肿瘤血管生成拟态与HIF-1α信号通路的相关研究进展

2017-12-20许成勇综述窦永起审校

武警医学 2017年11期

许成勇综述窦永起审校

许成勇综述窦永起审校

肿瘤；血管生成拟态；信号通路；HIF-1α

恶性肿瘤的存活和生长需要提供充足有效的血液供应，除了早已成为共识的血管发生和血管生成理论外，在一些恶性肿瘤中均发现血管生成存在拟态(vasculogenic mimicry，VM)模式，而缺氧能够增加肿瘤细胞可塑性，有利于VM 形成。缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)是缺氧反应的主要调节器，诱导大量调节缺氧的关键因子表达[1]。在VM发生过程中，缺氧诱导的HIF-1α相关通路激活能够启动肿瘤细胞血管生成的信号级联反应。目前已有不少抗肿瘤血管生成药物的研发集中在HIF-1α相关通路环节，成为探索新的靶向药物突破点之一。笔者就近年来肿瘤血管生成拟态与HIF-1α相关信号因子的研究进展进行综述。

1 肿瘤血管生成拟态与HIF-1α信号通路

Maniotis等[2]在皮肤恶性黑色素瘤中发现，一种与不依赖血管内皮细胞形成管腔的血液供应方式，即由肿瘤细胞互相连接、细胞外基质内衬而形成管网状结构,并证实在部分管网状结构中存在红细胞,提示该结构具有为肿瘤组织供血的功能，该种血管生成模式被称为“血管生成拟态”(vasculogenic mimicry，VM)。后续研究者在其他恶性肿瘤细胞，诸如卵巢癌、肝癌、肉瘤和神经胶质瘤中也发现与内皮细胞相似的网格状管腔结构，其原因可能与恶性肿瘤细胞分化差、多能性高、更能够模拟血管内皮细胞相应的功能相关[3]。肿瘤VM信号传导通路模型中，缺氧是关键“启动开关”，而缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor, HIF)是最重要的缺氧应激因子，其活性主要由HIF-1α亚基决定，在缺氧时HIF-1α的泛素化受到抑制，导致其在细胞内蓄积，继而引起系列反应，激活HIF-1α信号通路，诱导肿瘤血管生成机制中相关因子的表达，启动肿瘤细胞内部血管生成的信号级联反应[4]。缺血、缺氧的微环境能够提高肿瘤细胞的可塑性，并通过 HIF-1α/低氧反应元件(HIF-1α/HRE)引发HIF-1α信号通路的激活，造成血管生成促进因子与血管生成抑制因子表达失衡，使肿瘤细胞表型发生内皮转化，肿瘤血管开始形成[5,6]。

2 HIF-1α相关信号因子与肿瘤血管生成

2.1 PI3K/Akt/mTOR、NF-κB、Wnt/β-catenin与 HIF-1α 雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是PI3K/Akt 的下游底物, PI3K/Akt/mTOR是调控细胞内HIF-1α表达的一条重要信号途径。PI3K/Akt/ mTOR信号通路可通过磷酸化真核细胞启动因子4E结合蛋白调节HIF-1α的翻译过程，增加其蛋白合成，进而肿瘤新生血管的生成[7]。亦有研究认为，mTOR通过mTOR/HIF-1α/VEGF轴线，促进蛋白质合成、血管新生、调节凋亡及自噬等[8]。核因子-κB(Nuclear Factor-κB，NF-κB)通过上调HIF-1α的表达，实现对VEGF蛋白表达水平的调控，起到诱导肿瘤血管生成，加速肿瘤生长和向远处转移的作用，其机制可能与激活PI3K/AKt途径上调HIF-lα的表达相关[9]。Lee等[10]发现,在小鼠胚胎干细胞中，缺氧激活Wnt/β-catenin信号通路后，导致HIF-1α合成增加，VEGF的表达也明显提高，表明缺氧条件下Wnt/β-catenin通过激活HIF-1α信号通路上调VEGF的表达。Newman等[11]研究表明,Wnt/β-catenin信号通路通过调控新生血管内皮细胞(endothelial cells，EC)的增殖来调控肿瘤血管生成。

