作者：邓慧，张孟贤，华中科技大学同济医学院附属同济医院肿瘤科

神经胶质瘤占所有中枢神经系统恶性肿瘤的90%，其中50.8%为胶质母细胞瘤(glioblastoma，GBM)，是成人最常见的中枢神经系统肿瘤。目前GBM 的标准治疗方案是手术切除以及放疗联合替莫唑胺(temozolomide，TMZ)辅助化疗，患者总生存期较短，中位生存期仅为14.6个月。肿瘤异质性和肿瘤演变是导致治疗失败的核心原因，GBM 细胞通过信号传导和遗传改变诱导肿瘤微环境变化，其中包括缺氧驱动的肿瘤内高异质性。

GBM 细胞增殖快、氧扩散不足、广泛组织坏死、血脑屏障破裂和肿瘤血管化异常等多种因素形成缺氧区，肿瘤细胞从缺氧区逃逸形成侵袭性前缘呈现假栅栏样，假栅栏区细胞分泌促血管生成因子而发生微血管增生。慢性低氧是肿瘤细胞快速增殖与血液供应相对滞后的必然结果，也是多种实体瘤普遍存在的现象。肿瘤细胞围绕着血管环状排列生长，靠近血管处的肿瘤细胞增殖迅速，而距离血管半径超过180μm的区域，肿瘤细胞无血氧供应大量坏死，介于两者之间则为慢性低氧细胞。

空间转录组学发现低氧是GBM 维持组织状态的关键驱动因素，细胞状态的组织结构与缺氧癌细胞的丰度密切相关，预后不良的患者有较高比例的肿瘤细胞表达缺氧诱导的转录程序。缺氧与癌症之间的关系是需要进一步探索的研究领域，需要了解癌症缺氧发展的潜在因素，癌细胞适应缺氧环境的信号通路的变化，以及缺氧在癌症治疗中的应用。癌症之所以难以根治，主要原因就是肿瘤细胞会不断适应所处的不良环境。

在缺氧环境中，癌细胞通过激活缺氧诱导因子(hypoxia inducible factors，HIFs)触发复杂的肿瘤细胞反应，调控PI3K/Akt、Wnt/β-catenin和酪氨酸激酶受体等多种分子通路。HIF 家族包含α亚基(HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α)和β亚基(HIF-1β)。HIF-1α被认为是肿瘤细胞对缺氧反应的主要转录调节因子，广泛表达于各种组织，而HIF-2α主要在胶质瘤干细胞(glioma

 stem cells，GSCs)中特异性上调。

常氧条件下，HIF-α蛋白的脯氨酰残基通过羟基化被泛素-蛋白酶体系统降解;缺氧条件下，脯氨酰羟化酶(prolylhydroxylase domain，PDH)活性受到抑制，阻止了HIF-α降解。于是HIF-α亚基与HIF-1β相互作用形成转录复合物二聚化，进入细胞核，结合缺氧反应元件(HREs)，诱导众多下游基因的表达。尽管HIF-1α和HIF-2α与相似的缺氧反应元件(hypoxiaresponse element，HRE)结合，但功能上有所差别。有研究证实在2%~5%低氧水平下，HIF-2α是癌症干细胞群中的主要缺氧诱导因子，并且HIF-2α在很宽的氧浓度范围内表达。当GBM 细胞处于严重缺氧，HIF-1α起主要作用。本综述全面总结缺氧调节GBM 生长、代谢重编程、免疫微环境、自噬、迁移侵袭以及治疗抵抗等多种生物学过程。

1. 缺氧与肿瘤侵袭、转移

低氧是肿瘤发展过程中的常见微环境，与肿瘤的侵袭和转移密切相关。缺氧生态位酸化肿瘤微环境，稳定HIF-1α的表达。HIF下游通路激活后可维持GSCs未分化表型和自我更新，促进GBM 肿瘤进展。HIF-1α表达上调促进正常胶质瘤细胞去分化为干细胞样细胞，维持GSCs干性和自我更新。在缺氧条件下GBM 细胞干性相关基因(CD133、OCT4和SOX2)表达水平增加，分化相关基因(GFAP)表达下降，而且CD133+GSCs在缺氧条件下更能抵抗细胞凋亡。

