低氧對(duì)腫瘤轉(zhuǎn)移的促進(jìn)作用

連烜曄，崔晶

山東大學(xué)附屬千佛山醫(yī)院病理科，濟(jì)南2500140

1 腫瘤與低氧的關(guān)系

腫瘤細(xì)胞的迅速、異常增殖，使氧氣快速消耗，超過(guò)組織的供氧量，形成低氧微環(huán)境。低氧是許多實(shí)體腫瘤的共同特點(diǎn)，腫瘤的發(fā)生伴隨微環(huán)境中氧含量的下降。在低氧微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一系列的生物學(xué)變化。低氧可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞代謝發(fā)生適應(yīng)性改變，如從氧化磷酸化轉(zhuǎn)換為糖酵解，增加了糖原的合成；從葡萄糖轉(zhuǎn)換為谷氨酰胺，成為脂肪酸合成的主要底物。低氧可使細(xì)胞周期停滯在G0或G1期，抑制細(xì)胞的增殖；促進(jìn)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）；從多方面影響腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移，誘導(dǎo)細(xì)胞衰老和凋亡。同時(shí)，低氧也會(huì)影響腫瘤微環(huán)境中的其他方面，如誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞在代謝方式和分子層面上發(fā)生變化，增加促血管生成因子的表達(dá)，促進(jìn)血管生成；調(diào)節(jié)炎性介質(zhì)和生長(zhǎng)因子，刺激血小板、白細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的活性。此外，低氧也可使內(nèi)皮細(xì)胞與中性粒細(xì)胞的黏合度提高，促進(jìn)自然殺傷細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)和局部炎性反應(yīng)[1]。

2 與腫瘤、低氧相關(guān)的信號(hào)通路

低氧可誘導(dǎo)許多復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，如磷脂酰肌醇-3-羥激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB，又稱(chēng)AKT）/雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）[2]、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activation protein kinase，MAPK）[3]、核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）相關(guān)信號(hào)通路[4]和低氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）信號(hào)通路等。

2.1 HIF的作用

低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia-inducible factor，HIF）活化是低氧微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞代謝改變最明顯的分子特征。HIF有3種亞型：HIF-1、HIF-2和HIF-3。HIF-1是低氧腫瘤細(xì)胞代謝改變中最重要的亞型[5]，可幫助低氧微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞的葡萄糖代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У奶墙徒?，以保證能量的產(chǎn)生（瓦博格效應(yīng)），還可以促進(jìn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)新生血管的形成，為腫瘤的生長(zhǎng)提供更多的氧。

