缺氧在转移前生态位形成中的作用

夏 杰，张 丹，雷 琴，占 玲，王 蓉

(黄冈职业技术学院 医药学院，湖北 黄冈 438002)



缺氧在转移前生态位形成中的作用

夏 杰，张 丹，雷 琴，占 玲，王 蓉

(黄冈职业技术学院 医药学院，湖北 黄冈 438002)

原发肿瘤通过释放肿瘤分泌因子(Tumor-derived secreted factors ，TDSFs)在继发器官募集骨髓来源细胞(bone marrow-derived cells ,BMDCs)，创建一个适合转移肿瘤转移的转移前生态位(premetastatic niches，PMN)，为肿瘤的后期转移做好前期准备。实体肿瘤常因为缺氧而导致不良预后。缺氧是促进PMN形成的重要因素。本文主要介绍了缺氧在PMN形成中的作用机制：缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factors, HIFs)依赖的LOX和LOX-like (LOXL)蛋白表达；缺氧肿瘤细胞释放TDSFs；NK细胞杀伤功能降低。

缺氧；转移前生态位；缺氧诱导因子；肿瘤分泌因子；NK细胞

转移是肿瘤的主要死亡原因[1]，也是导致治疗失败的主要因素。肿瘤转移是一个涉及多步骤的级联反应(metastatic cascade)过程[2]，这个过程在大多数情况下是会失败，因为机体内存在许多障碍，肿瘤细胞必须克服这些障碍才能成功转移。Steven Paget[3]在一个世纪前提出的“种子和土壤”假说。在对735名乳腺癌死者尸检的基础上，Steven Paget提出，肿瘤在患者体内转移不是随机的。他推测，种子(肿瘤细胞)选择定植的土壤(器官)拥有一个适于生存和增值的环境。例如，乳腺癌的常见转移位点是肺、骨、肝、脑、和局部淋巴结。最近的研究证据表明，原发肿瘤在转移发生前可以改变继发器官的微环境，为肿瘤转移进行远程前期准备，以适应肿瘤细胞的扩散。这种转移发生前在继发器官创建的适合肿瘤细胞转移的微环境称为转移前生态位(premetastatic niches，PMN)，这一概念由Kaplan[4]和他的同事在2005年第一次提出。大量临床资料显示缺氧状态与肿瘤的转移、疗效以及预后有关[5]。最新的研究表明，原发肿瘤缺氧也是形成PMN的重要机制。缺氧在大多数体积大于1cm3的实质性肿瘤都会发生[6]。癌细胞在缺氧环境中适应性生存加速了PMN的形成，导致临床转移和恶化。本文主要讨论缺氧在创建PMN中的作用。

1 缺氧反应信号途径

缺氧是一种常见的生理和病理现象，在胚胎发育期快速增殖的细胞以及快速增殖的肿瘤细胞都能观察到缺氧现象。为了应对缺氧，生物有机体形成了一系列的调节机制，在多种调节途径中，缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factors, HIFs) 是最主要的应答细胞缺氧的调节因子，并且与生物体的生长、发育及一些疾病的发病机理都存在着密切的关系。HIF 是由α亚基和β亚基组成的具有转录活性的异源二聚体。哺乳动物一共存在三种HIF-α亚基：HIF-1α、HIF-2α 和HIF-3α[7]。HIF-1α是其中一个研究比较深入的亚基，在动物模型和临床研究中发现HIF-1α与肿瘤生长、新生血管生成、转移有密切关系[8]。在早期淋巴结阴性乳腺癌，HIF-1α过度表达与病人死亡率增加有关[9]。Dales[10]等通过对745例乳腺癌患者的回顾性研究表明，HIF-1α可预测早期复发。

