药物致红细胞凋亡的研究进展*

2017-03-06 17:52刘春秋,卞茂红
临床输血与检验 2017年4期
关键词:神经酰胺胞外氧化应激

·综述·

药物致红细胞凋亡的研究进展*

刘春秋 卞茂红

细胞核和线粒体在有核细胞的凋亡过程中发挥关键作用。红细胞没有细胞核和线粒体,红细胞主要通过胞质Ca2+浓度增加、活性氧增高、神经酰胺形成及蛋白磷酸化等机制而诱发凋亡,引起红细胞程序性死亡的相关分子发生级联反应,最终使红细胞被清除。红细胞凋亡可由多种外源性物质诱发,其中包括一些药物。临床上多种药物治疗的副作用之一是贫血,部分药物有致红细胞凋亡的作用。本文就临床药物致红细胞凋亡的研究进展做一综述。这将有助于进一步指导临床用药,减少药物副作用。

红细胞 红细胞凋亡 药物诱导 Ca2+

1 红细胞凋亡的机制 红细胞凋亡主要通过胞质 Ca2+浓度增加而触发,Ca2+能进一步激活翻转酶(scramblase)、钙蛋白酶(calpain)、Ca2+依赖性K+通道等,从而引起磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)转移到外膜、囊泡形成[4]和细胞皱缩[5],并触发一系列的信号分子级联反应,最终导致红细胞发生凋亡。其中膜表面磷脂酰丝氨酸是介导受损红细胞被吞噬细胞识别清除的重要因素。细胞周期依赖性蛋白激酶(The cyclin-dependent kinase 4,CDK4),通过对支配细胞增殖和死亡的基因进行调控转录而参与有核细胞的凋亡。经Lang等[6]证实CDK4确实存在于红细胞内,并参与对红细胞凋亡代谢的调控,CDK4蛋白激酶抑制剂Ⅱ、Ⅲ有明显减低红细胞凋亡的作用。

此外,红细胞在活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)、渗透冲击等外在因素的刺激下,促进血小板活化因子(platelet activating factor,PAF)的合成释放,PAF随后激活神经磷脂酶(sphingomyelinase)。该酶催化胞膜神经磷脂(sphingomyelin)产生神经酰胺(ceramide)。神经酰胺进一步激活胞内翻转酶,该酶催化存在于内膜的磷脂酰丝氨酸(PS)转位到外膜,使磷脂酰丝氨酸暴露,即PS外翻,诱导红细胞凋亡[7]。这一机制独立于由Ca2+离子引发的翻转酶作用机制,对Ca2+内流增加、促进红细胞凋亡起到协同效应。

2 致红细胞凋亡的药物

2.1 抗肿瘤药物 诱导细胞凋亡是大多数抗肿瘤治疗的主要机制。细胞凋亡通路可以通过不同途径被激活,如死亡受体途径或线粒体途径,两种途径最终引起效应Caspase的激活。部分肿瘤药物同样能引起红细胞凋亡,出现抗肿瘤药物治疗的副作用之一—贫血。紫杉醇属于细胞抑制剂的一种抗肿瘤药,副作用包括贫血。癌症患者接受该药物治疗后出现贫血现象,体内红细胞表现为PS外翻率增高和红细胞体积降低等;在体外,红细胞与其孵育后也出现凋亡现象,且伴神经酰胺及钙蛋白酶活性增加,此种凋亡现象与同类抗肿瘤药物多西他赛类似。紫杉醇致贫血可能是由于其诱导红细胞凋亡的结果[8]。红细胞在与顺铂体外实验中出现细胞凋亡现象,其凋亡机制主要是通过胞外Ca2+内流[9]。用于治疗晚期乳腺癌的拉帕替尼,副作用之一是贫血。体外实验证实该药物有致红细胞凋亡现象,然而胞内Ca2+的活动度却随着药物浓度增加呈轻微下降的趋势。另外在细胞外缺乏Ca2+的情况下,PS外翻率仍明显增加,表明该药致红细胞凋亡并不依赖Ca2+的内流[10]。 拓扑替康通过影响拓扑异构酶I的正常功能而抑制快速分裂细胞的复制,属于一种广谱抗肿瘤药,其致红细胞凋亡的机制与细胞Ca2+内流的增加及神经酰胺的形成有关[11]。

