古勿
Moring, guy！今天我们来看一篇Signal Transduct Target Ther (IF = 17.6)杂志新发表的一篇综述，作者探讨了癌症中缺氧微环境的分子机制，包括在癌细胞适应缺氧环境的过程中，信号通路的变化、缺氧诱导癌症免疫耐受的机制、化疗耐受以及缺氧在癌症治疗中的应用等。
背景知识
肿瘤缺氧这一概念，最早于1955年被提出（图1），目前已被证实在90%的实体瘤中广泛存在，是癌症的一个hallmark。由于不同组织间氧含量的差异、肿瘤大小和测量方法的不同以及组织氧合的高变性，使得肿瘤的缺氧状态很难确定。然而，有研究表明肿瘤缺氧与多种癌症的无病生存率下降有关，缺氧也会改变新陈代谢等相关基因的表达水平。此外，缺氧信号通路与其他细胞通路的互作，与癌细胞的增殖、迁移、侵袭和血管生成密切相关，并影响癌症治疗结果。
图1. 肿瘤缺氧研究的发展
一癌症缺氧的诱导因素
癌细胞具有增殖率高、代谢活跃、能量需求大等特征，当代谢氧的需求量大于供应时，癌细胞的缺氧区域就会增加，从而改变新陈代谢。血管生成失调引起的异常血管结构是造成缺氧的重要原因，在缺氧条件下，促红细胞生成(EPO) 和血管生成因子的表达会增加，进一步促进血管生成细胞的增殖，但形成的血管是无功能的，使得癌变区域缺乏血管系统而形成缺氧环境。基质细胞的激活和增殖以及基质成分的增加，会导致癌症形态的重塑，可能会使循环受损、氧气供应不足，加剧组织缺氧。此外，在含氧量正常的条件下，镁会刺激血管生成，而在低氧条件下，镁会抑制血管生成，导致肿瘤免疫微环境(TME)缺氧（图2）。研究表明，肿瘤细胞通过改变信号通路来适应缺氧，缺氧会促进癌细胞的增殖、迁移、感染和上皮-间质转化 (EMT)等，并增强免疫疗法、化学疗法和放射疗法的耐受性。
图2. 导致肿瘤缺氧的潜在因素
二缺氧和癌变
缺氧和基因组损伤：缺氧会破坏细胞的基因组并导致癌变， 在缺氧癌症模型中，细胞的基因突变频率增加，体细胞诱导生成多能干细胞的效率也提高了。缺氧会促进和维持癌症干细胞(CSC)的表型，而CSC有可能会发展成肿瘤。细胞基因组损伤引起的突变和CSCs的维持都与缺氧条件下大量活性氧（ROS）的产生密切相关，同时会刺激癌基因的表达，从而诱导具有转移和生长潜力的癌细胞变体的形成。
缺氧和遗传修复：缺氧激活DNA损伤检查点ATM和ATR，它们被不同类型的DNA损伤激活，并通过磷酸化其相应的下游蛋白来调节细胞周期检查点。缺氧介导的DNA双链断裂会激活ATM，从而诱导MRN复合物招募p53、CHK1和CHK2等到DNA DSB位点，通过抑制CDK2活性可以阻断这些反应。ATR激酶在极度缺氧条件下磷酸化p53 和 CHK1，ATM/CHK2/p53通路的失活会促进癌症的形成。非同源末端连接 (NHEJ)和同源重组(HR)是调节DNA DSB修复的主要方式，错配修复(MMR)是一种针对复制相关错误的DNA修复途径。在缺氧条件下，HR修复频率较低，MMR通路发生失调，而NHEJ几乎不受影响。
三缺氧信号通路和癌细胞
HIF和癌细胞：癌细胞能够在缺氧环境中存活的主要原因之一是缺氧诱导因子(HIF)的激活，它们参与癌细胞的代谢重编程、蛋白质合成和细胞周期进程。生物学水平上，HIF受多种信号通路的调控，包括PI3K-mTOR信号通路，JAK-STAT3信号通路，NF-κB 通路，Wnt/β-catenin 通路和Notch通路等(图3)。机制水平上，HIF通过调节水解糖、血管生成信号和凋亡/应激反应相关的编码基因表达来调控癌细胞生长。
