高氧對腫瘤細胞生物學特性影響的研究進展

李琴山，楊瀚林，楊 娟，李夢醒，陳志華

（1.貴州醫科大學附屬醫院 貴州省產前診斷中心，貴州 550004；2.貴州醫科大學 醫學檢驗學院，貴州 550004；3.貴州醫科大學附屬醫院，貴州 550004；4.中日友好醫院臨床醫學研究所，北京 100029）

惡性腫瘤是世界性衛生難題，全球每年由惡性腫瘤導致的死亡病例約960 萬例[1]，我國約229.6 萬例[2]，因此，探討惡性腫瘤的發病機制，探尋腫瘤治療的新方法，已經成為腫瘤生物學家的首要任務。氧是人類賴以生存的重要物質，在機體各種生理過程中發揮重要作用。高氧常用于缺氧/缺血性疾病治療，也是急診常用治療手段之一[3]。但高氧會誘導細胞合成大量活性氧 （reactive oxygen species，ROS），破壞細胞氧化還原穩態，對細胞造成損傷，發生高氧血癥、免疫功能障礙，對患者肺、腦、心、腎、眼等器官產生毒性，導致死亡率上升[4]。近年來研究發現，高氧對腫瘤細胞具有負性調控作用，可能成為腫瘤治療的新靶點。本文就高氧對腫瘤細胞凋亡、細胞免疫逃逸、腫瘤細胞干性及治療敏感性方面進行綜述。

1 氧氣與腫瘤細胞

人體正常組織氧濃度大多處于3.4%～6.8%[5]，氧濃度≤2%被定義為組織缺氧。腫瘤細胞因處于高代謝、快速增殖的狀態，其對氧氣的消耗量遠大于周圍間質血管的供應。大多數腫瘤組織的氧濃度處于0.3%～1.8%[5]。研究發現，高氧（常壓下氧濃度＞21%）可促進腫瘤細胞發生凋亡、抑制腫瘤細胞侵襲/遷移能力、抑制腫瘤細胞發生免疫抑制，高氧對腫瘤治療具有重要臨床意義[6，7]。

2 高氧促進腫瘤細胞凋亡

凋亡是細胞程序性死亡的過程，對清除衰老細胞，維持機體正常功能起非常重要的作用。但在環境、遺傳等多因素作用下，腫瘤細胞常表現出增殖失控、凋亡失衡的生物學特性。靶向腫瘤細胞發生凋亡，抑制其增殖，一直是腫瘤學研究的熱點。研究指出，高氧可促進腫瘤細胞發生凋亡，對腫瘤治療具有重要意義。Stuhr 等發現[8]，在神經膠質瘤模型中，100% O2顯著抑制腫瘤生長，高氧治療后，腫瘤中心平均血管密度降低，且腫瘤血管直徑也顯著減少；在二甲基苯蒽誘導的大鼠乳腺癌模型中，100% O2可顯著降低腫瘤平均血管密度，并增加了乳腺癌細胞的凋亡率。Wang 等[9]將CD133+CD15+NESTIN+膠質瘤干細胞分別培養于1%、21%、95% O2條件下，發現腫瘤細胞的凋亡水平表現出差異。在1%O2、21% O2條件下，腫瘤細胞凋亡水平較低；而處于95% O2條件下的腫瘤細胞凋亡水平高，提示此氧濃度能促進細胞凋亡；Kim 等[6]以95% O2處理肺癌細胞后，細胞活力、集落形成能力、遷移和侵襲能力均降低；但是以上述高濃度氧氣處理正常組織細胞后，正常組織細胞的細胞活力等沒有受到顯著影響，高氧可能通過促進細胞產生大量ROS 而促進腫瘤細胞凋亡。Lee 等[6]還發現，以前述高濃度氧氣處理腫瘤細胞后，其細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）磷酸化水平下降，c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）磷酸化水平上升，提示高氧可能通過JNK/ERK 信號通路促進腫瘤細胞凋亡。同時，與未經過前述高濃度氧氣處理的腫瘤細胞相比，高氧處理后的腫瘤細胞停滯于G0/G1 期的比例顯著降低。

3 高氧抑制腫瘤細胞免疫逃逸

腫瘤免疫逃逸是腫瘤細胞通過喪失抗原性、喪失免疫原性、通過腫瘤微環境發揮作用[10，11]等機制逃逸機體免疫系統的識別、殺傷，使腫瘤細胞在體內迅速增殖、轉移。如何抑制腫瘤細胞發生免疫逃逸，一直是學者關注的重點。

研究發現，高氧可抑制腫瘤細胞發生免疫逃逸。Sethumadhavan 等[12]發現，給予60% O2治療后，可促進腫瘤細胞重新表達MHC、TAP2、LPM2、LMP7 等免疫系統抗原呈遞關鍵物質，使腫瘤細胞可被免疫系統識別、殺傷，抑制其發生免疫逃逸。Hatfield 等[13]發現，60% O2可緩解腫瘤微環境的缺氧狀態，降低細胞外腺苷濃度，緩解腺苷對腫瘤T 細胞的抑制作用。同時，前述氧濃度可促進CD8+T 細胞向腫瘤細胞浸潤，促進CD8+T 細胞對腫瘤發揮殺傷作用；促進調節性T 細胞表達，抑制腫瘤發生免疫逃逸；促進腫瘤細胞表達促炎細胞因子，抑制TGF-β 等免疫抑制分子的表達。

