瘦素与低氧对肺癌生长作用的研究进展

殷 凯，岳静静(综述)，冯 源(审校)

(南京医科大学第一附属医院呼吸科，南京 210029)

肺癌是当今世界最常见的肿瘤之一，在肿瘤相关的死因中居第一位，故探究肺癌的发生、发展机制，寻找新的诊断和治疗靶点，已成为现代医学研究热点之一。肥胖是威胁人类健康的重要公共卫生问题。流行病学资料提示，肥胖可能会增加2型糖尿病、心血管疾病和某些癌症的患病风险[1]。瘦素作为最重要的脂肪激素，在肥胖相关疾病的发生、发展中具有重要作用，而低氧作为常见的病理生理因素之一，也参与了肥胖相关疾病的病理生理进程，但两者在肺癌中的研究还比较少。本就瘦素与低氧在肺癌发生、发展的作用及其可能的机制进行如下综述。

1 瘦素及其受体

瘦素由人第7号染色体的肥胖基因(obese，ob)编码，为167个氨基酸组成的含有4个螺旋结构域的脂肪因子。瘦素主要由脂肪组织产生，但在胎盘、乳腺、淋巴组织等亦有表达。瘦素受体属于Ⅰ类细胞因子受体家族，包括胞外配体结合域、跨膜域和胞内信号转导域。瘦素受体至少分为6种亚型，即obRa、obRb、obRc、obRd、obRe、obRf。长形受体obRb被认为是主要的功能受体。瘦素受体广泛分布于下丘脑、脉络丛、甲状腺滤泡上皮细胞、肾上腺皮质细胞及心、肺、胸腺、前列腺等组织中。研究表明，瘦素与瘦素受体特异性结合，通过经典的JAK/信号转导及转录活化因子3(signal transducers and activators of transcription 3，STAT3)、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)以及非经典的单磷酸腺苷激活的蛋白激酶和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路，发挥生物学作用，如维持能量代谢平衡，调节胰岛素、生长激素等激素的分泌，促进造血干细胞的分化与增殖，调节生殖功能，促进生长发育，调节炎症、免疫功能及促血管生成等[2]。

2 瘦素与肺癌

2.1瘦素与肺癌的关系 血清瘦素水平与肥胖程度密切相关，并与肥胖相关肿瘤的发病呈正相关[1]。已有研究证实，瘦素有促进癌细胞增殖和抗凋亡作用，并与直肠结肠癌、乳腺癌、前列腺癌和褐色素瘤等的发展呈正相关，而高表达的瘦素或瘦素受体水平，也与乳腺癌、胃癌、结直肠癌等的浸润深度、TNM分期及高侵袭性相关[3]。

肺癌基因组学研究提示，瘦素基因多态性与肺癌易患性之间存在相关性，且瘦素受体基因多态性可作为非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)的进展和预后的分子标志[4-5]。此外，在NSCLC患者的呼出气冷凝液、痰液、支气管肺泡灌洗液及血液、尿液中，瘦素水平也显著增加，提示瘦素在NSCLC的发生、发展中有重要作用[6]。病理学研究还发现，肺癌组织的瘦素及瘦素受体表达水平显著高于癌旁组织及良性病变，瘦素可以作为一个生长因子通过瘦素受体来促进培养的人NSCLC细胞株增殖[7]。通过对血清瘦素水平与肺癌相关性研究发现，Ⅰ期NSCLC患者的瘦素浓度较正常对照组高，这被认为是遗传性或反应性的原因，但晚期NSCLC患者血清瘦素较早期患者及正常人低，这可能与晚期肺癌所导致的恶病质患者体脂水平低下，而对瘦素分泌起的负反馈有关[8-9]。血清瘦素受体脂水平影响,可能只是患者机体营养状况的一个指标，故血清瘦素水平对肺癌预后预测作用相对较小，相反，局部瘦素水平对于肺癌的预测价值更大。

