腫瘤血管生成擬態(tài)與HIF-1α信號通路的相關(guān)研究進(jìn)展

許成勇 綜述 竇永起 審校

腫瘤血管生成擬態(tài)與HIF-1α信號通路的相關(guān)研究進(jìn)展

許成勇 綜述 竇永起 審校

腫瘤；血管生成擬態(tài)；信號通路；HIF-1α

惡性腫瘤的存活和生長需要提供充足有效的血液供應(yīng)，除了早已成為共識的血管發(fā)生和血管生成理論外，在一些惡性腫瘤中均發(fā)現(xiàn)血管生成存在擬態(tài)(vasculogenic mimicry，VM)模式，而缺氧能夠增加腫瘤細(xì)胞可塑性，有利于VM 形成。缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)是缺氧反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)器，誘導(dǎo)大量調(diào)節(jié)缺氧的關(guān)鍵因子表達(dá)[1]。在VM發(fā)生過程中，缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α相關(guān)通路激活能夠啟動腫瘤細(xì)胞血管生成的信號級聯(lián)反應(yīng)。目前已有不少抗腫瘤血管生成藥物的研發(fā)集中在HIF-1α相關(guān)通路環(huán)節(jié)，成為探索新的靶向藥物突破點(diǎn)之一。筆者就近年來腫瘤血管生成擬態(tài)與HIF-1α相關(guān)信號因子的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 腫瘤血管生成擬態(tài)與HIF-1α信號通路

Maniotis等[2]在皮膚惡性黑色素瘤中發(fā)現(xiàn)，一種與不依賴血管內(nèi)皮細(xì)胞形成管腔的血液供應(yīng)方式，即由腫瘤細(xì)胞互相連接、細(xì)胞外基質(zhì)內(nèi)襯而形成管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并證實(shí)在部分管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中存在紅細(xì)胞,提示該結(jié)構(gòu)具有為腫瘤組織供血的功能，該種血管生成模式被稱為“血管生成擬態(tài)”(vasculogenic mimicry，VM)。后續(xù)研究者在其他惡性腫瘤細(xì)胞，諸如卵巢癌、肝癌、肉瘤和神經(jīng)膠質(zhì)瘤中也發(fā)現(xiàn)與內(nèi)皮細(xì)胞相似的網(wǎng)格狀管腔結(jié)構(gòu)， 其原因可能與惡性腫瘤細(xì)胞分化差、多能性高、更能夠模擬血管內(nèi)皮細(xì)胞相應(yīng)的功能相關(guān)[3]。腫瘤VM信號傳導(dǎo)通路模型中，缺氧是關(guān)鍵“啟動開關(guān)”，而缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor, HIF)是最重要的缺氧應(yīng)激因子，其活性主要由HIF-1α亞基決定，在缺氧時HIF-1α的泛素化受到抑制，導(dǎo)致其在細(xì)胞內(nèi)蓄積，繼而引起系列反應(yīng)，激活HIF-1α信號通路，誘導(dǎo)腫瘤血管生成機(jī)制中相關(guān)因子的表達(dá)，啟動腫瘤細(xì)胞內(nèi)部血管生成的信號級聯(lián)反應(yīng)[4]。缺血、缺氧的微環(huán)境能夠提高腫瘤細(xì)胞的可塑性，并通過 HIF-1α/低氧反應(yīng)元件(HIF-1α/HRE)引發(fā)HIF-1α信號通路的激活，造成血管生成促進(jìn)因子與血管生成抑制因子表達(dá)失衡，使腫瘤細(xì)胞表型發(fā)生內(nèi)皮轉(zhuǎn)化，腫瘤血管開始形成[5,6]。