作为治疗转移性结直肠癌的药物奥沙利铂,红细胞与其作用后出现凋亡现象。体外实验解释了该药物致红细胞凋亡主要依赖于ROS增加而不是Ca2+内流,主要源于在胞外无Ca2+的情况下,PS外翻率反而比胞外富Ca2+时增加,且在加入抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸后,PS外翻率明显降低[12]。斑螯素最初用于某些皮肤病的治疗,近期因发现其能诱导多种肿瘤细胞凋亡而用于肿瘤治疗。该药诱导肿瘤细胞凋亡主要由于线粒体介导的氧化应激增加。它同样也能诱导红细胞凋亡,其机制主要通过蛋白磷酸化而不是通过Ca2+内流。试验中红细胞在蛋白激酶抑制剂十字孢碱存在时,PS外翻被完全抑制,且在胞外乏Ca2+情况下,PS外翻率未见明显变化[13]。卡氮芥主要通过促进Ca2+内流诱导红细胞凋亡[14],其与治疗肾上腺皮质瘤的一线药物米托坦致红细胞凋亡机制相似[15]。索拉菲尼广泛应用于肝细胞癌及肾细胞癌的治疗,副作用包括贫血。体内实验表明肝细胞癌患者索拉菲尼治疗后较治疗前红细胞PS外翻率明显增高。体外实验也证实了红细胞与其作用后出现凋亡现象,且ROS明显增加。即索拉菲尼作为化疗药物的使用有致红细胞凋亡的作用[16]。

曲奥舒凡临床主要用于卵巢癌的姑息治疗,也用于肿瘤切除手术后的辅助治疗,副作用包括贫血。红细胞与其作用后出现明显红细胞凋亡现象,且实验证实曲奥舒凡致红细胞凋亡主要通过Ca2+内流及氧化应激增加[17]。甘草查而酮A是胀果甘草中提取的有效成分,具有诱导肿瘤细胞凋亡作用,用于肿瘤治疗。甘草查而酮A与红细胞作用较短时间内即出现明显的凋亡现象,伴神经酰胺大量形成,红细胞体积呈U型曲线分布,即在药物浓度较低和较高时呈增大趋势,且溶血现象明显。Lang等[18]实验发现该药引起红细胞膜磷脂酰丝氨酸翻转并不依赖于胞外Ca2+浓度,其对PS外翻率无明显影响,该药致凋亡主要通过神经酰胺的大量形成[18]。岩藻黄质近年来研究发现具有抗肿瘤作用,能诱导肿瘤细胞凋亡。红细胞与一定浓度的该药物作用后,不仅引起红细胞凋亡现象,还出现小红细胞及大红细胞比例增加,即有向两极分化趋势。该药物致红细胞凋亡主要是通过其代谢产物岩藻黄醇发挥作用,且致凋亡的机制部分是通过胞外Ca2+内流[19]。白皮杉醇是白藜芦醇的一个类似物,是一种具有抗白血病活性的植物代谢药。白皮杉醇在介导促肿瘤细胞凋亡上,通过线粒体去极化和细胞色素C的释放。红细胞虽缺乏线粒体,但也可进入自杀死亡或凋亡,其特点通过细胞收缩和细胞膜内层磷脂酰丝氨酸易位于红细胞表面。该药物涉及触发红细胞凋亡机制是通过胞外Ca2+内流、氧化应激和神经酰胺形成[20]。盐酸帕唑帕尼作为多靶点酪氨酸激酶抑制剂,对包括肾癌在内的几种肿瘤均有活性,其毒性较小且药代动力学性质良好,可诱导肿瘤细胞凋亡,其与红细胞作用后导致红细胞凋亡增加,促凋亡机制主要通过Ca2+内流增加、氧化应激、神经酰胺形成等途径[21]。瑞格非尼是一种新型的多激酶抑制剂,可阻断促进肿瘤生长的多种酶,美国FDA已于2012年批准其用于治疗转移性结直肠癌。该药与红细胞作用后出现凋亡率明显增加,红细胞体积明显降低的凋亡现象。对钙离子有高亲和力的离子载体—钙离子霉素,其可以使Ca2+易于从胞外进入胞内,或从细胞内的钙库释放到细胞外,钙离子霉素的凋亡率对照实验进一步验证Ca2+内流是其主要致红细胞凋亡的机制[22]。微管组装抑制剂诺考达唑是一种抗肿瘤药物,通过使微管解聚发挥作用。微管对于细胞进入有丝分裂时期至关重要,通过干扰微管的聚合,从而使细胞停留在细胞周期的G2/M 期。诺考达唑在诱导红细胞凋亡上主要通过Ca2+内流、神经酰胺形成、氧化应激等途径[23]。药物作用后,通过流式细胞术和共聚焦显微镜观察到红细胞微管蛋白荧光降低,这种效应是否有助于凋亡的增加,目前仍然不确定。

