乏氧微环境影响肿瘤发生发展的研究进展

丁玉涵，方 强

随着近年来在细胞和分子水平对肿瘤认识的不断加深，肿瘤微环境在肿瘤发生、发展中的作用日益受到关注，与之相关的肿瘤治疗策略的不断更新改善，肿瘤微环境已逐渐成为医学领域的研究热点之一。肿瘤微环境最早于1993年提出，作为肿瘤发生，发展直接所处的环境，除为肿瘤提供基本生长条件外，还在肿瘤细胞耐药和抑制宿主免疫功能等机制中发挥重要作用[1]。肿瘤发生早期时，微环境生化组分发生改变，极易形成乏氧状态，形成乏氧微环境；而乏氧微环境又在早期肿瘤恶化中扮演重要角色，促进肿瘤细胞加速增殖，产生耐药和免疫逃逸，甚至在肿瘤扩散、转移和肿瘤复发中也发挥着很大作用[2]。因此，对肿瘤乏氧微环境进行深入研究有助于加深对肿瘤细胞与微环境关系的深入理解，发展合理的肿瘤治疗手段和策略，为改善肿瘤预后奠定基础，具有重要的理论与临床价值。本文将从肿瘤细胞代谢出发，概述乏氧微环境对肿瘤发生、发展的影响，并介绍近年来相关治疗策略进展。

1 肿瘤细胞代谢特性与微环境

1.1 肿瘤细胞代谢特性 能量代谢是机体维持正常生命活动的基础，正常细胞在有氧环境下以葡萄糖氧化磷酸化供能为主，糖酵解途径多发生于缺氧状态下，且效率较低，因此在正常细胞能量代谢中糖酵解常被抑制。研究[3]发现，肿瘤细胞的能量代谢却与正常细胞有明显差异，表现为即便环境氧气含量充足条件下也主要利用糖酵解供能，这种现象称为瓦博格效应。与正常细胞不同，肿瘤细胞快速增殖需要更高的效率，也需要更多的原料参与营养支持和结构组成，因而糖酵解途径的迅速和中间产物复杂的特性能够充分满足肿瘤细胞增殖的需要。糖酵解也可造成代谢废物乳酸的沉积，为构建出肿瘤细胞酸性乏氧的微环境提供条件。酸性的乏氧微环境诱导低氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIFs)表达上调。HIFs是肿瘤发展的关键分子，参与肿瘤细胞增殖的多个阶段。HIF-1可诱导糖酵解[4]，促进肿瘤细胞的增殖，进一步加重缺氧程度，形成不良循环，促进肿瘤恶化。因此以瓦博格效应为特征的肿瘤代谢是肿瘤细胞与乏氧微环境协同作用的结果，乏氧微环境在其中发挥了重要的推动作用[5]。

1.2 乏氧微环境特性及成因 正常组织中氧分压一般大于5.3 kPa，有研究[6]显示肿瘤阻止周围环境中氧分压仅为0.9 kPa甚至更低。这种普遍的缺氧环境形成的主要原因是肿瘤细胞失去控制的迅速增殖状态消耗大量氧气，使其微环境中氧含量“求过于供”，氧分压持续降低，最终形成乏氧微环境。肿瘤治疗时的一些过程也会促进乏氧微环境的生成，如一些药物及放疗可对红细胞产生杀伤作用，造成治疗期贫血，影响氧气输送。还有研究[7]表明，某些化疗药物在后期具有血管内皮损伤作用，导致肿瘤局部氧供不足形成乏氧微环境。

2 乏氧微环境影响肿瘤增殖的机制

肿瘤乏氧微环境的形成是肿瘤发生、发展的必要条件，其作用主要体现在对肿瘤血管生成、基因表达、外泌体分泌的影响和对抗肿瘤免疫的抑制；同时，乏氧微环境也会影响到对肿瘤细胞对放疗、化疗敏感性。

2.1 乏氧微环境对肿瘤血管生成、基因表达、外泌体分泌的影响 乏氧微环境对肿瘤增殖最关键的作用之一是促进肿瘤新生血管的构建，这个过程离不开低氧诱导因子家族的参与。已知HIFs包括3种亚型，其中HIF-1与血管生成关联较大。HIF-1在乏氧环境诱导下释出后，作用于肿瘤细胞使其释放血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，为血管生成的营养和氧气供应提供条件[8]。VEGF不仅可以促进血管内皮细胞增殖，同时也能增加血管通透性，提高肿瘤细胞摄取营养的能力。

