缺氧誘導(dǎo)因子-1α在食管鱗狀細(xì)胞癌中的研究

齊明明， 楊 倩， 胡 雪， 張 嵐， 董衛(wèi)國(guó)

武漢大學(xué)人民醫(yī)院 1.消化內(nèi)科； 2.感染科，湖北 武漢 430060

食管癌是常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤之一。目前在世界范圍內(nèi)，食管癌的發(fā)病率在惡性腫瘤中居第7位，死亡率居第6位[1]。食管癌的發(fā)病率受性別、飲食習(xí)慣和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的影響，約70%的食管癌患者為男性，且食管癌在東亞地區(qū)的發(fā)病率最高，我國(guó)是食管癌發(fā)病率最高的國(guó)家之一，且我國(guó)90%以上的食管癌病理類型為食管鱗狀細(xì)胞癌。隨著早期篩查的逐漸普及以及新輔助放化療等的應(yīng)用，食管鱗狀細(xì)胞癌的早診早治及治療應(yīng)答率已有了極大的進(jìn)展，但食管鱗狀細(xì)胞癌仍是威脅我國(guó)居民生命健康的重要疾病之一[2]。目前的研究表明，飲酒、吸煙是食管鱗狀細(xì)胞癌的重要危險(xiǎn)因素，但食管鱗狀細(xì)胞癌的病因尚不明確[1]。因此，明確食管鱗狀細(xì)胞癌的發(fā)病機(jī)制、研究新的監(jiān)測(cè)及治療靶點(diǎn)對(duì)于食管鱗狀細(xì)胞癌患者的治療及預(yù)后至關(guān)重要。

腫瘤微環(huán)境是指腫瘤細(xì)胞存在的周圍環(huán)境，包括內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、免疫細(xì)胞等細(xì)胞成分，以及細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、激素、細(xì)胞外基質(zhì)等細(xì)胞外成分。腫瘤微環(huán)境在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及耐藥等方面發(fā)揮著重要作用[3]。在腫瘤進(jìn)展過程中，距供血血管相對(duì)較遠(yuǎn)的腫瘤細(xì)胞缺氧是腫瘤微環(huán)境的重要特點(diǎn)[4]。缺氧狀態(tài)下腫瘤代謝發(fā)生糖酵解增加等一系列改變，一方面為腫瘤提供充足的能量，另一方面可介導(dǎo)腫瘤對(duì)缺氧環(huán)境的耐受，導(dǎo)致凋亡和壞死的減少，而持續(xù)增殖、促進(jìn)遷移。缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)受缺氧的調(diào)節(jié)，在腫瘤組織缺氧區(qū)域處于高表達(dá)狀態(tài)，與腫瘤的惡性程度相關(guān)[4-5]。研究表明，在肺癌、胃癌、結(jié)直腸癌及食管癌中均有HIF-1α的高表達(dá)[6-9]。但目前HIF-1α在食管鱗狀細(xì)胞癌發(fā)生、發(fā)展中的作用及調(diào)節(jié)機(jī)制仍無(wú)系統(tǒng)性的總結(jié)，因此，我們結(jié)合目前的研究，對(duì)HIF-1α與食管鱗狀細(xì)胞癌的關(guān)系作一概述。

