乏氧微環(huán)境影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展

丁玉涵，方 強(qiáng)

隨著近年來在細(xì)胞和分子水平對(duì)腫瘤認(rèn)識(shí)的不斷加深，腫瘤微環(huán)境在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用日益受到關(guān)注，與之相關(guān)的腫瘤治療策略的不斷更新改善，腫瘤微環(huán)境已逐漸成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。腫瘤微環(huán)境最早于1993年提出，作為腫瘤發(fā)生，發(fā)展直接所處的環(huán)境，除為腫瘤提供基本生長條件外，還在腫瘤細(xì)胞耐藥和抑制宿主免疫功能等機(jī)制中發(fā)揮重要作用[1]。腫瘤發(fā)生早期時(shí)，微環(huán)境生化組分發(fā)生改變，極易形成乏氧狀態(tài)，形成乏氧微環(huán)境；而乏氧微環(huán)境又在早期腫瘤惡化中扮演重要角色，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞加速增殖，產(chǎn)生耐藥和免疫逃逸，甚至在腫瘤擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移和腫瘤復(fù)發(fā)中也發(fā)揮著很大作用[2]。因此，對(duì)腫瘤乏氧微環(huán)境進(jìn)行深入研究有助于加深對(duì)腫瘤細(xì)胞與微環(huán)境關(guān)系的深入理解，發(fā)展合理的腫瘤治療手段和策略，為改善腫瘤預(yù)后奠定基礎(chǔ)，具有重要的理論與臨床價(jià)值。本文將從腫瘤細(xì)胞代謝出發(fā)，概述乏氧微環(huán)境對(duì)腫瘤發(fā)生、發(fā)展的影響，并介紹近年來相關(guān)治療策略進(jìn)展。

1 腫瘤細(xì)胞代謝特性與微環(huán)境

1.1 腫瘤細(xì)胞代謝特性 能量代謝是機(jī)體維持正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，正常細(xì)胞在有氧環(huán)境下以葡萄糖氧化磷酸化供能為主，糖酵解途徑多發(fā)生于缺氧狀態(tài)下，且效率較低，因此在正常細(xì)胞能量代謝中糖酵解常被抑制。研究[3]發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞的能量代謝卻與正常細(xì)胞有明顯差異，表現(xiàn)為即便環(huán)境氧氣含量充足條件下也主要利用糖酵解供能，這種現(xiàn)象稱為瓦博格效應(yīng)。與正常細(xì)胞不同，腫瘤細(xì)胞快速增殖需要更高的效率，也需要更多的原料參與營養(yǎng)支持和結(jié)構(gòu)組成，因而糖酵解途徑的迅速和中間產(chǎn)物復(fù)雜的特性能夠充分滿足腫瘤細(xì)胞增殖的需要。糖酵解也可造成代謝廢物乳酸的沉積，為構(gòu)建出腫瘤細(xì)胞酸性乏氧的微環(huán)境提供條件。酸性的乏氧微環(huán)境誘導(dǎo)低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor，HIFs)表達(dá)上調(diào)。HIFs是腫瘤發(fā)展的關(guān)鍵分子，參與腫瘤細(xì)胞增殖的多個(gè)階段。HIF-1可誘導(dǎo)糖酵解[4]，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖，進(jìn)一步加重缺氧程度，形成不良循環(huán)，促進(jìn)腫瘤惡化。因此以瓦博格效應(yīng)為特征的腫瘤代謝是腫瘤細(xì)胞與乏氧微環(huán)境協(xié)同作用的結(jié)果，乏氧微環(huán)境在其中發(fā)揮了重要的推動(dòng)作用[5]。

1.2 乏氧微環(huán)境特性及成因 正常組織中氧分壓一般大于5.3 kPa，有研究[6]顯示腫瘤阻止周圍環(huán)境中氧分壓僅為0.9 kPa甚至更低。這種普遍的缺氧環(huán)境形成的主要原因是腫瘤細(xì)胞失去控制的迅速增殖狀態(tài)消耗大量氧氣，使其微環(huán)境中氧含量“求過于供”，氧分壓持續(xù)降低，最終形成乏氧微環(huán)境。腫瘤治療時(shí)的一些過程也會(huì)促進(jìn)乏氧微環(huán)境的生成，如一些藥物及放療可對(duì)紅細(xì)胞產(chǎn)生殺傷作用，造成治療期貧血，影響氧氣輸送。還有研究[7]表明，某些化療藥物在后期具有血管內(nèi)皮損傷作用，導(dǎo)致腫瘤局部氧供不足形成乏氧微環(huán)境。