2.2 抗细菌类药物 利福平是一种用于治疗肺结核的药物,副作用包括溶血性贫血。利福平诱导红细胞凋亡机制主要通过胞外Ca2+内流及神经酰胺的形成[24]。氯法齐明作为抗结核分枝杆菌的药物,红细胞与其作用后凋亡率明显增加,并出现胞内ATP耗损及Ca2+浓度明显增加;当加入阿的平(磷脂酶A2抑制剂)后,红细胞凋亡率明显降低。其结果表明氯法齐明诱导凋亡的机制部分通过Ca2+内流,并伴有胞内能量损耗及对磷脂酶A2的敏感性增加[25]。

皮抑菌肽是一个抗菌多肽,参与抵御病原体。通过与靶细胞膜的接触,使靶细胞膜通透性增加,诱发细胞溶解。体外实验解释了红细胞与其作用后出现凋亡现象是由于胞外Ca2+内流[26]。恩镰孢菌素A也是一类抗菌多肽,可致线粒体功能紊乱从而诱导有核细胞凋亡。尽管红细胞缺乏大量细胞器,但红细胞与该药物作用后仍出现凋亡现象并伴有ATP浓度降低;在移除胞外Ca2+及使用阳离子通道抑制剂阿米洛利时凋亡率均降低。实验证实了该药物诱导红细胞凋亡主要通过胞外Ca2+内流及能量损耗[27]。苯乙铵是一种具有表面活性作用的抗菌药物,常用于防腐、局部创伤处理及口腔消毒等。实验证实红细胞与其作用后出现凋亡现象是由于该药物提高了红细胞对能量消耗的敏感性,从而诱导红细胞凋亡[28]。特非那定是一类抗组胺药,主要用于治疗过敏性鼻炎,急、慢性荨麻疹等,其诱导红细胞凋亡[29]的主要机制是通过细胞外Ca2+内流介导,并进一步经钙离子霉素对照实验验证Ca2+内流是其主要诱导凋亡机制。

2.3 抗真菌类药物 制霉菌素是一类抗真菌的离子载体,红细胞与其作用后出现凋亡现象。其机制可能是该药物通过增加K+、Na+的膜通透性从而改变相应离子的浓度梯度,导致胞内Ca2+累积诱导凋亡[30]。烟曲霉素是从烟曲霉菌中获得的,有抗真菌感染及抗肿瘤作用。该药物致凋亡的机制与胞外Ca2+内流、神经酰胺形成有关[31]。抗真菌剂卡泊芬净可触发真菌细胞凋亡,用于经验性治疗粒细胞减少、伴发热患者的可疑真菌治疗感染,对其他治疗无效或不能耐受的侵袭性曲霉菌病。此外,卡泊芬净对机体线粒体是有毒性的。即使对于缺乏线粒体的红细胞来说,卡泊芬净也可促使红细胞发生凋亡,并出现细胞体积降低、溶血明显、凋亡率增加等。卡泊芬净诱导的红细胞凋亡很大部分由细胞外Ca2+内流之外的机制触发。卡泊芬净在酪蛋白激酶抑制剂D4476存在下凋亡率显著降低。然而,即使在D4476的存在下,卡泊芬净也显著增加了胞膜磷脂酰丝氨酸的外露,另一方面说明了酪蛋白激酶参与了凋亡机制[32]。

2.4 抗病毒药物 依法韦仑是一类逆转录酶抑制剂,用于治疗HIV感染,可诱发细胞凋亡,副作用之一是贫血。其诱导凋亡的机制主要与胞外Ca2+内流、P38及酪蛋白激酶的活性有关[33]。沙奎那韦作为第一个上市治疗艾滋病的蛋白酶抑制剂,该药物通过诱导有核细胞凋亡发挥作用,长期使用可能会造成机体贫血。红细胞与其作用后出现凋亡现象并伴氧化应激增加。氧化应激可激活Ca2+通透的阳离子通道触发Ca2+内流,该药诱导凋亡的机制主要通过氧化应激及胞外Ca2+内流[34]。其诱导凋亡机制与其他两种蛋白酶抑制剂奈非那韦[35]及度鲁特韦[36]一致。病毒整合酶抑制剂度鲁特韦在诱导红细胞凋亡方面主要通过胞外Ca2+内流、神经酰胺合成、氧化应激途径,且在蛋白激酶C抑制剂十字孢碱、P38抑制剂SB203580、酪蛋白激酶抑制剂D4476及胰蛋白酶抑制剂zVAD的存在下,PS无明显变化,排除以上激酶激活对红细胞凋亡的影响。

