缺氧诱导因子-1α在食管鳞状细胞癌中的研究

齐明明， 杨 倩， 胡 雪， 张 岚， 董卫国

武汉大学人民医院 1.消化内科； 2.感染科，湖北 武汉 430060

食管癌是常见的消化系统恶性肿瘤之一。目前在世界范围内，食管癌的发病率在恶性肿瘤中居第7位，死亡率居第6位[1]。食管癌的发病率受性别、饮食习惯和社会经济发展状况的影响，约70%的食管癌患者为男性，且食管癌在东亚地区的发病率最高，我国是食管癌发病率最高的国家之一，且我国90%以上的食管癌病理类型为食管鳞状细胞癌。随着早期筛查的逐渐普及以及新辅助放化疗等的应用，食管鳞状细胞癌的早诊早治及治疗应答率已有了极大的进展，但食管鳞状细胞癌仍是威胁我国居民生命健康的重要疾病之一[2]。目前的研究表明，饮酒、吸烟是食管鳞状细胞癌的重要危险因素，但食管鳞状细胞癌的病因尚不明确[1]。因此，明确食管鳞状细胞癌的发病机制、研究新的监测及治疗靶点对于食管鳞状细胞癌患者的治疗及预后至关重要。

肿瘤微环境是指肿瘤细胞存在的周围环境，包括内皮细胞、成纤维细胞、免疫细胞等细胞成分，以及细胞因子、生长因子、激素、细胞外基质等细胞外成分。肿瘤微环境在肿瘤的发生、发展、转移及耐药等方面发挥着重要作用[3]。在肿瘤进展过程中，距供血血管相对较远的肿瘤细胞缺氧是肿瘤微环境的重要特点[4]。缺氧状态下肿瘤代谢发生糖酵解增加等一系列改变，一方面为肿瘤提供充足的能量，另一方面可介导肿瘤对缺氧环境的耐受，导致凋亡和坏死的减少，而持续增殖、促进迁移。缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)受缺氧的调节，在肿瘤组织缺氧区域处于高表达状态，与肿瘤的恶性程度相关[4-5]。研究表明，在肺癌、胃癌、结直肠癌及食管癌中均有HIF-1α的高表达[6-9]。但目前HIF-1α在食管鳞状细胞癌发生、发展中的作用及调节机制仍无系统性的总结，因此，我们结合目前的研究，对HIF-1α与食管鳞状细胞癌的关系作一概述。

1 HIF-1α概述

1.1 HIF-1α的生物学特点HIF是介导缺氧状态下肿瘤细胞适应性调节的因子之一，HIF有HIF-1、HIF-2和HIF-3三种形式，它们包括不同的HIF-α异构体(HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α)和共同的β亚单位(HIF-1β)。HIF-1β稳定表达，而HIF-α的表达水平受氧含量调节。低氧情况下，HIF-1α在所有组织中表达；HIF-2α的表达具有组织特异性，其功能与HIF-1α有一定重叠但并不相同；HIF-3α的研究相对较少[10]。HIF-1α和HIF-1β以异二聚体形式构成HIF-1，其中HIF-1α为活性亚单位[11]。氧含量正常的情况下，在脯氨酰羟化酶(prolyl hydroxylase domain，PHD)的作用下，HIF-1α在脯氨酸残基上发生氧依赖的羟化，随后可与von Hippel-Lindau(VHL)肿瘤抑制蛋白相互作用，VHL募集E3泛素蛋白连接酶催化HIF-1α的多聚泛素化，继而启动蛋白酶降解[12-13]；天冬酰胺酰羟化酶，即HIF抑制因子(factor inhibiting HIF-1，FIH)，可在天冬氨酸残基上发生氧依赖的羟化反应，抑制HIF-1α的转录活性[14]。因此，在氧含量正常的情况下很难检测到HIF-1α。PHD本质是双加氧酶，其催化中心包含二价铁，利用氧气和α-酮戊二酸作为底物，发生羟化反应。因此，当缺乏氧气或α-酮戊二酸、或二价铁氧化为三价铁、或暴露于铁螯合剂及α-酮戊二酸类似物时，PHD和FIH的活性受到抑制，HIF-1α迅速聚集，4～8 h后 HIF-1α蛋白水平达到峰值。持续缺氧24 h后，HIF-1α靶基因的mRNA表达水平也达到峰值[10,14]。

