综述 | 肿瘤缺氧促进基因组不稳定性和肿瘤进化

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发布于 2025-04-18 13:07:30

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Basic Information

英文标题：Tumour hypoxia in driving genomic instability and tumour evolution
中文标题：肿瘤缺氧促进基因组不稳定性和肿瘤进化
发表日期：28 January 2025
文章类型：Review Article
所属期刊：Nature Reviews Cancer
文章作者：Alexandru Suvac | Robert G. Bristow
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41568-024-00781-9

Abstract

Para_01

肿瘤内的缺氧是所有异质性实体瘤的一个特征。
增加的缺氧水平或亚区域与不良的临床预后相关，特别是当这种现象与基因组不稳定性同时发生时。
实验证据表明，在抑制DNA修复途径（如同源重组、碱基切除修复和错配修复）的情况下，增殖的缺氧细胞会获得DNA和染色体改变。
在修复缺陷细胞中的细胞适应和选择产生了一种模型，在该模型中，新的单核苷酸突变、结构变异和拷贝数改变与有丝分裂控制的改变共存，以驱动染色体不稳定性和非整倍性。
全基因组测序研究支持这样一个概念，即缺氧是关键微环境因子之一，它与MYC、BCL2、TP53和PTEN中的驱动突变一起，决定了多种肿瘤类型中的克隆和亚克隆进化。
我们提出，缺氧的肿瘤微环境会选择那些在减少免疫监视下生存、传播和转移的不稳定肿瘤克隆。
这些缺氧肿瘤细胞的侵袭性特征是局部和全身治疗抵抗以及癌症患者不良结果的基础。
描述了可能的方法来抵消缺氧的影响，以阻止肿瘤进化并改善治疗结果。

Introduction

Para_01

组织缺氧是指任何正常组织类型中的细胞无法获得足够的氧气（O2）的情况；这在不同组织和器官之间可能会有所不同。
人类正常组织中的平均氧分压（pO2）通常超过20 mmHg（或7-10% O2）。
肿瘤缺氧是由于不受控制的肿瘤生长导致异常血管形成而产生的。
异常的血管导致氧气输送不良和代谢改变，产生肿瘤内的营养和氧合动态变化梯度，造成氧气供应与需求之间的不平衡。
当肿瘤内的pO2水平降至10 mmHg以下（1-2% O2）时，肿瘤细胞通过激活由缺氧诱导转录因子（HIFs）、未折叠蛋白反应（UPR）-蛋白激酶R样内质网激酶（PERK）和其他氧气感应细胞应激信号通路调节的基因表达生存途径进行响应。
这种基因表达的空间和时间异质性以及由此产生的代谢组变化（例如糖酵解和氧化磷酸化（OXPHOS））可能在原发性和转移性肿瘤之间以及对局部或全身治疗的反应中有所不同。

Para_02

缺氧亚区已在所有实体肿瘤类型中被检测到。
在肿瘤内，至少有两种描述性的缺氧细胞应激类别：急性或循环（灌注受限）缺氧和/或慢性（扩散受限）缺氧。
这些缺氧状态的实际区分因素是由氧气缺乏引起的应激持续时间和水平：急性缺氧持续几分钟到几个小时，而慢性缺氧可以持续几天甚至几周。
急性缺氧是由于短期的血管阻塞和肿瘤灌注的变化，这不仅影响到血管附近的细胞，也影响到远离血管的细胞。
急性缺氧也被称为‘循环’缺氧，因为短时间的血管闭塞导致无氧状态，随后是肿瘤细胞再氧合的循环。
这些无氧-再氧合循环导致在S期和G2期细胞周期阶段DNA复制的循环停滞，并伴随着自由基形成的循环爆发，可能还会造成DNA损伤。
循环缺氧已经在实验性和人类肿瘤中被测量到，尽管它与慢性缺氧并不相互排斥，但由于活性氧（ROS）的形成，它对慢性缺氧具有不同的生物学后果。

Para_03

慢性缺氧是由于远离肿瘤血管处的氧气梯度增加而导致的扩散受限。通常，距离血管150-200微米的细胞构成了缺氧梯度的外围。
随着肿瘤细胞增加其氧化代谢以应对增殖的能量需求，缺氧程度因氧气消耗增加而加剧。
在暴露于逐渐降低的氧气水平时，慢性缺氧细胞可能会适应这种压力，在细胞周期的G0-G1期停滞，或者在长期无氧的坏死边缘发生凋亡或坏死。
随着缺氧细胞压力变得更加显著，中度至重度缺氧的肿瘤细胞将依赖于它们天生的能力来适应，基于控制相对厌氧代谢、细胞周期停滞以及对凋亡、坏死或自噬的易感性的获得性基因突变进行增殖。

Para_04

在肿瘤内，细胞内的缺氧稳定了HIFs，这些HIFs有数百个基因靶点，使细胞能够适应周期性或慢性缺氧压力。
例如，葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）和碳酸酐酶9（CA9）基因分别介导葡萄糖摄取和pH平衡（框1）。
急性缺氧利用HIF1α的活性，而根据与原位缺氧标记物的共定位观察，慢性缺氧可能更多依赖于HIF1α和HIF2α的活性，从而改变转录组，这取决于O2压力的水平和持续时间。
除了缺氧之外，HIF1α还可以被许多其他细胞应激源激活，包括致癌基因的激活和成瘾（如von Hippel-Lindau（VHL）、TP53或PTEN的丢失）、激素或生长因子的过表达，
或者在再氧合期间对氧化应激反应中的自由基（过氧化氢或一氧化氮）爆发。