2 乏氧微環(huán)境影響腫瘤增殖的機(jī)制

腫瘤乏氧微環(huán)境的形成是腫瘤發(fā)生、發(fā)展的必要條件，其作用主要體現(xiàn)在對(duì)腫瘤血管生成、基因表達(dá)、外泌體分泌的影響和對(duì)抗腫瘤免疫的抑制；同時(shí)，乏氧微環(huán)境也會(huì)影響到對(duì)腫瘤細(xì)胞對(duì)放療、化療敏感性。

2.1 乏氧微環(huán)境對(duì)腫瘤血管生成、基因表達(dá)、外泌體分泌的影響 乏氧微環(huán)境對(duì)腫瘤增殖最關(guān)鍵的作用之一是促進(jìn)腫瘤新生血管的構(gòu)建，這個(gè)過程離不開低氧誘導(dǎo)因子家族的參與。已知HIFs包括3種亞型，其中HIF-1與血管生成關(guān)聯(lián)較大。HIF-1在乏氧環(huán)境誘導(dǎo)下釋出后，作用于腫瘤細(xì)胞使其釋放血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，為血管生成的營養(yǎng)和氧氣供應(yīng)提供條件[8]。VEGF不僅可以促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖，同時(shí)也能增加血管通透性，提高腫瘤細(xì)胞攝取營養(yǎng)的能力。

外泌體是廣泛存在于微環(huán)境中，由各類細(xì)胞分泌的參與細(xì)胞間通訊等過程的小囊泡，腫瘤細(xì)胞增殖迅速，代謝旺盛，外泌體分泌水平明顯提高。外泌體中含有大量核酸分子，為腫瘤細(xì)胞增殖提供必要的信息[9]，其表達(dá)的miRNA以降低SIRT1的方式構(gòu)建腫瘤新生血管[10]。此外，乏氧微環(huán)境下增多的外泌體中攜帶豐富過氧化物酶亦與腫瘤組織新生血管的建立有關(guān)[11]。

細(xì)胞黏附分子(cell adhesion molecule，CAM)主要包括整合素家族、選擇素家族等，在細(xì)胞和基質(zhì)環(huán)境中發(fā)揮黏附作用，CAM的表達(dá)變化會(huì)影響腫瘤的擴(kuò)散、侵襲與轉(zhuǎn)移。有研究[12-14]顯示，乏氧微環(huán)境可導(dǎo)致E-鈣黏蛋白基因異常表達(dá)，致E-鈣黏蛋白水平下降，原先固定腫瘤細(xì)胞的作用減弱，使腫瘤細(xì)胞侵襲力增強(qiáng)。其他CAM家族分子也具有類似作用。

2.2 乏氧微環(huán)境對(duì)抗腫瘤免疫的影響 腫瘤細(xì)胞具有極強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)性，其在機(jī)體內(nèi)環(huán)境中多處轉(zhuǎn)移并快速增殖，給治療帶來極大困擾。其免疫逃逸能力是促進(jìn)其轉(zhuǎn)移的主要因素之一[15]。有研究[16]顯示乏氧是推動(dòng)其轉(zhuǎn)移的誘導(dǎo)條件之一。腫瘤細(xì)胞免疫逃逸的策略主要是抑制免疫細(xì)胞功能和增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞遷移能力。巨噬細(xì)胞[17]和各類淋巴細(xì)胞[18-20]均可在抗腫瘤免疫反應(yīng)中發(fā)揮正面或負(fù)面作用。乏氧微環(huán)境下高度表達(dá)的HIFs可影響巨噬細(xì)胞向M2亞型分化[21]，對(duì)腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移發(fā)揮促進(jìn)作用。淋巴細(xì)胞包括B細(xì)胞、T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞(natural killer cells，NK cells)，可對(duì)腫瘤細(xì)胞造成殺傷和抑制，乏氧微環(huán)境可弱化其毒性作用[22-23]：(1)乏氧微環(huán)境中HIFs可調(diào)控程序性死亡蛋白-配體1和骨髓來源的抑制細(xì)胞水平升高,也可介導(dǎo)CD73和CD79表達(dá)，積累胞外腺苷，抑制T細(xì)胞毒性；(2)細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原-4水平增高，抑制T細(xì)胞毒性。NK細(xì)胞在乏氧微環(huán)境中受到抑制，表面受體表達(dá)水平降低，因此降低了腫瘤細(xì)胞被其識(shí)別和殺傷的概率，直接幫助腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸[24]。

