缺氧对肿瘤耐药的影响

       肿瘤对化疗药物的耐药是癌症治疗失败的一个主要难题。肿瘤多药耐药(multidrugresistance,MDR)是指肿瘤细胞在接触一种抗肿瘤药产生耐药性后,对未接触过的、结构不同和作用机制各异的其他抗肿瘤药物也具有交叉耐药性。MDR是一个有多种因素、多种机制共同参与的复杂现象。其中3个主要的机制是:①药物代谢动力学的改变;②肿瘤本身因素,如药物泵;③肿瘤外界环境影响,包括酸中毒、缺氧、组织间隙压增大和营养缺乏等。肿瘤生长快,供给不足,容易出现缺氧。缺氧时可抑制细胞的增殖,导致细胞周期停滞。而化疗药物多是对处于分裂期的肿瘤细胞起作用,因而导致肿瘤出现耐药。 
       1缺氧和MDR

       肿瘤细胞的耐药机制非常复杂,癌基因抑制、抑癌基因激活、细胞凋亡抑制及一些细胞因子等都有可能参与肿瘤耐药的形成,除ABC转运蛋白作为药物外排泵介导经典MDR外,另外还有相关酶类(拓扑异构酶、谷胱甘肽转移酶等)介导的MDR和通过调节细胞凋亡基因(p53、Bc2、Bax等)等介导的MDR。缺氧诱导因子是缺氧条件下存在于哺乳动物和人体内的一种异源二聚体,由HIF1α和HIF-1β两个亚单位组成。HIF1α容易受氧浓度的影响,高浓度氧时易被降解,缺氧时降解被抑制,而HIF-1β无此功能,因此HIFlα决定HIF1的活性。紫杉醇(PTX)是一种广谱抗肿瘤药物,Zeng等[31对2种人肺癌细胞系PC14PE6和NCI—H狃1进行研究,观察HIF1α对PTX化疗作用的影响。常氧状态下,P'I′X能有效地抑制Nα-H狃1细胞生长,但是对PC14PE6细胞却没有明显的作用,同时在常氧下发现,PC14PE6细胞系中HIF1α表达明显高于NCI壬1141细胞系;进一步研究,提高Nα-H狃1中HIF1α的表达,则下调了其对PTX的敏感性;另外采用siRNA技术阻断HIF1α的表达,能使PC14PE6对PTX的敏感性上升。同样有人发现HIF1α可增强结肠直肠癌细胞对奥沙利铂的抵抗性EJl。1.1缺氧与ABC膜糖蛋白介导的MDRMDR中以ATP结合盒蛋白超家族为代表,它的特点是具有泵功能的跨膜蛋白的过度表达,使进入肿瘤细胞内的药物被泵出胞外,从而减少细胞内的有效药物浓度,以达到肿瘤耐药的目的。 
       1.1.1 P糖蛋白(Pglycoproton,Rgp)介导的经典MDRPgp是典型的ABC转运蛋白超家族成员,它的编码基因是多药耐药基因MDR1。Rgp具有ATP依赖性的药物外排泵作用,可主动将细胞内的化疗药物排到胞外,使胞内化疗药物浓度降低,起到保护肿瘤细胞的作用。很早就有实验[5]证实MDR1基因是缺氧反应性基因,其基因上存在缺氧反应元件(hypoxiaresponseelements,HRE),而HIF1可准确地与HRE结合,调控Rgp的表达,这从基因结构水平提供了关于缺氧导致肿瘤耐药的确凿证据。Yasuda等[6]研究发现,硝酸甘油能增强肺腺癌对多西他赛、卡铂的敏感性,它可通过增加肿瘤的血液灌注而改善缺氧状况,直接导致HIF1α表达减少,同时Pgp表达也比对照组明显减少,表明HIF1α与Pgp密切相关。还有报道[⒎明称,在缺氧状态下,肿瘤细胞中热休克蛋白27和Pgp的表达增高,对肿瘤细胞表现明显耐药性。