缺氧在轉(zhuǎn)移前生態(tài)位形成中的作用

夏 杰，張 丹，雷 琴，占 玲，王 蓉

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)藥學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

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缺氧在轉(zhuǎn)移前生態(tài)位形成中的作用

夏 杰，張 丹，雷 琴，占 玲，王 蓉

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)藥學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

原發(fā)腫瘤通過釋放腫瘤分泌因子(Tumor-derived secreted factors ，TDSFs)在繼發(fā)器官募集骨髓來源細(xì)胞(bone marrow-derived cells ,BMDCs)，創(chuàng)建一個適合轉(zhuǎn)移腫瘤轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移前生態(tài)位(premetastatic niches，PMN)，為腫瘤的后期轉(zhuǎn)移做好前期準(zhǔn)備。實體腫瘤常因為缺氧而導(dǎo)致不良預(yù)后。缺氧是促進(jìn)PMN形成的重要因素。本文主要介紹了缺氧在PMN形成中的作用機(jī)制：缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factors, HIFs)依賴的LOX和LOX-like (LOXL)蛋白表達(dá)；缺氧腫瘤細(xì)胞釋放TDSFs；NK細(xì)胞殺傷功能降低。

缺氧；轉(zhuǎn)移前生態(tài)位；缺氧誘導(dǎo)因子；腫瘤分泌因子；NK細(xì)胞

轉(zhuǎn)移是腫瘤的主要死亡原因[1]，也是導(dǎo)致治療失敗的主要因素。腫瘤轉(zhuǎn)移是一個涉及多步驟的級聯(lián)反應(yīng)(metastatic cascade)過程[2]，這個過程在大多數(shù)情況下是會失敗，因為機(jī)體內(nèi)存在許多障礙，腫瘤細(xì)胞必須克服這些障礙才能成功轉(zhuǎn)移。Steven Paget[3]在一個世紀(jì)前提出的“種子和土壤”假說。在對735名乳腺癌死者尸檢的基礎(chǔ)上，Steven Paget提出，腫瘤在患者體內(nèi)轉(zhuǎn)移不是隨機(jī)的。他推測，種子(腫瘤細(xì)胞)選擇定植的土壤(器官)擁有一個適于生存和增值的環(huán)境。例如，乳腺癌的常見轉(zhuǎn)移位點是肺、骨、肝、腦、和局部淋巴結(jié)。最近的研究證據(jù)表明，原發(fā)腫瘤在轉(zhuǎn)移發(fā)生前可以改變繼發(fā)器官的微環(huán)境，為腫瘤轉(zhuǎn)移進(jìn)行遠(yuǎn)程前期準(zhǔn)備，以適應(yīng)腫瘤細(xì)胞的擴(kuò)散。這種轉(zhuǎn)移發(fā)生前在繼發(fā)器官創(chuàng)建的適合腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的微環(huán)境稱為轉(zhuǎn)移前生態(tài)位(premetastatic niches，PMN)，這一概念由Kaplan[4]和他的同事在2005年第一次提出。大量臨床資料顯示缺氧狀態(tài)與腫瘤的轉(zhuǎn)移、療效以及預(yù)后有關(guān)[5]。最新的研究表明，原發(fā)腫瘤缺氧也是形成PMN的重要機(jī)制。缺氧在大多數(shù)體積大于1cm3的實質(zhì)性腫瘤都會發(fā)生[6]。癌細(xì)胞在缺氧環(huán)境中適應(yīng)性生存加速了PMN的形成，導(dǎo)致臨床轉(zhuǎn)移和惡化。本文主要討論缺氧在創(chuàng)建PMN中的作用。

1 缺氧反應(yīng)信號途徑

缺氧是一種常見的生理和病理現(xiàn)象，在胚胎發(fā)育期快速增殖的細(xì)胞以及快速增殖的腫瘤細(xì)胞都能觀察到缺氧現(xiàn)象。為了應(yīng)對缺氧，生物有機(jī)體形成了一系列的調(diào)節(jié)機(jī)制，在多種調(diào)節(jié)途徑中，缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factors, HIFs) 是最主要的應(yīng)答細(xì)胞缺氧的調(diào)節(jié)因子，并且與生物體的生長、發(fā)育及一些疾病的發(fā)病機(jī)理都存在著密切的關(guān)系。HIF 是由α亞基和β亞基組成的具有轉(zhuǎn)錄活性的異源二聚體。哺乳動物一共存在三種HIF-α亞基：HIF-1α、HIF-2α 和HIF-3α[7]。HIF-1α是其中一個研究比較深入的亞基，在動物模型和臨床研究中發(fā)現(xiàn)HIF-1α與腫瘤生長、新生血管生成、轉(zhuǎn)移有密切關(guān)系[8]。在早期淋巴結(jié)陰性乳腺癌，HIF-1α過度表達(dá)與病人死亡率增加有關(guān)[9]。Dales[10]等通過對745例乳腺癌患者的回顧性研究表明，HIF-1α可預(yù)測早期復(fù)發(fā)。

