缺氧誘導因子在肺癌腦轉移作用機制中的研究進展▲

吳發勝 張 暉 謝家童 李建福 陳 慧 魯世金

(1 廣西中醫藥大學附屬瑞康醫院,廣西南寧市 530011; 2 廣西中醫藥大學,廣西南寧市 530001)

【提要】 缺氧誘導因子為腫瘤和基質中誘導缺氧反應發生的核心因子,在肺癌腦轉移中發揮重要作用,包括抑制上皮間葉細胞轉化、改變血腦屏障通透性、影響腫瘤血管形成、促進細胞外基質降解、調控循環腫瘤細胞定植等,有望成為新型靶向治療的重要方向。本文對缺氧誘導因子在肺癌中的表達及其在肺癌腦轉移中的作用機制的研究進展進行綜述,以期為肺癌腦轉移防治提供新的思路。

肺癌是全球常見的癌癥之一,也是癌癥相關死亡的主要原因。據統計,2020年全球約有220萬例新發肺癌病例和180萬例肺癌死亡病例[1]。但由于肺癌早期臨床癥狀不明顯,大部分患者確診時已處于疾病中晚期。腦部是肺癌常見的轉移部位之一,有20%～65%的肺癌患者會發生腦轉移,肺癌腦轉移患者的預后相較于其他部位轉移的肺癌患者更差,平均生存時間僅1～2個月[2],且生存質量遠遠低于其他部位轉移患者。研究顯示,腫瘤的轉移與腫瘤對微環境的親和力密切相關[3]。缺氧作為腫瘤微環境中的重要特征,可以通過多種途徑促進腫瘤的生長及轉移[4-5],而缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor,HIF)是腫瘤和基質中介導缺氧反應發生的核心因子。研究發現,HIF在肺癌細胞中呈高表達,并且HIF在腫瘤細胞轉移中起著積極作用,與腫瘤不良預后密切相關[6-7]。本文對HIF在肺癌中的表達及其在肺癌腦轉移中的作用機制的研究進展進行綜述,以期為肺癌腦轉移防治提供新的思路。

1 HIF的結構及其在腫瘤發生中的作用

HIF家庭由HIF-1、HIF-2、HIF-3組成,是由O2敏感性HIF-α亞基(HIF-1α或HIF-2α或HIF-3α)和O2不敏感的HIF-1β亞基組成的異二聚體[8]。在氧含量正常的條件下,HIF-1α和HIF-2α的脯氨酸殘基被脯氨酰羥化酶結構域蛋白2(prolyl hydroxylase domain protein 2,PHD2)羥基化,并通過與希佩爾-林道(von Hippel-Lindau,VHL)抑癌基因結合進行泛素介導的蛋白水解。在缺氧條件下,HIF-1α和HIF-2α羥基化反應受到抑制, 而實體瘤內VHL基因缺失或突變亦抑制了上述泛素化過程[9-11],最終導致HIF-α在體內積累并促進其相關功能的激活。缺氧是腫瘤微環境的重要特征,而HIF作為細胞缺氧反應核心因子已被證實通過多種途徑影響腫瘤的生長及轉移[12-13]。其中,HIF-1α是研究最廣泛的致癌基因之一,HIF-1α在人體細胞中普遍表達,其轉錄活性的增強被證實與腫瘤轉移性增強密切相關[14]。HIF-2α主要在高度血管化的器官中表達,有助于調控氧化應激、RNA轉運、細胞周期進程和血管重塑[15]。目前,有關HIF-3α作用機制的研究鮮見報道,有待進一步探究。

