前言

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

缺氧激活的主要轉錄因子之一是缺氧誘導因子（HIF），它調節(jié)參與腫瘤發(fā)生各個方面的基因的表達，包括增殖能力、血管生成、免疫逃避、代謝重編程、細胞外基質（ECM）重塑和細胞遷移，通過誘導治療耐藥性對患者的結果產生負面影響。進一步了解缺氧對TME和對治療耐藥性的影響，以及缺氧生物標志物作為治療反應的預后和預測指標的潛力，將為發(fā)現新的治療靶點提供機會。

缺氧誘導因子

HIF是一種對低氧水平有反應的轉錄因子，它調節(jié)基因表達以適應腫瘤細胞的生存行為。它的激活支持缺氧適應的基因，如與血管生成、紅細胞生成、葡萄糖攝取和厭氧代謝相關的基因，同時抑制非必需的生存基因。

細胞對缺氧的反應誘導由HIF調節(jié)的細胞內信號通路。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。這種復合物充當轉錄激活劑，與靶基因啟動子中稱為缺氧反應元件（HRE）的DNA序列結合。

HIF-2也是與氧敏感的HIF-2α亞基的異二聚體，同時與HIF-1α共享HIF-1β作為組成型表達的亞基。然而，HIF-1和HIF-2具有不同的作用。HIF-3是最不具特征的HIF，具有多種異構體，這些異構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構域，而是含有抑制HRE應答基因表達的多肽。

缺氧與腫瘤微環(huán)境

TME是腫瘤周圍形成的復雜環(huán)境，涉及多種細胞類型和分子的相互作用。在實體瘤中，TME由癌細胞、周圍血管、免疫細胞、癌癥相關成纖維細胞（CAFs）、信號分子和ECM組成。腫瘤細胞可以通過釋放促進血管生成的細胞外信號或誘導外周免疫耐受以逃避免疫檢測來改變微環(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、擴散或對治療產生耐藥性。

TME內的代謝轉換對于癌細胞的生長和代謝以及適應缺氧微環(huán)境至關重要。這種現象被稱為Warburg效應，其特征是細胞代謝有利于糖酵解，以滿足癌細胞的生存需求。Warburg效應涉及葡萄糖攝取速率的增加和乳酸的優(yōu)先產生。這導致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。這些產物降低了細胞外空間的pH值，并在細胞內和細胞外pH值之間產生梯度。這對癌癥的多個特征有影響，包括抑制免疫反應、增加腫瘤侵襲和轉移以及調節(jié)增殖。

缺氧還增強了葡萄糖轉運蛋白的上調，包括GLUT1和參與糖酵解途徑的酶（例如CA9）。酸化的另一個結果是基質金屬蛋白酶（MMPs）的活性增強，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移潛力增強。酸化還可以通過減少藥物攝入和激活DNA修復機制來增強對化療和放療的抵抗力。

缺氧與腫瘤細胞外基質

ECM是細胞外區(qū)域的復雜生物分子網絡，為周圍細胞提供結構和機械支持，它在癌癥發(fā)展中具有重要作用。ECM包括廣泛的分子，如結構蛋白（纖連蛋白、膠原）、信號分子（EGF、TGF-β）和酶（MMPs、LOX、P4HA）。ECM的主要蛋白質成分是纖連蛋白（FN）、膠原（COL）、彈性蛋白和層粘連蛋白。

腫瘤相關成纖維細胞是ECM的主要生產者。在癌癥發(fā)展過程中，正常ECM表型向癌性ECM表型轉變。在這個過程中，ECM經歷了生長因子和酶水平的重塑，由于這種重塑，腫瘤中會出現更多的纖維化和硬化ECM。ECM向癌癥表型的轉化是腫瘤發(fā)展的關鍵過程，其促進細胞生長和存活、轉移和癌癥相關細胞的募集，并調節(jié)免疫反應。

缺氧增強了ECM的重塑，成為腫瘤結締組織形成的驅動因素，這是一個復雜的過程，包括ECM的降解、組成和結構變化，產生纖維化和更硬的ECM�；�底ECM膜的降解在缺氧中增強，它的降解是腫瘤進展的關鍵，促進局部組織侵襲和腫瘤轉移。此外，缺氧增加MMPs分泌，通過HIF信號傳導誘導基底ECM膜降解。

缺氧條件下ECM組成和結構的變化是由COL、FN和透明質酸（HA）的沉積和交聯增加驅動的。ECM纖維的數量和交聯增加ECM硬度并誘導纖維化。從機制上講，纖維化通過增強整合素機械力感應促進癌癥的發(fā)展和擴散，該途徑激活EMT轉變，導致高ECM硬度、纖維化和轉移增加。ECM蛋白（如COL、FN、HA）的沉積增強不足以誘導纖維化，ECM交聯酶如LOX是使ECM變硬所必需的。

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

缺氧與CAFs

CAFs是TME內的一種基質細胞，它們可以來源于不同的細胞類型，包括常駐成纖維細胞、間充質干細胞、周細胞、平滑肌細胞、內皮細胞、上皮細胞、纖維細胞、星狀細胞和脂肪細胞。CAFs被多種信號分子激活，包括TGF-β、IL-1β、PDGF、ROS、SDF1、SHH、HDGF和FGF，這些信號分子可以由癌細胞和基質細胞分泌。CAF激活可在缺氧條件下介導癌癥進展，HIF/TGF-β激活調節(jié)ECM重塑、免疫反應、代謝重編程、血管生成和轉移。

