腫瘤血管生成擬態(tài)與HIF-1α信號通路的相關研究進展

許成勇 綜述 竇永起 審校

腫瘤血管生成擬態(tài)與HIF-1α信號通路的相關研究進展

許成勇 綜述 竇永起 審校

腫瘤；血管生成擬態(tài)；信號通路；HIF-1α

惡性腫瘤的存活和生長需要提供充足有效的血液供應，除了早已成為共識的血管發(fā)生和血管生成理論外，在一些惡性腫瘤中均發(fā)現血管生成存在擬態(tài)(vasculogenic mimicry，VM)模式，而缺氧能夠增加腫瘤細胞可塑性，有利于VM 形成。缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)是缺氧反應的主要調節(jié)器，誘導大量調節(jié)缺氧的關鍵因子表達[1]。在VM發(fā)生過程中，缺氧誘導的HIF-1α相關通路激活能夠啟動腫瘤細胞血管生成的信號級聯(lián)反應。目前已有不少抗腫瘤血管生成藥物的研發(fā)集中在HIF-1α相關通路環(huán)節(jié)，成為探索新的靶向藥物突破點之一。筆者就近年來腫瘤血管生成擬態(tài)與HIF-1α相關信號因子的研究進展進行綜述。

1 腫瘤血管生成擬態(tài)與HIF-1α信號通路

Maniotis等[2]在皮膚惡性黑色素瘤中發(fā)現，一種與不依賴血管內皮細胞形成管腔的血液供應方式，即由腫瘤細胞互相連接、細胞外基質內襯而形成管網狀結構,并證實在部分管網狀結構中存在紅細胞,提示該結構具有為腫瘤組織供血的功能，該種血管生成模式被稱為“血管生成擬態(tài)”(vasculogenic mimicry，VM)。后續(xù)研究者在其他惡性腫瘤細胞，諸如卵巢癌、肝癌、肉瘤和神經膠質瘤中也發(fā)現與內皮細胞相似的網格狀管腔結構， 其原因可能與惡性腫瘤細胞分化差、多能性高、更能夠模擬血管內皮細胞相應的功能相關[3]。腫瘤VM信號傳導通路模型中，缺氧是關鍵“啟動開關”，而缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor, HIF)是最重要的缺氧應激因子，其活性主要由HIF-1α亞基決定，在缺氧時HIF-1α的泛素化受到抑制，導致其在細胞內蓄積，繼而引起系列反應，激活HIF-1α信號通路，誘導腫瘤血管生成機制中相關因子的表達，啟動腫瘤細胞內部血管生成的信號級聯(lián)反應[4]。缺血、缺氧的微環(huán)境能夠提高腫瘤細胞的可塑性，并通過 HIF-1α/低氧反應元件(HIF-1α/HRE)引發(fā)HIF-1α信號通路的激活，造成血管生成促進因子與血管生成抑制因子表達失衡，使腫瘤細胞表型發(fā)生內皮轉化，腫瘤血管開始形成[5,6]。

2 HIF-1α相關信號因子與腫瘤血管生成

2.1 PI3K/Akt/mTOR、NF-κB、Wnt/β-catenin與 HIF-1α 雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是PI3K/Akt 的下游底物, PI3K/Akt/mTOR是調控細胞內HIF-1α表達的一條重要信號途徑。PI3K/Akt/ mTOR信號通路可通過磷酸化真核細胞啟動因子4E結合蛋白調節(jié)HIF-1α的翻譯過程，增加其蛋白合成，進而腫瘤新生血管的生成[7]。亦有研究認為，mTOR通過mTOR/HIF-1α/VEGF軸線，促進蛋白質合成、血管新生、調節(jié)凋亡及自噬等[8]。核因子-κB(Nuclear Factor-κB，NF-κB)通過上調HIF-1α的表達，實現對VEGF蛋白表達水平的調控，起到誘導腫瘤血管生成，加速腫瘤生長和向遠處轉移的作用，其機制可能與激活PI3K/AKt途徑上調HIF-lα的表達相關[9]。Lee等[10]發(fā)現,在小鼠胚胎干細胞中，缺氧激活Wnt/β-catenin信號通路后，導致HIF-1α合成增加，VEGF的表達也明顯提高，表明缺氧條件下Wnt/β-catenin通過激活HIF-1α信號通路上調VEGF的表達。Newman等[11]研究表明,Wnt/β-catenin信號通路通過調控新生血管內皮細胞(endothelial cells，EC)的增殖來調控腫瘤血管生成。

