低氧微環境與非小細胞肺癌關系的研究進展

張艷苗 顧玉海

低氧微環境與非小細胞肺癌關系的研究進展

張艷苗1顧玉海2

肺癌在當今世界上是最高發且死亡率最高的惡性腫瘤之一，其中非小細胞肺癌所占的比例約為85%[1]。非小細胞型肺癌從組織類型上可分為：大細胞癌、腺癌、鱗狀細胞癌，比小細胞肺癌生長分裂較慢，擴散、轉移都相對較晚。低氧是肺癌細胞的物理微環境之一,可以引發肺癌細胞中信號通路產生變化，進一步促進腫瘤轉移以及促進血管產生,它是決定惡性腫瘤預后的重要因素之一。研究表明, 由于腫瘤在生長過程中，腫瘤細胞的增生速度較快,導致其始終處于低氧微環境之中，而低氧可誘導分泌各種細胞因子，這些細胞因子可通過特定的信號通路來調節微血管生成，使腫瘤細胞獲得足夠的營養物質，并得以增殖、轉移。本文對近年來低氧微環境與非小細胞肺癌相關性的研究進展進行闡述。

低氧微環境的概述

腫瘤低氧的概念是在肺癌的研究中首次被提到的。低氧是指組織內氧分壓降至臨界值以下或可有效利用氧減少的一種狀態，機體各組織器官中的氧分壓應低于標準大氣壓(160 mmHg)，且各器官低氧標準不盡相同，由低到高依次為：腦24mmHg、心25 mmHg、脾66 mmHg，肺110 mmHg[2]。在1955年腫瘤低氧現象首次被人類發現, David[3]等在1996年首次發現低氧微環境對人類腫瘤遠處轉移有著極其重要的影響。此后，人們從未間斷對低氧微環境的研究，Le等[4]于2006在肺癌患者體內發現了肺癌組織低氧微環境的存在，這是人類最早找到低氧微環境在肺癌組織中存在的證據的研究。后續的研究發現，大部分腫瘤組織內都存低氧微環境，低氧可以對腫瘤細胞中調控因子的產生起到一定的作用，并在表達調控下游靶基因的進程當中，進一步促進腫瘤的發生和發展[5]。研究表明，低氧誘導產生的低氧誘導因子(hypoxia-induced factors，HIFs)在腫瘤低氧微環境中發揮的作用最為突出，在腫瘤組織的低氧區域調節基因轉錄，誘導下游基因的表達，使腫瘤細胞更能適應低氧環境，并獲得更強的增殖和轉移能力，對放、化療不敏感，并影響到腫瘤的預后[6]。

低氧微環境與非小細胞肺癌的轉移

非小細胞肺癌(non small cell lung cancer，NSCLC)的轉移過程受到多種微環境的影響，其中低氧微環境起著舉足輕重的作用。肺癌的轉移是個多步驟的復雜過程，首先是部分細胞脫離原位腫瘤組織，侵襲進入血管，然后血液循環將其運送到轉移灶，通過各種微環境形成新生血管，從而導致了新的腫瘤的產生。新生血管生成的過程也比較復雜，通常是由促進血管生成的因子和抑制血管生成的因子相對水平決定[7-8]。一方面，低氧微環境作為腫瘤發生惡性轉移的一種啟動因素[9]，可使抗凋亡能力強的腫瘤細胞得以生長，低氧還可導致腫瘤細胞遺傳基因表達不穩定，激活相關的促血管因子，進一步加速腫瘤新生血管的形成，并且可以上調致癌基因的表達，從而使腫瘤細胞向遠處轉移的可能性增加。另一方面，低氧作為新生血管生成的一種促進因素，通過HIF信號通路上調一系列促進血管生成的因子表達，引發新生血管的形成，進而促進惡性腫瘤組織的侵襲、轉移、黏附[10]。低氧還能通過下調細胞間黏附分子的表達來促進腫瘤的轉移[11]。低氧對肺癌的發展和惡化有著更重要的促進作用，還表現在低氧條件下脂質、蛋白質及核苷的合成水平升高，為細胞的快速生長和過度增殖提供了物質保障。這也使得腫瘤細胞對抗凋亡、衰老以及向遠端侵襲轉移的能力也得以增強[12]。

低氧微環境對非小細胞肺癌作用的可能機制

低氧微環境促進NSCLC轉移的機制是多方面的，可涉及可涉及HIFs、VEGF、脯氨酸羥化酶、Notch信號通路以及上皮細胞-間充質轉化等多種調控因子，這些因子均在低氧微環境中對肺癌的發生發展扮演著重要角色。其中HIFs是低氧狀態當中，誘導產生的最核心的細胞因子，它不僅可以直接參與到腫瘤的血管生成，更重要的是可以調控其下游的靶基因或細胞因子，使它們在腫瘤血管形成中發揮巨大作用，HIFs對VEGF、PHD、Notch等的表達都有著一定的調節作用。

