酸性微環(huán)境在腫瘤中作用的研究進(jìn)展*

楊建芬

(贛南醫(yī)學(xué)院2016級碩士研究生，江西 贛州 341000)

腫瘤微環(huán)境由腫瘤細(xì)胞、免疫細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞以及大量的細(xì)胞外基質(zhì)等構(gòu)成，微環(huán)境內(nèi)各種成分之間的相互作用調(diào)節(jié)腫瘤的發(fā)生發(fā)展。研究表明，腫瘤的微環(huán)境對腫瘤的增殖、侵襲、遷移及血管生成等起著重要的作用，并阻礙有效的抗腫瘤免疫，影響著腫瘤的惡變和轉(zhuǎn)移[1]。由于糖酵解增強(qiáng)，缺氧，以及組織灌注不足等，腫瘤微環(huán)境中積聚大量的酸性代謝產(chǎn)物，使腫瘤微環(huán)境呈酸性。研究表明，酸性微環(huán)境在腫瘤的增殖、侵襲遷移以及免疫逃逸等過程中起著重要的作用，并影響著腫瘤的有效治療[2]，使腫瘤細(xì)胞對放化療不敏感，導(dǎo)致腫瘤治療更加困難[3](見圖1)。本文就近年來酸性微環(huán)境在腫瘤中作用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 酸性微環(huán)境的成因及其調(diào)節(jié)機(jī)制

1.1酸性微環(huán)境成因腫瘤組織的細(xì)胞外環(huán)境常呈酸性，pH值在6.5至6.9范圍內(nèi)，而正常組織的細(xì)胞外環(huán)境常呈堿性，pH值在7.2至7.5范圍內(nèi)[4]，這是實體腫瘤內(nèi)存在的普遍現(xiàn)象。導(dǎo)致酸性微環(huán)境形成的原因較為復(fù)雜，其主要原因有以下幾點：(1)Warburg效應(yīng)——即使有氧條件下，腫瘤細(xì)胞也傾向于糖酵解維持腫瘤快速增殖所需的能量和碳源，并產(chǎn)生大量乳酸。糖酵解產(chǎn)生的乳酸被單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(monocarboxylate transporter, MCT)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外，使細(xì)胞外環(huán)境呈酸性。此外，腫瘤細(xì)胞在多種癌基因c-Myc、Ras等影響下，糖酵解相關(guān)蛋白以及關(guān)鍵酶表達(dá)水平增高，使糖酵解速率得以提高，進(jìn)一步增加糖酵解酸性產(chǎn)物[3]。(2)腫瘤中的磷酸戊糖通路表達(dá)上調(diào)，在磷酸戊糖途徑中，6-磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖1-6磷酸生成3個CO2和6個H+。磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的二氧化碳可以在碳酸酐酶(carbonicanhydrase, CA)的作用下發(fā)生水合作用產(chǎn)生碳酸，使pH值下降。(3)多種腫瘤中的脂肪酸合成增加：檸檬酸合成一個脂肪酸可產(chǎn)生7個CO2和7個H+，有助于酸性微環(huán)境的形成[5]。(4)由于多數(shù)腫瘤處于高代謝率以及高增殖率狀態(tài)，腫瘤組織的氧供遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足氧耗量，使腫瘤組織常呈缺氧狀態(tài)，缺氧條件下的腫瘤細(xì)胞通過上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)的表達(dá)適應(yīng)缺氧微環(huán)境，HIF-1α表達(dá)的增強(qiáng)可上調(diào)糖酵解相關(guān)基因以及磷酸戊糖通路相關(guān)基因的表達(dá)，從而促進(jìn)酸性代謝產(chǎn)物的生成[3]。(5)由于組織灌注不足，腫瘤血管發(fā)展為功能不全的血管，無法將氫離子、乳酸酸性產(chǎn)物及時排出，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞外酸性產(chǎn)物堆積[6]。

