缺氧誘導因子-1α在膀胱癌中的研究進展

吳 朝，董自強

(三峽大學第一臨床醫學院，湖北 宜昌 443003)

缺氧誘導因子-1α在膀胱癌中的研究進展

吳 朝，董自強

(三峽大學第一臨床醫學院，湖北 宜昌 443003)

腫瘤在生長過程中都存在相對缺氧的環境，缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)作為其調節的關鍵因素，在腫瘤的生長、代謝、轉移、凋亡、新生血管生成等過程中都有重要的作用。膀胱癌是泌尿系統最常見的惡性腫瘤，在其生長、侵襲和轉移的過程中也存在相對缺氧的環境，本文將就其相關研究進展做一綜述。

缺氧誘導因子-1α；膀胱癌；血管內皮生長因子

缺氧是促進實體腫瘤生長的重要機制之一，缺氧時腫瘤組織會發生一系列的生物行為學變化以適應這種環境。缺氧與腫瘤的惡性進展，包括腫瘤細胞的增殖、分化、凋亡、表型的決定、血管生成、能量代謝、對治療的抵抗以及患者的預后密切相關[1]。缺氧相關基因在這個過程中起著重要的作用，其中對于缺氧誘導因子-1α(Hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)研究的最多。HIF-1α在人類的眾多腫瘤之中都有過量的表達，它與腫瘤的侵襲、轉移有著密切的聯系，這使得HIF-1α成為腫瘤治療中的一個重要靶點。

1 HIF-1α的生物學特征

HIF-1是螺旋蛋白家族PAS(Per Arnt Sim)中的一員，是由α亞基和β亞基組成的異源二聚體，其中α亞基是主要的活性成分，受到細胞內氧濃度的調節，β亞基也稱為芳基烴核轉運蛋白(ARNT)，在大多數細胞內可持續穩定表達[2]。HIF-1αβ二聚體和與低氧反應元件HREs的相互作用可誘導轉錄的激活。在常氧的條件下，HIF-1α蛋白的兩個脯氨酸殘基被HIF脯氨酰羥化酶羥基化，使該蛋白被希佩爾-林道(VHL)E3泛素連接酶復合物識別繼而破壞水解[3]。但在缺氧的條件下HIF脯氨酰羥化酶是無效的，α蛋白和β蛋白結合形成二聚體后可誘導缺氧相關基因的轉錄。

HIF-1α的過表達可在人類70%的腫瘤轉移灶中被發現，與腫瘤的多種生物學行為密切相關[4]。包括腫瘤的血管生成、糖酵解、細胞增殖、紅細胞生成素的調節和鐵代謝、促細胞凋亡、抗腫瘤等等。低氧環境下HIF-1α可促進GLUT-1的表達以增加葡萄糖的轉運為腫瘤的生長提供能量[5]。此外，HIF-1α還可促進碳酸酐酶IX(CAⅨ)的基因表達，其產物是一種跨膜蛋白可維持細胞內外的pH值[6]。有研究報道HIF-1α還和細胞周期密切相關，可通過細胞周期抑制因子(p21和p27)和細胞周期調控因子(CyclinD1等)調節細胞凋亡[7]。綜上所述，在缺氧的微環境中HIF-1α的表達以及對下游基因的激活，為腫瘤的侵襲和轉移提供了有利條件。

2 腫瘤與缺氧

腫瘤的生長離不開有效的血供，這個過程會伴隨新生血管的形成以滿足腫瘤的代謝需求，缺氧在這個過程中扮演著重要的角色。Folkman在1971年第一次描述了腫瘤如果想增長就必須建立自身的血供，然而，一旦新生血管形成，腫瘤就會迅速生長，并使轉移變得容易[8]。此外，腫瘤的內部由于缺血、缺氧，不可以滿足腫瘤過快的生長需要而出現局部的缺血壞死。

腫瘤在缺氧的微環境中可以通多種調節因子調節腫瘤的生長，其中研究最多的是HIF-1α和血管內上皮生長因子(Vascular epithelial growth factor，VEGF)。腫瘤組織中HIF-1α的高表達與血管內皮生長因子(VEGF)關系密切，VEGF是內皮細胞增殖和遷移的高度特異性啟動子，已被證實在腫瘤血管的生成和發展中起到了重要的作用。此外，HIF-1α的高表達還與腫瘤對放化療的抵抗有關，由于腫瘤組織的缺血壞死導致化療藥物無法在腫瘤內部達到有效的血藥濃度，HIF-1α可維持腫瘤細胞在低氧環境下的生長。HIF-1α還可通過調節細胞周期如細胞周期抑制劑(p21WAF1和p27kip)、細胞周期調控因子(cyclinD1)等來阻止細胞周期的進展抑制腫瘤細胞的凋亡[9]。由此可見，在低氧的環境下HIF-1α與腫瘤的發生、發展與轉移均有密切的聯系，使之成為腫瘤研究的又一個重要位點。

