瘦素與低氧對肺癌生長作用的研究進展

殷 凱，岳靜靜(綜述)，馮 源(審校)

(南京醫科大學第一附屬醫院呼吸科，南京 210029)

肺癌是當今世界最常見的腫瘤之一，在腫瘤相關的死因中居第一位，故探究肺癌的發生、發展機制，尋找新的診斷和治療靶點，已成為現代醫學研究熱點之一。肥胖是威脅人類健康的重要公共衛生問題。流行病學資料提示，肥胖可能會增加2型糖尿病、心血管疾病和某些癌癥的患病風險[1]。瘦素作為最重要的脂肪激素，在肥胖相關疾病的發生、發展中具有重要作用，而低氧作為常見的病理生理因素之一，也參與了肥胖相關疾病的病理生理進程，但兩者在肺癌中的研究還比較少。本就瘦素與低氧在肺癌發生、發展的作用及其可能的機制進行如下綜述。

1 瘦素及其受體

瘦素由人第7號染色體的肥胖基因(obese，ob)編碼，為167個氨基酸組成的含有4個螺旋結構域的脂肪因子。瘦素主要由脂肪組織產生，但在胎盤、乳腺、淋巴組織等亦有表達。瘦素受體屬于Ⅰ類細胞因子受體家族，包括胞外配體結合域、跨膜域和胞內信號轉導域。瘦素受體至少分為6種亞型，即obRa、obRb、obRc、obRd、obRe、obRf。長形受體obRb被認為是主要的功能受體。瘦素受體廣泛分布于下丘腦、脈絡叢、甲狀腺濾泡上皮細胞、腎上腺皮質細胞及心、肺、胸腺、前列腺等組織中。研究表明，瘦素與瘦素受體特異性結合，通過經典的JAK/信號轉導及轉錄活化因子3(signal transducers and activators of transcription 3，STAT3)、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)以及非經典的單磷酸腺苷激活的蛋白激酶和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路，發揮生物學作用，如維持能量代謝平衡，調節胰島素、生長激素等激素的分泌，促進造血干細胞的分化與增殖，調節生殖功能，促進生長發育，調節炎癥、免疫功能及促血管生成等[2]。

2 瘦素與肺癌

2.1瘦素與肺癌的關系 血清瘦素水平與肥胖程度密切相關，并與肥胖相關腫瘤的發病呈正相關[1]。已有研究證實，瘦素有促進癌細胞增殖和抗凋亡作用，并與直腸結腸癌、乳腺癌、前列腺癌和褐色素瘤等的發展呈正相關，而高表達的瘦素或瘦素受體水平，也與乳腺癌、胃癌、結直腸癌等的浸潤深度、TNM分期及高侵襲性相關[3]。

肺癌基因組學研究提示，瘦素基因多態性與肺癌易患性之間存在相關性，且瘦素受體基因多態性可作為非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)的進展和預后的分子標志[4-5]。此外，在NSCLC患者的呼出氣冷凝液、痰液、支氣管肺泡灌洗液及血液、尿液中，瘦素水平也顯著增加，提示瘦素在NSCLC的發生、發展中有重要作用[6]。病理學研究還發現，肺癌組織的瘦素及瘦素受體表達水平顯著高于癌旁組織及良性病變，瘦素可以作為一個生長因子通過瘦素受體來促進培養的人NSCLC細胞株增殖[7]。通過對血清瘦素水平與肺癌相關性研究發現，Ⅰ期NSCLC患者的瘦素濃度較正常對照組高，這被認為是遺傳性或反應性的原因，但晚期NSCLC患者血清瘦素較早期患者及正常人低，這可能與晚期肺癌所導致的惡病質患者體脂水平低下，而對瘦素分泌起的負反饋有關[8-9]。血清瘦素受體脂水平影響,可能只是患者機體營養狀況的一個指標，故血清瘦素水平對肺癌預后預測作用相對較小，相反，局部瘦素水平對于肺癌的預測價值更大。

