第四节　低氧和肿瘤细胞的干性

由于肿瘤的快速增长，大多数肿瘤会伴有非正常的血液供应，导致肿瘤内部缺氧。越来越多证据证明缺氧使细胞耐药性提高、抗凋亡克隆筛选能力提高、肿瘤浸润/转移易化和基因不稳定性增强。临床研究表明，缺氧肿瘤对传统化疗抵抗性增强，因此可以将缺氧作为预测癌症进展和不良预后的独立因素。文献记载表明，缺氧和氧化DNA损伤减少有利于维持胚胎干细胞、造血干细胞、神经干细胞的未分化状态，进而影响这些细胞的扩增和存活。

在对哺乳动物细胞的观察中发现，缺氧诱导产生缺氧诱导性因子（HIFs）。异源二聚体分子HIFs由α亚基和β亚基构成，α亚基受氧分压调节，而β亚基则不易受氧分压调节。α亚基的主要亚基是HIF-1α和HIF-2α，两者具有高度序列一致性。它们作为转录激活因子启动下游靶基因的转录，从而调控细胞和系统的内环境稳态。这些下游靶基因涉及参与肿瘤的血管形成、糖代谢、细胞存活、红细胞生成、治疗耐受和干细胞维持等。HIF-1α和HIF-2α存在有共同的靶基因，比如血管内皮生长因子（VEGF）、葡萄糖载体蛋白1（GLUT1）和肾上腺髓质素1（ADM-1）等。研究表明，HIF-1至少单独调控Notch、Wnt、c-myc和p53等相关基因，而HIF-2α可以特异性结合Oct3/4、c-myc、KIF4和Sox2并诱导其表达。常氧条件下培养的肿瘤组织和细胞中也鉴定出HIF-1α和HIF-2α的表达。另外，这两个亚基在肺癌、胃癌、大肠癌、乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌的肿瘤细胞中表达增加。

与上述报道一致，相比常氧状态下的细胞培养，前列腺癌细胞系PC-3和DU145在7%氧分压条件下高表达Oct3/4和Nanog，并且在1%氧分压条件下表达更高。缺氧处理条件下，Oct3/4和Nanog的表达上调与HIF-1α和HIF-2α表达增加相一致。此外，研究发现缺氧条件下细胞中诱导性生成的Nanog主要来源于逆基因NanogP8。缺氧条件下，G₀/G₁期延长，侧群细胞（side population，SP）增多，CD44和ABCG2表达上调。缺氧诱导性ABCG2⁺细胞常合并CD44⁺，而且CD44⁺细胞高度表达Oct3/4和Nanog。与CD44^-细胞相比，CD44⁺细胞有较强的克隆形成能力和球形生长能力。另外发现，在缺氧条件下ES-2和OVCAR-3卵巢癌细胞系生长相对缓慢且伴随G₀/G₁期延长。与始终在常氧条件下培养的细胞相比，将细胞在1%氧分压条件下预处理48小时后再放回常氧中，细胞表现出较强的扩增和浸润能力，并且有更强的克隆和球形生长能力。细胞的缺氧处理使侧群细胞增多，Oct3/4、Sox2和CD44的表达上调。

上述这些实验表明，体内肿瘤干细胞的维持和扩增很可能是这些转录因子以及干细胞因子在一定的高水平上稳定表达的结果。不同的肿瘤细胞在缺氧情况下可以引起不同的反映，而那些具有较强的缺氧保护机制的肿瘤细胞也保持了较强的耐药能力，使其不受传统治疗的影响。我们在人食管鳞癌细胞对缺氧反映的研究中发现，来源于低分化肿瘤的KYS70细胞系表达Notch1，而来源于高分化肿瘤的KYSE450细胞系则不表达Notch1。而且1%的低氧培养可以诱导KYSE70细胞系更高水平的Notch1表达，但是Notch1在KYSE450细胞系中则不受低氧诱导。进一步的实验发现，KYSE450细胞较KYSE70细胞对5-氟尿嘧啶的化疗敏感性高得多，提示KYSE70细胞的干性程度比较高，相对更接近肿瘤干细胞。的确，应用侧群细胞检测常常在KYSE70细胞系中看到1%左右的侧群细胞，而在KYSE450细胞系中却从来没有检测到这样的细胞。因此进一步研究靶向消灭缺氧条件下存活的肿瘤细胞会有一定的临床指导意义。