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这篇综述深入探讨了缺氧、癌细胞干性和耐药性之间的复杂关联。缺氧作为实体瘤的关键特征，与癌细胞干性密切相关，二者共同促进肿瘤的存活和进展。文中详细阐述了相关机制，并指出靶向与缺氧和干性相关的关键基因，有望开发对抗肿瘤耐药性的新疗法。
### 缺氧、癌细胞干性与耐药性研究综述
肿瘤疾病严重威胁人类健康，每年全球有超 2000 万人被诊断患有癌症，约 1000 万人因此死亡。当前癌症治疗面临诸多挑战，其中肿瘤对治疗药物产生耐药性是导致高死亡率的主要原因之一。耐药性的产生与肿瘤微环境（TME）以及肿瘤内的高度异质性有关。在众多 TME 因素中，缺氧是实体瘤的一个显著特征，而肿瘤干细胞（CSCs）的存在则与肿瘤的发展和耐药性密切相关。本文将深入探讨缺氧、癌细胞干性和耐药性之间的复杂关系。
缺氧微环境增强癌细胞干性
肿瘤在生长过程中，由于癌细胞的快速且无序增殖，对氧气和营养物质的需求急剧增加，导致肿瘤组织内氧气供应不足，从而形成缺氧微环境。在缺氧条件下，肿瘤会吸引周围的内源性基质细胞，这些基质细胞能促进细胞外基质修饰、血管生成、细胞运动、侵袭和耐药。同时，它们还可通过分泌多种趋化因子、细胞因子和生长因子，营造一个能逃避免疫监视的微环境。
CSCs 具有自我更新和多向分化的能力，在肿瘤的起始、转移和肿瘤内异质性方面发挥着关键作用。研究发现，缺氧可通过多种途径促进 CSCs 的干性。
缺氧诱导因子（HIFs）在调节细胞对缺氧的反应中起着核心作用。HIFs 由氧敏感的 α 亚基和稳定的 β 亚基组成，在正常氧条件下，HIF-α 会与冯?希佩尔 - 林道（VHL）蛋白相互作用，随后被泛素连接酶系统标记并经蛋白酶体降解。而在缺氧环境中，脯氨酰羟化酶（PHD）失活，抑制了 HIF-α 与 VHL 的结合，使得 HIF-α 得以稳定，并与 HIF-β 亚基结合形成异二聚体，进而调节基因表达。HIFs 家族中的 HIF - 1、HIF - 2 和 HIF - 3，通过调节靶基因参与多种生物学过程，这些过程与维持肿瘤干性密切相关。
在低氧环境下，癌细胞包括 CSCs 会从依赖氧气的线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）转变为不依赖氧气的糖酵解来维持 ATP 的产生。缺氧主要通过影响葡萄糖转运蛋白和糖酵解酶的表达，以及抑制三羧酸（TCA）循环途径来调节葡萄糖代谢。在缺氧条件下，葡萄糖转运蛋白（GLUT）家族成员如 GLUT1、GLUT3 和 GLUT5 的表达水平上升，有助于增加细胞内葡萄糖的运输，以满足癌细胞的能量需求。同时，HIF - 1 会直接与编码糖酵解酶的基因启动子区域中的缺氧反应元件（HREs）相互作用，提高关键糖酵解酶的表达。此外，NF - κB、FOXO4 和许多非编码 RNA 也参与了缺氧条件下葡萄糖代谢的调节。
上皮 - 间质转化（EMT）是上皮细胞向间质细胞的可逆转变过程，这一过程涉及细胞黏附分子和细胞骨架成分的表达改变。缺氧能够促进癌细胞的 EMT 进程，使癌细胞获得间质细胞和干细胞样的特性。HIF - 1 可通过多种方式触发 EMT，例如增加 EMT 相关转录因子的表达或减少抑制因子的表达，激活 EMT 相关信号通路以及调节 EMT 相关的炎性细胞因子。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）在适度缺氧时会增加 IL - 1β 的分泌，进而通过环氧化酶 - 2 上调 HIF - 1α 的合成，促进肝癌细胞的 EMT。
