古勿
Moring, guy！今天我們來看一篇Signal Transduct Target Ther (IF = 17.6)雜誌新發表的一篇綜述，作者探討了癌症中缺氧微環境的分子機制，包括在癌細胞適應缺氧環境的過程中，信號通路的變化、缺氧誘導癌症免疫耐受的機制、化療耐受以及缺氧在癌症治療中的應用等。
背景知識
腫瘤缺氧這一概念，最早於1955年被提出（圖1），目前已被證實在90%的實體瘤中廣泛存在，是癌症的一個hallmark。由於不同組織間氧含量的差異、腫瘤大小和測量方法的不同以及組織氧合的高變性，使得腫瘤的缺氧狀態很難確定。然而，有研究表明腫瘤缺氧與多種癌症的無病生存率下降有關，缺氧也會改變新陳代謝等相關基因的表達水平。此外，缺氧信號通路與其他細胞通路的互作，與癌細胞的增殖、遷移、侵襲和血管生成密切相關，並影響癌症治療結果。
圖1. 腫瘤缺氧研究的發展
一癌症缺氧的誘導因素
癌細胞具有增殖率高、代謝活躍、能量需求大等特徵，當代謝氧的需求量大於供應時，癌細胞的缺氧區域就會增加，從而改變新陳代謝。血管生成失調引起的異常血管結構是造成缺氧的重要原因，在缺氧條件下，促紅細胞生成(EPO) 和血管生成因子的表達會增加，進一步促進血管生成細胞的增殖，但形成的血管是無功能的，使得癌變區域缺乏血管系統而形成缺氧環境。基質細胞的激活和增殖以及基質成分的增加，會導致癌症形態的重塑，可能會使循環受損、氧氣供應不足，加劇組織缺氧。此外，在含氧量正常的條件下，鎂會刺激血管生成，而在低氧條件下，鎂會抑制血管生成，導致腫瘤免疫微環境(TME)缺氧（圖2）。研究表明，腫瘤細胞通過改變信號通路來適應缺氧，缺氧會促進癌細胞的增殖、遷移、感染和上皮-間質轉化 (EMT)等，並增強免疫療法、化學療法和放射療法的耐受性。
圖2. 導致腫瘤缺氧的潛在因素
二缺氧和癌變
缺氧和基因組損傷：缺氧會破壞細胞的基因組並導致癌變， 在缺氧癌症模型中，細胞的基因突變頻率增加，體細胞誘導生成多能幹細胞的效率也提高了。缺氧會促進和維持癌症幹細胞(CSC)的表型，而CSC有可能會發展成腫瘤。細胞基因組損傷引起的突變和CSCs的維持都與缺氧條件下大量活性氧（ROS）的產生密切相關，同時會刺激癌基因的表達，從而誘導具有轉移和生長潛力的癌細胞變體的形成。
缺氧和遺傳修復：缺氧激活DNA損傷檢查點ATM和ATR，它們被不同類型的DNA損傷激活，並通過磷酸化其相應的下游蛋白來調節細胞周期檢查點。缺氧介導的DNA雙鏈斷裂會激活ATM，從而誘導MRN複合物招募p53、CHK1和CHK2等到DNA DSB位點，通過抑制CDK2活性可以阻斷這些反應。ATR激酶在極度缺氧條件下磷酸化p53 和 CHK1，ATM/CHK2/p53通路的失活會促進癌症的形成。非同源末端連接 (NHEJ)和同源重組(HR)是調節DNA DSB修復的主要方式，錯配修復(MMR)是一種針對複製相關錯誤的DNA修復途徑。在缺氧條件下，HR修復頻率較低，MMR通路發生失調，而NHEJ幾乎不受影響。
三缺氧信號通路和癌細胞
HIF和癌細胞：癌細胞能夠在缺氧環境中存活的主要原因之一是缺氧誘導因子(HIF)的激活，它們參與癌細胞的代謝重編程、蛋白質合成和細胞周期進程。生物學水平上，HIF受多種信號通路的調控，包括PI3K-mTOR信號通路，JAK-STAT3信號通路，NF-κB 通路，Wnt/β-catenin 通路和Notch通路等(圖3)。機制水平上，HIF通過調節水解糖、血管生成信號和凋亡/應激反應相關的編碼基因表達來調控癌細胞生長。
