分子影像学与肿瘤乏氧（一）：肿瘤乏氧机制

李周雷 张祥松

什么是乏氧

乏氧通常是指生理组织的氧气水平低于正常水平（＜5～10 mmHg）。肿瘤缺氧是恶性肿瘤的标志，是肿瘤微环境共同具有的重要特征。这是当肿瘤生长期间由于细胞增殖超过新血管生成而发生的氧气输送与消耗失衡造成的，乏氧导致肿瘤中的氧气含量非常低（＜5 mmHg，健康组织中为40～60 mmHg）［1］。缺氧通常可分为：（1）由于血流不足引起与灌注有关的（急性）缺氧；（2）由扩散距离随着肿瘤扩张而增加引起与扩散有关的（慢性）缺氧；（3）贫血性缺氧引起氧气运输能力的降低［2］。后两者缺氧方式相对稳定，而急性缺氧程度可能会在短时间内改变。癌细胞通过引起细胞死亡或促进细胞存活，对降低的氧浓度进行不同反应，主要取决于缺氧时间。

Thomlinson 等［3］在1955 年首次提出了人类肿瘤中慢性乏氧的发生机制。慢性缺氧，也称为扩散受限缺氧，是由于靠近血管的细胞消耗大量氧气导致远离血管的细胞的氧气不足（毛细血管＞100 μm）而引起的［4］。较大的肿瘤会加剧慢性低氧产生而导致长期的细胞变化，例如高频率的DNA 断裂、DNA 复制错误，引起基因不稳定导致变异［5,6］。

Brown 等［7］率先发现了第二种缺氧形式：急性缺氧。急性缺氧是短暂或者短期的缺氧（数分钟至72 h），是由于肿瘤灌注波动引起的，伴随着肿瘤中存在功能和结构缺陷的血管网络（过度扩张、高通透性、曲折和破裂）而生，并伴有细胞外基质的高间隙压［8］。另外，由血块或肿瘤栓塞引起的暂时性血管闭塞也可伴有急性缺氧［9］。急性缺氧可导致高水平活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成，从而造成细胞损伤［10］，引起细胞自身氧化代谢的降低和细胞自噬的激活［11,12］。缺氧也可导致癌细胞对放射治疗抵抗力的增加［10,13］，诱导自发转移［14-16］以及由于DNA 损伤引起基因表达不稳和过多的p53 依赖性细胞凋亡［17,18］，导致侵略性肿瘤表型产生。

乏氧代表了一种独特的肿瘤易感性，无论慢性还是急性肿瘤缺氧都能通过影响肿瘤的生长、转移和对抗癌治疗的抵抗，直接影响临床抗癌疗效。因此，乏氧机制可在日益兴起的个性化医学策略中得以利用［19］。

乏氧的生物学意义及临床应用

肿瘤乏氧常见于实体瘤中，肿瘤细胞在缺氧情况下会通过激活不同的信号通路而继续存活，从而导致大量的时间或空间异质性变化［19］。实际上，在恶性肿瘤生长期间，低氧区域与遗传性状的不稳定增加，导致更具转移风险及侵略性的表型肿瘤。同时，乏氧会致使肿瘤对癌症治疗的明确抵抗，主要凭借降低药物的渗透性，提升肿瘤内自身的化学抗性（通过使肿瘤细胞对以p53 为介导的细胞凋亡或对因代谢应激，而减少细胞增殖的机制丧失敏感性）以及对放射治疗的抗性（降低氧在修DNA 损伤时的作用）［19］。

Höckel 等［20］阐述了低氧水平会导致的生物学变化。当氧分压低于10～15 mmHg 时，细胞将变得耐辐射，并在乏氧诱导因子（hypoxia inducible factor 1，HIF1）控制下，缺氧调节基因的表达增加。在氧分压低于10 mmHg 时，三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成减少，蛋白质合成减少导致细胞耗氧量降低。最后，当氧分压低于1 mmHg时磷酸化作用会降低，反过来会增强糖酵解作用，以维持足够的ATP 水平［21］。

