肿瘤缺氧及其靶向治疗研究进展

国际肿瘤学杂志2006年1月1期综述。肿瘤缺氧及其靶向治疗研究进展陈文艳综述熊建萍审校摘要缺氧微环境是多数实体瘤的固有特征之一，其主要机制在于肿瘤血管组织分布紊乱和结构异常。缺氧可引起细胞发生一系列适应性改变，包括无氧糖酵解的增强、保护性应激蛋白的表达提高等。研究证实，缺氧不仅导致辐射抗拒，尤其低传能线密度(LET)的照射，也是引起耐药及肿瘤扩散转移的重要因素。同时，缺氧正逐渐成为肿瘤治疗的一个特异性靶点，如缺氧特异性细胞毒药物、乏氧细胞放射增敏剂，以及利用缺氧诱导目的基因靶向肿瘤组织表达等均展现出可喜的应用前景。关键词缺氧;肿瘤;放射疗法;化学疗法中图分类号R730.5文献标识码A文章编号1673-422X(2006)01-0008-04正常情况下，组织内氧供能够满足细胞代谢的需要;在肿瘤组织内氧供往往低于细胞的生长代谢需要，产生缺氧(hypoxia)。缺氧不仅导致肿瘤细胞对辐射和化疗药物的抗拒，而且促进肿瘤的恶性转化和转移，是肿瘤预后不良的重要因素。近年来，人们利用缺氧这一肿瘤区别于正常组织的生理特征，探索了一些肿瘤治疗新途径，如肿瘤乏氧细胞增敏剂、乏氧特异性细胞毒药物、缺氧靶向的基因治疗等，正在努力使缺氧变成对肿瘤治疗有利。现综述肿瘤组织缺氧及其产生的机制、缺氧对肿瘤治疗的不利影响以及基金项目作者单位国家自然科学基金资助项目(30300097)330006南昌，江西医学院第一附属医院肿瘤科缺氧靶向性治疗等。1肿瘤缺氧及其分子反应实体瘤缺氧的主要原因是肿瘤细胞增殖过快。在正常组织内，结构和功能正常的血管系统，足以提供充足的氧和营养物质供细胞生长代谢。除某些组织如皮肤和软骨轻度缺氧外，正常组织内的氧分压一般在40mmHg(1mmHg=0.133kPa)以上。快速增长的肿瘤首先依赖于宿主血管的氧供，但这很快不能满足肿瘤细胞的需要，当肿瘤大于2mm时就有明显的细胞缺氧。缺氧诱导血管内皮细胞生长因子(vas-cularendothelialgrowthfactor,VEGF)的产生，启动肿瘤本身的血管形成。然而，肿瘤来源的血管组织与正常血管大有不同，首先是分布的紊乱，导致无血管区瘤组织，其次是血管本身结构异常，表现为屈曲绵长、动静脉短路、血管盲端、平滑肌缺如、内皮和基底膜不连续等;使肿瘤血流紊乱、缓慢、灌注减少。正常组织内，当血流灌注不足时，血管功能会发生相应的改变，增加血供;在肿瘤组织，由于结构的异常，血管不能有效地发生代偿反应，导致肿瘤缺氧持续存在。在缺氧情况下，细胞发生一系列生化改变适应缺氧，包括无氧糖酵解的增强，保护性应激蛋白的表达提高等。后者包括一些细胞因子和生长因子，如促红细胞生成素(erythropoietin,EPO),VEGF、糖酵解酶等;转录调控因子的改变有AP-1、NFKB和缺氧诱导因子(hypoxia-induciblefactor1,HIF-1)等[’」。HIF-1是一种异源二聚体转录因子，主要由HIF-la和HIF-1p组成，二者都是具有螺旋一环一螺旋(bHLH)结构的碱性蛋白。HIF-1基因定位于人染色体14821一24[3[。在HIF-1的N端具有PAS和bHLH结构域。PAS结构域含有2个长度大约50个氨基酸的同源重复序列，由His-X-X-Asp顺序构成。PAS结构域与异二聚化有关，可能影响DNA的结合及转录激活。BHLH结构域在许多转录因子中介导HIF-1。和HIF-1(3亚基形成二聚体并与DNA结合，HIF-la和HIF-1pC端都有一个或多个激活区域，主要参与转录激活作用[41。对缺氧作出应激反应的基因称为缺氧应激基因(hypoxiaresponsegene,HRG)，在HRG中受HIF-1a调控的基因则为HIF-1。