缺氧时，GSCs自身可增加HMGB1蛋白的表达，通过RAGE依赖性ERK1/2信号通路促进GSCs神经球的形成。HIF-1α-LUCAT1轴在GSCs中形成正反馈回路，放大HIF-1α 信号，诱导血管生成，促进肿瘤生长。GSCs作为GBM 中恶性程度最高的肿瘤细胞亚群，常氧和低氧条件下都会优先表达HIF-2α蛋白。

低氧状态下，GSCs高表达泛素特异性蛋白酶33(ubiquitin-specific proteases 33，USP33)，同时激活ERK1/2激酶磷酸化HIF-2α蛋白的S484位点，促进GSC 的低氧应答。干细胞标记物CD44的胞内结构域在缺氧时被释放，与HIF-2α(而不是HIF-1α)结合，增强HIF靶基因的激活，并且是缺氧诱导胶质瘤干细胞的必需条件。肿瘤干细胞拥有独特的信号通路来响应肿瘤低氧微环境，促进自身生长。

受缺氧调节的碳酸酐酶CAIX蛋白调节细胞内pH 值，促进GBM 外周环境的酸化，导致细胞外基质(extracellular matrix，ECM)和周围组织降解，创造有利于肿瘤细胞生长的微环境。同时，缺氧能够刺激肿瘤细胞自身分泌多种蛋白质、细胞因子以及细胞外囊泡(尤其是外泌体的释放)。缺氧条件下，GBM 细胞释放的外泌体在数量上和组成上显著变化，外泌体能够释放各种信号分子并向其他肿瘤细胞发送信号，诱导肿瘤细胞的迁移。缺氧通过诱导视神经盘紧密连接蛋白1(optic disc zona occludens 1，ODZ1)在GBM 细胞中的表达，提高GBM细胞的迁移能力。

HIF-1α通过稳定Notch通路的胞内结构域激活Notch通路，增强自身侵袭至周围。在缺氧环境中，存活的肿瘤细胞侵袭转移能力增强，通过其自身的分子转化来适应缺氧。越来越多的研究证实缺氧相关分子和通路触发GBM 细胞的生长、侵袭和转移，了解肿瘤微环境的缺氧状态以及靶向关键分子有助于改善GBM 的治疗。

2. 缺氧与免疫微环境

缺氧是肿瘤微环境的重要特征，是驱动免疫抑制和逃避免疫监测的主要因素。除了肿瘤细胞本身，肿瘤核心组织中的免疫细胞(常驻的小胶质细胞、外周巨噬细胞、淋巴细胞、神经元和其他基质细胞)同样处于缺氧状态。缺氧状态下，肿瘤微环境pH 值下降，细胞群之间相互作用发生改变。空间转录组测序明确了GBM 微环境中不同细胞类型和肿瘤细胞状态的空间定位关系，揭示了坏死生态位的免疫抑制特征，多组学分析同样证实空间转录模式中的“Reactive Immune”和“Reactive Hypoxia”区域显著富集肿瘤相关髓系细胞和T 细胞。

HIF-1α通过诱导有氧糖酵解使T细胞极化为调节性T细胞(regulatory T cells，Tregs)，促进其迁移，抑制肿瘤免疫和氧化磷酸化，已有体外研究表明缺氧可抑制T细胞增殖和功能。缺氧也与NK细胞功能障碍有关，缺氧相关的线粒体碎片能够破坏NK细胞介导的抗肿瘤免疫。免疫细胞的功能与肿瘤缺氧之间相互影响，缺氧生态位破坏免疫细胞原有的功能，导致免疫抑制。低氧是肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophage，TAM)状态和免疫抑制的主要驱动因素。