4 高氧抑制腫瘤細胞干性

腫瘤干細胞是一類具有自我更新、多向分化、致瘤性強、常對多種治療藥物耐藥的惡性腫瘤細胞群體，在腫瘤復發、放/化療抵抗中起重要作用[14]。如何靶向治療腫瘤干細胞，以期徹底根治腫瘤，成為了學者研究的重要問題。研究發現，高氧可以抑制腫瘤細胞干性，發揮治療作用。Wang 等[6]發現，給予95% O2可抑制膠質瘤干細胞表達CD133、CD15、NESTIN 等干細胞標志物，并促進分化標志物GFAP 表達，促進膠質瘤干細胞分化；此高濃度氧氣還可通過抑制膠質瘤干細胞中ATP 結合盒（ABC）轉運蛋白G2、O6- 甲基鳥嘌呤-DNA 甲基轉移酶（MGMT）等化療抗性相關蛋白的表達，提高膠質瘤細胞對替莫唑胺（TMZ）的敏感性。在結腸癌模型中，Wang 等[15]發現，予以60% O2治療可抑制粒細胞髓樣抑制細胞（G-MDSCs）分泌外泌體，抑制其通過缺氧誘導因子1 （HIF-1α）依賴途徑促進結腸癌細胞獲得干性。

5 高氧提高腫瘤細胞對放療、化療的敏感性

放療、化療和手術是目前最常用、最有效的腫瘤治療手段。但放/化療易導致免疫功能低下、消化系統毒性反應、肝腎功能毒性反應、心臟功能毒性反應、骨髓抑制等副作用，且部分腫瘤細胞可通過DNA 損傷、缺氧腫瘤微環境調節、細胞周期阻滯、表達ATP 結合盒轉運體蛋白等多種機制對放/化療產生抵抗，逃逸藥物殺傷[16]。因此，改善腫瘤放/化療抵抗具有重要臨床意義。

高氧可提高腫瘤細胞放療敏感性，提高放療對腫瘤的治療效果。Clarke 等[17]研究發現，與單獨使用放療相比，放療前給予100% O2處理后，可顯著提高放療對膠質母細胞瘤殺傷作用，表明高氧提高了腫瘤對放療的敏感性。Yahara 等[18]發現，對膠質母細胞瘤患者給予增強放療（intensity-modulated radiotherapy，IMRT）+100% O2治 療后，患者2年平均生存率達到22.1 個月，高于膠質母細胞瘤常規療法患者的2年平均生存率14.6 個月，提示高氧提高了放療對腫瘤的殺傷作用，并提高了患者生存率。Tao等[19]發現，在已發生腦轉移的腫瘤患者中，100% O2+放療的有效率（95.3%）顯著高于單純放療的有效率（67.4%）。高氧治療后顯著降低了患者骨橋蛋白（osteopontin，OPN）、基質金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）的表達，高氧可抑制OPN、MMP-9 表達、提高腫瘤對化療敏感性。

高氧也可改善腫瘤細胞化療抵抗情況：Lee 等[20]發現，40% O2可促進多形膠質母細胞瘤發生未折疊蛋白反應，提高多形膠質母細胞瘤細胞對替莫唑胺的敏感性；Mast 等[21]發現，與單獨使用紫杉醇治療相比，100%O2+紫杉醇聯合治療可顯著降低三陰性乳腺癌模型裸鼠的腫瘤增長速度，提示高氧提高了三陰性乳腺癌細胞對紫杉醇的敏感性。Ohguri 等[22]發現，在自發性小鼠鱗狀細胞癌模型中，與單獨使用卡鉑治療相比，100% O2+卡帕聯合治療明顯抑制了腫瘤增殖，提示高氧降低了腫瘤細胞對卡鉑的耐藥性。Wu 等發現[23]，在肝癌模型裸鼠中，與僅使用多柔比星治療相比，97% O2+多柔比星聯合治療顯著抑制了腫瘤增殖，同時還抑制了腫瘤中I 型膠原蛋白和結締組織生長因子的表達，減少腫瘤ECM 中膠原沉積，輔助化療藥物到達腫瘤組織。高氧+多柔比星聯合治療還可以調節細胞周期阻滯，減少停滯于G0/G1 期的腫瘤細胞數量，提高腫瘤細胞對化療藥物敏感性。

6展望

高氧對機體是一把 “雙刃劍”，在治療中需要謹慎使用。例如，2018年發表于Lancet 的一篇回顧性研究指出[24]，對于血氧飽和度正常的患者，給予不必要的高氧治療患者死亡率增加；Ruggiu 研究也指出[25]，高氧治療一定程度上也可能增加了ICU 患者的死亡率。腫瘤細胞中，高氧誘導產生大量ROS 并對腫瘤發揮殺傷作用，抑制腫瘤細胞增殖，通過提高腫瘤細胞ROS 水平而發揮抗癌作用的藥物已用于臨床治療[26]。目前已發現，高氧對腫瘤細胞干性、免疫逃逸、化療抵抗、凋亡逃逸等多方面產生了抑制作用，但高氧在腫瘤中產生的影響還有很多問題亟待解決：它是否還通過其他機制影響腫瘤細胞增殖； 在特定高氧濃度下，是否可以促進腫瘤細胞增殖發育；在不損傷正常細胞的前提下，如何選擇合適的氧濃度治療腫瘤等。在腫瘤發生及防治中，高氧的研究將成為新的熱點和方向。