COX-2/PGE2在肿瘤发生发展和重塑肿瘤微环境中的研究进展*

黎贵芸 冯强 胡雄③ 边莉③

癌症相关炎症（cancer-related inflammation，CRI）在癌症的发生发展中发挥重要作用。甲状腺、肝脏、前列腺、胃肠道和胰腺等脏器的慢性炎症能增加患癌风险［1］。因此，CRI被认为是癌症的“推进器”，也是癌症复发的“导火线”［2］。生理情况下，急性炎症是机体的防御反应，旨在修复组织损伤和消除致病因子，多数情况下对机体是有利的。但是，当炎症调节失控时，有害因子长期存在，急性炎症转变为慢性炎症，可能会增加基因突变的几率、破坏适应性免疫，同时各种炎症介质过度表达，使炎症微环境向肿瘤微环境发展（tumor microenviroment，TME）。TME是由肿瘤细胞及周围基质细胞、免疫细胞、脉管系统、细胞外基质和细胞因子、生长因子、代谢物、微生物菌群等所形成的复杂网络［3］。无论在炎症微环境还是TME中，前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）均是含量最丰富的类花生酸脂质，也是具有免疫调节功能的脂类代谢产物。研究表明，在结直肠癌、胃癌、胰腺癌、乳腺癌、肺癌等恶性肿瘤中环氧合酶-2（cyclo⁃oxygenase-2，COX-2）和微粒体前列腺素E 合酶-1（microsomal prostaglandin E synthase-1，mPGES1）及其代谢产物PGE2表达升高［4］，提示PGE2与这些肿瘤的发生发展密切相关。流行病学研究还发现，抑制PGE2合成的非甾体抗炎药在肿瘤治疗中也取得一定成效［4-6］。

1 前列腺素E2的正常合成与代谢

当组织细胞受到各种非特异性刺激时，细胞膜上的磷脂在磷脂酶A2（phospholipase A2，PLA2）、COX-2、mPGES1等酶的作用下生成PGE2，PGE2也可以通过非酶促方式由PGH2代谢，但速度较慢［7］。细胞内合成的PGE2 被细胞膜上的多药耐药蛋白-4（multiple drug resistance-associated protein 4，MRP4）主动运输到细胞外，在局部环境通过自分泌或旁分泌与细胞表面的PGE2受体（E-prostanoid，EP）结合发挥功能［8］。细胞外的PGE2又可被前列腺素E2转运蛋白（prostaglandin transporter，PGT）重新转运回细胞内，15-羟基前列腺素脱氢酶（15-hydroxyprostaglandin dehydrogenase，15-PGDH）将其氧化为无活性的15-酮式前列腺素E2［9］。因此，15-PGDH、MRP4和PGT在调节细胞内外PGE2的动态平衡中也发挥重要作用。

2 COX-2/PGE2途径相关蛋白表达的临床意义

COX-2/PGE2 及合成途径中的调节蛋白在结直肠癌、肺癌、乳腺癌、头颈癌等恶性肿瘤中的表达量与肿瘤分级、转移、预后不良及降低肿瘤细胞对化疗药物敏感度相关［4，10］。Zhang等［11］在89例卵巢癌石蜡组织样本中发现COX-2的高表达与卵巢肿瘤的分级相关，在肺腺癌中COX-2 表达水平与淋巴结转移密切相关［12］。PGE2 代谢的关键酶15-PGDH 高表达与总生存期（overall survival，OS）和无复发生存期（re⁃currence-free survival，RFS）的改善相关［13］。研究还发现，在神经母细胞瘤、前列腺癌、胰腺癌、上皮性卵巢癌和急性髓性白血病等肿瘤中，PGE2 胞外转运蛋白MRP4高表达与预后不良相关［14-19］，基底样和HER2过表达型乳腺癌中MRP4 的表达水平与乳腺癌的侵袭性相关［13］。在三阴性乳腺癌中COX-2High、MRP4High、PGTLow、15-PGDHLow的表达模式利于TME中PGE2 的积累，这可能是导致三阴性乳腺癌预后不良的重要原因之一［13］。