空间转录组定义的低氧相关TAM 富集于GBM 缺氧生态位的周围坏死区域，与GBM 患者不良预后相关。在缺氧状态下，TAM 被肿瘤分泌的细胞因子招募至肿瘤周围，优先位于缺氧区域，在CCL8和IL-1β作用下被重新编程为免疫抑制状态。缺氧支持TAM 的募集和向致瘤表型极化，GBM 瘤内缺氧通过旁分泌骨膜蛋白(periostin，POSTN)和外泌体驱动肿瘤细胞将TAM 极化为M2亚型，天冬氨酸内肽酶(legumain，LGMN)被HIF-1α转录上调，通过激活GSK-3b-STAT3信号通路促进TAM 向免疫抑制型极化。

GSCs在低氧条件下与TAM 共同发挥促癌作用，GSC产生更高水平的谷氨酸激活局部神经元，导致miR-200c-3p富集促进小胶质细胞M2极化。低氧情况下TAM 产生的靶向肾上腺髓质激素使肿瘤新生血管正常化，改善抗肿瘤药物的传递和疗效。缺氧导致M2极化后，通过外泌体将circ_0003137转运到GBM 细胞，经PTBP1/PLOD3轴促进GBM 细胞发生EMT。

免疫疗法治疗GBM 的临床试验一直不成功，需综合考虑肿瘤免疫微环境与缺氧微环境的关系。缺氧区吸引并隔离免疫细胞，被困住的免疫细胞经历缺氧失去原有的功能导致免疫抑制。靶向低氧生态位可以与常规放化疗协同作用，不仅仅减少缺氧区域内肿瘤细胞的群体，还需要通过减弱免疫抑制使原有的免疫功能得到恢复。

3. 缺氧与血管生成

缺氧微环境会诱导一系列生物学变化，促进肿瘤细胞血管生成。肿瘤血管生成是从预先存在的血管中发育出新的毛细血管，增殖的肿瘤细胞损害周围生长血管的完整性。GBM 的血管生成机制中，萌芽血管的生成、血管共选择和血管生成拟态是关键机制，它们几乎都依赖于肿瘤核心缺氧的状态。缺氧条件下，HIF-1α控制多种促血管生成基因的表达，如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、胎盘样生长因子(placental growth factor，PlGF)、血小板源性生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF)、血管生成素(angiopoietin，Ang)、促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)和胰岛素样生长因子2(insulin-like growthfactor 2，IGF2)，这些都通过跨膜受体激活基因表达并诱导内皮细胞增殖、存活和血管生成。尽管血管生成活性丰富，但血管结构畸形和功能异常。

在肿瘤组织水平，微血管容易形成血栓阻塞血管，进一步促进了肿瘤内缺氧。在缺氧的情况下，肿瘤组织激活VEGF的产生，增加血管通透性，促进血管生成。与HIF-1α不同的是，HIF-2α 只能影响GSCs 血管生成。HIF-1α和HIF-2α均可调节GSC中VEGF蛋白的产生，非GSC中只有HIF-1α影响VEGF水平。GSC产生血管周围的VEGF梯度，诱导形成新的毛细血管，同时赋予GSC存活优势。

内皮细胞可通过表达Notch 配体、释放NO 激活GSCs内Notch通路，促进GSCs表型。反复暴露在辐射环境中，GSCs分泌IGF1增加抵抗放射损伤，同时VEGF分泌增加，伴随血管生成。HIF-1α调控了EPO及其受体的缺氧相关表达，促进放射抵抗。缺氧可上调转录因子SOX9和UBC9的表达，促进外泌体转运的miRNA-204-3p通过ATXN1/STAT3通路促进血管生成和迁移。

缺氧增加U251细胞和分泌的外泌体中Cx43的水平，有助于血管生成。因此，可以通过抗血管生成药物抑制肿瘤生长和转移，限制肿瘤组织的血液供应。许多调节因子参与了肿瘤血管生成，但血管生成抑制剂的研究目前仍然集中在VEGF/VEGFR 信号通路上，且并非所有GBM 患者都能获得相同的治疗效果，个体化治疗和新治疗方法的开发仍然是GBM 研究的热点。

