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  济宁医学院学报  2017, Vol. 40 Issue (6): 457-461  DOI:10.3969/j.issn.1000-9760.2017.06.018
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孟圆, 马晓磊. 外源基因治疗肿瘤研究进展[J]. 济宁医学院学报, 2017, 40(6): 457-461. DOI: 10.3969/j.issn.1000-9760.2017.06.018.
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MENG Yuan, MA Xiaolei. The research status of exogenous gene treatment tumor mechanism[J]. Journal Of Jining Medical University, 2017, 40(6): 457-461. DOI: 10.3969/j.issn.1000-9760.2017.06.018.
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基金项目

山东省自然科学基金项目(ZR2013CL009);济宁医学院科研计划项目(JY2015KJ015);济宁医学院国家级大学生创新创业训练计划项目(201610443046)

作者简介

孟圆, 济宁医学院2014级临床医学本科生

通信作者

马晓磊, E-mail:xlma1981@163.com;

文章历史

收稿日期:2017-11-19
外源基因治疗肿瘤研究进展
孟圆    综述    马晓磊    审校    
济宁医学院; 济宁医学院基础医学院, 济宁 272067
摘要: 肿瘤的发生和发展涉及单个或多个基因的改变。肿瘤的基因治疗已成为新的发展方向。外源基因治疗肿瘤的研究集中在以下3个方面:1)通过转入自杀基因引起肿瘤细胞表型的改变,从而引起药物对肿瘤细胞直接或间接杀伤作用;2)通过转入外源的小分子RNA干扰沉默肿瘤细胞中突变基因的表达;3)通过外源基因的引入增强药物化疗效果。本文就这3个方面的治疗机制及研究现状进行阐述。
关键词: 肿瘤    基因治疗    自杀基因    RNA干扰    信号通路    
The research status of exogenous gene treatment tumor mechanism
MENG Yuan, MA Xiaolei    
Jining Medical University; College of Basic Medicine, Jining Medical University, Jining 272067, China
Abstract: The occurrence and development of tumor refer to single or multiple genetic changes.Gene therapy has become a new research direction.Exogenous gene therapy of tumor research focused on the following three aspects:suicide gene causing change in the phenotype of tumor cells, resulting in drug directly or killing tumor cells indirectly; small RNA interference and silence mutated gene expression in tumor cells; exogenous gene enhancing the effect of chemotherapy drugs.We will elaborate the mechanism and research status of these three aspects in the paper.
Key words: Tumor    Tumor therapy    Suicide gene    RNA interference    Signal channel    

基因治疗(gene therapy)是在20世纪70年代提出的一种针对遗传性疾病的治疗技术。它是利用外源基因定向地纠正或补偿有缺陷功能基因,从而恢复细胞正常功能,达到治愈疾病的目的。常用的策略包括基因修复、基因置换、基因增补、基因失活及自杀基因等。而肿瘤的发生涉及单个或多个基因的改变,往往与原癌基因、抑癌基因的突变累积有关。肿瘤的基因治疗可以通过修正与肿瘤发生发展的相关基因的表达,达到破坏肿瘤细胞的生长,促进细胞凋亡,防止相关基因突变后造成的肿瘤恶化转移。本文对自杀基因、小分子干扰RNA和增强药物化疗效果3个方面对肿瘤基因治疗的研究现状进行综述。

1 自杀基因治疗

肿瘤自杀基因(suicide gene)是一类某些病毒或细菌的基因,该基因转入肿瘤细胞后的表达产物可将无毒的药物转变为细胞毒性物质,达到杀死肿瘤细胞的目的。自杀基因所产生的毒性物质不仅可对肿瘤细胞产生选择性的杀伤作用,同时还可产生旁观者效应,通过细胞间的桥传递到邻近细胞,对相邻细胞产生破坏作用,提高了对肿瘤细胞的杀伤能力。