缺氧和癌細胞行為：在多種癌症中，診斷時原發癌為缺氧的患者更容易出現復發，而患有貧血或慢阻肺等疾病的癌症患者往往預後較差，並且可能存在與癌症相關的缺氧。研究表明，在缺氧環境中，癌細胞的自發轉移能力增強，部分對缺氧敏感的腫瘤細胞被去除，存活的腫瘤細胞通過其自身的分子轉化來適應缺氧。缺氧暴露的癌細胞選擇性的喪失p53功能或增加p53負調控因子的表達，導致細胞對凋亡的抵抗和轉移。在70%的癌症中，MYC都會過表達，MYC通過選擇性結合啟動子並激活HIF-2α通路來維持癌症幹細胞的自我更新。
圖3. 癌細胞適應缺氧的生物學變化
四缺氧和癌細胞代謝
缺氧和糖酵解：大多數癌細胞通過「Warburg效應」來增加葡萄糖的攝取以進行糖酵解，「Warburg效應」是指在生長因子和缺氧條件刺激下，由MYC和HIF-1α激活的有氧糖酵解，目的是滿足基因組快速複製的營養和能量需求，是重要的腫瘤代謝特徵。糖酵解產生的乳酸和H+通過單羧酸轉運蛋白穿過細胞膜，促進細胞pH穩態以及癌症的增殖和發展。有研究發現，依賴MCT1的癌細胞可以自主消耗乳酸(TCA循環的主要碳源)，丙酮酸通過糖酵解轉化為乳酸，從而被用作呼吸燃料以支持TCA循環的能量和合成功能，這對癌細胞的增殖具有重要意義。
缺氧和脂質代謝：在癌症發展的不同階段，脂質代謝普遍增強，通過促進膜的形成、能量儲存和信號分子的產生，以及通過脂肪酸氧化提供ATP，使得惡性腫瘤更具有侵襲性（圖4）。HIF-1顯著上調FASN基因的轉錄調節因子，進而促進FASN的表達，低氧刺激下，FASN的激活可以促進脂質從頭合成和細胞的存活。SCD是內質網的一種膜蛋白，可催化飽和脂肪酸形成單不飽和脂肪酸，從而促進腫瘤發展，並與腫瘤的復發和不良預後相關。穀氨醯胺是血液中最豐富的胺基酸，是快速分裂的癌細胞中線粒體代謝所必需的。此外，脂質分解代謝也有助於癌症轉移，低氧條件下，與腫瘤細胞脂質分解代謝相關的主要酶是PLA2、PLD和CPT1。癌細胞通過調整脂質合成/分解代謝來滿足它們對快速生長和侵襲性發展的要求。
圖4. 缺氧條件下癌細胞的糖脂代謝
五低氧和血管生成
多項實驗結果表明，缺氧有利於上皮細胞的增殖和遷移，癌細胞中p53的缺失使HIF-1α水平升高，HIF-1依賴的VEGF和促紅細胞生成素的轉錄激活也增強。此外，缺氧會刺激透明質酸(血管基底膜的主要成分)和透明質酸酶活性的產生，有可能作為缺氧條件促進血管生成的一種補償機制。然而，腫瘤很難維持血管的存活，因此，在大多數癌症中，儘管血管密度高，但形成的新內膜通常是扭曲和失調的，沒有血液運輸功能，且在氧氣和營養物質運輸以及藥物輸送方面效率較低。
六缺氧和免疫耐受
目前，免疫療法已成為治療癌症的一種有效策略。但有許多癌症患者卻對免疫治療無反應，原因之一就是缺氧應激。缺氧誘導的HIF-1α可促進癌細胞中程序性死亡配體-1 (PD-L1)的表達並抑制免疫效應。此外，缺氧通過促進TME中基質細胞生物學的各種變化，在癌症進展和治療耐受中起著中樞作用。轉錄缺氧反應的主要介質是HIF-1α和HIF-2α，它們誘導基因轉錄，導致缺氧反應，並參與癌變和基質反應的調節。