3 COX-2/PGE2途径在TME中的作用及机制

3.1 微环境中COX-2/PGE2合成的调控机制

大多数肿瘤中的COX-2/PGE2处于高水平状态，受细胞内外多种信号转导途径及因子的调节。据文献报道，激活癌细胞的Braf/MEK［20］、磷脂酰肌醇-3 激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）信号途径可诱导COX-2 表达上调［6］，EPHA2/TGF-β/SMAD/PTGS2［21］、PGE2/RhoC/PTGS2的正向调节环增加癌细胞COX-2/PGE2的表达量［22］。肺癌细胞中N-myc与STAT互作因子（N-myc and STAT interactor，NMI）通过抑制转录共激活因子P300介导的核因子-κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）P50/P65乙酰化来抑制COX-2/PGE2表达［23］。COX-2/PGE2途径除了受癌细胞内部信号通路活化的影响，转录后调控因子微小RNA（microRNA，miR）在PGE2的表达分泌中也十分重要。研究表明，非小细胞肺癌表达miR-574-5p，其GU富集元件（GU-rich elements，GRE）可作为RNA结合蛋白1（RNA-binding protein CUG RNA-binding protein 1，CUGBP1）的诱饵，阻止其与靶基因mPGES-1的3'端非翻译区（3'untranslated regions，3'UTR）结合，导致mPGES-1的3'UTR发生可变剪接生成新的同工型mPGES-1，增加mPGES-1蛋白表达，促进PGE2的表达［24］。此外，COX-2蛋白去糖基化修饰或细胞处于缺氧、垂死状态下也可促进PGE2释放［25-26］。研究还发现，药物也能影响肿瘤细胞COX-2的表达，COX-2抑制剂塞来昔布可反常增加癌细胞COX-2的表达，并通过外泌体将COX-2递送到肿瘤周围的单核细胞中，单核细胞吸收外泌体中COX-2后，增加PGE2的分泌［27］。阿片类药物结合乳腺癌细胞δ阿片受体可激活PI3K/AKT信号通路，上调COX-2的表达［28］。

在TME中，间质细胞、免疫细胞等细胞也存在多种COX-2/PGE2 过表达的调控机制。髓源抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSC）中受体相互作用蛋白激酶3（receptor-interacting protein kinase 3，RIPK3）的下调，增强了NF-κB的转录、上调COX-2的表达和PGE2分泌［29］。在巨噬细胞中，转录因子YY1（yin yang1）与COX-2的启动子区结合可增加COX-2的转录活性［30］。在肿瘤相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts，CAFs）中组蛋白脱乙酰基酶6（histone deacetylases 6，HDAC6）通过信号转导和转录激活子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）途径诱导COX-2/PGE2过表达［31］，见图1。

▶图1 细胞中COX-2/PGE2 合成的调控机制［31］

3.2 COX-2/PGE2直接调控肿瘤发生发展的机制

在TME中，肿瘤细胞及周围免疫细胞均可过表达COX-2，通过自分泌或旁分泌PGE2作用于肿瘤细胞和周围免疫细胞，直接或间接调控肿瘤的恶性生物学行为。在结直肠癌前病变APCmin/+小鼠模型中，PGE2通过结合受体EP1 和EP2 促进cAMP 反应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）调控的转录共激活因子1（CREB regulated transcription coact⁃ivator 1，CRTC1）去磷酸化和核转移，增强CRTC1的转录活性，导致散发性或结肠炎相关的结肠癌发生［32］。外源性诱导人口腔上皮角质细胞（human oral kerati⁃nocyte，HOK）过表达COX-2/PGE2，可促进HOK增殖，同时上调口腔癌相关基因cyclin D1，活化NF-κB和抑制肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）信号传导途径中的相关基因JUN、Toll样受体4（Toll like receptor 4，TLR4）、CXC趋化因子1（C-X-C motif chemokine 1，CXCL1）、白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）、CXCL3、肿瘤坏死因子受体超家族1β（tumor ne⁃crosis factor receptor superfamily 1β，TNFRSF1β）和白细胞介素1β（Interleukin-1β，IL-1β），下调多种肿瘤抑制因子1（multiple tumor suppressor 1，MTS1）的表达，最终促使HOK细胞的恶性转化［33］。COX-2过表达还可驱动癌基因KRAS，从而激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）途径促进肺癌的发生［34］。上述研究表明，TME中的非转化细胞或癌前病变细胞均高表达COX-2/PGE2，以促进慢性炎症疾病向肿瘤发展，提示此类细胞过表达COX-2/PGE2可能是肿瘤发生的早期分子事件。