2.3 乏氧微環(huán)境對(duì)放療、化療敏感性的影響 乏氧微環(huán)境可增強(qiáng)腫瘤對(duì)抗腫瘤藥物的耐藥性[25]，有些情況下導(dǎo)致腫瘤對(duì)放療表現(xiàn)出抵抗性[26]。在很多情況下，腫瘤復(fù)發(fā)源于病灶清除不完全，由細(xì)胞耐藥亞群和殘留灶轉(zhuǎn)移增生而致。乏氧微環(huán)境可誘導(dǎo)細(xì)胞周期暫停，中斷細(xì)胞衰老死亡的進(jìn)程,抑制人體抑癌基因的活性從而產(chǎn)生耐藥性。乏氧微環(huán)境也可通過誘導(dǎo)一些耐藥基因表達(dá)，合成相關(guān)藥物運(yùn)輸?shù)鞍?，從藥物提取和運(yùn)輸?shù)慕嵌茸钄嗥渥饔?，產(chǎn)生腫瘤細(xì)胞耐藥性[27-28]。

放療通過射線對(duì)腫瘤細(xì)胞DNA產(chǎn)生直接破壞，是腫瘤治療的主要方法之一，但其對(duì)正常細(xì)胞也具有一定傷害，所以在輻射劑量的控制上非常嚴(yán)格，不能貿(mào)然加大放療強(qiáng)度，也因此給了一些腫瘤細(xì)胞可乘之機(jī)。乏氧狀態(tài)下的腫瘤細(xì)胞因細(xì)胞周期暫停，DNA復(fù)制減少，對(duì)常規(guī)的放療強(qiáng)度不敏感，常規(guī)放療后仍有部分腫瘤細(xì)胞存活，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)。也有研究[29]認(rèn)為腫瘤的放療抵抗與HIFs密切關(guān)系，尤其是HIF-2。研究[30]表明，HIF-2基因敲除后腫瘤細(xì)胞的增殖明顯被抑制，細(xì)胞周期也趨向于恢復(fù)正常[30]。

3 基于乏氧微環(huán)境的腫瘤治療策略

目前針對(duì)腫瘤細(xì)胞乏氧微環(huán)境下增殖發(fā)展的腫瘤治療策略主要包括：糾正乏氧狀態(tài)、血管正?；?、基因靶向治療等。

3.1 糾正乏氧 乏氧微環(huán)境對(duì)腫瘤臨床治療產(chǎn)生諸多不利影響，也使很多藥物無法完全發(fā)揮作用。但一些特殊的藥物可在乏氧狀態(tài)下被還原激活，有靶向治療功效，稱為生物還原烷化劑。TH-302是代表性缺氧激活前體藥物之一。研究顯示，TH-302可以糾正乏氧狀態(tài)，靜止腫瘤細(xì)胞周期，暫停其生長過程，在高乏氧環(huán)境中其效果更強(qiáng)[31]。當(dāng)TH-302與其他藥物聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，?？蓞f(xié)同發(fā)揮抗腫瘤作用。研究顯示，TH-302與多柔比星聯(lián)合應(yīng)用時(shí)對(duì)乏氧腫瘤細(xì)胞增殖顯著抑制[32]；二者聯(lián)合用藥對(duì)骨肉瘤抑制有良好效果[33]：SUSHIL等[34]將TH-302與舒尼替尼聯(lián)合在小鼠實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出協(xié)同增強(qiáng)作用。也有相關(guān)研究[35]推測某些中醫(yī)藥手段或?qū)m正乏氧狀態(tài)有些許功效，但中醫(yī)藥手段復(fù)雜且作用機(jī)制不明確，因此還需進(jìn)一步證實(shí)。