在缺氧環(huán)境下，HIF-1(由HIF-1α和HIF-1β組成的異源二聚體轉(zhuǎn)錄因子)結(jié)合到細(xì)胞核內(nèi)的低氧反應(yīng)元件，啟動大量低氧反應(yīng)基因的表達(dá)[6]。賴氨酰氧化酶(LOX)家族蛋白就是其表達(dá)產(chǎn)物之一。HIF依賴的LOX或 LOX樣 (LOXL)蛋白已經(jīng)被證明參與對繼發(fā)器官細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的改造[11-12]。LOX由缺氧的腫瘤細(xì)胞分泌，與纖連蛋白共聚于繼發(fā)位點，并且在基膜鉸鏈膠原蛋白IV(collagen IV)中促進(jìn)CD11b+ BMDCs粘附并分泌基質(zhì)金屬蛋白酶2(MMP2)[11]。β-氨基丙腈(β-Aminopropionitrile ，BAPN)是LOX不可逆性抑制劑，Bondareva等[13]，通過心內(nèi)注射方式在小鼠體內(nèi)接種表達(dá)熒光素酶的人乳腺癌細(xì)胞(MDA-MB-231-Luc2 細(xì)胞)，分別在注射前一天、注射當(dāng)天(接種3小時后)用BAPN處理小鼠。結(jié)果顯示， 注射前一天和注射當(dāng)天用BAPN處理過的小鼠腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移率分別減少了44%和27%，全身總腫瘤負(fù)荷分別減少78%和45%。這說明LOX在轉(zhuǎn)移前階段起著至關(guān)重要的作用。Wong等[12]將人乳腺癌細(xì)胞移植到HIF-1基因沉默的小鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠膠原蛋白鉸鏈、CD11b+ BMDC募集以及腫瘤細(xì)胞的肺轉(zhuǎn)移率都減少。 因此，LOX 和 LOXL蛋白是HIFs上調(diào)基因的一部分，也是缺氧促進(jìn)PMN形成的主要機(jī)制，但腫瘤缺氧促進(jìn)PMN形成的機(jī)制并不僅僅限于此，一些促進(jìn)轉(zhuǎn)移進(jìn)程的低氧反應(yīng)目標(biāo)基因，包括VEGF，TGF-β，MMP2，MMP9，CXCR4和SDF-1[8]都與PMN的形成有直接或間接關(guān)系。

2 缺氧腫瘤細(xì)胞是TDSFs的主要來源

有研究表明缺氧腫瘤細(xì)胞是TDSFs的主要來源。Jaclyn Sceneay[14]等在常氧和缺氧兩種環(huán)境下培養(yǎng)PyMT-WT 或EO771 乳腺癌細(xì)胞，其培養(yǎng)基分別稱為常氧脫細(xì)胞條件培養(yǎng)基(normoxic cell-free conditioned medium，NCM)和低氧脫細(xì)胞條件培養(yǎng)基(hypoxic cell-free conditioned medium ，HCM)。他們將小鼠分別用NCM和HCM處理，隨后立即靜脈注射Cherry-labeled /PyMT-WT腫瘤細(xì)胞或EO771 腫瘤細(xì)胞。結(jié)果顯示，HCM處理小鼠相對于NCM處理小鼠癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移率增加。這一結(jié)果表明，HCM對繼發(fā)組織微環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，從而支持腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。Jaclyn Sceneay[14]等還分析了上述實驗HCM中乳腺癌細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)成分，其中單核細(xì)胞趨化蛋白(MCP-1，CCL2)、粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)、腫瘤壞死因子a(TNF-a)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、組織金屬蛋白酶抑制劑1(TIMP-1)和基質(zhì)金屬蛋白酶9(MMP-9)顯著增高。MCP-1屬于CC 趨化因子家族β亞族成員，已知其在炎癥和癌癥組織中發(fā)揮調(diào)節(jié)、募集炎癥細(xì)胞的作用。用MCP-1抗體中和HCM中MCP-1，可降低腫瘤轉(zhuǎn)移負(fù)荷，而中和NCM中MCP-1，不改變轉(zhuǎn)移負(fù)荷。因此，用HCM處理的小鼠顯示出更強(qiáng)的乳腺癌轉(zhuǎn)移傾向，部分歸因于HCM中MCP-1的存在。所以，缺氧腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的TDSFs可以獨立啟動PMN的形成。

