乳腺癌中缺氧作用機(jī)制的研究進(jìn)展

梁家瑋，郭海峰

(1.牡丹江醫(yī)學(xué)院；2.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院，黑龍江 牡丹江 15011)

乳腺癌(Breast cancer,BC)是目前發(fā)病率和死亡率最高的女性惡性腫瘤之一。2018年中國(guó)惡性腫瘤總發(fā)病人數(shù)約為4,300,000，乳腺癌發(fā)病率總?cè)藬?shù)的8.6%、中國(guó)女性惡性腫瘤發(fā)病總?cè)藬?shù)的19.2%[1]。作為一種高度異質(zhì)性的疾病，乳腺癌的臨床病理因素和基因組測(cè)序的區(qū)別可將其細(xì)分為多種類型和多種亞型，它們之間具有不同的生物學(xué)特征、對(duì)治療的不同反應(yīng)以及不同預(yù)后[2]。盡管過去幾十年里乳腺癌的死亡率出現(xiàn)明顯降低，但隨著生活水平的改善、飲食結(jié)構(gòu)的改變以及人口老齡化等社會(huì)問題的發(fā)生使乳腺癌的發(fā)病率仍在逐年增加。近年，缺氧導(dǎo)致的低氧微環(huán)境與乳腺癌之間的關(guān)系成為研究熱點(diǎn)，氧濃度和缺氧程度在乳腺癌中扮演重要的角色及其作用機(jī)制和基因轉(zhuǎn)錄的改變對(duì)臨床診斷、治療及預(yù)后判斷有重要指導(dǎo)意義。

1 缺氧、HIF與惡性腫瘤

人體內(nèi)的不同組織中氧分壓(Partial pressure of oxygen,PO2)存在很大差異，當(dāng)組織PO2低于正常水平時(shí)則被認(rèn)為存在缺氧。生理性缺氧通常是短暫的，且可由機(jī)體的適應(yīng)性和穩(wěn)態(tài)反應(yīng)代償維持PO2；但當(dāng)體內(nèi)O2平衡機(jī)制無法充分代償而引起長(zhǎng)時(shí)間低PO2并導(dǎo)致組織損傷時(shí)則稱為病理性缺氧。據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，缺氧是絕大多數(shù)實(shí)體惡性腫瘤的共同特征。惡性腫瘤內(nèi)部及其周圍微環(huán)境的局部缺氧主要源于血管解剖結(jié)構(gòu)異常、過度血管生成導(dǎo)致的局部阻塞或壓迫以及微循環(huán)障礙，而由缺氧而形成的缺氧腫瘤微環(huán)境影響著實(shí)體惡性腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展。實(shí)體惡性腫瘤內(nèi)形成的梯度缺氧區(qū)域，可通過減慢細(xì)胞增殖速度、改變新陳代謝和腫瘤細(xì)胞pH值、誘導(dǎo)血管生成以及通過對(duì)自身基因的重新編程得以在缺氧的環(huán)境下生存，改善其自身的可塑性和異質(zhì)性，并促進(jìn)更具侵襲性的表型。盡管惡性腫瘤在缺氧情況下會(huì)發(fā)生促進(jìn)新血管生成的代償性反應(yīng)，但這樣生成的血管均是結(jié)構(gòu)混亂且分布不均的滲漏血管，在惡性腫瘤細(xì)胞和基質(zhì)的壓力下容易塌陷，降低了其送O2能力[3]。

細(xì)胞對(duì)缺氧的反應(yīng)主要通過HIF介導(dǎo)，HIF是由bHLH-PAS蛋白組成的異源二聚體復(fù)合物，包含一個(gè)O2依賴性α亞基和一個(gè)穩(wěn)定的O2不敏感性β亞基，它們結(jié)合組成缺氧反應(yīng)元件并含有保守的5’-RCGTG-3’核心序列，其通過轉(zhuǎn)錄激活上千個(gè)下游基因參與惡性腫瘤的生存和進(jìn)展[4]。HIF活性主要通過HIF-1α和HIF-2α亞基的翻譯后修飾和穩(wěn)定化進(jìn)行控制，在常氧條件下HIF活性通過O2依賴性脯氨酰羥化酶 (Prolyl hydroxylase domain，PHD)和von Hippel-Lindau(VHL)蛋白對(duì)HIFα的蛋白酶體降解和/或抑制因子抑制HIFα與必需輔助因子的結(jié)合來抑制，隨著缺氧濃度的加重HIF的轉(zhuǎn)錄活性逐漸增加[5]。

