低氧微环境与非小细胞肺癌关系的研究进展

张艳苗 顾玉海

低氧微环境与非小细胞肺癌关系的研究进展

张艳苗1顾玉海2

肺癌在当今世界上是最高发且死亡率最高的恶性肿瘤之一，其中非小细胞肺癌所占的比例约为85%[1]。非小细胞型肺癌从组织类型上可分为：大细胞癌、腺癌、鳞状细胞癌，比小细胞肺癌生长分裂较慢，扩散、转移都相对较晚。低氧是肺癌细胞的物理微环境之一,可以引发肺癌细胞中信号通路产生变化，进一步促进肿瘤转移以及促进血管产生,它是决定恶性肿瘤预后的重要因素之一。研究表明, 由于肿瘤在生长过程中，肿瘤细胞的增生速度较快,导致其始终处于低氧微环境之中，而低氧可诱导分泌各种细胞因子，这些细胞因子可通过特定的信号通路来调节微血管生成，使肿瘤细胞获得足够的营养物质，并得以增殖、转移。本文对近年来低氧微环境与非小细胞肺癌相关性的研究进展进行阐述。

低氧微环境的概述

肿瘤低氧的概念是在肺癌的研究中首次被提到的。低氧是指组织内氧分压降至临界值以下或可有效利用氧减少的一种状态，机体各组织器官中的氧分压应低于标准大气压(160 mmHg)，且各器官低氧标准不尽相同，由低到高依次为：脑24mmHg、心25 mmHg、脾66 mmHg，肺110 mmHg[2]。在1955年肿瘤低氧现象首次被人类发现, David[3]等在1996年首次发现低氧微环境对人类肿瘤远处转移有着极其重要的影响。此后，人们从未间断对低氧微环境的研究，Le等[4]于2006在肺癌患者体内发现了肺癌组织低氧微环境的存在，这是人类最早找到低氧微环境在肺癌组织中存在的证据的研究。后续的研究发现，大部分肿瘤组织内都存低氧微环境，低氧可以对肿瘤细胞中调控因子的产生起到一定的作用，并在表达调控下游靶基因的进程当中，进一步促进肿瘤的发生和发展[5]。研究表明，低氧诱导产生的低氧诱导因子(hypoxia-induced factors，HIFs)在肿瘤低氧微环境中发挥的作用最为突出，在肿瘤组织的低氧区域调节基因转录，诱导下游基因的表达，使肿瘤细胞更能适应低氧环境，并获得更强的增殖和转移能力，对放、化疗不敏感，并影响到肿瘤的预后[6]。

低氧微环境与非小细胞肺癌的转移

非小细胞肺癌(non small cell lung cancer，NSCLC)的转移过程受到多种微环境的影响，其中低氧微环境起着举足轻重的作用。肺癌的转移是个多步骤的复杂过程，首先是部分细胞脱离原位肿瘤组织，侵袭进入血管，然后血液循环将其运送到转移灶，通过各种微环境形成新生血管，从而导致了新的肿瘤的产生。新生血管生成的过程也比较复杂，通常是由促进血管生成的因子和抑制血管生成的因子相对水平决定[7-8]。一方面，低氧微环境作为肿瘤发生恶性转移的一种启动因素[9]，可使抗凋亡能力强的肿瘤细胞得以生长，低氧还可导致肿瘤细胞遗传基因表达不稳定，激活相关的促血管因子，进一步加速肿瘤新生血管的形成，并且可以上调致癌基因的表达，从而使肿瘤细胞向远处转移的可能性增加。另一方面，低氧作为新生血管生成的一种促进因素，通过HIF信号通路上调一系列促进血管生成的因子表达，引发新生血管的形成，进而促进恶性肿瘤组织的侵袭、转移、黏附[10]。低氧还能通过下调细胞间黏附分子的表达来促进肿瘤的转移[11]。低氧对肺癌的发展和恶化有着更重要的促进作用，还表现在低氧条件下脂质、蛋白质及核苷的合成水平升高，为细胞的快速生长和过度增殖提供了物质保障。这也使得肿瘤细胞对抗凋亡、衰老以及向远端侵袭转移的能力也得以增强[12]。

