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5-氮杂胞苷对肿瘤抑制作用研究

2024-04-24 108 上传者：管理员

摘要：DNA甲基化异常是肿瘤发生发展的重要机制之一。DNA甲基化是建立和维持组织特异性基因表达的核心，也是调控基因表达的机制，对肿瘤的发生起着重要作用，尤其是抑癌基因高甲基化的异常状态，在肿瘤的发生、诊断、鉴别、预后、治疗等方面具有重要意义。此外，DNA甲基化与去甲基化是可逆的过程。5-氮杂胞苷(5-Azacytidine)通过抑制DNA甲基转移酶，降低高甲基化抑癌基因的甲基化水平，从而达到肿瘤治疗的目标。5-氮杂胞苷在白血病、骨髓增生异常综合征、前驱性骨髓细胞肿瘤和实体肿瘤中，通过DNA去甲基化作用抑制细胞增殖，促使细胞分化，具有治疗潜力，但其生物利用度低且长期使用可能引起DNA损伤和细胞毒性，因此需要寻找更好的给药方法和剂量调控策略，以验证和优化其抗肿瘤疗效并推动临床应用。

关键词：
5-氮杂胞苷
DNA甲基化
抗肿瘤
甲基化水平
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肿瘤是一种严重影响人类健康的疾病，当前其治疗效果仍不尽如人意，因此需要寻找更加高效和安全的治疗策略。研究发现DNA甲基化异常在肿瘤发展中起到了重要的作用[1]。DNA甲基化是通过将甲基(CH3)基团连接到DNA分子上的过程，这种修饰可以影响基因的表达模式，因此引发了细胞功能异常以及肿瘤的生成。因此，调控DNA甲基化状态成为治疗肿瘤的一种重要策略。通过抑制DNA甲基转移酶(DNMTs)的活性，可以降低DNA的甲基化水平，从而恢复抑癌基因的表达和功能。在这方面，5-氮杂胞苷(5-Azacytidine)作为一种DNMTs抑制剂，在肿瘤治疗中引起了广泛的研究兴趣。

5-氮杂胞苷通过靶向抑制DNA甲基化转移酶，导致DNA合成的甲基化水平降低，并使最初沉默的基因重新激活。5-Aza包括5-氮杂胞嘧啶核苷(5-Aza-CR)和5-氮杂脱氧胞苷(5-Aza-CdR)两种DNA甲基化抑制剂，通过重新激活因启动子高甲基化而失活的肿瘤抑制基因达到治疗肿瘤的效果。5-氮杂胞苷在多种肿瘤中均有抑制作用，本文综述5-氮杂胞苷与肿瘤相关的最新研究进展，包括其化学结构、作用机制、临床应用以及未来的研究方向。

1、5-氮杂胞苷的结构和化学特性

5-氮杂胞苷于1968年首次报道用于白血病的治疗[2]。经对体外培养的癌细胞的实验证明，它具有广泛的抗代谢活性，是一种有效的急性髓系白血病化疗药物。然而，批准5-Aza-CdR作为癌症治疗的治疗剂经过了很长时间[3,4]。由于5-氮杂胞苷被整合到DNA中，并且当它存在于DNA中时才能抑制DNA甲基化。特定基因区域甲基化缺失与相关基因激活之间存在相关性[5]。5-Aza-CdR是甲基化基因沉默表达的主要机制[6]。5-Aza作为一种治疗关键调控基因发生表观遗传沉默的癌症的药物，现在又重新引起了人们的兴趣。

1.1 5-Aza-CR

5-Aza-CR可用于治疗不适合做骨髓干细胞异体移植的高危MDS患者[7]。5-Aza-CR对RNA代谢的瞬即效应可能间接导致许多早期信号通路受到干扰，直接影响蛋白质合成或显著降低miRNA和长链ncRNA的表达。邱显宁等[8]研究发现这两种药物都可以导致编码和非编码RNA表达的显著变化。两种药物以不同的方式调节NFκB信号通路，在P39细胞系中的生物学差异主要在第2天，5-Aza-CR可以上调相关的癌基因的表达。目前尚不清楚这些差异是否与两种药物临床疗效的差异有关[9,10,11]。

1.2 5-Aza-CdR

5-Aza-CdR是一种前药，是2′-脱氧胞嘧啶第5位碳置换为氮得到的一种嘧啶类似物，如图1所示。它的分子量为228.2,药理活性形式是β异构体。在pH 7的水溶液中，紫外吸收最大值为244 nm, 分子消光系数为6 355。5-Aza-CdR具有一定的化学不稳定性，在碱性溶液中，5-胞嘧啶环的1-6位之间发生快速可逆裂解。在pH 7条件下，5-Aza-CdR在12 ℃的分解半衰期为4 d, 37 ℃的分解半衰期为12 h。在pH 6.8～7.0的磷酸盐溶液中，并在5～10 ℃下储存8 h, 5-Aza-CdR的分解率不到2%。

