高氧对肿瘤细胞生物学特性影响的研究进展

李琴山，杨瀚林，杨 娟，李梦醒，陈志华

（1.贵州医科大学附属医院 贵州省产前诊断中心，贵州 550004；2.贵州医科大学 医学检验学院，贵州 550004；3.贵州医科大学附属医院，贵州 550004；4.中日友好医院临床医学研究所，北京 100029）

恶性肿瘤是世界性卫生难题，全球每年由恶性肿瘤导致的死亡病例约960 万例[1]，我国约229.6 万例[2]，因此，探讨恶性肿瘤的发病机制，探寻肿瘤治疗的新方法，已经成为肿瘤生物学家的首要任务。氧是人类赖以生存的重要物质，在机体各种生理过程中发挥重要作用。高氧常用于缺氧/缺血性疾病治疗，也是急诊常用治疗手段之一[3]。但高氧会诱导细胞合成大量活性氧 （reactive oxygen species，ROS），破坏细胞氧化还原稳态，对细胞造成损伤，发生高氧血症、免疫功能障碍，对患者肺、脑、心、肾、眼等器官产生毒性，导致死亡率上升[4]。近年来研究发现，高氧对肿瘤细胞具有负性调控作用，可能成为肿瘤治疗的新靶点。本文就高氧对肿瘤细胞凋亡、细胞免疫逃逸、肿瘤细胞干性及治疗敏感性方面进行综述。

1 氧气与肿瘤细胞

人体正常组织氧浓度大多处于3.4%～6.8%[5]，氧浓度≤2%被定义为组织缺氧。肿瘤细胞因处于高代谢、快速增殖的状态，其对氧气的消耗量远大于周围间质血管的供应。大多数肿瘤组织的氧浓度处于0.3%～1.8%[5]。研究发现，高氧（常压下氧浓度＞21%）可促进肿瘤细胞发生凋亡、抑制肿瘤细胞侵袭/迁移能力、抑制肿瘤细胞发生免疫抑制，高氧对肿瘤治疗具有重要临床意义[6，7]。

2 高氧促进肿瘤细胞凋亡

凋亡是细胞程序性死亡的过程，对清除衰老细胞，维持机体正常功能起非常重要的作用。但在环境、遗传等多因素作用下，肿瘤细胞常表现出增殖失控、凋亡失衡的生物学特性。靶向肿瘤细胞发生凋亡，抑制其增殖，一直是肿瘤学研究的热点。研究指出，高氧可促进肿瘤细胞发生凋亡，对肿瘤治疗具有重要意义。Stuhr 等发现[8]，在神经胶质瘤模型中，100% O2显著抑制肿瘤生长，高氧治疗后，肿瘤中心平均血管密度降低，且肿瘤血管直径也显著减少；在二甲基苯蒽诱导的大鼠乳腺癌模型中，100% O2可显著降低肿瘤平均血管密度，并增加了乳腺癌细胞的凋亡率。Wang 等[9]将CD133+CD15+NESTIN+胶质瘤干细胞分别培养于1%、21%、95% O2条件下，发现肿瘤细胞的凋亡水平表现出差异。在1%O2、21% O2条件下，肿瘤细胞凋亡水平较低；而处于95% O2条件下的肿瘤细胞凋亡水平高，提示此氧浓度能促进细胞凋亡；Kim 等[6]以95% O2处理肺癌细胞后，细胞活力、集落形成能力、迁移和侵袭能力均降低；但是以上述高浓度氧气处理正常组织细胞后，正常组织细胞的细胞活力等没有受到显著影响，高氧可能通过促进细胞产生大量ROS 而促进肿瘤细胞凋亡。Lee 等[6]还发现，以前述高浓度氧气处理肿瘤细胞后，其细胞外调节蛋白激酶（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，提示高氧可能通过JNK/ERK 信号通路促进肿瘤细胞凋亡。同时，与未经过前述高浓度氧气处理的肿瘤细胞相比，高氧处理后的肿瘤细胞停滞于G0/G1 期的比例显著降低。

3 高氧抑制肿瘤细胞免疫逃逸

肿瘤免疫逃逸是肿瘤细胞通过丧失抗原性、丧失免疫原性、通过肿瘤微环境发挥作用[10，11]等机制逃逸机体免疫系统的识别、杀伤，使肿瘤细胞在体内迅速增殖、转移。如何抑制肿瘤细胞发生免疫逃逸，一直是学者关注的重点。

研究发现，高氧可抑制肿瘤细胞发生免疫逃逸。Sethumadhavan 等[12]发现，给予60% O2治疗后，可促进肿瘤细胞重新表达MHC、TAP2、LPM2、LMP7 等免疫系统抗原呈递关键物质，使肿瘤细胞可被免疫系统识别、杀伤，抑制其发生免疫逃逸。Hatfield 等[13]发现，60% O2可缓解肿瘤微环境的缺氧状态，降低细胞外腺苷浓度，缓解腺苷对肿瘤T 细胞的抑制作用。同时，前述氧浓度可促进CD8+T 细胞向肿瘤细胞浸润，促进CD8+T 细胞对肿瘤发挥杀伤作用；促进调节性T 细胞表达，抑制肿瘤发生免疫逃逸；促进肿瘤细胞表达促炎细胞因子，抑制TGF-β 等免疫抑制分子的表达。