一、HIF在肺癌組織中的作用

從 1992年了解到低氧誘導因子1(HIF-1)之后，到了1997年左右，又進一步發現了HIF-2以及HIF-3， 如今的觀點是，在HIF體內可能有一個家族(HIFs)的存在。如今已經了解到的HIFs家族成員HIF1、HIF2以及HIF3都有著如下特征： ① 都包含了α和β亞基，都來自于不同的亞基二聚體轉錄因子，而在這個過程中α亞基屬于低氧調控當中的一項重要亞基(HIF1-α、HIF2-α和HIF3-α)，HIF1-β亞基對低氧不敏感；②低氧均可誘導HIFs的轉錄、翻譯和活性，HIFs在體內介導的病理和生理過程，首先要和目的基因的缺氧應答元件(HRE)結合才能調節目的基因的表達。低氧誘導因子1α(HIF-1α)對調節癌細胞耐受適應缺氧的微環境起著不可替代的作用[13]。在常氧環境中，HIF-1α被羥基化，其蛋白表達水平較低，故幾乎不會發揮作用。低氧環境中下，HIF-1α變得穩定并且和HIF-1β共同調節下游基因的表達活性，從而促進的轉錄復合物的形成，而這些轉錄復合物是腫瘤細胞存活和入侵所必需的[14]。另外，有研究表明，HIF-1α 能夠降低β-鏈接素(β-catenin，β-cat)以及上皮型鈣粘素(E-cadherin，E-cad)在微環境中表達，在細胞粘附方面有比較大的作用。基質金屬蛋白酶則在腫瘤細胞轉移過程中起著一定的作用，HIF-1α 在某種狀況下可能會導致MMPs 表達產生變化，進一步對實體性腫瘤轉移起到促進效果[15]。

二、 脯氨酸羥化酶在肺癌中的作用

脯氨酸羥化酶(PHD)家族有PHD1、PHD2和PHD3三個成員，在低氧條件下發揮降低抑癌蛋白HIF的作用。PHD屬于氧感受器,它通過羥基化HIF-1α中的脯氧酸殘基進一步對HIF-1α水解起到促進作用，從而對HIF-1α當中所具有的蛋白水平加以控制。低氧條件下PHD的活性會有所降低,HIF-α無法被羥基化，從而不能被pVHL識別、結合、降解，進一步造成HIF聚集，對血管當中的生長因子、轉運蛋白以及促紅細胞生成素(EPO)等方面的基因表達起到一定的促進作用，使其真正加入到細胞代謝以及血管生成的進程當中[16]。從大量的研究中可以了解到，PHD3在非小細胞肺癌低氧環境中發揮著主要調節作用，在低氧狀態當中，HIF-1α能夠進一步對PHD3 mRNA轉錄起到一定的作用，而且在這個過程中通過siRNA抑制HIF -1α的作用，進一步讓PHD3表達得以降低。所以在這種情況下，HIF -1α蛋白的表達在非小細胞肺癌組織當中，相對癌旁正常肺組織比較高,這往往是進一步造成 PHD3 mRNA 表達提升的關鍵因素。

三、Notch在非小細胞肺癌中的作用

Notch基因最早發現于果蠅殘翅，Notch信號通路的組成包括：受體、配體和DNA 結合蛋白，Notch信號通路的信號傳遞是通過其受體配體結合而進行的[17]，Notch相關靶基因經常表達于非小細胞肺癌低氧微環境中。Notch1、Notch3、HES-1 在非小細胞肺癌中，表達較常見。Chang等[18]證實，Notch3在NSCLC中陽性表達為40%，腫瘤敏感基因101(SG101)蛋白下調與Notch3上調有著密不可分的關系，在這個過程中，會有較多的Notch3參與肺癌細胞的增殖、轉移過程。還有研究發現Notch3的過量表達能與19號染色體短臂上的易位有關。低氧還可誘導Notch1某些區域和激活 Hes-1，來上調Notch1 信號通路，使相應細胞處于對Notch1 核糖核酸干擾劑敏感狀態，從而促進肺癌細胞的生長[19]。依照相關研究，DLL4 屬于 Notch 信號轉導通路進程當中的一項關鍵因素，在DLL4-Notch 信號傳遞的過程中有著較為重要的作用[20]，DLL4 還與胚胎早期新生血管之間有著較為密切的關系，屬于新生血管當中一種上調的表現方法。最新研究顯示，DLL4 在 NSCLC 組織當中相對其他正常組織而言，陽性率相對較高，也就是說DLL4的表達與NSCLC的發生機制之間存在一定的關系，在這種情況下，能夠將DLL4當做一種指標，對NSCLC預后的相關內容進行判斷。