2.2 TGF-β1/MAPK与HIF-1α 转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1) 是一种功能广泛的多肽类细胞因子，在肿瘤细胞的增殖、分化和迁移过程中，起着双重调节作用，也是促进肿瘤微血管生成的重要因子, 其可以通过选择性抑制脯氨酰羟化酶(prolyl hydroxylase，PHD)而增加HIF-1α的稳定性并抑制其降解，而MAPK 信号通路体系是 TGF-β发挥生物学效应的重要通路[12]。该信号体系主要通包括以下3个转导系统：(1)Ras/Raf/MEK/ERK转导通路。(2)p38MAPK(mitogen-activated protein kinase MAPK)转导通路[13]；(3)c- Jun 氨基末端激酶(c- Jun N- terminal kinase，JNK)/应激活化蛋白激酶转导通路。TGF-β1能够诱导活化多种细胞中的ERK、p38 MAPK、JNK，是激活MAPK通路体系的始动因素之一[14]。Ras与GTP结合后通过三级激酶级联反应激活丝氨酸/苏氨酸激酶(Raf)，进而再激活丝裂素活化蛋白激酶激酶 (MEK) 和细胞外调节蛋白激酶(ERK)，最终通过对转录调节因子表达的调控而将肿瘤血管生成、细胞增殖信号传递到细胞核内[15]。研究发现，在人头颈部鳞状细胞癌中，p38 MAPK信号通路通过抑制活化VEGF等的表达，调控肿瘤细胞的生长及血管生成[16]。c-JNK通路能通过与VEGF mRNA 结合，提高 VEGF mRNA 的稳定性[17]。Smads 蛋白是 TGF-β受体的胞内激酶的底物，TGF-β1主要依赖于 Smads蛋白的信号转导功能而发挥其作用，作为TGF-β1受体复合物的下游信号分子，Smad2、Smad3磷酸化后与 Smad4 结合形成复合物移入胞核内，调控目的基因的转录；Smad7能阻止 Smad2/3 磷酸化过程，是TGF-β1信号通路转导的负向调控因子[18]。热休克蛋白90(Hsp90)作为TGF-β1/MAPK通路中重要的“分子伴侣”，对细胞中的信号蛋白构象和功能的稳定进行调控，在缺氧条件下与 HIF-1α的bHLH-PAS转录因子结构域结合，激活 HIF-1α，参与调控肿瘤微血管的生成[19]。

2.3 HIF-1α与 VEGF/ COX-2 /MMP-2/MMP-14 血管内皮生长因子(VEGF)能够促进内皮细胞分裂、增殖，诱导血管新生，并能直接作用于肿瘤细胞，可提高其可塑性参与VM 形成。HIF-1α 直接激活VEGF的表达，在缺氧条件下，HIF-1α通过与VEGF 基因转录起始位点上游的缺氧应答元件( hypoxia response element，HRE)结合，诱导自身高表达[20]，高表达的VEGF通过与VEGFR1、VEGFR2，及新近发现的在一些肿瘤细胞表面的Neuropilin-l(NRP1)等相关受体结合发挥促血管生成作用[21]。HIF-1α/ HRE结合，能够直接促进环氧合酶-2(Cyclooxygenase-2，COX-2)基因表达，其促进肿瘤血管形成的机制可能是通过COX-2—PGE2—VEGF 途径发挥作用[22]。Imada 等[23]研究还发现,乙酰肝素酶在COX-2 介导的乳腺癌微血管形成过程中起重要作用，其机制可能为乙酰肝素酶直接通过 COX-2 诱导 VEGF 和基底部纤维母细胞因子表达，参与乳腺癌组织新生血管的生成。HIF-1α通路介导的基质金属蛋白酶-14(MMP-14)表达和活化能够激活基质金属蛋白酶-2(MMP-2)，促进层黏连蛋白分解，层黏连蛋白分解的片段释放进入细胞外微环境中收缩基质形成“管道”，是形成VM的重要环节[24]。