外泌体是广泛存在于微环境中，由各类细胞分泌的参与细胞间通讯等过程的小囊泡，肿瘤细胞增殖迅速，代谢旺盛，外泌体分泌水平明显提高。外泌体中含有大量核酸分子，为肿瘤细胞增殖提供必要的信息[9]，其表达的miRNA以降低SIRT1的方式构建肿瘤新生血管[10]。此外，乏氧微环境下增多的外泌体中携带丰富过氧化物酶亦与肿瘤组织新生血管的建立有关[11]。

细胞黏附分子(cell adhesion molecule，CAM)主要包括整合素家族、选择素家族等，在细胞和基质环境中发挥黏附作用，CAM的表达变化会影响肿瘤的扩散、侵袭与转移。有研究[12-14]显示，乏氧微环境可导致E-钙黏蛋白基因异常表达，致E-钙黏蛋白水平下降，原先固定肿瘤细胞的作用减弱，使肿瘤细胞侵袭力增强。其他CAM家族分子也具有类似作用。

2.2 乏氧微环境对抗肿瘤免疫的影响 肿瘤细胞具有极强的运动性，其在机体内环境中多处转移并快速增殖，给治疗带来极大困扰。其免疫逃逸能力是促进其转移的主要因素之一[15]。有研究[16]显示乏氧是推动其转移的诱导条件之一。肿瘤细胞免疫逃逸的策略主要是抑制免疫细胞功能和增强肿瘤细胞迁移能力。巨噬细胞[17]和各类淋巴细胞[18-20]均可在抗肿瘤免疫反应中发挥正面或负面作用。乏氧微环境下高度表达的HIFs可影响巨噬细胞向M2亚型分化[21]，对肿瘤发展和转移发挥促进作用。淋巴细胞包括B细胞、T细胞和自然杀伤细胞(natural killer cells，NK cells)，可对肿瘤细胞造成杀伤和抑制，乏氧微环境可弱化其毒性作用[22-23]：(1)乏氧微环境中HIFs可调控程序性死亡蛋白-配体1和骨髓来源的抑制细胞水平升高,也可介导CD73和CD79表达，积累胞外腺苷，抑制T细胞毒性；(2)细胞毒性T淋巴细胞相关抗原-4水平增高，抑制T细胞毒性。NK细胞在乏氧微环境中受到抑制，表面受体表达水平降低，因此降低了肿瘤细胞被其识别和杀伤的概率，直接帮助肿瘤细胞的免疫逃逸[24]。

2.3 乏氧微环境对放疗、化疗敏感性的影响 乏氧微环境可增强肿瘤对抗肿瘤药物的耐药性[25]，有些情况下导致肿瘤对放疗表现出抵抗性[26]。在很多情况下，肿瘤复发源于病灶清除不完全，由细胞耐药亚群和残留灶转移增生而致。乏氧微环境可诱导细胞周期暂停，中断细胞衰老死亡的进程,抑制人体抑癌基因的活性从而产生耐药性。乏氧微环境也可通过诱导一些耐药基因表达，合成相关药物运输蛋白，从药物提取和运输的角度阻断其作用，产生肿瘤细胞耐药性[27-28]。

放疗通过射线对肿瘤细胞DNA产生直接破坏，是肿瘤治疗的主要方法之一，但其对正常细胞也具有一定伤害，所以在辐射剂量的控制上非常严格，不能贸然加大放疗强度，也因此给了一些肿瘤细胞可乘之机。乏氧状态下的肿瘤细胞因细胞周期暂停，DNA复制减少，对常规的放疗强度不敏感，常规放疗后仍有部分肿瘤细胞存活，进而导致肿瘤复发。也有研究[29]认为肿瘤的放疗抵抗与HIFs密切关系，尤其是HIF-2。研究[30]表明，HIF-2基因敲除后肿瘤细胞的增殖明显被抑制，细胞周期也趋向于恢复正常[30]。

