腫瘤局部的缺氧微環境與前列腺癌轉移

郭愛鑫，王慧萍

(1.國家衛生健康委科學技術研究所，北京 100081；2.北京協和醫學院研究生院，北京 100730)

前列腺癌(prostate cancer，PCa)是老年男性泌尿生殖系統常見的惡性腫瘤。近年來隨著人們生活水平的提高、人口結構的老齡化、飲食結構的改變，以及男性激素使用不當等原因，PCa發病率呈上升趨勢，已高居泌尿系統腫瘤的前三位[1]，在男性癌癥中發病率僅次于肺癌且發病年齡日趨年輕化[2]。2009年中國城市地區前列腺癌發病率和死亡率分別為13.31/10萬和5.30/10萬，且每年增長率高達12.07%；而2015年發病率和死亡率分別為60.3/10萬和26.6/10萬，數據表明前列腺癌已成為威脅中國男性健康的主要因素[3]。前列腺癌預后差，與其遠處轉移密切相關，因此預防或降低PCa轉移對延長患者的生存期具有重要意義。前列腺癌細胞的增殖、浸潤及轉移由多種因素調控，有證據表明缺氧是許多實體腫瘤局部微環境改變的主要特征，腫瘤局部缺氧也是造成PCa轉移的重要因素之一，腫瘤局部的缺氧微環境促進腫瘤細胞由良性向惡性進展，促進腫瘤細胞耐藥及轉移侵襲[4-5]。本文就腫瘤局部缺氧微環境促進PCa轉移的機制及其研究進展進行綜述，以期對前列腺癌細胞遷移侵襲的預防和治療提供新的思路。

一、缺氧誘導因子1對前列腺癌細胞轉移的作用

缺氧誘導因子1(hypoxia inducible factor 1，HIF-1) 是一種異二聚體，分別由氧調控性表達的HIF-1α亞基及構造型HIF-1β亞基所組成，是一種氧依賴性轉錄激活因子。HIF-1α是HIF-1特有的活性亞單位，決定HIF-1的活性。在有氧狀態下HIF-1α表達不穩定，而在缺氧狀態下HIF-1α可迅速變得穩定。HIF-1α僅存在于缺氧細胞核中，在細胞缺氧時產生，參與調控缺氧時細胞代謝中的氧含量和相關基因的表達。HIF-1對機體調節具有雙重作用：一方面，當心、腦、腎等機體重要臟器缺血時，啟動機體自身的系列保護性反應；另一方面，HIF-1的作用體現在可調節腫瘤細胞的氧合狀態，促進腫瘤細胞的增殖、新生血管的生成、誘發上皮與間充質轉化(epithelial-mesenchyme transformation，EMT)、促進外泌體分泌，導致腫瘤組織在局部缺氧條件下仍可繼續生長，進而引發后期腫瘤的轉移、侵襲以及術后復發，并降低腫瘤對化療的敏感性使病情惡化難以治療[6]。

研究表明，HIF-1在許多人類實體腫瘤中過表達并上調缺氧相關基因，如E鈣黏蛋白轉錄抑制因子、Twist家族堿性螺旋-環-螺旋轉錄因子(Twist)、鋅指蛋白E-盒結合同源異形盒-1 (zinc finger E-box binding homeobox factor 1，ZEB1)、叉頭框轉錄因子M1 (forkhead box transcription factor M1，FOXM1)等[7-9]。EMT被認為是胚胎發育和腫瘤形成過程中的關鍵事件。HIF-1可誘導不可逆EMT轉化，并促進前列腺癌進展[10]。Yoo等[11]研究結果表明，慢性缺氧可以驅動不可逆性的EMT轉化，該過程主要依賴于突變的HIF-1α誘導，而不是通過傳統的轉錄激活。前列腺上皮細胞轉化為間充質細胞后獲得腫瘤特性，且表現出晚期癌癥的某些特征。許多研究表明，HIF-1不僅可誘導人前列腺癌細胞的EMT，也可促進前列腺腫瘤微血管的形成和前列腺腫瘤細胞外基質的降解[12-13]。缺氧狀態下，HIF-1α啟動血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的轉錄，誘導并增加VEGF表達，同時，HIF-1α調控促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)轉錄激活，二者共同作用影響前列腺腫瘤癌組織新生血管的形成。此外，HIF-1α可增加基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)的表達，從而促進前列腺癌細胞侵襲、轉移[14]。其中，MMP-2是降解細胞外基質的主要分子，可加速細胞外基質的降解，破壞前列腺癌細胞侵襲的組織學屏障。當前列腺癌細胞處于缺氧微環境時，HIF-1α表達水平迅速提高，進而激活MMP表達，促進癌細胞的遷移。近期研究還發現，缺氧可誘導腫瘤細胞中組蛋白脫甲基酶(plant homeodomain finger protein 8，PHF8)的表達。具有內在組蛋白脫甲基酶活性的PHF8，可促進雄激素受體(Androgen Receptor，AR)轉錄激活。因此，HIF/PHF8/AR軸可能促進前列腺癌細胞增殖、遷移和入侵[15]。

