缺氧誘導(dǎo)因子在肺癌腦轉(zhuǎn)移作用機(jī)制中的研究進(jìn)展▲

吳發(fā)勝 張 暉 謝家童 李建福 陳 慧 魯世金

(1 廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院,廣西南寧市 530011; 2 廣西中醫(yī)藥大學(xué),廣西南寧市 530001)

【提要】 缺氧誘導(dǎo)因子為腫瘤和基質(zhì)中誘導(dǎo)缺氧反應(yīng)發(fā)生的核心因子,在肺癌腦轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用,包括抑制上皮間葉細(xì)胞轉(zhuǎn)化、改變血腦屏障通透性、影響腫瘤血管形成、促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)降解、調(diào)控循環(huán)腫瘤細(xì)胞定植等,有望成為新型靶向治療的重要方向。本文對(duì)缺氧誘導(dǎo)因子在肺癌中的表達(dá)及其在肺癌腦轉(zhuǎn)移中的作用機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為肺癌腦轉(zhuǎn)移防治提供新的思路。

肺癌是全球常見的癌癥之一,也是癌癥相關(guān)死亡的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年全球約有220萬例新發(fā)肺癌病例和180萬例肺癌死亡病例[1]。但由于肺癌早期臨床癥狀不明顯,大部分患者確診時(shí)已處于疾病中晚期。腦部是肺癌常見的轉(zhuǎn)移部位之一,有20%～65%的肺癌患者會(huì)發(fā)生腦轉(zhuǎn)移,肺癌腦轉(zhuǎn)移患者的預(yù)后相較于其他部位轉(zhuǎn)移的肺癌患者更差,平均生存時(shí)間僅1～2個(gè)月[2],且生存質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他部位轉(zhuǎn)移患者。研究顯示,腫瘤的轉(zhuǎn)移與腫瘤對(duì)微環(huán)境的親和力密切相關(guān)[3]。缺氧作為腫瘤微環(huán)境中的重要特征,可以通過多種途徑促進(jìn)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移[4-5],而缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor,HIF)是腫瘤和基質(zhì)中介導(dǎo)缺氧反應(yīng)發(fā)生的核心因子。研究發(fā)現(xiàn),HIF在肺癌細(xì)胞中呈高表達(dá),并且HIF在腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移中起著積極作用,與腫瘤不良預(yù)后密切相關(guān)[6-7]。本文對(duì)HIF在肺癌中的表達(dá)及其在肺癌腦轉(zhuǎn)移中的作用機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為肺癌腦轉(zhuǎn)移防治提供新的思路。

1 HIF的結(jié)構(gòu)及其在腫瘤發(fā)生中的作用

HIF家庭由HIF-1、HIF-2、HIF-3組成,是由O2敏感性HIF-α亞基(HIF-1α或HIF-2α或HIF-3α)和O2不敏感的HIF-1β亞基組成的異二聚體[8]。在氧含量正常的條件下,HIF-1α和HIF-2α的脯氨酸殘基被脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域蛋白2(prolyl hydroxylase domain protein 2,PHD2)羥基化,并通過與希佩爾-林道(von Hippel-Lindau,VHL)抑癌基因結(jié)合進(jìn)行泛素介導(dǎo)的蛋白水解。在缺氧條件下,HIF-1α和HIF-2α羥基化反應(yīng)受到抑制, 而實(shí)體瘤內(nèi)VHL基因缺失或突變亦抑制了上述泛素化過程[9-11],最終導(dǎo)致HIF-α在體內(nèi)積累并促進(jìn)其相關(guān)功能的激活。缺氧是腫瘤微環(huán)境的重要特征,而HIF作為細(xì)胞缺氧反應(yīng)核心因子已被證實(shí)通過多種途徑影響腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移[12-13]。其中,HIF-1α是研究最廣泛的致癌基因之一,HIF-1α在人體細(xì)胞中普遍表達(dá),其轉(zhuǎn)錄活性的增強(qiáng)被證實(shí)與腫瘤轉(zhuǎn)移性增強(qiáng)密切相關(guān)[14]。HIF-2α主要在高度血管化的器官中表達(dá),有助于調(diào)控氧化應(yīng)激、RNA轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞周期進(jìn)程和血管重塑[15]。目前,有關(guān)HIF-3α作用機(jī)制的研究鮮見報(bào)道,有待進(jìn)一步探究。