缺氧和癌细胞行为：在多种癌症中，诊断时原发癌为缺氧的患者更容易出现复发，而患有贫血或慢阻肺等疾病的癌症患者往往预后较差，并且可能存在与癌症相关的缺氧。研究表明，在缺氧环境中，癌细胞的自发转移能力增强，部分对缺氧敏感的肿瘤细胞被去除，存活的肿瘤细胞通过其自身的分子转化来适应缺氧。缺氧暴露的癌细胞选择性的丧失p53功能或增加p53负调控因子的表达，导致细胞对凋亡的抵抗和转移。在70%的癌症中，MYC都会过表达，MYC通过选择性结合启动子并激活HIF-2α通路来维持癌症干细胞的自我更新。
图3. 癌细胞适应缺氧的生物学变化
四缺氧和癌细胞代谢
缺氧和糖酵解：大多数癌细胞通过“Warburg效应”来增加葡萄糖的摄取以进行糖酵解，“Warburg效应”是指在生长因子和缺氧条件刺激下，由MYC和HIF-1α激活的有氧糖酵解，目的是满足基因组快速复制的营养和能量需求，是重要的肿瘤代谢特征。糖酵解产生的乳酸和H+通过单羧酸转运蛋白穿过细胞膜，促进细胞pH稳态以及癌症的增殖和发展。有研究发现，依赖MCT1的癌细胞可以自主消耗乳酸(TCA循环的主要碳源)，丙酮酸通过糖酵解转化为乳酸，从而被用作呼吸燃料以支持TCA循环的能量和合成功能，这对癌细胞的增殖具有重要意义。
缺氧和脂质代谢：在癌症发展的不同阶段，脂质代谢普遍增强，通过促进膜的形成、能量储存和信号分子的产生，以及通过脂肪酸氧化提供ATP，使得恶性肿瘤更具有侵袭性（图4）。HIF-1显著上调FASN基因的转录调节因子，进而促进FASN的表达，低氧刺激下，FASN的激活可以促进脂质从头合成和细胞的存活。SCD是内质网的一种膜蛋白，可催化饱和脂肪酸形成单不饱和脂肪酸，从而促进肿瘤发展，并与肿瘤的复发和不良预后相关。谷氨酰胺是血液中最丰富的氨基酸，是快速分裂的癌细胞中线粒体代谢所必需的。此外，脂质分解代谢也有助于癌症转移，低氧条件下，与肿瘤细胞脂质分解代谢相关的主要酶是PLA2、PLD和CPT1。癌细胞通过调整脂质合成/分解代谢来满足它们对快速生长和侵袭性发展的要求。
图4. 缺氧条件下癌细胞的糖脂代谢
五低氧和血管生成
多项实验结果表明，缺氧有利于上皮细胞的增殖和迁移，癌细胞中p53的缺失使HIF-1α水平升高，HIF-1依赖的VEGF和促红细胞生成素的转录激活也增强。此外，缺氧会刺激透明质酸(血管基底膜的主要成分)和透明质酸酶活性的产生，有可能作为缺氧条件促进血管生成的一种补偿机制。然而，肿瘤很难维持血管的存活，因此，在大多数癌症中，尽管血管密度高，但形成的新内膜通常是扭曲和失调的，没有血液运输功能，且在氧气和营养物质运输以及药物输送方面效率较低。
六缺氧和免疫耐受
目前，免疫疗法已成为治疗癌症的一种有效策略。但有许多癌症患者却对免疫治疗无反应，原因之一就是缺氧应激。缺氧诱导的HIF-1α可促进癌细胞中程序性死亡配体-1 (PD-L1)的表达并抑制免疫效应。此外，缺氧通过促进TME中基质细胞生物学的各种变化，在癌症进展和治疗耐受中起着中枢作用。转录缺氧反应的主要介质是HIF-1α和HIF-2α，它们诱导基因转录，导致缺氧反应，并参与癌变和基质反应的调节。
