缺氧诱导因子在肺癌脑转移作用机制中的研究进展▲

吴发胜 张 晖 谢家童 李建福 陈 慧 鲁世金

(1 广西中医药大学附属瑞康医院,广西南宁市 530011; 2 广西中医药大学,广西南宁市 530001)

【提要】 缺氧诱导因子为肿瘤和基质中诱导缺氧反应发生的核心因子,在肺癌脑转移中发挥重要作用,包括抑制上皮间叶细胞转化、改变血脑屏障通透性、影响肿瘤血管形成、促进细胞外基质降解、调控循环肿瘤细胞定植等,有望成为新型靶向治疗的重要方向。本文对缺氧诱导因子在肺癌中的表达及其在肺癌脑转移中的作用机制的研究进展进行综述,以期为肺癌脑转移防治提供新的思路。

肺癌是全球常见的癌症之一,也是癌症相关死亡的主要原因。据统计,2020年全球约有220万例新发肺癌病例和180万例肺癌死亡病例[1]。但由于肺癌早期临床症状不明显,大部分患者确诊时已处于疾病中晚期。脑部是肺癌常见的转移部位之一,有20%～65%的肺癌患者会发生脑转移,肺癌脑转移患者的预后相较于其他部位转移的肺癌患者更差,平均生存时间仅1～2个月[2],且生存质量远远低于其他部位转移患者。研究显示,肿瘤的转移与肿瘤对微环境的亲和力密切相关[3]。缺氧作为肿瘤微环境中的重要特征,可以通过多种途径促进肿瘤的生长及转移[4-5],而缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor,HIF)是肿瘤和基质中介导缺氧反应发生的核心因子。研究发现,HIF在肺癌细胞中呈高表达,并且HIF在肿瘤细胞转移中起着积极作用,与肿瘤不良预后密切相关[6-7]。本文对HIF在肺癌中的表达及其在肺癌脑转移中的作用机制的研究进展进行综述,以期为肺癌脑转移防治提供新的思路。

1 HIF的结构及其在肿瘤发生中的作用

HIF家庭由HIF-1、HIF-2、HIF-3组成,是由O2敏感性HIF-α亚基(HIF-1α或HIF-2α或HIF-3α)和O2不敏感的HIF-1β亚基组成的异二聚体[8]。在氧含量正常的条件下,HIF-1α和HIF-2α的脯氨酸残基被脯氨酰羟化酶结构域蛋白2(prolyl hydroxylase domain protein 2,PHD2)羟基化,并通过与希佩尔-林道(von Hippel-Lindau,VHL)抑癌基因结合进行泛素介导的蛋白水解。在缺氧条件下,HIF-1α和HIF-2α羟基化反应受到抑制, 而实体瘤内VHL基因缺失或突变亦抑制了上述泛素化过程[9-11],最终导致HIF-α在体内积累并促进其相关功能的激活。缺氧是肿瘤微环境的重要特征,而HIF作为细胞缺氧反应核心因子已被证实通过多种途径影响肿瘤的生长及转移[12-13]。其中,HIF-1α是研究最广泛的致癌基因之一,HIF-1α在人体细胞中普遍表达,其转录活性的增强被证实与肿瘤转移性增强密切相关[14]。HIF-2α主要在高度血管化的器官中表达,有助于调控氧化应激、RNA转运、细胞周期进程和血管重塑[15]。目前,有关HIF-3α作用机制的研究鲜见报道,有待进一步探究。