2.2瘦素促进肺癌发生、发展的机制

2.2.1瘦素诱导、维持肺部慢性炎症 慢性炎症可增加恶性肿瘤的发生风险。瘦素是一种强效的单核-吞噬细胞趋化因子，通过与细胞膜上的瘦素受体结合发挥作用，并能上调单核/吞噬细胞的吞噬功能及炎性因子的分泌，如肿瘤坏死因子α、白细胞介素6和白细胞介素12等。瘦素还能直接或间接地促进中性粒细胞趋化及氧自由基的释放，而氧自由基可使蛋白变性并破坏细胞膜脂质，进而损伤周边细胞[10]。另外，有资料表明，瘦素能增强自然杀伤细胞的功能与活性，促进B淋巴细胞的增殖及白细胞介素6，白细胞介素10、肿瘤坏死因子α等细胞因子的释放，也可呈剂量依赖性促进CD4+T细胞增殖[11]。瘦素还可诱导人树突状细胞的功能和形态改变，促进T淋巴细胞向Th1细胞转化并维持其生存，进而增强细胞免疫功能，加强以上各细胞的炎症效应[10]。研究还发现，瘦素可以引起C反应蛋白和P选择素的水平增高，且与血管细胞黏附分子1和细胞间黏附因子1表达呈正相关性[10]。瘦素的这些作用，促进了长期持续的炎症，最终导致正常组织的恶性转化[10]。

2.2.2瘦素诱导细胞增殖、增强侵袭性 瘦素通过自分泌或旁分泌的方式与其受体结合，发挥生物效应。目前认为，瘦素主要通过JAK/STAT3通路、胞外信号调节激酶1/2通路及PI3K/蛋白激酶B/糖原合成酶激酶3通路发挥效应，并能上调抗凋亡蛋白、多种炎性因子、血管生成因子的表达，促进肿瘤生存、增殖和转移[12]。研究发现，瘦素可上调致癌基因c-myc及其下游抗凋亡基因Bcl-2的表达，促进细胞周期蛋白D1的上调，抑制周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21的表达，从而导致G0/G1期细胞数量减少，而S期细胞种群增加[13-14]。同样，STAT3、p-STAT3及Bcl-2蛋白在肺癌A549细胞中均有表达，且表达随着瘦素处理浓度增加而增强，瘦素可能通过JAK/STAT3通路,活化STAT3介导抗凋亡基因Bcl-2的过度表达而使肺癌细胞呈持续增殖[15]。瘦素还可通过激活PI3K和Src激酶通路所致的Ras相关的C3肉毒素底物1、细胞分裂周期蛋白42和Ras同源基因家族成员A的Rho鸟苷三磷酸酶激活以调控细胞肌动蛋白骨架重组，调节细胞运动和侵袭力，促进多种基质金属蛋白酶或通过激活核因子κB途径增加整合素表达，而增强多种细胞的转移和侵袭性[16]。

3 低氧与低氧诱导因子

低氧指组织供氧不足或用氧障碍，从而引起其代谢、功能以致形态结构发生异常变化的病理过程，其参与多种病理生理过程，如动脉粥样硬化、糖尿病、高血压、肥胖、急慢性炎症等。细胞对于低氧的适应性改变通过低氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)1介导。HIF主要分为HIF1、HIF2，调节超过100个靶基因的表达[17]，其中HIF-1最为重要。HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β组成的异二聚体。在正常供氧条件下，HIF-1α与von Hippel-Lindau(VHL)蛋白结合，募集靶向HIF-1α的泛素连接酶，经蛋白酶体降解。VHL蛋白的结合取决于HIF-1α的一个特异性脯氨酸残基被脯氨酰羟化酶2的羟化。在缺氧条件下，脯氨酰羟化酶2的活性受抑制，HIF-1α降解减少并迅速积累，并与HIF-1β形成异二聚体，进而结合于靶基因的低氧反应元件，并促进靶基因转录[18]。HIF-1靶基因编码分泌蛋白，例如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factors,VEGF)，通过刺激血管生成增加氧供，亦分泌胞内蛋白，如糖酵解酶，通过调节代谢以适应低氧。HIF-2是由HIF-1β和依赖氧的HIF-2α组成的异二聚体,其表达具有细胞特异性，促进相应的靶基因表达，参与红细胞生成、血管形成及肺发育等[17]。

