低氧与肿瘤干细胞微环境的研究进展

０ 引 言 低氧 被 视 为 是 肿 瘤 进 展、对 常 规 治 疗 抵 抗 及 无
瘤生存期降低的独立预后因素。低氧具有抑制肿瘤 干细胞及肿瘤相关 间 质 细 胞 分 化 能 力，低 氧 肿 瘤 细 胞显示类似干祖细胞样表型。低氧在肿瘤相关间质 微环境和肿瘤干细胞微环境的形成及演进中发挥重 要作用。大量研究 证 实，正 常 组 织 微 环 境 在 维 持 干 祖 细 胞 分 化 及 生 物 学 功 能 发 挥 重 要 作 用 ，然 而 ，在 微 环境中通常也能存 在 一 些 未 定 义 的 干 细 胞，它 们 经 历失调控的 自 我 更 新 过 程 。 ［１］ 研 究 表 明，肿 瘤 干 细 胞也可能依赖于一种特殊的微环境来维持干细胞特 征 ，尽 管 肿 瘤 干 细 胞 微 环 境 形 成 机 制 尚 未 完 全 清 楚 ， 但微环境中各种组分在调节肿瘤干细胞的作用已被 证实。本文拟探讨低氧对肿瘤干细胞分化及对肿瘤 干细胞微环境的影响。
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肿 瘤 防 治 研 究 ２０１１ 年 第 ３８ 卷 第 １２ 期
低氧调节肿瘤干细胞生成及分化至少存在三种可能
机 制 ：（１）低 氧 直 接 抑 制 肿 瘤 干 细 胞 分 化 ；（２）低 氧 抑 制微环境中的间质细胞分化及维持其未分化状态； （３）低氧通过调控 内 皮 细 胞 旁 分 泌 因 子 从 而 使 肿 瘤 干细胞定位于内皮细胞周边。
ＨＩＦ 通路可 能 在 维 持 肿 瘤 干 细 胞 未 分 化 表 型 和 肿 瘤进展中发挥重要作用。
最近 研 究 也 证 实，高 表 达 干 细 胞 相 关 基 因 的 胶 质母细 胞 瘤 细 胞 分 布 于 低 氧 肿 瘤 坏 死 周 围，并 且 ＨＩＦ－１α和 ＨＩＦ－２α 呈 阳 性 表 达 。 ［１３］ 但 在 其 他 研 究 中发现脑肿瘤 干 细 胞 还 分 布 于 血 管 周 边 区 域 。 ［１４－１５］ Ｐｉｅｔｒａｓ等 在 ［１２］ 研究 中 证 实 一 些 未 成 熟 的 神 经 脊 样 胶质瘤母细胞分布在血管周边区域。后者的研究似 乎认为肿瘤干细 胞 巢 不 一 定 是 低 氧 环 境。 然 而，体
以上研究表明了 ＣＸＣＲ４阳 性 的 肿 瘤 干 细 胞 可 能 是 肿 瘤 转 移 的 源 头 。 然 而 ，ＣＸＣＲ４－ＣＸＣＬ１２ 是 否 具 有 调节肿瘤干细胞生成及细胞分化有待进一步证实。
ＣＤ１３３是一种跨膜 蛋 白，可 作 为 多 种 实 体 肿 瘤 干细胞标 志 。 ［２１］ 最 近 研 究 表 明 低 氧 （１％ Ｏ２）能 够 促进 人 胶 质 瘤 细 胞 ＣＤ１３３ 表 达 和 促 进 ＣＤ１３３＋ 肿 瘤干细胞亚群扩增，而沉默 ＨＩＦ－１α或 ＨＩＦ－２α基 因 可下调 ＣＤ１３３表 达 。 ［１３，２２－２３］ 但 Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ等 在 ［２４］
