缺氧誘導(dǎo)因子-1α在膀胱癌中的研究進(jìn)展

吳 朝，董自強(qiáng)

(三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，湖北 宜昌 443003)

缺氧誘導(dǎo)因子-1α在膀胱癌中的研究進(jìn)展

吳 朝，董自強(qiáng)

(三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，湖北 宜昌 443003)

腫瘤在生長(zhǎng)過程中都存在相對(duì)缺氧的環(huán)境，缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)作為其調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素，在腫瘤的生長(zhǎng)、代謝、轉(zhuǎn)移、凋亡、新生血管生成等過程中都有重要的作用。膀胱癌是泌尿系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤，在其生長(zhǎng)、侵襲和轉(zhuǎn)移的過程中也存在相對(duì)缺氧的環(huán)境，本文將就其相關(guān)研究進(jìn)展做一綜述。

缺氧誘導(dǎo)因子-1α；膀胱癌；血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子

缺氧是促進(jìn)實(shí)體腫瘤生長(zhǎng)的重要機(jī)制之一，缺氧時(shí)腫瘤組織會(huì)發(fā)生一系列的生物行為學(xué)變化以適應(yīng)這種環(huán)境。缺氧與腫瘤的惡性進(jìn)展，包括腫瘤細(xì)胞的增殖、分化、凋亡、表型的決定、血管生成、能量代謝、對(duì)治療的抵抗以及患者的預(yù)后密切相關(guān)[1]。缺氧相關(guān)基因在這個(gè)過程中起著重要的作用，其中對(duì)于缺氧誘導(dǎo)因子-1α(Hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)研究的最多。HIF-1α在人類的眾多腫瘤之中都有過量的表達(dá)，它與腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移有著密切的聯(lián)系，這使得HIF-1α成為腫瘤治療中的一個(gè)重要靶點(diǎn)。

1 HIF-1α的生物學(xué)特征

HIF-1是螺旋蛋白家族PAS(Per Arnt Sim)中的一員，是由α亞基和β亞基組成的異源二聚體，其中α亞基是主要的活性成分，受到細(xì)胞內(nèi)氧濃度的調(diào)節(jié)，β亞基也稱為芳基烴核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ARNT)，在大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)可持續(xù)穩(wěn)定表達(dá)[2]。HIF-1αβ二聚體和與低氧反應(yīng)元件HREs的相互作用可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的激活。在常氧的條件下，HIF-1α蛋白的兩個(gè)脯氨酸殘基被HIF脯氨酰羥化酶羥基化，使該蛋白被希佩爾-林道(VHL)E3泛素連接酶復(fù)合物識(shí)別繼而破壞水解[3]。但在缺氧的條件下HIF脯氨酰羥化酶是無效的，α蛋白和β蛋白結(jié)合形成二聚體后可誘導(dǎo)缺氧相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。

HIF-1α的過表達(dá)可在人類70%的腫瘤轉(zhuǎn)移灶中被發(fā)現(xiàn)，與腫瘤的多種生物學(xué)行為密切相關(guān)[4]。包括腫瘤的血管生成、糖酵解、細(xì)胞增殖、紅細(xì)胞生成素的調(diào)節(jié)和鐵代謝、促細(xì)胞凋亡、抗腫瘤等等。低氧環(huán)境下HIF-1α可促進(jìn)GLUT-1的表達(dá)以增加葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)為腫瘤的生長(zhǎng)提供能量[5]。此外，HIF-1α還可促進(jìn)碳酸酐酶IX(CAⅨ)的基因表達(dá)，其產(chǎn)物是一種跨膜蛋白可維持細(xì)胞內(nèi)外的pH值[6]。有研究報(bào)道HIF-1α還和細(xì)胞周期密切相關(guān)，可通過細(xì)胞周期抑制因子(p21和p27)和細(xì)胞周期調(diào)控因子(CyclinD1等)調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡[7]。綜上所述，在缺氧的微環(huán)境中HIF-1α的表達(dá)以及對(duì)下游基因的激活，為腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移提供了有利條件。