二、缺氧誘發EMT

EMT是上皮細胞失去極性并轉換為間質細胞表型的過程。癌性上皮細胞在初始轉化后，通過黏附分子的持續表達和完整的基底膜，在原發部位局限性生長。然而，隨著癌癥的進展，一些位于原發腫瘤周圍的細胞被認為是通過EMT程序獲得了間質特性，從而促進腫瘤細胞向局部和遠處組織的轉移侵襲[16]。EMT在胚胎發育過程中具有十分重要的地位，對正常人體組織和腫瘤組織的細胞可塑性起到關鍵的調控作用。腫瘤細胞黏附的喪失是這一過程中的一個重要因素。E-鈣黏蛋白(E-cadherin)是一種鈣依賴性跨膜糖蛋白，可介導細胞之間互相粘附，調節正常細胞間連結的形成和維護。它是黏附連接的關鍵組成部分，通過親同性相互作用連接相鄰的細胞，也有一些細胞通過多烯復合物連接到固定于細胞骨架上的E-鈣黏蛋白細胞質的尾部，而不是直接連接到細胞骨架上[17-18]。在EMT過程中，腫瘤細胞脫去上皮細胞的某些特性，如細胞間的黏附性、細胞極性，發生細胞骨架改變，向間充質表型轉變并獲得高度的運動性和侵襲性。

EMT過程是一個非常復雜的分子過程，多種信號都能夠觸發EMT過程，如缺氧、上皮細胞與間質細胞間的相互作用以及黏附因子等。許多能啟動EMT過程的信號分子和特定的轉錄因子(transcription factors，TF)組建了一個可調控的信號網絡[19]。在EMT-TF信號網絡中，有4種重要轉錄因子(Twist、ZEB1、Snail和Slug)直接或間接抑制E-cadherin表達，調節細胞抗凋亡及增強運動的能力[20]。這些因子及其參與組成的信號通路下調粘附連接分子E-cadherin的表達，而E-cadherin是上皮細胞的特異性標志物，主要功能是調節細胞間接觸、細胞形態和極性。同時，癌細胞褪去上皮特性伴隨著間質特征的增加，包括波形蛋白、平滑肌肌動蛋白、纖連蛋白、基質金屬蛋白酶和N-鈣黏蛋白(N-cadherin)的表達增加，以及體外單層培養時向成纖維細胞形態轉變[21]。

前列腺癌細胞的轉移涉及多個步驟，其中EMT一度被認為是不可或缺的[22]。許多證據表明[9]，糾正癌細胞周圍組織缺氧微環境，能有效抑制EMT，一定程度上抑制前列腺癌細胞的轉移，但其分子機制還不太明確。因此，研究缺氧微環境下腫瘤細胞發生EMT的調控機制，對于深入了解PCa細胞侵襲遷移的分子機制十分重要。

三、缺氧促進前列腺癌新生微血管形成

前列腺癌細胞的遷移侵襲也是需要能量的。因此，新生血管形成對前列腺癌發生和轉移至關重要[23]。HIF-1α和VEGF是調節血管生成的主要因子，在前列腺癌組織微血管形成過程中發揮關鍵作用[24-25]。當前列腺癌細胞處于缺氧微環境，HIF-1α因子表達增加，在加強腫瘤組織細胞 VEGF mRNA 穩定性的同時，又會增強 VEGF受體的轉錄。研究表明[26]，VEGF5’端增強子內存在HIF-1α的結合位點。當前列腺癌細胞處于缺氧狀態時，HIF-1α與VEGF5’端增強子相結合可以誘導并增加VEGF轉錄活性和VEGF表達。VEGF受體分為1型和2型，主要存在于血管內皮細胞的表面。缺氧微環境中前列腺癌細胞VEGF生物學效應增強，VEGF以旁分泌的方式作用于血管內皮細胞的兩種類型受體，激活細胞內級聯缺血信號通路，促進缺氧局部組織新生血管，從而緩解癌組織、細胞的缺氧缺血，調節其新陳代謝，為癌細胞的增殖分化及侵襲遷移提供物質和能量[26-28]。同時，缺氧狀態下前列腺癌細胞增加分泌的VEGF，也可促進淋巴管內皮細胞分裂和增殖，介導生成淋巴管，增加前列腺癌組織內淋巴管數量，為前列腺癌的淋巴轉移創造條件，導致術后復發、病情惡化。有報道稱[29]，缺氧激活核因子κB(NF-κB)/HIF-1α/VEGF通路，可調控血管生成，進而促進前列腺癌發生、發展。

