乳腺癌中缺氧作用机制的研究进展

梁家玮，郭海峰

(1.牡丹江医学院；2.牡丹江医学院附属红旗医院，黑龙江 牡丹江 15011)

乳腺癌(Breast cancer,BC)是目前发病率和死亡率最高的女性恶性肿瘤之一。2018年中国恶性肿瘤总发病人数约为4,300,000，乳腺癌发病率总人数的8.6%、中国女性恶性肿瘤发病总人数的19.2%[1]。作为一种高度异质性的疾病，乳腺癌的临床病理因素和基因组测序的区别可将其细分为多种类型和多种亚型，它们之间具有不同的生物学特征、对治疗的不同反应以及不同预后[2]。尽管过去几十年里乳腺癌的死亡率出现明显降低，但随着生活水平的改善、饮食结构的改变以及人口老龄化等社会问题的发生使乳腺癌的发病率仍在逐年增加。近年，缺氧导致的低氧微环境与乳腺癌之间的关系成为研究热点，氧浓度和缺氧程度在乳腺癌中扮演重要的角色及其作用机制和基因转录的改变对临床诊断、治疗及预后判断有重要指导意义。

1 缺氧、HIF与恶性肿瘤

人体内的不同组织中氧分压(Partial pressure of oxygen,PO2)存在很大差异，当组织PO2低于正常水平时则被认为存在缺氧。生理性缺氧通常是短暂的，且可由机体的适应性和稳态反应代偿维持PO2；但当体内O2平衡机制无法充分代偿而引起长时间低PO2并导致组织损伤时则称为病理性缺氧。据现有研究发现，缺氧是绝大多数实体恶性肿瘤的共同特征。恶性肿瘤内部及其周围微环境的局部缺氧主要源于血管解剖结构异常、过度血管生成导致的局部阻塞或压迫以及微循环障碍，而由缺氧而形成的缺氧肿瘤微环境影响着实体恶性肿瘤的发生和进展。实体恶性肿瘤内形成的梯度缺氧区域，可通过减慢细胞增殖速度、改变新陈代谢和肿瘤细胞pH值、诱导血管生成以及通过对自身基因的重新编程得以在缺氧的环境下生存，改善其自身的可塑性和异质性，并促进更具侵袭性的表型。尽管恶性肿瘤在缺氧情况下会发生促进新血管生成的代偿性反应，但这样生成的血管均是结构混乱且分布不均的渗漏血管，在恶性肿瘤细胞和基质的压力下容易塌陷，降低了其送O2能力[3]。

细胞对缺氧的反应主要通过HIF介导，HIF是由bHLH-PAS蛋白组成的异源二聚体复合物，包含一个O2依赖性α亚基和一个稳定的O2不敏感性β亚基，它们结合组成缺氧反应元件并含有保守的5’-RCGTG-3’核心序列，其通过转录激活上千个下游基因参与恶性肿瘤的生存和进展[4]。HIF活性主要通过HIF-1α和HIF-2α亚基的翻译后修饰和稳定化进行控制，在常氧条件下HIF活性通过O2依赖性脯氨酰羟化酶 (Prolyl hydroxylase domain，PHD)和von Hippel-Lindau(VHL)蛋白对HIFα的蛋白酶体降解和/或抑制因子抑制HIFα与必需辅助因子的结合来抑制，随着缺氧浓度的加重HIF的转录活性逐渐增加[5]。

2 缺氧与乳腺癌

2.1 缺氧与乳腺癌干细胞乳腺癌干细胞(Breast cancer stem cell,BCSC)具有无限自我更新分化、对称和不对称细胞分裂的表现以及再生能力。目前已有研究证实缺氧可在乳腺癌中以依赖于HIF的方式诱导CSC表型，且BCSC中HIF-1α和HIF-2α表达上调可导致多能性因子(如 NANOG、OCT4、SOX2 和 KLF4)表达增加，以响应肿瘤内缺氧[6]。在BCSC中，共激活剂TAZ(具有PDZ结合基序的转录激活剂，Hippo通路的重要组成部分)已被证明具有促进BCSC自我更新和肿瘤起始能力，80%的高级别乳腺癌中TAZ表达增加，其表达均以HIF-1依赖的方式由缺氧诱导[7]，此外，TAZ还可与HIF-1α相互作用，并在缺氧的乳腺癌细胞中作为HIF-1α依赖性基因转录的共激活剂，放大彼此活性[8]。