4 高氧抑制肿瘤细胞干性

肿瘤干细胞是一类具有自我更新、多向分化、致瘤性强、常对多种治疗药物耐药的恶性肿瘤细胞群体，在肿瘤复发、放/化疗抵抗中起重要作用[14]。如何靶向治疗肿瘤干细胞，以期彻底根治肿瘤，成为了学者研究的重要问题。研究发现，高氧可以抑制肿瘤细胞干性，发挥治疗作用。Wang 等[6]发现，给予95% O2可抑制胶质瘤干细胞表达CD133、CD15、NESTIN 等干细胞标志物，并促进分化标志物GFAP 表达，促进胶质瘤干细胞分化；此高浓度氧气还可通过抑制胶质瘤干细胞中ATP 结合盒（ABC）转运蛋白G2、O6- 甲基鸟嘌呤-DNA 甲基转移酶（MGMT）等化疗抗性相关蛋白的表达，提高胶质瘤细胞对替莫唑胺（TMZ）的敏感性。在结肠癌模型中，Wang 等[15]发现，予以60% O2治疗可抑制粒细胞髓样抑制细胞（G-MDSCs）分泌外泌体，抑制其通过缺氧诱导因子1 （HIF-1α）依赖途径促进结肠癌细胞获得干性。

5 高氧提高肿瘤细胞对放疗、化疗的敏感性

放疗、化疗和手术是目前最常用、最有效的肿瘤治疗手段。但放/化疗易导致免疫功能低下、消化系统毒性反应、肝肾功能毒性反应、心脏功能毒性反应、骨髓抑制等副作用，且部分肿瘤细胞可通过DNA 损伤、缺氧肿瘤微环境调节、细胞周期阻滞、表达ATP 结合盒转运体蛋白等多种机制对放/化疗产生抵抗，逃逸药物杀伤[16]。因此，改善肿瘤放/化疗抵抗具有重要临床意义。

高氧可提高肿瘤细胞放疗敏感性，提高放疗对肿瘤的治疗效果。Clarke 等[17]研究发现，与单独使用放疗相比，放疗前给予100% O2处理后，可显著提高放疗对胶质母细胞瘤杀伤作用，表明高氧提高了肿瘤对放疗的敏感性。Yahara 等[18]发现，对胶质母细胞瘤患者给予增强放疗（intensity-modulated radiotherapy，IMRT）+100% O2治 疗后，患者2年平均生存率达到22.1 个月，高于胶质母细胞瘤常规疗法患者的2年平均生存率14.6 个月，提示高氧提高了放疗对肿瘤的杀伤作用，并提高了患者生存率。Tao等[19]发现，在已发生脑转移的肿瘤患者中，100% O2+放疗的有效率（95.3%）显著高于单纯放疗的有效率（67.4%）。高氧治疗后显著降低了患者骨桥蛋白（osteopontin，OPN）、基质金属蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）的表达，高氧可抑制OPN、MMP-9 表达、提高肿瘤对化疗敏感性。

高氧也可改善肿瘤细胞化疗抵抗情况：Lee 等[20]发现，40% O2可促进多形胶质母细胞瘤发生未折叠蛋白反应，提高多形胶质母细胞瘤细胞对替莫唑胺的敏感性；Mast 等[21]发现，与单独使用紫杉醇治疗相比，100%O2+紫杉醇联合治疗可显著降低三阴性乳腺癌模型裸鼠的肿瘤增长速度，提示高氧提高了三阴性乳腺癌细胞对紫杉醇的敏感性。Ohguri 等[22]发现，在自发性小鼠鳞状细胞癌模型中，与单独使用卡铂治疗相比，100% O2+卡帕联合治疗明显抑制了肿瘤增殖，提示高氧降低了肿瘤细胞对卡铂的耐药性。Wu 等发现[23]，在肝癌模型裸鼠中，与仅使用多柔比星治疗相比，97% O2+多柔比星联合治疗显著抑制了肿瘤增殖，同时还抑制了肿瘤中I 型胶原蛋白和结缔组织生长因子的表达，减少肿瘤ECM 中胶原沉积，辅助化疗药物到达肿瘤组织。高氧+多柔比星联合治疗还可以调节细胞周期阻滞，减少停滞于G0/G1 期的肿瘤细胞数量，提高肿瘤细胞对化疗药物敏感性。

6展望

高氧对机体是一把 “双刃剑”，在治疗中需要谨慎使用。例如，2018年发表于Lancet 的一篇回顾性研究指出[24]，对于血氧饱和度正常的患者，给予不必要的高氧治疗患者死亡率增加；Ruggiu 研究也指出[25]，高氧治疗一定程度上也可能增加了ICU 患者的死亡率。肿瘤细胞中，高氧诱导产生大量ROS 并对肿瘤发挥杀伤作用，抑制肿瘤细胞增殖，通过提高肿瘤细胞ROS 水平而发挥抗癌作用的药物已用于临床治疗[26]。目前已发现，高氧对肿瘤细胞干性、免疫逃逸、化疗抵抗、凋亡逃逸等多方面产生了抑制作用，但高氧在肿瘤中产生的影响还有很多问题亟待解决：它是否还通过其他机制影响肿瘤细胞增殖； 在特定高氧浓度下，是否可以促进肿瘤细胞增殖发育；在不损伤正常细胞的前提下，如何选择合适的氧浓度治疗肿瘤等。在肿瘤发生及防治中，高氧的研究将成为新的热点和方向。