COX-2/PGE2 途径还能通过重编程肿瘤细胞生长参数、影响肿瘤细胞表型，为肿瘤的增殖、侵袭、转移提供条件。新近研究报道，卵巢癌细胞高表达COX-2、分泌PGE2，与其受体结合后上调NF-κB P65的磷酸化水平，增强卵巢癌细胞的增殖能力［11］。PGE2 与受体EP3 结合后激活SRC 家族激酶（SRC family kinases，SFK），诱导去整合素和金属蛋白酶（a disintegrin and metalloprotease，ADAMs）活化，ADAMs又反过来介导EGFR的配体两性调节蛋白（amphireg⁃ulin，AREG）和表皮调节素（epiregulin，EREG）的脱落，继而使EGFR 从细胞膜释放向核内转移，进入细胞核的EGFR 可延长诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、c-myc、cyclin D1、PTGS2等基因的表达，促进肿瘤细胞增殖［35-36］。垂死肿瘤细胞释放的PGE2作为抑制型损害相关分子模式（dam⁃age associated molecular patterns，DAMPs）抵消激活型DAMPs 的作用，抑制TNF-α 等关键性炎症细胞因子的表达，阻止炎症细胞因子继续对存活肿瘤细胞的攻击，表明PGE2可重塑TME来辅助存活肿瘤细胞增殖［26］。COX-2/PGE2 还可通过激活PI3K 和细胞外信号调节激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）途径诱导肿瘤细胞表达血管内皮生长因子受体（vascular endothelial growth factor receptor，VEG⁃FR）［37］，增强癌细胞的迁移能力；通过激活STAT3、AKT/NOTCH/WNT 等途径或介导CXCR2 信号下调PI3K-P85α 促进癌细胞发生上皮间质转化（epitheli⁃al-mesenchymal transition，EMT）［38-39］；还能激活PKC/MAPK/E2F-1/FoxC2信号通路上调癌细胞中β1-整合素的表达，促进癌细胞侵袭［12］。