HIF-1α的活化和累積可受氧依賴(lài)和非氧依賴(lài)通路調(diào)控。氧依賴(lài)情況下，調(diào)控途徑有兩條。一是調(diào)控HIF-1α的降解。正常氧條件下，HIF-1α通過(guò)泛素-蛋白酶體途徑降解。該過(guò)程主要以HIF的氧依賴(lài)降解結(jié)構(gòu)域（oxygen dependent degradation domain，ODDD）為基礎(chǔ)。二是抑制HIF-1α的轉(zhuǎn)錄、激活。HIF-1α的C-終端反式激活結(jié)構(gòu)域（C-terminal transactivation domain，C-TAD）與共激活分子CREB結(jié)合蛋白（CREB binding protein，CBP）/p300協(xié)同結(jié)合啟動(dòng)HIF-1α的靶基因的轉(zhuǎn)錄、激活。非氧依賴(lài)情況下，腫瘤生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子和其他信號(hào)分子也可以上調(diào)HIF-1α蛋白的表達(dá)。PI3K通過(guò)目的蛋白AKT和下游的MTOR調(diào)節(jié)HIF-1α蛋白合成。MTOR可使真核細(xì)胞翻譯起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor 4E，EIF4E）磷酸化，阻礙其與真核細(xì)胞翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1（eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 1，EIF4EBP1）的結(jié)合，解除了對(duì)CAP帽依賴(lài)性mRNA翻譯的抑制作用，從而增加了HIF-1α蛋白的表達(dá)。此外，p70 S6激酶（S6 kinase，S6K）的磷酸化促進(jìn)其底物-核糖體蛋白S6磷酸化，促進(jìn)了蛋白翻譯[6]。磷酸酶張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homology，PTEN）基因可逆轉(zhuǎn)PI3K產(chǎn)物的磷酸化，阻斷這條通路。還有一些生長(zhǎng)因子活化大鼠肉瘤（rat sarcoma，RAS）基因，隨后啟動(dòng)RAS/RAF/MEK/細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）級(jí)聯(lián)反應(yīng)?；罨腅RK磷酸化EIF4EBP1、S6K和MAPK作用激酶（MAPK interacting kinase，MNK）。MNK也可以直接磷酸化EIF4E[7]。這些信號(hào)分子的改變促進(jìn)HIF-1αmRNA翻譯成蛋白。ERK不僅參與HIF-1α的合成，還可提高HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性。ERK可使CBP/p300磷酸化，促進(jìn)HIF-1α/p300復(fù)合體形成，并激活其轉(zhuǎn)錄活化功能。在正常氧條件下，HIF-1α與p53蛋白結(jié)合，導(dǎo)致鼠雙微體基因2（mouse double minute 2，MDM2）介導(dǎo)的 HIF-1α泛素化及蛋白酶體的降解。

另外，無(wú)論是否低氧，抑制熱休克蛋白90（heat shock protein 90，HSP90）均能抑制 HIF-1α的表達(dá)。HSP90可以直接與HIF-1α結(jié)合，導(dǎo)致HIF-1α蛋白結(jié)構(gòu)的構(gòu)象發(fā)生變化，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。此外，HSP90可穩(wěn)定HIF-1α，對(duì)抗其非VHL（腫瘤抑制基因：von Hippel-Lindau，簡(jiǎn)稱(chēng) VHL）依賴(lài)性降解。

2.2 PI 3K/AKT/MTOR、MAPK和NF- κ B信號(hào)通路

在低氧微環(huán)境中細(xì)胞因子、趨化因子和附著在酪氨酸激酶受體、G蛋白偶聯(lián)受體、Toll樣受體（toll like receptor，TLR）的生長(zhǎng)因子可激活PI3K/AKT/MTOR、MAPK 和 NF-κB信號(hào)通路。PI3K/AKT/MTOR信號(hào)通路在大多數(shù)腫瘤細(xì)胞中處于高活性狀態(tài)，也正是因?yàn)檫@條通路的激活，促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移和侵襲。MAPK信號(hào)通路可以通過(guò)調(diào)控細(xì)胞周期蛋白D（cyclin D）及p27的表達(dá)水平影響細(xì)胞周期G1至S期的進(jìn)程。MAPK也可以調(diào)節(jié)許多轉(zhuǎn)錄因子，包括c-fos、Jun-B、CREB和Elk-1，所以MAPK途徑可能對(duì)低氧時(shí)內(nèi)皮PAS區(qū)域蛋白 1（endothelial PAS-domain protein 1，EPAS1）的激活很重要。已知MAPK對(duì)許多基因的反式激活至關(guān)重要，并主要通過(guò)下游轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化來(lái)發(fā)揮其作用。NF-κB家族中NF-κB1（p50/p105）、NF-κB2（p52/p100）、RelA（p65）、RelB 和 CRel參與炎性反應(yīng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和生存。同時(shí)，NF-κB也可以調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞存活和血管生成的關(guān)鍵介質(zhì)如AKT和VEGF的表達(dá)[8-9]。AKT的激活可以通過(guò)抑制細(xì)胞凋亡來(lái)促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞存活，并且可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移和新血管形成。此外，腫瘤細(xì)胞中這些信號(hào)通路成員的遺傳變異和獲得性基因突變，以及受體的過(guò)激反應(yīng)都可以導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞不受控制地生長(zhǎng)[10]。非HIF通路為抗腫瘤治療提供了有前景的治療靶點(diǎn)，每條通路都是一個(gè)值得研究的領(lǐng)域。