3 基于乏氧微环境的肿瘤治疗策略

目前针对肿瘤细胞乏氧微环境下增殖发展的肿瘤治疗策略主要包括：纠正乏氧状态、血管正常化、基因靶向治疗等。

3.1 纠正乏氧 乏氧微环境对肿瘤临床治疗产生诸多不利影响，也使很多药物无法完全发挥作用。但一些特殊的药物可在乏氧状态下被还原激活，有靶向治疗功效，称为生物还原烷化剂。TH-302是代表性缺氧激活前体药物之一。研究显示，TH-302可以纠正乏氧状态，静止肿瘤细胞周期，暂停其生长过程，在高乏氧环境中其效果更强[31]。当TH-302与其他药物联合应用时，常可协同发挥抗肿瘤作用。研究显示，TH-302与多柔比星联合应用时对乏氧肿瘤细胞增殖显著抑制[32]；二者联合用药对骨肉瘤抑制有良好效果[33]：SUSHIL等[34]将TH-302与舒尼替尼联合在小鼠实验中也表现出协同增强作用。也有相关研究[35]推测某些中医药手段或对纠正乏氧状态有些许功效，但中医药手段复杂且作用机制不明确，因此还需进一步证实。

除用药物间接纠正乏氧微环境外，高压氧疗法也有一定的应用价值。高压氧是在高于大气压的情况下给予纯氧直接为缺氧组织提高氧供的方法。高压氧疗法的优势表现在可通过以扩大正常组织氧弥散程度的方式提高肿瘤组织氧分压，直接改善缺氧状态[36]。钟锋等[37]研究发现对直肠癌病人施用高压氧可有效降低术后复发风险，对免疫功能也存在正向作用。目前高压氧治疗虽有一定的研究前景，但其机制和使用方式仍存在不明确，对于其对肿瘤细胞的作用也存在争议，因此临床运用高压氧并不多见，大多情况下作为辅助手段联合应用，在放疗，化疗和光动力疗法中联合使用高压氧均有增益效果[38]。

3.2 肿瘤血管正常化 乏氧微环境的形成和恶化与肿瘤新生血管形成和异常化的肿瘤血管紧密相关，因此抑制肿瘤新生血管形成和异常血管正常化是目前肿瘤治疗思路之一。一些抗血管生成药物如西地尼布[39]可有效抑制肿瘤新生血管生成，诱导肿瘤血管正常化，从而从抑制血供的角度纠正乏氧微环境，以达到良好预后的目的。近年来内皮抑素也已成为国际关注的药物，其作为有效的血管生成抑制剂，可通过抑制肿瘤新生血管生成，诱导血管正常化，纠正乏氧微环境，并可达到放疗增敏的效果[40]，已开始在美国进行临床实验。有些中药可能也具有一定抑制肿瘤新生血管生成、促进血管正常化作用，但仍待进一步研究证明。

3.3 基因治疗 癌症的发生常与相关基因的表达失常相关，因此纠正基因异常表达的基因治疗也是肿瘤治疗的重要思路。HIF-2基因是被重点关注的基因之一。HIF-2基因受抑制后对于肿瘤细胞的乏氧微环境产生影响，明显减少血管的异常化[41]；HIF-2下游的Mxil基因沉默后也表现出对肿瘤细胞增殖的抑制[42]。基因层面的治疗策略具有高效，预后良好的特点，具有良好前景。

肿瘤治疗的方法有很多，近几年随着认知的加深和技术的发展，更多有效的手段通过纠正乏氧微环境应用于肿瘤治疗，如光动力疗法、RNA干扰和多种各有优劣的放疗化疗技术，均在临床试验中取得了一定的成果，值得进一步深入研究并推广应用。除技术手段外，同一治疗方式的不同运用其效果也各异。如抗血管药物剂量的多少可有“抑生”和“修复”两种目的不同的治疗效果；不同目的的技术和药物的多种组合联合应用也常常达到很好的效果。

4 结语

乏氧微环境是肿瘤发生发展的关键，给临床治疗和预后带来巨大困扰，因此近年来世界各国的众多研究人员在针对其展开深入研究，希望从“后勤补给”的线路上对肿瘤疾病进行遏制。纠正乏氧微环境的关键在于解决氧供不足和血管异常的问题，此二者也是相辅相生的；提高乏氧状态下的药物或技术敏感性也是需要重点研究的问题。因此未来相关研究的重点会更关注乏氧微环境中细胞和分子的改变及相关机制，对导致乏氧状态的基因进行更深入的研究。