缺氧诱导因子-1α在膀胱癌中的研究进展

吴 朝，董自强

(三峡大学第一临床医学院，湖北 宜昌 443003)

缺氧诱导因子-1α在膀胱癌中的研究进展

吴 朝，董自强

(三峡大学第一临床医学院，湖北 宜昌 443003)

肿瘤在生长过程中都存在相对缺氧的环境，缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)作为其调节的关键因素，在肿瘤的生长、代谢、转移、凋亡、新生血管生成等过程中都有重要的作用。膀胱癌是泌尿系统最常见的恶性肿瘤，在其生长、侵袭和转移的过程中也存在相对缺氧的环境，本文将就其相关研究进展做一综述。

缺氧诱导因子-1α；膀胱癌；血管内皮生长因子

缺氧是促进实体肿瘤生长的重要机制之一，缺氧时肿瘤组织会发生一系列的生物行为学变化以适应这种环境。缺氧与肿瘤的恶性进展，包括肿瘤细胞的增殖、分化、凋亡、表型的决定、血管生成、能量代谢、对治疗的抵抗以及患者的预后密切相关[1]。缺氧相关基因在这个过程中起着重要的作用，其中对于缺氧诱导因子-1α(Hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)研究的最多。HIF-1α在人类的众多肿瘤之中都有过量的表达，它与肿瘤的侵袭、转移有着密切的联系，这使得HIF-1α成为肿瘤治疗中的一个重要靶点。

1 HIF-1α的生物学特征

HIF-1是螺旋蛋白家族PAS(Per Arnt Sim)中的一员，是由α亚基和β亚基组成的异源二聚体，其中α亚基是主要的活性成分，受到细胞内氧浓度的调节，β亚基也称为芳基烃核转运蛋白(ARNT)，在大多数细胞内可持续稳定表达[2]。HIF-1αβ二聚体和与低氧反应元件HREs的相互作用可诱导转录的激活。在常氧的条件下，HIF-1α蛋白的两个脯氨酸残基被HIF脯氨酰羟化酶羟基化，使该蛋白被希佩尔-林道(VHL)E3泛素连接酶复合物识别继而破坏水解[3]。但在缺氧的条件下HIF脯氨酰羟化酶是无效的，α蛋白和β蛋白结合形成二聚体后可诱导缺氧相关基因的转录。

HIF-1α的过表达可在人类70%的肿瘤转移灶中被发现，与肿瘤的多种生物学行为密切相关[4]。包括肿瘤的血管生成、糖酵解、细胞增殖、红细胞生成素的调节和铁代谢、促细胞凋亡、抗肿瘤等等。低氧环境下HIF-1α可促进GLUT-1的表达以增加葡萄糖的转运为肿瘤的生长提供能量[5]。此外，HIF-1α还可促进碳酸酐酶IX(CAⅨ)的基因表达，其产物是一种跨膜蛋白可维持细胞内外的pH值[6]。有研究报道HIF-1α还和细胞周期密切相关，可通过细胞周期抑制因子(p21和p27)和细胞周期调控因子(CyclinD1等)调节细胞凋亡[7]。综上所述，在缺氧的微环境中HIF-1α的表达以及对下游基因的激活，为肿瘤的侵袭和转移提供了有利条件。

2 肿瘤与缺氧

肿瘤的生长离不开有效的血供，这个过程会伴随新生血管的形成以满足肿瘤的代谢需求，缺氧在这个过程中扮演着重要的角色。Folkman在1971年第一次描述了肿瘤如果想增长就必须建立自身的血供，然而，一旦新生血管形成，肿瘤就会迅速生长，并使转移变得容易[8]。此外，肿瘤的内部由于缺血、缺氧，不可以满足肿瘤过快的生长需要而出现局部的缺血坏死。

肿瘤在缺氧的微环境中可以通多种调节因子调节肿瘤的生长，其中研究最多的是HIF-1α和血管内上皮生长因子(Vascular epithelial growth factor，VEGF)。肿瘤组织中HIF-1α的高表达与血管内皮生长因子(VEGF)关系密切，VEGF是内皮细胞增殖和迁移的高度特异性启动子，已被证实在肿瘤血管的生成和发展中起到了重要的作用。此外，HIF-1α的高表达还与肿瘤对放化疗的抵抗有关，由于肿瘤组织的缺血坏死导致化疗药物无法在肿瘤内部达到有效的血药浓度，HIF-1α可维持肿瘤细胞在低氧环境下的生长。HIF-1α还可通过调节细胞周期如细胞周期抑制剂(p21WAF1和p27kip)、细胞周期调控因子(cyclinD1)等来阻止细胞周期的进展抑制肿瘤细胞的凋亡[9]。由此可见，在低氧的环境下HIF-1α与肿瘤的发生、发展与转移均有密切的联系，使之成为肿瘤研究的又一个重要位点。