1 HIF-1α概述

1.1 HIF-1α的生物學(xué)特點(diǎn)HIF是介導(dǎo)缺氧狀態(tài)下腫瘤細(xì)胞適應(yīng)性調(diào)節(jié)的因子之一，HIF有HIF-1、HIF-2和HIF-3三種形式，它們包括不同的HIF-α異構(gòu)體(HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α)和共同的β亞單位(HIF-1β)。HIF-1β穩(wěn)定表達(dá)，而HIF-α的表達(dá)水平受氧含量調(diào)節(jié)。低氧情況下，HIF-1α在所有組織中表達(dá)；HIF-2α的表達(dá)具有組織特異性，其功能與HIF-1α有一定重疊但并不相同；HIF-3α的研究相對(duì)較少[10]。HIF-1α和HIF-1β以異二聚體形式構(gòu)成HIF-1，其中HIF-1α為活性亞單位[11]。氧含量正常的情況下，在脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase domain，PHD)的作用下，HIF-1α在脯氨酸殘基上發(fā)生氧依賴的羥化，隨后可與von Hippel-Lindau(VHL)腫瘤抑制蛋白相互作用，VHL募集E3泛素蛋白連接酶催化HIF-1α的多聚泛素化，繼而啟動(dòng)蛋白酶降解[12-13]；天冬酰胺酰羥化酶，即HIF抑制因子(factor inhibiting HIF-1，F(xiàn)IH)，可在天冬氨酸殘基上發(fā)生氧依賴的羥化反應(yīng)，抑制HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性[14]。因此，在氧含量正常的情況下很難檢測(cè)到HIF-1α。PHD本質(zhì)是雙加氧酶，其催化中心包含二價(jià)鐵，利用氧氣和α-酮戊二酸作為底物，發(fā)生羥化反應(yīng)。因此，當(dāng)缺乏氧氣或α-酮戊二酸、或二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵、或暴露于鐵螯合劑及α-酮戊二酸類似物時(shí)，PHD和FIH的活性受到抑制，HIF-1α迅速聚集，4～8 h后 HIF-1α蛋白水平達(dá)到峰值。持續(xù)缺氧24 h后，HIF-1α靶基因的mRNA表達(dá)水平也達(dá)到峰值[10,14]。

1.2 HIF-1α促進(jìn)腫瘤細(xì)胞適應(yīng)低氧微環(huán)境哺乳動(dòng)物細(xì)胞需要維持氧穩(wěn)態(tài)以進(jìn)行有氧代謝和能量生成。在實(shí)體瘤中，由于腫瘤細(xì)胞快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致血流供應(yīng)相對(duì)不足，腫瘤中心區(qū)域供氧不足。腫瘤細(xì)胞通過激活增殖等相關(guān)通路以耐受缺氧，而HIF-1α在腫瘤細(xì)胞對(duì)低氧的適應(yīng)性應(yīng)答中發(fā)揮重要作用。HIF-1α可激活下游100余種基因的轉(zhuǎn)錄，而這些靶基因參與調(diào)節(jié)糖代謝、細(xì)胞增殖、遷移、血管生成等生物學(xué)過程，與腫瘤存活和進(jìn)展密切相關(guān)[13,15]。例如，在低氧環(huán)境下，HIF-1α促使腫瘤細(xì)胞的糖代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)化為糖酵解途徑，通過促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporter，GLUT)的過表達(dá)，以增加葡萄糖向腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)，并誘導(dǎo)糖酵解相關(guān)酶的高表達(dá)，來(lái)完成代謝方式的轉(zhuǎn)換，維持細(xì)胞的能量供應(yīng)[13]。HIF-1α也參與誘導(dǎo)血管生成因子，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的轉(zhuǎn)錄，繼而促進(jìn)新生血管的生成，增加腫瘤細(xì)胞的氧供[4]。除此之外，HIF-1α通過激活致瘤生長(zhǎng)因子如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β3(transforming growth factor β3, TGF-β3)、表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor, EGF)等的轉(zhuǎn)錄而促進(jìn)腫瘤的遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移[16]。總之，腫瘤細(xì)胞中HIF-1α的激活是腫瘤適應(yīng)低氧微環(huán)境的重要機(jī)制。

2 HIF-1α在食管鱗狀細(xì)胞癌中的作用及機(jī)制

2.1 HIF-1α對(duì)食管鱗狀細(xì)胞癌血管生成和能量代謝的影響血管新生在腫瘤發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，VEGF是促進(jìn)血管生成的重要成分。研究發(fā)現(xiàn)，食管鱗狀細(xì)胞癌中HIF-1α呈高表達(dá)[17]，HIF-1α可結(jié)合到VEGF基因調(diào)節(jié)區(qū)域的HIF-1結(jié)合位點(diǎn)上，從而促進(jìn)VEGF的表達(dá)[18-19]， VEGF表達(dá)水平高的患者，腫瘤微血管密度和TNM分期也更高[20]。VEGF的表達(dá)促進(jìn)血管生成、提高血管通透性，促進(jìn)腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移[21]。HIF-1α和VEGF高表達(dá)的食管鱗狀細(xì)胞癌患者臨床預(yù)后更差[17]。