3 低氧微環(huán)境與腫瘤轉(zhuǎn)移的關(guān)系

3.1 血管生成

血管生成在腫瘤進(jìn)展中起關(guān)鍵作用，是組織侵襲和轉(zhuǎn)移所必須經(jīng)歷的過(guò)程。不成熟的血管生成是腫瘤進(jìn)展過(guò)程中的病理學(xué)特點(diǎn)之一。由于血液供氧無(wú)法滿(mǎn)足過(guò)度增生的腫瘤組織而導(dǎo)致低氧微環(huán)境。低氧微環(huán)境中促血管生成因子和抗血管生成因子之間失去平衡，導(dǎo)致增強(qiáng)、急速、無(wú)序的血管形成。HIF-1α和HIF-2α通過(guò)調(diào)控VEGF，參與血管形成的所有步驟[11]。低氧微環(huán)境和HIF-1α有助于從骨髓中募集內(nèi)皮祖細(xì)胞（endothelial progenitor cell，EPC），并且通過(guò)調(diào)節(jié)VEGF促進(jìn)EPC分化為內(nèi)皮細(xì)胞。這個(gè)過(guò)程也可以由促血管生成因子介導(dǎo)，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2；又稱(chēng)為fetal liver kinase-1，F(xiàn)LK-1）。VEGFR2通過(guò)激活誘導(dǎo)“內(nèi)皮尖細(xì)胞”（即芽的前導(dǎo)細(xì)胞）轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致多種調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖，細(xì)胞骨架重排，并介導(dǎo)細(xì)胞存活，增加血管通透性，激活下游通路。這些激活的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路包括RAS/MAPK/ERK、黏著斑激酶（focal adhesion kinase，F(xiàn)AK）/樁蛋白、PI3K/AKT/MTOR、ras同源物基因家族成員A（ras homolog family member A，RHOA）/RHOA激酶和磷脂酶Cγ通路[12]。這些通路一旦被激活，“內(nèi)皮尖細(xì)胞”就會(huì)增加Notch信號(hào)通路δ樣配體4抗體（delta-like ligand 4，DLL4）的表達(dá)，并且DLL4與相鄰內(nèi)皮細(xì)胞上的Notch受體結(jié)合，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)物Notch在細(xì)胞內(nèi)過(guò)表達(dá)。Notch通過(guò)下調(diào)VEGFR2和神經(jīng)纖毛蛋白-1的表達(dá)來(lái)增加VEGFR1的表達(dá)水平。此外，VEGFR1及其配體可以通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞來(lái)促進(jìn)血管生成和轉(zhuǎn)移，從而增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)移活性。低氧微環(huán)境和HIF-α也可以通過(guò)誘導(dǎo)酶的表達(dá)，如基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），促進(jìn)新生血管的分離和內(nèi)皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。在炎性反應(yīng)、傷口愈合及腫瘤生長(zhǎng)等情況下，可以觀察到內(nèi)皮細(xì)胞中MMP活性顯著提高[13]。最后，低氧微環(huán)境和HIF-α通過(guò)誘導(dǎo)血管生成蛋白-1（angiogenin-1，Ang-1）、血小板衍生生長(zhǎng)因子（platelet derived growth factor，PDGF）和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）來(lái)促進(jìn)血管成熟，募集如肌細(xì)胞和周細(xì)胞一樣的支撐細(xì)胞，形成成熟、穩(wěn)定的血管[14]。