4 低氧与肺癌

4.1低氧与肺癌的关系 肿瘤的微环境在肿瘤的进展中发挥重要作用，与肿瘤的浸润、转移和新生血管密切相关，低氧是其中关键要素之一。研究证实，低氧在实体瘤中很常见，瘤内低氧是由于异常的血管形成、血流的波动所造成的绝对供氧不足和肿瘤快速生长而伴随需要量增加而造成的相对供氧不足[20]。低氧促进肿瘤的进展原因是缺氧状态选择具有抗凋亡潜能的细胞使其生存，并促进血管生成、细胞转移和代谢改变而发挥作用。高表达的HIF-1α可促进肿瘤的生长,降低HIF-1α的表达则明显抑制了肿瘤的生长与发展[19]。一项有关肺癌的研究发现，肺癌组织内的氧分压低于正常肺组织；低氧与肺癌的不良预后相关，可促进肺癌的侵袭转移，并可降低肺癌组织对化疗及放疗的敏感性[20]。

4.2低氧促进肺癌的机制

4.2.1低氧转变细胞代谢 在正常氧分压条件下，细胞先通过糖酵解将葡萄糖转化为丙酮酸，再进入三羧酸循环通过偶联氧化磷酸化反应产生腺苷三磷酸。在低氧条件下，细胞由于供氧不足而选择产能效率较低的无氧糖酵解反应，丙酮酸不再进入线粒体三羧酸循环途径，而是在乳酸脱氢酶的催化下，接受磷酸丙糖脱下的氢，生成乳酸，并使细胞内外环境pH水平下降。研究发现，低氧环境下HIF的大量积累会上调其下游靶基因葡萄糖转运蛋白1和葡萄糖转运蛋白3的转录与表达，而使细胞对葡萄糖的摄入量增加，同时可以上调一系列糖酵解相关基因的转录及其蛋白的表达而加速细胞的糖酵解过程[21-22]。此外，低氧条件同样对糖原合成以及脂质、氨基酸及核苷酸代谢存在调控过程，具体表现在，HIF的表达增高可以促进葡萄糖向糖原转化，加速细胞对非酯化脂肪酸摄入并抑制脂质的β氧化，还可以加速磷酸戊糖途径，为肿瘤细胞的核苷合成提供更多的原料。然而,低氧状态下的无氧代谢不仅仅为肿瘤发生、发展提供物质保障，研究发现，HIF-1还可以调节线粒体代谢，减少活性氧水平，降低细胞凋亡，维持细胞生存[23]。另外,6-磷酸异构酶和磷酸甘油酸变位酶等糖酵解酶基因的表达，还可以使纤维母细胞永生化[24]。故无氧糖酵解在肿瘤生成与发展中具有重要作用。

4.2.2低氧促进血管生成 细胞的存活必须要有正常的氧气和营养物质的供应，肿瘤细胞的存活与生长亦是如此。如果没有血管供给系统的建立，原位和转移的肿瘤细胞的增殖速度都会受到明显抑制，肿瘤的体积也会受到限制。肿瘤的直径达到1～2 mm时就需要通过新血管为其提供充足的氧气及养料，而新血管生成是个复杂的过程，包括细胞外基质的降解，内皮细胞迁移，脉管形成，细胞的再次排布以及最终血管的成熟等过程。肿瘤组织的血管不同于正常组织，其特征是具有扩张、扭曲、高通透性，这造成了供应区血流、供氧的不均一性和组织间隙的压力增高，而这正是由于促血管生成因子和抑血管生成因子的相对失衡造成[25]。低氧被认为是诱导新血管生成的最主要的因素，低氧会通过HIF信号通路上调一系列促血管生成因子的表达，从而引发新血管的生成。而其中最重要的因子是VEGF。处于低氧环境的肿瘤细胞及其附近的其他细胞由于HIF-α的大量积累，通过结合低氧反应元件，从而直接激活VEGF和VEGF受体转录，促进血管生成。HIF-α促进血管生成素、胎盘生长因子、血小板源生长因子及其各种受体的表达，参与基质代谢，促进包括基质金属蛋白酶和胶原蛋白、纤溶酶原激活剂受体抑制剂和脯氨酰羟化酶的基因转录，并使相应蛋白表达升高，这均在一定程度上促进了肿瘤新血管的生成[26]。