圖1 腫瘤酸性微環(huán)境成因及其在腫瘤中的作用

1.2酸性微環(huán)境的調(diào)節(jié)機(jī)制由于腫瘤細(xì)胞內(nèi)酸性代謝產(chǎn)物增多以及H+增加，腫瘤細(xì)胞為避免細(xì)胞內(nèi)酸中毒，需將氫離子以及酸性代謝產(chǎn)物排出至細(xì)胞外，使細(xì)胞內(nèi)pH值保持在正常輕微的堿性水平，從而導(dǎo)致細(xì)胞外環(huán)境長期處于低pH值狀態(tài)[7]。為達(dá)到這一目的，腫瘤細(xì)胞需要利用細(xì)胞質(zhì)膜上的一些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的pH值。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要包括：(1)囊泡型H+-ATPases(vacuolar-H+-ATPase, V-ATPase)；(2)鈉氫交換蛋白 (Na+/H+exchanger, NHE)；(3)MCT；(4)碳酸氫鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；(5)氫離子乳酸共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。此外，CA家族通過催化二氧化碳水合作用來調(diào)節(jié)pH。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及CA家族在腫瘤的進(jìn)展中起著重要的作用，同時也為腫瘤的靶向治療提供了有利條件[8]。

2 酸性微環(huán)境在腫瘤進(jìn)展中的作用

2.1酸性微環(huán)境對腫瘤細(xì)胞發(fā)生的影響腫瘤細(xì)胞典型的特征之一是不受管制的生長[9]。由于腫瘤細(xì)胞內(nèi)持續(xù)的排出乳酸，細(xì)胞內(nèi)酸性環(huán)境使腫瘤細(xì)胞質(zhì)膜上V-ATPase、NHe等氫離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)增高，將酸性代謝產(chǎn)物排出腫瘤細(xì)胞外，使腫瘤細(xì)胞內(nèi)pH值呈偏堿性，細(xì)胞內(nèi)堿度的變化與細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期S期有關(guān)，并保持細(xì)胞處于不受控制的增殖狀態(tài)[10]。在這種條件下，細(xì)胞內(nèi)pH值的增加促進(jìn)了細(xì)胞從S期向G2/M期轉(zhuǎn)變，刺激了有絲分裂，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖[3]。此外，酸性微環(huán)境下Src蛋白的活化與腫瘤細(xì)胞的增殖也有密切關(guān)系，Src蛋白的激活可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞快速從G1期進(jìn)入到S期，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖[11-12]。

在pH 7.5的培養(yǎng)基中，經(jīng)4 Gy射線照射后，約15%的細(xì)胞在24 h內(nèi)發(fā)生凋亡。而在pH 6.6培養(yǎng)基中，結(jié)直腸癌細(xì)胞在4 Gy射線照射后24 h內(nèi)均無凋亡跡象。此外，相比于pH值為7.5的培養(yǎng)基，pH 6.5培養(yǎng)基中的聚腺苷二磷酸核糖聚合酶[poly(ADP-ribose)polymerase,PARP]裂解和DNA斷裂也更少，說明酸性微環(huán)境能夠減少PARP裂解和DNA斷裂，抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞的凋亡[13]。還有研究表明，在酸性條件下(pH 6.5)培養(yǎng)淋巴瘤細(xì)胞，T細(xì)胞死亡偶聯(lián)基因 8(T-cell death associated gene 8，TDAG8)被激活，TDAG8可通過上調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL的表達(dá)抵抗葡萄糖或谷氨酰胺缺乏引起的細(xì)胞凋亡[14]。

2.2酸性微環(huán)境對腫瘤侵襲遷移的影響腫瘤患者死亡的主要原因是由于原發(fā)性腫瘤向遠(yuǎn)處的轉(zhuǎn)移。腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移涉及腫瘤細(xì)胞與宿主細(xì)胞及其微環(huán)境之間的多重相互作用。研究表明，酸性微環(huán)境可通過破壞腫瘤的粘附連接、誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)以及促進(jìn)腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)的降解在腫瘤細(xì)胞侵襲遷移的過程中發(fā)揮作用[15-17]。