2 缺氧與乳腺癌

2.1 缺氧與乳腺癌干細(xì)胞乳腺癌干細(xì)胞(Breast cancer stem cell,BCSC)具有無限自我更新分化、對(duì)稱和不對(duì)稱細(xì)胞分裂的表現(xiàn)以及再生能力。目前已有研究證實(shí)缺氧可在乳腺癌中以依賴于HIF的方式誘導(dǎo)CSC表型，且BCSC中HIF-1α和HIF-2α表達(dá)上調(diào)可導(dǎo)致多能性因子(如 NANOG、OCT4、SOX2 和 KLF4)表達(dá)增加，以響應(yīng)腫瘤內(nèi)缺氧[6]。在BCSC中，共激活劑TAZ(具有PDZ結(jié)合基序的轉(zhuǎn)錄激活劑，Hippo通路的重要組成部分)已被證明具有促進(jìn)BCSC自我更新和腫瘤起始能力，80%的高級(jí)別乳腺癌中TAZ表達(dá)增加，其表達(dá)均以HIF-1依賴的方式由缺氧誘導(dǎo)[7]，此外，TAZ還可與HIF-1α相互作用，并在缺氧的乳腺癌細(xì)胞中作為HIF-1α依賴性基因轉(zhuǎn)錄的共激活劑，放大彼此活性[8]。

2.2 缺氧與乳腺癌血管生成在缺氧條件下，許多細(xì)胞處于乳酸發(fā)酵代謝狀態(tài)，包括血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)在內(nèi)的眾多分子刺激血管從鄰近組織向惡性腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)，以確保惡性腫瘤中心O2充足。但這種情況下形成的血管在結(jié)構(gòu)和功能上都存在異常，仍不能滿足對(duì)O2的需求，從而陷入不斷刺激新血管生成的循環(huán)。新血管的生成不僅對(duì)原發(fā)性實(shí)體惡性腫瘤及其轉(zhuǎn)移灶的生長(zhǎng)和持續(xù)存在至關(guān)重要，還同時(shí)減少了藥物輸送、阻礙抗腫瘤免疫反應(yīng)[9]。缺氧和HIF通路激活對(duì)乳腺癌組織中新血管的生成至關(guān)重要，它們調(diào)節(jié)一系列促血管生成基因的表達(dá)，包括有效的細(xì)胞因子、VEGF、血管生成素-1、血管生成素-2、血小板衍生因子(PDGF)和堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(bFGF)等，其次HIF-1α與HIF家族的其他成員協(xié)同工作幾乎可以調(diào)節(jié)血管生成的各個(gè)方面從而使 HIF通路成為血管生成的主要調(diào)節(jié)器。VEGF是一種高度特異性的促血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子，其主要作用是調(diào)控新血管生成，在惡性腫瘤的血管生成中有著不可替代的作用，被稱為中樞性刺激因子，目前已在乳腺癌患者中測(cè)量到循環(huán)VEGF水平升高，并且與血管分布增加、轉(zhuǎn)移、化療耐藥和患者預(yù)后不良有關(guān)。據(jù)報(bào)道，HIF-1α靶基因ANGPT2與乳腺癌中VEGF表達(dá)和微血管密度增加密切相關(guān)，VEGF和ANGPT2的高表達(dá)在乳腺癌中具有很高的預(yù)后價(jià)值，減弱ANGPT2 會(huì)降低肺血管通透性并抑制自發(fā)性肺轉(zhuǎn)移[10]。此外，HIF-2α與HIF-1α在乳腺癌血管生成中具有協(xié)同作用。

