COVID-19通过缺氧与炎症驱动的VEGF依赖性血管新生触发肺部肿瘤生长

《Signal Transduction and Targeted Therapy》：COVID-19 triggers pulmonary tumor outgrowth through hypoxia- and inflammation-induced VEGF-dependent angiogenesis

　　

摘要专业翻译 肺结节在成年人群中高度普遍，其中相当一部分代表处于休眠状态的癌性病变。研究人员假设这些肺部休眠肿瘤由于缺乏血管生成开关而生长受限。本研究全面探讨了特定病理触发因素可利用严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）感染诱导的缺氧作为主要生理刺激来激活这一血管生成开关的假说。研究结果提供了令人信服的实验证据，表明SARS-CoV-2感染在动物模型中诱导了严重的肺部缺氧和剧烈的组织炎症。这种微环境紊乱显著上调了肺组织中血管内皮生长因子（VEGF）和血管内皮生长因子受体2（VEGFR2）的表达。由此导致的VEGF-VEGFR2下游信号通路的过度激活有效驱动了强大的肺部新生血管形成，这一现象在COVID-19患者的临床观察中常有记载。此外，利用已建立的实验性肿瘤模型，研究人员证明了SARS-CoV-2感染通过此特定的VEGF血管生成依赖性级联反应直接加速了肿瘤的生长。至关重要的是，靶向施用中和抗体阻断VEGF可显著抑制SARS-CoV-2感染的荷瘤小鼠中的肿瘤进展和生长。研究数据表明，COVID-19诱导的缺氧-VEGF-血管生成轴是启动肺组织中肿瘤生长的机制之一。

论文解读文章

研究背景与科学问题

临床肿瘤休眠是指原发或转移部位的肿瘤生长停滞，休眠肿瘤可能在数月、数年甚至数十年内保持微小尺寸而不增长。维持肿瘤休眠的机制包括免疫监视逃逸、肿瘤血管生成能力丧失、缺乏合适的细胞外基质支持、不利的肿瘤微环境（TME）、癌细胞代谢重编程以及细胞周期阻滞等。其中，缺乏血管生成表型被认为是导致肿瘤在微小尺寸下维持无血管休眠状态的关键原因。然而，休眠肿瘤中的恶性细胞实际上处于细胞增殖与死亡之间的动态平衡，一旦解除对血管生成的抑制，即可触发休眠肿瘤的快速生长。血管内皮生长因子（VEGF）是最广泛研究的促血管生成因子，其表达受遗传、表观遗传及微环境因素（如缺氧、炎症）调控。SARS-CoV-2病毒感染主要感染肺部和气道上皮细胞，重症病例会因广泛炎症、血管新生、血浆外渗和纤维化导致呼吸困难，进而引发局部乃至全身性的缺氧。缺氧可通过缺氧诱导因子-1（HIF-1）转录激活VEGF的表达。已有大型临床队列研究表明COVID-19与肺结节和肺癌的高发病率呈正相关，但其分子机制尚不清楚。因此，研究人员提出假说：COVID-19增强的VEGF表达通过开启血管生成开关来启动肿瘤生长，从而促进肺部肿瘤的生长。

研究方法概述

研究人员采用临床相关的COVID-19小鼠模型，使用SARS-CoV-2原始毒株经鼻内途径感染免疫活性杂合K18-hACE C57BL/6J小鼠。通过组织学染色（H&E）、免疫荧光染色（检测CD31、Ki67、HIF1α、CA9、F4/80、Desmin等标志物）、定量PCR（qPCR）和酶联免疫吸附试验（ELISA）评估肺部血管新生、缺氧、炎症和VEGF表达水平。建立了Lewis肺癌（LLC）细胞静脉注射的肺部肿瘤模型，并结合SARS-CoV-2感染。通过基因工程构建高表达VEGF的LLC细胞株（VEGF^high-LLC）。使用人源化兔抗VEGF中和抗体（Suvemcitug）进行药物干预。同时，收集了15例非COVID-19和21例死于重症COVID-19患者的尸检肺组织样本进行验证。

研究结果

1. COVID-19肺组织中的新生血管形成、VEGF升高和炎症

SARS-CoV-2感染的小鼠肺组织表现出颜色加深、重量增加、肺泡直径减小、血浆渗出增多。CD31⁺微血管密度增加超过9倍，血管灌注和通透性均增强。F4/80⁺巨噬细胞和desmin⁺纤维化成分也显著增加，而CD3⁺T细胞总数减少，再现了COVID-19相关的淋巴细胞减少症。CA9和HIF-1α的表达显著升高，证实了严重缺氧的存在。VEGF mRNA水平升高约180倍，VEGFR2 mRNA水平升高约50倍，循环VEGF蛋白水平升高超过3倍。

