缺氧诱导因子在胰腺癌中的研究进展

叶 林，汤志刚

(武汉大学人民医院普外科，武汉 430060)

胰腺癌是常见的消化系统恶性肿瘤，早期临床症状不明显，无特异性检测方法，诊断极其困难，且病情进展迅速，大多数患者就诊时已发展为中晚期局部进展性胰腺癌，约40%的患者就诊时已失去手术机会，且化疗、放疗效果欠佳，故胰腺癌患者预后不良。在西方发达国家，胰腺癌的发病率位于消化系统肿瘤的第10位，是第4位的肿瘤相关致死因素，确诊后5年生存率<5%[1]。目前，中国胰腺癌的发病率已由20世纪的第20位上升到第7位，病死率升至恶性肿瘤的第6位[2]。与其他肿瘤不同，胰腺癌的发病率及病死率呈明显上升趋势，因此胰腺癌一直是国内外学者研究的热点，寻找新的诊断和治疗方法迫在眉睫。随着分子生物学的迅速发展，基因检测技术逐步应用于临床，胰腺癌发生、发展、转移和治疗的分子和基因水平研究取得初步成就，进一步揭示了胰腺癌的发病机制。大量研究表明，缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)在胰腺癌的发生发展、浸润转移、药物抵抗及预后等方面发挥重要作用[3-5]。现就HIF在胰腺癌中的研究进展予以综述，以提高对胰腺癌的认识和诊疗水平。

1 HIF概述

HIF是一种异二聚体转录因子，属于PAS(Per/Amt/Sim)结构域家族，由HIF-α和HIF-β两种基本的螺旋-环-螺旋蛋白组成[6]。HIF二聚体可以与缺氧反应原件中的核心DNA序列(G/ACGTG)特异性结合，许多功能基因都含有缺氧反应原件，这些靶基因参与缺氧引起的系统性反应(如血管生成和红细胞生成)以及细胞反应(如葡萄糖/能量代谢的改变)，可见，HIF可调控靶基因的表达并影响其功能[7-11]。HIF的功能活性主要受α亚基转录后修饰及稳定性的调控。常氧条件下，HIF-α亚基与多聚羟化酶结合而被水解，暴露脯氨酸残基，而被泛素蛋白酶体降解；细胞缺氧时，α亚基的降解活动显著减弱，在细胞中大量积聚，细胞中的HIF-α水平明显增高；HIF-β亚基作为组成型核蛋白，在转录中具有进一步的作用。

HIF-α存在3种功能形式，每种都由不同的基因编码。HIF-1α和HIF-2α具有相似的结构域和类似的功能，但Keith等[12]的研究发现，HIF-1α和HIF-2α虽具有促进疾病发生的功能，但发挥功能的疾病阶段不同，HIF-1α在肿瘤早期阶段及炎症急性期发挥重要作用；而HIF-2α更侧重于肿瘤晚期阶段及炎症慢性期，甚至在特定的情况下它们的功能截然相反。目前，已知HIF-1α的作用方式主要有：①HIF-1α直接与靶基因5′端的顺式作用元件结合；②HIF-1α通过蛋白之间的相互作用，与已结合在靶基因的顺式作用元件的蛋白相结合，间接调节靶基因的表达；③HIF-1α可诱导其他调控靶基因转录因子的表达。目前对HIF-2α的研究处于探索阶段，其调节方式尚未完全清楚。对HIF-3α的认识更少，部分学者认为HIF-3α可能在抑制HIF-1α和HIF-2α的功能中发挥作用[13]。

2 HIF与胰腺癌的关系

氧气和营养物质作为细胞生长的必要条件，决定其形态和功能。伴随实体肿瘤的快速增长，氧气及营养物质的需求不断增加，导致肿瘤出现缺血缺氧的微环境，而缺氧又引起HIF在肿瘤组织中大量积累，因此，在实体肿瘤中，HIF水平普遍增高，胰腺癌作为乏氧性肿瘤也不例外。HIF水平的升高与胰腺癌的发生进展、浸润转移、预后及药物抵抗密切相关。

2.1HIF促进胰腺癌的发生发展及浸润转移 胰腺癌组织中HIF-1α水平明显增高上调了某些参与缺氧反应的蛋白质水平，如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、葡萄糖转运蛋白1、细胞生存蛋白；同时，还参与肿瘤的炎症反应，但确切的分子机制尚未明确。Li等[3]通过分析HIF-1α、化学趋化因子和巨噬细胞表面抗原68之间的关系，从炎症反应水平说明了HIF-1α与胰腺癌发生的关系，揭示了HIF-1α具有促进化学趋化因子分泌的功能，在肿瘤部位召集大量的单核/巨噬细胞，加速胰腺星状细胞的活化，导致胰腺导管腺癌原位发生炎症及纤维化。进一步基因层面的研究发现，HIF-1α通过激活趋化因子受体1基因的表达，促进胰腺癌细胞的趋化迁移，在胰腺导管腺癌的侵袭进展中发挥作用，而HIF-2α未表现以上作用[4]。由此可见，HIF-1α与HIF-2α致病机制不同，需单独进行研究。蛋白水平对HIF-1α与胰腺癌发生关系的研究表明，HIF-1α与VEGF、葡萄糖转运蛋白1的水平呈正相关，与生存蛋白的水平无关，HIF-1α可通过调节胰腺癌组织中VEGF和葡萄糖转运蛋白1的含量来促进癌症的发生[5]。同时，Toll样受体4作为HIF-1α上游的蛋白受体，在胰腺癌中高表达，并与HIF-1α协同促进胰腺癌的进展，在蛋白质相互作用中阐释HIF-1α促进胰腺导管腺癌发生的机制[14]。