2 HIF在肺癌中的表達(dá)

相比于腫瘤細(xì)胞的快速增殖,腫瘤組織內(nèi)新血管的生成相對(duì)遲滯,在腫瘤微環(huán)境中逐漸形成一個(gè)長期低氧濃度的區(qū)域,導(dǎo)致腫瘤內(nèi)發(fā)生連續(xù)的缺氧,這也被稱作腫瘤微環(huán)境的慢性缺氧。在慢性缺氧環(huán)境中,HIF-1α羥基化減少,導(dǎo)致HIF-1α相關(guān)亞基在腫瘤部位積累,同時(shí)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級(jí)聯(lián)反應(yīng)被激活,引起HIF-1α的磷酸化,進(jìn)而增加HIF-1的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性[16]。此外,慢性缺氧還會(huì)引起基因表達(dá)的改變。Zhou等[17]發(fā)現(xiàn),高轉(zhuǎn)移性腎癌細(xì)胞系中,高表達(dá)的長鏈非編碼RNA TM4SF1-AS1使得細(xì)胞中磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)和蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)的表達(dá)水平明顯升高。有研究表明,缺氧通過PI3K/AKT途徑誘導(dǎo)HIF-1α mRNA表達(dá)[18]。Li等[19]發(fā)現(xiàn),與癌旁正常組織相比,肺癌組織中的 miR-214表達(dá)上調(diào),而miR-214表達(dá)增加會(huì)下調(diào)腫瘤抑制因子生長抑制因子4(inhibitor of growth 4,ING4)mRNA表達(dá),使ING4對(duì)HIF-1α表達(dá)的抑制作用減弱,導(dǎo)致HIF-1α累積。慢性缺氧會(huì)激活血管生成相關(guān)信號(hào)通路,促使腫瘤內(nèi)血管生成,而這些新生成的血管較正常組織中的血管存在結(jié)構(gòu)和功能異常,阻礙了血液的流動(dòng),導(dǎo)致腫瘤內(nèi)出現(xiàn)循環(huán)缺氧[20]。循環(huán)缺氧是一種間歇性、短暫性的缺氧狀態(tài)。循環(huán)缺氧中HIF-α積累的機(jī)制與活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)密切相關(guān),循環(huán)缺氧可誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生,從而激活HIF-1和核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB);同時(shí),ROS可使HIF抑制因子(factor inhibiting HIF,FIH)和脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域失活,進(jìn)而增加HIF-1α蛋白的穩(wěn)定性[21-23]。此外,ROS還可激活蛋白激酶A系統(tǒng)和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,MTOR)信號(hào)通路,使得HIF-1α磷酸化,從而增加其穩(wěn)定性及其在細(xì)胞中的積累[24]。