2.3 缺氧與乳腺癌的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化乳腺癌細(xì)胞可以通過兩種途徑擴(kuò)散：直接從血管或間接通過淋巴系統(tǒng)進(jìn)入血流，無論哪種方式的轉(zhuǎn)移過程都可以分解為一系列從上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial-Mesenchymal Transition,EMT)開始的離散步驟，具體包括：EMT、局部組織侵襲、內(nèi)滲、歸巢、外滲和在轉(zhuǎn)移部位形成轉(zhuǎn)移性生態(tài)位。EMT是轉(zhuǎn)移的起始階段，其特點(diǎn)是細(xì)胞和分子變化(包括細(xì)胞間粘附的喪失)——惡性腫瘤細(xì)胞失去細(xì)與細(xì)胞之間的黏附而變得靈活并局部侵入周圍的基質(zhì)。而HIF-1α可通過上調(diào)EMT相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子、激活EMT相關(guān)信號(hào)通路、調(diào)節(jié) EMT相關(guān)細(xì)胞因子以及調(diào)節(jié)其他通路如表觀遺傳調(diào)節(jié)因子以激發(fā)EMT。Bao等的研究證實(shí)在乳腺癌中HIF-1α可調(diào)節(jié)EMT相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子如E-cadherin、Snail、ZEB1和Twist等激活EMT相關(guān)信號(hào)通路而誘發(fā)EMT進(jìn)程[11]。除直接調(diào)節(jié)EMT相關(guān)分子和信號(hào)通路外，HIF-1α還可通過調(diào)節(jié)長(zhǎng)鏈非編碼RNA和鈣離子信號(hào)在乳腺癌中調(diào)節(jié)EMT以促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞在缺氧環(huán)境下的侵襲[12]。此外，缺氧誘導(dǎo)的生物分子包括Jagged2、環(huán)氧化酶-2(COX-2)和尿激酶受體(uPAR)也有助于乳腺癌細(xì)胞的EMT變化和侵襲能力。除HIF-1α外，乳腺癌中HIF-2α表達(dá)上調(diào)也伴隨著區(qū)域淋巴結(jié)和遠(yuǎn)處器官轉(zhuǎn)移、原發(fā)性乳腺腫瘤生長(zhǎng)以及患者死亡率增加。Li等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)HIF-2α在缺氧環(huán)境中促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移，其通過改變下游靶點(diǎn)(包括MMP-2)的表達(dá)而對(duì)乳腺癌的發(fā)展和細(xì)胞的存活起重要作用[13]。此外Fu等在研究中發(fā)現(xiàn)HIF-2α可作為FOXA1驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)FOXA1誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄重編程進(jìn)而影響乳腺癌的轉(zhuǎn)移，而在內(nèi)分泌敏感的MCF7L-P細(xì)胞中選擇性小分子抑制劑靶向HIF-2α可顯著降低內(nèi)分泌抗性細(xì)胞的克隆形成、遷移和侵襲，這可能成為乳腺癌治療上的新思路[14]?？傊?，在某些細(xì)胞環(huán)境中，HIF-2α在調(diào)節(jié)乳腺癌細(xì)胞的缺氧反應(yīng)中發(fā)揮重要的作用，靶向HIF-2α的siRNA可能是治療乳腺癌的可行方法。

3 缺氧與乳腺癌的非手術(shù)治療

眾所周知，缺氧可直接或間接的賦予惡性腫瘤對(duì)放射治療、某些化療藥物及內(nèi)分泌治療的抵抗能力。作為治療乳腺癌最常用的方法之一，放射治療中的電離輻射會(huì)產(chǎn)生自由基和活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)致使乳腺癌細(xì)胞的DNA損傷并誘導(dǎo)凋亡。但由于缺乏足夠的O2以產(chǎn)生ROS，處于缺氧微環(huán)境的乳腺癌細(xì)胞對(duì)放射治療的反應(yīng)較差，且在缺氧狀態(tài)下惡性腫瘤細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間處于對(duì)放療較為不敏感的G1期[15]。其次，惡性腫瘤對(duì)化療藥物的抵抗是通過降低藥物對(duì)DNA損傷的敏感性、誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯和限制藥物的遞送來調(diào)節(jié)的，當(dāng)缺氧介導(dǎo)的ROS屏蔽通路激活和抗凋亡基因的過度表達(dá)時(shí)有助于乳腺癌細(xì)胞對(duì)紫杉醇的抵抗[16]。

