低氧對腫瘤轉移的促進作用

連烜曄，崔晶

山東大學附屬千佛山醫院病理科，濟南2500140

1 腫瘤與低氧的關系

腫瘤細胞的迅速、異常增殖，使氧氣快速消耗，超過組織的供氧量，形成低氧微環境。低氧是許多實體腫瘤的共同特點，腫瘤的發生伴隨微環境中氧含量的下降。在低氧微環境中腫瘤細胞會產生一系列的生物學變化。低氧可以誘導腫瘤細胞代謝發生適應性改變，如從氧化磷酸化轉換為糖酵解，增加了糖原的合成；從葡萄糖轉換為谷氨酰胺，成為脂肪酸合成的主要底物。低氧可使細胞周期停滯在G0或G1期，抑制細胞的增殖；促進上皮-間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）；從多方面影響腫瘤細胞的侵襲和轉移，誘導細胞衰老和凋亡。同時，低氧也會影響腫瘤微環境中的其他方面，如誘導內皮細胞在代謝方式和分子層面上發生變化，增加促血管生成因子的表達，促進血管生成；調節炎性介質和生長因子，刺激血小板、白細胞和平滑肌細胞的活性。此外，低氧也可使內皮細胞與中性粒細胞的黏合度提高，促進自然殺傷細胞的轉運和局部炎性反應[1]。

2 與腫瘤、低氧相關的信號通路

低氧可誘導許多復雜的細胞內信號轉導途徑，如磷脂酰肌醇-3-羥激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB，又稱AKT）/雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）[2]、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activation protein kinase，MAPK）[3]、核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）相關信號通路[4]和低氧誘導因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）信號通路等。

2.1 HIF的作用

低氧誘導因子（hypoxia-inducible factor，HIF）活化是低氧微環境中腫瘤細胞代謝改變最明顯的分子特征。HIF有3種亞型：HIF-1、HIF-2和HIF-3。HIF-1是低氧腫瘤細胞代謝改變中最重要的亞型[5]，可幫助低氧微環境中腫瘤細胞的葡萄糖代謝從氧化磷酸化轉變為更高效的糖酵解，以保證能量的產生（瓦博格效應），還可以促進血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達，進而促進新生血管的形成，為腫瘤的生長提供更多的氧。

HIF-1α的活化和累積可受氧依賴和非氧依賴通路調控。氧依賴情況下，調控途徑有兩條。一是調控HIF-1α的降解。正常氧條件下，HIF-1α通過泛素-蛋白酶體途徑降解。該過程主要以HIF的氧依賴降解結構域（oxygen dependent degradation domain，ODDD）為基礎。二是抑制HIF-1α的轉錄、激活。HIF-1α的C-終端反式激活結構域（C-terminal transactivation domain，C-TAD）與共激活分子CREB結合蛋白（CREB binding protein，CBP）/p300協同結合啟動HIF-1α的靶基因的轉錄、激活。非氧依賴情況下，腫瘤生長因子、細胞因子和其他信號分子也可以上調HIF-1α蛋白的表達。PI3K通過目的蛋白AKT和下游的MTOR調節HIF-1α蛋白合成。MTOR可使真核細胞翻譯起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor 4E，EIF4E）磷酸化，阻礙其與真核細胞翻譯起始因子4E結合蛋白1（eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 1，EIF4EBP1）的結合，解除了對CAP帽依賴性mRNA翻譯的抑制作用，從而增加了HIF-1α蛋白的表達。此外，p70 S6激酶（S6 kinase，S6K）的磷酸化促進其底物-核糖體蛋白S6磷酸化，促進了蛋白翻譯[6]。磷酸酶張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homology，PTEN）基因可逆轉PI3K產物的磷酸化，阻斷這條通路。還有一些生長因子活化大鼠肉瘤（rat sarcoma，RAS）基因，隨后啟動RAS/RAF/MEK/細胞外信號調節激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）級聯反應。活化的ERK磷酸化EIF4EBP1、S6K和MAPK作用激酶（MAPK interacting kinase，MNK）。MNK也可以直接磷酸化EIF4E[7]。這些信號分子的改變促進HIF-1αmRNA翻譯成蛋白。ERK不僅參與HIF-1α的合成，還可提高HIF-1α的轉錄活性。ERK可使CBP/p300磷酸化，促進HIF-1α/p300復合體形成，并激活其轉錄活化功能。在正常氧條件下，HIF-1α與p53蛋白結合，導致鼠雙微體基因2（mouse double minute 2，MDM2）介導的 HIF-1α泛素化及蛋白酶體的降解。