3 HIF-1α相关信号通路的靶向药物

3.1 抑制药物 HIF-1α作为肿瘤微血管生成机制中的“枢纽”，是抗肿瘤血管抑制药物干预的关键靶点，包括影响HIF-1α蛋白降解的分子伴侣Hsp90抑制药(17-AAG和17-DMAG)、组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制药vorinostat；抑制HIF-1蛋白翻译的拓扑异构酶Ⅰ抑制剂托泊替康、拓扑异构酶Ⅱ抑制药NSC644221；减少HIF-1α蛋白的合成的mTOR抑制药雷帕霉素等[25]。 Cai 等[26]发现，替莫唑胺能够通过降低 HIF-1α 蛋白表达，增强伊立替康的化疗作用。该研究还发现，洋地黄类药物地高辛能够抑制HIF-1α的活性，抑制肿瘤血管的血管形成[27]。Zhang 等[28]发现，去甲斑蝥素的抗肿瘤血管生成机制可能与抑制PI3K-MMPs信号通路有关。针对 ERK 通路的抑制药U0126和PD98059、 p38 通路的抑制药ASA404及阻断 Ras/Raf/MAPK 信号通路的药物 AZD 6244 (MEK1/2 选择性抑制药)、索拉非尼(多种酪氨酸激酶抑制药)、GSK1120212(MEK1 选择性抑制药)等的相关试验已见报道[29,30]。另外，异黄腐醇通过抑药TGF-β表达进而影响肿瘤细胞的迁移侵袭，抑制肿瘤血管生成[31]；岩藻多糖硫酸酯能够抑制 A549 肺腺癌侵袭和转移的作用，其机制可能与干预 ERK1/2 和 PI3K/AKT 磷酸化有关[32]。

3.2 中药利用传统饮片提取后得出的中药有效成分在干预肿瘤血管生成方面也有不少研究报道。张平等[33]证实，人参皂苷 Rg3 联合苏拉明对可能通过下调TGF-β1的表达抑制小鼠 Lewis 肺癌生长转移。黄芪的有效成分黄芪多糖、黄芪皂苷能降低肿瘤组织中VEGF、热休克蛋白70(HSP70)的表达，抑制肿瘤血管生成[34,35]。低剂量丹参酮IIA能够调节VEGF，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)等促血管新生因子，通过HIF-1α、MMPs、PI3K/AKT/eNOS等多途径抑制血管新生[36]。李妍等[37]发现，从姜科植物姜黄、郁金、莪术中提取的中药单体姜黄素可通过减少TGF-β1过度表达、上调Smad7和下调Smad3水平，从而抑制HIF-1α蛋白表达，发挥抗肿瘤血管形成作用。而同样来自于莪术的提取物β-榄香烯能直接抑制VEGF介导的血管生成，调控小鼠黑色素瘤的生长[38]。以上均从不同靶点报道了中药有效成分对肿瘤微血管形成的干预机制，其具有多靶点、网络状分布的特点，但也存在作用靶点不够集中、抗肿瘤血管生成作用效果弱的不足，需要进一步进行筛选。

血管生成拟态作为一种肿瘤功能性微循环形成的方式，是肿瘤血液供应的重要途径。肿瘤细胞微环境的改变，特别是缺氧环境形成能够诱导拟态血管的形成，而缺氧环境激活的HIF-1α相关通路能够启动肿瘤血管生成的信号级联反应，参与肿瘤血管生成拟态机制，干预肿瘤的生长、增殖和侵袭、迁移过程。HIF-1α相关通信号通路众多，各通路的关键因子表达对肿瘤血管生成的信号传递均具有重要的调节作用，但该通路上下游诸多环节的作用机制尚未完全明了，某些重要因子之间的相互关系也未能明确阐述，故下一步应集中针对该通路中比较明确的关键因子，围绕其上下游分子的作用机制展开研究，进而研发抗肿瘤血管生成作用明确、抑制或杀伤肿瘤作用明显且特异性强的靶向药物。另外，对中药提取物抗肿瘤血管生成机制研究也应更进一步深入，为开发抗肿瘤血管生成新药提供新的思路。

[1] Lin D, Wu J. Hypoxia inducible factor in hepatocellular carcinoma: A therapeutic target[J]. World J Gastroenterol, 2015, 21(42): 12171-12178.

[2] Maniotis A J, Folberg R, Hess A,etal.Vascular channel formation by human melanomcells in vivo and in vitro: vasculogenic mimicry[J] . Am J Pathol, 1999, 155(3): 739-752.