低氧微环境对非小细胞肺癌作用的可能机制

低氧微环境促进NSCLC转移的机制是多方面的，可涉及可涉及HIFs、VEGF、脯氨酸羟化酶、Notch信号通路以及上皮细胞-间充质转化等多种调控因子，这些因子均在低氧微环境中对肺癌的发生发展扮演着重要角色。其中HIFs是低氧状态当中，诱导产生的最核心的细胞因子，它不仅可以直接参与到肿瘤的血管生成，更重要的是可以调控其下游的靶基因或细胞因子，使它们在肿瘤血管形成中发挥巨大作用，HIFs对VEGF、PHD、Notch等的表达都有着一定的调节作用。

一、HIF在肺癌组织中的作用

从 1992年了解到低氧诱导因子1(HIF-1)之后，到了1997年左右，又进一步发现了HIF-2以及HIF-3， 如今的观点是，在HIF体内可能有一个家族(HIFs)的存在。如今已经了解到的HIFs家族成员HIF1、HIF2以及HIF3都有着如下特征： ① 都包含了α和β亚基，都来自于不同的亚基二聚体转录因子，而在这个过程中α亚基属于低氧调控当中的一项重要亚基(HIF1-α、HIF2-α和HIF3-α)，HIF1-β亚基对低氧不敏感；②低氧均可诱导HIFs的转录、翻译和活性，HIFs在体内介导的病理和生理过程，首先要和目的基因的缺氧应答元件(HRE)结合才能调节目的基因的表达。低氧诱导因子1α(HIF-1α)对调节癌细胞耐受适应缺氧的微环境起着不可替代的作用[13]。在常氧环境中，HIF-1α被羟基化，其蛋白表达水平较低，故几乎不会发挥作用。低氧环境中下，HIF-1α变得稳定并且和HIF-1β共同调节下游基因的表达活性，从而促进的转录复合物的形成，而这些转录复合物是肿瘤细胞存活和入侵所必需的[14]。另外，有研究表明，HIF-1α 能够降低β-链接素(β-catenin，β-cat)以及上皮型钙粘素(E-cadherin，E-cad)在微环境中表达，在细胞粘附方面有比较大的作用。基质金属蛋白酶则在肿瘤细胞转移过程中起着一定的作用，HIF-1α 在某种状况下可能会导致MMPs 表达产生变化，进一步对实体性肿瘤转移起到促进效果[15]。

二、 脯氨酸羟化酶在肺癌中的作用

脯氨酸羟化酶(PHD)家族有PHD1、PHD2和PHD3三个成员，在低氧条件下发挥降低抑癌蛋白HIF的作用。PHD属于氧感受器,它通过羟基化HIF-1α中的脯氧酸残基进一步对HIF-1α水解起到促进作用，从而对HIF-1α当中所具有的蛋白水平加以控制。低氧条件下PHD的活性会有所降低,HIF-α无法被羟基化，从而不能被pVHL识别、结合、降解，进一步造成HIF聚集，对血管当中的生长因子、转运蛋白以及促红细胞生成素(EPO)等方面的基因表达起到一定的促进作用，使其真正加入到细胞代谢以及血管生成的进程当中[16]。从大量的研究中可以了解到，PHD3在非小细胞肺癌低氧环境中发挥着主要调节作用，在低氧状态当中，HIF-1α能够进一步对PHD3 mRNA转录起到一定的作用，而且在这个过程中通过siRNA抑制HIF -1α的作用，进一步让PHD3表达得以降低。所以在这种情况下，HIF -1α蛋白的表达在非小细胞肺癌组织当中，相对癌旁正常肺组织比较高,这往往是进一步造成 PHD3 mRNA 表达提升的关键因素。

