miRNAs調控乳腺癌血管生成的研究進展

盧 涵 潘 衛 張 姝 黃 健

乳腺癌(breast cancer,BC)是最常見的惡性腫瘤,也是全球女性死亡的主要原因。血管生成是一個多步驟的復雜過程,從現有的血管形成新的血管,這是癌細胞通過增殖、遷移和轉移階段從而進一步發展的關鍵步驟[1]。癌癥的特征之一是可誘導血管生成,血管生成對于為腫瘤細胞輸送氧氣和營養物質至關重要,并且在侵襲和轉移中起著至關重要的作用[2]。血管內皮生長因子家族在新血管的形成過程中扮演了重要角色,它由7種不同的亞型組成,如血管內皮生長因子-A、血管內皮生長因子-B、血管內皮生長因子-C、血管內皮生長因子-D、血管內皮生長因子-E、PIGF-1和PIGF-2[3]。此外,哺乳動物中有3個跨膜酪氨酸激酶受體家族成員:VEGFR-1、VEGFR-2和VEGFR-3,它們控制血管和淋巴管的發育[4]。

VEGFR 由多種細胞分泌,包括炎性細胞、成纖維細胞和許多癌細胞,這些細胞都因缺氧誘導因子-1α (HIF-1α)的途徑使腫瘤缺氧反應增加[5]。值得注意的是,乳腺癌中的血管生成依賴于VEGFR活性,72%～98%的BC表達VEGFR,并且BC中VEGFR-A、VEGFR-C和VEGFR-D的過度表達與不良預后相關[4]。乳腺癌細胞或腫瘤微環境產生促血管生成和抗血管生成信號,決定了血管的生成與否[6]。血管生成由促血管生成和抗血管生成刺激的平衡來維持血管穩態,血管在正常條件下保持靜止。一旦腫瘤開始生長或腫瘤抑制基因的缺失和癌基因的過度表達,都會打破這種平衡。了解控制腫瘤血管生成的機制對于開發新的癌癥治療策略是至關重要的。

一、乳腺癌與血管生成的關系

血管生成和腫瘤發生均與PI3K相關,PI3K是控制腫瘤生長、血管生成的重要信號通路[7]。PI3K途徑在致癌作用中有兩個重要的正負調節因子——PI3K和PTEN,它們在人類癌癥中起關鍵的調控作用。PTEN主要通過脂質信號中間體磷脂酰肌醇-三磷酸的去磷酸化來控制細胞核中的PI3K信號。腫瘤抑制因子PTEN抑制mTOR,促進蛋白質翻譯。有研究表明,乳腺癌中的PI3K/Akt通路可以通過PTEN的表達來抑制血管生成[7]。此外,NF-κB是由兩個多肽組成的轉錄因子。NF-κB作為一種二聚體轉錄因子,控制廣泛的生物學過程,包括免疫反應、應激反應、炎癥、B淋巴細胞發育和淋巴器官的發育[8]。NF-κB在許多惡性腫瘤中上調,并且被認為在促進腫瘤發展中起重要作用。例如,已經發現NF-κB的過表達通過上調MDA-MB-231乳腺癌細胞中VEGF的表達來促進癌癥發展和腫瘤血管生成[8]。STAT-3是一個由7種蛋白質組成的家族,它將來自活性細胞因子和生長因子受體的信號傳遞到細胞核,以控制基因轉錄[9]。在乳腺癌中,STAT3激活的基因可抑制腫瘤細胞的凋亡,刺激腫瘤細胞生長與轉移及血管生成,并抑制對腫瘤細胞的免疫反應。

二、miRNAs與腫瘤的發生、發展

微小RNA(miRNAs)是非編碼小RNA分子,具有大約22個核苷酸序列,miRNA的生物發生始于被稱為miRNA基因或基因簇的DNA序列,它們被單獨轉錄為miRNA分子或多順反子轉錄物[10]。miRNA定位于非編碼轉錄物的內含子區域或非翻譯區域(UTR)。PolⅡ是細胞核中轉錄大多數miRNA的主要RNA聚合酶。初級miRNAs轉錄物(pri-miRNAs)在被釋放到細胞質之前被加帽和多聚腺苷酸化[11]。pri-miRNA在核酸酶Drosha和其輔助因子Pasha的作用下被處理成70個核苷酸組成的pre-miRNA。RAN-GTP和exportin 5將pre-miRNA輸送到細胞質中。隨后,另一個核酸酶Dicer將其剪切產生約為22個核苷酸長度的miRNA雙鏈。這種雙鏈很快被引導進入沉默復合體(RISC)復合體中,其中一條成熟的單鏈miRNA保留在這一復合體中。成熟的miRNA結合到與其互補的mRNA的位點通過堿基配對調控基因表達。