细胞层面的研究表明，HIF-1α可与干细胞因子基因启动子区域的缺氧反应元件结合，激活干细胞因子的转录活性，促进胰腺癌的进展[15]。胰岛素是胰腺内分泌功能的重要产物，有研究表明，胰岛素可与HIF-1α协同提高胰腺癌细胞的能动性，在胰腺癌细胞的浸润转移中发挥重要作用[16]。此研究结论应引起高度重视，胰腺癌手术患者术后胰岛素分泌不足，血糖升高是常见术后并发症，根据以上研究结论，补充胰岛素治疗可增加癌细胞的转移，术后胰岛素治疗会加速患者病情进展，因此，迫切需要进行胰岛素对癌细胞转移影响的进一步临床研究。

近年来，随着对HIF-2α研究的不断深入，HIF-2α与胰腺癌的关系逐渐被人们认识，胰腺癌HIF-2α明显升高也得到普遍认可。Li等[17]对比胰腺癌组织和正常组织的研究发现，胰腺癌组织中HIF-2α水平明显增高，可能通过激活磷脂酰肌醇-3-激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路，促使非经典途径的谷胺酰胺代谢而发挥作用。另有研究认为，HIF-2α通过促使上皮-间质转化，导致细胞失去极性，恢复干细胞特性，从而增强肿瘤细胞侵袭能力；并认为HIF-2α具有促进血管生成，提高有氧酵解的功能，可能与VEGF及葡萄糖转运蛋白1的功能相关，但具体机制有待进一步研究[18]。Zhang等[19]进一步体内实验证实，HIF-2具有致癌基因作用，其表达与钙黏素、波形蛋白和细胞表面抗原31相关，而未发现HIF-1α的此作用，在基因水平也明确了HIF-2α具有促进肿瘤发生的作用。以上研究表明，HIF-1α和HIF-2α在胰腺癌细胞系和胰腺癌组织中都高表达，已被学者广泛接受，但其作用机制尚未达成统一认识。综上所述，HIF与胰腺癌的关系不仅表现在基因水平，还与蛋白质间的相互作用有关，HIF及其作用途径有望为胰腺癌的诊断和治疗带来希望。

2.2HIF与胰腺癌预后 临床上，胰腺癌HIF表达水平明显升高主要用于评估患者预后。大量研究表明，HIF-1α可以作为判断胰腺癌生存率的重要指标[5,14,20]。有研究通过免疫组织化学技术检测58例胰腺癌患者和20名正常人体的组织样本发现，HIF-1α、VEGF及葡萄糖转运蛋白1水平明显升高；同时,处于局部进展期或发生淋巴结转移的患者与未发生者相比，HIF-1α、VEGF及葡萄糖转运蛋白1水平也明显增高；Cox回归分析提示，HIF-1α是评估胰腺癌患者预后生存期的独立标志物，进一步对比诊断后短期生存(<6个月)和长期生存(6～60个月)患者组织中HIF-1α水平发现，其评价预后的特异度为87.1%，灵敏度为55.6%，反映了HIF-1α对患者诊断后生存时间评估的重大意义[20]。Zhang等[14]通过扩大样本例数比较HIF-1α表达与胰腺癌患者临床病理特征之间的关系发现，虽然HIF-1α表达水平与胰腺癌患者的年龄、性别、肿瘤部位及分化程度无关，但与肿瘤的大小、淋巴结转移、静脉侵袭及临床分期密切相关。上述研究认为，HIF-1α的表达与患者临床病理特征有关，影响患者的生存期，并用定量数据加以解释，充分强调了HIF-1α在胰腺癌预后评估中的意义。

除HIF-1α外，HIF-2α也能作为评估胰腺癌患者诊断后生存期的标志物。有研究发现，HIF-2α水平与肿瘤分化、临床分期及淋巴结转移密切相关，而与患者性别、年龄、肿瘤位置及大小无关，与HIF-1α对患者预后的影响高度一致，仅在肿瘤分化和大小方面存在差异[18]。随后，进一步的研究发现，HIF-2α调节血管内皮钙黏素与TWIST-1基因启动子的结合，导致形成胰腺癌组织血管生成拟态，促进癌症发生；多因素分析结果显示，HIF-2α水平是胰腺癌患者预后的独立影响因素[21]。定性分析HIF-2α与影响预后的临床病理特征之间的关系，形成初步的认识后，再运用科学严谨的统计学方法可提高其在胰腺癌患者生存期估计中的可信度。

