乏氧诱导因子相关研究进展

·综述与讲座·

乏氧诱导因子相关研究进展

梁毅综述朱琳燕罗鹏程审校

作者单位：435000 湖北省黄石市中心医院(湖北理工学院附属医院)(梁毅，朱琳燕，罗鹏程)；435000 肾脏疾病发生与干预湖北省重点实验室(罗鹏程)

关键词：乏氧诱导因子；放射敏感性；肿瘤乏氧

基金项目：湖北省自然科学基金 (编号：2013CFC060)

通讯作者：朱琳燕

DOI：10.3969/j.issn.1001-5930.2015.10.044

中图分类号：R730.2

文章编号：1001-5930(2015)10-1573-02

收稿日期(2014-12-10修回日期 2015-03-25)

肿瘤细胞的放化疗敏感性除了与肿瘤细胞的类型、恶性程度等有关外，还与肿瘤细胞的供氧及代谢状况有关。实体肿瘤在其生长过程中会产生一定程度的乏氧区域，肿瘤乏氧的存在可导致其侵袭性增强，同时可诱导肿瘤对化放疗产生抗拒，临床研究也显示高度乏氧肿瘤患者的局控率和远期生存率也较低。已有大量研究证实，肿瘤细胞的供血、供氧越好，代谢越旺盛，对放射线越敏感；反之，供血、供氧差的细胞(乏氧细胞)对放射线的敏感性较差。由于肿瘤新生血管的生长速度相对滞后于肿瘤细胞的分裂速度，因此造成较大实体瘤内部相当数量的乏氧细胞，使肿瘤的放疗敏感性大大降低。最近的研究表明缺氧能使肿瘤细胞的一些基因和蛋白表达发生改变，如氧调节蛋白、VEGF、促红细胞生成素、p53 和血小板源性生长因子β等[1]。它们的变化使肿瘤细胞在适应乏氧微环境的同时，引起肿瘤自身的侵袭性增加和对放射治疗的抗拒性增加，在这个过程中乏氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)起着中枢纽带作用[2]。目前已有多项研究表明HIF-1α在许多恶性肿瘤中高表达，HIF-1α的表达与肿瘤的放疗敏感性密切相关，调节其细胞生物学行为，并与这些肿瘤的发生、血管生成、分级、侵袭和转移密切相关，并影响大部分恶性肿瘤的预后，可作为判断恶性程度及预后的指标[3-6]。

1HIF-1α结构与功能

HIF-1是1992年Semenzat在缺氧的肝细胞癌细胞株Hep3B细胞的核提取物中发现的一种核转录因子，特异性地结合于红细胞生成素(EPO)基因的缺氧元件，由HIF-1α和HIF-1β 2个亚单位组成，其生物学活性主要由HIF-1α亚基的表达和活性决定。HIF-1α受缺氧的调节，在含氧量正常的条件下HIF-1α被羟基化，而与泛肽链接酶复合物的成分V蛋白相结合，最终导致其泛肽化而降解失去活性。在缺氧条件下，HIF-1α的羟基化被抑制从而稳定。主要表现为乏氧时HIF-1α在蛋白水平上的表达增加；而在富氧时降解增加，导致蛋白水平表达下降。参与启动与肿瘤适应缺氧有关的多种基因的转录，如维持肿瘤细胞的能量代谢、促进新生血管形成、促进肿瘤的增殖和转移。HIF-1α所调控的下游基因超过100种，主要参与肿瘤细胞的能量代谢，肿瘤的发生、血管生成、放化疗抗拒，肿瘤侵袭和转移。

2HIF-1α与肿瘤放化疗敏感性与预后

近年来，已有研究表明 HIF-1α 在鼻咽癌、肝癌、乳腺癌、结肠癌、宫颈癌、膀胱肿瘤等多种肿瘤组织中有过度表达并调节其细胞生物学行为，其高表达与低放射敏感性相关，并与这些肿瘤的发生、血管生成、分级、侵袭和转移密切相关，并影响大部分恶性肿瘤的预后。Bachtiary[7]研究发现 HIF-1α过度表达影响宫颈癌放疗的敏感性及预后。Moller 等[8]证实在乏氧条件下培养的肿瘤细胞的放射抗拒性是常氧状态的3倍。Fan 等[9-10]研究发现，肿瘤分期越晚，HIF-1α 表达越高，且越是发生转移的肿瘤组织，HIF-1α的表达率就越高。Aebersold等[11]对98例接受根治性放疗的口咽癌患者原发灶的HIF-1α进行了多因素分析，发现HIF-1α表达与局部控制率、无复发生存率(RR=2.15，P=0.006)、无瘤生存率(RR=2.01，P=0.008)及总生存率(RR=2.17，P=0.002)呈明显负相关。莫立根等研究发现：NPC组织中HIF-1α表达率为56.71%。HIF-1α表达与鼻咽癌的NPC分期、颈淋巴结转移、3年生存率、远处转移及复发具有相关性[12]。Beasley 等[13]通过对20 例头颈部鳞癌组织标本和正常组织标本的研究表明，HIF-1α是细胞调节乏氧反应的核心因子，其过表达常与头颈部肿瘤较低的远期生存率和无病进展生存率相关。

3HIF-1α 影响放化疗敏感性的机制

3.1HIF-1α促进肿瘤新生血管形成

肿瘤细胞在缺氧条件下，HIF-1α的羟基化被抑制，HIF-1α在蛋白水平上的表达增加。HIF-1α是缺氧状态下血管生成的核心调控因子，通过影响其它生长因子的表达，而直接参与血管生成的全过程[14]。但肿瘤新生微血管的结构与正常组织显著不同，结构异常，使得肿瘤新生血管的生长速度相对滞后于肿瘤细胞的分裂速度，导致血流迟缓，供氧不足，进一步加重肿瘤内乏氧，使得肿瘤细胞放化疗的敏感性降低。