2. SARS-CoV-2感染刺激肺部肿瘤生长

在非感染对照组中，仅有28%的小鼠在注射LLC细胞后形成肺部肿瘤，而COVID-19组100%的小鼠出现可见肿瘤。感染组的肿瘤病灶数量和平均肿瘤尺寸均显著增加。SARS-CoV-2感染组肺组织和肿瘤组织中的CD31⁺微血管密度均显著升高。Ki67⁺/CD31⁺双阳性增殖内皮细胞仅在感染组中被观察到。肿瘤细胞的增殖（Ki67⁺/EpCAM⁺）也在感染组中增强。肿瘤组织同样表现出增强的缺氧（CA9、HIF1α）和免疫抑制特征（CD3⁺、CD4⁺、CD8⁺T细胞减少）。

3. VEGF依赖性肿瘤生长

注射1×10⁴个低表达VEGF的LLC细胞（VEGF^low-LLC）时，仅25%的小鼠形成肿瘤；而注射相同数量的高表达VEGF的LLC细胞（VEGF^high-LLC）时，100%的小鼠形成肿瘤。VEGF^high-LLC肿瘤的生长速度更快，肿瘤体积、重量和表面结节数量均显著高于对照组。VEGF^high-LLC肿瘤中的CD31⁺微血管密度也更高。

4. 阻断VEGF抑制肿瘤生长

使用抗VEGF中和抗体治疗后，无论是VEGF^low-LLC还是VEGF^high-LLC模型，肺部表面的可见肿瘤结节数量均显著减少。组织学分析进一步证实了抗VEGF治疗的抑瘤效果。抗VEGF治疗显著降低了两种模型中的微血管密度和增殖内皮细胞（Ki67⁺/CD31⁺）的数量。

5. COVID-19在人肺组织中诱导血管生成表型的转换

COVID-19患者尸检肺组织显示出典型的CT影像特征，肺重量显著增加。组织学显示肺泡空间被细胞和渗出血浆填充。CD31免疫组化染色显示COVID-19肺组织中含有异常高密度的、结构紊乱的微血管。髓系细胞、单核/巨噬细胞和中性粒细胞浸润增加，而CD3⁺、CD4⁺和CD8⁺T细胞显著减少。纤维化成分也增加。

6. SARS-CoV-2感染肺组织中的严重组织缺氧和VEGF表达升高

COVID-19患者肺组织中CA9和HIF1α的蛋白和mRNA水平均显著升高。VEGF mRNA和蛋白水平也显著升高。功能受体VEGFR2的表达增加，而被认为是诱饵受体的VEGFR1的表达则降低。内皮细胞标志物CD31的表达增加了约100倍。

7. 抗VEGF疗法阻断COVID-19触发的肿瘤生长

在SARS-CoV-2感染的荷瘤小鼠中，抗VEGF治疗显著减少了肺部肿瘤的形成和生长。许多抗VEGF处理后的肿瘤仍保持微小尺寸，呈现典型的休眠表型。

8. 抗VEGF治疗阻断COVID-19诱导的肺部和肿瘤血管生成

抗VEGF治疗显著降低了SARS-CoV-2感染小鼠肺部的血管密度，并使血管结构趋于正常化。肿瘤血管同样对抗VEGF治疗敏感，血管密度降低，结构改善。抗VEGF治疗还改善了COVID-19诱导的肺部和肿瘤缺氧，恢复了CD3⁺、CD4⁺、CD8⁺T细胞数量，并减少了巨噬细胞极化和纤维化。

讨论与结论

研究人员提出了一个关键概念：肿瘤微环境中促血管生成因子的浓度必须达到一个假定的阈值水平才能诱导肿瘤血管生成。当VEGF等刺激低于阈值时，血管保持静止，肿瘤维持无血管休眠状态；当刺激超过阈值时，新生血管开始从现有血管萌发。通过肿瘤细胞滴定实验，研究人员证明仅需1×10⁴个高表达VEGF的肿瘤细胞即可启动肿瘤生长，而大量低表达VEGF的肿瘤细胞才足以启动肿瘤形成，这支持了血管生成开关是肿瘤生长的先决条件这一观点。研究结论指出，SARS-CoV-2感染通过诱导肺部缺氧，进而上调VEGF表达，激活VEGF-VEGFR2信号通路，驱动血管新生，最终为休眠肿瘤提供血管生成开关，促进其生长。靶向VEGF的治疗可以有效阻断这一过程。这些发现不仅揭示了COVID-19增加肺癌风险的潜在分子机制，也可能暗示其他肺部感染性疾病或缺氧损伤同样存在导致临床肺癌高发的风险。该论文发表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》。