前列腺中锌浓度变化与前列腺癌的关系

作者：周志浩,姚茂银

【关键词】  前列腺

　 前列腺癌是男性中最常见的肿瘤之一。在美国居男性恶性肿瘤之首，占男性死亡原因的第二位；在我国既往发病率低，但近20年来发病率增高趋势明显。前列腺癌发生、发展的病理过程相当复杂，涉及诸多方面，对此人们已展开广泛的研究，关于锌在前列腺中的作用以及与前列腺癌的关系逐渐引起人们重视，作者就此作一综述。

　　1  锌与前列腺正常生理功能的关系

　　锌是人体必需的微量元素，它参与了人体内200多种酶的构成，在核酸代谢、细胞复制、免疫活性、组织修复和生长方面起重要作用，在精液中正面影响着精子生成、成熟、激活、获能过程，对男性生殖功能有重要作用。

　　前列腺是男性的附属性腺，性激素对前列腺的生长和功能有重要作用，尤以雄激素最为重要，它与雄激素受体结合，发挥重要的生理功能。前列腺的上皮细胞具有独一无二摄取锌的能力，使得前列腺锌浓度达到其他软组织的3～10倍。Liu等[1]通过对鼠的前列腺研究提出，雄激素能调节鼠前列腺对锌的摄取，其使外侧叶摄锌能力增强，腹侧叶摄锌能力减弱，对背侧叶则无影响。对鼠区域性的细胞形态和功能研究认为，鼠前列腺外侧叶与人前列腺外周带同源，而外周带正是前列腺癌的好发部位。在对前列腺癌细胞株的体外培养研究中发现，雄激素能刺激它们聚集高浓度的锌。因此，至少可以肯定，在雄激素的刺激下，前列腺外周带具有聚集高浓度锌的特征。

　　至于雄激素如何促进细胞摄锌，多数研究认为，质膜上锌载体ZIP1对摄锌至关重要，其转录表达受雄激素调控，对此还需进行更深入的研究。

　　前列腺细胞内高浓度的锌与柠檬酸的代谢密切相关。正常前列腺上皮细胞含有一般浓度的线粒体乌头酸酶，它催化柠檬酸氧化成异柠檬酸，使得柠檬酸经三羧酸循环转化为能量。在其他细胞中柠檬酸浓度约为01~04mmol?L-1，它与异柠檬酸正常的比值（c/i）为11；而在前列腺细胞内柠檬酸浓度非常高，约为12mmol?L-1，c/i=30～40。大量研究证实，正是由于高浓度的锌抑制了线粒体乌头酸酶的活性，使得柠檬酸氧化减少，并大量聚集。酶动力学试验证明了柠檬酸向异柠檬酸的转化具体过程为citrate→cisaconitate→isocitrate,锌竞争性地抑制了citrate→cisaconitate，使得柠檬酸氧化被有效抑制。多数学者认为，前列腺最重要的功能就是产生大量的柠檬酸，并分泌入精液，影响其液化过程，保护酸性磷酸酶和透明质酸酶的活性，可见锌对前列腺发挥正常的生理功能起重要作用。而细胞内锌的浓度又主要是由雄激素调节的，因此，这也可以看作雄激素调节前列腺功能的一个重要体现。

　　2  前列腺癌中锌浓度的改变

　　通过体外对人前列腺标本锌含量的研究发现，人的前列腺锌含量平均为150μg?g-1（湿重），而外周带锌含量最高达211μg?g-1（湿重）。1997年Zaichick等[2]报道，在正常人、前列腺增生症及前列腺癌的样本中锌含量分别为（1 018±124）μg?g-1、（1 142±77）μg?g-1、（146±10）μg?g-1。由于所测值为整个前列腺的平均值，而前列腺癌一般局限在外周带，其他区域摄锌能力并未改变，因此，可推测前列腺癌发生区域内的锌含量极低，癌细胞丧失了原有的摄锌能力。

　　但是研究发现，体外培养的前列腺癌细胞株LNCaP（雄激素敏感性）、PC3（雄激素不敏感性）仍具有浓聚锌的能力，这与我们依据活体标本所推论的不同。目前的解释是：（1）可能是由于试验中锌浓度为生理状态下的锌浓度，不能完全等同于人前列腺癌发生区域内的锌浓度；（2）也可能是由于质膜运载体金属硫蛋白（MT）、ZIP等能起双向运送锌的作用，在活体内，前列腺癌细胞MT、ZIP等通道大量激活，反而促使锌的流失。对此还需要作更多的研究。