miRNAs被描述為人類整個基因的重要調控者,因為它們具有調節mRNA表達的巨大潛力,通常與靶基因在3′-UTR結合。這導致mRNA轉錄物的降解或蛋白質翻譯抑制。miRNA表達的變化導致腫瘤表型、侵襲轉移和治療耐藥性的變化[12]。據估計,miRNAs占人類基因組的1%～5%,它直接調節30%的蛋白質編碼基因的表達[13]。一系列研究發現,miRNA編碼基因的突變或miRNA表達失調會導致廣泛的人類疾病,包括癌癥發展、血管生成、轉移和治療抗性。大量研究表明,內皮細胞中的miRNAs通過結合表面蛋白和信號通路影響細胞對血管生成刺激的反應[14]。

三、miRNAs調控血管生成

miRNAs在血管生成中發揮調節作用,對腫瘤的生長和轉移至關重要。近年來研究顯示,miRNA表達的上調和下調可能有助于腫瘤血管生成[15]。一些研究表明,miRNAs可以通過腫瘤血管生成過程中的遺傳和表觀遺傳變化來調節內皮細胞的功能[16]。血管生成因子由內皮細胞miRNAs調節,因為它們靶向許多生長因子受體和信號分子,能夠攜帶各種生物分子并介導細胞間通訊在血管生成中起著關鍵作用。外泌體介導的miRNAs信號轉導在BC從初始到癌癥擴散的各個階段中的作用越來越清晰。此外,許多miRNAs是檢測抗血管生成治療反應的預測指標,特別是用作非侵入性生物學標志物。由于RNA傳遞技術的深入研究發現基于miRNA的治療可以用作抑制腫瘤血管生成的新治療方法。血管miRNAs以兩種方式起作用,第一種通過靶向血管生成的負性調節因子并因此誘導血管生成,另一種是通過靶向血管生成的正性調節因子并因此抑制血管生成。在這些研究中,闡明了參與BC血管生成的miRNA調節的信號通路、抗血管生成治療以及已用于抑制體內外血管生成的miRNA傳遞方法。

四、miRNAs參與乳腺癌中血管生成的信號通路

多種miRNAs控制不同類型的血管內皮生長因子的表達,血管生成依賴于支持腫瘤生長和擴散的VEGF表達的增加。在動物和細胞系中的研究發現,敲除miRNA合成中的兩種關鍵酶(Dicer和Drosha),miRNA對血管生成有抑制或者促進作用。在乳腺癌中,miRNA-126通過靶向VEGF和PIK3R2在癌癥的血管生成中起重要作用,此外,已發現MCF-7細胞中miR-126的過表達通過抑制VEGF/PI3K/Akt信號通路來減少癌癥發展和腫瘤血管生成[17]。miR-204是也一種抗血管生成的miRNA,已被證明對乳腺癌有相關作用,乳腺癌細胞中的腫瘤抑制是通過靶向PI3K/Akt信號通路產生的miR-204來介導的,上述通路可抑制對腫瘤的增殖和轉移[18]。此外,miR-204的表達顯示出降低血管內皮生長因子水平和減少毛細血管的分支數量。

HIF是一種轉錄因子,對缺氧環境比較敏感。在癌癥和疾病進展中,HIF上調是血管生成過程所必需的。有許多促血管生成分子,它們通過HIF-1α與其各自的啟動子結合而被轉錄激活,HIF-1α可以附著在VEGFR1和VEGF基因啟動子的HRE位點,導致VEGFR1和VEGF基因的轉錄[19]。在這方面發現了關于乳腺癌靶向HIF信號通路的血管miRNAs,如miR-21是一種缺氧誘導的miRNA,參與了BC患者的癌癥發展、血管生成和VEGF信號的刺激。Wu等[19]揭示了在BC細胞系中miR-497的上調導致VEGF和HIF-1蛋白的減少。除此之外,miR-497的穩定轉染降低了體內血管生成。此外,他們還建議miR-497可以作為一種新的通過抑制促血管生成分子(VEGF和HIF-1α)治療乳腺癌的方法。