当实体瘤生长超过一定体积，扩散无法满足细胞对氧气和营养的需求时，就会形成缺氧的 TME。缺氧可刺激肿瘤内血管的重新形成，以确保肿瘤细胞获得足够的营养和氧气。HIFs 是血管生成的重要调节因子，与肿瘤干性的维持密切相关。HIF - 1 可诱导肿瘤细胞内一系列促血管生成因子的表达，这些因子与内皮细胞、周细胞和血管平滑肌细胞表面的受体相互作用，刺激血管生成。此外，缺氧还可通过调节 miR - 23a 等非编码 RNA，间接促进血管生成。血管生成产生的血管龛为 CSCs 提供了支持和维持干性的微环境。
自噬是癌细胞在肿瘤发展晚期应对营养缺乏或缺氧的一种应激反应机制。在缺氧环境中，多个自噬相关基因（ATGs）的表达增加，促进了自噬的诱导。例如，ULK 的甲基化会促进自噬起始复合物 ULK - 1 - ATG13 - FIP200 的组装，而 Beclin1 在调节细胞凋亡和自噬途径中起着关键作用。在缺氧条件下，肿瘤细胞的凋亡受到抑制，而自噬则被促进。线粒体自噬对维持人类干细胞的自我更新能力至关重要，抑制食管鳞状细胞癌细胞的线粒体自噬会导致 CSCs 标记物 CD44 的减少。此外，自噬还与血管生成有关，自噬诱导的 KDR/VEGFR - 2 激活可促进胶质瘤干细胞（GSCs）形成血管拟态。
缺氧还会促进与干性相关通路中的关键转录因子表达，如 NANOG、EGFL7、KLF5、SOX2 和 OCT4 等。这些转录因子在细胞增殖、代谢、EMT、血管生成、自噬和免疫逃逸等多个方面发挥作用。例如，NANOG、KLF5 和 SOX2 可促进细胞增殖，NANOG 通过调节细胞周期蛋白 D1 发挥作用，KLF5 受细胞周期蛋白 D1 和 B1 的影响，SOX2 则负责上调细胞周期蛋白 D3 的表达。在代谢方面，缺氧诱导的 NANOG/SOX9 通路可增强乳酸产生，KLF5 可促进磷脂酶 PLA2G16 的表达，从而促进胰腺癌的糖酵解。这些转录因子还可促进癌细胞的 EMT 过程，影响肿瘤的转移和侵袭。
癌细胞干性导致对多种癌症疗法的耐药性
癌症干细胞（CSCs）被认为是导致癌症多药耐药和复发的主要因素之一。CSCs 对传统化疗药物和靶向疗法均具有耐药性，这一特性严重影响了癌症患者的预后。
化疗药物通常通过直接或间接损伤癌细胞的 DNA 来发挥作用，放疗则利用电离辐射诱导 DNA 链断裂，尤其是双链断裂。然而，CSCs 对放疗具有显著的抗性。临床研究表明，小细胞肺癌患者在化疗后，CSC 标记物的表达会显著增加。CSCs 对辐射的抗性主要源于多种机制，包括活性氧（ROS）清除、DNA 修复和细胞周期停滞。
CSCs 通常处于静止或缓慢增殖的状态，这种状态使它们对针对快速分裂细胞的治疗方法不太敏感。虽然目前 CSCs 静止和耐药的确切机制尚不完全清楚，但已有证据表明其与 Notch 信号通路、SET 域包含蛋白 4（SETD4）和 c - Yes/YAP 轴有关。
CSCs 表现出较高水平的外排泵活性，这些外排泵能够将化疗药物排出细胞，降低细胞内药物浓度，从而降低化疗药物的疗效。ATP 结合盒（ABC）转运蛋白家族是一类重要的膜蛋白，其中多个成员如 P - 糖蛋白（由 ABCB1 编码）、多药耐药相关蛋白 1（MRP1，由 ABCC1 编码）和 ABCG2（由 ABCG2 编码）等，可作为药物转运蛋白，将化疗药物排出细胞。这些转运蛋白的表达水平与癌细胞的多种行为相关，包括致瘤性、增殖、耐药性和转移。