　　3  锌浓度改变与前列腺癌增殖

　　3.1  锌浓度降低影响正常细胞代谢

　　由于锌的缺乏，影响了前列腺正常的生理功能；锌含量的减少，无法实现对线粒体乌头酸酶的抑制，故柠檬酸的氧化增强了，细胞内柠檬酸的净含量降低了。Costello等[3]的数据显示，正常人的前列腺组织有柠檬酸约8000~15000nmol?g-1，前列腺增生症患者的约有15000~20000nmol?g-1，前列腺癌患者的约1000~2000nmol?g-1，而其他软组织约为100~400nmol?g-1。由于前列腺癌样本是混合有正常的和恶变的组织，且经常伴有增生，故实际前列腺癌组织中柠檬酸含量更低，差不多等同于其他软组织。

　　3.2  锌浓度降低促进肿瘤增殖

　　柠檬酸氧化增强的另一个结果是通过三羧酸循环产生更多的能量。在正常情况下，由于柠檬酸氧化被抑制，1mol葡萄糖仅能产生14mol ATP；而在前列腺癌组织中柠檬酸充分氧化利用，1mol葡萄糖能产生38mol ATP。这样，恰好为肿瘤的增殖、转移提供更充足的能量。但柠檬酸氧化被增强在前列腺癌中确切的意义还在研究中。

　　早期的学者研究指出，这种变化发生在肿瘤早期、组织病理改变以前。在上世纪90年代，应用磁共振波谱检测（MRS）更加肯定了这种观点[4]。通过经直肠MRS发现，即使肿瘤细胞仅占组织样本的一小部分，就已能观察到柠檬酸的急剧减少。提示缺锌引起柠檬酸代谢的变化发生在组织恶变过程的早期，进一步证明了锌含量的减少促进前列腺癌的发生。

　　3.3  补充锌剂抑制了前列腺癌的增殖

　　人们推测，补充锌剂将能抑制前列腺癌的增殖，实验也证明了这一点。Costello等[3]将生理浓度的锌剂加入到前列腺癌细胞株LNCaP和PC3中，发现肿瘤细胞的生长受到抑制，在LNCaP中IC50约为100ng?ml-1，在PC3中约为700ng?ml-1，在锌浓度达到1μg?ml-1时均能达到最大的抑制效果。流式细胞仪分析表明，大量的肿瘤细胞停留在G2M阶段，细胞形态学观察和DNA片段化断裂的增多提示凋亡活跃，而且LNCaP比PC3更为敏感[5]，证明了锌能通过诱导细胞周期中止和凋亡来抑制肿瘤的生长。具体的作用机制在Feng等[6]后来的实验中进一步阐明。在对PC3细胞研究中发现，生理浓度的锌能直接诱导前列腺癌细胞线粒体的凋亡，线粒体细胞色素C的释放和凋亡蛋白酶caspase3的活化在其中起重要作用，并触发了细胞的程序性死亡。

　　4  锌浓度对前列腺癌细胞侵袭能力的影响

　肿瘤细胞的侵袭性是肿瘤形成转移的首要因素。首先是肿瘤细胞穿透基底膜，这是一个复杂的过程，涉及到细胞粘附、迁移、组织降解和细胞外基质（ECM）屏障的破坏。肿瘤细胞一般通过分泌大量的蛋白水解酶，来达到降解ECM屏障和基底膜的目的。而生理浓度的锌能够抑制前列腺癌细胞分泌的蛋白水解酶活性，从而削弱了前列腺癌的侵袭性。

　　4.1  在雄激素非敏感性细胞中的作用

　　与大多数肿瘤细胞一样，雄激素非敏感性前列腺癌细胞分泌的氨肽酶N（APN）、尿激酶型纤维蛋白酶原激活剂（uPA）、基质金属蛋白酶（MMPS）在降解ECM屏障和基底膜中起重要作用。