3 HIF在肺癌腦轉(zhuǎn)移中的作用機(jī)制

3.1 HIF-1α抑制上皮間葉細(xì)胞轉(zhuǎn)化相關(guān)連接蛋白基因表達(dá) 上皮間葉細(xì)胞轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)指的是上皮細(xì)胞失去極性并且向間葉細(xì)胞形態(tài)轉(zhuǎn)化,是腫瘤細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)移的重要方式[25]。蝸牛家族轉(zhuǎn)錄抑制因子(Snail family transcriptional repressor,SNAIL)1、SLUG(SNAIL2)和Twist家族BHLH轉(zhuǎn)錄因子(Twist family BHLH transcription factor,TWIST)均與EMT相關(guān),三者均可抑制上皮細(xì)胞鈣黏蛋白表達(dá),幫助癌細(xì)胞通過EMT途徑發(fā)生侵襲、轉(zhuǎn)移[26]。有學(xué)者通過敲除人瘤病毒-16癌蛋白DNA導(dǎo)入的A549和NCI-H460非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞中的HIF-1α,并采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析敲除HIF-1α對(duì)鋅指同源結(jié)構(gòu)域增強(qiáng)子結(jié)合蛋白、SNAIL1、SLUG和TWIST1 mRNA水平的影響,發(fā)現(xiàn)HIF-1α蛋白表達(dá)與非小細(xì)胞肺癌組織中的鋅指同源結(jié)構(gòu)域增強(qiáng)子結(jié)合蛋白、SNAIL1、SLUG和TWIST1蛋白表達(dá)呈正相關(guān)[27]。HIF-1α通過誘導(dǎo)性別決定區(qū)Y框蛋白9表達(dá)上調(diào),促進(jìn)泛素特異性蛋白酶47表達(dá),并直接與SNAIL1相互作用,阻礙其泛素化和蛋白酶體降解,促進(jìn)EMT[28]。研究表明,HIF-1α直接與腫瘤間質(zhì)浸潤淋巴細(xì)胞SCL/TAL1中斷位點(diǎn)(SCL/TAL1-interrupting locus,STIL)啟動(dòng)子結(jié)合,并在缺氧時(shí)上調(diào)STIL表達(dá),過量的STIL與叉頭框轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,通過叉頭框轉(zhuǎn)錄因子M1介導(dǎo)的下游靶基因激活EMT通路,增強(qiáng)癌細(xì)胞遷移和侵襲能力[29]。

3.2 HIF調(diào)節(jié)血腦屏障的通透性 血腦屏障作為人體重要的保護(hù)機(jī)制,可以阻止絕大部分有害大分子物質(zhì)入侵,是防止腫瘤腦轉(zhuǎn)移的重要因素。緊密連接蛋白Claudin-5、occludin是腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞之間緊密連接的重要組成部分,可以限制對(duì)小分子的滲透性,是血腦屏障發(fā)揮作用的關(guān)鍵[30]。研究發(fā)現(xiàn),HIF-1α參與血腦屏障通透性的調(diào)控[31]。魏殿芳等[32]在體外構(gòu)建血腦屏障模型,并將缺氧培養(yǎng)的A549細(xì)胞注入模型中,發(fā)現(xiàn)在A549細(xì)胞缺氧培養(yǎng)2～12 h后,其細(xì)胞培養(yǎng)液內(nèi)的HIF-1α濃度增加,體外血腦屏障模型內(nèi)皮阻抗值減小,穿過血腦屏障模型的A549細(xì)胞增多;進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí),HIF-1α通過抑制血腦屏障緊密連接蛋白Claudin-5的表達(dá)來增加血腦屏障通透性。此外,有研究報(bào)告,HIF-1α可能通過與血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的相互作用,對(duì)血腦屏障產(chǎn)生損害[33]。Zhao等[34]發(fā)現(xiàn)HIF-1α過表達(dá)可上調(diào)VEGF和轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β3的表達(dá)水平,進(jìn)而抑制緊密連接蛋白o(hù)ccludin蛋白的表達(dá),增加血腦屏障通透性。

3.3 HIF影響血管新生 VEGF是調(diào)節(jié)血管生成的關(guān)鍵因子,其可調(diào)節(jié)腫瘤周圍血管的生成,在腫瘤生長、區(qū)域浸潤和淋巴轉(zhuǎn)移中起重要作用[35]。一項(xiàng)納入35例腫瘤腦轉(zhuǎn)移患者的回顧性研究結(jié)果顯示,在非小細(xì)胞肺癌亞組中,腫瘤體積與VEGF表達(dá)呈正相關(guān)[36]。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn),腦轉(zhuǎn)移瘤組織中的VEGF水平明顯高于原發(fā)腦膜瘤組織,且血管生成在腦轉(zhuǎn)移瘤周圍區(qū)更為活躍[37]。曹輝瓊等[38]的研究表明,HIF-1α通過激活PI3K/AKT通路,啟動(dòng)靶基因轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致相應(yīng)的蛋白產(chǎn)物增加、VEGF表達(dá)增強(qiáng),進(jìn)而促進(jìn)腫瘤血管生成。在缺氧環(huán)境中,HIF-1α可以逃避VHL抑癌基因的識(shí)別,并通過PI3K/AKT/MTOR途徑調(diào)節(jié)VEGF蛋白的合成[39]。而HIF-2α同樣可以通過調(diào)控VEGF表達(dá)以促進(jìn)血管生成,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤生長及轉(zhuǎn)移[40]。Moreno Roig等[41]的一項(xiàng)Meta分析納入了49項(xiàng)研究共6 052例肺癌患者,分析發(fā)現(xiàn)HIF-2α水平與患者總生存期、無病生存期、無轉(zhuǎn)移生存期和無進(jìn)展生存期密切相關(guān)。而Shao等[42]的研究亦證實(shí)HIF-2α表達(dá)與VEGF表達(dá)呈正相關(guān)。

