第一章   認識癌症

氧自由基與癌症關係

原作者：呂鋒洲  教授    台大醫學院生化研究所教授

一、前言

細胞若一直暴露於有氧氣的環境下，就會不斷的產生「氧自由基」（oxygen free radicals）。而細胞在需氧的環境下代謝時，也會同時產生抗氧自由基的防禦系統來抵制由氧自由基對細胞所造成的傷害。不管細胞內抗氧自由基的防禦系統如何的健全，只要受到氧自由基傷害過的核酸（DNA）以及蛋白質，在細胞的生存當中，疊積到相當量後，就會導致與年齡依賴性的各種疾病，諸如動脈硬化、關節炎、神經退化性的疾病以及癌症。

許多內生性以及外生性的癌症危險因子，在體內會產生氧自由基。因此，大家都期望能夠有機會避免氧自由基之來源，或是能夠增加抗氧化（抗氧自由基）的防禦系統來扭轉或減少在老年群中，日益增加的癌症罹患率。

近年來，許多可信服的實驗證據指出氧自由基已屬於致癌劑（carcinogens）中之一類。現在大家已經普遍的認為癌症生成的發展過程是在一種顯微式的發展過程中進行，是多樣性事件的疊積作用。這些多樣性事件的進行都是在一個同源細胞內發生，包括有三種階段的模式：

(1)、首先由一個體細胞內的DNA引起突變，這叫做「起始期」（initiation）。

(2)、其次是同源細胞內的腫瘤受刺激而擴展，這叫做「促進期」（promotion）。

(3)、最後是腫瘤之惡化而轉為癌，這叫做「進行期」（progression）。

氧自由基可以在上述三種階段中之每一種階段，刺激癌的加速發展（表一）。鑑於氧自由基在需氧的生物體內到處存在，因此，對此種具有致癌潛力的氧自由基的各種特性，高度的受到大眾的關注。

二、氧自由基的病原學

（1）氧自由基的化學

「自由基」的定義是帶有一個或更多個不配對電子的分子。能夠引起組織傷害的自由基，其半衰期都很短，而且都在被它傷害的組織原位上產生。正常的細胞或是具有病理的細胞，在它們的代謝過程中，受到由外界進入的「異種生物化合物」的作用，或是經過離子輻射之作用後會產生自由基。自由基與非自由基物質相互作用後，再產生新的自由基，並且引起一連串的連鎖反應。例如氧分子（這是電子接受者），容易與自由基作用而產生「氧自由基」（oxygen free radicals）。這讓我們了解到凡是需氧的生物體內都含有許多氧分子。因此，氧自由基在需氧生物體內，變成細胞內所有的自由基反應當中，最主要的調控者。

當體內的氧分子首次接受單電子（e-）之還原後，會產生「超氧自由基」（superoxide radical.; O2-）（表二）。需氧的生物，在其代謝作用過程中，會把總氧消耗量的1～2％的氧氣轉變為超氧自由基。活體內的超氧自由基有時會當作一種還原劑，其作用就像Fe3+一樣 ; 但有時也可以當作一種氧化劑，可以氧化體內的硫醇基。超氧自由基的反應性和毒性雖然低，可是它是一種重要的細胞內的次級傳導者（second messenger）。它的生物效應有一部份就表現在它的次級產物，如過氧化氫（H2O2）上。當'O2-經過岐化作用（即把兩個'O2-合併在一起）後就轉變成過氧化氫。此種作用可以在自然狀態下，緩慢地進行;也可以受酵素（過氧化氫酶，catalase）的催化下加速進行。

活體內的H2O2之高活性，會因受「芬同反應」（Fenton reaction）而更加表現出來。即在此反應中，H2O2遇到部分還原性的過渡性金屬離子，如Fe++或Cu+時，就會形成「氫氧自由基」'OH。氫氧自由基與過氧化氫不同之處在～它可以直接傷害DNA。氫氧自由基是被認為在所有能夠傷害DNA的自由基當中，最主要的自由基。

除'O2-、H2O2和'OH（通稱活性氧物種reactive oxygen species,ROS）是體內氧分子的主要代謝物之外，許多其他自由基和非自由基分子，在活體內對調節氧自由基相關之效應上，也會扮演相當重要的角色。氧自由基與生物分子作用後會產生「有機的自由基」，例如「有機過氧化自由基」（organic peroxyl radicals）也會對細胞造成氧化傷害。細胞膜上的脂質經過「有機過氧化自由基」的氧化而引起過氧化作用後，引導連鎖反應。可見氧自由基調控許多細胞膜的功用。