3.3 COX-2/PGE2重塑TME间接调控肿瘤发生发展的机制

3.3.1 抑制淋巴细胞抗肿瘤能力 高水平的COX-2/PGE2 不仅能直接调控肿瘤细胞的恶性生物学行为，还可通过阻碍各种免疫细胞中的促炎反应并介导TME 的重编程，使TME 处于免疫抑制状态［40］。研究表明，PGE2诱导CD8+T细胞激活cAMP-PKA途径，使参与维持线粒体和细胞质之间氧化还原平衡的苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartate shuttle，MAS）系统严重受损，下调MAS 中的天冬氨酸及多种酶和中间代谢物含量，致使CD8+T 细胞生长停滞［41-42］，这可能是PGE2 降低TME 中CD8+T 细胞浸润数量的关键机制之一。另外，COX-2 编码基因PTGS2 的mRNA水平与CD8A、CD8B 转录水平及CXCL10、CXCL9 的表达呈负相关［20］，影响CD8+T 细胞的募集。PGE2 还能抑制NK 细胞产生趋化因子CCL5和XCL1，同时下调cDC1细胞中趋化因子受体CCR5和XCR1的表达，抑制细胞毒性T 淋巴、NK 细胞-cDC1 细胞的募集作用及抗肿瘤能力［41］。上述研究表明，肿瘤微环境中高浓度的PGE2可抑制CD8+T细胞、NK-cDC1细胞的募集、增殖，以降低肿瘤周围杀伤细胞的浸润丰度，阻断该途径可能重新增加TME 中细胞毒性T 淋巴细胞或其他杀伤细胞浸润数量，提高免疫系统的抗肿瘤能力。研究还发现，COX-2/PGE2途径可诱导肿瘤细胞过表达程序性死亡蛋白配体（programmed cell death protein ligand 1，PD-L1），过表达的PD-L1 与T细胞表面的程序性死亡蛋白受体（programmed cell death protein 1，PD-1）结合后抑制T 细胞的杀伤作用，介导肿瘤细胞发生免疫逃逸。转录因子YY1 和TGF-β 刺激肿瘤细胞表达COX-2/PGE2 通过诱导癌细胞AKT 的磷酸化来激活PI3K/AKT 途径，进而激活mTOR，促进肿瘤细胞中PD-L1的表达［43］。而抑制转录因子YY1、EGFR、TGF-β 的表达时，COX-2/PGE2的表达也被抑制，进而下调PD-L1的表达［30，44］。

3.3.2 影响巨噬细胞活化状态 TME 中，COX-2/PGE2 还能促进MDSC 和巨噬细胞的募集、迁移和增殖，但是对MDSC和巨噬细胞功能极化的影响尚存争议。经典活化型巨噬细胞M1 和替代活化型巨噬细胞M2分别具有促炎性和抗炎性，NF-κB介导巨噬细胞向M1 型极化［45］，恢复巨噬细胞的促炎功能，而NF-κB 又是COX-2 的反式激活因子，有助于激活肿瘤细胞和巨噬细胞中COX-2 的表达［46］，二者具有相同的信号分子，COX-2参与调节巨噬细胞向M1型极化。有研究认为，COX-2是促进巨噬细胞向M2型极化的调节剂，MDSC 中RIPK3 下调促进了NF-κB/COX-2/PGE2 轴的活化，产生大量的PGE2，促进MD⁃SC 向M2 型巨噬细胞发生极化，同时PGE2 还可进一步降低RIPK3的水平，形成信号正反馈环以进一步促进MDSC的免疫抑制活性和致癌作用［29］。PGE2转运蛋白表达异常可升高细胞外PGE2的水平，肿瘤细胞条件培养基中抑制髓源细胞PGT 和15-PDGH 的表达，增强了MRP4的表达，促进髓源细胞转化为M2型巨噬细胞［47］。在结直肠癌前病变APCmin/+小鼠模型中，COX-2+的肿瘤相关巨噬细胞高表达精氨酸酶（ar⁃ginase-1，Arg-1）、不表达iNOS［48］。也许COX-2 并非巨噬细胞极化的特异性决定因素，但是其可以充当巨噬细胞前期活化的促进剂。

3.3.3 促进血管、淋巴管生成 COX-2/PGE2途径不仅可以通过调控癌细胞自身VEGFR表达促进肿瘤进展，还刺激血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）合成，诱导内皮细胞、CAFs的迁移和分化作用来触发血管内皮细胞和淋巴管内皮细胞萌发，促进肿瘤细胞血管和淋巴管生成［49］。在胶质瘤细胞中阻断COX-2和mPGES-1的作用可抑制AKT磷酸化，通过miR-194-5p和长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）NEAT1的内源性竞争作用降低VEGF、成纤维细胞生长因子-2（fibroblast growth factor-2，FGF-2）、转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）的产生，以阻碍肿瘤血管新生［50］。基质成纤维细胞和成骨细胞表达COX-2和mPGES-1上调PGE2，PGE2与EP4受体结合诱导VEGF、碱性成纤维生长因子（basic fi⁃broblast growth factor，bFGF）、NF-κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）表达，促进肿瘤血管生成，并诱导破骨细胞活化，产生溶骨作用，为癌细胞发生骨转移提供条件［51］，见图2。