2 腫瘤與缺氧

腫瘤的生長(zhǎng)離不開有效的血供，這個(gè)過程會(huì)伴隨新生血管的形成以滿足腫瘤的代謝需求，缺氧在這個(gè)過程中扮演著重要的角色。Folkman在1971年第一次描述了腫瘤如果想增長(zhǎng)就必須建立自身的血供，然而，一旦新生血管形成，腫瘤就會(huì)迅速生長(zhǎng)，并使轉(zhuǎn)移變得容易[8]。此外，腫瘤的內(nèi)部由于缺血、缺氧，不可以滿足腫瘤過快的生長(zhǎng)需要而出現(xiàn)局部的缺血壞死。

腫瘤在缺氧的微環(huán)境中可以通多種調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)腫瘤的生長(zhǎng)，其中研究最多的是HIF-1α和血管內(nèi)上皮生長(zhǎng)因子(Vascular epithelial growth factor，VEGF)。腫瘤組織中HIF-1α的高表達(dá)與血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)關(guān)系密切，VEGF是內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移的高度特異性啟動(dòng)子，已被證實(shí)在腫瘤血管的生成和發(fā)展中起到了重要的作用。此外，HIF-1α的高表達(dá)還與腫瘤對(duì)放化療的抵抗有關(guān)，由于腫瘤組織的缺血壞死導(dǎo)致化療藥物無法在腫瘤內(nèi)部達(dá)到有效的血藥濃度，HIF-1α可維持腫瘤細(xì)胞在低氧環(huán)境下的生長(zhǎng)。HIF-1α還可通過調(diào)節(jié)細(xì)胞周期如細(xì)胞周期抑制劑(p21WAF1和p27kip)、細(xì)胞周期調(diào)控因子(cyclinD1)等來阻止細(xì)胞周期的進(jìn)展抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡[9]。由此可見，在低氧的環(huán)境下HIF-1α與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展與轉(zhuǎn)移均有密切的聯(lián)系，使之成為腫瘤研究的又一個(gè)重要位點(diǎn)。

3 HIF-1α與膀胱癌

3.1 HIF-1α在膀胱癌中的作用機(jī)制 膀胱癌是泌尿系統(tǒng)最常見的實(shí)體腫瘤，與其他腫瘤相似，膀胱癌是一個(gè)多因素、多因子參與、多個(gè)過程相互作用的復(fù)雜過程。其中，缺氧或低氧的微環(huán)境在膀胱癌的發(fā)生、發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。腫瘤組織中缺氧的微環(huán)境可以引起HIF-1α的高表達(dá)，Chen等[10]通過對(duì)膀胱癌T24細(xì)胞以及癌組織的研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α和血管內(nèi)皮相關(guān)受體的升高會(huì)進(jìn)一步引起其下游的AKT、哺乳動(dòng)物靶標(biāo)(mTOR)信號(hào)通路、p70S6K、4E-BP-1激酶的活化，引起HIF-1α/VEGF的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，增加腫瘤的血管生成和侵襲作用。Zhang等[11]研究發(fā)現(xiàn)下調(diào)HIF-1α可以顯著的抑制基質(zhì)金屬蛋白酶-1(MMP-1)的表達(dá)從而減少腫瘤的侵襲作用，通過免疫組化對(duì)比轉(zhuǎn)移淋巴組織和原位膀胱癌的HIF-1α水平可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移組織的HIF-1α明顯升高。他們研究認(rèn)為HIF-1α/MMP-1的調(diào)節(jié)在膀胱癌的轉(zhuǎn)移中起重要的作用，因此HIF-1α可能成為控制膀胱癌轉(zhuǎn)移的一個(gè)靶點(diǎn)。此外，膀胱癌的血管生成與其侵襲密切相關(guān)，HIF-1α的過度表達(dá)可能也參與其中。Wood[12]對(duì)93名膀胱移行細(xì)胞癌患者的癌組織的研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α的表達(dá)與癌組織的組織學(xué)分級(jí)有顯著的聯(lián)系(P=0.009)。在缺氧的環(huán)境下血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、微血管密度(MVD)均會(huì)升高且與腫瘤病理分級(jí)(P=0.006和P＜0.001)和臨床分期(P=0.04和P＜0.001)均有關(guān)聯(lián)性；并且HIF-1α與VEGF和MVD也有顯著關(guān)聯(lián)(P=0.01和P＜0.001)。Bedessem等[7]的研究發(fā)現(xiàn)在腫瘤慢性缺氧的環(huán)境下，相比正常組織腫瘤組織的HIF-1α水平明顯增高，另外基因突變也促進(jìn)了HIF-1α在各類腫瘤中的穩(wěn)定表達(dá)。在中度缺氧條件下G1/S期轉(zhuǎn)換會(huì)放緩而在嚴(yán)重缺氧情況下細(xì)胞會(huì)進(jìn)入靜止期。該研究還證實(shí)了低氧條件下的化療抵抗與HIF-1α對(duì)細(xì)胞周期蛋白D(Cyclins D)的負(fù)性調(diào)節(jié)有關(guān)。在細(xì)胞凋亡方面HIF-1α可間接下調(diào)細(xì)胞周期蛋白E(Cyclins E)和上調(diào)細(xì)胞周期抑制因子如p21和p27來阻斷腫瘤細(xì)胞的凋亡。據(jù)此我們可以推測(cè)，HIF-1α的過度表達(dá)可能參與了膀胱癌的發(fā)生、發(fā)展，并可作為反映膀胱癌的診斷、分期與治療和預(yù)后的一個(gè)重要指標(biāo)。