2.2 TGF-β1/MAPK與HIF-1α 轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1) 是一種功能廣泛的多肽類細胞因子，在腫瘤細胞的增殖、分化和遷移過程中，起著雙重調節(jié)作用，也是促進腫瘤微血管生成的重要因子, 其可以通過選擇性抑制脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase，PHD)而增加HIF-1α的穩(wěn)定性并抑制其降解，而MAPK 信號通路體系是 TGF-β發(fā)揮生物學效應的重要通路[12]。該信號體系主要通包括以下3個轉導系統(tǒng)：(1)Ras/Raf/MEK/ERK轉導通路。(2)p38MAPK(mitogen-activated protein kinase MAPK)轉導通路[13]；(3)c- Jun 氨基末端激酶(c- Jun N- terminal kinase，JNK)/應激活化蛋白激酶轉導通路。TGF-β1能夠誘導活化多種細胞中的ERK、p38 MAPK、JNK，是激活MAPK通路體系的始動因素之一[14]。Ras與GTP結合后通過三級激酶級聯(lián)反應激活絲氨酸/蘇氨酸激酶(Raf)，進而再激活絲裂素活化蛋白激酶激酶 (MEK) 和細胞外調節(jié)蛋白激酶(ERK)，最終通過對轉錄調節(jié)因子表達的調控而將腫瘤血管生成、細胞增殖信號傳遞到細胞核內[15]。研究發(fā)現，在人頭頸部鱗狀細胞癌中，p38 MAPK信號通路通過抑制活化VEGF等的表達，調控腫瘤細胞的生長及血管生成[16]。c-JNK通路能通過與VEGF mRNA 結合，提高 VEGF mRNA 的穩(wěn)定性[17]。Smads 蛋白是 TGF-β受體的胞內激酶的底物，TGF-β1主要依賴于 Smads蛋白的信號轉導功能而發(fā)揮其作用， 作為TGF-β1受體復合物的下游信號分子，Smad2、Smad3磷酸化后與 Smad4 結合形成復合物移入胞核內， 調控目的基因的轉錄；Smad7能阻止 Smad2/3 磷酸化過程，是TGF-β1信號通路轉導的負向調控因子[18]。熱休克蛋白90(Hsp90)作為TGF-β1/MAPK通路中重要的“分子伴侶”，對細胞中的信號蛋白構象和功能的穩(wěn)定進行調控，在缺氧條件下與 HIF-1α的bHLH-PAS轉錄因子結構域結合，激活 HIF-1α，參與調控腫瘤微血管的生成[19]。

2.3 HIF-1α與 VEGF/ COX-2 /MMP-2/MMP-14 血管內皮生長因子(VEGF)能夠促進內皮細胞分裂、增殖，誘導血管新生，并能直接作用于腫瘤細胞，可提高其可塑性參與VM 形成。HIF-1α 直接激活VEGF的表達，在缺氧條件下，HIF-1α通過與VEGF 基因轉錄起始位點上游的缺氧應答元件( hypoxia response element，HRE)結合，誘導自身高表達[20]，高表達的VEGF通過與VEGFR1、VEGFR2，及新近發(fā)現的在一些腫瘤細胞表面的Neuropilin-l(NRP1)等相關受體結合發(fā)揮促血管生成作用[21]。HIF-1α/ HRE結合，能夠直接促進環(huán)氧合酶-2(Cyclooxygenase-2，COX-2)基因表達，其促進腫瘤血管形成的機制可能是通過COX-2—PGE2—VEGF 途徑發(fā)揮作用[22]。Imada 等[23]研究還發(fā)現,乙酰肝素酶在COX-2 介導的乳腺癌微血管形成過程中起重要作用，其機制可能為乙酰肝素酶直接通過 COX-2 誘導 VEGF 和基底部纖維母細胞因子表達，參與乳腺癌組織新生血管的生成。HIF-1α通路介導的基質金屬蛋白酶-14(MMP-14)表達和活化能夠激活基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)，促進層黏連蛋白分解，層黏連蛋白分解的片段釋放進入細胞外微環(huán)境中收縮基質形成“管道”，是形成VM的重要環(huán)節(jié)[24]。