缺氧和T細胞：T細胞的一個顯著特徵是當做出免疫反應並分化為細胞毒性T淋巴細胞 (CTLs)時，通過葡萄糖轉運蛋白1 (GLUT1)攝取的葡萄糖增加。缺氧環境中T細胞的HIF-α表達上調受多種途徑調節（圖5），這些分子的表達變化增強了針對癌症靶標的細胞毒性分化和裂解功能。然而，CTL在缺氧條件下的抗腫瘤作用仍不清楚，有研究報導，缺氧通過降低IFN-γ、IL-2和NKG2D的水平來損害T細胞功能。在缺氧環境中，癌細胞胞外環境的pH值降低，抑制了CTL 的激活、增殖和細胞因子的產生，並引發T細胞凋亡。缺氧誘導癌細胞表達趨化因子，以募集調節性T細胞 (Tregs)，抑制Treg HIF-1α的表達可抑制癌症生長。相關實驗表明，呼吸高氧療法可能會降低Tregs在TME 中的免疫抑制作用。
圖5. 缺氧重塑CTL免疫效應
缺氧和B細胞：哺乳動物B細胞的分化過程包括pro-B、pre-B、未成熟B細胞和成熟B細胞。缺氧會影響B細胞的增殖，同時也會改變B細胞代謝並促進抗原介導的分化。由VHL缺陷誘導的持續缺氧或HIF誘導會抑制B淋巴母細胞中的mTOR複合物1活性，進而損害B細胞克隆擴增、產生IgG2c和高親和抗體的能力。B細胞對癌症的免疫作用尚不清楚，已有研究表明，B細胞中HIF的激活可以促進淋巴管和內皮血管的形成，並增強樹突狀細胞的成熟和抗原呈遞，以調節免疫反應。此外，缺氧激活HIF-1α並誘導TGF-β信號，促進肌成纖維細胞活化、B淋巴細胞募集和MYC分泌，有利於B細胞增殖和存活，並導致癌症復發。在多項實驗中，B細胞耗竭被證實與癌症的組織再生和耐藥性有關。
缺氧和巨噬細胞：缺氧、HIF-1α和多種趨化因子的腫瘤分泌促進了免疫微環境中癌症相關巨噬細胞 (TAM)的募集，TAMs通過創造免疫抑制微環境來促進癌症的發展和轉移。缺氧誘導的HIF-1α可促進TAMs適應缺氧環境，並與癌症預後相關。缺氧通過增加巨噬細胞的促炎反應來引起T細胞的反應不足，此外，酸性腫瘤免疫微環境影響TAM，在癌細胞中由丙酮酸轉化而來的乳酸通過誘導HIF-1α介導的血管內皮生長因子表達，在其他生物學通路中發揮著重要作用。
缺氧和 NK 細胞：自然殺傷(NK)細胞來源於骨髓，占外周血單核淋巴細胞的10-18%，可以殺死多種癌症靶點，包括低表達MHC-I的癌細胞。一些癌細胞通過分泌趨化因子來募集NK細胞，缺氧條件下，HIF-1α通過促進癌細胞金屬蛋白酶 ADAM10的表達，導致NK細胞活化配體從癌細胞表面脫落，從而減弱NK細胞介導的裂解。NK細胞分泌的大量MMP-9，也會影響血管重塑，此外，NK細胞的細胞毒性作用受癌細胞影響。有研究證實，TME中上調的HIF會增加PD-L1的表達，降低自噬性MHC-I表達，並抑制NK細胞識別。在缺氧癌細胞中，HIF-2α會刺激 ITPR1表達，激活NK細胞自噬，抑制顆粒酶B活性，從而削弱NK細胞的殺傷敏感性。
缺氧和中性粒細胞：中性粒細胞是先天免疫系統的主要參與者，它們從氧化磷酸化中獲取少量ATP，並通過糖異生來儲存胞內糖原以殺死細菌。在缺氧環境中，中性粒細胞減少糖原循環，導致功能受損，並消耗細胞外蛋白以促進自身的中心碳代謝以維持其功能。據報導，TME中的浸潤中性粒細胞，與癌症的生長和不良預後密切相關，中性粒細胞可以清除體內的細菌，形成免疫屏障，促使癌症復發。中性粒胞外陷阱(NETs)是中性粒細胞激活後釋放到胞外的網狀超微結構，在固有免疫和適應性免疫中起重要作用，NETs通過增強遷移、侵襲和癌細胞乾性來促進癌細胞定植，從而導致癌症預後不良。NET的形成與中性粒細胞中HIF-1α水平的升高密切相關，下調中性粒細胞HIF-1α的表達可有效抑制NET介導的腫瘤細胞轉移，延長中位生存期。然而，也有實驗表明了NK細胞的抗癌作用，缺氧會募集多形核中性粒細胞，有利於中性粒細胞的活力和功能。