2.2 缺氧与乳腺癌血管生成在缺氧条件下，许多细胞处于乳酸发酵代谢状态，包括血管内皮生长因子(VEGF)在内的众多分子刺激血管从邻近组织向恶性肿瘤细胞生长，以确保恶性肿瘤中心O2充足。但这种情况下形成的血管在结构和功能上都存在异常，仍不能满足对O2的需求，从而陷入不断刺激新血管生成的循环。新血管的生成不仅对原发性实体恶性肿瘤及其转移灶的生长和持续存在至关重要，还同时减少了药物输送、阻碍抗肿瘤免疫反应[9]。缺氧和HIF通路激活对乳腺癌组织中新血管的生成至关重要，它们调节一系列促血管生成基因的表达，包括有效的细胞因子、VEGF、血管生成素-1、血管生成素-2、血小板衍生因子(PDGF)和碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)等，其次HIF-1α与HIF家族的其他成员协同工作几乎可以调节血管生成的各个方面从而使 HIF通路成为血管生成的主要调节器。VEGF是一种高度特异性的促血管内皮细胞生长因子，其主要作用是调控新血管生成，在恶性肿瘤的血管生成中有着不可替代的作用，被称为中枢性刺激因子，目前已在乳腺癌患者中测量到循环VEGF水平升高，并且与血管分布增加、转移、化疗耐药和患者预后不良有关。据报道，HIF-1α靶基因ANGPT2与乳腺癌中VEGF表达和微血管密度增加密切相关，VEGF和ANGPT2的高表达在乳腺癌中具有很高的预后价值，减弱ANGPT2 会降低肺血管通透性并抑制自发性肺转移[10]。此外，HIF-2α与HIF-1α在乳腺癌血管生成中具有协同作用。

2.3 缺氧与乳腺癌的上皮-间充质转化乳腺癌细胞可以通过两种途径扩散：直接从血管或间接通过淋巴系统进入血流，无论哪种方式的转移过程都可以分解为一系列从上皮-间充质转化(Epithelial-Mesenchymal Transition,EMT)开始的离散步骤，具体包括：EMT、局部组织侵袭、内渗、归巢、外渗和在转移部位形成转移性生态位。EMT是转移的起始阶段，其特点是细胞和分子变化(包括细胞间粘附的丧失)——恶性肿瘤细胞失去细与细胞之间的黏附而变得灵活并局部侵入周围的基质。而HIF-1α可通过上调EMT相关转录因子、激活EMT相关信号通路、调节 EMT相关细胞因子以及调节其他通路如表观遗传调节因子以激发EMT。Bao等的研究证实在乳腺癌中HIF-1α可调节EMT相关转录因子如E-cadherin、Snail、ZEB1和Twist等激活EMT相关信号通路而诱发EMT进程[11]。除直接调节EMT相关分子和信号通路外，HIF-1α还可通过调节长链非编码RNA和钙离子信号在乳腺癌中调节EMT以促进乳腺癌细胞在缺氧环境下的侵袭[12]。此外，缺氧诱导的生物分子包括Jagged2、环氧化酶-2(COX-2)和尿激酶受体(uPAR)也有助于乳腺癌细胞的EMT变化和侵袭能力。除HIF-1α外，乳腺癌中HIF-2α表达上调也伴随着区域淋巴结和远处器官转移、原发性乳腺肿瘤生长以及患者死亡率增加。Li等通过实验发现HIF-2α在缺氧环境中促进乳腺癌细胞转移，其通过改变下游靶点(包括MMP-2)的表达而对乳腺癌的发展和细胞的存活起重要作用[13]。此外Fu等在研究中发现HIF-2α可作为FOXA1驱动的转录因子介导FOXA1诱导的转录重编程进而影响乳腺癌的转移，而在内分泌敏感的MCF7L-P细胞中选择性小分子抑制剂靶向HIF-2α可显着降低内分泌抗性细胞的克隆形成、迁移和侵袭，这可能成为乳腺癌治疗上的新思路[14]。总之，在某些细胞环境中，HIF-2α在调节乳腺癌细胞的缺氧反应中发挥重要的作用，靶向HIF-2α的siRNA可能是治疗乳腺癌的可行方法。

