HIF-1和VEGF在肿瘤血管形成中的研究进展

　　作者：王殿栋 何涛 作者单位：包头医学院第一附属医院普外科，内蒙古包头 014010

　　【关键词】 HIF-1　VEGF　肿瘤血管　形成

　　肿瘤是一种细胞异常分化、增殖的疾病，其侵袭性的生长方式及转移要依赖于新生血管网的产生。事实上，早在1971年，Folkman就已经提出了肿瘤的生长依赖于新生血管的概念。后经试验证实，当肿瘤的体积小于2～3mm3时，肿瘤生长所需的营养物质均来源于其邻近的血供系统。而当瘤体大于2～3 mm3时，其邻近的血供系统就无法满足肿瘤生长所需的营养，此时，肿瘤细胞诱导其特异性血管网的形成机制便开始发挥作用。VEGF是目前发现肿瘤诱导产生血管网的最重要的细胞因子。最近发现，HIF-1在基因水平上直接调控VEGF的表达，是恶性肿瘤诱导血管形成的重要调控因子[1-2]。所以，研究HIF-1、VEGF与肿瘤的关系，对于进一步阐明肿瘤的生物学行为以及治疗将会有积极意义。

　　1 HIF-1概述

　　1.1 HIF-1的结构特点

　　HIF-1是最早被发现能与EPO基因增强子DNA特异结合的蛋白质。生化研究表明，它是由α、β两个亚基构成的异二聚体，两个亚基均有螺旋-环-螺旋的区域和PAS的区域。其中，HIF-1α是唯一的氧调节亚单位，它决定HIF-1的活性，氧对HIF-1活性调节主要通过HIF-1α亚基。但只有α亚基和β亚基聚合，HIF-1才有DNA结合活性[3]。

　　1.2 HIF-1的靶基因

　　HIF-1是机体细胞在缺氧环境下能够产生特异性应答的一个中介物质。在缺氧情况下，HIF-1可使其靶基因表达增强，从而发挥代偿作用。而这些能被HIF-1作用的靶基因上的特异区域被称为HRE(缺氧反应元件)。HRE有共同的特点，即启动子和增强子只含有HIF-1的结合位点。常含有HRE的因子有：(1)促红细胞生成素编码基因EPO，当机体缺氧时，会通过HIF-1的作用产生大量EPO，从而发挥一定的生物学效应;(2)血管内皮生成因子编码基因VEGF，是血管生成的主要调节者，能促进内皮细胞生长，并具有血管通透性作用[4]。另外，根据有关资料记载含有HRE的靶基因还有：ET-Ⅰ(内皮素-1)，IGF-Ⅱ(胰岛素样生长因子)等等[5]。

　　1.3 HIF-1与缺氧

　　有氧代谢是机体内大多数细胞的重要代谢途径，充足的氧供量是机体各细胞器官组织发挥其正常功能的必要条件。但当机体缺氧时，对于机体整体而言，循环血液中红细胞数量增加是代偿缺氧的最明显变化;而对于某一局部而言，缺氧会导致其周围的大量血管形成，从而能够运输更多的血液。这两种情况下，EPO与VEGF的表达量增加发挥了重要的作用。但是，EPO与VEGF的大量表达要依赖于HIF-1的直接调控。

　　HIF-1主要来源于能分泌EPO的肝细胞和肾脏细胞，但许多其他细胞也可以表达HIF-1。HIF-1在正常氧供时分泌极微，但当机体或局部出现缺氧时，HIF-1则会大量分泌。据有关资料报道：HIF-1的表达有赖于氧分压的变化。在氧分压为0.5%～2%时，HIF-1蛋白质水平明显升高，并且在0.5%时，HIF-1表达量达到了顶峰[6]。最近在对动物(小鼠)的低氧实验亦表明：动物体内HIF-1的表达量在一定程度上与氧浓度降低量以及降低的时间均呈现正相关系[7]。

　　关于缺氧时HIF-1大量生成的机制，目前认为：缺氧时HIF-1主要在蛋白质的水平上升高而在转录水平上无明显的变化[8]。HIF-1的mRNA生成速度和蛋白质的合成速度在正常氧分压和缺氧条件下是保持不变的。而HIF-1表达量增加的主要的原因是：在正常的氧分压下，HIF-1的蛋白质可以很快被蛋白酶降解破坏进而不起作用;而在缺氧条件下，HIF-1蛋白质不易被破坏，从而导致其浓度相对增高。

　　2 VEGF概述

　　2.1 VEGF的结构特点

　　1983年，Senfer等在肿瘤细胞培养上清液中发现了一种可使血管通透性增加的因子，取名为血管通透因子VPF。1989年，Go Spodarwia等在垂体滤泡细胞培养上清液中分离出一种与VPF同样的因子，并且能促进血管内皮细胞有丝分裂，故取名为VEGF。在人类，VEGF基因由8个外显子和7个内含子组成，全长14kb，定位于染色体6q12上。到目前为止，已发现五种VEGF氨基酸残基，即VEGF121、VEGF145、VEGF165、VEGF189、VEGF206，均由mRNA的不同剪接方式形成。

　　VEGF促进血管内皮细胞增殖，促进血管通透性增加，维持血管完整性等生物学效应均是通过与其受体结合来完成。VEGFR有VEGFR-1(FLT)、VEGFR-2(KDR)，其中FLT广泛存在于血管内皮细胞。VEGF与VEGFR结合后可通过激活酪氨酸蛋白激酶的活性来完成其生物学效应。