目前的研究较多的自杀基因系统包括单纯疱疹病毒Ⅰ型胸苷激酶/丙氧鸟苷系统(HSV-TK/GSV)、胞嘧啶脱氨酶/5-氟胞嘧啶系统(CD/5-FC)、带状疱疹病毒胸腺嘧啶激酶/阿糖甲氧基嘌呤系统、硝基还原酶/5-(aziridin-1-yI)-2, 4-dinitrobenzamide[5-(1-氮丙啶)-2,4-二硝基苯甲酰胺]系统(NTR/CB1954)、黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核苷转移酶/6-巯基黄嘌呤系统、嘌呤核苷磷酸化酶/6-甲基嘌呤脱氧核糖核苷酸系统等。其中研究较为深入的是HSV-TK /GCV自杀基因系统。该自杀基因系统杀伤肿瘤的作用机理是单纯疱疹病毒Ⅰ型胸苷激酶基因(HSV-TK)转染肿瘤细胞后,其表达产物能够催化无毒前体药物丙氧鸟苷(GCV)发生磷酸化,成为有毒性的三磷酸核苷,通过抑制细胞中DNA聚合酶的活性阻止或者中断DNA链的合成,抑制肿瘤细胞的增殖,促进细胞死亡[1]。在对不同的肿瘤进行自杀基因治疗时,研究进行了相应的改进,并在乳腺癌、肝癌和肺癌细胞中取得了良好的实验效果,使用的改进自杀系统及相应的作用见表 1。目前,我国正在进行Ⅲ期TK基因治疗产品的临床试验,已完成的实验发现,该自杀系统对肝癌、胶质瘤等肿瘤有明显的治疗效果[2]

表 1 常用的改进肿瘤自杀基因系统

自杀基因系统在杀伤肿瘤细胞上发挥着非常明显的作用。对自杀基因的作用机制研究发现,自杀基因往往是下面3种作用达到杀伤肿瘤细胞的目的:1)抑制肿瘤细胞中的DNA合成酶、胸腺嘧啶核苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶;2)掺入到新和成的DNA产生毒性;3)破坏肿瘤细胞的细胞膜。见表 2

表 2 常用的自杀基因系统的作用机制

尽管自杀基因是具有良好应用前景的一种肿瘤治疗方法,但目前的研究还在探索阶段,要想使自杀基因疗法成为临床上安全有效的肿瘤治疗手段,还需要解决很多问题,如载体的安全性和有效性、自杀基因的转染效率、精准的基因靶向,自杀基因表达后的有效调控、长效性以及安全性等,这些有待于我们在今后的研究中加以改进。随着自杀基因的研究的不断深入,如何提高肿瘤组织特异性调控元件-启动子或增强子能驱动自杀基因表达于特定靶细胞,产生特异性杀伤已经成为自杀基因系统靶向调控研究的重点和难点。

2 小分子干扰RNA治疗

RNA干扰(RNA interference, RNAi)是一种通过小分子的干扰RNA抑制沉默细胞内特定基因表达的一项技术。该技术通过设计特定基因的小干扰RNA,通过一定的策略将该小RNA输入细胞内,与靶mRNA发生特异性结合,随后降解与小干扰RNA结合的mRNA部分同源序列,使mRNA失去翻译的模板功能,实现干扰和沉默靶基因的作用。在肿瘤基因治疗领域,通过获得与肿瘤发生发展相关的基因序列,即可设计特异的siRNA去沉默肿瘤的相关基因,从基因水平上阻止肿瘤发生和发展。该项技术可用于调节肿瘤细胞的增殖及凋亡,特异地抑制肿瘤细胞的靶基因增殖[12]

近年的研究发现,受体酪氨酸蛋白激酶基因(Eph A7)在肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移过程中起促进作用[13]。而MED19基因更是与已发现的多种肿瘤有关[14]。针对两个靶基因设计的小分子干扰RNA可同时在肿瘤细胞中沉默靶基因,对抑制肿瘤细胞的增殖、浸润、转移和促进凋亡方面的实验显示效果明显。见表 3

表 3 RNAi在肿瘤研究中的应用

虽然小分子干扰RNA能有效地沉默肿瘤基因,但实际操作中仍存在许多问题,比如siRNA转入途径的安全性和转入效率,siRNA对目标基因的靶向性转移,siRNA转入后的稳定性,是否能完全沉默高度表达的基因等。另外,体内肿瘤细胞免疫逃逸的机制多而复杂,能否在体内抗肿瘤免疫治疗得到预期效果还需更进一步的研究。尽管如此,RNA干扰的高效特异性还是明显优于反义核酸技术。该技术将是肿瘤基因治疗领域不可比拟的一项新技术,如能将RNA干扰技术用于临床,这将为肿瘤的基因治疗提供更多的选择。

