連烜曄，崔晶

山東大學附屬千佛山醫(yī)院病理科，濟南2500140

1 腫瘤與低氧的關(guān)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(huán)境。低氧是許多實體腫瘤的共同特點，腫瘤的發(fā)生伴隨微環(huán)境中氧含量的下降。在低氧微環(huán)境中腫瘤細胞會產(chǎn)生一系列的生物學變化。低氧可以誘導腫瘤細胞代謝發(fā)生適應性改變，如從氧化磷酸化轉(zhuǎn)換為糖酵解，增加了糖原的合成；從葡萄糖轉(zhuǎn)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(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）；從多方面影響腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移，誘導細胞衰老和凋亡。同時，低氧也會影響腫瘤微環(huán)境中的其他方面，如誘導內(nèi)皮細胞在代謝方式和分子層面上發(fā)生變化，增加促血管生成因子的表達，促進血管生成；調(diào)節(jié)炎性介質(zhì)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(nèi)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(zhuǎn)運和局部炎性反應[1]。

2 與腫瘤、低氧相關(guān)的信號通路

低氧可誘導許多復雜的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)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(guān)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(huán)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(huán)境中腫瘤細胞的葡萄糖代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У奶墙徒?，以保證能量的產(chǎn)生（瓦博格效應），還可以促進血管內(nèi)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(diào)控。氧依賴情況下，調(diào)控途徑有兩條。一是調(diào)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(jié)構(gòu)域（oxygen dependent degradation domain，ODDD）為基礎(chǔ)。二是抑制HIF-1α的轉(zhuǎn)錄、激活。HIF-1α的C-終端反式激活結(jié)構(gòu)域（C-terminal transactivation domain，C-TAD）與共激活分子CREB結(jié)合蛋白（CREB binding protein，CBP）/p300協(xié)同結(jié)合啟動HIF-1α的靶基因的轉(zhuǎn)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(diào)HIF-1α蛋白的表達。PI3K通過目的蛋白AKT和下游的MTOR調(diào)節(jié)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(jié)合蛋白1（eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 1，EIF4EBP1）的結(jié)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(zhuǎn)PI3K產(chǎn)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(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）級聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)錄活化功能。在正常氧條件下，HIF-1α與p53蛋白結(jié)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(jié)合，導致HIF-1α蛋白結(jié)構(gòu)的構(gòu)象發(fā)生變化，從而啟動轉(zhuǎn)錄。此外，HSP90可穩(wěn)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(huán)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(lián)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(shù)腫瘤細胞中處于高活性狀態(tài)，也正是因為這條通路的激活，促進了腫瘤細胞的增殖、轉(zhuǎn)移和侵襲。MAPK信號通路可以通過調(diào)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(diào)節(jié)許多轉(zhuǎn)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(nèi)皮PAS區(qū)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(guān)重要，并主要通過下游轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化來發(fā)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(diào)節(jié)細胞增殖和生存。同時，NF-κB也可以調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞存活和血管生成的關(guān)鍵介質(zhì)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(nèi)皮細胞存活，并且可以促進腫瘤細胞轉(zhuǎn)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(lǐng)域。

3 低氧微環(huán)境與腫瘤轉(zhuǎn)移的關(guān)系

3.1 血管生成

血管生成在腫瘤進展中起關(guān)鍵作用，是組織侵襲和轉(zhuǎn)移所必須經(jīng)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(huán)境。低氧微環(huán)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(diào)控VEGF，參與血管形成的所有步驟[11]。低氧微環(huán)境和HIF-1α有助于從骨髓中募集內(nèi)皮祖細胞（endothelial progenitor cell，EPC），并且通過調(diào)節(jié)VEGF促進EPC分化為內(nèi)皮細胞。這個過程也可以由促血管生成因子介導，如血管內(nèi)皮生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2；又稱為fetal liver kinase-1，F(xiàn)LK-1）。VEGFR2通過激活誘導“內(nèi)皮尖細胞”（即芽的前導細胞）轉(zhuǎn)移，導致多種調(diào)節(jié)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(zhuǎn)導通路包括RAS/MAPK/ERK、黏著斑激酶（focal adhesion kinase，F(xiàn)AK）/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(nèi)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(nèi)皮細胞上的Notch受體結(jié)合，導致轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)物Notch在細胞內(nèi)過表達。Notch通過下調(diào)VEGFR2和神經(jīng)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(nèi)皮細胞來促進血管生成和轉(zhuǎn)移，從而增強內(nèi)皮細胞的轉(zhuǎn)移活性。低氧微環(huán)境和HIF-α也可以通過誘導酶的表達，如基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），促進新生血管的分離和內(nèi)皮細胞的轉(zhuǎn)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(nèi)皮細胞中MMP活性顯著提高[13]。最后，低氧微環(huán)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(zhuǎn)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(wěn)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(zhuǎn)移、侵襲、細胞凋亡的抵抗和細胞外基質(zhì)降解的過程。低氧微環(huán)境通過上調(diào)與EMT相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子或者抑制因子來激活與EMT有關(guān)的信號通路，從而誘發(fā)EMT。低氧微環(huán)境和HIF的過度表達足以誘導EMT發(fā)生并促進腫瘤細胞的侵襲[15]。HIF在調(diào)節(jié)關(guān)鍵的EMT轉(zhuǎn)錄因子如E盒結(jié)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(fā)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(huán)氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）和尿激酶受體的上調(diào)也有助于EMT的發(fā)生和增強乳腺癌細胞的侵襲能力[21]。低氧也可以通過調(diào)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(diào)節(jié)EMT，從而增強腫瘤細胞在低氧微環(huán)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(nèi)肽酶家族，能夠降解細胞外基質(zhì)蛋白以促進腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[24]。迄今為止，已經(jīng)鑒定了該家族的26個成員，其中MMP2、MMP9與腫瘤的侵襲有關(guān)。Osinsky等[25]研究顯示，原發(fā)腫瘤的生長明顯伴隨著低氧微環(huán)境的惡化，腫瘤低氧微環(huán)境的惡化與原發(fā)腫瘤細胞的MMP2、MMP9表達活性呈正相關(guān)。在低氧微環(huán)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(jié)果也顯示，在低氧微環(huán)境中肺泡橫紋肌肉瘤細胞的MMP9表達上調(diào)。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(zhì)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(huán)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(diào)節(jié)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(fā)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(jié)果不能讓人滿意[29]。但是可以通過干預低氧微環(huán)境相關(guān)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。