趋化 因 子 受 体 ＣＸＣＲ４ 及 其 配 体 ＣＸＣＬ１２ 或 ＳＤＦ－１（基质衍生因子）在 胚 胎 发 生 及 成 体 干 祖 细 胞 亚群功能调控中发挥重要作用，低氧或 ｐｖｈｌ抑癌基 因的失 活 均 可 活 化 ＨＩＦ 通 路，从 而 诱 导 ＣＸＣＲ４ 和 ＳＤＦ－１在癌细胞及正常干祖细胞中表达，而 ＣＸＣＲ４ 可介导干 细 胞 顺 ＣＸＣＬ１２ 化 学 梯 度 归 巢 到 肿 瘤 低 氧区域 。 ［１７－１８］ 类似的研究证实，ＣＸＣＲ４在肿瘤细 胞 中高表达 与 肿 瘤 转 移 及 低 生 存 率 相 关 。 ［１９］ 有 趣 的 是，将高表达 ＣＸＣＲ４的人胰腺癌 ＣＤ１３３＋ 干细胞 亚 群注入 免 疫 缺 陷 小 鼠 中 发 现 出 现 明 显 肝 转 移 。 ［２０］
外共培养实验发现内皮细胞可通过旁分泌细胞因子
促进肿瘤干细胞的 自 我 更 新 及 生 长，表 明 内 皮 细 胞
可独立于血液循环或其他血管功能直接调节肿瘤干
细胞的更新。因此，有 理 由 认 为 肿 瘤 干 细 胞 与 血 管 内皮细胞在低氧区域存在密切联系。
根据 目 前 研 究，可 推 断 肿 瘤 干 细 胞 可 能 存 在 两 种不同的微环境，即 远 离 功 能 性 血 管 的 低 氧 微 环 境 和存在于血管周围的低氧或非低氧微环境。而有关
肿 瘤 防 治 研 究 ２０１１ 年 第 ３８ 卷 第 １２ 期
ＤＯＩ：１０．３９７１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－８５７８．２０１１．１２．０３０
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低氧与肿瘤干细胞微环境的研究进展
屈 洪 波 综 述 ，吴 诚 义 审 校
关 键 词 ：低 氧 ；肿 瘤 干 细 胞 ；间 质 干 细 胞 ；肿 瘤 干 细 胞 微 环 境 中 图 分 类 号 ：Ｒ７３０．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－８５７８（２０１１）１２－１４５１－０４
１ 低 氧 与 肿 瘤 干 细 胞 生 成 低氧 在 实 体 肿 瘤 中 普 遍 存 在，被 认 为 是 导 致 肿
瘤进展及预后差的独立因素。低氧诱导生物学行为 的 改 变 加 速 了 肿 瘤 恶 性 转 变 ，如 抑 制 细 胞 增 殖 、增 强 耐药基因表达、选 择 性 抗 凋 亡、促 进 肿 瘤 侵 袭 转 移、 下 调 ＤＮＡ 修 复 基 因 表 达 及 增 加 基 因 的 不 稳 定 性 。 ［２－３］ 众多研究 表 明 低 氧 具 有 调 控 癌 细 胞 分 化 能 力，低氧通过促进肿 瘤 干 细 胞 生 成 及 表 观 遗 传 修 饰 从而增强肿瘤恶性潜能 。 ［４］