2 HIF-1α相關(guān)信號因子與腫瘤血管生成

2.1 PI3K/Akt/mTOR、NF-κB、Wnt/β-catenin與 HIF-1α 雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是PI3K/Akt 的下游底物, PI3K/Akt/mTOR是調(diào)控細(xì)胞內(nèi)HIF-1α表達(dá)的一條重要信號途徑。PI3K/Akt/ mTOR信號通路可通過磷酸化真核細(xì)胞啟動因子4E結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)HIF-1α的翻譯過程，增加其蛋白合成，進(jìn)而腫瘤新生血管的生成[7]。亦有研究認(rèn)為，mTOR通過mTOR/HIF-1α/VEGF軸線，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成、血管新生、調(diào)節(jié)凋亡及自噬等[8]。核因子-κB(Nuclear Factor-κB，NF-κB)通過上調(diào)HIF-1α的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對VEGF蛋白表達(dá)水平的調(diào)控，起到誘導(dǎo)腫瘤血管生成，加速腫瘤生長和向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的作用，其機(jī)制可能與激活PI3K/AKt途徑上調(diào)HIF-lα的表達(dá)相關(guān)[9]。Lee等[10]發(fā)現(xiàn),在小鼠胚胎干細(xì)胞中，缺氧激活Wnt/β-catenin信號通路后，導(dǎo)致HIF-1α合成增加，VEGF的表達(dá)也明顯提高，表明缺氧條件下Wnt/β-catenin通過激活HIF-1α信號通路上調(diào)VEGF的表達(dá)。Newman等[11]研究表明,Wnt/β-catenin信號通路通過調(diào)控新生血管內(nèi)皮細(xì)胞(endothelial cells，EC)的增殖來調(diào)控腫瘤血管生成。

2.2 TGF-β1/MAPK與HIF-1α 轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1) 是一種功能廣泛的多肽類細(xì)胞因子，在腫瘤細(xì)胞的增殖、分化和遷移過程中，起著雙重調(diào)節(jié)作用，也是促進(jìn)腫瘤微血管生成的重要因子, 其可以通過選擇性抑制脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase，PHD)而增加HIF-1α的穩(wěn)定性并抑制其降解，而MAPK 信號通路體系是 TGF-β發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的重要通路[12]。該信號體系主要通包括以下3個轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)：(1)Ras/Raf/MEK/ERK轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。(2)p38MAPK(mitogen-activated protein kinase MAPK)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[13]；(3)c- Jun 氨基末端激酶(c- Jun N- terminal kinase，JNK)/應(yīng)激活化蛋白激酶轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。TGF-β1能夠誘導(dǎo)活化多種細(xì)胞中的ERK、p38 MAPK、JNK，是激活MAPK通路體系的始動因素之一[14]。Ras與GTP結(jié)合后通過三級激酶級聯(lián)反應(yīng)激活絲氨酸/蘇氨酸激酶(Raf)，進(jìn)而再激活絲裂素活化蛋白激酶激酶 (MEK) 和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)，最終通過對轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子表達(dá)的調(diào)控而將腫瘤血管生成、細(xì)胞增殖信號傳遞到細(xì)胞核內(nèi)[15]。研究發(fā)現(xiàn)，在人頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中，p38 MAPK信號通路通過抑制活化VEGF等的表達(dá)，調(diào)控腫瘤細(xì)胞的生長及血管生成[16]。c-JNK通路能通過與VEGF mRNA 結(jié)合，提高 VEGF mRNA 的穩(wěn)定性[17]。Smads 蛋白是 TGF-β受體的胞內(nèi)激酶的底物，TGF-β1主要依賴于 Smads蛋白的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能而發(fā)揮其作用， 作為TGF-β1受體復(fù)合物的下游信號分子，Smad2、Smad3磷酸化后與 Smad4 結(jié)合形成復(fù)合物移入胞核內(nèi)， 調(diào)控目的基因的轉(zhuǎn)錄；Smad7能阻止 Smad2/3 磷酸化過程，是TGF-β1信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)的負(fù)向調(diào)控因子[18]。熱休克蛋白90(Hsp90)作為TGF-β1/MAPK通路中重要的“分子伴侶”，對細(xì)胞中的信號蛋白構(gòu)象和功能的穩(wěn)定進(jìn)行調(diào)控，在缺氧條件下與 HIF-1α的bHLH-PAS轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)域結(jié)合，激活 HIF-1α，參與調(diào)控腫瘤微血管的生成[19]。