　　APN是一种细胞膜糖蛋白，是含锌的肽链端解酶，能够从寡肽的氨基末端劈开中性氨基酶，高表达于小肠的刷状缘和肾的近曲小管。研究发现APN能够降解Ⅳ型胶原，为肿瘤侵袭创造条件。APN在前列腺癌PC3细胞膜上含量丰富，在PC3细胞降解ECM屏障、穿透基底膜中起重要作用。日本学者Ishii等[7]通过实验观察到生理浓度的锌作为竞争性抑制剂可抑制APN的活性（Ki=11.2μmol?L-1），使得PC3细胞穿过基底膜减少，从而有效抑制了PC3的侵袭能力。

　　uPA分子量为50~54 Ku，含有两条单链和3个结合域，它通过与受体UPAR结合增强它的水解蛋白的活性。Ishii等[8]在对泌尿系肿瘤细胞的研究发现，其高表达于PC3细胞膜表面，在LNCaP和肾癌细胞株SKRCI中表达很低；在PC3中uPA的活性是LNCaP和SKRCI的4倍，提示uPA与PC3细胞的侵袭能力有关。研究还发现，生理浓度的锌能有效抑制uPA的活性，使PC3细胞穿透基底膜的能力下降，有效抑制了肿瘤细胞的转移。

　　然而有趣的是，锌剂对PC3细胞的粘附能力却起相反的作用。实验表明[78]对于经过处理的失去粘附能力的PC3细胞，补充锌剂能恢复它的粘附力。虽然其他的研究证实，锌能通过uPA介导的途径，增强骨髓单核细胞粘附于玻璃粘连蛋白的能力，但对于PC3细胞，其中机制尚未完全明了。

　　目前多数学者认为，内环境中的锌通过调节APN和uPA的活性，影响着非雄激素敏感性前列腺癌细胞的粘附、迁移过程。至于MMPS，也具有降解细胞外基质屏障和基底膜的作用，参与了前列腺癌细胞PC3侵袭转移的过程。但尚无资料表明锌能影响其作用，故不解述。

　　4.2  在雄激素敏感性细胞中的作用

　　Ishii等[8]在对雄激素敏感性前列腺癌细胞LNCaP研究发现，其中APN、uPA和MMPS的含量极低，LNCaP细胞的侵袭能力并不受这几种酶抑制剂影响，提示APN、uPA和MMPS与LNCaP细胞侵袭能力无关。Webber等[9]发现，LNCaP的侵袭能力能够被PSA特异性单克隆抗体抑制，提示LNCaP的侵袭能力与前列腺特异性抗原（PSA）有关。

　　PSA分子量为33~34 Ku，是激肽释放酶类丝氨酸蛋白酶，由前列腺分泌性上皮细胞分泌，通过水解纤维结合蛋白和精液凝固蛋白Ⅰ型、Ⅱ型液化精液。Cohen 等[10]发现PSA也能水解胰岛素样生长因子（IGF）结合蛋白3，活化IGF，间接促进癌细胞的增殖。Webber等[9]认为，PSA酶的活性还能促使ECM的降解，有利于肿瘤细胞的侵袭转移。Ishii等[11]的实验也证实了这一点，PSA蛋白水解及酶的活性与LNCAP细胞侵袭能力呈正相关，并且进一步的研究发现，锌在正常生理浓度下，能有效抑制PSA的蛋白水解及酶的活性，从而抑制了LNCaP细胞穿过基底膜。我们已经知道前列腺癌中锌浓度很低，同时正常组织结构破坏，PSA大量逸出，组织中PSA浓度异常增高，对比之下，锌的相对浓度更低，无法对PSA的活性形成抑制，肿瘤的增殖转移有了良好的生化基础。锌剂的补充应该能有效纠正这种异常的内环境，抑制LNCAP细胞的增殖转移。

　　PSA属人腺体激肽释放酶(HK)基因家族成员，同类还有两个成员，组织HK（hk1）、人HK（hk2），其中hk2和PSA有80%的序列相一致，故其能和PSA特异性单克隆抗体发生反应，在前列腺中能够自我活化并活化PSA前体和uPA[12]，并和PSA一样具有底物特异性，能够水解精液凝固蛋白Ⅰ型、Ⅱ型和纤维结合蛋白。研究发现，LNCaP细胞能够分泌hk2，并与其侵袭能力呈正相关。Lovgren等[13]通过实验证明，锌能够调节hk2的活性，当1个hk2分子结合2个锌离子时，其活性是被抑制的，而1个hk2分子结合1个锌离子时，活性反而上调了。在正常人中，前列腺中锌浓度很高，1个hk2分子能够结合2个锌离子，故能控制hk2的活性；在精液中，由于精囊液和前列腺液的混合，锌的浓度降低了，1个hk2仅能结合1个锌离子，hk2活性增强了，有利于其发挥生理作用。在前列腺癌组织中，锌的浓度很低，hk2的活性是被增强的，促进了PSA前体在前列腺中的活化，参与了降解ECM，使得肿瘤的侵袭转移能力增强了。补充锌剂后，通过实验观察到，hk2的活性又重新被抑制了，LNCAP的侵袭转移能力由此被削弱了。