四、低氧微環境可誘導產生血管內皮生長因子

內皮生長因子(vascularendothelial growth factor，VEGF)是一種作用于血管內皮的細胞因子，在肺癌發生時，血管內皮生長因子(VEGF)在腫瘤內的血管供應中起著重要的作用[21]。其蛋白的表達位置往往處在腫瘤細胞細胞核核膜周圍以及胞質內部周邊等浸潤區域，可以與血管內皮細胞膜的受體進行結合，從而進一步促進腫瘤內微血管通透性的增強以及細胞數量的增加，使血管得以形成，并與內皮細胞抗凋亡有密切關系[22]。低氧環境中，腫瘤組織中的VEGF表達明顯增多，其合成產物也隨之增多，可能其原理是低氧微環境通過調節HIF-1α的表達，從而使得VEGF的表達增加。在相關研究中可以了解到，HIF-1α有著對 VEGF 蛋白表達加以促進的效果，能夠使腫瘤細胞當中 VEGF 的含量得以提升，并對新生血管產生起到一定的促進作用，讓腫瘤生長獲得一定的營養物質以及血液供應。有研究發現，肺癌組織中的VEGF與HIF-1α表達呈顯著正相關。同時,了解到在肺癌組織中所具有的VEGF、HIF-1α表達水平，這對NSCLC的產生、發展以及預防有重要作用。孟誼等[23]研究發現，VEGF在NSCLC中的陽性表達率為56.3%，明顯高于對照組，NSCLC 是與VEGF關系密切的血管依賴性腫瘤，進一步證實了VEGF的高表達促進了NSCLC細胞的生長、新生血管的形成和遠處轉移。

五、低氧微環境與上皮細胞-間充質轉化

低氧微環境在對腫瘤細胞上皮細胞-間充質轉化(EMT)進行調節的進程中有較為重要的影響，對腫瘤惡化以及轉移有一定的刺激作用[24]。上皮細胞-間充質轉化往往屬于腫瘤發生轉移的重要環節，它是指上皮細胞轉化為具有間質表型細胞的一種生物學過程，它的分子生物學特點包括上皮細胞標志物，比如E-黏附蛋白以及盤狀球蛋白的缺乏，以及波形蛋白等標志物上調，或者基質金屬蛋白酶2提升。有研究發現，HIF-1可以使E-黏附蛋白等方面抑制因子得以活化，并對間質特點基因表達起到一定的促進作用，從而讓腫瘤細胞骨架的彈性得以增強，進一步使細胞間黏附力減弱及運動能力增強，更有利于轉移。近年來，有科研人員檢測了經低氧培養后 A549 細胞球的 EMT 轉化標志物表達情況，進一步證實了低氧微環境中生長的A549多細胞球體比常氧條件下的 A549 多細胞球體具有更強的轉移能力。

低氧微環境與非小細胞肺癌的治療

目前 NSCLC 的綜合治療效果及遠期預后均不理想，實體腫瘤在缺氧環境中抵抗放、化療， 靶向低氧微環境的治療可改善腫瘤細胞對放、化療的敏感性，所以，確定參與 NSCLC 進展、侵襲以及轉移的基因，尋找合適的作用靶點，進而研發靶向藥物，進一步使 NSCLC 的診治水平得以提升。研究表明欖香烯能夠抑制 HIF-1α 在低氧區域的高表達，從而提高低氧肺癌的放療敏感性[25]。Zhang W等[26]發現采用硫代二酮吡嗪復合物、姜黃素等對 HIF-1α 及下游基因的表達進行抑制，可能使患者對于化療藥物的耐受性降低。吉非替尼作用于低氧的肺癌A549細胞，HIF-1α蛋白表達受到明顯的抑制，通過抑制HIF-1α的蛋白表達可能是吉非替尼抗腫瘤作用機制之一[27]，這就是把HIF-1α作為靶點進行研究的原因。Notch信號通路與細胞增殖、分化及凋亡密切相關，該通路不僅可以在腫瘤的發生發展中發揮作用，還與腫瘤耐藥密切相關[28]。Notch很可能是對抗腫瘤耐藥的新靶點，抑制腫瘤細胞中Notch的活性，有望成為更為優化的的腫瘤治療方案。有研究表明，VEGF有關的基因轉錄可能會被HIF-1α所調用，所以在這個過程中可以利用阻斷HIF-1α/VEGF 通路，對腫瘤新生血管起到一定的抑制效果，進一步進行抗癌方案的制定，這是一種新的理念和思路,因此在NSCLC的抗血管生成靶向治療中選擇VEGF作為靶點具有重要的臨床意義。此外，在肺癌低氧微環境的研究中還會有大量的靶點被發現，其中很多靶點都將為靶向藥物的研發提供新思路。

結論與展望

近年來，有關低氧微環境下非小細胞肺癌的研究獲得了大量的成果，越來越多的研究表明低氧微環境與非小細胞肺癌有者顯著的相關性。低氧微環境可促進非小細胞肺癌細胞的侵襲和轉移，而且調節途徑是多方面的。了解低氧微環境如何與非小細胞肺癌的發生發展建立聯系后，能夠發現低氧促進肺癌轉移的有利因素，我們可以根據這些因素來確定治療靶點，研制相應的靶向藥物。隨著潛在靶點的相繼發現，研制多靶點靶向藥物將成為醫務工作者們奮斗的方向。

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1. 810001 青海 西寧，青海大學 2. 810007 青海 西寧，青海省人民醫院呼吸科

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2016-11-07]