1.2 HIF-1α促进肿瘤细胞适应低氧微环境哺乳动物细胞需要维持氧稳态以进行有氧代谢和能量生成。在实体瘤中，由于肿瘤细胞快速增长，导致血流供应相对不足，肿瘤中心区域供氧不足。肿瘤细胞通过激活增殖等相关通路以耐受缺氧，而HIF-1α在肿瘤细胞对低氧的适应性应答中发挥重要作用。HIF-1α可激活下游100余种基因的转录，而这些靶基因参与调节糖代谢、细胞增殖、迁移、血管生成等生物学过程，与肿瘤存活和进展密切相关[13,15]。例如，在低氧环境下，HIF-1α促使肿瘤细胞的糖代谢从氧化磷酸化转化为糖酵解途径，通过促进葡萄糖转运蛋白(glucose transporter，GLUT)的过表达，以增加葡萄糖向肿瘤细胞的转运，并诱导糖酵解相关酶的高表达，来完成代谢方式的转换，维持细胞的能量供应[13]。HIF-1α也参与诱导血管生成因子，如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的转录，继而促进新生血管的生成，增加肿瘤细胞的氧供[4]。除此之外，HIF-1α通过激活致瘤生长因子如转化生长因子β3(transforming growth factor β3, TGF-β3)、表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)等的转录而促进肿瘤的远处转移[16]。总之，肿瘤细胞中HIF-1α的激活是肿瘤适应低氧微环境的重要机制。

2 HIF-1α在食管鳞状细胞癌中的作用及机制

2.1 HIF-1α对食管鳞状细胞癌血管生成和能量代谢的影响血管新生在肿瘤发展过程中发挥重要作用，VEGF是促进血管生成的重要成分。研究发现，食管鳞状细胞癌中HIF-1α呈高表达[17]，HIF-1α可结合到VEGF基因调节区域的HIF-1结合位点上，从而促进VEGF的表达[18-19]， VEGF表达水平高的患者，肿瘤微血管密度和TNM分期也更高[20]。VEGF的表达促进血管生成、提高血管通透性，促进肿瘤的增殖和转移[21]。HIF-1α和VEGF高表达的食管鳞状细胞癌患者临床预后更差[17]。

糖酵解在肿瘤代谢过程中具有重要作用。缺氧状态下，肿瘤细胞糖酵解增加，迅速进行糖代谢为其生长和增殖提供充足的能量，同时增加其缺氧耐受性[22]。研究表明，缺氧状态下食管鳞状细胞癌HIF-1α表达增加，继而促进GLUT1及己糖激酶-Ⅱ(hexokinase-Ⅱ，HK-Ⅱ)等糖酵解相关酶的增加，组织乳酸浓度增加；而抑制HIF-1α后，GLUT1、HK-Ⅱ及乳酸含量均下降[23]。这表明HIF-1α可通过促进糖酵解来增加肿瘤细胞的能量供应，从而促进肿瘤的增殖。

2.2 HIF-1α对食管鳞状细胞癌增殖和凋亡的影响肿瘤微环境缺氧状态下HIF-1α高表达，可激活与细胞增殖相关的靶基因，如胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor-2，IGF2)、促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)、VEGF、TGF-α等，从而促进肿瘤细胞的存活和增殖[24]。除此之外，HIF-1α在食管鳞状细胞癌中高表达也可促进糖酵解相关蛋白的表达，增强对缺氧环境的耐受程度，也增加肿瘤细胞的能量供应，促进肿瘤增殖[23]。HIF-1α的高表达也可诱导自噬[25]，非选择性降解胞质蛋白质和功能障碍的细胞器，为肿瘤细胞提供代谢底物，从而促进食管鳞状细胞癌细胞的增殖[26]。抑制HIF-1α后食管鳞状细胞癌细胞周期停滞在G2/M期，增殖受到抑制，凋亡增加[27]。

