前言

缺氧是是一種組織和器官缺乏足夠氧氣供應(yīng)的狀態(tài)，是實(shí)體瘤的一個(gè)常見(jiàn)特征，影響其生物學(xué)和對(duì)治療的反應(yīng)。缺氧腫瘤微環(huán)境（TME）被定義為氧分壓（pO2）低于10mmHg的情況。缺氧調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞快速增殖、腫瘤血管系統(tǒng)異常、間質(zhì)高壓或低氧輸送誘導(dǎo)的腫瘤生長(zhǎng)、侵襲和對(duì)治療的抵抗。

缺氧激活的主要轉(zhuǎn)錄因子之一是缺氧誘導(dǎo)因子（HIF），它調(diào)節(jié)參與腫瘤發(fā)生各個(gè)方面的基因的表達(dá)，包括增殖能力、血管生成、免疫逃避、代謝重編程、細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）重塑和細(xì)胞遷移，通過(guò)誘導(dǎo)治療耐藥性對(duì)患者的結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。進(jìn)一步了解缺氧對(duì)TME和對(duì)治療耐藥性的影響，以及缺氧生物標(biāo)志物作為治療反應(yīng)的預(yù)后和預(yù)測(cè)指標(biāo)的潛力，將為發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)提供機(jī)會(huì)。

缺氧誘導(dǎo)因子

HIF是一種對(duì)低氧水平有反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，它調(diào)節(jié)基因表達(dá)以適應(yīng)腫瘤細(xì)胞的生存行為。它的激活支持缺氧適應(yīng)的基因，如與血管生成、紅細(xì)胞生成、葡萄糖攝取和厭氧代謝相關(guān)的基因，同時(shí)抑制非必需的生存基因。

細(xì)胞對(duì)缺氧的反應(yīng)誘導(dǎo)由HIF調(diào)節(jié)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路。HIF-1是一種異二聚體，由氧敏感亞基HIF-1α和組成型表達(dá)的HIF-1β組成。在低氧條件下，HIF-1α被降解，但在缺氧條件下，HIF-1α穩(wěn)定地與HIF-1β形成異二聚體。這種復(fù)合物充當(dāng)轉(zhuǎn)錄激活劑，與靶基因啟動(dòng)子中稱為缺氧反應(yīng)元件（HRE）的DNA序列結(jié)合。

HIF-2也是與氧敏感的HIF-2α亞基的異二聚體，同時(shí)與HIF-1α共享HIF-1β作為組成型表達(dá)的亞基。然而，HIF-1和HIF-2具有不同的作用。HIF-3是最不具特征的HIF，具有多種異構(gòu)體，這些異構(gòu)體具有不同的組織分布和功能特性。HIF-3并不像HIF-1/HIF-2那樣具有反式激活結(jié)構(gòu)域，而是含有抑制HRE應(yīng)答基因表達(dá)的多肽。

缺氧與腫瘤微環(huán)境

TME是腫瘤周圍形成的復(fù)雜環(huán)境，涉及多種細(xì)胞類型和分子的相互作用。在實(shí)體瘤中，TME由癌細(xì)胞、周圍血管、免疫細(xì)胞、癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAFs）、信號(hào)分子和ECM組成。腫瘤細(xì)胞可以通過(guò)釋放促進(jìn)血管生成的細(xì)胞外信號(hào)或誘導(dǎo)外周免疫耐受以逃避免疫檢測(cè)來(lái)改變微環(huán)境的組成。缺氧、代謝微環(huán)境、酸性生態(tài)位和機(jī)械環(huán)境等特征在TME的表型中也起著重要作用。缺氧TME可以幫助腫瘤生長(zhǎng)、擴(kuò)散或?qū)χ委煯a(chǎn)生耐藥性。

TME內(nèi)的代謝轉(zhuǎn)換對(duì)于癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝以及適應(yīng)缺氧微環(huán)境至關(guān)重要。這種現(xiàn)象被稱為Warburg效應(yīng)，其特征是細(xì)胞代謝有利于糖酵解，以滿足癌細(xì)胞的生存需求。Warburg效應(yīng)涉及葡萄糖攝取速率的增加和乳酸的優(yōu)先產(chǎn)生。這導(dǎo)致TME因大量代謝廢物（包括乳酸、二氧化碳和碳酸氫鹽）的積累而酸化。這些產(chǎn)物降低了細(xì)胞外空間的pH值，并在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外pH值之間產(chǎn)生梯度。這對(duì)癌癥的多個(gè)特征有影響，包括抑制免疫反應(yīng)、增加腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移以及調(diào)節(jié)增殖。

