放射性皮膚損傷生理生化過程中重要信號分子之一,參與了應(yīng)激、損傷、修復(fù)的全過程[4]。機(jī)體受到意外照射或在接受放射治療時會引起放射性皮膚損傷,最先皮膚組織內(nèi)水發(fā)生離解產(chǎn)生以氧自由基為代表的活性氧(Reactive oxygen species (ROS)),其次化學(xué)反應(yīng)及生物學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧參與了長期的放射性損傷與修復(fù)過程?;钚匝跬ㄟ^各類信號通路調(diào)控多個生理學(xué)過程,包括細(xì)胞凋亡與自噬、蛋白合成及氧化、脂質(zhì)代謝、DNA損傷、炎癥反應(yīng)及旁觀者效應(yīng)等。本研究對皮膚接受放射性物質(zhì)刺激后ROS的產(chǎn)生、其介導(dǎo)放射性皮膚損傷的機(jī)制、調(diào)控ROS降低放射性皮膚損傷等方面進(jìn)行綜述,進(jìn)一步探討ROS生物研究及臨床治療前景。
活性氧是一類氧的單電子還原產(chǎn)物。在氧分子中加入一個單一電子,就會形成超氧陰離子;加上另一個電子產(chǎn)生過氧化氫;加入第三個電子,形成羥基自由基。超氧陰離子是皮膚組織內(nèi)氧自由基的主要類型,過氧化氫是氧自由基的主要前體[5]。生理狀態(tài)下,呼吸過程會產(chǎn)生少量的氧自由基,氧自由基的產(chǎn)生與代謝存在平衡。放射性皮膚損傷后,早期大量活性氧的產(chǎn)生主要由線粒體呼吸鏈合成。當(dāng)放射性物質(zhì)刺激后,線粒體外膜被破壞、膜電勢坍塌、電子傳遞鏈被干擾。泛醌參與的電子交互過程易發(fā)生電子的丟失,直接提高了活性氧的形成率[6]。
一方面,輻射導(dǎo)致的基因突變與活性氧的生成存在一定的正反饋調(diào)節(jié)途徑。線粒體活性氧(mtROS)的產(chǎn)生以及輻射可以直接損傷線粒體DNA(mtDNA),包括mtDNA的突變與mtDNA的復(fù)制數(shù)量大量減少。而mtDNA的突變與缺失干預(yù)線粒體外NADH的氧化還原偶聯(lián),使α-酮戊二酸脫氫酶產(chǎn)生ROS[7]。
另一方面,輻射介導(dǎo)各種生理生化反應(yīng)也影響著ROS的水平。輻射致細(xì)胞內(nèi)受體及分子相互作用,激活胞內(nèi)信號通路,通過上調(diào)應(yīng)激反應(yīng)基因大量表達(dá)或下調(diào)ROS清除蛋白表達(dá)調(diào)節(jié)ROS水平。例如ROS活化促炎因子并激活炎癥反應(yīng),介導(dǎo)TNF依賴Rac上調(diào)LTB4誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生[8];輻射破壞BH4,導(dǎo)致一氧化氮合酶解偶聯(lián),加劇輻射誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生[9];輻射導(dǎo)致ROS產(chǎn)生,激活Nrf2蛋白并核內(nèi)累積,通過上調(diào)Klf9抑制硫氧還蛋白還原酶2(ROS清除劑的一種)導(dǎo)致ROS暴發(fā)[10]。當(dāng)然活性氧的產(chǎn)生也離不開輻射后的組織損傷與先天的免疫應(yīng)答[5]。除此之外,在長期的組織修復(fù)過程中,活化的白細(xì)胞和巨噬細(xì)胞、促炎因子刺激的成纖維細(xì)胞、組織氧化引起的血管損傷等均會產(chǎn)生損傷性ROS。ROS亦能通過代謝途徑產(chǎn)生更多的ROS。ROS對脂質(zhì)、蛋白、線粒體及DNA的損傷能使細(xì)胞產(chǎn)生更多的ROS[11]。在心肌組織中,有研究表明存在ROS-p38 MAPK-NADPH-ROS正反饋回路,使得ROS能夠快速啟動心臟氧化損傷過程[12]。機(jī)體受到意外照射或在接受放射治療后,長期存在的自由基、活性氧會導(dǎo)致皮膚輻射暴露后的漸進(jìn)性損傷,從而長期損害基質(zhì)干細(xì)胞的恢復(fù)和組織修復(fù)[4]。因此,活性氧與放射性皮膚損傷修復(fù)密切相關(guān),這可能也是放射性皮膚損傷遷延不愈的重要原因之一。