最近研究显示，胶质瘤干细胞亚群高表达 ＨＩＦ－ １α和或 ＨＩＦ－２α，沉 默 ＨＩＦ－１α 或 ＨＩＦ－２α 可 抑 制 神 经球形成 及 影 响 胶 质 瘤 干 细 胞 生 存，与 ＨＩＦ－１α 相 比，ＨＩＦ－２α 在 胶 质 瘤 干 细 胞 中 有 更 高 的 表 达 。 ［１０－１１］ Ｐｉｅｔｒａｓ等 在 ［１２］ 人 胶 质 母 细 胞 瘤 研 究 中，发 现 ＨＩＦ－ ２α优先在未成熟神经脊样神经 母 细 胞 瘤 中 表 达，同 时维持神 经 母 细 胞 瘤 未 分 化 状 态。 以 上 研 究 表 明
胃癌、结肠癌及肺癌 的 研 究 中 发 现 当 进 一 步 降 低 氧 浓度（０．１％Ｏ２）则将抑制 ＣＤ１３３的表达。分析结果 认为除了细胞类型 不 同 外，氧 浓 度 的 不 同 可 能 是 造 成 ＣＤ１３３差异性表达的重要因素。
ＰＯＵ 转录因子家 族ｐｏｕ５ｆ１（ｏｃｔ３／４）被 认 为 是 诱导成体细胞转分化为多潜能干细胞的四个重要转 录因子之一 。 ［２５］ 研究表明，在 生 殖 细 胞 癌、宫 颈 癌、 乳腺癌、胰 腺 癌 等 肿 瘤 中 均 存 在 ｐｏｕ５ｆ１ 高 表 达， Ｈｏｃｈｅｄｌｉｎｇｅｒ等 在 ［２６］ 多 西 环 素 诱 导 的 转 基 因 小 鼠 模型 中，发 现 增 强 ｐｏｕ５ｆ１ 表 达 能 够 抑 制 细 胞 分 化 和导 致 上 皮 组 织 发 育 不 良，表 明 ｐｏｕ５ｆ１ 在 诱 导 肿 瘤生成过程中发 挥 重 要 作 用。 同 时 将 ＨＩＦ－２α基 因 敲入 小 鼠 胚 胎 细 胞 之 后，结 果 显 示 出 ＨＩＦ－２α 与 ｐｏｕ５ｆ１转录水平上 直 接 相 关，而 ｐｏｕ５ｆ１ 转 录 因 子 的丢失将使得鼠胚胎干细胞源性畸胎瘤生长减慢。 类似研究中，Ｃｏｖｅｌｌｅ等 发 ［２７］ 现５％Ｏ２ 浓度下，ＨＩＦ－ ２α表达的降低 将 下 调 ｐｏｕ５ｆ１１ 及 其 他 人 胚 胎 干 细 胞基因的表达。以 上 研 究 表 明 了 ＨＩＦ－２α是 调 控 癌 细胞干性的重要因子。但目前有关低氧是否在其他 肿 瘤 中 也 具 有 促 进 ｐｏｕ５ｆ１ 表 达 和 低 氧 依 赖 的 ｐｏｕ５ｆ１表达上调是 否 在 调 节 肿 瘤 干 细 胞 特 性 方 面 发挥作用有待进一步验证。
同 。 研 究 表 明 ，与 正 常 非 缺 血 组 织 相 比 较 ，实 体 肿 瘤 中通常能 检 测 到 ＨＩＦ－１α 及 蛋 白 表 达 的 增 强，并 与 低生存率有显统计学相关性 。 ［６］ 宗建春等 研 ［７］ 究
证实了低氧下调控 ＨＩＦ－ｌαｍＲＮＡ 及蛋白水平与乳 腺癌差的预后明 显 相 关。 进 一 步 研 究 证 实，ＨＩＦ－１α 蛋白的 细 胞 核 聚 集 与 胰 腺 癌 细 胞 低 分 化 明 显 相 关 。 ［８］ 然而，并不是所 有 肿 瘤 细 胞 都 从 高 表 达 ＨＩＦ 中受益。Ｃａｒｍｅｌｉｅｔ等 在 研 究 中 证 实，ＨＩＦ－１α 蛋 白 阴性表达的鼠胚胎 干 细 胞 显 示 加 速 生 长 特 征，分 析 可能是因为低氧抑制 的 细 胞 凋 亡。Ａｃｋｅｒ等 研 ［９］ 究 证实 ＨＩＦ－２α的 表 达 可 抑 制 鼠 胶 质 瘤 生 长，这 种 相 反的结果反映 了 ＨＩＦ 在 调 控 上 的 差 异 性 与 肿 瘤 细 胞类型及微环境相关。