缺氧和T细胞：T细胞的一个显著特征是当做出免疫反应并分化为细胞毒性T淋巴细胞 (CTLs)时，通过葡萄糖转运蛋白1 (GLUT1)摄取的葡萄糖增加。缺氧环境中T细胞的HIF-α表达上调受多种途径调节（图5），这些分子的表达变化增强了针对癌症靶标的细胞毒性分化和裂解功能。然而，CTL在缺氧条件下的抗肿瘤作用仍不清楚，有研究报道，缺氧通过降低IFN-γ、IL-2和NKG2D的水平来损害T细胞功能。在缺氧环境中，癌细胞胞外环境的pH值降低，抑制了CTL 的激活、增殖和细胞因子的产生，并引发T细胞凋亡。缺氧诱导癌细胞表达趋化因子，以募集调节性T细胞 (Tregs)，抑制Treg HIF-1α的表达可抑制癌症生长。相关实验表明，呼吸高氧疗法可能会降低Tregs在TME 中的免疫抑制作用。
图5. 缺氧重塑CTL免疫效应
缺氧和B细胞：哺乳动物B细胞的分化过程包括pro-B、pre-B、未成熟B细胞和成熟B细胞。缺氧会影响B细胞的增殖，同时也会改变B细胞代谢并促进抗原介导的分化。由VHL缺陷诱导的持续缺氧或HIF诱导会抑制B淋巴母细胞中的mTOR复合物1活性，进而损害B细胞克隆扩增、产生IgG2c和高亲和抗体的能力。B细胞对癌症的免疫作用尚不清楚，已有研究表明，B细胞中HIF的激活可以促进淋巴管和内皮血管的形成，并增强树突状细胞的成熟和抗原呈递，以调节免疫反应。此外，缺氧激活HIF-1α并诱导TGF-β信号，促进肌成纤维细胞活化、B淋巴细胞募集和MYC分泌，有利于B细胞增殖和存活，并导致癌症复发。在多项实验中，B细胞耗竭被证实与癌症的组织再生和耐药性有关。
缺氧和巨噬细胞：缺氧、HIF-1α和多种趋化因子的肿瘤分泌促进了免疫微环境中癌症相关巨噬细胞 (TAM)的募集，TAMs通过创造免疫抑制微环境来促进癌症的发展和转移。缺氧诱导的HIF-1α可促进TAMs适应缺氧环境，并与癌症预后相关。缺氧通过增加巨噬细胞的促炎反应来引起T细胞的反应不足，此外，酸性肿瘤免疫微环境影响TAM，在癌细胞中由丙酮酸转化而来的乳酸通过诱导HIF-1α介导的血管内皮生长因子表达，在其他生物学通路中发挥着重要作用。
缺氧和 NK 细胞：自然杀伤(NK)细胞来源于骨髓，占外周血单核淋巴细胞的10-18%，可以杀死多种癌症靶点，包括低表达MHC-I的癌细胞。一些癌细胞通过分泌趋化因子来募集NK细胞，缺氧条件下，HIF-1α通过促进癌细胞金属蛋白酶 ADAM10的表达，导致NK细胞活化配体从癌细胞表面脱落，从而减弱NK细胞介导的裂解。NK细胞分泌的大量MMP-9，也会影响血管重塑，此外，NK细胞的细胞毒性作用受癌细胞影响。有研究证实，TME中上调的HIF会增加PD-L1的表达，降低自噬性MHC-I表达，并抑制NK细胞识别。在缺氧癌细胞中，HIF-2α会刺激 ITPR1表达，激活NK细胞自噬，抑制颗粒酶B活性，从而削弱NK细胞的杀伤敏感性。
缺氧和中性粒细胞：中性粒细胞是先天免疫系统的主要参与者，它们从氧化磷酸化中获取少量ATP，并通过糖异生来储存胞内糖原以杀死细菌。在缺氧环境中，中性粒细胞减少糖原循环，导致功能受损，并消耗细胞外蛋白以促进自身的中心碳代谢以维持其功能。据报道，TME中的浸润中性粒细胞，与癌症的生长和不良预后密切相关，中性粒细胞可以清除体内的细菌，形成免疫屏障，促使癌症复发。中性粒胞外陷阱(NETs)是中性粒细胞激活后释放到胞外的网状超微结构，在固有免疫和适应性免疫中起重要作用，NETs通过增强迁移、侵袭和癌细胞干性来促进癌细胞定植，从而导致癌症预后不良。NET的形成与中性粒细胞中HIF-1α水平的升高密切相关，下调中性粒细胞HIF-1α的表达可有效抑制NET介导的肿瘤细胞转移，延长中位生存期。然而，也有实验表明了NK细胞的抗癌作用，缺氧会募集多形核中性粒细胞，有利于中性粒细胞的活力和功能。