受到放射性物質(zhì)刺激后,皮膚出現(xiàn)長周期的病理學(xué)改變,主要原因有以下三點:(1)成熟功能細(xì)胞的凋亡與自噬;(2)皮膚基底層與真皮層中干細(xì)胞及祖細(xì)胞的丟失;(3)體液間多細(xì)胞進(jìn)行相互作用。
一方面,ROS精密地參與并調(diào)控細(xì)胞凋亡途徑。轉(zhuǎn)錄組學(xué)及基因組學(xué)分析顯示,輻射損傷后,BM細(xì)胞中253個基因被調(diào)控,而其影響的生物學(xué)功能受p38 mapk凋亡途徑調(diào)控[13]。而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中,ROS亦通過MAPK相關(guān)通路調(diào)節(jié)蛋白轉(zhuǎn)錄參與多種生物學(xué)功能。ROS可激活MAPK- JNK通路形成正向自我調(diào)控環(huán)干預(yù)脂質(zhì)代謝[14-15]。而脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)數(shù)量的增加,可以改變細(xì)胞膜的通透性,并解偶聯(lián)線粒體中的氧化磷酸化,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[16]。ROS通過激活MARK-p38通路抑制睪酮等生物合成。而睪酮能支持細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷,并抑制細(xì)胞凋亡[17]。ROS通過MARK-ERK通路介導(dǎo)c-fos及c-jun轉(zhuǎn)錄活化,形成異源二聚體AP-1,控制細(xì)胞凋亡[15];ROS亦可通過上調(diào)TP53、HIF-1 H 、Nrf2 、SP1 等蛋白實現(xiàn)胞內(nèi)調(diào)控。尤其是TP53蛋白,作為其中一種細(xì)胞凋亡的啟動因子,ROS對其mRNA水平的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響[15]。ROS亦可介導(dǎo)線粒體釋放細(xì)胞色素C及鈣離子或通過INOS-NO途徑激活 caspase產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng),干預(yù)細(xì)胞凋亡[18]。
另一方面,細(xì)胞自噬也與輻射產(chǎn)生大量的ROS密切相關(guān)。自噬是一種進(jìn)化保守的、不可或缺的、溶酶體介導(dǎo)的降解過程。輻射刺激后細(xì)胞內(nèi)酸性空泡大量形成,表明自噬活性增強(qiáng)[19]。誘導(dǎo)細(xì)胞自噬也與輻射造成的ROS依賴性損傷息息相關(guān)。輻射暴露過程中,含多個轉(zhuǎn)錄因子的iNOS啟動子被激活,如核因子iB (NF-iB)和kruppel樣因子6 (KLF6),導(dǎo)致NO產(chǎn)生增加,誘導(dǎo)蛋白硝化介導(dǎo)的自噬誘導(dǎo)[20]。Yuan等人發(fā)現(xiàn)電離輻射后細(xì)胞自噬能力顯著增強(qiáng),表現(xiàn)為酸性囊泡細(xì)胞器形成增多,LC3II表達(dá)增加,p62表達(dá)降低,而用ROS清除劑N-乙酰半胱氨酸預(yù)處理可顯著抑制細(xì)胞自噬[21]。Wang等人發(fā)現(xiàn)在ESCC細(xì)胞中,I125通過激活ROS誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡與保護(hù)性自噬[22]。在輻射過程中,ROS產(chǎn)生并誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,一方面UPR過程中eIF2a(真核起始因子2a)被PERK(一種eIF2a激酶)磷酸化,激活A(yù)tg4介導(dǎo)LC3I向LC3II轉(zhuǎn)化,而其他蛋白合成被關(guān)閉,最終導(dǎo)致自噬誘導(dǎo)[23];另一方面,ROS通過負(fù)調(diào)控AKT/TSC/mTOR通路水平參與誘導(dǎo)自噬:ROS通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激上調(diào)P53,參與調(diào)控調(diào)節(jié)自噬調(diào)制器(DRAM)、ULK1/2、sestrin1/2和bnip3,調(diào)節(jié)溶酶體蛋白DRAM1和ULK1/2與Atg13和FIP200相互作用,或通過 Sestrin1和2激活A(yù)MPK和TSC1/2復(fù)合物導(dǎo)致mTORC1失活,激活細(xì)胞自噬[23-24]。