CSCs 具有有效的 DNA 修复机制，这使得它们能够从治疗引起的 DNA 损伤中恢复。多种 DNA 修复途径参与了 CSC 的耐药过程，包括碱基切除修复（BER）、核苷酸切除修复（NER）、复制后修复（PRR）、非同源末端连接（NHEJ）和同源重组（HR）。在这些修复途径中，HR 通路在 CSC 耐药中起着关键作用，其核心蛋白 Rad51 在临床样本和患者来源的 GSCs 中高度表达。
CSCs 能够增强抗凋亡通路的激活，减少因治疗应激诱导的程序性细胞死亡。CSCs 可通过多种机制逃避凋亡信号，如改变细胞周期调控、失衡促凋亡和抗凋亡蛋白的比例、下调死亡受体同时上调 c - FLIP、增强清除氧自由基的能力以及增加凋亡抑制蛋白家族（IAPs）的表达。此外，CSCs 还可延长细胞周期的 G2/M 期，这与 DNA 修复和对程序性细胞死亡的抗性相关。
研究发现，自噬水平的增加与肿瘤的存活和耐药性有关。自噬可以清除化疗和放疗导致的受损大分子或细胞器，保护癌细胞免受凋亡。在雌激素受体（ER）阳性的乳腺癌中，抑制自噬可增强耐药肿瘤对他莫昔芬诱导的细胞死亡的敏感性。在肺癌、前列腺癌等多种肿瘤中，抑制自噬也可克服肿瘤对相应治疗药物的耐药性。然而，自噬导致耐药的精确机制尚未完全明确。
随着免疫检查点抑制剂和细胞免疫疗法的发展，癌症治疗取得了一定进展。但研究表明，CSCs 具有免疫特权特性，能够逃避免疫系统的监视和攻击。CSCs 的免疫原性较低，且处于静止状态，使其能够在微环境中逃避免疫清除。例如，黑色素瘤细胞系的研究发现，免疫原性肿瘤相关抗原 MART - 1 仅存在于分化的黑色素瘤细胞中，而不存在于黑色素瘤 CSCs 中。
CSCs 可通过多种机制增强免疫逃逸能力。它们能够干扰抗原加工和呈递过程，减少主要组织相容性复合体 I 类（MHC - I）分子的表达，增加免疫检查点蛋白的表达等。此外，CSCs 还可招募和激活免疫抑制细胞，如 M2 巨噬细胞、髓源性抑制细胞（MDSCs）和调节性 T 细胞（Treg 细胞），营造免疫抑制微环境，促进肿瘤生长和免疫逃逸。
缺氧诱导肿瘤耐药
研究表明，缺氧会导致肿瘤对药物的耐药性增加，HIFs 的激活与肿瘤耐药和患者生存率降低有关。缺氧可通过直接和间接两种方式诱导肿瘤耐药。
缺氧可直接影响多种细胞过程，导致肿瘤耐药。它能够上调药物外排蛋白的表达，影响 ABCB1、ABCC1 和 ABCG2 等 ABC 转运蛋白家族成员的表达，促进药物外排。缺氧还会干扰细胞凋亡途径，破坏 Bcl - 2 蛋白家族的平衡，抑制促凋亡蛋白 BIM 和 Bax 的活性，同时上调抗凋亡蛋白 Bcl - 2、Bcl - xl 和 Mcl - 1 的表达，增加细胞的凋亡阈值，降低化疗和放疗的疗效。此外，缺氧可激活细胞内的 DNA 损伤修复机制，减少 DNA 损伤，使癌细胞对治疗产生抗性。同时，缺氧还能促进细胞内 ROS 的清除，进一步增强肿瘤的耐药性。
缺氧可通过调节 CSCs 的干性，间接诱导肿瘤耐药。在维持肿瘤干性的过程中，缺氧通过细胞代谢重编程、EMT 和自噬诱导等机制，赋予肿瘤细胞耐药性。例如，糖代谢途径中的多种化合物与缺氧、干细胞特性和耐药性密切相关。GLUT 家族成员、糖酵解酶以及参与调节糖代谢的酶等，都可通过多种机制诱导抗肿瘤耐药。缺氧还可通过 EMT 过程调节肿瘤耐药，EMT - TFs 在这一过程中发挥着重要作用，它们不仅可调节 ABC 转运蛋白的表达，还能增加细胞对药物诱导凋亡的抗性。自噬也参与了缺氧诱导的耐药过程，它能够增加肿瘤细胞的存活率，促进肿瘤的转移和复发。