在缺氧环境下，HIF-1(由HIF-1α和HIF-1β组成的异源二聚体转录因子)结合到细胞核内的低氧反应元件，启动大量低氧反应基因的表达[6]。赖氨酰氧化酶(LOX)家族蛋白就是其表达产物之一。HIF依赖的LOX或 LOX样 (LOXL)蛋白已经被证明参与对继发器官细胞外基质(ECM)的改造[11-12]。LOX由缺氧的肿瘤细胞分泌，与纤连蛋白共聚于继发位点，并且在基膜铰链胶原蛋白IV(collagen IV)中促进CD11b+ BMDCs粘附并分泌基质金属蛋白酶2(MMP2)[11]。β-氨基丙腈(β-Aminopropionitrile ，BAPN)是LOX不可逆性抑制剂，Bondareva等[13]，通过心内注射方式在小鼠体内接种表达荧光素酶的人乳腺癌细胞(MDA-MB-231-Luc2 细胞)，分别在注射前一天、注射当天(接种3小时后)用BAPN处理小鼠。结果显示， 注射前一天和注射当天用BAPN处理过的小鼠肿瘤细胞转移率分别减少了44%和27%，全身总肿瘤负荷分别减少78%和45%。这说明LOX在转移前阶段起着至关重要的作用。Wong等[12]将人乳腺癌细胞移植到HIF-1基因沉默的小鼠，结果发现，小鼠胶原蛋白铰链、CD11b+ BMDC募集以及肿瘤细胞的肺转移率都减少。 因此，LOX 和 LOXL蛋白是HIFs上调基因的一部分，也是缺氧促进PMN形成的主要机制，但肿瘤缺氧促进PMN形成的机制并不仅仅限于此，一些促进转移进程的低氧反应目标基因，包括VEGF，TGF-β，MMP2，MMP9，CXCR4和SDF-1[8]都与PMN的形成有直接或间接关系。

2 缺氧肿瘤细胞是TDSFs的主要来源

有研究表明缺氧肿瘤细胞是TDSFs的主要来源。Jaclyn Sceneay[14]等在常氧和缺氧两种环境下培养PyMT-WT 或EO771 乳腺癌细胞，其培养基分别称为常氧脱细胞条件培养基(normoxic cell-free conditioned medium，NCM)和低氧脱细胞条件培养基(hypoxic cell-free conditioned medium ，HCM)。他们将小鼠分别用NCM和HCM处理，随后立即静脉注射Cherry-labeled /PyMT-WT肿瘤细胞或EO771 肿瘤细胞。结果显示，HCM处理小鼠相对于NCM处理小鼠癌细胞转移率增加。这一结果表明，HCM对继发组织微环境进行远程调节，从而支持肿瘤细胞转移。Jaclyn Sceneay[14]等还分析了上述实验HCM中乳腺癌细胞分泌的蛋白质成分，其中单核细胞趋化蛋白(MCP-1，CCL2)、粒细胞集落刺激因子(G-CSF)、肿瘤坏死因子a(TNF-a)、血管内皮生长因子(VEGF)、组织金属蛋白酶抑制剂1(TIMP-1)和基质金属蛋白酶9(MMP-9)显著增高。MCP-1属于CC 趋化因子家族β亚族成员，已知其在炎症和癌症组织中发挥调节、募集炎症细胞的作用。用MCP-1抗体中和HCM中MCP-1，可降低肿瘤转移负荷，而中和NCM中MCP-1，不改变转移负荷。因此，用HCM处理的小鼠显示出更强的乳腺癌转移倾向，部分归因于HCM中MCP-1的存在。所以，缺氧肿瘤细胞产生的TDSFs可以独立启动PMN的形成。

肿瘤缺氧诱导多种TDSFs产生，但不同肿瘤起源细胞系表达不同缺氧基因。例如，Jaclyn Sceneay[14]等用EO771 和 PyMT-WT两种乳腺癌细胞系分析其HCM分泌的各种因子，发现它们分泌的缺氧TDSFs差异性很大。另外，Kowanetz[15]等通过对比研究转移性和非转移性乳腺癌细胞系，也证实了TDSFs的差异性产生。因此，即使在同一器官的不同癌细胞系之间，产生TDSFs的种类是不同的，所以也无法归纳出一套促PMN形成的TDSFs谱。