在ROS誘導(dǎo)自噬的過程中,鈣離子在其中也起著關(guān)鍵作用。研究表明,ROS通過升高鈣離子信號,以CaMKK和ampk依賴方式抑制mTOR活性并增加AMP/ATP比值、激活A(yù)MPK信號,介導(dǎo)細(xì)胞自噬誘導(dǎo)[25]。Mol抗凋亡Bcl-2蛋白是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)水平Ca2+誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,在ER產(chǎn)生過量ROS靶向方式誘導(dǎo)下,Bcl-2過表達(dá)抑制線粒體IP3Rs-Bcl-2-Beclin-1信號通路,降低Ca2+誘導(dǎo)的自噬[26]。ROS誘導(dǎo)的DNA損傷與細(xì)胞自噬亦息息相關(guān)。ROS造成DNA損傷,使ALFY從細(xì)胞核被擠壓到細(xì)胞質(zhì),并以質(zhì)核穿梭的方式與p62小體相互作用,誘導(dǎo)自噬[27]。ROS可直接影響線粒體及核內(nèi)DNA的突變與復(fù)制,也可通過影響細(xì)胞代謝或者相關(guān)信號通路誘導(dǎo)DNA損傷。有報道稱,輻射產(chǎn)生的ROS導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)容量損壞,抑制RPA-DNA結(jié)合蛋白合成,直接損傷DNA功能[28];氧化應(yīng)激可通過抑制與ulk1相互作用的蛋白FIP200引起DNA損傷反應(yīng)(DDR)[29]。
綜上所述,ROS在細(xì)胞凋亡與自噬的調(diào)節(jié)過程中起到了重要且不可替代的作用。ROS、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、鈣離子信號改變在誘導(dǎo)細(xì)胞自噬與凋亡中起著級聯(lián)作用[30]。根據(jù)氧化還原密碼第二原則,即“蛋白組的氧化還原在動力學(xué)上由硫開關(guān)聯(lián)系的 NAD 和 NADP系統(tǒng)調(diào)控”,ROS在其中起到了重要作用[31]。ROS導(dǎo)致氧化還原平衡被破壞,蛋白質(zhì)被氧化,酶、膜轉(zhuǎn)運蛋白、調(diào)節(jié)蛋白的功能喪失。蛋白的積聚與ROS影響蛋白(包括蛋白水解酶)轉(zhuǎn)錄、翻譯水平,及影響蛋白水解酶活性有關(guān)[32]。ROS造成的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,可在Caspase家族蛋白協(xié)助下,通過UPR途徑減緩損傷,而長期ROS的壓迫,氧化蛋白在細(xì)胞內(nèi)積聚,激活ERS系統(tǒng),介導(dǎo)細(xì)胞凋亡與自噬[33]。ROS誘導(dǎo)的細(xì)胞質(zhì)Ca2+內(nèi)流升高,起源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或細(xì)胞外環(huán)境,接著被線粒體緩沖。然而,持續(xù)升高的鈣離子超過線粒體的緩沖能力而在細(xì)胞質(zhì)中積累,介導(dǎo)細(xì)胞凋亡與自噬誘導(dǎo)[34]。