2.2.1酸性微環(huán)境與腫瘤的粘附連接腫瘤的粘附連接對其轉(zhuǎn)移潛能有一定的影響。在腫瘤的轉(zhuǎn)移過程中，腫瘤周圍組織中細(xì)胞粘附能力的降低可使腫瘤細(xì)胞從原發(fā)腫瘤上脫落。多種因子可調(diào)節(jié)腫瘤的粘附連接，如Src蛋白、上皮型鈣黏蛋白 (E-cadherin)等。Src蛋白的活化可使E-cadherin的表達(dá)減少，E-cadherin的表達(dá)減少與腫瘤細(xì)胞從原發(fā)腫瘤上脫落有密切關(guān)系，而其表達(dá)增加可抑制侵襲遷移的發(fā)生。研究表明，酸性微環(huán)境下，腫瘤細(xì)胞的Src蛋白被激活，Src蛋白通過激活蛋白激酶C-δ(protein kinase C-δ,PKCδ)途徑破壞p120-連環(huán)蛋白介導(dǎo)的粘附連接，并降解E-cadherin，粘附連接的破壞使腫瘤細(xì)胞與細(xì)胞的接觸松散，增加了細(xì)胞的運(yùn)動和遷移，從而促進(jìn)了腫瘤的轉(zhuǎn)移[12]。

此外，粘附連接的破壞常與EMT有關(guān)，粘附連接蛋白E-cadherin在EMT的誘導(dǎo)過程中起著重要的作用。EMT的分子特征之一是E-cadherin以及細(xì)胞角蛋白8等上皮標(biāo)記物的表達(dá)減少或功能缺失[18]。 在EMT過程中，細(xì)胞表面的E-cadherin分子減少，連接復(fù)合物的胞內(nèi)β-catenin釋放，從而激活核轉(zhuǎn)錄因子淋巴增強(qiáng)子結(jié)合因子(lymphoid-enhancer-binding factor,LEF)/T-細(xì)胞因子-4(T-cell factor-4,TCF4)，誘導(dǎo)上皮細(xì)胞侵襲性腫瘤基因表達(dá)模式及間充質(zhì)表型。因此，酸性微環(huán)境導(dǎo)致的E-cadherin的表達(dá)減少也在EMT形成過程中也起著一定的作用[15]。研究表明，抑制E-cadherin的表達(dá)可以干預(yù)EMT的誘導(dǎo)過程，從而抑制腫瘤的侵襲遷移過程[17]。

2.2.2酸性微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)的降解在癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移過程中，ECM的降解是腫瘤細(xì)胞從原發(fā)癌轉(zhuǎn)移及隨后轉(zhuǎn)移的先決條件。ECM的降解需要基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)。研究表明，酸性微環(huán)境能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞中MMP2、MMP9的激活，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移[19]。黑色素瘤細(xì)胞中，酸性胞外pH值可通過絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)、NF-κB信號通路以及增加磷脂酶D(phospholipase D，PLD)活性誘導(dǎo)MMP9的表達(dá)來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移[20-21]。乳腺癌細(xì)胞中，酸性微環(huán)境通過活性氧類 (reactive oxygen species, ROS)/蛋白激酶B (protein kinase B, PKB)/NF-κB途徑促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的侵襲，然而用活性氧清除劑清除ROS后，酸性微環(huán)境誘導(dǎo)的PKB和NF-κB的激活可減少，乳腺癌細(xì)胞侵襲性減弱[22]。此外，酸性pH值對腫瘤細(xì)胞中組織蛋白酶B的分布和分泌也有影響，癌癥中的酸性微環(huán)境可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)組織蛋白酶B的外周分布，并且還增加其分泌。組織蛋白酶B不僅可降解基底膜層粘連蛋白、纖維連接蛋白和Ⅳ型膠原，還能激活細(xì)胞外基質(zhì)中的金屬蛋白酶以及尿激酶型纖溶酶原激活劑等，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的侵襲和遷移[23]。除此之外，還有研究證明酸性細(xì)胞外pH值能夠促進(jìn)整合素αvβ3的激活，整合素αvβ3激活對腫瘤的侵襲遷移也發(fā)揮重要的作用[24]。由此可見，酸性微環(huán)境可通過NF-κB等信號通路誘導(dǎo)MMP2、MMP9等基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)降解，增強(qiáng)腫瘤的侵襲性。