乏氧诱导因子1（HIF1α）的作用

病理性缺氧是肿瘤中常见的可促进细胞存活和肿瘤转移的微环境因素。肿瘤及其微环境间相互影响对肿瘤的生存至关重要［22］。由乏氧诱导变化不仅影响肿瘤细胞，而且影响肿瘤微环境［23］。乏氧诱导因子1 和2（分别为HIF1和HIF2）是氧敏感的异二聚体转录因子，被视为细胞适应低氧环境的关键介体。HIF1 调节糖酵解和丙酮酸代谢，HIF2 则控制脂肪酸代谢。HIF1 是一种异二聚体蛋白：HIF1 α（受氧调节）和HIF1 β（组成性表达）组成。低氧环境造成HIF1α 的表达，激活各种具有生物学意义基因的表达，包括：控制代谢途径、调节pH 值、促进血管生成及细胞转移、控制DNA 复制及蛋白质合成和治疗抗性等［22］。这些基因表达的变化引起多种肿瘤性状变化，包括：（1）通过生长因子信号传导和抑制促凋亡机制从而提高癌细胞存活率；（2）通过激活血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）及VEGF 受体、环氧化酶2（cyclooxygenase-2，COX-2）、一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）促进肿瘤新血管形成；（3）通过下调粘附分子（如钙黏着蛋白）来调节癌细胞脱离；（4）通过基质降解酶来诱导癌细胞迁移和侵袭［24-26］（图1）。

HIF1 信号介导促进肿瘤对化疗和放疗的抗性

耐药性可能与癌细胞自身特性相关，也可以继发于肿瘤微环境的变化。肿瘤有复杂且不规则的血管系统，营养丰富的细胞增殖区靠近功能血管，而缺氧细胞区域则会远离功能血管。实体瘤中不规则的血流途径与具功能性血管之间的距离过长，则会导致药物分布不佳，造成对治疗的耐药性［27］。

然而，低氧环境本身与由低氧导致HIF1 过表达导致的肿瘤细胞代谢机制及性状改变是不同的，且颇有争议［28］。

Zhao 等［29］最近报道，HIF1α 通过抑制胃癌中的miR-27a 表达来抑制胃癌中MDR1/磷酸化糖蛋白的代谢；而在结肠癌细胞中，HIF1 的抑制导致磷酸化糖蛋白下调，和抗治疗肝癌细胞表型的产生［30］。然而，乏氧本身对磷酸化糖蛋白的表达和活性影响较小［31］；酸中毒是乏氧微环境的特征，可增加磷酸化糖蛋白活性［32］。另外，关于药物功效，低氧环境会改变需要分子氧作为其作用机制的一部分药物的功效，如博来霉素［33,34］；及在乏氧条件下被还原酶激活的药物，如依夫沙磷酰胺、他洛昔布尼、替拉帕明和SN30000［35,36］。这些低氧环境引起的改变主要由于药物传递障碍造成，通常与HIF1 无关［37］。缺氧和HIF1 还可以通过诱导细胞周期停滞［38］，使靶向细胞周期活性的药物失效，且通过助益具有高度致瘤特性的干细胞［39］，赋予癌细胞抵抗治疗的能力。在胶质母细胞瘤中，学者也发现HIF1α 在坏死周围区域内的癌细胞中有高表达，使其具有更高的致瘤潜力［40］。在严重或长时间缺氧期间，大多数细胞会出现程序性细胞死亡。然而，一些肿瘤细胞可适应微环境变化，通过由HIF1α 介导的生存机制来避免细胞坏死、抑制细胞凋亡［41-43］及降低细胞衰老［44］而存活，导致攻击性表型和对治疗的抵抗力。

在分级放疗期间，HIF1α 通过诱导VEGF 和其他促血管生成因子的表达来保护肿瘤微脉管免受辐射导致的内皮细胞凋亡而遭破坏，并通过增加肿瘤的抗氧化能力来抵消辐射诱导的氧化应激反应，促进肿瘤细胞存活［45］。辐射还会引起肿瘤微环境的变化，如血管、基质和免疫学的变化，可能会促进放射抵抗和肿瘤复发［46］。这些作用最终导致了肿瘤细胞对化疗和放射线产生抵抗。

在特异性靶向药物治疗时代，乏氧可能成为治疗的靶点。乏氧机制几乎存在于所有实体瘤类型中，影响患者对放射线、化学疗法和免疫疗法的反应，并在肿瘤的恶性进展中起主要作用。临床可以通过多种侵入性和非侵入性技术来确定乏氧机制在肿瘤中的存在，通过多种方法修改乏氧状况以改善预后。分子是细胞对乏氧反应的基本单位，进一步了解乏氧所涉及的分子过程可能有助于克服乏氧带来的不利因素，分子影像学的发展为了解观察乏氧在分子水平表现提供了有力的技术支持。