研究表明,干細(xì)胞的ROS水平遠(yuǎn)低于其較成熟的后代,ROS的差異對于維持干細(xì)胞功能至關(guān)重要[35]。而輻射誘導(dǎo)的高濃度ROS無論從功能上或是數(shù)量上均造成了皮膚干細(xì)胞及祖細(xì)胞的丟失,不足以分化成足夠的功能性細(xì)胞以維持皮膚輻射后生理需求。Manda等人提出,無論是高劑量還是低劑量的任何種類輻射都會影響干細(xì)胞的增殖、周期與衰老誘導(dǎo)[36]。放射性刺激后干細(xì)胞迅速受損,增殖能力減弱;3天后細(xì)胞凋亡率能達(dá)到正常干細(xì)胞的3倍;而輻射導(dǎo)致的干細(xì)胞DNA損傷可以維持?jǐn)?shù)月。輻射對干細(xì)胞及成熟細(xì)胞生理功能的影響可能存在極其相似的分子學(xué)過程,ROS的介導(dǎo)與其密不可分。電離輻射刺激會影響干細(xì)胞的凋亡率和分化能力,從而降低成熟細(xì)胞的生成率[37]。研究表明輻射通過改變ROS水平干預(yù)干細(xì)胞的增殖、凋亡及分布,其損傷機(jī)制可能與PPAR、P53、TNF水平有關(guān)[38]。Kumar等人[39]表明重離子輻射通過ROS的累積與DNA損傷的不斷增加影響干細(xì)胞中SASP的表達(dá)調(diào)控細(xì)胞衰老。Rodrigues-Moreira等人[40]發(fā)現(xiàn)輻射能對干細(xì)胞造成長期不利的影響,其機(jī)制為低劑量輻射持續(xù)刺激產(chǎn)生的活性氧通過Keap1/Nrf2抗氧化途徑激活造血干細(xì)胞自噬。
體液間細(xì)胞相互作用方式不外乎這三種:(1)直接接觸;(2)借助信號分子間接接觸;(3)相鄰細(xì)胞借助特殊通道進(jìn)行接觸。ROS作為信號分子的一種,在細(xì)胞間相互影響的過程中,起到一個信號分子的作用。而其促進(jìn)細(xì)胞間直接接觸或者特殊通道打開的相關(guān)研究甚少。因此ROS通過借助信號分子間接接觸來干預(yù)輻射損傷。輻射損傷后ROS主要以下兩方面干預(yù)皮膚損傷:(1)炎癥微環(huán)境的改變;(2)旁效應(yīng)。
研究表明,輻射暴露顯著增加的過氧化物與免疫改變呈輻射劑量依賴:輻射暴露后,人體內(nèi)過氧化物、IL-6、IL-1a、MIP-1a顯著升高,其機(jī)制離不開輻射產(chǎn)生的ROS誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[41]。長期慢性的炎癥反應(yīng)疾病進(jìn)展中,ROS充當(dāng)著核心角色,其不單是一種炎癥信號分子,也是一種炎癥介質(zhì)[15]。一方面,輻射損傷后皮膚組織內(nèi)產(chǎn)生的ROS作為信號分子促進(jìn)炎癥相關(guān)因子活化并激活炎癥反應(yīng)。細(xì)胞因子和趨化因子的級聯(lián)反應(yīng)及輻射強(qiáng)刺激是導(dǎo)致放射性皮膚損傷慢性病程及嚴(yán)重?fù)p傷的重要原因。在皮膚細(xì)胞反應(yīng)中,IL-1、IL-6、TNF-a、TGF-b等細(xì)胞因子尤為重要。研究表明ROS可參與激活NF-KB、p38 MAPK信號通路,從而刺激多種炎癥因子表達(dá),包括IL-1b、IL-6、硫氧還蛋白、超氧化物歧化酶等[42]。TGF-β與ROS之間存在著一定的反饋調(diào)節(jié):Escin 1α發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的過程中依靠ROS依賴的HIF-1α/TGF-β/MMPs信號通路;TGF-β的激活可以增加mtROS水平,抑制TGF-β轉(zhuǎn)導(dǎo)亦能降低mtROS而降低DNA損傷[43-44]。而mtROS亦可作用于TNF-1受體參與炎癥信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[45]。ROS通過MAPK信號通路調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激:ROS的產(chǎn)生導(dǎo)致p38 mapk去磷酸化,磷酸化p38 mapk和RAC2通過相互反饋調(diào)節(jié)途徑GO期細(xì)胞輻射損傷[46]。