2 HIF在肺癌中的表达

相比于肿瘤细胞的快速增殖,肿瘤组织内新血管的生成相对迟滞,在肿瘤微环境中逐渐形成一个长期低氧浓度的区域,导致肿瘤内发生连续的缺氧,这也被称作肿瘤微环境的慢性缺氧。在慢性缺氧环境中,HIF-1α羟基化减少,导致HIF-1α相关亚基在肿瘤部位积累,同时丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)级联反应被激活,引起HIF-1α的磷酸化,进而增加HIF-1的稳定性和转录活性[16]。此外,慢性缺氧还会引起基因表达的改变。Zhou等[17]发现,高转移性肾癌细胞系中,高表达的长链非编码RNA TM4SF1-AS1使得细胞中磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)和蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)的表达水平明显升高。有研究表明,缺氧通过PI3K/AKT途径诱导HIF-1α mRNA表达[18]。Li等[19]发现,与癌旁正常组织相比,肺癌组织中的 miR-214表达上调,而miR-214表达增加会下调肿瘤抑制因子生长抑制因子4(inhibitor of growth 4,ING4)mRNA表达,使ING4对HIF-1α表达的抑制作用减弱,导致HIF-1α累积。慢性缺氧会激活血管生成相关信号通路,促使肿瘤内血管生成,而这些新生成的血管较正常组织中的血管存在结构和功能异常,阻碍了血液的流动,导致肿瘤内出现循环缺氧[20]。循环缺氧是一种间歇性、短暂性的缺氧状态。循环缺氧中HIF-α积累的机制与活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)密切相关,循环缺氧可诱导ROS的产生,从而激活HIF-1和核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB);同时,ROS可使HIF抑制因子(factor inhibiting HIF,FIH)和脯氨酰羟化酶结构域失活,进而增加HIF-1α蛋白的稳定性[21-23]。此外,ROS还可激活蛋白激酶A系统和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,MTOR)信号通路,使得HIF-1α磷酸化,从而增加其稳定性及其在细胞中的积累[24]。

3 HIF在肺癌脑转移中的作用机制

3.1 HIF-1α抑制上皮间叶细胞转化相关连接蛋白基因表达 上皮间叶细胞转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)指的是上皮细胞失去极性并且向间叶细胞形态转化,是肿瘤细胞发生转移的重要方式[25]。蜗牛家族转录抑制因子(Snail family transcriptional repressor,SNAIL)1、SLUG(SNAIL2)和Twist家族BHLH转录因子(Twist family BHLH transcription factor,TWIST)均与EMT相关,三者均可抑制上皮细胞钙黏蛋白表达,帮助癌细胞通过EMT途径发生侵袭、转移[26]。有学者通过敲除人瘤病毒-16癌蛋白DNA导入的A549和NCI-H460非小细胞肺癌细胞中的HIF-1α,并采用实时荧光定量PCR分析敲除HIF-1α对锌指同源结构域增强子结合蛋白、SNAIL1、SLUG和TWIST1 mRNA水平的影响,发现HIF-1α蛋白表达与非小细胞肺癌组织中的锌指同源结构域增强子结合蛋白、SNAIL1、SLUG和TWIST1蛋白表达呈正相关[27]。HIF-1α通过诱导性别决定区Y框蛋白9表达上调,促进泛素特异性蛋白酶47表达,并直接与SNAIL1相互作用,阻碍其泛素化和蛋白酶体降解,促进EMT[28]。研究表明,HIF-1α直接与肿瘤间质浸润淋巴细胞SCL/TAL1中断位点(SCL/TAL1-interrupting locus,STIL)启动子结合,并在缺氧时上调STIL表达,过量的STIL与叉头框转录因子结合,通过叉头框转录因子M1介导的下游靶基因激活EMT通路,增强癌细胞迁移和侵袭能力[29]。

3.2 HIF调节血脑屏障的通透性 血脑屏障作为人体重要的保护机制,可以阻止绝大部分有害大分子物质入侵,是防止肿瘤脑转移的重要因素。紧密连接蛋白Claudin-5、occludin是脑微血管内皮细胞之间紧密连接的重要组成部分,可以限制对小分子的渗透性,是血脑屏障发挥作用的关键[30]。研究发现,HIF-1α参与血脑屏障通透性的调控[31]。魏殿芳等[32]在体外构建血脑屏障模型,并将缺氧培养的A549细胞注入模型中,发现在A549细胞缺氧培养2～12 h后,其细胞培养液内的HIF-1α浓度增加,体外血脑屏障模型内皮阻抗值减小,穿过血脑屏障模型的A549细胞增多;进一步的动物实验证实,HIF-1α通过抑制血脑屏障紧密连接蛋白Claudin-5的表达来增加血脑屏障通透性。此外,有研究报告,HIF-1α可能通过与血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的相互作用,对血脑屏障产生损害[33]。Zhao等[34]发现HIF-1α过表达可上调VEGF和转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β3的表达水平,进而抑制紧密连接蛋白occludin蛋白的表达,增加血脑屏障通透性。