「一氧化氮自由基」（NO˙）在細胞內的氧化還原反應中所扮演的角色，逐漸受人重視。NO˙和˙O2-作用後產生具有活化性的「過氧化亞硝酸鹽」（peroxynitrite;ONOO˙）以及˙OH(表二)。雖然屬非自由基，但卻具有活性的氧代謝物，包含有H2O2、HOCl、O3以及O2。這些氧化劑具有致癌性，在活體內會有高度活性的產生自由基。

（2）氧化壓力（oxidative stress）的產生以及它參與癌的生長

需氧的生物體內的細胞，在其正常代謝中，繼續產生氧自由基。細胞內雖然有抗氧化的防禦系統存在，可是還是會對易受氧化的生物分子造成經常性的傷害。但所受的傷害會在一種動力平衡下被修護系統所修護。「氧化壓力」就是從氧自由基的過量產生的機制中，或從缺乏抗氧化防禦系統、修護系統的機制中因應而生。

氧化壓力對組織造成可逆和不可逆性的傷害。短期性的氧化壓力之例：有缺血後再灌血症候群、急性發炎反應、氧過多症。這些症狀都不至於造成癌症，除非它們已經是致突變事件之源。慢性氧化壓力的一項重要內生性原因，就是發炎反應。受活化的白血球產生˙O2以及HOCl，就是在組織原位產生氧自由基的重要來源。這些氧自由基不僅能夠殺死標的細胞，而且也可以對鄰近組織之細胞產生氧化壓力。

在試管內，受活化之嗜中性白血球可以刺激細胞產生突變。從慢性發炎反應產生之氧化壓力，有利於許多器官之癌症發展。曾被估計，世界上癌症的三分之一，是由慢性發炎作用所引起！例如從潰瘍性結腸炎中，常常可以看出由慢性發炎而誘導癌症的例子。另外，由慢性發炎作用而關係到癌生成的例子，有由石綿之沈積所造成之間皮瘤，以及由血吸蟲感染所引起之尿道膀胱癌和由病毒性肝炎引發之肝細胞癌。

在我們的社會環境中，到處可以看到許多造成氧化壓力的重要因子。它們之致癌因果關係列於表三。吸煙是造成支氣管癌之重要因素。吸煙使支氣管之表皮長期暴露於氧自由基的環境中。吸煙所產生的氧化壓力來自：（a）燃燒的香菸內，含有強活性的氧化劑混合物，尤其含氧化氮和氫氧自由基。（b）香菸內的醛類（aldehydes）耗竭細胞內重要的抗氧化劑叫穀胱甘肽（glutathione,GSH）。（c）香菸誘導慢性發炎作用。香菸內含有致癌輔劑，會更增強氧自由基關連之癌生成。致癌輔劑有亞硝氨（nitrosamines）、多環芳香碳氫化合物，例如安息香比林（benzoapyrene）等化合物。氧自由基對安息香比林的致癌機制是扮演雙重角色。首先是氧自由基刺激安息香比林的代謝，加速形成雙醇過氧化物，經它與DNA結合後誘發腫瘤。其次是在安息香比林本身的代謝過程中產H2O2，而後誘發自由基。

紫外光、香菸、以及高能量（如X射線、gama-輻射線）之離子化的輻射都會刺激細胞突變。輻射線會在組織原位上產生氧自由基，或是使其他生物分子直接產生自由基，因而誘導DNA之傷害。

許多證據指出，脂肪的攝取與直腸癌間之關係是由脂質過氧化作用所產生的氧自由基造成。由肉類所含的脂肪酸，在直腸內若遇到亞鐵離子時，則氧自由基產生量會增加。

亞銅離子（Cu+）在芬同反應（Fenton reaction）中，具有與亞鐵離子（Fe++）相同的效應，是一種重要產生自由基的催化劑。亞銅離子在試管內比亞鐵離子具有更強的突變能力。飲食內的脂肪和乳癌流病間的關係是來自於發現乳液中含有致癌性之脂質過氧化產物而加以解釋。

酒精是另類的癌症危險因子。酒精的代謝過程中會產生自由基，因此，可以聯想到自由基之參與酒精的致癌機制。酒精的腫瘤刺激效應是脂質過氧化作用依賴性。

三、氧自由基在細胞形成突變過程中的作用機轉

（1）氧化壓力在腫瘤起始期中所扮演的角色

腫瘤起始期（initiation）是癌症發生的第一步驟，需要使一個細胞內的基因，引起永久性的改變。據估計，人體內大約每天每個細胞內的DNA受到一萬次的氧化攻擊。雖然DNA持續性的受氧自由基的傷害，會經由特殊的和非特殊的修護機制加以剷除，然而卻有少部分之已受氧化傷害的DNA會逃過修護系統的控制而造成一種引起細胞突變性之潛在力量，它隨著年齡之增長疊積較高劑量的自由基，提高機會讓受氧化傷害的DNA不被有效修護。因此，若哺乳類動物的細胞，持續暴露於氧化壓力下，就更會增加產生突變的機會。