2.3 HIF-1α與 VEGF/ COX-2 /MMP-2/MMP-14 血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)能夠促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞分裂、增殖，誘導(dǎo)血管新生，并能直接作用于腫瘤細(xì)胞，可提高其可塑性參與VM 形成。HIF-1α 直接激活VEGF的表達(dá)，在缺氧條件下，HIF-1α通過與VEGF 基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游的缺氧應(yīng)答元件( hypoxia response element，HRE)結(jié)合，誘導(dǎo)自身高表達(dá)[20]，高表達(dá)的VEGF通過與VEGFR1、VEGFR2，及新近發(fā)現(xiàn)的在一些腫瘤細(xì)胞表面的Neuropilin-l(NRP1)等相關(guān)受體結(jié)合發(fā)揮促血管生成作用[21]。HIF-1α/ HRE結(jié)合，能夠直接促進(jìn)環(huán)氧合酶-2(Cyclooxygenase-2，COX-2)基因表達(dá)，其促進(jìn)腫瘤血管形成的機(jī)制可能是通過COX-2—PGE2—VEGF 途徑發(fā)揮作用[22]。Imada 等[23]研究還發(fā)現(xiàn),乙酰肝素酶在COX-2 介導(dǎo)的乳腺癌微血管形成過程中起重要作用，其機(jī)制可能為乙酰肝素酶直接通過 COX-2 誘導(dǎo) VEGF 和基底部纖維母細(xì)胞因子表達(dá)，參與乳腺癌組織新生血管的生成。HIF-1α通路介導(dǎo)的基質(zhì)金屬蛋白酶-14(MMP-14)表達(dá)和活化能夠激活基質(zhì)金屬蛋白酶-2(MMP-2)，促進(jìn)層黏連蛋白分解，層黏連蛋白分解的片段釋放進(jìn)入細(xì)胞外微環(huán)境中收縮基質(zhì)形成“管道”，是形成VM的重要環(huán)節(jié)[24]。

3 HIF-1α相關(guān)信號通路的靶向藥物

3.1 抑制藥物 HIF-1α作為腫瘤微血管生成機(jī)制中的“樞紐”，是抗腫瘤血管抑制藥物干預(yù)的關(guān)鍵靶點(diǎn)，包括影響HIF-1α蛋白降解的分子伴侶Hsp90抑制藥(17-AAG和17-DMAG)、組蛋白去乙?；?HDAC)抑制藥vorinostat；抑制HIF-1蛋白翻譯的拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ抑制劑托泊替康、拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ抑制藥NSC644221；減少HIF-1α蛋白的合成的mTOR抑制藥雷帕霉素等[25]。 Cai 等[26]發(fā)現(xiàn)，替莫唑胺能夠通過降低 HIF-1α 蛋白表達(dá)，增強(qiáng)伊立替康的化療作用。該研究還發(fā)現(xiàn)，洋地黃類藥物地高辛能夠抑制HIF-1α的活性，抑制腫瘤血管的血管形成[27]。Zhang 等[28]發(fā)現(xiàn)，去甲斑蝥素的抗腫瘤血管生成機(jī)制可能與抑制PI3K-MMPs信號通路有關(guān)。針對 ERK 通路的抑制藥U0126和PD98059、 p38 通路的抑制藥ASA404及阻斷 Ras/Raf/MAPK 信號通路的藥物 AZD 6244 (MEK1/2 選擇性抑制藥)、索拉非尼(多種酪氨酸激酶抑制藥)、GSK1120212(MEK1 選擇性抑制藥)等的相關(guān)試驗(yàn)已見報道[29,30]。另外，異黃腐醇通過抑藥TGF-β表達(dá)進(jìn)而影響腫瘤細(xì)胞的遷移侵襲，抑制腫瘤血管生成[31]；巖藻多糖硫酸酯能夠抑制 A549 肺腺癌侵襲和轉(zhuǎn)移的作用，其機(jī)制可能與干預(yù) ERK1/2 和 PI3K/AKT 磷酸化有關(guān)[32]。