2 HIF在肺癌中的表達

相比于腫瘤細胞的快速增殖,腫瘤組織內新血管的生成相對遲滯,在腫瘤微環境中逐漸形成一個長期低氧濃度的區域,導致腫瘤內發生連續的缺氧,這也被稱作腫瘤微環境的慢性缺氧。在慢性缺氧環境中,HIF-1α羥基化減少,導致HIF-1α相關亞基在腫瘤部位積累,同時絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級聯反應被激活,引起HIF-1α的磷酸化,進而增加HIF-1的穩定性和轉錄活性[16]。此外,慢性缺氧還會引起基因表達的改變。Zhou等[17]發現,高轉移性腎癌細胞系中,高表達的長鏈非編碼RNA TM4SF1-AS1使得細胞中磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)和蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)的表達水平明顯升高。有研究表明,缺氧通過PI3K/AKT途徑誘導HIF-1α mRNA表達[18]。Li等[19]發現,與癌旁正常組織相比,肺癌組織中的 miR-214表達上調,而miR-214表達增加會下調腫瘤抑制因子生長抑制因子4(inhibitor of growth 4,ING4)mRNA表達,使ING4對HIF-1α表達的抑制作用減弱,導致HIF-1α累積。慢性缺氧會激活血管生成相關信號通路,促使腫瘤內血管生成,而這些新生成的血管較正常組織中的血管存在結構和功能異常,阻礙了血液的流動,導致腫瘤內出現循環缺氧[20]。循環缺氧是一種間歇性、短暫性的缺氧狀態。循環缺氧中HIF-α積累的機制與活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)密切相關,循環缺氧可誘導ROS的產生,從而激活HIF-1和核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB);同時,ROS可使HIF抑制因子(factor inhibiting HIF,FIH)和脯氨酰羥化酶結構域失活,進而增加HIF-1α蛋白的穩定性[21-23]。此外,ROS還可激活蛋白激酶A系統和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,MTOR)信號通路,使得HIF-1α磷酸化,從而增加其穩定性及其在細胞中的積累[24]。

3 HIF在肺癌腦轉移中的作用機制

3.1 HIF-1α抑制上皮間葉細胞轉化相關連接蛋白基因表達 上皮間葉細胞轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)指的是上皮細胞失去極性并且向間葉細胞形態轉化,是腫瘤細胞發生轉移的重要方式[25]。蝸牛家族轉錄抑制因子(Snail family transcriptional repressor,SNAIL)1、SLUG(SNAIL2)和Twist家族BHLH轉錄因子(Twist family BHLH transcription factor,TWIST)均與EMT相關,三者均可抑制上皮細胞鈣黏蛋白表達,幫助癌細胞通過EMT途徑發生侵襲、轉移[26]。有學者通過敲除人瘤病毒-16癌蛋白DNA導入的A549和NCI-H460非小細胞肺癌細胞中的HIF-1α,并采用實時熒光定量PCR分析敲除HIF-1α對鋅指同源結構域增強子結合蛋白、SNAIL1、SLUG和TWIST1 mRNA水平的影響,發現HIF-1α蛋白表達與非小細胞肺癌組織中的鋅指同源結構域增強子結合蛋白、SNAIL1、SLUG和TWIST1蛋白表達呈正相關[27]。HIF-1α通過誘導性別決定區Y框蛋白9表達上調,促進泛素特異性蛋白酶47表達,并直接與SNAIL1相互作用,阻礙其泛素化和蛋白酶體降解,促進EMT[28]。研究表明,HIF-1α直接與腫瘤間質浸潤淋巴細胞SCL/TAL1中斷位點(SCL/TAL1-interrupting locus,STIL)啟動子結合,并在缺氧時上調STIL表達,過量的STIL與叉頭框轉錄因子結合,通過叉頭框轉錄因子M1介導的下游靶基因激活EMT通路,增強癌細胞遷移和侵襲能力[29]。

3.2 HIF調節血腦屏障的通透性 血腦屏障作為人體重要的保護機制,可以阻止絕大部分有害大分子物質入侵,是防止腫瘤腦轉移的重要因素。緊密連接蛋白Claudin-5、occludin是腦微血管內皮細胞之間緊密連接的重要組成部分,可以限制對小分子的滲透性,是血腦屏障發揮作用的關鍵[30]。研究發現,HIF-1α參與血腦屏障通透性的調控[31]。魏殿芳等[32]在體外構建血腦屏障模型,并將缺氧培養的A549細胞注入模型中,發現在A549細胞缺氧培養2～12 h后,其細胞培養液內的HIF-1α濃度增加,體外血腦屏障模型內皮阻抗值減小,穿過血腦屏障模型的A549細胞增多;進一步的動物實驗證實,HIF-1α通過抑制血腦屏障緊密連接蛋白Claudin-5的表達來增加血腦屏障通透性。此外,有研究報告,HIF-1α可能通過與血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的相互作用,對血腦屏障產生損害[33]。Zhao等[34]發現HIF-1α過表達可上調VEGF和轉化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β3的表達水平,進而抑制緊密連接蛋白occludin蛋白的表達,增加血腦屏障通透性。