3 HIF-1α與膀胱癌

3.1 HIF-1α在膀胱癌中的作用機制 膀胱癌是泌尿系統最常見的實體腫瘤，與其他腫瘤相似，膀胱癌是一個多因素、多因子參與、多個過程相互作用的復雜過程。其中，缺氧或低氧的微環境在膀胱癌的發生、發展中起著至關重要的作用。腫瘤組織中缺氧的微環境可以引起HIF-1α的高表達，Chen等[10]通過對膀胱癌T24細胞以及癌組織的研究發現，HIF-1α和血管內皮相關受體的升高會進一步引起其下游的AKT、哺乳動物靶標(mTOR)信號通路、p70S6K、4E-BP-1激酶的活化，引起HIF-1α/VEGF的級聯反應，增加腫瘤的血管生成和侵襲作用。Zhang等[11]研究發現下調HIF-1α可以顯著的抑制基質金屬蛋白酶-1(MMP-1)的表達從而減少腫瘤的侵襲作用，通過免疫組化對比轉移淋巴組織和原位膀胱癌的HIF-1α水平可發現轉移組織的HIF-1α明顯升高。他們研究認為HIF-1α/MMP-1的調節在膀胱癌的轉移中起重要的作用，因此HIF-1α可能成為控制膀胱癌轉移的一個靶點。此外，膀胱癌的血管生成與其侵襲密切相關，HIF-1α的過度表達可能也參與其中。Wood[12]對93名膀胱移行細胞癌患者的癌組織的研究發現，HIF-1α的表達與癌組織的組織學分級有顯著的聯系(P=0.009)。在缺氧的環境下血管內皮生長因子(VEGF)、微血管密度(MVD)均會升高且與腫瘤病理分級(P=0.006和P＜0.001)和臨床分期(P=0.04和P＜0.001)均有關聯性；并且HIF-1α與VEGF和MVD也有顯著關聯(P=0.01和P＜0.001)。Bedessem等[7]的研究發現在腫瘤慢性缺氧的環境下，相比正常組織腫瘤組織的HIF-1α水平明顯增高，另外基因突變也促進了HIF-1α在各類腫瘤中的穩定表達。在中度缺氧條件下G1/S期轉換會放緩而在嚴重缺氧情況下細胞會進入靜止期。該研究還證實了低氧條件下的化療抵抗與HIF-1α對細胞周期蛋白D(Cyclins D)的負性調節有關。在細胞凋亡方面HIF-1α可間接下調細胞周期蛋白E(Cyclins E)和上調細胞周期抑制因子如p21和p27來阻斷腫瘤細胞的凋亡。據此我們可以推測，HIF-1α的過度表達可能參與了膀胱癌的發生、發展，并可作為反映膀胱癌的診斷、分期與治療和預后的一個重要指標。