Song等[9]研究非小细胞肺癌耐药机制时,发现HIF1α可以诱导肿瘤细胞对顺铂和多柔比星产生抗药性,并且在抗药细胞中发现过度表达的Rgp,后应用RNA干扰技术,将HIF1αRNAi转染至肿瘤细胞中,结果发现2gp表达受到抑制,肿瘤细胞对顺铂和多柔比星的敏感性提高。同样的方法,Cosse等[1。J也采用RNA干扰方法使HIF1α基因沉默,可以显著降低MDR1的表达。更能说明缺氧导致肿瘤耐药的观点。针对HIF1α和Rgp这两种基因相互作用的研究中也有不同的观点,如Thews等[11]研究就提到缺氧仅对MDR1表达有微弱的调节作用,推测缺氧并不是Rgp的主要调节因素,可能受到其他的诱导因素的影响,所以缺氧导致Pgp无明显变化。 
       1.1.2多药耐药相关蛋白(multidrugresistanceassociatedpr°tcin,MRP)介导的MDRMRP是1992年被Cole等学者首先发现的,它也属于ABC转运蛋白超家族。结构上与Pgp有15%的同源性。MRP主要位于细胞膜上,但也有少量存在于细胞浆中。MRP主要功能可能有2种:①细胞膜上的MRP发挥药物外排泵的作用,增加肿瘤耐药性;②细胞浆内的MRP形成囊泡包裹药物,起到隔离作用,以防止药物损伤细胞核,杀死肿瘤细胞。有研究[1钊提到,缺氧条件下,HIF1α转染5氟尿嘧啶处理的HepG2细胞后,MDR1、MRP和肺耐药相关蛋白(LRP)表达上调,参与耐药形成。国外学者L13]研究果蝇属的dMRP4在缺氧情况下的表达,dMRP4与人类MRP4是同系物,实验中发现长期慢性缺氧(氧浓度4%)时,dMRP4过度表达可导致果蝇幼虫停止生长而死亡。近E1乏]在人肺腺癌细胞株A549中研究发现,细胞株在氧浓度2%情况下培养24h,它对阿霉素的敏感性降低,同时检测到HI,1α、Pgp及MRP在缺氧下比常氧下表达升高,HIF1α与Pgp、MRP呈明显相关性(P(0.05)。证明缺氧可以上调MRP的表达,增强肿瘤细胞对化疗药物的耐受。 
       1.1.3乳腺癌耐药蛋白(breastcancerresistancepr°teim,BCRP)介导的MDR1998年,在乳腺癌耐药细胞系研究得到一种新的肿瘤耐药相关蛋白,即BCRP,属于ABC转运蛋白家族中的半转运蛋白。它是相对比较晚发现的药泵蛋白。近来通过对BCRP的分布、结构、功能、基因表达及调节等相关方面的不断研究,发现它广泛分布在乳腺、胎盘、肝脏、胰腺及卵巢等组织中。曾有报道[15]称,缺氧可导致BCRP表达增强。后来VanderBorght等[16]通过研究肝胚细胞瘤细胞,发现BCRP确实在坏死缺氧的区域过度表达。与此同时Vannini等[17]研究乳腺癌耐药机制,发现缺氧诱导BCRP1的过度表达,继而造成肿瘤耐药。 
       1.2缺氧与LRP介导的MDRLRP是一种人体穹隆蛋白,早由Scheper在1993年从肺癌细胞中发现。它引起的MDR主要是通过对核靶点起到屏蔽的作用:①LRP引起细胞核核孔关闭,使以细胞核为靶点的药物不能进入细胞核;②即使药物进人核内也会被转运到胞质中,以胞吐的方式排到细胞外[1:]。zhu等[I叫研究发现,人类肝癌细胞中MDP1、MRP、LRP与细胞缺氧密切相关,实验中肝癌细胞株H∞G2分成2组,一组在氧浓度低的环境下培养,另一组转染HIF1α质粒。结果发现在缺氧情况下,3种耐药蛋白表达的强度随着缺氧程度不同而不同,呈正相关性;转染质粒组与缺氧组结果基本一样,三者仍呈过度表达。 