2.5 抗寄生虫药物 米替福新是一类抗寄生虫的烷基磷酸胆碱类药物,是该类唯一的口服药物,用于治疗内脏和皮肤的利什曼病。该药物致红细胞凋亡在移除胞外Ca2+后,凋亡率明显降低。这表明该药物诱导红细胞凋亡主要通过胞外Ca2+内流增加[37]。甲氟喹也是一种抗疟药,可刺激有核细胞凋亡。体外实验中,红细胞与其作用后凋亡率明显增高,证实其诱导凋亡机制主要与氧化应激增加、胞外Ca2+内流及神经酰胺形成有关[38]。

2.6 抗风湿药物 金诺芬是一种抗风湿类药物,临床上用于治疗成人典型或活动性类风湿关节炎。红细胞与其作用后短时间内即有明显的凋亡特征,该药物诱导凋亡的机制主要与氧化应激增加有关[39]。具有类似抗风湿治疗作用的舒林酸也可诱导红细胞凋亡,实验中红细胞与其作用后出现神经酰胺的大量形成及微弱溶血。该药致红细胞凋亡的机制主要为Ca2+内流及神经酰胺的形成[40]。

3 结束语及展望 目前主要是通过对疾病、内源性因子或外源性毒素等引起的红细胞异常凋亡现象的研究来揭示凋亡机制。致红细胞凋亡有多种机制,据上述药物诱导红细胞凋亡机制得出大多数通过胞外Ca2+内流,细胞胞质Ca2+活性增加,未来研究将进一步发现红细胞凋亡的激活、抑制因素及相关的信号通路,深入探讨药物致红细胞凋亡的机制对于提高药物疗效、减少药物副作用具有重要意义。

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R556.9

A

1671-2587(2017)04-0409-05红细胞凋亡是红细胞正常生理进程中受到内外因素的刺激而发生一系列分子作用的程序化过程,即程序性死亡(凋亡)[1],这些内外因素如氧化应激、渗透冲击、外源性药物、内源性物质、重金属中毒及能量供给不足等。红细胞凋亡增加,多见于糖尿病、恶性肿瘤、高胆红素血症、败血症、慢性肾功能不全、溶血性尿毒溶血症、脱水休克、疟疾、镰状细胞性贫血、地中海贫血、遗传性球形红细胞症、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏(G6PD)及阵发性睡眠性血红蛋白尿等[2]疾病。通过这些临床疾病及内外因素对红细胞凋亡进展影响所进行的观察及研究表明:不同条件下引发的红细胞程序性死亡过程,有一定程度的相似生理行为表现及共同的信号分子参与,如红细胞收缩、膜表面囊泡化加剧、内膜发生翻转、磷脂酰丝氨酸暴露、胞质Ca2+浓度增高、神经酰胺形成等,对于这一类现象的解释,Lang[3]等学者提出eryptosis一词用来定义红细胞凋亡。外源性药物的广泛使用,尤其抗肿瘤药物,在诱导肿瘤细胞凋亡的同时也引起自身红细胞凋亡增加,凋亡红细胞被吞噬细胞特异性识别、吞噬、清除,从而引起贫血等副作用。因此探究药物诱导红细胞凋亡的机制,其凋亡机制的揭示对进一步探索阻断红细胞凋亡、减少贫血现象的发生,以及指导临床用药等领域具有重要的意义。

2017-02-12)(本文编辑:姚萍)

10.3969/j.issn.1671-2587.2017.04.029

*本课题受国家自然基金(No.30940067)资助

230022 合肥,安徽医科大学第一附属医院输血科

刘春秋(1994–),女,安徽滁州人,检验师,硕士在读,主要从事药物致机体贫血机制研究,(Tel)15212002625(E-mail)15212002625@163.com。

卞茂红(1966–),男,主要从事红细胞凋亡机制研究,(E-mail)mhbian@126.com。

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