3.2 HIF-1α與膀胱癌的治療 膀胱癌在臨床上首先還是選擇手術(shù)治療，但是相應(yīng)的輔助治療對(duì)于術(shù)前準(zhǔn)備和復(fù)發(fā)型膀胱癌都有重要的作用。由于膀胱癌與其他實(shí)體腫瘤一樣在缺氧的環(huán)境中對(duì)放、化療存在抵抗，且HIF-1α的過度表達(dá)與腫瘤的不良預(yù)后和患者的死亡率相關(guān)，所以HIF-1α很可能成為膀胱癌治療的一個(gè)新的靶點(diǎn)[13]。其中HIF-1α相關(guān)抑制劑研究最多，HIF-1α拮抗劑可使在缺氧區(qū)域的腫瘤細(xì)胞重新由靜態(tài)進(jìn)入細(xì)胞周期或者直接凋亡，重新進(jìn)入細(xì)胞周期的細(xì)胞會(huì)使放療或者化療變得更加容易[14]。其主要機(jī)制包括以下幾個(gè)方面：(1)抑制HIF-1α的DNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)；(2)抑制HIF-1α的mRNA相關(guān)轉(zhuǎn)錄活性；(3)加快HIF-1α的降解；(4)阻礙HIF-1α與相關(guān)靶基因的結(jié)合從而抑制HIF-1α的表達(dá)[15]。從天然產(chǎn)物中提取HIF-1α的抑制劑是目前的主要手段之一，在Chen等[10]的研究中提到厚樸(從中藥中分離出來的酚類化合物)，有抗腫瘤、誘導(dǎo)凋亡、下調(diào)HER2基因表達(dá)等作用。而且他們還證實(shí)厚樸在抑制缺氧對(duì)HIF-1α的刺激、VEGF與VEGFR2的結(jié)合、膀胱癌T24的血管生成都有顯著作用。其中的機(jī)制可能是抑制了磷脂酰肌醇-3-激酶抑制(PI3K)/AKT/雷帕霉素靶點(diǎn)(mTOR的)信號(hào)通路，反過來再削弱了HIF-1α和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的級(jí)聯(lián)。其他的一些類似抑制劑例如：拓?fù)涮婵怠⑻刮髂?作用于mTOR，阻斷HIF-1α的轉(zhuǎn)錄)、喜樹堿(阻斷HIF-1α的翻譯)也已進(jìn)入臨床研究階段[16]。另外反義治療HIF-1α以及腺病毒介導(dǎo)的基因傳遞和小分子的靶向HIF-1α治療已經(jīng)成為了一種新的治療途徑。最近的研究證明P13-K/ Akt途徑可通過熱休克蛋白的表達(dá)(HSP70和HSP90)控制HIF-1α的穩(wěn)定性，HSP70直接結(jié)合于HIF-1α蛋白的氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域以抑制其降解[17]。而熱休克蛋白阻斷劑格爾德霉素可抑制這種結(jié)合達(dá)到降解HIF-1α的目的。改善缺氧環(huán)境亦是治療膀胱癌的一種有效療法，F(xiàn)echner等[18]對(duì)小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)氧濃度的提高可控制膀胱移行細(xì)胞癌(TCC)的生長(zhǎng)，運(yùn)用促紅細(xì)胞生成素(EPO)可抵抗缺氧或低氧環(huán)境，減少缺氧相關(guān)因子的表達(dá)，抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的；但EPO的用量應(yīng)隨時(shí)調(diào)整以防血紅蛋白過高引起血液阻滯而加重缺氧。目前，針對(duì)HIF-1α的治療也存在一些局限性，較差的特異性使HIF-1α抑制劑的抗癌效果不佳，由于HIF-1抑制劑必須溶于血液中抵達(dá)癌組織達(dá)到殺滅腫瘤的目的，但其化合物較差的水溶性以及細(xì)胞毒性限制了其使用。這類藥物尚需進(jìn)一步的研究，仍需提供有效的結(jié)構(gòu)信息改善其生物學(xué)特性以找出更多的HIF-1α抑制劑并將這類藥物投入臨床試驗(yàn)。