HIF-1α的激活进而调控一系列血管因子促进肿瘤血管生成，比如氧调节蛋白、VEGF、促红细胞生成素、p53 和血小板源性生长因子β等等[1]。血管内皮生长因子(VEGF)是 HIF-1α重要的下游靶基因之一，是刺激肿瘤血管生成最重要的因子。HIF-1α主要通过以下途径促进肿瘤血管生成，①在乏氧情况下，HIF-1α上调 VEGF基因转录活性，使VEGF蛋白增加，通过与血管内皮细胞上的同源受体 VEGFR-1、VEGFR-2、神经黏蛋白1(NP)1 等结合，增加血管通透性，加强内皮细胞葡萄糖转运，抑制血管平滑肌增殖与迁移；同时多种细胞因子及蛋白外渗，外渗蛋白凝结成纤维凝胶，为其他细胞移动侵入提供暂时的基质成分，最终转化为血管化的连接组织，形成新的肿瘤血管[15]。②HIF-1α 通过上调SDF-1 和VEGF的表达，动员和募集循环中的造血细胞和内皮祖细胞等生成血管细胞迁移至血管发生部位，促进肿瘤血管形成[16-17]。

3.2HIF-1α维持肿瘤细胞能量代谢

肿瘤乏氧是氧供需失衡的结果，供氧主要取决于肿瘤组织血流灌注，而耗氧主要取决于肿瘤组织的呼吸运动和乏氧细胞密度。乏氧状态下，HIF-1α仅通过上调葡萄糖转运体和糖酵解催化酶的表达，增加ATP的供给[18]。细胞通过氧化磷酸化、糖酵解等代谢过程合成ATP，同时伴随产生电子，经电子传递链顺序传递至O2，最终生成水。在该过程的任何一步中，电子过早地与O2，结合就可导致大量活性氧(ROS)的生成。ROS是一类分子组成上含有氧且化学性质比氧活泼的氧原子或原子团，由含氧自由基和易于形成自由基的过氧化物组成。生理状态下，细胞产生的ROS在不断产生及清除中保持氧化一还原系统稳态，但当氧浓度上升或下降时ROS 大量生成[19]，过多的ROS氧化了脯氨酸和天冬氨酸催化中心的二价铁，导致HIF-1α降解减少，抑制细胞氧化磷酸化，从而降低ROS水平；而射线发挥其辐射效应是通过与细胞中的水相互作用，产生大量ROS，与靶分子结合形成不可逆的ROOH，启动一系列事件最终导致细胞损伤或死亡。HIF-1α的激活降低了肿瘤细胞内ROS 水平，减少了对肿瘤细胞造成的损伤，导致放射敏感性降低[20]。

4HIF-1α的临床应用研究

HIF-1α介导肿瘤细胞导致放化疗抵抗，使肿瘤细胞更具有侵袭性，更容易发生远处转移，从而导致治疗失败。HIF-1α的诸多特性使得HIF-1α成为抗癌的主要靶点，利用其对肿瘤放射敏感性的影响机制，通过调控HIF-1α本身和其调控的下游基因，提高肿瘤的放射敏感性。首先，通过直接抑制HIF-1α，阻断其下游效应。Kessler等利用siRNA技术抑制HIF-1α，发现在乏氧情况下可以显著降低人恶性胶质瘤细胞株U251MG和U343MG的放射抗拒性[21]。Palayoor等研究发现PX-478可以抑制人前列腺癌细胞株PC-3 的 HIF-1α水平，在正常氧含量和乏氧情况下都能增强放射敏感性，增强因子分别为1.4 和1.56[22]。其次，通过阻断 HIF-1α下游的血管源性生成因子对肿瘤血管的保护作用，提高放射敏感性。目前临床上应用恩度(重组人血管内皮抑素)联合放疗提高肿瘤细胞的放射敏感性，其机理为主要通过阻断内皮细胞上的VEGFR-2 酪氨酸激酶磷酸化来发挥抗血管生成作用，使得肿瘤细胞VEGFR-2减少，增敏肿瘤血管内皮细胞，诱导肿瘤血管正常化，从而改善肿瘤组织乏氧，提高放疗敏感性。抗VEGF的单克隆抗体贝伐单抗联合放疗治疗宫颈癌、鼻咽癌的初步结果提示该法治疗安全，可行。目前成功应用于临床的 HIF-1α活性抑制剂有以Her-2 为靶点的曲妥珠单抗，治疗慢性细胞白血病的伊马替尼。

综上所述，肿瘤血管和功能的缺陷导致肿瘤乏氧，进而影响放化疗的疗效。因此血管正常化，改善肿瘤组织乏氧，可以提高肿瘤细胞放化疗疗效。在肿瘤细胞乏氧环境中起关键调控作用的是 HIF-1α。抑制HIF-1α和(或)其下游基因可以提高肿瘤放射敏感性，增强放疗疗效。随着对乏氧诱导因子研究的深入，相信以 HIF-1α为靶点抑制 HIF-1α的表达和(或)转录激活活性，从而抑制靶基因的表达，遏制肿瘤细胞的能量代谢和肿瘤血管生成，将可能成为抗肿瘤侵袭和转移治疗的重要手段之一。为了更好地应用于临床，HIF-1α影响放化疗敏感性的机制仍需进行研究，并对以HIF-1α和(或)其调控的下游基因为靶点的药物进行进一步探索。

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(编辑：甘艳)