3 缺氧降低自然杀伤细胞(NK细胞)的功能

NK细胞是一种天然免疫淋巴细胞，对靶细胞的识别无MHC限制性,无需预先致敏即可直接杀伤肿瘤细胞，也可分泌细胞因子调节其它免疫细胞的功能。研究表明，肿瘤组织中浸润的NK细胞与健康人体NK细胞相比，其杀伤能力显著下降[16]。外周血中NK细胞的活性与患癌风险呈负性相关，NK细胞活性越低，患癌风险则越高[17]。NK细胞通过释放穿孔素和颗粒酶B调控凋亡，死亡受体介导的靶细胞凋亡，细胞因子介导的杀伤作用，ADCC介导的杀伤作用等机制杀死靶细胞[18]。NK细胞表面分子CD11b和CD27的表达反应NK细胞的不同状态，CD11blow/CD27low表现出不成熟的特征，并且具有向其它亚群分化的能力，CD11bhigh/CD27low表现出成熟的特征，是主要的杀伤细胞[6]。NK细胞作为先天免疫的效应淋巴细胞，在癌症病人和肿瘤负载小鼠体内的杀伤能力下降[8]。

Jaclyn Sceneay[14]等在NCM处理和未用NCM处理的小鼠体内都观测到成熟NK细胞增加的现象，但在HCM处理小鼠体内观测到大量不成熟的CD11blow/CD27lowNK细胞，并推测PMN的形成部分归功于HCM来源因子(HCM-derived factors )抑制了NK细胞的分化。为了验证HCM处理小鼠肿瘤细胞转移率增加是由其NK细胞功能降低所致，Jaclyn Sceneay[14]等用抗去唾液酸神经节苷脂抗体(anti-asialo-GM1)去除小鼠NK细胞，在注射Cherry Cherry-labeled /PyMT-WT肿瘤细胞后，NCM /anti-asialo-GM1处理小鼠与同型HCM处理的小鼠相比较，肿瘤转移负荷没有明显差异。NCM/ anti-asialo-GM1处理小鼠相对于同型NCM处理的小鼠，肿瘤转移负荷显著增加。这些数据提示，NCM处理小鼠的相对低转移负荷，归功于NK细胞的抗肿瘤活性；而HCM处理小鼠的相对高转移负荷是由NK细胞功能降低所致。因此，缺氧肿瘤细胞释放因子可以导致NK细胞成熟障碍，功能低下，为肿瘤转移创造了有利条件，是促进PMN形成的重要因素。

综上所述，肿瘤细胞在转移前就在继发器官创建了一个适宜的转移前生态位，为转移做好前期准备。缺氧是实质性肿瘤在增殖过程中常见的病理现象，缺氧也意味着肿瘤的不良预后。缺氧在PMN形成的过程中发挥重要作用，为肿瘤的转移提供便利。抗血管生成治疗是当前肿瘤治疗的常用手段之一，但有研究表明，抗血管生成治疗可能导致肿瘤进一步恶化，因为抗血管生成治疗可创建一种缺氧环境[19]。Hartwich[20]等利用低剂量拓扑替康( topotecan)抑制 HIF-1α，在小鼠模型中增强了抗血管生成疗法治疗肿瘤的疗效。因此，针对肿瘤缺氧及其下游调节因子的治疗方法，是一个有前景的肿瘤治疗手段。低氧在PMN形成各环节的详细机制，值得深入研究。

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[责任编辑：曾 华]

2017-03-11

夏 杰，男，湖北黄冈人，主治医师，讲师。研究方向：生物化学教学及研究。

R73-37

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1672-1047(2017)02-0087-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.02.24