的靶基因。这些靶基因的启动子或增强子内含一个或多个缺氧反应元件(by-poxiaresponseelements,HRE)，典型的核昔酸序列为5'-TACGTGC-3'，是HIF-1。的结合位点[’〕。HIF-1的靶基因涉及肿瘤的能量代谢、血管形成、肿瘤转移、离子代谢和儿茶酚胺代谢，主要编码以下产物:EPO,VEGF、血红素氧合酶、葡萄糖转运因子1,GAPDH,iNOS,Cap43,IGF-2,IGF结合蛋白、内皮素1、转铁蛋白、酪氨酸经化酶及糖酵解酶如乳酸脱氢酶、烯醇化酶一1和葡萄糖醛酸酶等[6]。活化的HIF-1与靶基因上的HIF-1结合位点相结合，形成转录起始复合物从而启动靶基因的转录[7[。靶基因转录启动后，相应的蛋白产物增加，这些产物在肿瘤细胞适应缺氧、能量代谢、肿瘤血管生成及转移中起重要作用。HRE调节基因产物的表达数量与细胞种类、HRE拷贝数及缺氧程度有关[s]。2缺氧对肿瘤治疗的影响2.1缺氧与放疗尽管人们早已认识到降低组织氧含量可以增加对放射的抵抗力，然而直到第二次世界大战后，Gray等通过实验证实了缺氧是造成辐射抗拒的原因。研究表明，缺氧几乎可以降低所有细胞的辐射敏感性，在氧存在的情况下，细胞辐射敏感性明显升高，超过任何一种放射增敏剂。这种氧效应存在于所有的生物系统，不管它们的遗传背景如何。氧增比(xygenenhancementratio,OER)，即获得相同杀伤效应时二者所需照射剂量的比值，正常情况下为2.5一3.0OER看起来数值并不大，但对某一具体的剂量来说细胞杀伤可以有几个数量级的差别〔”〕。氧效应产生机制在于，氧可以与辐射诱导的基本生化改变发生反应，影响放射效应。最经典的理论是氧固定学说，电离辐射在靶分子中诱发了自由基，如果在照射的当时靶分子附近存在着氧，这些辐射引起的自由基将迅速与氧结合，形成一个妨碍生物分子功能的基团。据估计，氧固定往往发生在照射后的10-，一10-2I,s内。如果那时氧不存在，靶分子的自由基可能迅速通过“化学修复”，转变为具有正常生物活性的分子。不同射线的辐射效应受氧的影响程度是不同的，对于低LET的照射(X或，射线)氧效应最明显;对于高LET照射(a-粒子)，有氧或无氧时所得细胞存活曲线在同一条线上，OER是1，即没有氧效应。中等LET射线(中子)的氧效应存在，但比X射线小得多[’“〕。另一种对氧效应的解释是电子转移假说，电离辐射使靶分子电离，同时产生游离电子，这些游离电子可以回到靶分子的原位，使它自身愈合;另一种可能是游离电子转移到一个陷阱部位而造成靶分子损伤，氧能与这些游离电子反应，防止其回到原位，而使靶分子的损伤固定和加重[川。早期研究中，为了观察肿瘤组织内缺氧情况，Gray等做了肿瘤组织的连续切片，发现血管和坏死细胞之间的距离为一固定的常数，由此推测该距离为氧扩散范围(通常为100一150}a,m)，有活性的缺氧细胞在细胞坏死区附近。这一假设被后来的研究所证实。目前，检测组织内氧分压广泛应用的最好的方法是极谱氧电极，通过针头的感应电极检测氧分压，把不同部位的氧分压绘制成直方图。正常组织的氧分压呈高斯分布，中位水平在40一60mmHg;在肿瘤组织，氧分压明显低于正常组织，多数低于10mmHg,这一氧分压足以让细胞抗拒辐射的杀伤作用〔”了。2.2缺氧对化疗的影响在体外实验中，缺氧细胞一般只对辐射抗拒，例外的是，博来霉素和新制菌素对缺氧细胞不敏感，而生物还原类药物对缺氧细胞敏感。然而，在活体内多种因素影响缺氧细胞对化疗药物的敏感性。国际肿瘤学杂志2006年1月第33卷第1期JIntOncol,January2006,Vol33,No.1首先，缺氧导致瘤细胞停止或减慢增殖速率，其原因不是简单的能量产生减少，而是缺氧引起特异蛋白表达增加，后者抑制细胞周期。