三、Notch在非小细胞肺癌中的作用

Notch基因最早发现于果蝇残翅，Notch信号通路的组成包括：受体、配体和DNA 结合蛋白，Notch信号通路的信号传递是通过其受体配体结合而进行的[17]，Notch相关靶基因经常表达于非小细胞肺癌低氧微环境中。Notch1、Notch3、HES-1 在非小细胞肺癌中，表达较常见。Chang等[18]证实，Notch3在NSCLC中阳性表达为40%，肿瘤敏感基因101(SG101)蛋白下调与Notch3上调有着密不可分的关系，在这个过程中，会有较多的Notch3参与肺癌细胞的增殖、转移过程。还有研究发现Notch3的过量表达能与19号染色体短臂上的易位有关。低氧还可诱导Notch1某些区域和激活 Hes-1，来上调Notch1 信号通路，使相应细胞处于对Notch1 核糖核酸干扰剂敏感状态，从而促进肺癌细胞的生长[19]。依照相关研究，DLL4 属于 Notch 信号转导通路进程当中的一项关键因素，在DLL4-Notch 信号传递的过程中有着较为重要的作用[20]，DLL4 还与胚胎早期新生血管之间有着较为密切的关系，属于新生血管当中一种上调的表现方法。最新研究显示，DLL4 在 NSCLC 组织当中相对其他正常组织而言，阳性率相对较高，也就是说DLL4的表达与NSCLC的发生机制之间存在一定的关系，在这种情况下，能够将DLL4当做一种指标，对NSCLC预后的相关内容进行判断。

四、低氧微环境可诱导产生血管内皮生长因子

内皮生长因子(vascularendothelial growth factor，VEGF)是一种作用于血管内皮的细胞因子，在肺癌发生时，血管内皮生长因子(VEGF)在肿瘤内的血管供应中起着重要的作用[21]。其蛋白的表达位置往往处在肿瘤细胞细胞核核膜周围以及胞质内部周边等浸润区域，可以与血管内皮细胞膜的受体进行结合，从而进一步促进肿瘤内微血管通透性的增强以及细胞数量的增加，使血管得以形成，并与内皮细胞抗凋亡有密切关系[22]。低氧环境中，肿瘤组织中的VEGF表达明显增多，其合成产物也随之增多，可能其原理是低氧微环境通过调节HIF-1α的表达，从而使得VEGF的表达增加。在相关研究中可以了解到，HIF-1α有着对 VEGF 蛋白表达加以促进的效果，能够使肿瘤细胞当中 VEGF 的含量得以提升，并对新生血管产生起到一定的促进作用，让肿瘤生长获得一定的营养物质以及血液供应。有研究发现，肺癌组织中的VEGF与HIF-1α表达呈显著正相关。同时,了解到在肺癌组织中所具有的VEGF、HIF-1α表达水平，这对NSCLC的产生、发展以及预防有重要作用。孟谊等[23]研究发现，VEGF在NSCLC中的阳性表达率为56.3%，明显高于对照组，NSCLC 是与VEGF关系密切的血管依赖性肿瘤，进一步证实了VEGF的高表达促进了NSCLC细胞的生长、新生血管的形成和远处转移。

五、低氧微环境与上皮细胞-间充质转化

低氧微环境在对肿瘤细胞上皮细胞-间充质转化(EMT)进行调节的进程中有较为重要的影响，对肿瘤恶化以及转移有一定的刺激作用[24]。上皮细胞-间充质转化往往属于肿瘤发生转移的重要环节，它是指上皮细胞转化为具有间质表型细胞的一种生物学过程，它的分子生物学特点包括上皮细胞标志物，比如E-黏附蛋白以及盘状球蛋白的缺乏，以及波形蛋白等标志物上调，或者基质金属蛋白酶2提升。有研究发现，HIF-1可以使E-黏附蛋白等方面抑制因子得以活化，并对间质特点基因表达起到一定的促进作用，从而让肿瘤细胞骨架的弹性得以增强，进一步使细胞间黏附力减弱及运动能力增强，更有利于转移。近年来，有科研人员检测了经低氧培养后 A549 细胞球的 EMT 转化标志物表达情况，进一步证实了低氧微环境中生长的A549多细胞球体比常氧条件下的 A549 多细胞球体具有更强的转移能力。