3 增强药物化疗效果 3.1 导入药物增敏基因

药物增敏基因可增加细胞对抗肿瘤药物的敏感性,明显提高化疗效果,可实现药物作用的最大化,增强肿瘤治疗效果。研究发现,腺病毒介导的野生型PTEN基因转染联合表阿霉素使乳腺癌细胞MCF-7增加对表阿霉素的敏感度。内质网腔中的重链免疫球蛋白GRP78 Bip (glucose-regulated protein78/binding immunoglobulin protein),可增强口腔鳞癌细胞对奥沙利铂的敏感性。熊果酸在缺氧状态下抑制HIF-1α的积累和MDR1的基因和蛋白表达,并抑制新生血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表达,同时对结肠癌细胞的5-FU和奥沙利铂化疗有增敏作用[15]。神经酰胺(Ceramide,CE)能介导组织细胞的生长、分化、凋亡等生理活动,同时也能提高肿瘤细胞对化疗药物的敏感性且不增加药物毒副作用,具有良好的联合抗肿瘤应用潜力[16]

3.2 针对耐药基因的治疗

抗癌药物的使用使得肿瘤细胞产生其耐药,同时也会对与抗癌药物结构和作用机制相同的药物产生耐药。耐药性及大剂量化疗的骨髓抑制是化疗失败的原因。若能将耐药基因导入骨髓细胞使之获得耐药表型,可大大增加骨髓对化疗药物的耐受性。传统方式治疗乳腺癌失败的重要原因之一是多药耐药(multidrug resistance,MDR)现象的出现。

在基因层面上研究发现,耐药相关的基因有多药耐药基因1(multidrug resistance 1,MDR1)、多药耐药相关蛋白基因(multidrug resistance associated protein,MRP)和谷胱苷肽S转移酶基因(glutathione S-transferase,GST-π)等。细胞膜中MDR1/P糖蛋白的过度表达是引起MDR的主要机制之一,而新型COX-2抑制剂塞来昔布(celecoxib)能够抑制MDR1/P糖蛋白表达,联合化疗药物即可增加化疗药物的治疗效果。而突变型p53基因(Ad-p53)能够逆转乳腺癌细胞MCF-7/MDR多药耐药性,抑制MDR1/P糖蛋白和GST-π的表达,MDR1基因转入造血祖细胞可增加对多种相关化疗药物的耐药性,为造血祖细胞耐受化疗提供保护作用[17]

3.3 抑制血管生成

肿瘤的发生与发展与肿瘤血管的形成有关。肿瘤细胞既可通过肿瘤血管从宿主获取生长必需的营养和氧气,又可通过肿瘤血管向宿主输送转移的细胞,形成肿瘤转移。肿瘤细胞的增殖与调亡处于相对平衡,当肿瘤具有诱导血管新生能力时,增殖远远大于凋亡,细胞生长迅速[18]。血管内皮抑制素(endostatin, ES)可阻断血管内皮生长因子传导通路,主要作用于3个位点:1)阻断VEGF受体KDR/Flk-1的酪氨酸磷酸化;2)阻断有丝分裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)的激活;3)阻断细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal regulation protein kinase,ERK)激活。见图 1

图 1 ES阻断VEGF信号通路
3.4 阻断细胞信号通路

肿瘤的发生与增殖抑制均是通过细胞信号转导实现的,因此,理清楚肿瘤发生的信号通路就能够有效研制抗肿瘤药物。在肿瘤细胞生命活动中,往往是多种信号通路相互联系,相互影响,通过多种不同的途径参与肿瘤细胞增殖、分化、免疫逃逸及凋亡的调节,如:ERK信号传导通路[19]、NF-KB信号传导通路[20]、PD-1/PD-L信号传导通路[21]、TGF-β信号传导通路[22]、SATA3信号传导通路[23]等。运用相应的阻断剂控制信号通过中各种蛋白或酶对应基因的表达,就有望控制肿瘤细胞的增殖和凋亡。目前已有的研究证实信号通路与肿瘤的发生和发展机制有关。见表 4

表 4 肿瘤相关的细胞信号通路及其作用物
4 小结与展望

分子生物学技术的迅速发展必将为肿瘤的基因治疗提供更多的研究思路和研究方法。但是在取得成就的同时必须清楚地认识到从实验研究到临床应用还需要解决很多关键性的问题,如导致肿瘤发生的基因有多少,如何获得肿瘤发生相关基因的全部信息,外源基因转入之后的稳定性问题,是否有潜在的危险,目的基因的表达部位,能够有效地靶向攻击致病基因等。这些研究者都是从基础研究走向临床应用的必须克服的问题。应用外源基因治疗肿瘤的研究目前多处于细胞或者动物的阶段,还需更多的研究去解决存在的问题,因此无法在短时间内取代传统的常规治疗方法。但是随着科技的发展,基因治疗肿瘤一定会取得更大的成就,能够从根本上彻底解决肿瘤。

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