3.3 HIF影響血管新生 VEGF是調節血管生成的關鍵因子,其可調節腫瘤周圍血管的生成,在腫瘤生長、區域浸潤和淋巴轉移中起重要作用[35]。一項納入35例腫瘤腦轉移患者的回顧性研究結果顯示,在非小細胞肺癌亞組中,腫瘤體積與VEGF表達呈正相關[36]。另有學者發現,腦轉移瘤組織中的VEGF水平明顯高于原發腦膜瘤組織,且血管生成在腦轉移瘤周圍區更為活躍[37]。曹輝瓊等[38]的研究表明,HIF-1α通過激活PI3K/AKT通路,啟動靶基因轉錄,導致相應的蛋白產物增加、VEGF表達增強,進而促進腫瘤血管生成。在缺氧環境中,HIF-1α可以逃避VHL抑癌基因的識別,并通過PI3K/AKT/MTOR途徑調節VEGF蛋白的合成[39]。而HIF-2α同樣可以通過調控VEGF表達以促進血管生成,進而促進腫瘤生長及轉移[40]。Moreno Roig等[41]的一項Meta分析納入了49項研究共6 052例肺癌患者,分析發現HIF-2α水平與患者總生存期、無病生存期、無轉移生存期和無進展生存期密切相關。而Shao等[42]的研究亦證實HIF-2α表達與VEGF表達呈正相關。

3.4 HIF-1α促進細胞外基質降解 基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)被證實在多種侵襲性腫瘤中表達上調,在腫瘤轉移過程中發揮重要作用,現已被臨床上用作多種轉移性腫瘤的早期檢測標志物[43-45]。MMP家族成員MMP2、MMP9和MMP13已被證實與頭頸部和乳腺腫瘤的轉移密切相關,其通過降解細胞外基質,促進腫瘤的生長及轉移[46-48]。缺氧狀態下,腫瘤細胞中MMP1 mRNA表達水平顯著升高[49],而HIF-1α表達與MMP表達呈正相關[50]。Shan等[51]發現MMP13是HIF-1α的靶基因,缺氧以HIF-1α依賴性方式增加了腫瘤來源的外泌體中的MMP-13水平。此外,HIF-1α還可以誘導MMP1表達,通過激活PI3K/AKT途徑來促進腫瘤進展[52]。

3.5 HIF-1α靶向下調抑制循環腫瘤細胞介導的轉移 循環腫瘤細胞(circulating tumor cell,CTC)指從腫瘤原發部位釋放的腫瘤細胞,其形式包括循環腫瘤細胞單體、循環腫瘤微栓子(circulating tumor microembolus,CTM),在腫瘤患者體內廣泛存在,被證實與腫瘤轉移、患者預后不良和高死亡率直接相關[53]。Zhang等[54]的研究結果顯示,通過抑制乳腺癌細胞中的HIF-1α功能,能顯著減少CTC定植,從而抑制乳腺癌細胞的轉移。此外,Du等[55]發現,CTM可以上調細胞內HIF-1α表達,通過調節相關細胞程序性死亡配體1,幫助CTM實現免疫逃逸,通過敲除HIF-1α或使用HIF-1α抑制劑治療性下調HIF-1α表達,可有效抑制CTM介導的肺腫瘤轉移。

4 小結與展望

肺癌腦轉移涉及多方面因素,包括血腦屏障通透性改變、腫瘤新生血管形成、上皮間葉細胞轉化、細胞外基質降解、腫瘤細胞黏附及遷移、循環腫瘤細胞調節等,缺氧在腫瘤微環境和基質細胞中激活HIF適應性反應,增加腫瘤的侵襲和轉移能力。隨著對HIF信號在控制免疫檢查點信號成分中作用的深入研究,HIF途徑有望成為治療肺癌腦轉移的新方向。