连烜晔，崔晶

山东大学附属千佛山医院病理科，济南2500140

1 肿瘤与低氧的关系

肿瘤细胞的迅速、异常增殖，使氧气快速消耗，超过组织的供氧量，形成低氧微环境。低氧是许多实体肿瘤的共同特点，肿瘤的发生伴随微环境中氧含量的下降。在低氧微环境中肿瘤细胞会产生一系列的生物学变化。低氧可以诱导肿瘤细胞代谢发生适应性改变，如从氧化磷酸化转换为糖酵解，增加了糖原的合成；从葡萄糖转换为谷氨酰胺，成为脂肪酸合成的主要底物。低氧可使细胞周期停滞在G0或G1期，抑制细胞的增殖；促进上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）；从多方面影响肿瘤细胞的侵袭和转移，诱导细胞衰老和凋亡。同时，低氧也会影响肿瘤微环境中的其他方面，如诱导内皮细胞在代谢方式和分子层面上发生变化，增加促血管生成因子的表达，促进血管生成；调节炎性介质和生长因子，刺激血小板、白细胞和平滑肌细胞的活性。此外，低氧也可使内皮细胞与中性粒细胞的黏合度提高，促进自然杀伤细胞的转运和局部炎性反应[1]。

2 与肿瘤、低氧相关的信号通路

低氧可诱导许多复杂的细胞内信号转导途径，如磷脂酰肌醇-3-羟激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB，又称AKT）/雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）[2]、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activation protein kinase，MAPK）[3]、核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）相关信号通路[4]和低氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）信号通路等。

2.1 HIF的作用

低氧诱导因子（hypoxia-inducible factor，HIF）活化是低氧微环境中肿瘤细胞代谢改变最明显的分子特征。HIF有3种亚型：HIF-1、HIF-2和HIF-3。HIF-1是低氧肿瘤细胞代谢改变中最重要的亚型[5]，可帮助低氧微环境中肿瘤细胞的葡萄糖代谢从氧化磷酸化转变为更高效的糖酵解，以保证能量的产生（瓦博格效应），还可以促进血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表达，进而促进新生血管的形成，为肿瘤的生长提供更多的氧。

HIF-1α的活化和累积可受氧依赖和非氧依赖通路调控。氧依赖情况下，调控途径有两条。一是调控HIF-1α的降解。正常氧条件下，HIF-1α通过泛素-蛋白酶体途径降解。该过程主要以HIF的氧依赖降解结构域（oxygen dependent degradation domain，ODDD）为基础。二是抑制HIF-1α的转录、激活。HIF-1α的C-终端反式激活结构域（C-terminal transactivation domain，C-TAD）与共激活分子CREB结合蛋白（CREB binding protein，CBP）/p300协同结合启动HIF-1α的靶基因的转录、激活。非氧依赖情况下，肿瘤生长因子、细胞因子和其他信号分子也可以上调HIF-1α蛋白的表达。PI3K通过目的蛋白AKT和下游的MTOR调节HIF-1α蛋白合成。MTOR可使真核细胞翻译起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor 4E，EIF4E）磷酸化，阻碍其与真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白1（eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 1，EIF4EBP1）的结合，解除了对CAP帽依赖性mRNA翻译的抑制作用，从而增加了HIF-1α蛋白的表达。此外，p70 S6激酶（S6 kinase，S6K）的磷酸化促进其底物-核糖体蛋白S6磷酸化，促进了蛋白翻译[6]。磷酸酶张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homology，PTEN）基因可逆转PI3K产物的磷酸化，阻断这条通路。还有一些生长因子活化大鼠肉瘤（rat sarcoma，RAS）基因，随后启动RAS/RAF/MEK/细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）级联反应。活化的ERK磷酸化EIF4EBP1、S6K和MAPK作用激酶（MAPK interacting kinase，MNK）。MNK也可以直接磷酸化EIF4E[7]。这些信号分子的改变促进HIF-1αmRNA翻译成蛋白。ERK不仅参与HIF-1α的合成，还可提高HIF-1α的转录活性。ERK可使CBP/p300磷酸化，促进HIF-1α/p300复合体形成，并激活其转录活化功能。在正常氧条件下，HIF-1α与p53蛋白结合，导致鼠双微体基因2（mouse double minute 2，MDM2）介导的 HIF-1α泛素化及蛋白酶体的降解。