缺氧還增強(qiáng)了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的上調(diào)，包括GLUT1和參與糖酵解途徑的酶（例如CA9）。酸化的另一個(gè)結(jié)果是基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）的活性增強(qiáng)，其在降解ECM和基底膜中起作用。因此，腫瘤在缺氧條件下的侵襲和轉(zhuǎn)移潛力增強(qiáng)。酸化還可以通過(guò)減少藥物攝入和激活DNA修復(fù)機(jī)制來(lái)增強(qiáng)對(duì)化療和放療的抵抗力。

缺氧與腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)

ECM是細(xì)胞外區(qū)域的復(fù)雜生物分子網(wǎng)絡(luò)，為周圍細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)和機(jī)械支持，它在癌癥發(fā)展中具有重要作用。ECM包括廣泛的分子，如結(jié)構(gòu)蛋白（纖連蛋白、膠原）、信號(hào)分子（EGF、TGF-β）和酶（MMPs、LOX、P4HA）。ECM的主要蛋白質(zhì)成分是纖連蛋白（FN）、膠原（COL）、彈性蛋白和層粘連蛋白。

腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞是ECM的主要生產(chǎn)者。在癌癥發(fā)展過(guò)程中，正常ECM表型向癌性ECM表型轉(zhuǎn)變。在這個(gè)過(guò)程中，ECM經(jīng)歷了生長(zhǎng)因子和酶水平的重塑，由于這種重塑，腫瘤中會(huì)出現(xiàn)更多的纖維化和硬化ECM。ECM向癌癥表型的轉(zhuǎn)化是腫瘤發(fā)展的關(guān)鍵過(guò)程，其促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和存活、轉(zhuǎn)移和癌癥相關(guān)細(xì)胞的募集，并調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。

缺氧增強(qiáng)了ECM的重塑，成為腫瘤結(jié)締組織形成的驅(qū)動(dòng)因素，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括ECM的降解、組成和結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生纖維化和更硬的ECM�；�底ECM膜的降解在缺氧中增強(qiáng)，它的降解是腫瘤進(jìn)展的關(guān)鍵，促進(jìn)局部組織侵襲和腫瘤轉(zhuǎn)移。此外，缺氧增加MMPs分泌，通過(guò)HIF信號(hào)傳導(dǎo)誘導(dǎo)基底ECM膜降解。

缺氧條件下ECM組成和結(jié)構(gòu)的變化是由COL、FN和透明質(zhì)酸（HA）的沉積和交聯(lián)增加驅(qū)動(dòng)的。ECM纖維的數(shù)量和交聯(lián)增加ECM硬度并誘導(dǎo)纖維化。從機(jī)制上講，纖維化通過(guò)增強(qiáng)整合素機(jī)械力感應(yīng)促進(jìn)癌癥的發(fā)展和擴(kuò)散，該途徑激活EMT轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致高ECM硬度、纖維化和轉(zhuǎn)移增加。ECM蛋白（如COL、FN、HA）的沉積增強(qiáng)不足以誘導(dǎo)纖維化，ECM交聯(lián)酶如LOX是使ECM變硬所必需的。

缺氧還誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子的分泌，這些生長(zhǎng)因子和因子也因ECM重塑而釋放，從而建立協(xié)同效應(yīng)。生長(zhǎng)因子如TGF-β、EGF、FGF的釋放不僅促進(jìn)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和存活，而且促進(jìn)CAFs和腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（TAMs）的募集。TAMs和CAFs參與生長(zhǎng)因子的分泌、ECM重塑和COL/FN沉積，增加協(xié)同效應(yīng)。在缺氧應(yīng)激下，血管生成通過(guò)分泌血管生成生長(zhǎng)因子，如VEGF、ANG而被激活。血管生成過(guò)程允許新血管的發(fā)展，在這個(gè)過(guò)程中增強(qiáng)ECM的重塑。此外，缺氧ECM提供了將細(xì)胞引導(dǎo)向血管并增強(qiáng)血管內(nèi)浸潤(rùn)的遷移，促腫瘤生長(zhǎng)因子和酶（如TGF-β、LOX）可以進(jìn)入血管內(nèi)并傳播到遠(yuǎn)處的健康組織，通過(guò)ECM重塑產(chǎn)生轉(zhuǎn)移前的生態(tài)位。這增強(qiáng)了癌細(xì)胞的遷移和浸潤(rùn)，使它們能夠進(jìn)入循環(huán)并最終在轉(zhuǎn)移前生態(tài)位定植，并培育新的腫瘤細(xì)胞。