ERα是一種雌激素依賴性核轉(zhuǎn)錄因子，其對(duì)乳腺上皮細(xì)胞的分裂和乳腺癌的進(jìn)展至關(guān)重要，其表達(dá)與患者的預(yù)后密切相關(guān)。有趣的是，缺氧似乎可以下調(diào)ERα的表達(dá)促使乳腺癌在進(jìn)展過程中向ERα陰性的表型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致乳腺癌預(yù)后不良[17]。且現(xiàn)有報(bào)道顯示缺氧和乳腺癌細(xì)胞中雌激素介導(dǎo)的通路之間存在明顯的相互作用，對(duì)于ER陽性的乳腺癌患者，缺氧已顯示出在幾種乳腺癌細(xì)胞系中通過蛋白酶體途徑下調(diào)ERα并影響對(duì)他莫昔芬的反應(yīng)性[18]。

當(dāng)前針對(duì)缺氧環(huán)境下乳腺癌治療的研究也取得不少進(jìn)展，靶向HIF也為治療乳腺癌提供了一種新思維。當(dāng)前的HIF-1抑制劑按其作用機(jī)制分類，包括影響HIF-1α蛋白水平、HIF-1二聚化、HIF-1 DNA 結(jié)合或HIF-1靶基因反式激活的抑制劑。降低 HIF-1α 蛋白水平的抑制劑可進(jìn)一步分為兩組，HIF-1α翻譯抑制劑和 HIF-1α蛋白酶體降解誘導(dǎo)劑。HIF-1抑制劑，如地高辛和吖啶黃素，通過減少乳腺癌動(dòng)物模型中的原發(fā)腫瘤生長(zhǎng)、血管化、侵襲和轉(zhuǎn)移，顯示出令人信服的潛在治療效果[19]。地高辛與細(xì)胞毒性化療藥物(紫杉醇或吉西他濱)聯(lián)合使用可通過阻斷促進(jìn)乳腺CSS化療抗性的HIF依賴性轉(zhuǎn)錄反應(yīng)來導(dǎo)致腫瘤消退[20]。由于HIF-1在三陰性乳腺癌中高度激活，因此HIF-1抑制劑可有效治療此類癌癥。但缺氧本身在個(gè)體惡性腫瘤之間和本身的變化較大，并且在各乳腺癌亞型中也存在差異，上述理論結(jié)果若能最終落實(shí)于臨床治療，或可成為乳腺癌治療的全新突破點(diǎn)。

5 總結(jié)與展望

惡性腫瘤內(nèi)的缺氧可促進(jìn)惡性腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，惡性腫瘤細(xì)胞對(duì)缺氧的反應(yīng)涉及HIF的穩(wěn)定和復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄模式，在臨床上HIF高表達(dá)的原發(fā)性惡性腫瘤患者發(fā)生復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的可能性更大。目前，無法預(yù)測(cè)哪些乳腺癌患者可能發(fā)生復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移，但HIF的高表達(dá)被認(rèn)為缺氧的標(biāo)志性分子和乳腺癌患者預(yù)后不良的獨(dú)立因素。在精準(zhǔn)化醫(yī)療的時(shí)代，探索缺氧對(duì)乳腺癌病程的決定性影響對(duì)于深入了解個(gè)體疾病軌跡并更好地預(yù)測(cè)它們至關(guān)重要。但隨著對(duì)乳腺癌組織微環(huán)境具體致病機(jī)制的不斷明確，也給乳腺癌的治療提供了新的方向，部分研究成果已為改善乳腺癌患者的臨床治療帶來了新的希望。