2.2瘦素促進肺癌發生、發展的機制

2.2.1瘦素誘導、維持肺部慢性炎癥 慢性炎癥可增加惡性腫瘤的發生風險。瘦素是一種強效的單核-吞噬細胞趨化因子，通過與細胞膜上的瘦素受體結合發揮作用，并能上調單核/吞噬細胞的吞噬功能及炎性因子的分泌，如腫瘤壞死因子α、白細胞介素6和白細胞介素12等。瘦素還能直接或間接地促進中性粒細胞趨化及氧自由基的釋放，而氧自由基可使蛋白變性并破壞細胞膜脂質，進而損傷周邊細胞[10]。另外，有資料表明，瘦素能增強自然殺傷細胞的功能與活性，促進B淋巴細胞的增殖及白細胞介素6，白細胞介素10、腫瘤壞死因子α等細胞因子的釋放，也可呈劑量依賴性促進CD4+T細胞增殖[11]。瘦素還可誘導人樹突狀細胞的功能和形態改變，促進T淋巴細胞向Th1細胞轉化并維持其生存，進而增強細胞免疫功能，加強以上各細胞的炎癥效應[10]。研究還發現，瘦素可以引起C反應蛋白和P選擇素的水平增高，且與血管細胞黏附分子1和細胞間黏附因子1表達呈正相關性[10]。瘦素的這些作用，促進了長期持續的炎癥，最終導致正常組織的惡性轉化[10]。

2.2.2瘦素誘導細胞增殖、增強侵襲性 瘦素通過自分泌或旁分泌的方式與其受體結合，發揮生物效應。目前認為，瘦素主要通過JAK/STAT3通路、胞外信號調節激酶1/2通路及PI3K/蛋白激酶B/糖原合成酶激酶3通路發揮效應，并能上調抗凋亡蛋白、多種炎性因子、血管生成因子的表達，促進腫瘤生存、增殖和轉移[12]。研究發現，瘦素可上調致癌基因c-myc及其下游抗凋亡基因Bcl-2的表達，促進細胞周期蛋白D1的上調，抑制周期蛋白依賴性激酶抑制劑p21的表達，從而導致G0/G1期細胞數量減少，而S期細胞種群增加[13-14]。同樣，STAT3、p-STAT3及Bcl-2蛋白在肺癌A549細胞中均有表達，且表達隨著瘦素處理濃度增加而增強，瘦素可能通過JAK/STAT3通路,活化STAT3介導抗凋亡基因Bcl-2的過度表達而使肺癌細胞呈持續增殖[15]。瘦素還可通過激活PI3K和Src激酶通路所致的Ras相關的C3肉毒素底物1、細胞分裂周期蛋白42和Ras同源基因家族成員A的Rho鳥苷三磷酸酶激活以調控細胞肌動蛋白骨架重組，調節細胞運動和侵襲力，促進多種基質金屬蛋白酶或通過激活核因子κB途徑增加整合素表達，而增強多種細胞的轉移和侵襲性[16]。

3 低氧與低氧誘導因子

低氧指組織供氧不足或用氧障礙，從而引起其代謝、功能以致形態結構發生異常變化的病理過程，其參與多種病理生理過程，如動脈粥樣硬化、糖尿病、高血壓、肥胖、急慢性炎癥等。細胞對于低氧的適應性改變通過低氧誘導因子(hypoxia-inducible factor，HIF)1介導。HIF主要分為HIF1、HIF2，調節超過100個靶基因的表達[17]，其中HIF-1最為重要。HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β組成的異二聚體。在正常供氧條件下，HIF-1α與von Hippel-Lindau(VHL)蛋白結合，募集靶向HIF-1α的泛素連接酶，經蛋白酶體降解。VHL蛋白的結合取決于HIF-1α的一個特異性脯氨酸殘基被脯氨酰羥化酶2的羥化。在缺氧條件下，脯氨酰羥化酶2的活性受抑制，HIF-1α降解減少并迅速積累，并與HIF-1β形成異二聚體，進而結合于靶基因的低氧反應元件，并促進靶基因轉錄[18]。HIF-1靶基因編碼分泌蛋白，例如血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factors,VEGF)，通過刺激血管生成增加氧供，亦分泌胞內蛋白，如糖酵解酶，通過調節代謝以適應低氧。HIF-2是由HIF-1β和依賴氧的HIF-2α組成的異二聚體,其表達具有細胞特異性，促進相應的靶基因表達，參與紅細胞生成、血管形成及肺發育等[17]。