3.3 HIF影响血管新生 VEGF是调节血管生成的关键因子,其可调节肿瘤周围血管的生成,在肿瘤生长、区域浸润和淋巴转移中起重要作用[35]。一项纳入35例肿瘤脑转移患者的回顾性研究结果显示,在非小细胞肺癌亚组中,肿瘤体积与VEGF表达呈正相关[36]。另有学者发现,脑转移瘤组织中的VEGF水平明显高于原发脑膜瘤组织,且血管生成在脑转移瘤周围区更为活跃[37]。曹辉琼等[38]的研究表明,HIF-1α通过激活PI3K/AKT通路,启动靶基因转录,导致相应的蛋白产物增加、VEGF表达增强,进而促进肿瘤血管生成。在缺氧环境中,HIF-1α可以逃避VHL抑癌基因的识别,并通过PI3K/AKT/MTOR途径调节VEGF蛋白的合成[39]。而HIF-2α同样可以通过调控VEGF表达以促进血管生成,进而促进肿瘤生长及转移[40]。Moreno Roig等[41]的一项Meta分析纳入了49项研究共6 052例肺癌患者,分析发现HIF-2α水平与患者总生存期、无病生存期、无转移生存期和无进展生存期密切相关。而Shao等[42]的研究亦证实HIF-2α表达与VEGF表达呈正相关。

3.4 HIF-1α促进细胞外基质降解 基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)被证实在多种侵袭性肿瘤中表达上调,在肿瘤转移过程中发挥重要作用,现已被临床上用作多种转移性肿瘤的早期检测标志物[43-45]。MMP家族成员MMP2、MMP9和MMP13已被证实与头颈部和乳腺肿瘤的转移密切相关,其通过降解细胞外基质,促进肿瘤的生长及转移[46-48]。缺氧状态下,肿瘤细胞中MMP1 mRNA表达水平显著升高[49],而HIF-1α表达与MMP表达呈正相关[50]。Shan等[51]发现MMP13是HIF-1α的靶基因,缺氧以HIF-1α依赖性方式增加了肿瘤来源的外泌体中的MMP-13水平。此外,HIF-1α还可以诱导MMP1表达,通过激活PI3K/AKT途径来促进肿瘤进展[52]。

3.5 HIF-1α靶向下调抑制循环肿瘤细胞介导的转移 循环肿瘤细胞(circulating tumor cell,CTC)指从肿瘤原发部位释放的肿瘤细胞,其形式包括循环肿瘤细胞单体、循环肿瘤微栓子(circulating tumor microembolus,CTM),在肿瘤患者体内广泛存在,被证实与肿瘤转移、患者预后不良和高死亡率直接相关[53]。Zhang等[54]的研究结果显示,通过抑制乳腺癌细胞中的HIF-1α功能,能显著减少CTC定植,从而抑制乳腺癌细胞的转移。此外,Du等[55]发现,CTM可以上调细胞内HIF-1α表达,通过调节相关细胞程序性死亡配体1,帮助CTM实现免疫逃逸,通过敲除HIF-1α或使用HIF-1α抑制剂治疗性下调HIF-1α表达,可有效抑制CTM介导的肺肿瘤转移。

4 小结与展望

肺癌脑转移涉及多方面因素,包括血脑屏障通透性改变、肿瘤新生血管形成、上皮间叶细胞转化、细胞外基质降解、肿瘤细胞黏附及迁移、循环肿瘤细胞调节等,缺氧在肿瘤微环境和基质细胞中激活HIF适应性反应,增加肿瘤的侵袭和转移能力。随着对HIF信号在控制免疫检查点信号成分中作用的深入研究,HIF途径有望成为治疗肺癌脑转移的新方向。