缺氧與CAFs

CAFs是TME內(nèi)的一種基質(zhì)細(xì)胞，它們可以來(lái)源于不同的細(xì)胞類型，包括常駐成纖維細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、周細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞、纖維細(xì)胞、星狀細(xì)胞和脂肪細(xì)胞。CAFs被多種信號(hào)分子激活，包括TGF-β、IL-1β、PDGF、ROS、SDF1、SHH、HDGF和FGF，這些信號(hào)分子可以由癌細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞分泌。CAF激活可在缺氧條件下介導(dǎo)癌癥進(jìn)展，HIF/TGF-β激活調(diào)節(jié)ECM重塑、免疫反應(yīng)、代謝重編程、血管生成和轉(zhuǎn)移。

CAFs可與多種TME細(xì)胞相互作用，并對(duì)腫瘤生物學(xué)產(chǎn)生重大影響，包括血管生成、侵襲、免疫逃避、轉(zhuǎn)移和耐藥性。缺氧可以改變CAFs的表型和功能，調(diào)節(jié)TME不同細(xì)胞之間的串?dāng)_。由于其在TME中的重要作用，促腫瘤CAF被認(rèn)為是癌癥的潛在治療靶點(diǎn)。

缺氧與免疫細(xì)胞調(diào)節(jié)

在TME中具有多種浸潤(rùn)的免疫細(xì)胞，包括CD8+T細(xì)胞、CD4+T細(xì)胞，Tregs、自然殺傷細(xì)胞（NK）、TAMs和樹突狀細(xì)胞（DC）。缺氧可以通過(guò)調(diào)節(jié)包括免疫細(xì)胞激活、浸潤(rùn)和功能在內(nèi)的關(guān)鍵過(guò)程來(lái)抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)。缺氧誘導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)可以通過(guò)直接和間接機(jī)制發(fā)生，包括細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子的變化、免疫檢查點(diǎn)分子的表達(dá)和代謝活性。

對(duì)T細(xì)胞的調(diào)節(jié)

T細(xì)胞（CD8+和CD4+）是適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)各種細(xì)胞毒性活性在消除腫瘤細(xì)胞中發(fā)揮關(guān)鍵作用。有證據(jù)表明，缺氧通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、趨化因子和腫瘤內(nèi)pH的變化來(lái)調(diào)節(jié)檢查點(diǎn)分子的表達(dá)和免疫細(xì)胞浸潤(rùn)，從而在誘導(dǎo)T細(xì)胞功能障礙中發(fā)揮重要作用。

VEGF是一種缺氧反應(yīng)性生長(zhǎng)因子，研究發(fā)現(xiàn)阻斷VEGF通過(guò)增加IFN-γ和TGF-β的產(chǎn)生來(lái)提高CD8+T細(xì)胞的細(xì)胞毒性潛力。然而，需要強(qiáng)調(diào)對(duì)抗VEGF療法的仔細(xì)考量，因?yàn)楸M管抑制VEGF改善了抗腫瘤免疫細(xì)胞表型，但這伴隨著缺氧的增加。使用聯(lián)合療法可能有助于消除負(fù)面副作用的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，與低缺氧區(qū)域相比，高缺氧區(qū)域的Treg浸潤(rùn)增加，顆粒酶B陽(yáng)性T細(xì)胞減少。體外分析表明，缺氧會(huì)增加CCL28的分泌，從而增加Treg的遷移。缺氧TME的酸性更強(qiáng)，葡萄糖缺乏，這些代謝變化為Tregs提供了生存優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其他免疫細(xì)胞，包括NK細(xì)胞、DC、CD8+和CD4+T細(xì)胞的細(xì)胞毒性和成熟受到抑制，導(dǎo)致免疫抑制增加。

對(duì)NK細(xì)胞的調(diào)節(jié)