CAFs可與多種TME細胞相互作用，并對腫瘤生物學產生重大影響，包括血管生成、侵襲、免疫逃避、轉移和耐藥性。缺氧可以改變CAFs的表型和功能，調節(jié)TME不同細胞之間的串擾。由于其在TME中的重要作用，促腫瘤CAF被認為是癌癥的潛在治療靶點。

缺氧與免疫細胞調節(jié)

在TME中具有多種浸潤的免疫細胞，包括CD8+T細胞、CD4+T細胞，Tregs、自然殺傷細胞（NK）、TAMs和樹突狀細胞（DC）。缺氧可以通過調節(jié)包括免疫細胞激活、浸潤和功能在內的關鍵過程來抑制抗腫瘤免疫反應。缺氧誘導的免疫調節(jié)可以通過直接和間接機制發(fā)生，包括細胞因子和生長因子的變化、免疫檢查點分子的表達和代謝活性。

對T細胞的調節(jié)

T細胞（CD8+和CD4+）是適應性免疫系統(tǒng)的重要組成部分，通過各種細胞毒性活性在消除腫瘤細胞中發(fā)揮關鍵作用。有證據表明，缺氧通過調節(jié)生長因子、細胞因子、趨化因子和腫瘤內pH的變化來調節(jié)檢查點分子的表達和免疫細胞浸潤，從而在誘導T細胞功能障礙中發(fā)揮重要作用。

VEGF是一種缺氧反應性生長因子，研究發(fā)現阻斷VEGF通過增加IFN-γ和TGF-β的產生來提高CD8+T細胞的細胞毒性潛力。然而，需要強調對抗VEGF療法的仔細考量，因為盡管抑制VEGF改善了抗腫瘤免疫細胞表型，但這伴隨著缺氧的增加。使用聯合療法可能有助于消除負面副作用的風險。

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

對NK細胞的調節(jié)

NK細胞是先天免疫應答的一部分，其可以在不需要抗原呈遞細胞引發(fā)的情況下誘導快速且強烈的抗腫瘤活性。然而，在缺氧條件下，NK細胞上PD-L1的表達增加，導致CD8+T細胞增殖減少。此外，缺氧通過減少NK細胞表面受體（即NKp46、NKp30、NKp44和NKG2D）的表達來減少NK細胞對腫瘤細胞的活性。

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

對髓源性抑制細胞的調節(jié)

MDSCs是來源于髓系譜系的免疫細胞，即使在生理條件下也具有強大的免疫抑制活性。缺氧增加腫瘤內乳酸，促進MDSCs的產生，從而降低T細胞和NK細胞的增殖以及T細胞的細胞毒性潛力。

對腫瘤相關巨噬細胞的調節(jié)

在腫瘤內，TAMs在血管和無血管基質區(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。缺氧調節(jié)TAM的募集、表型和功能以誘導免疫抑制性TME。

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

對樹突狀細胞的調節(jié)

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

缺氧與治療耐藥性

ECM、CAFs和免疫細胞都受到缺氧的影響，對化療、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在內的生存途徑，從而誘導對細胞凋亡和DNA損傷的抵抗。缺氧也是導致放療反應不佳的一個眾所周知的因素。此外，通過激活免疫檢查點的表達來抑制免疫應答，它還改變TME內免疫細胞的組成和功能。

對化療的耐藥性

對化療的耐藥性是由多種機制控制的，而缺氧往往會增強這些作用。實體瘤ECM的生物力學和生物物理特性通常會誘導對化療的耐藥性。P4HA1、P4HA2、PLOD1和PLOD-2對膠原的羥基化介導組織硬度，并受HIF-1的調節(jié)。在轉移性CRC中，ECM硬度的增加受到高度活化的轉移相關成纖維細胞的調節(jié)，這降低了貝伐單抗的療效。

缺氧TME的另一個后果是酸化，這通過一種被稱為“離子捕獲”的機制對治療產生耐藥性。“離子捕獲”現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。這對包括蒽環(huán)類和長春花生物堿在內的弱堿藥物有影響。此外，研究表明，長期暴露于酸性條件會激活熱休克蛋白HSP-27，誘導順鉑耐藥性。

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

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

對放療的耐藥性

氧氣是影響實體瘤放療反應的一個重要因素。研究表明，當照射時氧分壓低于20mmHg時，細胞對輻射損傷具有抵抗力。當腫瘤被輻射靶向時，它們吸收輻射并直接或間接產生高反應性自由基。所產生的自由基是不穩(wěn)定的，并且與氧氣高度反應，從而對目標組織造成損傷。輻射通過產生ROS和誘導細胞凋亡來誘導DNA損傷。因此，腫瘤中氧氣的存在通過增加ROS的產生和抑制DNA修復來增強輻射的效果。

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

對免疫療法的耐藥性

HIF-1α在腫瘤和基質細胞上上調PD-L1，PD-L1的過表達與缺氧性黑色素瘤、結直腸癌和神經膠質瘤對免疫療法的耐藥性有關。在神經膠質瘤中抑制HIF-1α可降低PD-L1的表達并增強免疫療法的療效。

小結

缺氧是TME的關鍵調節(jié)因子，在調節(jié)癌癥的特征、介導化療、放療和免疫療法耐藥性方面發(fā)揮重要作用。復雜的缺氧TME為鑒定新的治療靶點提供了機會。因此，深入了解缺氧TME中不同細胞類型之間的復雜相互作用，以及缺氧調節(jié)的不同表達模式，有助于開發(fā)更有針對性的治療方法。

參考文獻：

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

       原文標題 : 了解缺氧腫瘤微環(huán)境