缺氧会影响免疫治疗的疗效，导致肿瘤免疫逃逸和免疫耐药。在缺氧的 TME 中，肿瘤微环境中的免疫细胞比例发生改变，抗肿瘤免疫细胞减少，而免疫耐受或免疫抑制细胞增加。缺氧还会上调免疫检查点（ICPs）及其配体（ICPLs）的表达和功能，抑制免疫细胞的活性，限制免疫检查点抑制剂（ICPIs）的疗效。此外，缺氧还可通过调节 TME 的 pH 值、影响免疫细胞的功能和代谢等方式，促进肿瘤的免疫逃逸。
研究现状、挑战与展望
目前，虽然对缺氧、肿瘤干性和耐药性之间的关系有了一定的了解，但仍存在许多局限性。在 CSC 标记物的鉴定方面，现有的细胞表面标记和细胞内标记存在非特异性和低丰度的问题，这给 CSC 的精准检测和靶向治疗带来了困难。对于缺氧和 CSC 相互作用的机制研究还不够深入，许多关键问题尚未明确，例如 HIFs 的潜在调节因子、干性相关基因之间的复杂相互作用等。此外，肿瘤干性和缺氧相互强化，目前针对单一因素的治疗方法往往效果不佳，且缺乏敏感的检测方法来识别适合缺氧靶向治疗的患者群体。
鉴于缺氧对癌症发展的重要影响，提高 TME 中的氧含量成为一种潜在的治疗策略。然而，直接静脉输送氧气存在诸多问题，如全身暴露于 ROS 和氧气在血液中的溶解度有限。一种策略是使用血管扩张药物增加肿瘤的血流，但如何有效调节肿瘤组织的血液灌注仍是一个挑战。近年来，纳米技术和生物工程方法被用于将氧气靶向输送到特定的肿瘤部位，以提高化疗、放疗和免疫治疗的疗效，但这可能会对附近的健康细胞造成损害。另一种有效的方法是阻断 HIFs 及其相关基因的激活，一些抑制 HIF - 1α 和 HIF - 2α 的化合物已在临床前研究中显示出抑制肿瘤生长的潜力，目前相关临床试验正在进行中。
CSCs 的生物学特性复杂，其侵袭性受到多种信号通路的调控。因此，针对传统信号通路的治疗方法在 CSC 治疗中具有潜在的重要性。临床前研究已证实，靶向 CSCs 中的信号通路，如 WNT/β - catenin、Notch、hedgehog、PI3K/AKT 和 NF - κB 等，可有效抑制肿瘤的生长和转移。细胞表面标记和细胞内标记可作为识别 CSCs 的有效指标，也是消除 CSCs 恶性生物学行为的重要靶点。此外，调节与干性相关的基因、改变异常代谢过程和操纵非编码 RNA 等策略，也为消除 CSCs 提供了新的思路。
新兴技术如类器官、三维（3D）打印技术、人工智能驱动的药物发现、单细胞转录组学和 CRISPR/Cas9 基因编辑等，为研究缺氧和 CSCs 提供了新的手段。类器官和 3D 打印技术能够更准确地模拟体内环境，有助于深入了解缺氧对 CSCs 的影响，并为开发个性化治疗策略提供平台。人工智能驱动的药物发现可加速识别能够同时靶向缺氧诱导信号通路和 CSCs 的化合物。单细胞转录组学能够在单细胞水平详细分析基因表达，揭示缺氧应激下干性的新分子驱动因素，同时也有助于发现更多有效的 CSC 标记物。CRISPR/Cas9 基因编辑技术则可用于阐明缺氧与癌症干细胞之间关系的分子机制，为识别新的治疗靶点和潜在的耐药机制提供帮助。
综上所述，缺氧、癌细胞干性和耐药性之间存在着复杂的相互作用。缺氧微环境诱导的肿瘤干性增加了肿瘤治疗的难度，但也为靶向治疗提供了潜在的靶点。通过深入研究相关机制，利用新兴技术开发更有效的治疗策略，有望克服肿瘤耐药性，提高癌症患者的生存率和生活质量。