[3] Yu L, Li L. Clinical significance of vasculogenic mimicry expression in human gliomas [J]. Chin J Neuromed, 2014, 13(9): 929-933.

[4] Kirschmann D A, Seftor E A, Hardy K M,etal. Molecular pathways: vasculogenic mimicry in tumor cells: diagnostic and therapeutic implications[J]. Clin Cancer Res, 2012, 18(10): 2726-2732.

[5] Mihic P D，Ikenberg K, Tinguely M,etal. Tumor cell plasticity and angiogenesis in human melanomas [J] . PLoS One,2012,7 (3): e33571- e33571.

[6] Liu R, Yang K, Meng C,etal. Vasculogenic mimicry is a marker of poor prognosis in prostate cancer.[J]. Cancer Biol & Ther, 2012, 13(7):527-533.

[7] Hirasawa T, Miazawa M ,Yasuda M,etal. Alterations of hypoxia-induced factor signaling pathway due to mammalian target of rapamyc in (mTOR) suppression in ovarian clear cell adenocarcinoma: in vitro explorations for clinical trial[J].Int J Gynecol Cancer, 2013, 23(7): 1210-1218.

[8] 陈洪菊, 唐彬秩, 屈艺,等. mTOR信号通路调节HIF-1α及VEGF[J]. 生命的化学, 2011, 31(6): 838-843.

[9] 李星. NF-κB和HIF-1α在前列腺癌中的表达及意义[D].郑州：郑州大学, 2013.

[10] Lee S H, Kim M H, Han H J. Arachidonic acid potentiates hypoxia-induced VEGF expression in mouse embryonic stem cells: involvement of Notch, Wnt. and HIF-lalpha[J]. Am J Physiol Cell Physio1, 2009, 297(1): C207-C216.

[11] Newman A C, Hughes C C. Macrophages and angiogenesis: a role for Wnt signaling[J]. Vase Ce11, 2012, 4(1):13.

[12] Nagaraj N S, Datta P K. Targeting the transforming growth factor-beta signaling pathway in human cancer [J]. Expert Opin Investig Drugs, 2010, 19(1): 77-91.

[13] De Luca A, Maiello M R, D'Alessio A,etal. The RAS/RAF/MEK /ERK and the PI3K /AKT signalling pathways: role in cancer pathogenesis and implications for therapeutic approaches[J]. Expert Opin Ther Targets, 2012, 16(2):17-27.

[14] 陈凯, 孙慧燕, 牟心红,等. TGF- β/Smad及TGF- β/MAPK介导肿瘤细胞凋亡的机制[J]. 武警后勤学院学报(医学版), 2012, 21(2):144-146.

[15] Kong C S,Kim K H,Choi J S,etal. Salicin，an extract from white willow bark, inhibits angiogenesis by blocking the ROS -ERK pathways [J]. Phytother Res, 2014, 28(8): 1246-1251.

[16] Leelahavanichkul K, Amornphimoltham P, Molinolo A A,etal. A role for p38 MAPK in head and neck cancer cell growth and tumor-induced angiogenesis and lymphangiogenesis[J]. Mol Oncol, 2014, 8(1): 105-118.

[17] Shyu K G, Lin S, Lee C C,etal. Evodiamine inhibits in vitro angiogenesis: implication for antitumorgenicity [J]. Life Sci, 2006, 78(19):2234-2243.

[18] Brown K A, Pietenpol J A, Moses H L. A tale of two proteins: differential roles and regulation of Smad2 and Smad3 in TGF-beta signaling[J]. J Cell Biochem, 2007, 101(1): 9-33.

[19] Laughner E, Taghavi P, ChilesK,etal. HER2 (neu) signaling increases the rate of hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) synthesis:novel mechanism for HIF-1-mediated vascular endothelial growth factor expression[J]. Mol & Cell Biol, 2001, 21(12): 3995-4004.

[20] 费洪荣，王凤泽. PI3K/Akt信号通路的调控与肿瘤血管生成[J].生命的化学, 2010,30(1): 38-41.

[21] Hong T M, Chen Y L, Wu Y Y.etal. Targeting neuropilin-1 as an antitumor strategy in lung cancer[J]. Clin Cancer Res, 2007, 13(16):1759-4768.