另外，无论是否低氧，抑制热休克蛋白90（heat shock protein 90，HSP90）均能抑制 HIF-1α的表达。HSP90可以直接与HIF-1α结合，导致HIF-1α蛋白结构的构象发生变化，从而启动转录。此外，HSP90可稳定HIF-1α，对抗其非VHL（肿瘤抑制基因：von Hippel-Lindau，简称 VHL）依赖性降解。

2.2 PI 3K/AKT/MTOR、MAPK和NF- κ B信号通路

在低氧微环境中细胞因子、趋化因子和附着在酪氨酸激酶受体、G蛋白偶联受体、Toll样受体（toll like receptor，TLR）的生长因子可激活PI3K/AKT/MTOR、MAPK 和 NF-κB信号通路。PI3K/AKT/MTOR信号通路在大多数肿瘤细胞中处于高活性状态，也正是因为这条通路的激活，促进了肿瘤细胞的增殖、转移和侵袭。MAPK信号通路可以通过调控细胞周期蛋白D（cyclin D）及p27的表达水平影响细胞周期G1至S期的进程。MAPK也可以调节许多转录因子，包括c-fos、Jun-B、CREB和Elk-1，所以MAPK途径可能对低氧时内皮PAS区域蛋白 1（endothelial PAS-domain protein 1，EPAS1）的激活很重要。已知MAPK对许多基因的反式激活至关重要，并主要通过下游转录因子的磷酸化来发挥其作用。NF-κB家族中NF-κB1（p50/p105）、NF-κB2（p52/p100）、RelA（p65）、RelB 和 CRel参与炎性反应，调节细胞增殖和生存。同时，NF-κB也可以调节内皮细胞存活和血管生成的关键介质如AKT和VEGF的表达[8-9]。AKT的激活可以通过抑制细胞凋亡来促进内皮细胞存活，并且可以促进肿瘤细胞转移和新血管形成。此外，肿瘤细胞中这些信号通路成员的遗传变异和获得性基因突变，以及受体的过激反应都可以导致肿瘤细胞不受控制地生长[10]。非HIF通路为抗肿瘤治疗提供了有前景的治疗靶点，每条通路都是一个值得研究的领域。

3 低氧微环境与肿瘤转移的关系

3.1 血管生成

血管生成在肿瘤进展中起关键作用，是组织侵袭和转移所必须经历的过程。不成熟的血管生成是肿瘤进展过程中的病理学特点之一。由于血液供氧无法满足过度增生的肿瘤组织而导致低氧微环境。低氧微环境中促血管生成因子和抗血管生成因子之间失去平衡，导致增强、急速、无序的血管形成。HIF-1α和HIF-2α通过调控VEGF，参与血管形成的所有步骤[11]。低氧微环境和HIF-1α有助于从骨髓中募集内皮祖细胞（endothelial progenitor cell，EPC），并且通过调节VEGF促进EPC分化为内皮细胞。这个过程也可以由促血管生成因子介导，如血管内皮生长因子受体2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2；又称为fetal liver kinase-1，FLK-1）。VEGFR2通过激活诱导“内皮尖细胞”（即芽的前导细胞）转移，导致多种调节细胞增殖，细胞骨架重排，并介导细胞存活，增加血管通透性，激活下游通路。这些激活的信号转导通路包括RAS/MAPK/ERK、黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）/桩蛋白、PI3K/AKT/MTOR、ras同源物基因家族成员A（ras homolog family member A，RHOA）/RHOA激酶和磷脂酶Cγ通路[12]。这些通路一旦被激活，“内皮尖细胞”就会增加Notch信号通路δ样配体4抗体（delta-like ligand 4，DLL4）的表达，并且DLL4与相邻内皮细胞上的Notch受体结合，导致转录调节物Notch在细胞内过表达。Notch通过下调VEGFR2和神经纤毛蛋白-1的表达来增加VEGFR1的表达水平。此外，VEGFR1及其配体可以通过内皮细胞来促进血管生成和转移，从而增强内皮细胞的转移活性。低氧微环境和HIF-α也可以通过诱导酶的表达，如基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），促进新生血管的分离和内皮细胞的转移。在炎性反应、伤口愈合及肿瘤生长等情况下，可以观察到内皮细胞中MMP活性显着提高[13]。最后，低氧微环境和HIF-α通过诱导血管生成蛋白-1（angiogenin-1，Ang-1）、血小板衍生生长因子（platelet derived growth factor，PDGF）和转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）来促进血管成熟，募集如肌细胞和周细胞一样的支撑细胞，形成成熟、稳定的血管[14]。