3.2 HIF-1α與膀胱癌的治療 膀胱癌在臨床上首先還是選擇手術治療，但是相應的輔助治療對于術前準備和復發型膀胱癌都有重要的作用。由于膀胱癌與其他實體腫瘤一樣在缺氧的環境中對放、化療存在抵抗，且HIF-1α的過度表達與腫瘤的不良預后和患者的死亡率相關，所以HIF-1α很可能成為膀胱癌治療的一個新的靶點[13]。其中HIF-1α相關抑制劑研究最多，HIF-1α拮抗劑可使在缺氧區域的腫瘤細胞重新由靜態進入細胞周期或者直接凋亡，重新進入細胞周期的細胞會使放療或者化療變得更加容易[14]。其主要機制包括以下幾個方面：(1)抑制HIF-1α的DNA轉錄表達；(2)抑制HIF-1α的mRNA相關轉錄活性；(3)加快HIF-1α的降解；(4)阻礙HIF-1α與相關靶基因的結合從而抑制HIF-1α的表達[15]。從天然產物中提取HIF-1α的抑制劑是目前的主要手段之一，在Chen等[10]的研究中提到厚樸(從中藥中分離出來的酚類化合物)，有抗腫瘤、誘導凋亡、下調HER2基因表達等作用。而且他們還證實厚樸在抑制缺氧對HIF-1α的刺激、VEGF與VEGFR2的結合、膀胱癌T24的血管生成都有顯著作用。其中的機制可能是抑制了磷脂酰肌醇-3-激酶抑制(PI3K)/AKT/雷帕霉素靶點(mTOR的)信號通路，反過來再削弱了HIF-1α和血管內皮生長因子的級聯。其他的一些類似抑制劑例如：拓撲替康、坦西莫司(作用于mTOR，阻斷HIF-1α的轉錄)、喜樹堿(阻斷HIF-1α的翻譯)也已進入臨床研究階段[16]。另外反義治療HIF-1α以及腺病毒介導的基因傳遞和小分子的靶向HIF-1α治療已經成為了一種新的治療途徑。最近的研究證明P13-K/ Akt途徑可通過熱休克蛋白的表達(HSP70和HSP90)控制HIF-1α的穩定性，HSP70直接結合于HIF-1α蛋白的氧依賴性降解結構域以抑制其降解[17]。而熱休克蛋白阻斷劑格爾德霉素可抑制這種結合達到降解HIF-1α的目的。改善缺氧環境亦是治療膀胱癌的一種有效療法，Fechner等[18]對小鼠模型研究發現氧濃度的提高可控制膀胱移行細胞癌(TCC)的生長，運用促紅細胞生成素(EPO)可抵抗缺氧或低氧環境，減少缺氧相關因子的表達，抑制腫瘤生長的目的；但EPO的用量應隨時調整以防血紅蛋白過高引起血液阻滯而加重缺氧。目前，針對HIF-1α的治療也存在一些局限性，較差的特異性使HIF-1α抑制劑的抗癌效果不佳，由于HIF-1抑制劑必須溶于血液中抵達癌組織達到殺滅腫瘤的目的，但其化合物較差的水溶性以及細胞毒性限制了其使用。這類藥物尚需進一步的研究，仍需提供有效的結構信息改善其生物學特性以找出更多的HIF-1α抑制劑并將這類藥物投入臨床試驗。

3.3 HIF-1α與膀胱癌的預后 缺氧是膀胱癌微環境的基本特征之一，HIF-1α是癌細胞缺氧適應的主要調節因子，功能涉及膀胱癌的代謝、血管生成和轉移等方面，在膀胱癌的惡性進展及不良預后中發揮重要作用。大多數學者認為HIF-1α在癌組織中的聚集和腫瘤預后呈負相關，Christiaansen等[19]的研究認為HIF-1α的高表達和腫瘤的壞死密切相關，在晚期膀胱癌中壞死率明顯升高(T3、T4期的腫瘤達到70%)，而且膀胱癌的放療在低級別(T2)時會更加有效，提示HIF-1α為腫瘤的手術治療和預后提供重要的信息。李然偉等[20]的研究認為HIF-1α在膀胱癌組織中的表達率明顯高于正常組織(P＜0.01)，且隨著癌細胞病理分級的增加其表達水平上升。此外，HIF-1α與HREs基因穩定結合后引起的腫瘤血管生成、糖代謝加強和促紅細胞生成素的增加均會導致腫瘤的生存、增殖、進展和遠處轉移[21]，因此HIF-1α的累積和患者的不良預后和較低的無病生存率都有關聯。腫瘤缺氧在臨床具有重要的意義，HIF-1α作為關鍵的調節因子作用于各個環節，但是目前對于缺氧的常規檢驗并不普遍，因此限制了HIF-1α在臨床中的實際應用。

4 展望

組織缺氧是眾多的實體腫瘤普遍存在的一種現象，至今仍然是腫瘤研究的主要問題。缺氧誘導因子HIF-1α的高表達參與了眾多重要的細胞信號轉導途徑和腫瘤的惡性轉化。膀胱癌是泌尿系統最常見的惡性腫瘤，研究證實HIF-1α亦在膀胱癌的發生、發展、侵襲、轉移中起到了關鍵的調節作用，HIF-1α有望成為了一個新的抗腫瘤治療的靶點。隨著研究的進一步深入，HIF-1α的靶向治療及其抑制劑的研究有望改善膀胱癌患者對放、化療的敏感性，降低死亡率及提高患者的生存質量。

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R737.14

A

1003—6350（2015）11—1640—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.11.0586

2014-10-29)

湖北省自然科學基金(編號：2011CDB328)

董自強。E-mail：dzq8678@126.com