缺氧和MDSC：髓源性抑制細胞 (MDSC)是一組異質細胞，通過抑制免疫細胞活性，使腫瘤逃避免疫監控並促進癌症耐藥性。缺氧和HIF-1α驅動MDSCs募集到TME，抑制 MDSCs 的浸潤可提高抗腫瘤作用。在缺氧條件下，MDSC表達多種免疫抑制因子，HIF-1α介導的缺氧會顯著改變TME中MDSC的功能，並將它們重分化為腫瘤相關巨噬細胞。
缺氧和 ILC：先天性淋巴細胞 (ILC)包含ILC1、ILC2和ILC3等NK細胞，主要參與機體對病毒、細菌、寄生蟲和轉化細胞的免疫反應，它們在癌症免疫治療中的作用尚未確定。一些癌症細胞因子的特定變化通過誘導ILC可塑性和功能的變化，來改變癌症中ILC的組成（圖6）。比如，IL-33誘導ILC2的大量擴增，並產生CXCR2 配體，從而通過CXCR2增強癌細胞特異性的細胞凋亡；在一項結直腸癌研究中，發現IL-25 可以促進腫瘤內ILC2浸潤，並增強MDSCs的癌症浸潤能力，抑制抗腫瘤免疫並降低患者生存率；腫瘤部位趨化因子CCL20和促炎細胞因子IL-1β的產生導致ILC3的募集和激活，ILC3分泌趨化因子 CXCL10，通過募集免疫T細胞促進抗腫瘤反應，等等。
圖6. 缺氧條件下細胞因子分泌的變化
七缺氧和化療耐藥性
體內實驗表明，缺氧增加了癌細胞對藥物毒性的耐受性，缺氧誘導癌細胞中耐藥基因的高表達，增加了化療藥物的外排，降低了細胞內的藥物濃度（圖7）。缺氧條件下產生的活性氧(ROS)通過HIF-1α誘導PGP和BCRP的表達，增加了癌細胞的耐藥性，HIF-1α促進了化療藥物的失活並降低了它們的細胞毒性作用。近期研究發現了缺氧癌細胞中的替代性耐藥途徑，例如，TME中的癌細胞和基質細胞會分泌IL-6等多種細胞因子，IL-6可誘導HIF-1α的表達以調節下游的化療耐藥基因，從而促使癌細胞獲得化學抗性。在含氧量正常的條件下，自噬激活並不會抵消順鉑誘導的應激，從而導致細胞死亡，而在缺氧條件下，自噬誘導增強，抵消了順鉑誘導的應激反應，使細胞得以存活。此外，由於TME中的纖維化和非功能性血管的形成，藥物從功能性血管向細胞的擴散和輸送減少，可能會引發癌細胞的耐藥性，TME中pH 梯度的改變也可以減弱細胞中的藥物作用以增強耐藥性。
圖7. 缺氧增強腫瘤化療耐藥性
八缺氧和抗輻射
放射治療通過電離輻射 (IR)產生自由基，直接破壞大分子從而損傷DNA，導致腫瘤組織細胞的凋亡、壞死，達到控制腫瘤的作用。缺氧條件下，自由基變得不穩定，會降低放療的有效性，導致其損傷程度有限，且大部分損傷都可以修復（圖8）。一些臨床試驗表明，缺氧可以改變DNA雙鏈斷裂(DNA DSB)相關基因的表達和功能，使致死DNA DSB的數量減少2-3倍。在缺氧條件下，其他的DNA修復途徑被激活，HIF-1α刺激DNA依賴性蛋白激酶的表達並修復由電離輻射引起的DNA DSB，輻射會上調HIF-1的表達並增強其在癌細胞中的活性。血管系統也會影響放射治療，VEGF、FGF和PDGF可以保護腫瘤血管免受輻射介導的細胞毒性，並增強ECs的放射抗性，因此，VEGF、FGF和PDGF抑制劑可以提高放療的有效性。並且，缺氧癌細胞的放射敏感性在復氧後顯著增加，癌症組織中升高的H2O2水平加劇了缺氧誘導的放射治療抗性，減少腫瘤細胞的H2O2或將其通過化學反應轉化為氧氣可能會改善放射治療的結果。
圖8. 缺氧增強腫瘤對放療的抵抗
九缺氧介導的治療