3.2 EMT

EMT是一个重要的生物学过程，涉及恶性肿瘤细胞的转移、侵袭、细胞凋亡的抵抗和细胞外基质降解的过程。低氧微环境通过上调与EMT相关的转录因子或者抑制因子来激活与EMT有关的信号通路，从而诱发EMT。低氧微环境和HIF的过度表达足以诱导EMT发生并促进肿瘤细胞的侵袭[15]。HIF在调节关键的EMT转录因子如E盒结合锌指同源盒蛋白1（zinc finger E-box binding homeobox 1，ZEB1）、Snail和 TWIST等方面直接发挥作用[16]。HIF通过激活大量的细胞信号通路，间接促进了EMT，这些细胞信号通路包括Notch信号通路[17]、TGF-β信号通路、整合素连接激酶信号通路[18]、某些特定的蛋白酪氨酸激酶（tyrosine protein kinase，TPK）受体信号通路、WNT信号通路和Hedgehog信号通路[19-20]。低氧诱导的Jagged 2、环氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）和尿激酶受体的上调也有助于EMT的发生和增强乳腺癌细胞的侵袭能力[21]。低氧也可以通过调控肿瘤细胞中的长链非编码RNA、碳酸酐酶和钙离子信号来调节EMT，从而增强肿瘤细胞在低氧微环境中的侵袭能力[22-23]。

3.3 MMP

MMP属于钙离子依赖性、含锌离子的内肽酶家族，能够降解细胞外基质蛋白以促进肿瘤细胞的侵袭和转移[24]。迄今为止，已经鉴定了该家族的26个成员，其中MMP2、MMP9与肿瘤的侵袭有关。Osinsky等[25]研究显示，原发肿瘤的生长明显伴随着低氧微环境的恶化，肿瘤低氧微环境的恶化与原发肿瘤细胞的MMP2、MMP9表达活性呈正相关。在低氧微环境中人类乳腺癌MDA-MB-231细胞株的MMP9分泌增加[26]。Himelstein和Koch[27]的研究结果也显示，在低氧微环境中肺泡横纹肌肉瘤细胞的MMP9表达上调。MMP13可以被MMP2、MMP3和MMP14激活，在功能上可以降解Ⅱ型胶原蛋白，促进细胞外基质代谢；激活的MMP13反过来也可促进MMP2和MMP9的激活[28]。

综上所述，低氧微环境可通过改变肿瘤细胞的代谢方式、诱导肿瘤细胞代谢的适应性变化、调节肿瘤细胞中复杂的信号通路（如HIF、PI3K、MAPK和NF-κB信号通路）及诱发EMT来提高血管生成的能力和诱导MMP的生成。有学者尝试通过增加肿瘤的氧合作用来加强放射治疗的效果，试验结果不能让人满意[29]。但是可以通过干预低氧微环境相关信号通路来制订新的抗肿瘤策略，如通过干预HIF信号通路的特殊靶点、复合物或者基因类型治疗肿瘤，目前这些靶点的研究处于临床前研究或者临床试验阶段[30]；也可干预其他重要的信号通路如RAS/MAPK、PI3K/AKT/MTOR[31]。这些新的抗肿瘤策略将会变成对抗肿瘤的有力武器。