5-Aza-CdR是一种S相特异性试剂，需要脱氧胞苷激酶的代谢激活。细胞中的活性抑制剂是其三磷酸形式(5Aza-dCTP),它很容易结合到脱氧核糖核酸中，产生对脱氧核糖核酸甲基转移酶的抑制。在DNA复制的分子合成阶段，5-Aza-CdR与DNMT形成共价复合物，抑制该酶的转移活性，进而形成低甲基化的子链。通过甲基化作用，促使含有启动子CpG岛的抑制肿瘤基因重新表达，从而恢复其抗肿瘤作用。这种类似物在微摩尔范围内的浓度下，还可以诱导人类白血病细胞发生终末分化并失去克隆能力。耐药性主要是由于脱氧胞苷激酶活性降低或胞苷脱氨酶活性增加，导致5-Aza-CdR类似物失去活性。

2、5-氮杂胞苷的作用

2.1 调节DNA甲基化水平

5-Aza通过共价结合半胱氨酸残基以阻断DNMT的功能，是一种有效的癌症预防和治疗药物[12,13,14]。肿瘤与基因代谢异常有关，如肺癌的发生发展与原癌基因过度表达及染色体稳定性降低相关，整个基因组的甲基化水平降低，从而导致癌症的基因活性和基因组变异[15]。研究表明，由于表观遗传状态的改变，5-Aza-CdR可以使结直肠癌细胞周期停滞和细胞死亡[16]。DNMTs介导着胞嘧啶的甲基化反应，通过催化将甲基从S腺苷甲硫氨酸转移到胞嘧啶上。CpG岛是一个DNA片段，其CpG密度高于其他基因组，通常不会被甲基化，这可能与基因启动子有关。甲基化多数发生在鸟嘌呤之前的胞嘧啶残基，而高度甲基化的CpG岛通常保持基因的稳定性。

图1 胞苷及其5-氮杂类似物的结构

5-Aza通过抑制低浓度DNMTs的表达和激活在去甲基化过程中起主要作用[17]。DNA甲基化是基因表达的调节机制，甲基化和去甲基化是可逆的。基因启动子区的CpG岛的高甲基化，抑制凋亡肿瘤和细胞周期基因，减少或沉默其表达，削弱或失去相关功能，并发生癌症[18,19];DNA甲基化可使病毒元件和转座元件沉默，阻止潜在危险基因元素的表达。Masumeh等[5]报道5-Aza-CdR可上调p21的表达，p27和p57基因，从而增强结肠癌细胞的凋亡和细胞生长抑制。Liu等[20]已发现5-Aza-CdR可抑制HXO-RB44视网膜母细胞瘤细胞的生长和增殖。Nikbakht等[21]已发现5-Aza-CdR可通过激活RASSF1A和上调Bax基因诱导人胰腺癌细胞系的死亡和凋亡。5-Aza-CdR的作用已在口腔鳞癌、膀胱癌、胰腺癌、肺腺癌、子宫内膜癌中进行了研究[7,22,23,24]。

2.2 影响细胞周期

通过抑制DNA甲基转移酶活性，5-Aza对肿瘤细胞的周期和凋亡产生影响。在细胞G0/G1期，异常表达的DNMT1可以沉默肿瘤抑制基因，抑制正常的阻断信号，并导致癌细胞失控生长。同时，抑制DNMT1活性可以降低抑制基因的甲基化水平，促进其再表达，逆转恶性肿瘤的表型。作为甲基转移酶的抑制剂，5-Aza-CdR可以有效地降低DNMTs的表达和活性，从而对细胞增殖、周期性和凋亡产生影响[25]。

在5-aza-CR治疗MDS初发患者的研究表明，即使通过基于PCR的分析，在治疗15天只上调了少数肿瘤抑制基因的表达，4个疗程后肿瘤抑制基因表达的上调不能作为疗效的指标[2];Fang等[26]报道，Daudi细胞系在用5-Aza-CdR(2 μmol/L)处理24 h后在S期被阻滞；田小莉等[25]以5-Aza-CdR(5 μmol/L或20 μmol/L)处理HT22细胞24 h后，观察到HT22细胞被阻滞在S期，这表明5-Aza-CdR具有阻滞细胞周期的能力，导致细胞停止增殖；Maslov等[27]使用5-Aza-CdR处理人食管鳞状癌细胞系，发现KLF4因子上调诱导S期细胞凋亡和细胞周期阻滞；Ramos等[28]发现5-Aza-CdR在DNA骨架的整合过程中可以使DNMTs活性丧失；Zhang等[29]研究在胶质母细胞瘤和神经母细胞瘤NG108-15的混合细胞系中，5-Aza-CdR(10 μmol/L)可导致细胞增殖完全停滞，并降低DNMT1、DNMT3a和DNMT3b的表达；Pan等[22]报道，5-Aza-CdR和大黄素的组合可以通过降低DNMT1和DNMT3a的表达，增加胰腺癌细胞系(PANC-1)中抑癌基因pl6、RASSF1A和PPENK的去甲基化。