另一方面,免疫細(xì)胞與ROS息息相關(guān)。免疫細(xì)胞通過ROS的合成發(fā)揮抗炎及組織修復(fù)的作用,其NADPH氧化酶活性及其產(chǎn)生的ROS是宿主防御的關(guān)鍵[5,47]。在NADPH氧化酶的作用下,巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的激活導(dǎo)致大量超氧陰離子自由基及其衍生物釋放活性氧[48]。ROS亦影響巨噬細(xì)胞的生物學(xué)功能。吞噬性NADPH氧化酶(Nox2)來源于巨噬細(xì)胞,其作為一種新型胞內(nèi)ROS通過MEK1/ERK途徑促進(jìn)巨噬細(xì)胞死亡[49]。有研究表明:血管擴(kuò)張突變激酶(ATM)的活化是電離輻射誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞活化所必需的;ROS的產(chǎn)生是ATM激活的上游環(huán)節(jié);ROS的破壞會直接損傷巨噬細(xì)胞促炎機(jī)制的激活[50]。ROS亦參與雙向ERK激活影響巨噬細(xì)胞分化[49]。與此同時,ROS干預(yù)免疫細(xì)胞的生理學(xué)功能:促進(jìn)巨噬細(xì)胞釋放HMG1等蛋白調(diào)節(jié)白細(xì)胞黏附分子表達(dá);引導(dǎo)中性粒細(xì)胞遷移;激活免疫細(xì)胞氧化還原信號感受器等[14]。
輻射誘導(dǎo)的旁效應(yīng)(RIBE)已成為放射學(xué)的新教條,其介導(dǎo)了DNA損傷、細(xì)胞殺傷、未輻射細(xì)胞的基因表達(dá)及基因突變等生物學(xué)變化。放射性皮膚損傷中,損傷范圍大、深度廣、病程長、遷延不愈等均與RIBE息息相關(guān)。ROS作為一種信號因子,亦可通過RIBE途徑調(diào)節(jié)相應(yīng)信號通路發(fā)揮其生物學(xué)功能[51]。研究表明,RIBE效應(yīng)導(dǎo)致未輻射的MRC-5細(xì)胞內(nèi)ROS顯著增加,介導(dǎo)線粒體活化[52];輻射誘導(dǎo)的基因突變可能與線粒體中產(chǎn)生活性氧介導(dǎo)的RIBE有關(guān)[53]。在表觀遺傳學(xué)上被DNA甲基化和組蛋白修飾沉默多聚P35S:GUS通過RIBE轉(zhuǎn)錄激活;活性氧(ROS)清除劑二甲基亞砜(DMSO)可顯著抑制轉(zhuǎn)錄激活,表明ROS在RIBE介導(dǎo)的表觀遺傳變化中起關(guān)鍵作用[54]。
臨床治療中,目前針對放射性皮膚損傷的藥物仍不明確,但是抗氧化治療的臨床使用和科研探究從未中斷。傳統(tǒng)意義上抗氧化劑的選擇包括以下幾類:(1)MnSOD為代表的超氧化物歧化酶家族;(2)以Tempol為代表的N2O類化合物及衍生物;(3)依布硒為代表的小分子化合物;(4)大豆異黃酮為代表的天然化合物[55]。近年來,對抗氧化物在放射性損傷的臨床應(yīng)用及基礎(chǔ)研究亦層出不窮。
Yuan等人[21]指出活性氧清除劑N-乙酰半胱氨酸能顯著抑制輻射刺激后的細(xì)胞毒性和細(xì)胞自噬;小劑量長期輻射刺激后線粒體產(chǎn)生的ROS對細(xì)胞周期AKT-/cyclind1信號通路有干擾作用,而抗氧化劑N-乙酰-L-半胱氨酸和線粒體靶向抗氧化劑Mito-TEMPO能有效減輕這種輻射損傷[56]。Mn3O4納米粒子(NPs)、CeO2納米酶等能有效的清除劑體內(nèi)ROS水平減輕輻射損傷[57]。
18β-甘草次酸(18β-GA)通過降低巨噬細(xì)胞內(nèi)ROS在放射性皮膚損傷中發(fā)揮抗炎抗氧化作用[42]。二氫煙酰胺(Mito-N)能有效利用線粒體膜電位變化清除累積的ROS減輕輻射對電子傳遞鏈的損傷[58]。未改性的水合c-c富勒烯分子(CUHFM)在電離輻射作用下能減少水中ROS和DNA中8-氧代胍的生成,從而降低輻照小鼠DNA與染色體斷裂,有效降低輻射損傷[59]。
迷迭香酸衍生物(Mito-RA)可以通過阻止ROS在線粒體中積累,減輕輻射誘導(dǎo)的氧化損傷[60]。香蘭素衍生物(VND3207)通過DNA-PKcs途徑有效發(fā)揮輻射后的抗氧化及抗突變作用[61]。
ROS在放射性皮膚損傷的發(fā)展中起著重要作用,包括基礎(chǔ)研究、臨床預(yù)防及治療等各個方面。對該病程中ROS的產(chǎn)生、反應(yīng)機(jī)制、靶向治療等方面進(jìn)行研究,有助于我們更好地了解正常皮膚細(xì)胞、相關(guān)干細(xì)胞及組細(xì)胞、炎癥細(xì)胞之間的相互作用機(jī)制,幫助我們正確處理這些過程中ROS帶來的不良影響,并為治療放射性皮膚損傷尋找新靶點。