收 稿 日 期 ：２０１１－０１－１０；修 回 日 期 ：２０１１－０４－２０ 作者单位：４０００１６ 重庆，重庆医 科 大 学 附 属 第 一 医 院 内 分泌外科 通 信 作 者 ：吴 诚 义 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｃｈｅｎｇｙｉ１１９２＠１６３．ｃｏｍ 作者简介：屈 洪 波 （１９８３－）男，博 士，住 院 医 师，主 要 从 事乳腺癌基础及临床研究
低氧诱 导 的 信 号 通 路 主 要 由 低 氧 诱 导 因 子－１ （ｈｙｐｏｘｉａ ｉｎｄｕｃｉｂｌｅ ｆａｃｔｏｒ－１，ＨＩＦ－１）调 节，ＨＩＦ－１ 在 细胞生长、分化、迁 移、血 管 生 成 及 能 量 代 谢 等 方 面 发挥重要作用［５］。ＨＩＦ－１是一种维护氧 稳 态 的 主 要 调节因子，其 组 成 包 括 调 节 亚 单 位 ＨＩＦ－１α 和 结 构 亚单位 ＨＩＦ－１β。ＨＩＦ 家族第二个重要成员是 ＨＩＦ－ ２α，具有与 ＨＩＦ－１α类似 的 结 构，但 功 能 上 不 完 全 相
２ 低 氧 活 化 的 肿 瘤 干 细 胞 相 关 基 因 及 信 号 通 路 在低氧肿瘤细胞中存在多种上调的干细胞相关
基因或信号通路。 目 前 一 致 认 为，低 氧 调 节 肿 瘤 干 细胞分化及生长为一种早 期 事 件。 最 近，Ｋｉｍ 等［１６］ 在 研 究 中 发 现 肿 瘤 干 细 胞 基 因 ｄｌｋ１（ｄｅｌｔａ－ｌｉｋｅ １ ｈｏｍｏｌｏｇｕｅ）可作为神 经 源 性 肿 瘤 细 胞 ＨＩＦ 通 路 新 的靶 基 因。ｄｌｋ１ 又 称 之 为 脂 肪 前 体 细 胞 因 子－１ （ｐｒｅａｄｉｐｏｃｙｔｅ ｆａｃｔｏｒ １，ｐｒｅｆ－１）或 胎 儿 抗 原－１（ｆｅｔａｌ ａｎｔｉｇｅｎ１，ｆａ１），它 是 一 种 Ⅰ 型 跨 膜 蛋 白 ，高 表 达 于 胚 胎 组 织 和 未 成 熟 细 胞 ，而 不 表 达 于 分 化 的 成 体 组 织 ， 在调节干祖 细 胞 过 程 中 发 挥 重 要 作 用。Ｋｉｍ 等［１６］ 在 研 究 中 发 现 ｄｌｋ１ 高 表 达 于 分 化 不 良 的 肿 瘤 细 胞 ， 而 抑 制 ｄｌｋ１ 表 达 能 促 进 分 化 、降 低 克 隆 形 成 能 力 及 抑制肿瘤发 生，反 之，ｄｌｋ１ 过 表 达 将 抑 制 神 经 性 分 化，增强克隆形成能 力 和 增 强 致 瘤 性。ｄｌｋ１ 基 因 近 端５′启动 子 或 增 强 子 区 域 含 有 三 种 低 氧 反 应 元 件 （ｈｙｐｏｘｉａ－ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ＨＲＥ），它 们 分 别 位 于转录 启 动 子 第 ７５８，４０２，２４８ 位 点 上，具 有 保 守 的 ５′－ＡＣＧＴＧ－３′序 列 。 通 过 染 色 质 免 疫 沉 淀 实 验 发 现 低氧下 ＨＩＦ－１α和 ＨＩＦ－２α共同结合在启动 子 区 域。 进一步研 究 表 明，ＨＩＦ 和 ｄｌｋ１ 协 同 激 活 转 录 途 径 从而促进肿瘤干细胞发生及增强致瘤能力。