NK細(xì)胞是先天免疫應(yīng)答的一部分，其可以在不需要抗原呈遞細(xì)胞引發(fā)的情況下誘導(dǎo)快速且強(qiáng)烈的抗腫瘤活性。然而，在缺氧條件下，NK細(xì)胞上PD-L1的表達(dá)增加，導(dǎo)致CD8+T細(xì)胞增殖減少。此外，缺氧通過(guò)減少NK細(xì)胞表面受體（即NKp46、NKp30、NKp44和NKG2D）的表達(dá)來(lái)減少NK細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞的活性。

盡管缺氧降低了與NK細(xì)胞活化相關(guān)的受體的表達(dá)，但Fc-γ受體CD16的表面密度和功能在缺氧下不受影響，這表明缺氧不會(huì)影響NK細(xì)胞的細(xì)胞毒性潛力。與T細(xì)胞中的觀察結(jié)果類似，缺氧在不同程度上影響NK細(xì)胞的活性，可能是腫瘤依賴性的、個(gè)體依賴性或依賴于缺氧的嚴(yán)重程度。

對(duì)髓源性抑制細(xì)胞的調(diào)節(jié)

MDSCs是來(lái)源于髓系譜系的免疫細(xì)胞，即使在生理?xiàng)l件下也具有強(qiáng)大的免疫抑制活性。缺氧增加腫瘤內(nèi)乳酸，促進(jìn)MDSCs的產(chǎn)生，從而降低T細(xì)胞和NK細(xì)胞的增殖以及T細(xì)胞的細(xì)胞毒性潛力。

對(duì)腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的調(diào)節(jié)

在腫瘤內(nèi)，TAMs在血管和無(wú)血管基質(zhì)區(qū)域都大量存在。TAMs可以M1或M2表型存在，其中M2 TAMs與促腫瘤潛能相關(guān)。缺氧調(diào)節(jié)TAM的募集、表型和功能以誘導(dǎo)免疫抑制性TME。

缺氧會(huì)抑制TAMs的遷移，導(dǎo)致TAMs在缺氧區(qū)域內(nèi)積聚。缺氧區(qū)域的乳酸增加誘導(dǎo)M2 TAM表型，缺氧腫瘤分泌的外泌體含有高水平的細(xì)胞因子和趨化因子，這些細(xì)胞因子和化學(xué)因子驅(qū)動(dòng)巨噬細(xì)胞募集和M2極化。TAMs向M2樣表型的極化誘導(dǎo)IL-10、TGF-β或VEGF的分泌，其抑制T細(xì)胞功能，誘導(dǎo)Tregs并促進(jìn)血管生成，促進(jìn)促腫瘤微環(huán)境。

對(duì)樹突狀細(xì)胞的調(diào)節(jié)

缺氧通過(guò)增加IL-10、iNOS和VEGF等因子的產(chǎn)生，降低DC攝取腫瘤抗原的能力，并下調(diào)DC分化和激活標(biāo)記物（包括CD40、CD80和MHCII）的表達(dá)。這影響DC處理和呈遞腫瘤抗原的能力，減少T細(xì)胞引發(fā)的免疫原性細(xì)胞死亡。此外，缺氧誘導(dǎo)DC增加骨橋蛋白的分泌，骨橋蛋白是一種與腫瘤細(xì)胞遷移增強(qiáng)相關(guān)的因素。

缺氧與治療耐藥性

ECM、CAFs和免疫細(xì)胞都受到缺氧的影響，對(duì)化療、放療和免疫療法的耐藥性有影響。缺氧可以激活包括PI3K/AKT、MAPK和NFκB在內(nèi)的生存途徑，從而誘導(dǎo)對(duì)細(xì)胞凋亡和DNA損傷的抵抗。缺氧也是導(dǎo)致放療反應(yīng)不佳的一個(gè)眾所周知的因素。此外，通過(guò)激活免疫檢查點(diǎn)的表達(dá)來(lái)抑制免疫應(yīng)答，它還改變TME內(nèi)免疫細(xì)胞的組成和功能。

對(duì)化療的耐藥性

對(duì)化療的耐藥性是由多種機(jī)制控制的，而缺氧往往會(huì)增強(qiáng)這些作用。實(shí)體瘤ECM的生物力學(xué)和生物物理特性通常會(huì)誘導(dǎo)對(duì)化療的耐藥性。P4HA1、P4HA2、PLOD1和PLOD-2對(duì)膠原的羥基化介導(dǎo)組織硬度，并受HIF-1的調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)移性CRC中，ECM硬度的增加受到高度活化的轉(zhuǎn)移相關(guān)成纖維細(xì)胞的調(diào)節(jié)，這降低了貝伐單抗的療效。