糖酵解在腫瘤代謝過程中具有重要作用。缺氧狀態(tài)下，腫瘤細(xì)胞糖酵解增加，迅速進(jìn)行糖代謝為其生長(zhǎng)和增殖提供充足的能量，同時(shí)增加其缺氧耐受性[22]。研究表明，缺氧狀態(tài)下食管鱗狀細(xì)胞癌HIF-1α表達(dá)增加，繼而促進(jìn)GLUT1及己糖激酶-Ⅱ(hexokinase-Ⅱ，HK-Ⅱ)等糖酵解相關(guān)酶的增加，組織乳酸濃度增加；而抑制HIF-1α后，GLUT1、HK-Ⅱ及乳酸含量均下降[23]。這表明HIF-1α可通過促進(jìn)糖酵解來(lái)增加腫瘤細(xì)胞的能量供應(yīng)，從而促進(jìn)腫瘤的增殖。

2.2 HIF-1α對(duì)食管鱗狀細(xì)胞癌增殖和凋亡的影響腫瘤微環(huán)境缺氧狀態(tài)下HIF-1α高表達(dá)，可激活與細(xì)胞增殖相關(guān)的靶基因，如胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor-2，IGF2)、促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin，EPO)、VEGF、TGF-α等，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的存活和增殖[24]。除此之外，HIF-1α在食管鱗狀細(xì)胞癌中高表達(dá)也可促進(jìn)糖酵解相關(guān)蛋白的表達(dá)，增強(qiáng)對(duì)缺氧環(huán)境的耐受程度，也增加腫瘤細(xì)胞的能量供應(yīng)，促進(jìn)腫瘤增殖[23]。HIF-1α的高表達(dá)也可誘導(dǎo)自噬[25]，非選擇性降解胞質(zhì)蛋白質(zhì)和功能障礙的細(xì)胞器，為腫瘤細(xì)胞提供代謝底物，從而促進(jìn)食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞的增殖[26]。抑制HIF-1α后食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞周期停滯在G2/M期，增殖受到抑制，凋亡增加[27]。

2.3 HIF-1α對(duì)食管鱗狀細(xì)胞癌侵襲和轉(zhuǎn)移的影響HIF-1α與食管鱗狀細(xì)胞癌的侵襲和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。研究表明，HIF-1α陽(yáng)性的食管鱗狀細(xì)胞癌患者發(fā)生腫瘤轉(zhuǎn)移的可能性更大[20,28]。局部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移是食管鱗狀細(xì)胞癌轉(zhuǎn)移的重要途經(jīng)，腫瘤細(xì)胞生成淋巴管生長(zhǎng)因子，如VEGF-C等則在腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中發(fā)揮關(guān)鍵作用[29]。有研究表明，HIF-1α可促進(jìn)VEGF-C的表達(dá)，促進(jìn)淋巴管生成，從而促進(jìn)食管鱗狀細(xì)胞癌的淋巴侵襲和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[30]。HIF-1α高表達(dá)與食管鱗狀細(xì)胞癌的浸潤(rùn)深度、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移相關(guān)[31]。

上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)是促進(jìn)食管鱗狀細(xì)胞癌侵襲和轉(zhuǎn)移的重要因素。缺氧狀態(tài)下HIF-1α高表達(dá)，誘導(dǎo)β-連環(huán)素從E-鈣黏蛋白/β-連環(huán)素復(fù)合物中解離，解離后的β-連環(huán)素進(jìn)入胞核，作為啟動(dòng)子促進(jìn)EMT相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[32-33]，降低腫瘤細(xì)胞的黏附作用，并增強(qiáng)其運(yùn)動(dòng)及侵襲能力，而通過抑制HIF-1α則可抑制EMT，從而抑制食管鱗狀細(xì)胞癌的侵襲和轉(zhuǎn)移[27]。