　　5  展望

　　综上所述，前列腺中高浓度的锌与其正常生理功能密切相关；前列腺癌中锌浓度降低是其病理过程中的一个重要环节；补充锌剂，理论上在前列腺癌的防治中占有一席之地。对此，人们已经开始探索如何发挥锌在临床诊断和防治前列腺癌中的价值。有资料表明，测定毛发、血清和前列腺中的锌浓度，有助于前列腺良、恶性疾病的鉴别诊断。Vartshy等[14]的研究表明，联合PSA和锌，能够降低前列腺癌诊断的假阳性率，为更精确的诊断前列腺癌提供了一种可能。在治疗中，很早就有人提出补充锌剂有利于前列腺的健康。然而，在美国已作的一个长达14年的前瞻性研究[15]中发现，每日过量的补充锌剂却提高了前列腺癌的发病风险。因此，对于如何科学合理的补充锌剂以及锌剂在人体内蓄积有无其他不良影响，还需更细致的研究。

　　[参考文献]

　　[1]LIU Y，FRANKLIN R B，COSTELLO L C. Prolactin and testosterone regulation of mitochondrial zinc in prostate epithelial cells[J]. Prostate,1997，30（1）:2632.

　　[2]ZAICHICK V Y，SYIRIDOYA T V，ZAICHICK S V.Zinc in the human prostate grand:normal，hyperplastic and cancerous[J]. Int  Urol Nephrol,1997,29（5）:565574.

　　[3]COSTELLO L C，FRANKLIN R B.Citrate matebolism of normal and malignant prostate epithelial clls[J]. Urology,1997,50（1）:412.

　　[4]KURHANEWICZ  J，VIGNERON  D B，HRICAK H,et al. Prostate cancer:metabolic response to cryosurgery as detected with 3D H1 MR spectroscopic imaging[J]. Radiology,1996，200（2）:489496.

[5]LIANG J Y,LIU Y Y,ZOU J，et al. Inhibitory effect of zinc on human prostatic carcinoma cell growth[J]. Prostate,1999,40（3）:200207.

　　[6]FENG P，LI T L，GUAN Z X，et al. Direct effect of zinc on mitochondrial apoptogenesis in prostate cells[J]. Prostate,2002,52(4):311318.

　　[7]ISHII K,USUI S,SUGIMURA Y，et al. Aminopeptidase N regulated by zinc in human prostate participates in tumor cell invasion[J]. Int J Cancer,2001,92(1):4954.

　　[8]ISHII K，USUI S，SUGIMURA Y,et al. Inhibition of aminopeptidase N (APN) and urokinasetype plasminogen activator (uPA) by zinc suppresses the invasion activity in human urological  cancer cells [J].Biol Pharm Bull，2001,24(3):226230

　　[9]WEBBER M M，WAGHRAY A,BELLO D. Prostatespecific antigen，a serine protease，facilitates human prostate cancer cell invasion[J]. Clin Cancer Res,1995,1(10):10891094.

　　[10] COHEN P,GRAVES H C,PEEHL D M,et al. Prostatespecific antigen (PSA) is an insulinlike growth factor binding protein3 protease found in seminal plasma [J]. J Clin Endocrinol Metab，1992,75(4):10461053.

　　[11]ISHII K，OTSUKA T，IGUCHI，K， et al. Evidence that the prostatespecific antigen (PSA)/Zn2+ axis may play a role in human prostate cancer cell invasion[J]. Cancer Lett,2004,207(1): 7987.

　　[12]KUMAR A,MIKOLAJCZYK S D，GOEL A S，et al. Expression of pro form of prostatespecific antigen by mammalian cells and its conversion to mature，active form by human kallikrein 2[J]. Cancer Res,1997,57(15):31113114.

　　[13]LOVGREN J，AIRAS K,LILJA H.  Enzymatic action of human glandular kallikrein 2 (hK2) substrate specificity and regulation by Zn2+ and extracellular protease inhibitors[J]. Eur J Biochem,1999，262(3):781789.

　　[14]VARTSKY D，SHILSTEIN S,BERCOVICH A,et al. Prostatic zinc and prostate specific antigen:an experimental evaluation of their combined diagnostic value[J]. J Urol,2003，70(Pt 1):22582262.

　　[15]LEITZMANN M F，STAMPFER M J,WU  K,et al. Zinc supplement use and risk of prostate cancer[J].J Natl Cancer Inst，2003,95(13):10041007.