4. 缺氧与肿瘤自噬

在快速生长的GBM 中，缺氧可以诱导自噬。当氧气充足时，HIF-1α的降解导致哺乳动物雷帕霉素靶标(mammalian target of rapamycin，mTOR)的激活和自噬的抑制;相反，在缺氧条件下，激活自噬相关蛋白、未折叠蛋白应答相关转录因子以及GBM中Notch、Wnt/β-catenin、Hedgehog信号通路诱导自噬。肿瘤晚期时血供受限，自噬帮助GBM 细胞在营养缺乏和缺氧区存活，赋予肿瘤细胞放疗抵抗能力和缺氧的应激耐受性。

缺氧引起的能量消耗增加了细胞内AMP/ATP的比例，从而刺激了单磷酸活化蛋白激酶(adenosine 5-monophosphate activated protein kinase，AMPK)，间接抑制mTOR的活性并激活自噬。缺氧诱导的自噬依赖于HIF-1α/AMPK信号传导，在体外用自噬抑制剂处理缺氧细胞可导致自噬细胞向凋亡细胞转变。

自噬和神经营养因子通路共同提高GBM 细胞的耐缺氧能力，有助于增强其侵袭性。在缺氧条件下，HIF-1α作为GBM 自噬与治疗抵抗之间的媒介。HIF-1α通过miR-224-3p/ATG5轴调节GBM 自噬来影响细胞的流动性和化学敏感性。缺氧通过HIF-1α相关的Beclin-1触发自噬，导致GBM 治疗抵抗。在低氧条件下，HIF-1α可以增加下游靶标Bcl-2相互作用蛋白3的水平，促进U87和T96G细胞的自噬并提高细胞存活率。高甲基化基因含锚蛋白重复序列和死亡结构域1A(ankyrin repeat and death domain containing 1A，ANKDD1A)作为肿瘤抑制因子与FIH1(factor inhibiting HIF-1)相互作用，降低HIF-1α的稳定性，从而抑制GBM 缺氧微环境中的细胞自噬。

缺氧下调了cAMP反应元件结合蛋白调节因子(cAMP response element-binding protein regulator，CREBRF)的表达，并通过环腺苷酸应答元件结合蛋白3样1/自噬相关基因-5(cAMP responsive element binding protein 3-like /autophagy related 5，CREB3/ATG5)途径有效抑制GBM 细胞自噬。治疗抵抗导致GBM 患者复发率高，死亡率高，抑制低氧诱导的自噬可能有助于解决临床上治疗耐药的难关。自噬对于缺氧性神经胶质瘤区域中肿瘤细胞的存活至关重要，并有助于其侵袭性。

5. 低氧与代谢重编程

HIF-1α通路在缺氧条件下被激活，改变葡萄糖代谢增加肿瘤细胞对葡萄糖的摄取和利用，从而促进肿瘤细胞的存活。肿瘤细胞在氧气存在的情况下优先使用糖酵解(Warburg效应)，包括GBM 细胞即使在存在大量O2的情况下，丙酮酸也会转化为乳酸而不是进入三羧酸循环。肿瘤细胞以无氧酵解的方式进行能量代谢，造成乳酸的积累;肿瘤细胞膜上的离子交换蛋白也在源源不断地将细胞内部H+运输到细胞外。

这些细胞反应在不同程度上造成肿瘤微环境pH 降低，整体呈现酸性环境。同时不完全氧化产生的糖酵解中间体参与代谢反应，提供了肿瘤细胞生长和增殖所需的营养。不同类型胶质瘤呈现的代谢特点有所区别，缺氧促进异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)野生型胶质瘤的代谢重编程，IDH 野生型GBM 和IDH 野生型低级别胶质瘤相对于IDH 突变型胶质瘤通常表现出更强的临床侵袭性。多组学定义的“Reactive Hypoxia”模式与缺氧反应和糖酵解基因相关，代谢变化和氧化应激是基因组多样性的潜在相互驱动因素。