前列腺癌血管生成是腫瘤細胞和宿主微環境之間動態交叉效應的結果。缺氧導致機體微環境的pH呈酸性，也可促進前列腺癌細胞VEGF的釋放[30-31]。此外，缺氧狀態下HIF-1變得迅速穩定下來并且表達量升高，進而激活EPO的轉錄，而EPO通過激活蛋白激酶可激活腫瘤細胞蛋白酶活化受體2介導的內皮細胞活化，繼而觸發新生血管形成[32]。有研究表明，處于缺氧狀態下的前列腺癌細胞可釋放大量的組織因子，這些組織因子與微血管的形成密切相關。因此，控制好前列腺癌組織的氧合狀態能很好地抑制腫瘤微血管的形成，阻斷前列腺癌細胞的增殖和轉移擴散所需的能量。

四、缺氧促進外泌體分泌而增強前列腺癌細胞侵襲

前列腺癌組織細胞在缺氧狀態下分泌外泌體增多，使前列腺癌的適應能力更強、惡性程度更高以及化療藥耐受性增加，進而導致前列腺癌細胞難以根除，病情惡化。外泌體是從胞內體(如溶酶體)脫落下來的含復雜RNA和蛋白質的小囊泡，具有胞吞胞吐功能，主要作用是運送細胞之間的生物活性分子。缺氧會促使外泌體分泌顯著增加，而外泌體中的RNA和蛋白質通過信號轉導通路在腫瘤缺氧微環境中發揮一系列作用，可導致前列腺癌異質化、誘導前列腺癌相關成纖維細胞、促進前列腺癌組織微血管生成及轉移侵襲等[33-35]。

已有實驗表明[36]，與常氧狀態相比，缺氧情況下前列腺癌組織顯示出更高的金屬蛋白酶活性，多種信號分子如轉化生長因子-β2 (transforming growth factor-β2，TGF-β2)、腫瘤壞死因子1α(tumor necrosis factor，TNF1α)、白介素-6 (Interleukin-6，IL6)、腫瘤易感基因 101 (recombinant tumor susceptibility gene 101，TSG101)、人整合素連接激酶(recombinant human integrin linked kinase 1，ILK1)和β連環蛋白(β-catenin)表達水平升高。通過蛋白質組分析發現，與常氧相比，缺氧狀態下的外泌體含有更多數量的蛋白(160 vs. 62)，表達增加的蛋白主要與上皮貼壁連接通路的重構有關。重要的是，缺氧可靶向調控雄激素非依賴性前列腺癌細胞(PC-3)粘附連接蛋白的表達。這些研究結果表明，缺氧促使前列腺癌細胞分泌包含獨特蛋白質的外泌體，后者通過靶向粘附連接分子增強侵襲性、莖干性和誘導微環境變化，從而促進PCa侵襲性生長。因此，研究缺氧微環境中的外泌體可能會開拓癌癥治療的新思路。

五、結語

綜上所述，前列腺腫瘤組織缺氧微環境的產生有利于前列腺癌細胞生存，是前列腺腫瘤細胞惡性進展關鍵性因素之一。缺氧微環境和前列腺癌細胞之間的相互作用，促進了前列腺癌細胞轉移擴散，形成了惡性循環。缺氧微環境促使前列腺癌細胞多種因子和信號通路的改變，如HIF-1、VEGF、HIF/PHF8/AR通路等。由此可見，缺氧微環境的形成對于前列腺癌尤其晚期的發生發展至關重要。了解缺氧微環境與前列腺癌細胞轉移之間的相互作用關系，有助于識別藥物干預的潛在靶點，以便抑制前列腺癌細胞的生長和轉移。