[22] Hermanov A M, Trna J , Nenuti L R ,etal. Expression of COX-2 is associated with accumulation of p53 in pancreatic cancer: analysis of COX-2 and p53 expression in premalignant and malignant ductal pancreatic lesions [J] . Eur J Gastroenterol Hepatol, 2008, 20(8): 732-739.

[23] Imada T, Matsuoka J, Nobuhisa T,etal. COX-2 induction by heparanase in the progression of breast cancer.[J]. Int J Mol Med, 2006, 17(2):221-228.

[24] Sun T, Zhao N, Zhao X L,etal. Expression and functional significance of Twist1 in hepatocellular carcinoma: its role in vasculogenic mimicry [J]. Hepatology, 2010, 51(2):545-556.

[25] 司瑞丽,李晓凤. 缺氧诱导因子1与肿瘤相关性的研究进展[J]. 医学综述, 2016, 22(7):1287-1291.

[26] Cai T Y, Liu X W, Zhu H,etal. Tirapazamine sensitizes hepatocellular carcinoma cells to topoisomerase I inhibitors via cooperative modulation of hypoxia-inducible factor-1α.[J]. Mol Cancer Ther, 2014, 13(3):630-642.

[27] Semenza G L. Molecular mechanisms mediating metastasis of hypoxic breast cancer cells[J]. Trends Mol Med, 2012, 18 (9): 534-543.

[28] Zhang J T, Sun W, Zhang W Z,etal. Norcantharidin inhibits tumor growth and vasculogenic mimicry of human gallbladder carcinomas by suppression of the PI3-K/MMPs/Ln-5γ2 signaling pathway[J]. BMC Cancer 2014，14 (1): 193-210.

[29] 冯世杰,马秀娟,宗英, 等. 低氧诱导因子-1的病理生理及相关药物研究进展[J]. 药学实践杂志,2014, 32(3):161-166.

[30] Langlois B, Perrot G, Schneider C,etal. LRP-1 promotes cancer cell invasion by supporting ERK and inhibiting JNK signaling pathways [J]. PLoS One, 2010, 5(7): e11584.

[31] Serwe A, Rudolph K, Anke T,etal. Inhibition of TGF-β signaling, vasculogenic mimicry and proinflammatory gene expression by isoxanthohumol [J]. Invest New Drug, 2012, 30(3): 898-915.

[32] Lee H, Kim J S, Kim E. Fucoidan from seaweed Fucus vesiculosus inhibits migration and invasion of human lung cancer cell via PI3K-Akt-mTOR pathways[J]. PLoS One, 2012, 7(11): e50624.

[33] 张平, 许霞辉, 贺兼斌, 等. 人参皂苷Rg3联合苏拉明通过下调TGF-β 1表达抑制小鼠肺癌生长转移[J]. 现代生物医学进展, 2013, 13(21): 4039-4043.

[34] Gu J C, Yu W B, Wang Y,etal. Effects of astragalus polysaccharides on tumor growth and the expression of HSP70 in transplanted breast cancer for MA891 in TA2 mice abstract [J]. CJCPT, 2006, 13 (20):1534-1537.

[35] Tin MM, Cho CH, Chan K,etal. Astragalussaponins induce growth inhibition and apoptosis in human colon cancer cellsandtumorxenograft[J] . Carcinogenesis, 2007, 28(6): 1347-1355

[36] 庄钦,毛威. 丹参多种活性成分调节血管新生机制的研究概述[J]. 浙江中医药大学学报, 2014(4): 506-510.

[37] 李妍,杨维泓,徐玉芬,等. 姜黄素对Lewis肺癌小鼠TGF-β1信号转导通路的影响[J]. 中华中医药学刊,2013,31(1):138-141.

[38] Chen W, Lu Y, Wu J,etal. Beta-elemene inhibits melanoma growth and metastasis via suppressing vascular endothelial growth factor-mediated angiogenesis [J]. Cancer Chemoth Pharm, 2011, 67(4):799-808.

R733

国家自然科学基金(81673810)

许成勇，博士研究生，医师。

100853 北京，解放军总医院中医科

窦永起， E-mail:dyqi_ 301 @ yeah. net

(2017-02-20收稿 2017-06-10修回)

(责任编辑武建虎)