3 缺氧与乳腺癌的非手术治疗

众所周知，缺氧可直接或间接的赋予恶性肿瘤对放射治疗、某些化疗药物及内分泌治疗的抵抗能力。作为治疗乳腺癌最常用的方法之一，放射治疗中的电离辐射会产生自由基和活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)致使乳腺癌细胞的DNA损伤并诱导凋亡。但由于缺乏足够的O2以产生ROS，处于缺氧微环境的乳腺癌细胞对放射治疗的反应较差，且在缺氧状态下恶性肿瘤细胞长时间处于对放疗较为不敏感的G1期[15]。其次，恶性肿瘤对化疗药物的抵抗是通过降低药物对DNA损伤的敏感性、诱导细胞周期停滞和限制药物的递送来调节的，当缺氧介导的ROS屏蔽通路激活和抗凋亡基因的过度表达时有助于乳腺癌细胞对紫杉醇的抵抗[16]。

ERα是一种雌激素依赖性核转录因子，其对乳腺上皮细胞的分裂和乳腺癌的进展至关重要，其表达与患者的预后密切相关。有趣的是，缺氧似乎可以下调ERα的表达促使乳腺癌在进展过程中向ERα阴性的表型转变，导致乳腺癌预后不良[17]。且现有报道显示缺氧和乳腺癌细胞中雌激素介导的通路之间存在明显的相互作用，对于ER阳性的乳腺癌患者，缺氧已显示出在几种乳腺癌细胞系中通过蛋白酶体途径下调ERα并影响对他莫昔芬的反应性[18]。

当前针对缺氧环境下乳腺癌治疗的研究也取得不少进展，靶向HIF也为治疗乳腺癌提供了一种新思维。当前的HIF-1抑制剂按其作用机制分类，包括影响HIF-1α蛋白水平、HIF-1二聚化、HIF-1 DNA 结合或HIF-1靶基因反式激活的抑制剂。降低 HIF-1α 蛋白水平的抑制剂可进一步分为两组，HIF-1α翻译抑制剂和 HIF-1α蛋白酶体降解诱导剂。HIF-1抑制剂，如地高辛和吖啶黄素，通过减少乳腺癌动物模型中的原发肿瘤生长、血管化、侵袭和转移，显示出令人信服的潜在治疗效果[19]。地高辛与细胞毒性化疗药物(紫杉醇或吉西他滨)联合使用可通过阻断促进乳腺CSS化疗抗性的HIF依赖性转录反应来导致肿瘤消退[20]。由于HIF-1在三阴性乳腺癌中高度激活，因此HIF-1抑制剂可有效治疗此类癌症。但缺氧本身在个体恶性肿瘤之间和本身的变化较大，并且在各乳腺癌亚型中也存在差异，上述理论结果若能最终落实于临床治疗，或可成为乳腺癌治疗的全新突破点。

5 总结与展望

恶性肿瘤内的缺氧可促进恶性肿瘤细胞的生长，恶性肿瘤细胞对缺氧的反应涉及HIF的稳定和复杂的转录模式，在临床上HIF高表达的原发性恶性肿瘤患者发生复发和转移的可能性更大。目前，无法预测哪些乳腺癌患者可能发生复发和转移，但HIF的高表达被认为缺氧的标志性分子和乳腺癌患者预后不良的独立因素。在精准化医疗的时代，探索缺氧对乳腺癌病程的决定性影响对于深入了解个体疾病轨迹并更好地预测它们至关重要。但随着对乳腺癌组织微环境具体致病机制的不断明确，也给乳腺癌的治疗提供了新的方向，部分研究成果已为改善乳腺癌患者的临床治疗带来了新的希望。