HIF-1α能够参与癌细胞中的能量代谢重编程，是ATP生成途径从线粒体氧化磷酸化到糖酵解的主要转换因子。HIF-1α不仅通过上调葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter type 1，GLUT-1)和GLUT-3影响葡萄糖代谢，还通过己糖激酶2的过表达增强糖酵解。在缺氧微环境中，激活HIF通路促进肿瘤相关髓系细胞的肌酸合成，并将肌酸分泌至细胞外，促进周围肿瘤细胞表面肌酸转运蛋白SLC6A8上调，将髓系细胞分泌的肌酸摄入胞内，促进自身肿瘤细胞生长。缺氧影响着肿瘤细胞和免疫细胞的代谢途径，各自发挥作用但相互促进。低氧与免疫微环境均会重编程细胞代谢，探索三者的作用关系有助于深层次探究GBM 的异质性。

6. 缺氧与肿瘤治疗

低氧严重影响肿瘤的放疗疗效，杀死低氧细胞所需的射线剂量大约相当于杀死正常细胞所需剂量的3倍。放射治疗通过增加活性氧(reactive oxygen species，ROS)诱导氧化应激，激活DNA损伤和细胞死亡的级联反应，O2存在对于稳定ROS诱导的DNA 损伤至关重要。缺氧阻碍了自由基的产生，DNA出现可逆性损伤修复，导致GBM 产生放射抗性。众多的辐射电阻诱导因子中，HIF-1α作为缺氧的关键转录调节因子，协调下游基因活性介导辐射抗性。

HIF-1α敲除可改善GBM 放射敏感性，沉默Beclin-1可逆转缺氧条件下HIF-1α诱导的放射抗性。GSCs对放化疗诱导的死亡不敏感，尤其是在低氧环境，GSCs更容易介导复发，GSCs处于静止状态也能免受放疗影响。已有研究表明缺氧通过激活Notch信号通路，以HIF-1α依赖的方式促进GSCs未分化状态，导致辐射抵抗。

改善缺氧会增加癌细胞对放疗的敏感性，这可能与通过改变光学氧化还原状态抑制癌细胞中的HIF-1α有关，应进一步研究缺氧诱导癌细胞对放疗耐受的机制。低氧微环境可以降低肿瘤化疗药物的效能，会增加癌细胞对药物毒性的耐受性。缺氧诱导癌细胞中耐药基因的高表达，增加化疗药物外流，降低细胞内药物浓度。

TMZ在细胞复制过程中诱导DNA链断裂，促进细胞凋亡。缺氧的实体肿瘤缺乏正常形状血管，导致药物递送、药物灌注困难，表现出更大的化疗耐药性。O-6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(methylguanine-DNA methyltransferase，MGMT)对TMZ损伤的DNA起修复作用，维持细胞中基因组的稳定性。缺氧条件下，MGMT 的表达增加，敲减MGMT基因可延长TMZ治疗组的生存时间。

低氧微环境可通过激活mTOR通路中的靶点和BIRC3表达诱发TMZ耐药，以及通过诱导铁蛋白轻链、调节GSC特性、介导ATP结合盒蛋白等不同机制增强TMZ 耐药性。TMZ 的疗效与HIF-1α的活性密切相关，可上调多药耐药基因MDR1/ABCB1的表达、激活腺苷受体促进化学抵抗。另外，缺氧可通过miR-26a/Bad/Bax轴抑制线粒体凋亡，诱导TMZ治疗耐药。

NUPR1通过与KDM3A 结合促进TFEB 启动子区域的KDM3A富集，并通过H3K9ME2去甲基化促进TFEB转录，加速缺氧条件下的自噬，并最终增强GBM 细胞的TMZ抗性。缺氧促进GBM 细胞放化疗抵抗，患者生存预后显著下降，探索缺氧增强治疗抵抗的机制是后续需要关注的重点。

来源：邓慧，张孟贤.低氧在胶质母细胞瘤生物学过程中作用的研究进展[J].华中科技大学学报(医学版)，2025，54(04):587-592.