低氧微环境与非小细胞肺癌的治疗

目前 NSCLC 的综合治疗效果及远期预后均不理想，实体肿瘤在缺氧环境中抵抗放、化疗， 靶向低氧微环境的治疗可改善肿瘤细胞对放、化疗的敏感性，所以，确定参与 NSCLC 进展、侵袭以及转移的基因，寻找合适的作用靶点，进而研发靶向药物，进一步使 NSCLC 的诊治水平得以提升。研究表明榄香烯能够抑制 HIF-1α 在低氧区域的高表达，从而提高低氧肺癌的放疗敏感性[25]。Zhang W等[26]发现采用硫代二酮吡嗪复合物、姜黄素等对 HIF-1α 及下游基因的表达进行抑制，可能使患者对于化疗药物的耐受性降低。吉非替尼作用于低氧的肺癌A549细胞，HIF-1α蛋白表达受到明显的抑制，通过抑制HIF-1α的蛋白表达可能是吉非替尼抗肿瘤作用机制之一[27]，这就是把HIF-1α作为靶点进行研究的原因。Notch信号通路与细胞增殖、分化及凋亡密切相关，该通路不仅可以在肿瘤的发生发展中发挥作用，还与肿瘤耐药密切相关[28]。Notch很可能是对抗肿瘤耐药的新靶点，抑制肿瘤细胞中Notch的活性，有望成为更为优化的的肿瘤治疗方案。有研究表明，VEGF有关的基因转录可能会被HIF-1α所调用，所以在这个过程中可以利用阻断HIF-1α/VEGF 通路，对肿瘤新生血管起到一定的抑制效果，进一步进行抗癌方案的制定，这是一种新的理念和思路,因此在NSCLC的抗血管生成靶向治疗中选择VEGF作为靶点具有重要的临床意义。此外，在肺癌低氧微环境的研究中还会有大量的靶点被发现，其中很多靶点都将为靶向药物的研发提供新思路。

结论与展望

近年来，有关低氧微环境下非小细胞肺癌的研究获得了大量的成果，越来越多的研究表明低氧微环境与非小细胞肺癌有者显著的相关性。低氧微环境可促进非小细胞肺癌细胞的侵袭和转移，而且调节途径是多方面的。了解低氧微环境如何与非小细胞肺癌的发生发展建立联系后，能够发现低氧促进肺癌转移的有利因素，我们可以根据这些因素来确定治疗靶点，研制相应的靶向药物。随着潜在靶点的相继发现，研制多靶点靶向药物将成为医务工作者们奋斗的方向。

[1] 熊飞,唐于平,詹瑧，等.低氧信号转导通路在非小细胞肺癌中的作用[J].中国药理学通报2010,26(10):1264-1267.

[2] Welford SM, Giaccia AJ. Hypoxia and senescence: the impact of oxygenation on tumor suppression [J].Mol Cancer Res, 2011, 9(5): 538-544.

[3] Davi DM, Scully SP, Harrelson JM，et al.Tumor oxygenation predicts for the likelihood of distant metastases in human soft tissue sarcoma[J]. Cancer Res,1996,56(5): 941-943.

[4] Le QT, Chen E, Salim A, et al. An evaluation of tumor oxygenation and gene expression in patients with early stage non-small cell lung cancers[J].Clin Cancer Res, 2006, 12(5): 1507-1514.

[5] Martinengo C,Menotti M,Poggio T,et al.ALK-dependent control of hypoxia-inducible factors mediates tumor growth and metastasis[J].Cancer Res, 2014, 74(21): 6094-7106.

[6] Mimeault M, Batra SK. Hypoxia-inducing factors as master regulators of stemness properties and altered metabolism of cancer and metastasis-initiating cells[J]. Cell Mol Med, 2013, 17(1): 30-54.

[7] Ayne SJ,Jones L.Influence of the tumor microenvi-ronment on angiogenesis[J].Future Oncol,2011,7(3):395-408.

[8] Olkman J,Shing Y.Angiogenesis[J].Biol Chem,1992,267(16):10931-10934.

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

[10] Ballas LK， Hu BR， Quinn DI．Chromoplexy and hypoxic microenvironment drives prostate cancer[J]．Lancet Oncol，2014,15(13):1419-1421.

[11] Chen J, Imanka N, Griffin J D, et al. Hypoxia potentiates Notch signaling in breast cancer leading to decreased E-cadherin expression and increased cell migration and invasion[J]. Br J Cancer, 2010, 102(2): 351-360.