雖然氧化壓力是一種強力足夠殺死細胞，但以此種劑量在細胞群中，卻是較少有效的造成DNA改變。因為它們之間有特殊的記量效應，亦即從養自由基與癌生成之起始作用間的特殊劑量關係中，可以看出氧化壓力以中間劑量最為有效力（圖一）。有兩點特別提出：

a.圖中之劑量依賴性效應之邊緣的活性表現較含糊。

b.氧化壓力的生物效應劑量，是取決於多種參數，如含有自由基的組織，和致癌輔劑的存在，以及暴露於氧自由基時的細胞在其細胞循環（cell cycle）時的瞬間位置。

（2）DNA的鹼基（bases）受修飾

從DNA的化學上和構造上，可以決定DNA受氧化傷害的程度。DNA在構造上受傷時，常常伴隨著DNA化學上的傷害，反之亦然。每種化學修飾卻會引起DNA雙螺旋體結構之改變。受氧自由基傷害的DNA鹼基，表現出一種修飾上的特殊模式（表五）。在各種癌組織中，可以看出受氧自由基特異性傷害的DNA，其DNA鹼基的受修飾量增加，大部分的DNA受修飾變化都可以在試管中再證明。

氫氧自由基會攻擊DNA分子內的各種成分，例如脫氧核酸糖之主鏈（deoxyribose back-bone）。嘌呤鹼基（purine bases）和嘧啶鹼基（pyrimidine bases）。脫氧核糖受化學修飾後，釋去吡啶鹼基或嘧啶鹼基，留出無鹼基之位置，能在活體內表現突變性。˙OH攻擊DNA之雙股後產生各種結合產物（表五）。腺嘌呤（adenine, A）或鳥嘌呤（guanine, G）與˙OH作用結果，可以產生環斷裂性的鹼基，例如Fapy Ade ; 或產生氫氧嘌呤，例如8-OH-Gua。至於胸腺嘧啶（thymidine, T）或胞嘧啶（cytosine, C）與˙OH作用結果會產生thymine glycol（5,6-OH  thy）或5-hydroxy-cytosine（5-OH  cyt）（表五）。

DNA鹼基受氧自由基之攻擊而修飾後，DNA的複製受到阻礙，有時候因為鹼基之誤讀，造成DNA之點突變（point mutation）。最普遍的DNA鹼基受氧化修飾產生8-OH-Gua的發生頻率是在正常人類細胞內有100,000個guanine (gua)中有一個會變成8-OH-Gua。8-OH-Gua會與adenine (ade)誤配（即8-OH-Gua-Ade）造成GC→TA之顛換。

GC→TA之顛換常在RAS致癌基因中偵測到，它代表一種氧自由基引起腫瘤起始期（tumour initiation）的可能機制。在肺癌及肝癌的TP53腫瘤抑制基因中，也可以看出GC→TA之顛換。氧自由基引起點突變，使得致癌基因的受活化或是抑癌基因之不活化，因而參與癌形成的第一步驟～起始期，甚至參與最後一步的腫瘤進行期。

（3）DNA螺旋股的改變

DNA螺旋股受自由基攻擊而引起的改變，包括螺旋股受扭曲、單股斷裂、雙股斷裂、內股橫鏈及染色體的畸型。DNA螺旋股受扭曲的原因，主要是在鹼基與脫氧核糖主鏈間多生一種鍵結，或形成一種含有內股的嘧啶二元體。含有內股的嘧啶二元體則是紫外線對DNA引起改變的主要產物。而較高能量的輻射線會對DNA單股或雙股引起較高比例的破壞。自由基的直接攻擊或是由酵素對DNA的分解，都可以使DNA單股或雙股受到破壞。

四、氧自由基在癌促進期中所扮演的角色

氧自由基對細胞之突變形成中，除參與起始期和癌症進行期外，氧化壓力尚可刺激已經突變的同源細胞之擴展，調控基因，使細胞增殖或使細胞死亡。哺乳類動物的細胞，受輻射或化學突變劑的刺激引起癌發展之起始期後，會再受氧自由基之促進而增殖。高量的氧化壓力，由於具有細胞毒效應，反而會抑止細胞之增殖，可是相當低量之氧化壓力，卻可以刺激細胞之分裂以及促進腫瘤的生長（表四）。從氧自由基之劑量與腫瘤促進的特殊性關係上，可以知道自由基誘發並促進細胞生長，具有選擇性的劑量。