另外，無論是否低氧，抑制熱休克蛋白90（heat shock protein 90，HSP90）均能抑制 HIF-1α的表達。HSP90可以直接與HIF-1α結合，導致HIF-1α蛋白結構的構象發生變化，從而啟動轉錄。此外，HSP90可穩定HIF-1α，對抗其非VHL（腫瘤抑制基因：von Hippel-Lindau，簡稱 VHL）依賴性降解。

2.2 PI 3K/AKT/MTOR、MAPK和NF- κ B信號通路

在低氧微環境中細胞因子、趨化因子和附著在酪氨酸激酶受體、G蛋白偶聯受體、Toll樣受體（toll like receptor，TLR）的生長因子可激活PI3K/AKT/MTOR、MAPK 和 NF-κB信號通路。PI3K/AKT/MTOR信號通路在大多數腫瘤細胞中處于高活性狀態，也正是因為這條通路的激活，促進了腫瘤細胞的增殖、轉移和侵襲。MAPK信號通路可以通過調控細胞周期蛋白D（cyclin D）及p27的表達水平影響細胞周期G1至S期的進程。MAPK也可以調節許多轉錄因子，包括c-fos、Jun-B、CREB和Elk-1，所以MAPK途徑可能對低氧時內皮PAS區域蛋白 1（endothelial PAS-domain protein 1，EPAS1）的激活很重要。已知MAPK對許多基因的反式激活至關重要，并主要通過下游轉錄因子的磷酸化來發揮其作用。NF-κB家族中NF-κB1（p50/p105）、NF-κB2（p52/p100）、RelA（p65）、RelB 和 CRel參與炎性反應，調節細胞增殖和生存。同時，NF-κB也可以調節內皮細胞存活和血管生成的關鍵介質如AKT和VEGF的表達[8-9]。AKT的激活可以通過抑制細胞凋亡來促進內皮細胞存活，并且可以促進腫瘤細胞轉移和新血管形成。此外，腫瘤細胞中這些信號通路成員的遺傳變異和獲得性基因突變，以及受體的過激反應都可以導致腫瘤細胞不受控制地生長[10]。非HIF通路為抗腫瘤治療提供了有前景的治療靶點，每條通路都是一個值得研究的領域。

3 低氧微環境與腫瘤轉移的關系

3.1 血管生成

血管生成在腫瘤進展中起關鍵作用，是組織侵襲和轉移所必須經歷的過程。不成熟的血管生成是腫瘤進展過程中的病理學特點之一。由于血液供氧無法滿足過度增生的腫瘤組織而導致低氧微環境。低氧微環境中促血管生成因子和抗血管生成因子之間失去平衡，導致增強、急速、無序的血管形成。HIF-1α和HIF-2α通過調控VEGF，參與血管形成的所有步驟[11]。低氧微環境和HIF-1α有助于從骨髓中募集內皮祖細胞（endothelial progenitor cell，EPC），并且通過調節VEGF促進EPC分化為內皮細胞。這個過程也可以由促血管生成因子介導，如血管內皮生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2；又稱為fetal liver kinase-1，FLK-1）。VEGFR2通過激活誘導“內皮尖細胞”（即芽的前導細胞）轉移，導致多種調節細胞增殖，細胞骨架重排，并介導細胞存活，增加血管通透性，激活下游通路。這些激活的信號轉導通路包括RAS/MAPK/ERK、黏著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）/樁蛋白、PI3K/AKT/MTOR、ras同源物基因家族成員A（ras homolog family member A，RHOA）/RHOA激酶和磷脂酶Cγ通路[12]。這些通路一旦被激活，“內皮尖細胞”就會增加Notch信號通路δ樣配體4抗體（delta-like ligand 4，DLL4）的表達，并且DLL4與相鄰內皮細胞上的Notch受體結合，導致轉錄調節物Notch在細胞內過表達。Notch通過下調VEGFR2和神經纖毛蛋白-1的表達來增加VEGFR1的表達水平。此外，VEGFR1及其配體可以通過內皮細胞來促進血管生成和轉移，從而增強內皮細胞的轉移活性。低氧微環境和HIF-α也可以通過誘導酶的表達，如基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），促進新生血管的分離和內皮細胞的轉移。在炎性反應、傷口愈合及腫瘤生長等情況下，可以觀察到內皮細胞中MMP活性顯著提高[13]。最后，低氧微環境和HIF-α通過誘導血管生成蛋白-1（angiogenin-1，Ang-1）、血小板衍生生長因子（platelet derived growth factor，PDGF）和轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）來促進血管成熟，募集如肌細胞和周細胞一樣的支撐細胞，形成成熟、穩定的血管[14]。