靶向治療：缺氧會促進癌症的發展，因此需要提高TME中的氧氣濃度。由於氧氣在血液中的低溶解度等原因，通過血液向癌症靜脈輸氧是不可行的，通過藥理學擴張血管來增加腫瘤氧氣輸送的方法被提出。目前，納米和生物技術已被用於攜帶氧發生器，以在目標癌症產生足夠的氧氣，有助於藥物傳遞，提高化療、放療和免疫治療的有效性。然而，復氧過程會產生大量ROS，導致DNA損傷，促進癌細胞生長，並對周圍的正常細胞造成損害。此外，抑制缺氧誘導的HIF及其下游靶基因也是一種有效的策略，這些抑制劑降低循環腫瘤細胞中的VEGF 水平，以抑制腫瘤血管生成，並增強化療藥物的作用。TME中的缺氧為一些缺氧激活前體藥物提供了特殊的作用環境，如TH-302和tarloxotinib效應物通過抑制癌細胞中的信號傳導和細胞增殖來抑制癌症生長。圖9列出了部分缺氧介導的靶向治療癌症的臨床試驗。
圖9. 部分靶向缺氧的臨床治療策略
缺氧和免疫治療：缺氧會抑制抗癌免疫敏感性，改善TME的缺氧環境可提高免疫檢查點阻斷 (ICB)的治療效果。通過靜脈內氧合增加氧分壓可以逆轉TME中的缺氧，然而癌症中的一些血管異常且無功能。因此，重塑TME中的血管對於改善缺氧是必要的。在乳腺癌和肺癌相關的研究中，DLL1水平的升高可誘導癌症血管正常化，從而緩解癌症缺氧，增強免疫T細胞和巨噬細胞的功能。促氧化劑也可用於增加TME中的氧氣水平，吳等人研發的氧微膠囊，可以精確靶向胰腺導管腺癌，改善缺氧並有效提高抗PD-1抗體的療效。此外，抑制HIF通路介導的PD-L1是增強癌症免疫反應的重要策略，抑制HIF-1α的合成會抑制PD-L1 的表達並誘導PD-L1的溶酶體降解，從而增強CTL殺死癌細胞的能力。NK細胞中HIF-1α的缺失會抑制癌症的生長，並通過激活NF-κB通路和刺激效應分子的表達來改善患者的生存結果；免疫細胞中HIF-1α的單一抑制可恢復免疫細胞毒性，然而它也會誘導癌細胞中PD-L1的表達，從而損害抗癌免疫。因此，多種治療策略的聯合對於癌症治療至關重要。
缺氧和放療：放療是一種針對耐藥性癌症的非侵入性治療方法，它基於X射線或伽馬射線靶向癌組織的原理，直接或間接破壞生物分子使周圍的水電離並產生 ROS，誘導DNA損傷和細胞凋亡。TME 中的局部缺氧會降低放射治療的療效，而且放療需要高劑量的X射線，會導致嚴重的副作用。因此，通過利用內源性 H2O2分解產生O2，可以改善癌症缺氧並提高放射治療的效果。
納米療法：納米顆粒具有尺寸小、表面積大、生物利用度高、生物相容性好等特點，可以安全高效地將外部氧氣輸送到低氧的TME中。PSPP-Au980-D是一種納米複合「氧彈」，用於精準定位胰腺癌的缺氧微環境，通過不同納米雷射照射，改善缺氧，增強光動力治療效果。此外，納米粒子還可以承載各種藥物，如增氧劑、化療劑和增強免疫力的藥物，提高抗癌效果。納米技術與化療、放療和免疫等手段的聯合，也是未來極具潛力的治療措施。
生物療法：微生物群通過破壞細胞DNA、誘導轉化、激活和改變TME中的基質細胞成分以及影響細胞代謝，在癌症中發揮重要作用。有研究表明，將活細菌與手術、化療和放療等方式相結合可以產生良好的臨床效果。在結直腸癌、膽管癌、黑色素瘤和鱗狀細胞癌等小鼠模型中，發現厭氧菌可顯著提高放療的效果。沙門氏菌在缺氧癌症中更易增殖，因此也被用作靶向載體來遞送不同的治療劑並實現協同抗癌作用。在缺氧條件下，最大限度地利用活細菌有可能成為治療癌症的一種有效方式。
這篇文章首先從分子水平論述了癌症中的缺氧機制，然後分析了缺氧對癌症代謝、發展和免疫耐受的影響，最後探討缺氧在癌症治療中的應用，總的來說，讓我們對癌症缺氧有了比較全面的了解，感興趣的小夥伴可以選擇其中的幾個點進行深層次的挖掘，希望讀到這的你可以有所收穫。Have a nice day！