除用藥物間接糾正乏氧微環(huán)境外，高壓氧療法也有一定的應(yīng)用價(jià)值。高壓氧是在高于大氣壓的情況下給予純氧直接為缺氧組織提高氧供的方法。高壓氧療法的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在可通過以擴(kuò)大正常組織氧彌散程度的方式提高腫瘤組織氧分壓，直接改善缺氧狀態(tài)[36]。鐘鋒等[37]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)直腸癌病人施用高壓氧可有效降低術(shù)后復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)免疫功能也存在正向作用。目前高壓氧治療雖有一定的研究前景，但其機(jī)制和使用方式仍存在不明確，對(duì)于其對(duì)腫瘤細(xì)胞的作用也存在爭議，因此臨床運(yùn)用高壓氧并不多見，大多情況下作為輔助手段聯(lián)合應(yīng)用，在放療，化療和光動(dòng)力療法中聯(lián)合使用高壓氧均有增益效果[38]。

3.2 腫瘤血管正?；?乏氧微環(huán)境的形成和惡化與腫瘤新生血管形成和異常化的腫瘤血管緊密相關(guān)，因此抑制腫瘤新生血管形成和異常血管正常化是目前腫瘤治療思路之一。一些抗血管生成藥物如西地尼布[39]可有效抑制腫瘤新生血管生成，誘導(dǎo)腫瘤血管正?；?，從而從抑制血供的角度糾正乏氧微環(huán)境，以達(dá)到良好預(yù)后的目的。近年來內(nèi)皮抑素也已成為國際關(guān)注的藥物，其作為有效的血管生成抑制劑，可通過抑制腫瘤新生血管生成，誘導(dǎo)血管正?；m正乏氧微環(huán)境，并可達(dá)到放療增敏的效果[40]，已開始在美國進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。有些中藥可能也具有一定抑制腫瘤新生血管生成、促進(jìn)血管正?；饔?，但仍待進(jìn)一步研究證明。

3.3 基因治療 癌癥的發(fā)生常與相關(guān)基因的表達(dá)失常相關(guān)，因此糾正基因異常表達(dá)的基因治療也是腫瘤治療的重要思路。HIF-2基因是被重點(diǎn)關(guān)注的基因之一。HIF-2基因受抑制后對(duì)于腫瘤細(xì)胞的乏氧微環(huán)境產(chǎn)生影響，明顯減少血管的異?；痆41]；HIF-2下游的Mxil基因沉默后也表現(xiàn)出對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖的抑制[42]?；?qū)用娴闹委煵呗跃哂懈咝ВA(yù)后良好的特點(diǎn)，具有良好前景。

腫瘤治療的方法有很多，近幾年隨著認(rèn)知的加深和技術(shù)的發(fā)展，更多有效的手段通過糾正乏氧微環(huán)境應(yīng)用于腫瘤治療，如光動(dòng)力療法、RNA干擾和多種各有優(yōu)劣的放療化療技術(shù)，均在臨床試驗(yàn)中取得了一定的成果，值得進(jìn)一步深入研究并推廣應(yīng)用。除技術(shù)手段外，同一治療方式的不同運(yùn)用其效果也各異。如抗血管藥物劑量的多少可有“抑生”和“修復(fù)”兩種目的不同的治療效果；不同目的的技術(shù)和藥物的多種組合聯(lián)合應(yīng)用也常常達(dá)到很好的效果。

4 結(jié)語

乏氧微環(huán)境是腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵，給臨床治療和預(yù)后帶來巨大困擾，因此近年來世界各國的眾多研究人員在針對(duì)其展開深入研究，希望從“后勤補(bǔ)給”的線路上對(duì)腫瘤疾病進(jìn)行遏制。糾正乏氧微環(huán)境的關(guān)鍵在于解決氧供不足和血管異常的問題，此二者也是相輔相生的；提高乏氧狀態(tài)下的藥物或技術(shù)敏感性也是需要重點(diǎn)研究的問題。因此未來相關(guān)研究的重點(diǎn)會(huì)更關(guān)注乏氧微環(huán)境中細(xì)胞和分子的改變及相關(guān)機(jī)制，對(duì)導(dǎo)致乏氧狀態(tài)的基因進(jìn)行更深入的研究。