由于抗癌药物对增殖快的细胞比增殖慢的敏感，因此，远离血管细胞的增殖减慢将使细胞的杀伤率下降。其次，抗癌药物浓度在靠近血管周围最高，这不仅因为药物是由大血管向周围小血管输送，而且许多抗癌药物的反应活性限制了其从血管的进一步扩散，尤其对一些通过物理作用与DNA结合的药物，如烷化剂。缺氧还通过其他一些途径导致耐药，一是耐药相关基因的扩增，或者某些缺氧应激蛋白诱导产生，促使细胞对阿霉素、足叶乙贰和顺铂耐药;二是缺氧所致细胞外pH值下降，由于细胞自身的调节使得胞内pH值无明显下降，这种细胞内外pH梯度不利于某些弱碱性药物在细胞内积累，如阿霉素，也不利于弱酸药物如苯丁酸氮芥向胞内扩散。总之，有多种因素致使抗癌药物对远离血管的瘤细胞杀伤作用减弱〔”」。2.3缺氧增强肿瘤的恶性演化和转移最近，研究表明实体瘤的缺氧除了导致对放化疗的抗拒外，可直接作用于肿瘤。Hammond等研究发现，低氧可致转化的鼠胚胎成纤维细胞发生凋亡，而且凋亡依赖于野生性p53。将此细胞株接种于免疫缺陷小鼠，发现缺氧区域野生性p53细胞发生凋亡较多，而p53突变细胞凋亡细胞明显减少。这些发现提示，缺氧的选择作用使得p53突变细胞得以更好的生存，导致肿瘤恶性程度更高。除了对p53突变细胞的选择外，缺氧可直接导致基因的突变〔141。通过对宫颈癌、软组织肉瘤等的临床分析表明，缺氧是一种独立的对肿瘤扩散转移有重要预后价值的因子〔”」。肿瘤缺氧通过诱导VEGF等促血管因子的表达，促进肿瘤血管形成〔161。许多基因的缺氧反应性表达是通过HIF-1，后者在肿瘤的生长中起重要作用。3以缺氧为靶点的肿瘤治疗3.1药物治疗已进人临床试验的仅在缺氧条件下有毒的药物TPZ(tilapazamine)显示出良好的前景。乏氧细胞增敏剂米索硝哩在肿瘤放疗中获得了较好的临床疗效。P38抑制剂SKF86002和有丝分裂原激活的蛋白激酶MAPK(MAPK)抑制剂PD098059均可抑制Kaposis肉瘤G蛋白结合受体诱导的HIF-1的转录活性及VEGF的表达。蛋白激酶C抑制剂UCN-01可完全抑制缺氧介导的HIF-1反应性启动子的转录，并诱导肿瘤细胞生长停滞及死亡。有学者在1%和20%氧浓度下培养的PC-3细胞中给予不同浓度的PI3K抑制剂Ly294002，发现HIF-1表达在20%氧浓度下被Ijimol/LLy294002部分抑制，在缺氧条件下被10[LmoULLy294002部分抑制，而在50Fimol/L时则完全抑制。worlmain是另一种P13K的强烈抑制剂，可在较低浓度下(100nmol/L)完全抑制HIF-la表达。以上药物均可通过抑制HIF-1的缺氧诱导活性，抑制VEGF介导的肿瘤血管生成[17一’9]03.2基因治疗利用缺氧反应元件HRE的缺氧诱导特性，将HRE与一些启动子如AFP,KDR,CMV,SV40等串联，构成对缺氧敏感的重组启动子，驱动HSV-TK等肿瘤杀伤基因表达，在缺氧条件下，均获得了显著的缺氧增强效应〔201。阻断HIF-1。与p300-CREBCHI区之间的相互作用可使HIF-1基因表达减弱，通过抑制靶基因的转录激活抑制肿瘤生长，此途径有望成为肿瘤治疗的最有效方法之一。4结语早在50多年前人们就推测缺氧是导致细胞对辐射抗拒的主要原因之一，在过去的5年里这一猜测终于得到实验证实，并且发现缺氧不仅导致辐射抗拒，也是引起化疗耐药及肿瘤扩散转移的重要因素。然而，缺氧也成为肿瘤治疗的一个特异性靶点，如缺氧特异性细胞毒药物TPZ、乏氧细胞放射增敏剂等均初步显示出一定的疗效。另外，利用缺氧诱导目的基因靶向肿瘤组织表达也展现出可喜的应用前景。