3 HIF-1α与膀胱癌

3.1 HIF-1α在膀胱癌中的作用机制 膀胱癌是泌尿系统最常见的实体肿瘤，与其他肿瘤相似，膀胱癌是一个多因素、多因子参与、多个过程相互作用的复杂过程。其中，缺氧或低氧的微环境在膀胱癌的发生、发展中起着至关重要的作用。肿瘤组织中缺氧的微环境可以引起HIF-1α的高表达，Chen等[10]通过对膀胱癌T24细胞以及癌组织的研究发现，HIF-1α和血管内皮相关受体的升高会进一步引起其下游的AKT、哺乳动物靶标(mTOR)信号通路、p70S6K、4E-BP-1激酶的活化，引起HIF-1α/VEGF的级联反应，增加肿瘤的血管生成和侵袭作用。Zhang等[11]研究发现下调HIF-1α可以显著的抑制基质金属蛋白酶-1(MMP-1)的表达从而减少肿瘤的侵袭作用，通过免疫组化对比转移淋巴组织和原位膀胱癌的HIF-1α水平可发现转移组织的HIF-1α明显升高。他们研究认为HIF-1α/MMP-1的调节在膀胱癌的转移中起重要的作用，因此HIF-1α可能成为控制膀胱癌转移的一个靶点。此外，膀胱癌的血管生成与其侵袭密切相关，HIF-1α的过度表达可能也参与其中。Wood[12]对93名膀胱移行细胞癌患者的癌组织的研究发现，HIF-1α的表达与癌组织的组织学分级有显著的联系(P=0.009)。在缺氧的环境下血管内皮生长因子(VEGF)、微血管密度(MVD)均会升高且与肿瘤病理分级(P=0.006和P＜0.001)和临床分期(P=0.04和P＜0.001)均有关联性；并且HIF-1α与VEGF和MVD也有显著关联(P=0.01和P＜0.001)。Bedessem等[7]的研究发现在肿瘤慢性缺氧的环境下，相比正常组织肿瘤组织的HIF-1α水平明显增高，另外基因突变也促进了HIF-1α在各类肿瘤中的稳定表达。在中度缺氧条件下G1/S期转换会放缓而在严重缺氧情况下细胞会进入静止期。该研究还证实了低氧条件下的化疗抵抗与HIF-1α对细胞周期蛋白D(Cyclins D)的负性调节有关。在细胞凋亡方面HIF-1α可间接下调细胞周期蛋白E(Cyclins E)和上调细胞周期抑制因子如p21和p27来阻断肿瘤细胞的凋亡。据此我们可以推测，HIF-1α的过度表达可能参与了膀胱癌的发生、发展，并可作为反映膀胱癌的诊断、分期与治疗和预后的一个重要指标。