（1）鈣離子調控腫瘤的促進作用

氧自由基可以誘導細胞內鈣離子（Ca++）大量增加，Ca++離子可以調節基因的轉錄、調控細胞的生長和增殖。鈣離子可以直接和間接影響到基因層次。低劑量氧自由基誘發產生原致癌基因C-Fos，就是受細胞內鈣離子直接調節的例子。又如鈣離子依賴性的酵素protein kinase C （PKC）經過多階梯式之磷酸化作用後，調控轉錄因子之活性，進而調節氧自由基以影響細胞之增殖，這就是鈣離子間接影響基因層次之例。

（2）氧自由基在腫瘤促進作用中的其他機轉

氧自由基可以調節鈣離子以活化PKC的酵素活性，也可以氧化酵素的「節功能部位」內所含之半胱胺酸（cysteine），來直接活化PKC之活性。細胞內氧化還原量影響轉錄因子時，也會影響到細胞之增殖或死亡。另外哺乳類動物細胞內的轉錄因子NF-KB受氧自由基之活化。NF-KB是rel致癌基因家族中成員之一，控制許多基因，例如生長因子和分化因子。

五、氧自由基在癌進行期中所扮演的角色

癌發展到最後步驟是腫瘤變為惡性。此種性質包括增速生長、逃避免疫偵監、侵襲組織和轉移等。這些變化都包括DNA受損害。有學說認為腫瘤細胞內氧自由基之升高，造成氧化壓力之持續性狀態時，更會增加基因的不安定性。此外，腫瘤細胞對氧自由基之敏感性，可能會因低量的抗氧化酵素活性之存在而更提高。

（1）TP53基因突變在氧自由基誘導基因不安定性中所扮演的角色

在人類癌症中，最常看出TP53基因之突變。實驗數據指出P53蛋白參與細胞循環之控制。正常細胞受到離子輻射和由其他來源的自由基後，造成DNA損害之疊積。利用阻斷細胞循環的方法，使細胞在複製之前，可以修護DNA。此種效應也可以使TP53基因表現量增加。相反的，缺乏TP53基因功能的細胞，在細胞進入分裂時，也會讓售損害之DNA帶給下一代。因此，沒有受檢驗的細胞分裂，在缺乏TP53基因時，從起始的DNA損害，繼續造成染色體之重新排列。缺乏TP53基因的小白鼠，在受離子輻射後，對DNA受損害的易感性，大為增加。因為離子輻射誘導DNA損害的過程要經過氧自由基。因此，可以假設TP53基因之主要功能是在保護由自然產生的氧自由基所引起的癌症。

（2）氧自由基和細胞凋亡（apoptosis）

大部分癌對其宿主，都以不同強度在刺激其免疫反應。被活化的白血球所產生之氧自由基，可以造成：

      a.慢性發炎反應，它不僅不能消除腫瘤細胞，反而增加腫瘤之進行。

      b.經過細胞內鈣離子濃度之重新分配和其他機制，造成細胞的凋亡。

      c.細胞毒性會直接造成細胞死亡。

只有在高濃度，而具有細胞毒性劑量的氧自由基，才可以使腫瘤少許減低;而當發炎細胞產生的氧自由基濃度很低時，氧化壓力會使DNA深受損害和繼續刺激生長，促進癌之進行。

原致癌基因BCL-2可以保護癌細胞在凋亡過程中，避免死亡。BCL-2可以抑止氧自由基誘導之細胞凋亡。因此，過度表現BCL-2的癌細胞，可以抵抗氧自由基所誘導的細胞凋亡。

六、結論

氧自由基誘導細胞突變的結果，造成癌的引發和進行，這在正常人類細胞中是經常會發生的事件。雖然氧自由基調控腫瘤促進作用（tomour promotion）不曾在人類直接被證明出來，可是卻有許多可信服的實驗證據指出氧化壓力，可以有程度性的誘導腫瘤細胞增殖。因此，氧自由基應該可以被認為是一種主要的致癌劑，可以在癌之各種發展階段中刺激癌之形成。

可是要防止氧自由基對致癌效應之策略時，必須考慮到自由基化學在活體內的複雜性和癌發展的複雜性。考慮氧化壓力對某一階段的癌發展之影響時，必須也考慮到所參與作用的氧自由基之成分和強度。但無論如何，目前認為～如何避免內生性（如慢性發炎反應），以及外生性的氧化壓力之來源，以及減少環境中之致癌輔劑，是最有潛力的重要方法，來防止氧自由基所誘導的癌症。

資料來源：D.Dreher and A.F. Junod Eur. J. Cancer.32A,30-38,1996

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後記：

第一篇長達七張，十四頁裡大部分都是專業引述，較枯燥。

主要闡述暴露在氧氣裡的生物，都潛藏著致癌危機。

原文裡太多『之』字，部分改用「的」取代，以求順暢。

圖表不照原版順序，只依序排定表一～五。

轉錄『除癌秘笈』一書的動力在分享，也在保存。