3.4 HIF-1α促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)降解 基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)被證實(shí)在多種侵襲性腫瘤中表達(dá)上調(diào),在腫瘤轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮重要作用,現(xiàn)已被臨床上用作多種轉(zhuǎn)移性腫瘤的早期檢測標(biāo)志物[43-45]。MMP家族成員MMP2、MMP9和MMP13已被證實(shí)與頭頸部和乳腺腫瘤的轉(zhuǎn)移密切相關(guān),其通過降解細(xì)胞外基質(zhì),促進(jìn)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移[46-48]。缺氧狀態(tài)下,腫瘤細(xì)胞中MMP1 mRNA表達(dá)水平顯著升高[49],而HIF-1α表達(dá)與MMP表達(dá)呈正相關(guān)[50]。Shan等[51]發(fā)現(xiàn)MMP13是HIF-1α的靶基因,缺氧以HIF-1α依賴性方式增加了腫瘤來源的外泌體中的MMP-13水平。此外,HIF-1α還可以誘導(dǎo)MMP1表達(dá),通過激活PI3K/AKT途徑來促進(jìn)腫瘤進(jìn)展[52]。

3.5 HIF-1α靶向下調(diào)抑制循環(huán)腫瘤細(xì)胞介導(dǎo)的轉(zhuǎn)移 循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumor cell,CTC)指從腫瘤原發(fā)部位釋放的腫瘤細(xì)胞,其形式包括循環(huán)腫瘤細(xì)胞單體、循環(huán)腫瘤微栓子(circulating tumor microembolus,CTM),在腫瘤患者體內(nèi)廣泛存在,被證實(shí)與腫瘤轉(zhuǎn)移、患者預(yù)后不良和高死亡率直接相關(guān)[53]。Zhang等[54]的研究結(jié)果顯示,通過抑制乳腺癌細(xì)胞中的HIF-1α功能,能顯著減少CTC定植,從而抑制乳腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。此外,Du等[55]發(fā)現(xiàn),CTM可以上調(diào)細(xì)胞內(nèi)HIF-1α表達(dá),通過調(diào)節(jié)相關(guān)細(xì)胞程序性死亡配體1,幫助CTM實(shí)現(xiàn)免疫逃逸,通過敲除HIF-1α或使用HIF-1α抑制劑治療性下調(diào)HIF-1α表達(dá),可有效抑制CTM介導(dǎo)的肺腫瘤轉(zhuǎn)移。

4 小結(jié)與展望

肺癌腦轉(zhuǎn)移涉及多方面因素,包括血腦屏障通透性改變、腫瘤新生血管形成、上皮間葉細(xì)胞轉(zhuǎn)化、細(xì)胞外基質(zhì)降解、腫瘤細(xì)胞黏附及遷移、循環(huán)腫瘤細(xì)胞調(diào)節(jié)等,缺氧在腫瘤微環(huán)境和基質(zhì)細(xì)胞中激活HIF適應(yīng)性反應(yīng),增加腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移能力。隨著對(duì)HIF信號(hào)在控制免疫檢查點(diǎn)信號(hào)成分中作用的深入研究,HIF途徑有望成為治療肺癌腦轉(zhuǎn)移的新方向。