4.2.3低氧促进肿瘤转移 肿瘤转移是肿瘤患者死亡的重要病因之一。原位肿瘤的转移过程，有上皮细胞-间充质转化、细胞外基质调节等参与其中，也包括血管渗入与渗出、进入血液循环、归巢及微环境形成和亲器官克隆的形成等，在这些过程中，低氧诱导肿瘤细胞转移。低氧诱导因子也成为调节肿瘤转移的诸多关键点之一，尤其是肿瘤转移的早期上皮细胞-间充质转化。在低氧环境下，HIF的积累和活化会上调诸如Snail、Twist、T细胞因子和ZEB1/2等上皮钙黏素的转录抑制因子，从而降低上皮钙黏素的蛋白水平，促进上皮细胞-间充质转化的进程[27]。低氧条件还会诱导细胞分泌许多金属基质蛋白酶和纤溶酶原激活物受体等，用以破坏细胞外基质，有助于肿瘤细胞向基底层浸润[28]。

5 瘦素与低氧

低氧能促进瘦素及其受体的表达，这在肿瘤等组织生长中具有重要的病理生理意义。研究发现，HIF-1是细胞对低氧分压反应的关键转录因子，可以增强瘦素和其受体的基因转录与蛋白表达，并参与了包括肿瘤在内的肥胖相关疾病的启动与进展[29]。此外，在胎盘组织的研究中，也证实了低氧可以增强瘦素及其受体表达[30]。另外，在肺癌的研究中发现，肺腺癌及癌旁组织中均有HIF-1α和瘦素的表达，但肺腺癌组织表达阳性率显著高于癌旁组织，而且HIF-1α和瘦素在肺腺癌组织中的表达有明显关联[31]。进一步的体外研究发现，瘦素信使RNA表达随着低氧处理时间延长而逐渐增强，而HIF-1α拮抗剂可抑制其表达[31]。因此，低氧可能通过HIF-1α，促进瘦素及其受体表达，进而发挥其促进肿瘤发展的作用。

6 小 结

瘦素具有促进肿瘤细胞增殖、迁移、浸润的作用，瘦素与瘦素受体的表达，与肿瘤的分期、预后有相关性。低氧为肿瘤微环境的重要特征之一，对肿瘤的生存、增殖、迁移、浸润、代谢和治疗抵抗有重要作用。肿瘤发生、发展过程的分子学机制对其诊断、分期、治疗及预后具有重要意义。HIF-1α的表达与瘦素及其受体的表达具有重要相关性，上调瘦素及其受体的表达可能是低氧促进肿瘤进展的重要途径之一，但有关两者的内在联系，目前研究尚不足，需进一步探索，这将为肺癌的诊断、治疗带来新的突破。

[1] Khandekar MJ,Cohen P,Spiegelman BM.Molecular mechanisms of cancer development in obesity[J].Nat Rev Cancer,2011,11(12):886-895.

[2] Dardeno TA,Chou SH,Moon HS,etal.Leptin in human physiology and therapeutics[J].Front Neuroendocrinol,2010,31(3):377-393.

[3] Housa D,Housová J,Vernerová Z,etal.Adipocytokines and cancer[J].Physiol Res,2006,55(3):233-244.

[4] Li Y,Geng J,Wang Y,etal.The role of leptin receptor gene polymorphisms in determining the susceptibility and prognosis of NSCLC in Chinese patients[J].J Cancer Res Clin Oncol,2012,138(2):311-316.

[5] Wu X,Zang W,Cui S,etal.Bioinformatics analysis of two microarray gene-expression data sets to select lung adenocarcinoma markergenes[J].Eur Rev Med Pharmacol Sci,2012,16(11):1582-1587.

[6] Meek CL,Wallace AM,Forrest LM,etal.The relationship between the insulin-like growth factor-1 axis,weight loss,an inflammation-based score and survival in patients with inoperable non-small cell lung cancer[J].Clin Nutr,2010,29(2):206-209.

[7] Xu YJ,Shao YF,Zhao X,etal.Expression and clinical significance of leptin,the functional receptor of leptin(OB-Rb) and HER-2 in non-small-cell lung cancer:a retrospective analysis[J].J Cancer Res Clin Oncol,2011,137(12):1841-1848.