       1.3缺氧与酶介导的MDR谷胱甘肽转移酶(glutathiones_transferase,GsT)分为α、π和u三种亚型,它是一种与细胞解毒功能有关的酶,通过催化毒性物质与谷胱甘肽相结合或者由GST催化后再与之结合,将体内有毒物质排出胞外。拓扑异构酶Ⅱ(TopoⅡ)是细胞核内催化DNA双链拓扑异构体相互转换的基本核酶,可以改变DNA的拓扑形式,参与DNA复制、转录、重组和修复等重要活动。Topo有2种同工酶,TopoI使DNA单键断裂并瞬间连接,无需ATP供能,而TopoⅡ需要ATP供能。TopoⅡ可以参与特殊耐药基因的调控,合成出具有特殊排泵功能的膜蛋白,将药物泵出胞外,从而产生耐药。有报道[21]称,缺氧可以使肿瘤细胞内参与解毒和药物代谢的酶类表达增加,从而使进人细胞内的化疗药物迅速被代谢而丧失效应。Dcng等[22]在119例膀胱癌标本发现,HIF1α阳性率为57,9%,GSTpi阳性率为67.2%,二者对病理分级、临床分期和术后辅助化疗有指导性意义,并且指出HIF1α表达和GsTpi表达呈正比(P<0,01)。Tsuruo等通过研究发现缺氧影响TopoⅡ表达,通过使TopoⅡ表达下降,使肿瘤细胞对化疗产生耐药。后来实验证实[24],缺氧条件下,TopoⅡ与HIF1α在化疗药物米托蒽醌的干扰下,HIF1α与Top°Ⅱ变化呈一定规律性,这表现出在肿瘤细胞耐药上彼此之间的密切关系。
       1.4缺氧与凋亡调控基因介导的MDR多数化疗药物是通过诱导肿瘤细胞发生程序性死亡即凋亡来达到治疗目的。从这个意义上说,肿瘤细胞也可通过逃逸凋亡或拮抗凋亡获得生存,即产生多药耐药。目前研究比较多的是Bc2基因、Bax基因、p53基因及survivin等。HIF1α也与细胞周期有关,HIF1α能延缓细胞进人S期,阻止细胞周期中Gl/S期的转换,使细胞停滞在G。期,导致那些攻击分裂期的化疗药物难以杀死肿瘤细胞[25]。在对树突细胞研究[26]中发现,HIF1α可以上调Bc12表达,同时抑制Bax的表达。Rohwer等研究2种胃癌细胞株AGS和MKN28发现,当细胞株在低氧情况下培养,癌细胞对5氟尿嘧啶和顺铂敏感性比在应用“RNA沉默HIF-1α后敏感性低,同时缺氧还抑制由化疗药物激活的p53和p21的表达,起到抑制细胞凋亡的作用。体外研究[2:]发现HIF1αsiRNA转染依托泊甙处理的HepG2细胞,能上调Bak的表达,活化p53和caspase,增加缺氧下细胞凋亡,恢复药物敏感性。还有研究E29]报道肿瘤内缺氧引起癌细胞内pH降低,继而通过p38途径增强Rgp的表达,引起肿瘤耐药性。另外,肿瘤生长迅速,需要大量的能量和营养,供给者主要是体内的葡萄糖。但由于恶性肿瘤经常处于缺氧环境,导致不能有效地进行糖的有氧分解,所以只能通过糖酵解途径提供能量。曾有研究证实,已经对化疗药物产生耐药的肿瘤细胞可以通过抑制缺氧环境中的糖酵解途径,恢复它对药物的敏感性[30]。 
       2展望

       肿瘤细胞由于存在机制复杂的MDR,单独应用化疗药物难以达到满意效果。并且传统的抗癌方法存在着不良反应大、易产生抗性及易复发等缺点,因而攻克肿瘤要求采用新的治疗策略。根据以上可知,缺氧是引起恶性实体瘤产生MDR的原因之一,不仅可以直接诱导耐药蛋白的产生,还可以通过影响一些酶类、癌基因和抑癌基因等表达,以达到癌细胞耐药的目的。相信随着对缺氧研究的深人,针对实体肿瘤特殊的缺氧微环境,研究新的高效高选择性的治疗方案是明智的选择。