　　2.2 VEGF的调控及其意义

　　在生理情况下，健康人的组织细胞中均可监测出VEGF以及VEGF mRNA的表达。但除胚胎发育、外伤愈合、月经期间之外，其表达甚微，并且仅能维持正常血管密度和整体渗透功能[9]。现有大量实验研究证明：在许多肿瘤组织中VEGF呈高表达，并且其水平的高低与肿瘤的某些生物学行为有密切关系[10]。

　　在肿瘤中的VEGF高表达受到了多方面因素的调控：(1)缺氧是其表达量增加的最重要机制[11]，在缺氧时，HIF-1能够启动VEGF的转录，并且缺氧时VEGF的稳定性可以增加。(2)一些原癌基因RAS、SRC、HER2等的激活或一些抑癌基因如P53、P16、VHL等的失控，均可上调VEGF的表达水平[12]。

　　3 HIF-1、VEGF与肿瘤血管形成

　　VEGF广泛的表达于成纤维细胞、平滑肌细胞、内皮细胞及肿瘤细胞等多种细胞。但VEGF的受体则仅存在于血管内皮细胞上，因此可以说VEGF是一种特异性作用于血管内皮细胞的因子。已有大量研究证实了VEGF是刺激恶性肿瘤血管形成的重要生长因子[13]。也有资料报道VEGF与一些恶性肿瘤的血行转移有密切关系[14]。临床病理分析，淋巴管转移是大多数实体性肿瘤播散的早期事件。淋巴转移与淋巴管网的形成也有关系，有研究表明，VEGF可诱导肿瘤淋巴管形成，是淋巴道转移的一重要原因[15-16]。甚至已有诸多研究报道：VEGF可作为一些恶性肿瘤如胃癌、卵巢癌、结肠癌、前列腺癌等的淋巴转移标志物，可用于辅助诊断[17-18]。总而言之，VEGF可谓是恶性肿瘤血管形成的重要因子，甚至也是肿瘤发生血管转移、淋巴道转移的重要转移因子。

　　现已清楚，肿瘤组织缺氧状态是VEGF增多以致血管形成的最初启动因素。然而，从缺氧到VEGF表达量增多的过程中HIF-1起到了桥梁作用。随着肿瘤不断增生、体积增大，仅靠周围的血供已不能满足其所需，此时，肿瘤便进入了缺氧状态，从而使HIF-1在缺氧状态保持不被蛋白酶所降解，以致大量HIF-1积聚。增多的HIF-1就会与其下游携带有HRE特异区域的靶基因结合使其表达增强，其中VEGF就是其靶基因中最重要的一种因子。另一方面，有资料报道，HIF-1还可增加缺氧情况下的VEGF的稳定性[19]。Zhong等[20]的进一步实验显示，采用HIF-α高表达的载体转染结肠癌细胞后，细胞中的VEGF mRNA表达增加。

　　4 以HIF-1、 VEGF为靶向的肿瘤治疗现状以及存在的问题和展望

　　恶性肿瘤的生长转移均依赖于肿瘤血管的形成。以肿瘤血管为靶点，抑制其生成或破坏其存在，从而阻断了肿瘤的生长或转移的营养通道已成为了探索肿瘤治疗的又一亮点。现针对VEGF、HIF-1两种因子的治疗手段成为了抗肿瘤的一大热点。(1)针对VEGF治疗的报道有：Hotz等[21]通过合成VEGF的反义核酸，注入了患有胰腺癌的裸鼠体内后肿瘤明显缩小。Yoshimura等[22]构建并表达了可溶性的血管生长因子受体(VEGFR)的腺病毒载体，将其注入了患肾癌的荷瘤小鼠肌肉里可显著抑制肾癌的肺转移。另外，最近大量应用VEGF的抑制剂以及相关抗体的治疗方案亦有很大突破[23]。(2)针对HIF-1治疗：鉴于HIF-1在肿瘤发生、发展以及转移中的重要作用，以HIF-1为靶点治疗肿瘤的方法具有十分诱人的前景。尽管目前关于HIF-1与肿瘤关系的研究还处于基础实验阶段，但也有不少资料报道了针对HIF-1为靶向的各种抗肿瘤的方法，并且结果令人满意。国内董典宁等[24]采用反义HIF-1基因实验性治疗人肝癌裸鼠移植瘤，可明显抑制肿瘤扩大;Takahashi等[25]对已转染黑色素瘤的小鼠体内注入pshHIF-1(short hairpin RNA-expressing plasmid DNA),可有效地控制肿瘤的发生;Chen等[26]建立了人肺癌细胞A549裸鼠的模型,发现组蛋白去乙酰抑制剂曲古霉素A(TSA)可明显下调HIF-1和VEGF的表达,达到抑制肿瘤血管生成的目的;之后,Yang等[27]同样报道了TSA可对人类的骨肉瘤的治疗起到很大作用。

　　随着对肿瘤血管形成机制的不断研究，抑制肿瘤血管形成将成为肿瘤治疗的又一大新的亮点，也给肿瘤治疗的突破带来了新的希望。但是目前抗肿瘤血管治疗也存在有很大的缺陷：(1)肿瘤在小于2～3mm3时，其对血管的新生依赖不强，因此，用抗血管方法来治疗肿瘤的效果就会受限。(2)肿瘤血管的新生可能受到多方面的调控，而我们现在针对单一的因子来治疗可能不会特别理想。(3)尽管各种蛋白质分子的免疫治疗在动物实验已有明显效果，但在人体中是否会出现变态反应是一个不可忽视的问题。(4)抗血管治疗药物仅能抑制血管的新成，而对癌细胞无直接杀伤作用，这与传统的化疗手段不同，故在临床上的广泛应用可能会受限。但我们相信随着抑制肿瘤血管的基础研究、临床实验技术和其他相关技术的不断发展，抑制肿瘤血管药物的开发和临床应用会达到更成熟的阶段。

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