4 低氧與肺癌

4.1低氧與肺癌的關系 腫瘤的微環境在腫瘤的進展中發揮重要作用，與腫瘤的浸潤、轉移和新生血管密切相關，低氧是其中關鍵要素之一。研究證實，低氧在實體瘤中很常見，瘤內低氧是由于異常的血管形成、血流的波動所造成的絕對供氧不足和腫瘤快速生長而伴隨需要量增加而造成的相對供氧不足[20]。低氧促進腫瘤的進展原因是缺氧狀態選擇具有抗凋亡潛能的細胞使其生存，并促進血管生成、細胞轉移和代謝改變而發揮作用。高表達的HIF-1α可促進腫瘤的生長,降低HIF-1α的表達則明顯抑制了腫瘤的生長與發展[19]。一項有關肺癌的研究發現，肺癌組織內的氧分壓低于正常肺組織；低氧與肺癌的不良預后相關，可促進肺癌的侵襲轉移，并可降低肺癌組織對化療及放療的敏感性[20]。

4.2低氧促進肺癌的機制

4.2.1低氧轉變細胞代謝 在正常氧分壓條件下，細胞先通過糖酵解將葡萄糖轉化為丙酮酸，再進入三羧酸循環通過偶聯氧化磷酸化反應產生腺苷三磷酸。在低氧條件下，細胞由于供氧不足而選擇產能效率較低的無氧糖酵解反應，丙酮酸不再進入線粒體三羧酸循環途徑，而是在乳酸脫氫酶的催化下，接受磷酸丙糖脫下的氫，生成乳酸，并使細胞內外環境pH水平下降。研究發現，低氧環境下HIF的大量積累會上調其下游靶基因葡萄糖轉運蛋白1和葡萄糖轉運蛋白3的轉錄與表達，而使細胞對葡萄糖的攝入量增加，同時可以上調一系列糖酵解相關基因的轉錄及其蛋白的表達而加速細胞的糖酵解過程[21-22]。此外，低氧條件同樣對糖原合成以及脂質、氨基酸及核苷酸代謝存在調控過程，具體表現在，HIF的表達增高可以促進葡萄糖向糖原轉化，加速細胞對非酯化脂肪酸攝入并抑制脂質的β氧化，還可以加速磷酸戊糖途徑，為腫瘤細胞的核苷合成提供更多的原料。然而,低氧狀態下的無氧代謝不僅僅為腫瘤發生、發展提供物質保障，研究發現，HIF-1還可以調節線粒體代謝，減少活性氧水平，降低細胞凋亡，維持細胞生存[23]。另外,6-磷酸異構酶和磷酸甘油酸變位酶等糖酵解酶基因的表達，還可以使纖維母細胞永生化[24]。故無氧糖酵解在腫瘤生成與發展中具有重要作用。