3、5-氮杂胞苷在临床上的应用

3.1 白血病

5-氮杂胞苷已被证实在急性和慢性髓系白血病的治疗中具有潜力[30]。其通过DNA去甲基化作用抑制了白血病细胞的增殖，并促使其向成熟细胞分化，从而达到抗癌的效果。

3.2 骨髓增生异常综合征

骨髓增生异常综合征是一种克隆性疾病，其特征在于骨髓造血功能障碍和血细胞异常。研究表明，5-氮杂胞苷可通过DNA去甲基化作用以恢复造血功能正常与减少血细胞异常为目标，进而提升患者的生存率和生活质量[31]。

3.3 前驱性骨髓细胞肿瘤

前驱性骨髓细胞肿瘤(AML)是一种造血干细胞增殖过程异常的恶性肿瘤。研究显示，5-氮杂胞苷通过DNA去甲基化的作用能够促使AML细胞向成熟细胞分化，并抑制其增殖能力，从而达到治疗效果[32]。

3.4 在实体肿瘤中的潜在应用前景

除了在血液系统恶性肿瘤中的应用外，5-氮杂胞苷还显示出在某些实体肿瘤治疗中的潜在应用前景。例如，在非小细胞肺癌和胰腺癌等肿瘤中，5-氮杂胞苷可通过DNA去甲基化作用来抑制肿瘤细胞的增殖和诱导其凋亡，从而显示出一定的抗肿瘤效果[33]。

3.5 临床应用中的挑战

尽管5-氮杂胞苷在肿瘤治疗中显示出潜力，但其在临床应用中仍存在一些挑战[34]。首先，5-氮杂胞苷的生物利用度较低，需要通过专门的给药途径以提高其抗肿瘤效果。其次，长期使用5-氮杂胞苷可能会导致DNA损伤和细胞毒性。因此，寻找更好的给药方法和剂量调控策略是未来研究的重点。

4、总结与展望

在肿瘤的发生和发展过程中，肿瘤细胞的整个基因组发生了低甲基化的现象，而同时少数基因被高甲基化，包括DNA修复基因、细胞周期调节基因、血管生成抑制基因、抑癌基因、抑制肿瘤转移和浸润的基因等。5-Aza通过诱导高甲基化的抑癌基因去甲基化，使其重新转录发挥抑癌作用。综上所述，5-Aza可以诱导肿瘤抑制基因表达水平上调，激活肿瘤抑制基因是发挥药物活性的主要作用机制。DNA甲基化与肿瘤之间关联包括癌基因低甲基化和抑癌基因高甲基化，因而 5-Aza是肿瘤治疗有效的方式。未来的研究应致力于寻找更好的给药途径和剂量调控策略，进一步验证和优化5-氮杂胞苷的抗肿瘤疗效，并推动其在临床中的应用。

参考文献:

[6]陈华.5-Aza-CdR在白血病治疗中的应用[J].临床血液学杂志,2001,14(4):187-189.

[8]邱湘宁.DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷和5-氮杂-2′-脱氧胞苷对编码和非编码RNA表达的影响[D].长沙:中南大学,2010.

[25]田小莉,杨洁,杨静,等.5-氮杂-2′-脱氧胞苷对小鼠海马神经元细胞系HT22细胞DNA甲基转移酶表达和细胞周期的影响[J].解剖学杂志,2018,41(4):404-408.

[26]方建晨,苏祖兰,邱耕,等.淋巴瘤Daudi细胞SHP-1甲基化及5-杂氮脱氧胞苷抑制性效应的研究[J].中华血液学杂志,2006,27(10):670-674.

基金资助:国家自然科学基金(82060337,82071479,31860307);内蒙古自然科学基金(2020MS0807,02020MS08171);深圳市龙岗区医疗卫生科技计划项目(LGKCYLWS2021000033,LGKCYLWS2023025);深圳市科技计划计划项目基础研究面上项目(JCYJ20220531092412028,JCYJ20230807121306012);

文章来源:高冰,邵国.5-氮杂胞苷对肿瘤抑制作用研究[J].包头医学院学报,2024,40(04):87-90+96.