3.2 HIF-1α与膀胱癌的治疗 膀胱癌在临床上首先还是选择手术治疗，但是相应的辅助治疗对于术前准备和复发型膀胱癌都有重要的作用。由于膀胱癌与其他实体肿瘤一样在缺氧的环境中对放、化疗存在抵抗，且HIF-1α的过度表达与肿瘤的不良预后和患者的死亡率相关，所以HIF-1α很可能成为膀胱癌治疗的一个新的靶点[13]。其中HIF-1α相关抑制剂研究最多，HIF-1α拮抗剂可使在缺氧区域的肿瘤细胞重新由静态进入细胞周期或者直接凋亡，重新进入细胞周期的细胞会使放疗或者化疗变得更加容易[14]。其主要机制包括以下几个方面：(1)抑制HIF-1α的DNA转录表达；(2)抑制HIF-1α的mRNA相关转录活性；(3)加快HIF-1α的降解；(4)阻碍HIF-1α与相关靶基因的结合从而抑制HIF-1α的表达[15]。从天然产物中提取HIF-1α的抑制剂是目前的主要手段之一，在Chen等[10]的研究中提到厚朴(从中药中分离出来的酚类化合物)，有抗肿瘤、诱导凋亡、下调HER2基因表达等作用。而且他们还证实厚朴在抑制缺氧对HIF-1α的刺激、VEGF与VEGFR2的结合、膀胱癌T24的血管生成都有显著作用。其中的机制可能是抑制了磷脂酰肌醇-3-激酶抑制(PI3K)/AKT/雷帕霉素靶点(mTOR的)信号通路，反过来再削弱了HIF-1α和血管内皮生长因子的级联。其他的一些类似抑制剂例如：拓扑替康、坦西莫司(作用于mTOR，阻断HIF-1α的转录)、喜树碱(阻断HIF-1α的翻译)也已进入临床研究阶段[16]。另外反义治疗HIF-1α以及腺病毒介导的基因传递和小分子的靶向HIF-1α治疗已经成为了一种新的治疗途径。最近的研究证明P13-K/ Akt途径可通过热休克蛋白的表达(HSP70和HSP90)控制HIF-1α的稳定性，HSP70直接结合于HIF-1α蛋白的氧依赖性降解结构域以抑制其降解[17]。而热休克蛋白阻断剂格尔德霉素可抑制这种结合达到降解HIF-1α的目的。改善缺氧环境亦是治疗膀胱癌的一种有效疗法，Fechner等[18]对小鼠模型研究发现氧浓度的提高可控制膀胱移行细胞癌(TCC)的生长，运用促红细胞生成素(EPO)可抵抗缺氧或低氧环境，减少缺氧相关因子的表达，抑制肿瘤生长的目的；但EPO的用量应随时调整以防血红蛋白过高引起血液阻滞而加重缺氧。目前，针对HIF-1α的治疗也存在一些局限性，较差的特异性使HIF-1α抑制剂的抗癌效果不佳，由于HIF-1抑制剂必须溶于血液中抵达癌组织达到杀灭肿瘤的目的，但其化合物较差的水溶性以及细胞毒性限制了其使用。这类药物尚需进一步的研究，仍需提供有效的结构信息改善其生物学特性以找出更多的HIF-1α抑制剂并将这类药物投入临床试验。

3.3 HIF-1α与膀胱癌的预后 缺氧是膀胱癌微环境的基本特征之一，HIF-1α是癌细胞缺氧适应的主要调节因子，功能涉及膀胱癌的代谢、血管生成和转移等方面，在膀胱癌的恶性进展及不良预后中发挥重要作用。大多数学者认为HIF-1α在癌组织中的聚集和肿瘤预后呈负相关，Christiaansen等[19]的研究认为HIF-1α的高表达和肿瘤的坏死密切相关，在晚期膀胱癌中坏死率明显升高(T3、T4期的肿瘤达到70%)，而且膀胱癌的放疗在低级别(T2)时会更加有效，提示HIF-1α为肿瘤的手术治疗和预后提供重要的信息。李然伟等[20]的研究认为HIF-1α在膀胱癌组织中的表达率明显高于正常组织(P＜0.01)，且随着癌细胞病理分级的增加其表达水平上升。此外，HIF-1α与HREs基因稳定结合后引起的肿瘤血管生成、糖代谢加强和促红细胞生成素的增加均会导致肿瘤的生存、增殖、进展和远处转移[21]，因此HIF-1α的累积和患者的不良预后和较低的无病生存率都有关联。肿瘤缺氧在临床具有重要的意义，HIF-1α作为关键的调节因子作用于各个环节，但是目前对于缺氧的常规检验并不普遍，因此限制了HIF-1α在临床中的实际应用。

4 展望

组织缺氧是众多的实体肿瘤普遍存在的一种现象，至今仍然是肿瘤研究的主要问题。缺氧诱导因子HIF-1α的高表达参与了众多重要的细胞信号转导途径和肿瘤的恶性转化。膀胱癌是泌尿系统最常见的恶性肿瘤，研究证实HIF-1α亦在膀胱癌的发生、发展、侵袭、转移中起到了关键的调节作用，HIF-1α有望成为了一个新的抗肿瘤治疗的靶点。随着研究的进一步深入，HIF-1α的靶向治疗及其抑制剂的研究有望改善膀胱癌患者对放、化疗的敏感性，降低死亡率及提高患者的生存质量。

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R737.14

A

1003—6350（2015）11—1640—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.11.0586

2014-10-29)

湖北省自然科学基金(编号：2011CDB328)

董自强。E-mail：dzq8678@126.com