3.2 EMT

EMT是一個重要的生物學過程，涉及惡性腫瘤細胞的轉移、侵襲、細胞凋亡的抵抗和細胞外基質降解的過程。低氧微環境通過上調與EMT相關的轉錄因子或者抑制因子來激活與EMT有關的信號通路，從而誘發EMT。低氧微環境和HIF的過度表達足以誘導EMT發生并促進腫瘤細胞的侵襲[15]。HIF在調節關鍵的EMT轉錄因子如E盒結合鋅指同源盒蛋白1（zinc finger E-box binding homeobox 1，ZEB1）、Snail和 TWIST等方面直接發揮作用[16]。HIF通過激活大量的細胞信號通路，間接促進了EMT，這些細胞信號通路包括Notch信號通路[17]、TGF-β信號通路、整合素連接激酶信號通路[18]、某些特定的蛋白酪氨酸激酶（tyrosine protein kinase，TPK）受體信號通路、WNT信號通路和Hedgehog信號通路[19-20]。低氧誘導的Jagged 2、環氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）和尿激酶受體的上調也有助于EMT的發生和增強乳腺癌細胞的侵襲能力[21]。低氧也可以通過調控腫瘤細胞中的長鏈非編碼RNA、碳酸酐酶和鈣離子信號來調節EMT，從而增強腫瘤細胞在低氧微環境中的侵襲能力[22-23]。

3.3 MMP

MMP屬于鈣離子依賴性、含鋅離子的內肽酶家族，能夠降解細胞外基質蛋白以促進腫瘤細胞的侵襲和轉移[24]。迄今為止，已經鑒定了該家族的26個成員，其中MMP2、MMP9與腫瘤的侵襲有關。Osinsky等[25]研究顯示，原發腫瘤的生長明顯伴隨著低氧微環境的惡化，腫瘤低氧微環境的惡化與原發腫瘤細胞的MMP2、MMP9表達活性呈正相關。在低氧微環境中人類乳腺癌MDA-MB-231細胞株的MMP9分泌增加[26]。Himelstein和Koch[27]的研究結果也顯示，在低氧微環境中肺泡橫紋肌肉瘤細胞的MMP9表達上調。MMP13可以被MMP2、MMP3和MMP14激活，在功能上可以降解Ⅱ型膠原蛋白，促進細胞外基質代謝；激活的MMP13反過來也可促進MMP2和MMP9的激活[28]。

綜上所述，低氧微環境可通過改變腫瘤細胞的代謝方式、誘導腫瘤細胞代謝的適應性變化、調節腫瘤細胞中復雜的信號通路（如HIF、PI3K、MAPK和NF-κB信號通路）及誘發EMT來提高血管生成的能力和誘導MMP的生成。有學者嘗試通過增加腫瘤的氧合作用來加強放射治療的效果，試驗結果不能讓人滿意[29]。但是可以通過干預低氧微環境相關信號通路來制訂新的抗腫瘤策略，如通過干預HIF信號通路的特殊靶點、復合物或者基因類型治療腫瘤，目前這些靶點的研究處于臨床前研究或者臨床試驗階段[30]；也可干預其他重要的信號通路如RAS/MAPK、PI3K/AKT/MTOR[31]。這些新的抗腫瘤策略將會變成對抗腫瘤的有力武器。