缺氧和MDSC：髓源性抑制细胞 (MDSC)是一组异质细胞，通过抑制免疫细胞活性，使肿瘤逃避免疫监控并促进癌症耐药性。缺氧和HIF-1α驱动MDSCs募集到TME，抑制 MDSCs 的浸润可提高抗肿瘤作用。在缺氧条件下，MDSC表达多种免疫抑制因子，HIF-1α介导的缺氧会显著改变TME中MDSC的功能，并将它们重分化为肿瘤相关巨噬细胞。
缺氧和 ILC：先天性淋巴细胞 (ILC)包含ILC1、ILC2和ILC3等NK细胞，主要参与机体对病毒、细菌、寄生虫和转化细胞的免疫反应，它们在癌症免疫治疗中的作用尚未确定。一些癌症细胞因子的特定变化通过诱导ILC可塑性和功能的变化，来改变癌症中ILC的组成（图6）。比如，IL-33诱导ILC2的大量扩增，并产生CXCR2 配体，从而通过CXCR2增强癌细胞特异性的细胞凋亡；在一项结直肠癌研究中，发现IL-25 可以促进肿瘤内ILC2浸润，并增强MDSCs的癌症浸润能力，抑制抗肿瘤免疫并降低患者生存率；肿瘤部位趋化因子CCL20和促炎细胞因子IL-1β的产生导致ILC3的募集和激活，ILC3分泌趋化因子 CXCL10，通过募集免疫T细胞促进抗肿瘤反应，等等。
图6. 缺氧条件下细胞因子分泌的变化
七缺氧和化疗耐药性
体内实验表明，缺氧增加了癌细胞对药物毒性的耐受性，缺氧诱导癌细胞中耐药基因的高表达，增加了化疗药物的外排，降低了细胞内的药物浓度（图7）。缺氧条件下产生的活性氧(ROS)通过HIF-1α诱导PGP和BCRP的表达，增加了癌细胞的耐药性，HIF-1α促进了化疗药物的失活并降低了它们的细胞毒性作用。近期研究发现了缺氧癌细胞中的替代性耐药途径，例如，TME中的癌细胞和基质细胞会分泌IL-6等多种细胞因子，IL-6可诱导HIF-1α的表达以调节下游的化疗耐药基因，从而促使癌细胞获得化学抗性。在含氧量正常的条件下，自噬激活并不会抵消顺铂诱导的应激，从而导致细胞死亡，而在缺氧条件下，自噬诱导增强，抵消了顺铂诱导的应激反应，使细胞得以存活。此外，由于TME中的纤维化和非功能性血管的形成，药物从功能性血管向细胞的扩散和输送减少，可能会引发癌细胞的耐药性，TME中pH 梯度的改变也可以减弱细胞中的药物作用以增强耐药性。
图7. 缺氧增强肿瘤化疗耐药性
八缺氧和抗辐射
放射治疗通过电离辐射 (IR)产生自由基，直接破坏大分子从而损伤DNA，导致肿瘤组织细胞的凋亡、坏死，达到控制肿瘤的作用。缺氧条件下，自由基变得不稳定，会降低放疗的有效性，导致其损伤程度有限，且大部分损伤都可以修复（图8）。一些临床试验表明，缺氧可以改变DNA双链断裂(DNA DSB)相关基因的表达和功能，使致死DNA DSB的数量减少2-3倍。在缺氧条件下，其他的DNA修复途径被激活，HIF-1α刺激DNA依赖性蛋白激酶的表达并修复由电离辐射引起的DNA DSB，辐射会上调HIF-1的表达并增强其在癌细胞中的活性。血管系统也会影响放射治疗，VEGF、FGF和PDGF可以保护肿瘤血管免受辐射介导的细胞毒性，并增强ECs的放射抗性，因此，VEGF、FGF和PDGF抑制剂可以提高放疗的有效性。并且，缺氧癌细胞的放射敏感性在复氧后显著增加，癌症组织中升高的H2O2水平加剧了缺氧诱导的放射治疗抗性，减少肿瘤细胞的H2O2或将其通过化学反应转化为氧气可能会改善放射治疗的结果。
图8. 缺氧增强肿瘤对放疗的抵抗
九缺氧介导的治疗