3.3 HIF-1α與膀胱癌的預(yù)后 缺氧是膀胱癌微環(huán)境的基本特征之一，HIF-1α是癌細(xì)胞缺氧適應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子，功能涉及膀胱癌的代謝、血管生成和轉(zhuǎn)移等方面，在膀胱癌的惡性進(jìn)展及不良預(yù)后中發(fā)揮重要作用。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為HIF-1α在癌組織中的聚集和腫瘤預(yù)后呈負(fù)相關(guān)，Christiaansen等[19]的研究認(rèn)為HIF-1α的高表達(dá)和腫瘤的壞死密切相關(guān)，在晚期膀胱癌中壞死率明顯升高(T3、T4期的腫瘤達(dá)到70%)，而且膀胱癌的放療在低級(jí)別(T2)時(shí)會(huì)更加有效，提示HIF-1α為腫瘤的手術(shù)治療和預(yù)后提供重要的信息。李然偉等[20]的研究認(rèn)為HIF-1α在膀胱癌組織中的表達(dá)率明顯高于正常組織(P＜0.01)，且隨著癌細(xì)胞病理分級(jí)的增加其表達(dá)水平上升。此外，HIF-1α與HREs基因穩(wěn)定結(jié)合后引起的腫瘤血管生成、糖代謝加強(qiáng)和促紅細(xì)胞生成素的增加均會(huì)導(dǎo)致腫瘤的生存、增殖、進(jìn)展和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移[21]，因此HIF-1α的累積和患者的不良預(yù)后和較低的無病生存率都有關(guān)聯(lián)。腫瘤缺氧在臨床具有重要的意義，HIF-1α作為關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子作用于各個(gè)環(huán)節(jié)，但是目前對(duì)于缺氧的常規(guī)檢驗(yàn)并不普遍，因此限制了HIF-1α在臨床中的實(shí)際應(yīng)用。

4 展望

組織缺氧是眾多的實(shí)體腫瘤普遍存在的一種現(xiàn)象，至今仍然是腫瘤研究的主要問題。缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α的高表達(dá)參與了眾多重要的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和腫瘤的惡性轉(zhuǎn)化。膀胱癌是泌尿系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤，研究證實(shí)HIF-1α亦在膀胱癌的發(fā)生、發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移中起到了關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，HIF-1α有望成為了一個(gè)新的抗腫瘤治療的靶點(diǎn)。隨著研究的進(jìn)一步深入，HIF-1α的靶向治療及其抑制劑的研究有望改善膀胱癌患者對(duì)放、化療的敏感性，降低死亡率及提高患者的生存質(zhì)量。

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R737.14

A

1003—6350（2015）11—1640—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.11.0586

2014-10-29)

湖北省自然科學(xué)基金(編號(hào)：2011CDB328)

董自強(qiáng)。E-mail：dzq8678@126.com