4.2.2低氧促進血管生成 細胞的存活必須要有正常的氧氣和營養物質的供應，腫瘤細胞的存活與生長亦是如此。如果沒有血管供給系統的建立，原位和轉移的腫瘤細胞的增殖速度都會受到明顯抑制，腫瘤的體積也會受到限制。腫瘤的直徑達到1～2 mm時就需要通過新血管為其提供充足的氧氣及養料，而新血管生成是個復雜的過程，包括細胞外基質的降解，內皮細胞遷移，脈管形成，細胞的再次排布以及最終血管的成熟等過程。腫瘤組織的血管不同于正常組織，其特征是具有擴張、扭曲、高通透性，這造成了供應區血流、供氧的不均一性和組織間隙的壓力增高，而這正是由于促血管生成因子和抑血管生成因子的相對失衡造成[25]。低氧被認為是誘導新血管生成的最主要的因素，低氧會通過HIF信號通路上調一系列促血管生成因子的表達，從而引發新血管的生成。而其中最重要的因子是VEGF。處于低氧環境的腫瘤細胞及其附近的其他細胞由于HIF-α的大量積累，通過結合低氧反應元件，從而直接激活VEGF和VEGF受體轉錄，促進血管生成。HIF-α促進血管生成素、胎盤生長因子、血小板源生長因子及其各種受體的表達，參與基質代謝，促進包括基質金屬蛋白酶和膠原蛋白、纖溶酶原激活劑受體抑制劑和脯氨酰羥化酶的基因轉錄，并使相應蛋白表達升高，這均在一定程度上促進了腫瘤新血管的生成[26]。

4.2.3低氧促進腫瘤轉移 腫瘤轉移是腫瘤患者死亡的重要病因之一。原位腫瘤的轉移過程，有上皮細胞-間充質轉化、細胞外基質調節等參與其中，也包括血管滲入與滲出、進入血液循環、歸巢及微環境形成和親器官克隆的形成等，在這些過程中，低氧誘導腫瘤細胞轉移。低氧誘導因子也成為調節腫瘤轉移的諸多關鍵點之一，尤其是腫瘤轉移的早期上皮細胞-間充質轉化。在低氧環境下，HIF的積累和活化會上調諸如Snail、Twist、T細胞因子和ZEB1/2等上皮鈣黏素的轉錄抑制因子，從而降低上皮鈣黏素的蛋白水平，促進上皮細胞-間充質轉化的進程[27]。低氧條件還會誘導細胞分泌許多金屬基質蛋白酶和纖溶酶原激活物受體等，用以破壞細胞外基質，有助于腫瘤細胞向基底層浸潤[28]。

5 瘦素與低氧

低氧能促進瘦素及其受體的表達，這在腫瘤等組織生長中具有重要的病理生理意義。研究發現，HIF-1是細胞對低氧分壓反應的關鍵轉錄因子，可以增強瘦素和其受體的基因轉錄與蛋白表達，并參與了包括腫瘤在內的肥胖相關疾病的啟動與進展[29]。此外，在胎盤組織的研究中，也證實了低氧可以增強瘦素及其受體表達[30]。另外，在肺癌的研究中發現，肺腺癌及癌旁組織中均有HIF-1α和瘦素的表達，但肺腺癌組織表達陽性率顯著高于癌旁組織，而且HIF-1α和瘦素在肺腺癌組織中的表達有明顯關聯[31]。進一步的體外研究發現，瘦素信使RNA表達隨著低氧處理時間延長而逐漸增強，而HIF-1α拮抗劑可抑制其表達[31]。因此，低氧可能通過HIF-1α，促進瘦素及其受體表達，進而發揮其促進腫瘤發展的作用。

6 小 結

瘦素具有促進腫瘤細胞增殖、遷移、浸潤的作用，瘦素與瘦素受體的表達，與腫瘤的分期、預后有相關性。低氧為腫瘤微環境的重要特征之一，對腫瘤的生存、增殖、遷移、浸潤、代謝和治療抵抗有重要作用。腫瘤發生、發展過程的分子學機制對其診斷、分期、治療及預后具有重要意義。HIF-1α的表達與瘦素及其受體的表達具有重要相關性，上調瘦素及其受體的表達可能是低氧促進腫瘤進展的重要途徑之一，但有關兩者的內在聯系，目前研究尚不足，需進一步探索，這將為肺癌的診斷、治療帶來新的突破。

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