[8] Terzidis A,Sergentanis TN,Antonopoulos G,etal.Elevated serum leptin levels:a risk factor for non-small-cell lung cancer?[J].Oncology,2009,76(1):19-25.

[9] Weryńska B,Kosacka M,Golecki M,etal.Leptin serum levels in cachectic and non-cachectic lung cancer patients[J].Pneumonol Alergol Pol,2009,77(6):500-506.

[10] Ribeiro R,Araújo A,Lopes C,etal.Immunoinflammatory mechanisms in lung cancer development:is leptin a mediator?[J].J Thorac Oncol,2007,2(2):105-108.

[11] Malli F,Papaioannou A,Gourgoulianis KI,etal.The role of leptin in the respiratory system:an overview[J].Respir Res,2010,11(1):152.

[12] Dutta D,Ghosh S,Pandit K,etal.Leptin and cancer:Pathogenesis and modulation[J].Indian J Endocrinol Metab,2012,16(Suppl 3):S596-S600.

[13] Yuan Y,Zhang J,Cai L,etal.Leptin induces cell proliferation and reduces cell apoptosis by activating c-myc in cervical cancer[J].Oncology Rep,2013,29(6):2291-2296.

[14] Catalano S,Giordano C,Rizza P,etal.Evidence that leptin through STAT and CREB signaling enhances cyclin D1 expression and promotes human endometrial cancer proliferation[J].J Cell Physiol,2009,218(3):490-500.

[15] 胡碧丹,何凤莲,方明，等.JAK/STAT3通路在瘦素促进肺癌细胞增殖机制中的作用[J].实用医学杂志,2009,25(19):3184-3187.

[16] Lang K,Ratke J.Leptin and Adiponectin:new players in the field of tumor cell and leukocyte migration[J].Cell Commun Signal,2009,7:27.

[17] Semenza GL.Hypoxia-inducible factors in physiology and medicine[J].Cell,2012,148(3):399-408.

[18] Semenza GL.Oxygen homeostasis[J].Wiley Interdiscip Rev Syst Biol Med,2010,2(3):336-361.

[19] Semenza GL.Defining the role of hypoxia-inducible factor 1 in cancer biology and therapeutics[J].Oncogene,2010,29(5):625-634.

[20] Graves EE,Maity A,Le QT.The tumor microenvironment in non-small-cell lung cancer[J].Semin Radiat Oncol,2010,20(3):156-163.

[21] Kappler M,Taubert H,Schubert J,etal.The real face of HIF1α in the tumor process[J].Cell Cycle,2012,11(21):3932-3936.

[22] Denko NC.Hypoxia,HIF1 and glucose metabolism in the solid tumour[J].Nat Rev Cancer,2008,8(9):705-713.

[23] Semenza GL.Regulation of cancer cell metabolism by hypoxia-inducible factor 1[J].Semin Cancer Biol,2009,19(1):12-16.

[24] Kondoh H,Lleonart ME,Gil J,etal.Glycolytic enzymes can modulate cellular life span[J].Cancer Res,2005,65(1):177-185.

[25] Rapisarda A,Melillo G.Role of the VEGF/VEGFR axis in cancer biology and therapy[J].Adv Cancer Res,2012,114:237-267.

[26] Yang Y,Sun M,Wang L,etal.HIFs,angiogenesis,and cancer[J].J Cell Biochem,2013,114(5):967-974.

[27] Lu X,Kang Y.Hypoxia and hypoxia-inducible factors:master regulators of metastasis[J].Clin Cancer Res,2010,16(24):5928-5935.

[28] Wong CC,Zhang H,Gilkes DM,etal.Inhibitors of hypoxia-inducible factor 1 block breast cancer metastatic niche formation and lung metastasis[J].J Mol Med(Berl),2012,90(7):803-815.

[29] Trayhurn P.Hypoxia and adipose tissue function and dysfunction in obesity[J].Physiol Rev,2013,93(1):1-21.

[30] Klaffenbach D,Meiβner U,Raake M,etal.Upregulation of leptin-receptor in placental cells by hypoxia[J].Regul Pept,2011,167(1):156-162.

[31] 张妍蓓,方明,何凤莲,等.缺氧诱导因子1α调控人肺腺癌瘦素表达机制的初步研究[J].中华医学杂志,2008,88(40):2848-2853.