2.3 HIF-1α对食管鳞状细胞癌侵袭和转移的影响HIF-1α与食管鳞状细胞癌的侵袭和转移密切相关。研究表明，HIF-1α阳性的食管鳞状细胞癌患者发生肿瘤转移的可能性更大[20,28]。局部淋巴结转移是食管鳞状细胞癌转移的重要途经，肿瘤细胞生成淋巴管生长因子，如VEGF-C等则在肿瘤淋巴结转移中发挥关键作用[29]。有研究表明，HIF-1α可促进VEGF-C的表达，促进淋巴管生成，从而促进食管鳞状细胞癌的淋巴侵袭和淋巴结转移[30]。HIF-1α高表达与食管鳞状细胞癌的浸润深度、淋巴结转移、远处转移相关[31]。

上皮间充质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)是促进食管鳞状细胞癌侵袭和转移的重要因素。缺氧状态下HIF-1α高表达，诱导β-连环素从E-钙黏蛋白/β-连环素复合物中解离，解离后的β-连环素进入胞核，作为启动子促进EMT相关基因的转录[32-33]，降低肿瘤细胞的黏附作用，并增强其运动及侵袭能力，而通过抑制HIF-1α则可抑制EMT，从而抑制食管鳞状细胞癌的侵袭和转移[27]。

2.4 HIF-1α对食管鳞状细胞癌预后的影响HIF-1α是影响食管鳞状细胞癌预后的独立危险因素[34]，HIF-1α高表达的食管鳞状细胞癌患者预后更差[20,34]。Meta分析表明，在消化道肿瘤患者中HIF-1α高表达的患者无进展生存时间、无转移生存时间、无复发生存时间及总生存时间均更短[5]。食管鳞状细胞癌中HIF-1α高表达的患者肿瘤分化更差、TNM分期更高、治疗无应答的可能性更大[17,20]。

对于食管鳞状细胞癌患者，放化疗仍是重要的治疗方式。因此，食管鳞状细胞癌患者的放化疗敏感性是影响其预后的关键因素之一。但由于肿瘤进展过程中肿瘤微环境缺氧，HIF-1α高表达，增强肿瘤细胞对低氧环境的耐受能力，促进肿瘤增殖、侵袭和转移，并可降低食管癌的放化疗敏感性。研究表明，HIF-1α高表达的食管癌患者放化疗效果更差、无复发生存时间更短[35]。而通过抑制HIF-1α的表达，可使食管鳞状细胞癌的放疗敏感性增加[36]，显著改善食管癌患者的预后。

2.5 靶向HIF-1α治疗食管鳞状细胞癌的前景HIF-1α是食管鳞状细胞癌预后不良的重要因素，已有大量研究表明，HIF-1α高表达可促进食管鳞状细胞癌的增殖、侵袭和转移，并降低食管鳞状细胞癌的放化疗敏感性。因此，抑制HIF-1α有望成为治疗食管鳞状细胞癌的方式之一。体内体外研究表明，对于HIF-1α高表达的食管鳞状细胞癌，给予HIF-1α抑制剂可抑制其增殖及转移[27]。舒尼替尼、硼替佐米及传统中药如鸦胆子油等已被证实可通过抑制HIF-1α从而增强食管鳞状细胞癌放疗敏感性[36-38]。另外，放疗时联合使用二甲双胍也可间接抑制HIF-1α，从而增强食管鳞状细胞癌放疗敏感性，促进癌细胞的凋亡和细胞周期停滞[39]。还有研究表明，通过使用双氢青蒿素可以抑制HIF-1α的表达，从而增加食管鳞状细胞癌细胞光动力治疗的敏感性，而光动力治疗可显著改善食管癌患者的梗阻情况，延长患者的生存时间[9]。HIF-1α有望成为治疗食管鳞状细胞癌的新靶点之一。

3 结论

越来越多的证据表明，HIF-1α在食管鳞状细胞癌的发生、发展中具有重要作用，其表达水平升高是食管鳞状细胞癌增殖、侵袭、转移及放化疗敏感性下降的重要因素。大量研究已表明，HIF-1α通过促进血管生成、糖酵解、EMT、增加放化疗抵抗性等参与食管鳞状细胞癌的进展，而抑制HIF-1α则可显著改善食管鳞状细胞癌的预后。随着研究的不断深入，HIF-1α可为食管鳞状细胞癌的诊疗和预后评估等提供新思路。