2.3酸性微環(huán)境對腫瘤血管生成的影響腫瘤新血管生成在腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移過程中起重要作用，血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子(vascular endothelial growth factor , VEGF)、白細(xì)胞介素-8(IL-8)等多種血管生長因子促進(jìn)腫瘤的血管生成[25]。VEGF可以增強(qiáng)微血管滲透性，使蛋白質(zhì)累積在間質(zhì)，促進(jìn)血管生成，VEGF還能通過啟動其受體VEGFR信號通路促進(jìn)腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞的存活和遷移；IL-8也是一種重要的血管生成因子，可通過腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞的受體促進(jìn)腫瘤血管的形成。研究表明，酸中毒可刺激膠質(zhì)瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中VEGF的表達(dá)[26-27]。此外，酸性細(xì)胞外環(huán)境通過激活轉(zhuǎn)錄因子核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)和激活蛋白1(activator protein-1,AP-1) 促進(jìn)人胰腺癌和卵巢癌細(xì)胞中IL-8的表達(dá)[28]。體外實驗表明，降低培養(yǎng)基pH值(6.3～6.7)也會導(dǎo)致乳腺癌患者血小板源性內(nèi)皮細(xì)胞生長因子(platelet-derived endothelial cell growth factor , PD-ECGF)的升高，PD-ECGF也是一種具有促進(jìn)血管生成作用及刺激內(nèi)皮細(xì)胞生長的細(xì)胞生成因子[29]。在酸性pH條件下培養(yǎng)人黑色素瘤細(xì)胞，可使VEGF和IL-8上調(diào)[26]。體外研究證明，黑色素瘤細(xì)胞產(chǎn)生的IL-8與其在裸鼠體內(nèi)的轉(zhuǎn)移潛能直接相關(guān)，提示IL-8是一種促進(jìn)人黑色素瘤進(jìn)展和轉(zhuǎn)移的生長因子[27]。此外，酸性微環(huán)境下整合素αvβ3的激活也參與腫瘤血管生成的過程[24]，說明酸性微環(huán)境對腫瘤的血管生成起著一定的促進(jìn)作用。

2.4酸性微環(huán)境對腫瘤免疫逃逸的影響盡管機(jī)體存在免疫監(jiān)視，但腫瘤細(xì)胞仍能夠增殖生長，并擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，說明腫瘤細(xì)胞能夠逃避機(jī)體免疫監(jiān)視。研究表明，在腫瘤的細(xì)胞外酸性pH值可影響其微環(huán)境內(nèi)的免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞等。在細(xì)胞外乳酸過多的條件下，細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(cytotoxic T lymphocytes，CTLs)的增殖受到抑制，白細(xì)胞介素-2(IL-2)、干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)等細(xì)胞因子生成減少，抗腫瘤免疫調(diào)節(jié)受到抑制。此外，研究還證明，細(xì)胞外酸中毒使CTLs內(nèi)穿孔素和顆粒酶B的含量降低，CTLs的細(xì)胞毒性活性受到抑制，無法有效殺傷腫瘤細(xì)胞，實現(xiàn)其免疫逃逸[30]。研究表明，酸性細(xì)胞外pH可抑制IL-2、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和T細(xì)胞受體的表達(dá)，使腫瘤特異性CD8+T細(xì)胞功能受損[31]。此外，乳酸在抗原特異性T細(xì)胞刺激過程中抑制樹突狀細(xì)胞(dendritic cells，DCs)的活化，DCs在機(jī)體抗腫瘤免疫過程中起著核心作用，只有在活化后才能發(fā)揮抗腫瘤免疫功能[32]。因此，酸性微環(huán)境有助于腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸。

2.5酸性微環(huán)境對腫瘤干細(xì)胞樣表型的影響腫瘤干細(xì)胞表型受腫瘤微環(huán)境的調(diào)控。前期研究表明，低氧微環(huán)境調(diào)節(jié)著腫瘤干細(xì)胞的維持，這與誘導(dǎo)HIF-1α及HIF-2α有關(guān)：缺氧條件下，腫瘤干細(xì)胞中HIF-1α和HIF-2α被激活，通過Notch信號通路使腫瘤干細(xì)胞維持自我更新和未分化狀態(tài)。腫瘤干細(xì)胞標(biāo)記物Sox2、Oct4表達(dá)也上調(diào)，使腫瘤干細(xì)胞獲得多能性[33]。此外，HIF-2α還能激活癌基因c-Myc，而c-Myc對腫瘤干細(xì)胞未分化狀態(tài)的維持起著至關(guān)重要的作用[34]。后續(xù)研究證明，酸性微環(huán)境在不依賴于低氧環(huán)境的條件下，誘導(dǎo)腫瘤干細(xì)胞中HIF-2α的表達(dá)，維持腫瘤干細(xì)胞的自我更新和未分化狀態(tài)，并促進(jìn)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞標(biāo)記物Olig2、Oct4和Nanog的表達(dá)，使腫瘤干細(xì)胞獲得多能性[35]。