3 HIF-1α相關信號通路的靶向藥物

3.1 抑制藥物 HIF-1α作為腫瘤微血管生成機制中的“樞紐”，是抗腫瘤血管抑制藥物干預的關鍵靶點，包括影響HIF-1α蛋白降解的分子伴侶Hsp90抑制藥(17-AAG和17-DMAG)、組蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制藥vorinostat；抑制HIF-1蛋白翻譯的拓撲異構酶Ⅰ抑制劑托泊替康、拓撲異構酶Ⅱ抑制藥NSC644221；減少HIF-1α蛋白的合成的mTOR抑制藥雷帕霉素等[25]。 Cai 等[26]發(fā)現，替莫唑胺能夠通過降低 HIF-1α 蛋白表達，增強伊立替康的化療作用。該研究還發(fā)現，洋地黃類藥物地高辛能夠抑制HIF-1α的活性，抑制腫瘤血管的血管形成[27]。Zhang 等[28]發(fā)現，去甲斑蝥素的抗腫瘤血管生成機制可能與抑制PI3K-MMPs信號通路有關。針對 ERK 通路的抑制藥U0126和PD98059、 p38 通路的抑制藥ASA404及阻斷 Ras/Raf/MAPK 信號通路的藥物 AZD 6244 (MEK1/2 選擇性抑制藥)、索拉非尼(多種酪氨酸激酶抑制藥)、GSK1120212(MEK1 選擇性抑制藥)等的相關試驗已見報道[29,30]。另外，異黃腐醇通過抑藥TGF-β表達進而影響腫瘤細胞的遷移侵襲，抑制腫瘤血管生成[31]；巖藻多糖硫酸酯能夠抑制 A549 肺腺癌侵襲和轉移的作用，其機制可能與干預 ERK1/2 和 PI3K/AKT 磷酸化有關[32]。

3.2 中藥 利用傳統(tǒng)飲片提取后得出的中藥有效成分在干預腫瘤血管生成方面也有不少研究報道。張平等[33]證實，人參皂苷 Rg3 聯(lián)合蘇拉明對可能通過下調TGF-β1的表達抑制小鼠 Lewis 肺癌生長轉移。黃芪的有效成分黃芪多糖、黃芪皂苷能降低腫瘤組織中VEGF、熱休克蛋白70(HSP70)的表達，抑制腫瘤血管生成[34,35]。低劑量丹參酮IIA能夠調節(jié)VEGF，堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)等促血管新生因子，通過HIF-1α、MMPs、PI3K/AKT/eNOS等多途徑抑制血管新生[36]。李妍等[37]發(fā)現，從姜科植物姜黃、郁金、莪術中提取的中藥單體姜黃素可通過減少TGF-β1過度表達、上調Smad7和下調Smad3水平，從而抑制HIF-1α蛋白表達，發(fā)揮抗腫瘤血管形成作用。而同樣來自于莪術的提取物β-欖香烯能直接抑制VEGF介導的血管生成，調控小鼠黑色素瘤的生長[38]。以上均從不同靶點報道了中藥有效成分對腫瘤微血管形成的干預機制，其具有多靶點、網絡狀分布的特點，但也存在作用靶點不夠集中、抗腫瘤血管生成作用效果弱的不足，需要進一步進行篩選。

血管生成擬態(tài)作為一種腫瘤功能性微循環(huán)形成的方式，是腫瘤血液供應的重要途徑。腫瘤細胞微環(huán)境的改變，特別是缺氧環(huán)境形成能夠誘導擬態(tài)血管的形成，而缺氧環(huán)境激活的HIF-1α相關通路能夠啟動腫瘤血管生成的信號級聯(lián)反應，參與腫瘤血管生成擬態(tài)機制，干預腫瘤的生長、增殖和侵襲、遷移過程。HIF-1α相關通信號通路眾多，各通路的關鍵因子表達對腫瘤血管生成的信號傳遞均具有重要的調節(jié)作用，但該通路上下游諸多環(huán)節(jié)的作用機制尚未完全明了，某些重要因子之間的相互關系也未能明確闡述，故下一步應集中針對該通路中比較明確的關鍵因子，圍繞其上下游分子的作用機制展開研究，進而研發(fā)抗腫瘤血管生成作用明確、抑制或殺傷腫瘤作用明顯且特異性強的靶向藥物。另外，對中藥提取物抗腫瘤血管生成機制研究也應更進一步深入，為開發(fā)抗腫瘤血管生成新藥提供新的思路。

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R733

國家自然科學基金(81673810)

許成勇，博士研究生，醫(yī)師。

100853 北京，解放軍總醫(yī)院中醫(yī)科

竇永起， E-mail:dyqi_ 301 @ yeah. net

(2017-02-20收稿 2017-06-10修回)

(責任編輯 武建虎)

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