腫瘤缺氧誘導(dǎo)多種TDSFs產(chǎn)生，但不同腫瘤起源細(xì)胞系表達(dá)不同缺氧基因。例如，Jaclyn Sceneay[14]等用EO771 和 PyMT-WT兩種乳腺癌細(xì)胞系分析其HCM分泌的各種因子，發(fā)現(xiàn)它們分泌的缺氧TDSFs差異性很大。另外，Kowanetz[15]等通過對比研究轉(zhuǎn)移性和非轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞系，也證實了TDSFs的差異性產(chǎn)生。因此，即使在同一器官的不同癌細(xì)胞系之間，產(chǎn)生TDSFs的種類是不同的，所以也無法歸納出一套促PMN形成的TDSFs譜。

3 缺氧降低自然殺傷細(xì)胞(NK細(xì)胞)的功能

NK細(xì)胞是一種天然免疫淋巴細(xì)胞，對靶細(xì)胞的識別無MHC限制性,無需預(yù)先致敏即可直接殺傷腫瘤細(xì)胞，也可分泌細(xì)胞因子調(diào)節(jié)其它免疫細(xì)胞的功能。研究表明，腫瘤組織中浸潤的NK細(xì)胞與健康人體NK細(xì)胞相比，其殺傷能力顯著下降[16]。外周血中NK細(xì)胞的活性與患癌風(fēng)險呈負(fù)性相關(guān)，NK細(xì)胞活性越低，患癌風(fēng)險則越高[17]。NK細(xì)胞通過釋放穿孔素和顆粒酶B調(diào)控凋亡，死亡受體介導(dǎo)的靶細(xì)胞凋亡，細(xì)胞因子介導(dǎo)的殺傷作用，ADCC介導(dǎo)的殺傷作用等機(jī)制殺死靶細(xì)胞[18]。NK細(xì)胞表面分子CD11b和CD27的表達(dá)反應(yīng)NK細(xì)胞的不同狀態(tài)，CD11blow/CD27low表現(xiàn)出不成熟的特征，并且具有向其它亞群分化的能力，CD11bhigh/CD27low表現(xiàn)出成熟的特征，是主要的殺傷細(xì)胞[6]。NK細(xì)胞作為先天免疫的效應(yīng)淋巴細(xì)胞，在癌癥病人和腫瘤負(fù)載小鼠體內(nèi)的殺傷能力下降[8]。

Jaclyn Sceneay[14]等在NCM處理和未用NCM處理的小鼠體內(nèi)都觀測到成熟NK細(xì)胞增加的現(xiàn)象，但在HCM處理小鼠體內(nèi)觀測到大量不成熟的CD11blow/CD27lowNK細(xì)胞，并推測PMN的形成部分歸功于HCM來源因子(HCM-derived factors )抑制了NK細(xì)胞的分化。為了驗證HCM處理小鼠腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移率增加是由其NK細(xì)胞功能降低所致，Jaclyn Sceneay[14]等用抗去唾液酸神經(jīng)節(jié)苷脂抗體(anti-asialo-GM1)去除小鼠NK細(xì)胞，在注射Cherry Cherry-labeled /PyMT-WT腫瘤細(xì)胞后，NCM /anti-asialo-GM1處理小鼠與同型HCM處理的小鼠相比較，腫瘤轉(zhuǎn)移負(fù)荷沒有明顯差異。NCM/ anti-asialo-GM1處理小鼠相對于同型NCM處理的小鼠，腫瘤轉(zhuǎn)移負(fù)荷顯著增加。這些數(shù)據(jù)提示，NCM處理小鼠的相對低轉(zhuǎn)移負(fù)荷，歸功于NK細(xì)胞的抗腫瘤活性；而HCM處理小鼠的相對高轉(zhuǎn)移負(fù)荷是由NK細(xì)胞功能降低所致。因此，缺氧腫瘤細(xì)胞釋放因子可以導(dǎo)致NK細(xì)胞成熟障礙，功能低下，為腫瘤轉(zhuǎn)移創(chuàng)造了有利條件，是促進(jìn)PMN形成的重要因素。

綜上所述，腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)移前就在繼發(fā)器官創(chuàng)建了一個適宜的轉(zhuǎn)移前生態(tài)位，為轉(zhuǎn)移做好前期準(zhǔn)備。缺氧是實質(zhì)性腫瘤在增殖過程中常見的病理現(xiàn)象，缺氧也意味著腫瘤的不良預(yù)后。缺氧在PMN形成的過程中發(fā)揮重要作用，為腫瘤的轉(zhuǎn)移提供便利。抗血管生成治療是當(dāng)前腫瘤治療的常用手段之一，但有研究表明，抗血管生成治療可能導(dǎo)致腫瘤進(jìn)一步惡化，因為抗血管生成治療可創(chuàng)建一種缺氧環(huán)境[19]。Hartwich[20]等利用低劑量拓?fù)涮婵? topotecan)抑制 HIF-1α，在小鼠模型中增強(qiáng)了抗血管生成療法治療腫瘤的療效。因此，針對腫瘤缺氧及其下游調(diào)節(jié)因子的治療方法，是一個有前景的腫瘤治療手段。低氧在PMN形成各環(huán)節(jié)的詳細(xì)機(jī)制，值得深入研究。

[1]Gupta GP, Massagué J. Cancer metastasis[J].building a framework.Cell, 2006,127(4):679-695.