2.4 HIF-1α對(duì)食管鱗狀細(xì)胞癌預(yù)后的影響HIF-1α是影響食管鱗狀細(xì)胞癌預(yù)后的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[34]，HIF-1α高表達(dá)的食管鱗狀細(xì)胞癌患者預(yù)后更差[20,34]。Meta分析表明，在消化道腫瘤患者中HIF-1α高表達(dá)的患者無(wú)進(jìn)展生存時(shí)間、無(wú)轉(zhuǎn)移生存時(shí)間、無(wú)復(fù)發(fā)生存時(shí)間及總生存時(shí)間均更短[5]。食管鱗狀細(xì)胞癌中HIF-1α高表達(dá)的患者腫瘤分化更差、TNM分期更高、治療無(wú)應(yīng)答的可能性更大[17,20]。

對(duì)于食管鱗狀細(xì)胞癌患者，放化療仍是重要的治療方式。因此，食管鱗狀細(xì)胞癌患者的放化療敏感性是影響其預(yù)后的關(guān)鍵因素之一。但由于腫瘤進(jìn)展過程中腫瘤微環(huán)境缺氧，HIF-1α高表達(dá)，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)低氧環(huán)境的耐受能力，促進(jìn)腫瘤增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移，并可降低食管癌的放化療敏感性。研究表明，HIF-1α高表達(dá)的食管癌患者放化療效果更差、無(wú)復(fù)發(fā)生存時(shí)間更短[35]。而通過抑制HIF-1α的表達(dá)，可使食管鱗狀細(xì)胞癌的放療敏感性增加[36]，顯著改善食管癌患者的預(yù)后。

2.5 靶向HIF-1α治療食管鱗狀細(xì)胞癌的前景HIF-1α是食管鱗狀細(xì)胞癌預(yù)后不良的重要因素，已有大量研究表明，HIF-1α高表達(dá)可促進(jìn)食管鱗狀細(xì)胞癌的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移，并降低食管鱗狀細(xì)胞癌的放化療敏感性。因此，抑制HIF-1α有望成為治療食管鱗狀細(xì)胞癌的方式之一。體內(nèi)體外研究表明，對(duì)于HIF-1α高表達(dá)的食管鱗狀細(xì)胞癌，給予HIF-1α抑制劑可抑制其增殖及轉(zhuǎn)移[27]。舒尼替尼、硼替佐米及傳統(tǒng)中藥如鴉膽子油等已被證實(shí)可通過抑制HIF-1α從而增強(qiáng)食管鱗狀細(xì)胞癌放療敏感性[36-38]。另外，放療時(shí)聯(lián)合使用二甲雙胍也可間接抑制HIF-1α，從而增強(qiáng)食管鱗狀細(xì)胞癌放療敏感性，促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡和細(xì)胞周期停滯[39]。還有研究表明，通過使用雙氫青蒿素可以抑制HIF-1α的表達(dá)，從而增加食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞光動(dòng)力治療的敏感性，而光動(dòng)力治療可顯著改善食管癌患者的梗阻情況，延長(zhǎng)患者的生存時(shí)間[9]。HIF-1α有望成為治療食管鱗狀細(xì)胞癌的新靶點(diǎn)之一。

3 結(jié)論

越來(lái)越多的證據(jù)表明，HIF-1α在食管鱗狀細(xì)胞癌的發(fā)生、發(fā)展中具有重要作用，其表達(dá)水平升高是食管鱗狀細(xì)胞癌增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移及放化療敏感性下降的重要因素。大量研究已表明，HIF-1α通過促進(jìn)血管生成、糖酵解、EMT、增加放化療抵抗性等參與食管鱗狀細(xì)胞癌的進(jìn)展，而抑制HIF-1α則可顯著改善食管鱗狀細(xì)胞癌的預(yù)后。隨著研究的不斷深入，HIF-1α可為食管鱗狀細(xì)胞癌的診療和預(yù)后評(píng)估等提供新思路。