五、miRNA靶向乳腺癌血管生成的新療法

miRNAs具有多種影響癌癥發生、侵襲和轉移的作用,將miRNA模擬物或拮抗劑傳遞至內皮細胞或腫瘤細胞的價值得到了制藥工業的認可。BC微環境中一個重要的免疫因素是腫瘤相關巨噬細胞(TAM)。當循環單核細胞到達腫瘤部位時它們形成TAMs,TAMs具有促進腫瘤發展、血管形成、轉移和耐藥性的能力。一些研究發現,miRNAs可以通過調節腫瘤微環境中巨噬細胞來影響免疫系統的反應[20]。例如,miR-19a-3p水平的增加通過減少FRA1/STAT3信號轉導和減少BC細胞遷移和侵襲來抑制M2表型。在體內乳腺癌模型中,研究人員還發現miR-19a-3p通過調節TAM抑制轉移潛能[21]。

研究發現,miRNAs為新的癌癥免疫治療策略打開了閘門。腫瘤抑制因子miRNA的miRNA替代療法包括小分子增強劑、miRNA模擬物和病毒載體。已經探索了用納米顆粒傳遞以保護miRNAs免于血清核酸酶降解的方法,包括病毒和非病毒納米顆粒遞送方法,最常見的納米顆粒是環狀精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(cRGD)。與病毒給藥比較,非病毒給藥具有安全性優勢,可避免產生有害的免疫反應。通過中性脂質體小干擾RNA遞送的EphA2基因靶向治療已在動物模型中得到證實。上述技術還應用于在許多癌癥如乳腺癌、肺癌和腎癌的臨床前模型中,如使用miR-200和miR-520d抑制體內腫瘤血管生成。將正確的拮抗劑或miRNA模擬物遞送到靶細胞中是將miRNA轉化為藥物的一種有效途徑,而腫瘤內皮細胞被用作體內遞送miRNA的靶標。已知腫瘤內皮細胞可與一些腫瘤細胞表達整合素αvβ5、αvβ3和cRGD結合,既往研究發現,miRNA-132拮抗劑、miR-296拮抗劑和miR-7模擬物在小鼠中使用cRGD修飾的納米顆粒傳遞系統具有強烈的抗血管生成和抗腫瘤作用,通過靶向miRNA分子提供了一種新的癌癥治療方法[22]。類似地,使用具有APRPG肽基序的miRNA摻入納米顆粒,獲得了抗血管生成特性,因為APRPG對VEGFR-1具有高親和力,miRNA納米顆粒和一些癌細胞過度表達APRPG的VEGFR-1蛋白結合。

六、展 望

miRNAs在腫瘤血管生成中的調控作用研究取得了重大進展。盡管存在一些挑戰,但在不久的將來,miRNA作為抗血管生成療法的新型標志物和發揮抗腫瘤血管生成功能的研究策略將得到更實際的應用。靶向多種抗血管生成途徑可以增強抗癌功效,因為單個miRNA可能影響許多mRNA的表達,所以miRNA在腫瘤血管生成的治療中發揮了顯著的治療潛力。癌癥和正常組織都具有血管生成的內皮細胞,因此,為了準確識別它們的生物學標志物,有必要找到能夠區分這兩種細胞類型的miRNAs,以此獲得更精確的治療效果,并且減少不良反應。此外,尋找將miRNA傳遞到體內靶細胞的策略對于開發基于miRNA的治療方法至關重要。雖然已經研發了幾種技術,但體內有效的遞送策略仍然有限。此外,全身注射后的劑量依賴性毒性限制了臨床應用的發展。但一項研究發現,正常細胞產生的外泌體成纖維細胞樣間充質細胞在傳遞RNA干擾以抑制體內腫瘤胰腺細胞生長方面具有優勢,同時與體外合成的納米顆粒比較,還表現出較少量的毒性不良反應[23]。正如在體內模型中發現的,在注射成纖維細胞衍生的外泌體的小鼠中,具有高CD47表達的腫瘤細胞不能發育,上述外泌體通過靶向致癌KRAS遞送減少胰腺癌中腫瘤生長的miRNAs。這項工作揭示了外泌體攜帶基于miRNA的藥物用于醫療用途的能力。

雖然外泌體已被證明能有效靶向腫瘤細胞和內皮細胞中特定的血管生成相關miRNAs,但使用這種方法時必須考慮許多因素。通過檢測miRNA表達水平揭示腫瘤相關新生血管調控的方法,可能會進一步幫助我們理解腫瘤血管生成、血管生成信號通路、miRNA靶向技術的進展可能以及提供基于miRNA的治療前景,筆者將進一步了解miRNA作為治療腫瘤血管生成和用作預測性生物學標志物的能力。然而,關于miRNAs在乳腺癌血管生成中的作用的臨床研究是有限的,需要進一步的研究來確定調節乳腺癌患者血管生成的新治療靶點。