3.2 EMT

EMT是一個(gè)重要的生物學(xué)過(guò)程，涉及惡性腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移、侵襲、細(xì)胞凋亡的抵抗和細(xì)胞外基質(zhì)降解的過(guò)程。低氧微環(huán)境通過(guò)上調(diào)與EMT相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子或者抑制因子來(lái)激活與EMT有關(guān)的信號(hào)通路，從而誘發(fā)EMT。低氧微環(huán)境和HIF的過(guò)度表達(dá)足以誘導(dǎo)EMT發(fā)生并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的侵襲[15]。HIF在調(diào)節(jié)關(guān)鍵的EMT轉(zhuǎn)錄因子如E盒結(jié)合鋅指同源盒蛋白1（zinc finger E-box binding homeobox 1，ZEB1）、Snail和 TWIST等方面直接發(fā)揮作用[16]。HIF通過(guò)激活大量的細(xì)胞信號(hào)通路，間接促進(jìn)了EMT，這些細(xì)胞信號(hào)通路包括Notch信號(hào)通路[17]、TGF-β信號(hào)通路、整合素連接激酶信號(hào)通路[18]、某些特定的蛋白酪氨酸激酶（tyrosine protein kinase，TPK）受體信號(hào)通路、WNT信號(hào)通路和Hedgehog信號(hào)通路[19-20]。低氧誘導(dǎo)的Jagged 2、環(huán)氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）和尿激酶受體的上調(diào)也有助于EMT的發(fā)生和增強(qiáng)乳腺癌細(xì)胞的侵襲能力[21]。低氧也可以通過(guò)調(diào)控腫瘤細(xì)胞中的長(zhǎng)鏈非編碼RNA、碳酸酐酶和鈣離子信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)EMT，從而增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞在低氧微環(huán)境中的侵襲能力[22-23]。

3.3 MMP

MMP屬于鈣離子依賴(lài)性、含鋅離子的內(nèi)肽酶家族，能夠降解細(xì)胞外基質(zhì)蛋白以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[24]。迄今為止，已經(jīng)鑒定了該家族的26個(gè)成員，其中MMP2、MMP9與腫瘤的侵襲有關(guān)。Osinsky等[25]研究顯示，原發(fā)腫瘤的生長(zhǎng)明顯伴隨著低氧微環(huán)境的惡化，腫瘤低氧微環(huán)境的惡化與原發(fā)腫瘤細(xì)胞的MMP2、MMP9表達(dá)活性呈正相關(guān)。在低氧微環(huán)境中人類(lèi)乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞株的MMP9分泌增加[26]。Himelstein和Koch[27]的研究結(jié)果也顯示，在低氧微環(huán)境中肺泡橫紋肌肉瘤細(xì)胞的MMP9表達(dá)上調(diào)。MMP13可以被MMP2、MMP3和MMP14激活，在功能上可以降解Ⅱ型膠原蛋白，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)代謝；激活的MMP13反過(guò)來(lái)也可促進(jìn)MMP2和MMP9的激活[28]。

綜上所述，低氧微環(huán)境可通過(guò)改變腫瘤細(xì)胞的代謝方式、誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞代謝的適應(yīng)性變化、調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞中復(fù)雜的信號(hào)通路（如HIF、PI3K、MAPK和NF-κB信號(hào)通路）及誘發(fā)EMT來(lái)提高血管生成的能力和誘導(dǎo)MMP的生成。有學(xué)者嘗試通過(guò)增加腫瘤的氧合作用來(lái)加強(qiáng)放射治療的效果，試驗(yàn)結(jié)果不能讓人滿(mǎn)意[29]。但是可以通過(guò)干預(yù)低氧微環(huán)境相關(guān)信號(hào)通路來(lái)制訂新的抗腫瘤策略，如通過(guò)干預(yù)HIF信號(hào)通路的特殊靶點(diǎn)、復(fù)合物或者基因類(lèi)型治療腫瘤，目前這些靶點(diǎn)的研究處于臨床前研究或者臨床試驗(yàn)階段[30]；也可干預(yù)其他重要的信號(hào)通路如RAS/MAPK、PI3K/AKT/MTOR[31]。這些新的抗腫瘤策略將會(huì)變成對(duì)抗腫瘤的有力武器。