[12] Weljie AM, Jirik FR. Hypoxia-induced metabolic shifts in cancer cells: moving beyond the Warburg effect[J]. Int J Biochem Cell Biol, 2011, 43(7): 981-989.

[13] Ghattass K, Assah R, El-Sabban M, et al. Targeting hypoxia for sensitization of tumors to radio and chemotherapy[J].Curr Cancer Drug Targets, 2013,13(6):670-685.

[14] Po DEL, Jorge CC, Oliveira DT, et al. Hypoxic condition and prognosis in oral squamous cell carcinoma[J]. Anticancer Res,2014,34(2):605-612.

[15] Lee YA,Choi HM,Lee SH,et al.Hypoxia differentially affects IL-1β-stimulated MMP-1 and MMP-13 expression of fibroblast-like synoviocytes in an HIF- 1α-dependent manner[J].Rheumatology (Oxford),2012,51(3):443-450.

[16] Myllyhaqu J, Koivunen P. Hypoxia-inducible factor prolyl 4-hydroxylases;common and specific roles[J]. Biol Chem, 2013,394(4):435-448.

[17] Schwanbeck R.The role of epigenetic mechanisms in notch signaling during development[J]. J Cell Physiol,2015,230(5):969-981.

[18] Chang J, Lu P, Cai C, et al. The Relationship between TSG101 Protein and Notch3 Receptor in Lung Cancer[J]. Chinese Journal of Lung Cancer, 2009, 12(2): 111-116.

[19] Chen YQ, Li D, Liu H,et al.Notch-1 signaIingfaciIitates survivinexpressionin humannon-small cell Iungcancercells[J]. Cancer BioI Ther,2011,11(1):14 -21.

[20] Lv W，Chen L，Zhou D H，et al. Influence of specific blocking of the delta-like ligand 4 /notch signal transduction pathway on the biological behavior of human umbilical vein endothelial cells[J].Cancer Biother Radiopharm,2010,25(4):449-454．

[21] Michalis A,Serafim K,Konstantinos N,et al. The VEGF pathway in lung cancer[J],Cancer Chemother Pharmacol,2013,72(6):1169-1181.

[22] Tatjana B,Martin B,Chen M,et al. Expression of VEGF Splice Variants 144/145 and 205/206 in Adult Male Tissues[J].IUBMB Life,1999,48(4):405-408.

[23] 孟谊，杨杨，樊祥山，等。VEGF、EGFR的表达与非小细胞肺癌生物学行为的相关性[J].现代肿瘤医学, 2015,23(5),633-636.

[24] Scheelc,Ondert,Karnouba,et al.Adaptation versus selection:the origins of metastatic behavior[J].Cancer Res,2007,67(24):11476-11479.

[25] Li G,Xie B,Li X,et al.Down-Regulation of Survivin and Hypoxia-inducible factor-1αbyβ-elemene Enhances the Radiosensitivity of Lung Adenocarcinoma Xenograft[J]. Cancer Biother Radiopharm,2012,27(1):56-64.

[26] Zhang W,Zhang H.Hypoxia-inducible factor-1alpha suppressing apoptosisand increasing tolerance of lung cancer cells to chemotherapy[J].Huazhong Univ Sci Technolog Med Sci,2006,26(5):520-523.

[27] 黄波，甄海宁，鲍敏,等. 肺癌靶向治疗中HIF-1α与自噬的关系[J].肿瘤防治研究, 2014,41(8):888-891.

[28] Wang Z，Kong D，Li Y，et al．Acquisition of epithelial-mesenchymal transition phenotypeOf gemcitabine-resistant pancreatic cancer cells is linked with activation of the notch signaling pathway[J].Cancers,2011,69(6):2400-2407.

10.3969/j.issn.1009-6663.2017.04.047

2014年青海省卫生和计划生育委员会指导项目(No 81360084)、青海省重点专科项目

1. 810001 青海 西宁，青海大学 2. 810007 青海 西宁，青海省人民医院呼吸科

顾玉海，E-mail:qhguyuhai@163.com

2016-11-07]