缺氧TME的另一個(gè)后果是酸化，這通過(guò)一種被稱為“離子捕獲”的機(jī)制對(duì)治療產(chǎn)生耐藥性。“離子捕獲”現(xiàn)象被描述為弱堿被隔離在酸性隔間中，弱酸被隔離在堿性隔間中。這對(duì)包括蒽環(huán)類和長(zhǎng)春花生物堿在內(nèi)的弱堿藥物有影響。此外，研究表明，長(zhǎng)期暴露于酸性條件會(huì)激活熱休克蛋白HSP-27，誘導(dǎo)順鉑耐藥性。

細(xì)胞周期在調(diào)節(jié)癌細(xì)胞增殖和凋亡中起著重要作用。缺氧TME誘導(dǎo)癌癥細(xì)胞中的細(xì)胞周期停滯或靜止。細(xì)胞在這些細(xì)胞周期階段被“卡住”，使其對(duì)針對(duì)快速分裂細(xì)胞的化療不太敏感。慢性低氧與癌細(xì)胞中靜止?fàn)顟B(tài)的誘導(dǎo)有關(guān)，其中細(xì)胞暫時(shí)可逆地停滯在G0期，這與更具侵襲性的腫瘤表型有關(guān)。

DNA修復(fù)途徑的失調(diào)與癌癥的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)。缺氧增加DDR蛋白，通過(guò)下調(diào)BRCA1、BRCA2和RAD51減少同源定向修復(fù)，減少錯(cuò)配修復(fù)蛋白MLH1、MSH2、MSH3，并下調(diào)堿基切除修復(fù)因子，包括APE1、OGG1和MYH。這些機(jī)制在化療治療的缺氧腫瘤中很活躍，往往容易產(chǎn)生耐藥性。

對(duì)放療的耐藥性

氧氣是影響實(shí)體瘤放療反應(yīng)的一個(gè)重要因素。研究表明，當(dāng)照射時(shí)氧分壓低于20mmHg時(shí)，細(xì)胞對(duì)輻射損傷具有抵抗力。當(dāng)腫瘤被輻射靶向時(shí)，它們吸收輻射并直接或間接產(chǎn)生高反應(yīng)性自由基。所產(chǎn)生的自由基是不穩(wěn)定的，并且與氧氣高度反應(yīng)，從而對(duì)目標(biāo)組織造成損傷。輻射通過(guò)產(chǎn)生ROS和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來(lái)誘導(dǎo)DNA損傷。因此，腫瘤中氧氣的存在通過(guò)增加ROS的產(chǎn)生和抑制DNA修復(fù)來(lái)增強(qiáng)輻射的效果。

了解缺氧TME對(duì)于優(yōu)化放療效果至關(guān)重要。缺氧改變了輻射的有效性，需要對(duì)缺氧腫瘤給予更高的劑量，但這可能導(dǎo)致副作用增加。包括改變分級(jí)、劑量遞增和高線性能量轉(zhuǎn)移（高LET）輻射在內(nèi)的方法有助于對(duì)抗缺氧的挑戰(zhàn)。

對(duì)免疫療法的耐藥性

HIF-1α在腫瘤和基質(zhì)細(xì)胞上上調(diào)PD-L1，PD-L1的過(guò)表達(dá)與缺氧性黑色素瘤、結(jié)直腸癌和神經(jīng)膠質(zhì)瘤對(duì)免疫療法的耐藥性有關(guān)。在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中抑制HIF-1α可降低PD-L1的表達(dá)并增強(qiáng)免疫療法的療效。

小結(jié)

缺氧是TME的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在調(diào)節(jié)癌癥的特征、介導(dǎo)化療、放療和免疫療法耐藥性方面發(fā)揮重要作用。復(fù)雜的缺氧TME為鑒定新的治療靶點(diǎn)提供了機(jī)會(huì)。因此，深入了解缺氧TME中不同細(xì)胞類型之間的復(fù)雜相互作用，以及缺氧調(diào)節(jié)的不同表達(dá)模式，有助于開發(fā)更有針對(duì)性的治療方法。

參考文獻(xiàn)：

1.Tumour response to hypoxia: understandingthe hypoxic tumour microenvironment to improve treatment outcome in solidtumours. Front Oncol. 2024; 14:1331355.

       原文標(biāo)題 : 了解缺氧腫瘤微環(huán)境