▶图2 COX-2/PGE2 途径在TME中的作用及调控机制［51］

3.3.4 对CAFs的影响COX-2/PGE2促进CAFs 表达miR-335介导PTEN蛋白下调，进而促进CAFs 向衰老相关分泌表型（senescence associated secretory phenotype，SASP）发展，该表型的CAFs细胞是癌细胞运动的诱导剂［52］。TGF-β 诱导锌指蛋白SNAIL1 表达触发CAFs产生PGE2，进而增加乳腺癌细胞的侵袭性［53］。小鼠前列腺癌细胞分泌的PGE2，通过激活与催乳素基因PRL 调控序列结合的孤儿核受体4A-类维生素X 受体（orphan nuclear receptor 4A-retinoid X receptor，RXR），诱导肿瘤邻近基质CAFs产生和分泌催乳素，催乳素反过来结合肿瘤细胞上的催乳素受体激活信号通路，从而促进肿瘤增殖［54］。

3.3.5 对干细胞的影响 此外，COX-2/PGE2还能激活肿瘤干细胞（cancer stem cells，CSCs）的干性，Kurto⁃va 等［55］在膀胱癌患者中发现，化疗诱导肿瘤细胞凋亡，随后释放PGE2，共定位技术显示PGE2 主要分布于CSCs周围，用外源性PGE2与经化疗处理的膀胱癌细胞上清分别刺激肿瘤干细胞，二者均能增强CSCs的成球能力。PGE2 与其受体EP4 结合激活PI3K 和MAPK途径导致转录因子NF-κB活化，诱导小鼠结直肠癌CSCs 的增殖并促进肿瘤细胞向肝脏转移［56］。PGE2 通过下调E-钙黏蛋白的表达，促进β-catenin的释放和核易位，核β-catenin 与TCF/LEF 协同激活干细胞多能性关键基因NANOG、Oct4 和Sox2 的表达，恢复CSCs 的干性［57］。另外，caspase 募集功能域的凋亡抑制因子（apoptosis repressor with caspase re⁃cruitment domain，ARC）调控癌细胞产生白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β），IL-1β诱导间充质干细胞（mesenchymal stromal cells，MSCs）表达COX-2、分泌PGE2，PGE2 又以旁分泌的方式作用肿瘤细胞激活β-catenin 信号，刺激癌细胞获得CSCs 表型；同时βcatenin又能上调ARC的表达，癌细胞则在MSCs依赖的ARC/IL-1β/Cox-2/PGE2/β-catenin 信号回路环的保护作用下抵抗化疗［58］。上述研究证实，COX-2/PGE2 途径可通过β-catenin 信号通路激活CSCs 表型、诱导CSCs增殖来保护肿瘤细胞抵抗化疗，促进肿瘤的发生、进展和转移。

4 结语与展望

免疫疗法单药治疗的超进展、肿瘤治疗耐药性是当前肿瘤治疗的难题之一，联合用药是缓解这一难题最快速有效的方法之一。有报道使用COX-2抑制剂依托度酸可抑制M2型巨噬细胞的特性，降低小鼠乳腺癌的肺转移率［59］，COX-2 特异性抑制剂塞来昔布可增强胰腺癌对免疫检查点抑制剂和CD40 激动剂的敏感性［60］。COX-2 shRNA 抑制COX-2 的表达逆转了乳腺癌细胞对吉西他滨和紫杉醇化疗耐药性［61］。另外，肿瘤细胞及周围间质细胞接收自身PGE2 信号刺激的同时也接收周围细胞旁分泌的PGE2，促使TME长期处于免疫抑制状态，了解COX-2/PGE2 途径上下游的调控机制及分子事件，开发COX-2/PGE2途径精准抑制剂，打破该途径造成的免疫抑制状态，再联合使用免疫靶点抑制剂或其他化疗药物，可能会取得较好的抗肿瘤效果。