2.3HIF与胰腺癌的药物抗性 血管生成在肿瘤的快速生长过程中发挥重要作用，为肿瘤细胞提供必要的营养物质和氧气，同时也是化疗药物到达肿瘤部位发挥作用的重要途径。化疗药物在胰腺癌(乏氧性实体肿瘤)的高效集聚尚有待进一步探究。研究表明，HIF-1α阴性的移植肿瘤则对放疗及化疗(顺铂、依托泊昔)的敏感性大大增强[22]。放疗进一步激活肿瘤细胞中HIF-1α的活性，增加VEGF释放，促进肿瘤血管生成，导致肿瘤对放疗不敏感。Harashima等[23]发现，HIF-2α可通过调节生存素的表达控制胰腺癌细胞系对肿瘤坏死因子凋亡相关配体的敏感性，若用小干扰RNA抑制HIF-2α表达，生存素的水平也会降低，从而提高胰腺癌细胞对凋亡相关配体的敏感性，促进癌细胞凋亡，可见HIF-α对药物、放疗及具有杀灭癌细胞功能的物质发挥功能起拮抗作用。

3 胰腺癌治疗的新方向

HIF在胰腺癌发生发展、浸润转移、药物抵抗及预后中发挥重要作用，但作用机制尚未明确，涉及蛋白质间的相互作用及基因表达的调控，并不是单基因一条通路能完成的过程，而是多基因、多阶段的连锁反应。通过抑制胰腺癌发病过程的重要分子HIF，达到控制癌症发生、进展的目的。

Sibenaller等[24]研究发现，细胞外超氧化物歧化酶可清除非线粒体中的过氧化物，抑制胰腺癌细胞生长，其机制可能是细胞外超氧化物歧化酶过表达破坏细胞内的氧气/过氧化物平衡，从而作用于信号传导通路的氧化还原反应，抑制癌细胞增殖。细胞外超氧化物歧化酶不仅抑制胰腺癌细胞中HIF-1α的表达，同时也会降低VEGF的水平，表明HIF-1α及VEGF都受到细胞外抗氧化酶——超氧化物歧化酶的调控，生物合成或从其他动植物中提取细胞外超氧化物歧化酶应用于临床，为胰腺癌患者的治疗带来了希望。非编码核糖核苷酸(miR-142)在胰腺癌组织及胰腺癌细胞系中表达水平都增高，miR-142/HIF-1α信号轴参与调节癌细胞的增殖侵袭，并与胰腺癌的病理分期和淋巴结转移密切相关，miR-142是一种长度约20个核苷酸的单链RNA，针对其设计互补的核苷酸片段，达到抑制癌细胞增殖转移的目的[25]。

另有研究显示，脯氨酸羟化酶过表达可抑制HIF-1α及VEGF的表达水平，阻断HIF-1α通路和血管生成，延缓胰腺导管腺癌患者的病程[26]；负显性的HIF-1α通过抑制葡萄糖代谢阻断胰腺癌的形成过程[27]；长链非编码RNA(ENST00000480739)[28]、大黄素和大黄酸[29]、胺氮双环酮[30]等通过抑制HIF-1α的水平及其信号通路达到延缓胰腺导管腺癌病理过程的目的。无论是蛋白质间的相互作用，还是基因表达水平抑制HIF的表达，或中药的开发使用都是基于胰腺癌发病机制基础上更深一步的探究，并有望实现突破。

吉西他滨作为常用的化疗药物，广泛应用于胰腺癌患者。有研究发现，与单独吉西他滨治疗胰腺癌动物相比，HIF-1α的靶向药物联合吉西他滨能显著延长原位癌动物的生存期；同时，在细胞系水平，HIF-1α抑制剂PX-478联合吉西他滨能显著提高其抗肿瘤细胞增殖的作用[31-32]。胰腺癌中HIF-2α的相关研究较少，仅发现生存素抑制剂YM155能促进胰腺癌的凋亡，并抑制胰腺癌的进展[23]。

4 小 结

胰腺癌是一种常见的恶性程度极高的消化系统肿瘤，号称“癌中之王”。胰腺癌的发病率和死亡率逐年上升，早期主要的生物学特征是神经浸润，癌性疼痛伴随病程始终，严重影响患者的生存质量，但发病机制尚未明确，HIF-1α和HIF-2α在胰腺癌的发生发展、浸润转移、药物抵抗中均发挥重要作用，并可作为评估患者预后的重要指标。近年来，靶向治疗为癌症的治疗带来了希望，HIF作为一种新型小分子物质，针对其作用途径寻找有效抑制物成为胰腺癌治疗的新方向。