[2]Kitamura T,Qian BZ,Pollard JW.Immune cell promotion of metastasis[J].Nat Rev Immunol,2015,15(2):73-86.

[3]Paget G. Remarks on a case of alternate partial anaesthesia[J].British Medical Journal, 1889,1(1462):1-3.

[4]Kaplan RN, Riba RD, Zacharoulis S, et al. VEGFR1-positive haematopoietic bone marrow progenitors initiate the pre-metastatic niche[J]. Nature, 2005,438(7069):820-827.

[5]秦承東,任正剛,湯釗猷.缺氧微環(huán)境在腫瘤進(jìn)展中的作用[J].腫瘤,2016, 36(1):99-102.

[6]Harris A L. Hypoxia-a key regulatory factor in tumour growth[J].Nature Reviews Cancer, 2002,2(1):38-47.

[7]姚青,李筠,張鵬等.缺氧誘導(dǎo)因子-1和缺氧誘導(dǎo)因子-2：結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)節(jié)[J].生命的化學(xué),2011,23(8):753-761.

[8]Semenza GL. Hypoxia-inducible factors: mediators of cancer progression and targets for cancer therapy[J].Trends in Pharmacological Sciences,2012,33(4):207-214.

[9]Bos R, van der Groep P, Greijer AE, et al. Levels of hypoxia-inducible factor-1alpha independently predict prognosis in patients with lymph node negative breast carcinoma[J].Cancer,2003,97(6):1573-1581 .

[10]Dales JP, Garcia S, Meunier-Carpentier S, et al. Overexpression of hypoxia-inducible factor HIF-1alpha predicts early relapse in breast cancer: retrospective study in a series of 745 patients[J]. International Journal of Cancer, 2005,116(5):734-739.

[11]Erler JT, Bennewith KL, Cox TR.et al. Hypoxia-induced lysyl oxidase is a critical mediator of bone marrow cell recruitment to form the premetastatic niche[J].Cancer Cell,2009,15(1):35-44.

[12]Wong CC, Gilkes DM, Zhang H, et al. Hypoxia-inducible factor 1 is a master regulator of breast cancer metastatic niche formation[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2011,108(39): 16369-16374.

[13]Bondareva A, Downey CM, Ayres F, et al. The lysyl oxidase inhibitor, betaaminopropionitrile, diminishes the metastatic colonization potential of circulating breast cancer cells[J].PLoS One, 2009,4(5): e5620.

[14] Sceneay J, Chow MT, Chen A, et al. Primary tumor hypoxia recruits CD11b+/Ly6Cmed/Ly6G+ immune suppressor cells and compromises NK cell cytotoxicity in the premetastatic niche[J].Cancer Research,2012, 72(16):3906-11.

[15]Kowanetz M, Wu X, Lee J, et al. Granulocyte-colony stimulating factor promotes lung metastasis through mobilization of Ly6G+Ly6C+granulocytes[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010,107(50):21248-21255.

[16]Gulubova M, Manolova I, Kyurkchiev D, et al. Decrease in intrahepatic CD56+ lymphocytes in gastric and colorectal cancer patients with liver metastases[J].APMIS, 2009,117(12):870-9.

[17]Carrega P, Morandi B, Costa R, et al. Natural killer cells infiltrating human nonsmall-cell lung cancer are enriched in CD56 bright CD16(-) cells and display an impaired capability to kill tumor cells[J].Cancer, 2008,112(4):863-75.

[18]趙敬湘,王字玲.增強(qiáng)NK細(xì)胞腫瘤殺傷活性的研究進(jìn)展[J].中華腫瘤防治雜志,2009,16(16):1267-1271.

[19]Rapisarda A, Melillo G.Overcoming disappointing results with antiangiogenic therapy by targeting hypoxia[J].Nat Rev Clin Oncol ,2012,9(7):378-90.

[20]Hartwich J, Orr WS, Ng CY, et al. HIF-1alpha activation mediates resistance to anti-angiogenic therapy in neuroblastoma xenografts[J].J Pediatr Surg ,2013,48(1):39-46.

[責(zé)任編輯：曾 華]

2017-03-11

夏 杰，男，湖北黃岡人，主治醫(yī)師，講師。研究方向：生物化學(xué)教學(xué)及研究。

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1672-1047(2017)02-0087-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.02.24