3.2 中藥 利用傳統(tǒng)飲片提取后得出的中藥有效成分在干預(yù)腫瘤血管生成方面也有不少研究報道。張平等[33]證實(shí)，人參皂苷 Rg3 聯(lián)合蘇拉明對可能通過下調(diào)TGF-β1的表達(dá)抑制小鼠 Lewis 肺癌生長轉(zhuǎn)移。黃芪的有效成分黃芪多糖、黃芪皂苷能降低腫瘤組織中VEGF、熱休克蛋白70(HSP70)的表達(dá)，抑制腫瘤血管生成[34,35]。低劑量丹參酮IIA能夠調(diào)節(jié)VEGF，堿性成纖維細(xì)胞生長因子(bFGF)等促血管新生因子，通過HIF-1α、MMPs、PI3K/AKT/eNOS等多途徑抑制血管新生[36]。李妍等[37]發(fā)現(xiàn)，從姜科植物姜黃、郁金、莪術(shù)中提取的中藥單體姜黃素可通過減少TGF-β1過度表達(dá)、上調(diào)Smad7和下調(diào)Smad3水平，從而抑制HIF-1α蛋白表達(dá)，發(fā)揮抗腫瘤血管形成作用。而同樣來自于莪術(shù)的提取物β-欖香烯能直接抑制VEGF介導(dǎo)的血管生成，調(diào)控小鼠黑色素瘤的生長[38]。以上均從不同靶點(diǎn)報道了中藥有效成分對腫瘤微血管形成的干預(yù)機(jī)制，其具有多靶點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)狀分布的特點(diǎn)，但也存在作用靶點(diǎn)不夠集中、抗腫瘤血管生成作用效果弱的不足，需要進(jìn)一步進(jìn)行篩選。

血管生成擬態(tài)作為一種腫瘤功能性微循環(huán)形成的方式，是腫瘤血液供應(yīng)的重要途徑。腫瘤細(xì)胞微環(huán)境的改變，特別是缺氧環(huán)境形成能夠誘導(dǎo)擬態(tài)血管的形成，而缺氧環(huán)境激活的HIF-1α相關(guān)通路能夠啟動腫瘤血管生成的信號級聯(lián)反應(yīng)，參與腫瘤血管生成擬態(tài)機(jī)制，干預(yù)腫瘤的生長、增殖和侵襲、遷移過程。HIF-1α相關(guān)通信號通路眾多，各通路的關(guān)鍵因子表達(dá)對腫瘤血管生成的信號傳遞均具有重要的調(diào)節(jié)作用，但該通路上下游諸多環(huán)節(jié)的作用機(jī)制尚未完全明了，某些重要因子之間的相互關(guān)系也未能明確闡述，故下一步應(yīng)集中針對該通路中比較明確的關(guān)鍵因子，圍繞其上下游分子的作用機(jī)制展開研究，進(jìn)而研發(fā)抗腫瘤血管生成作用明確、抑制或殺傷腫瘤作用明顯且特異性強(qiáng)的靶向藥物。另外，對中藥提取物抗腫瘤血管生成機(jī)制研究也應(yīng)更進(jìn)一步深入，為開發(fā)抗腫瘤血管生成新藥提供新的思路。

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R733

國家自然科學(xué)基金(81673810)

許成勇，博士研究生，醫(yī)師。

100853 北京，解放軍總醫(yī)院中醫(yī)科

竇永起， E-mail:dyqi_ 301 @ yeah. net

(2017-02-20收稿 2017-06-10修回)

(責(zé)任編輯 武建虎)

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