3 靶向腫瘤酸性微環(huán)境的治療策略

酸性微環(huán)境強(qiáng)烈影響弱堿性化療藥物的分布和吸收，使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生耐藥性。對于化療的腫瘤而言，藥物如蒽環(huán)類、長春新堿等呈弱堿性且親脂性弱，部分細(xì)胞外的藥物在酸性環(huán)境中易發(fā)生質(zhì)子化而不能透過胞膜，從而不能進(jìn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)；部分藥物雖然能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，但它們?nèi)菀追e聚在酸性細(xì)胞器中。此外，酸性微環(huán)境對腫瘤的放射治療也不敏感。因此，細(xì)胞外酸性微環(huán)境對于腫瘤的治療而言是一項挑戰(zhàn)，但同時也為專門針對腫瘤細(xì)胞的治療提供了新可能性。

近年來，針對酸性微環(huán)境的治療策略有一定的進(jìn)展：(1)設(shè)計能進(jìn)入固體腫瘤核心的弱酸性化合物，使其在酸性微環(huán)境中易于擴(kuò)散，從而產(chǎn)生療效。例如，在細(xì)胞外酸性條件下，弱酸性化療藥物如馬法蘭的攝取會增強(qiáng)；(2)利用碳酸氫鈉等緩沖液，使腫瘤微環(huán)境堿化。研究證明，口服碳酸氫鈉治療增加了小鼠轉(zhuǎn)移性乳腺癌模型的細(xì)胞外pH值，并減少了轉(zhuǎn)移灶的形成；口服碳酸氫鈉緩沖液中和腫瘤pH值也可提高免疫治療的療效[36]；(3)應(yīng)用膜插入肽(pHLIP)：在酸性微環(huán)境中，pHLIPs將c-末端插入到膜上，形成穩(wěn)定的跨膜螺旋。治療分子與pHLIP的結(jié)合使化療藥物直接釋放到細(xì)胞中[37]。

除此之外，抑制酸性微環(huán)境轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，使細(xì)胞外pH值正?；?，使細(xì)胞內(nèi)pH值降低，也可干擾癌細(xì)胞的增殖，促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡。如質(zhì)子泵抑制劑艾司奧美拉唑等，這些抑制劑在酸性條件下被激活，通過抑制質(zhì)子的泵出使腫瘤細(xì)胞外pH值升高。研究表明，艾司奧美拉唑抑制黑色素瘤細(xì)胞的增殖，并通過使腫瘤細(xì)胞內(nèi)酸化誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡[38]。因此，質(zhì)子泵抑制劑的使用有可能成為腫瘤治療的新策略之一。此外，氨基磺酸鹽等CAIX抑制劑也可通過抑制CAIX的活性降低細(xì)胞外pH值而產(chǎn)生一定的抗癌作用[39]。近年來研究表明，針對MCT 1的治療藥物可以產(chǎn)生多種抗癌作用，MCT 1抑制劑AZD 3965目前正在進(jìn)入晚期實體腫瘤Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗[40]。另外，MCT1，MCT2與MCT4的協(xié)同抑制劑氯尼達(dá)明在體外和體內(nèi)都能增強(qiáng)阿霉素的療效[41]。

4 結(jié) 語

綜上所述，腫瘤中酸性微環(huán)境對腫瘤的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。腫瘤代謝異常、實體腫瘤缺氧微環(huán)境以及腫瘤血管功能不全導(dǎo)致酸性微環(huán)境的形成，酸性微環(huán)境促進(jìn)腫瘤的侵襲遷移、免疫逃逸、化療耐藥等，并在某些情況下促進(jìn)EMT和干細(xì)胞樣表型等。腫瘤酸性微環(huán)境調(diào)控過程中的主要因子如V-ATPase、NHE以及MCT等對腫瘤的發(fā)展也發(fā)揮重要的作用，并為腫瘤治療提供靶點。因此，對腫瘤酸性微環(huán)境的干預(yù)可能為腫瘤的靶向治療提供新的機(jī)會。然而，酸性微環(huán)境對腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響機(jī)制及其信號通路研究目前還處于初級階段，有待進(jìn)一步研究，靶向酸性微環(huán)境的干預(yù)策略以及新的聯(lián)合治療策略也是今后需要努力的方向。