靶向治疗：缺氧会促进癌症的发展，因此需要提高TME中的氧气浓度。由于氧气在血液中的低溶解度等原因，通过血液向癌症静脉输氧是不可行的，通过药理学扩张血管来增加肿瘤氧气输送的方法被提出。目前，纳米和生物技术已被用于携带氧发生器，以在目标癌症产生足够的氧气，有助于药物传递，提高化疗、放疗和免疫治疗的有效性。然而，复氧过程会产生大量ROS，导致DNA损伤，促进癌细胞生长，并对周围的正常细胞造成损害。此外，抑制缺氧诱导的HIF及其下游靶基因也是一种有效的策略，这些抑制剂降低循环肿瘤细胞中的VEGF 水平，以抑制肿瘤血管生成，并增强化疗药物的作用。TME中的缺氧为一些缺氧激活前体药物提供了特殊的作用环境，如TH-302和tarloxotinib效应物通过抑制癌细胞中的信号传导和细胞增殖来抑制癌症生长。图9列出了部分缺氧介导的靶向治疗癌症的临床试验。
图9. 部分靶向缺氧的临床治疗策略
缺氧和免疫治疗：缺氧会抑制抗癌免疫敏感性，改善TME的缺氧环境可提高免疫检查点阻断 (ICB)的治疗效果。通过静脉内氧合增加氧分压可以逆转TME中的缺氧，然而癌症中的一些血管异常且无功能。因此，重塑TME中的血管对于改善缺氧是必要的。在乳腺癌和肺癌相关的研究中，DLL1水平的升高可诱导癌症血管正常化，从而缓解癌症缺氧，增强免疫T细胞和巨噬细胞的功能。促氧化剂也可用于增加TME中的氧气水平，吴等人研发的氧微胶囊，可以精确靶向胰腺导管腺癌，改善缺氧并有效提高抗PD-1抗体的疗效。此外，抑制HIF通路介导的PD-L1是增强癌症免疫反应的重要策略，抑制HIF-1α的合成会抑制PD-L1 的表达并诱导PD-L1的溶酶体降解，从而增强CTL杀死癌细胞的能力。NK细胞中HIF-1α的缺失会抑制癌症的生长，并通过激活NF-κB通路和刺激效应分子的表达来改善患者的生存结果；免疫细胞中HIF-1α的单一抑制可恢复免疫细胞毒性，然而它也会诱导癌细胞中PD-L1的表达，从而损害抗癌免疫。因此，多种治疗策略的联合对于癌症治疗至关重要。
缺氧和放疗：放疗是一种针对耐药性癌症的非侵入性治疗方法，它基于X射线或伽马射线靶向癌组织的原理，直接或间接破坏生物分子使周围的水电离并产生 ROS，诱导DNA损伤和细胞凋亡。TME 中的局部缺氧会降低放射治疗的疗效，而且放疗需要高剂量的X射线，会导致严重的副作用。因此，通过利用内源性 H2O2分解产生O2，可以改善癌症缺氧并提高放射治疗的效果。
纳米疗法：纳米颗粒具有尺寸小、表面积大、生物利用度高、生物相容性好等特点，可以安全高效地将外部氧气输送到低氧的TME中。PSPP-Au980-D是一种纳米复合“氧弹”，用于精准定位胰腺癌的缺氧微环境，通过不同纳米激光照射，改善缺氧，增强光动力治疗效果。此外，纳米粒子还可以承载各种药物，如增氧剂、化疗剂和增强免疫力的药物，提高抗癌效果。纳米技术与化疗、放疗和免疫等手段的联合，也是未来极具潜力的治疗措施。
生物疗法：微生物群通过破坏细胞DNA、诱导转化、激活和改变TME中的基质细胞成分以及影响细胞代谢，在癌症中发挥重要作用。有研究表明，将活细菌与手术、化疗和放疗等方式相结合可以产生良好的临床效果。在结直肠癌、胆管癌、黑色素瘤和鳞状细胞癌等小鼠模型中，发现厌氧菌可显著提高放疗的效果。沙门氏菌在缺氧癌症中更易增殖，因此也被用作靶向载体来递送不同的治疗剂并实现协同抗癌作用。在缺氧条件下，最大限度地利用活细菌有可能成为治疗癌症的一种有效方式。
这篇文章首先从分子水平论述了癌症中的缺氧机制，然后分析了缺氧对癌症代谢、发展和免疫耐受的影响，最后探讨缺氧在癌症治疗中的应用，总的来说，让我们对癌症缺氧有了比较全面的了解，感兴趣的小伙伴可以选择其中的几个点进行深层次的挖掘，希望读到这的你可以有所收获。Have a nice day！