Para_05

缺氧在细胞中驱动了各种不同的生物学后果，例如激活UPR-PERK通路和细胞应激适应与扩展、基因组不稳定以及异常的DNA复制和修复DNA双链断裂及错配碱基对（框2），抑制抗肿瘤免疫反应，创造保护干细胞和休眠微环境以抵抗系统治疗，并促进增加转移能力的基因表达。

Para_06

由于缺氧介导了放射治疗的抗性，限制了依赖增殖的化疗药物在缺氧梯度中的渗透或活性，并降低了包括免疫疗法在内的分子靶向药物的疗效，因此缺氧对治疗效果有负面影响。
因此，缺氧肿瘤与放疗或手术后局部治疗失败的风险增加以及由于预先存在的隐匿性转移或全身治疗抵抗而导致的全身治疗失败风险增加有关。
结果，不足为奇的是，在多种肿瘤类型中，肿瘤内高水平的缺氧是局部治疗失败、无转移生存和癌症特异性生存不良的预后因素（例如，独立于局部治疗的治疗失败或死亡率增加）。
然而，肿瘤缺氧也可以是使用缺氧修饰疗法的随机试验中观察到改善结果的预测因素。

Para_07

基因组不稳定性被认为是癌症的一个标志：是肿瘤发生的促成和驱动因素。一种新兴的概念是，缺氧可以增强基因组不稳定性和肿瘤进化，从而增加不稳定遗传克隆促进肿瘤进展和转移形成的能力。
在这篇综述中，我们首先描述支持肿瘤缺氧作为在人类肿瘤中产生突变和染色体不稳定（CIN）的因素的数据。
然后，我们专注于将缺氧归因于部分由于其对中心体和有丝分裂功能的影响而导致CIN的潜在机制模型。
我们将这些基因组不稳定的方面通过克隆和亚克隆适应与肿瘤进展和进化联系起来，并讨论支持缺氧作为肿瘤进化过程中驱动因素的最新数据，连同驱动突变一起（图1）。
尽管缺氧可以改变肿瘤微环境的许多元素（例如，基质变化包括异常血管发育和细胞外基质），这篇综述仅关注缺氧下肿瘤细胞内在的变化。
最后，我们讨论了从癌症进化角度来看靶向肿瘤缺氧的挑战。
针对缺氧及其对基因组不稳定性相关影响的治疗方法可以通过阻断肿瘤进展和进化来改善治疗效果。
读者可参考最近关于描述缺氧肿瘤细胞信号传导和生物学、肿瘤缺氧成像和测量包括使用缺氧相关转录特征（或缺氧评分）以及缺氧细胞如何限制临床结果的优秀综述，因为这些方面将不是当前综述的重点。

Fig. 1: Biological and host impact of tumour hypoxia.

- 图片说明

◉ 缺氧条件会导致细胞代谢的改变，从氧化磷酸化转向糖酵解（方框 1）。肿瘤内的缺氧亚区域也引发了一系列对基因组完整性的细胞内效应（左侧）。这包括减少 DNA 修复、DNA 复制压力和核苷酸突变（方框 2）。缺氧水平的增加伴随着拷贝数变异的增加、染色体不稳定性和表观遗传修饰的增加。肿瘤微环境由多种细胞类型（免疫细胞、基质细胞和内皮细胞）组成，并且在常氧与缺氧区之间可能有所不同。◉ 动态的缺氧梯度的存在引发了一系列细胞和组织反应，包括在严酷的低氧（O2）环境中细胞适应与细胞死亡之间的平衡、变化的免疫监视、不同的血管生成和灌注以及侵袭性和转移性表型的获得（中间）。这些过程共同驱动了患者内部的异质性。在具有相似肿瘤类型的患者群体中，缺氧的存在与否将决定对局部治疗（手术或放疗）、化疗、靶向治疗和免疫治疗的相对患者间异质性（右侧）。◉ 考虑到这些各种各样的细胞、肿瘤和宿主效应，缺氧伴随着更差的临床预后并不令人惊讶，因为这是由于在适应低 O2 水平期间出现的突变和侵略性表型。CAF，癌症相关成纤维细胞。

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Hypoxia as a driving force of genomic instability

Hypoxia and DNA mutations

Para_01

肿瘤缺氧作为一种影响肿瘤细胞基因组不稳定性的环境因素，已经得到了深入研究。初始研究使用带有基因报告器或DNA断裂检测的细胞系得出结论，在缺氧条件下，细胞激活了DNA脆弱位点，并经历了基因扩增、微卫星不稳定性（MSI）和碱基对突变。
在常氧条件下，这些DNA改变会导致不良的基因型和表型。

Para_02

缺氧对DNA复制的影响取决于氧气水平以及在低氧条件下适应和增殖的能力。严重的缺氧或无氧会导致细胞周期在S期和G2期停滞。
中度到重度的缺氧会诱导复制压力，表现为S期DNA复制叉的减慢和停滞。这似乎是由于核苷酸可用性减少导致的。
同时，在缺氧细胞中出现了共济失调毛细血管扩张症和RAD3相关（ATR）依赖性及共济失调毛细血管扩张症突变（ATM）依赖性的细胞周期停滞，并且异染色质组蛋白标记增加。
缺氧反应包括R环的积累和RNA和DNA解旋酶SETX的诱导，这保护细胞免受缺氧条件下转录过程中诱导的DNA损伤。这一机制似乎依赖于UPR-PERK反应中的PERK-激活转录因子4（ATF4）途径。
在体外和体内实验中，缺氧还会导致染色质可及性降低，主要是在基因启动子区域。染色质可及性降低的一个后果是RNA解旋酶DDX5的表达减少，从而导致R环积累和复制压力减少。

Para_03

结果，缺氧可能通过其对DNA修复、DNA复制和细胞周期控制的抑制作用产生基因组不稳定性的一种机制（框2）。
使用细胞系和肿瘤异种移植模型，已经表明缺氧与抑制DNA双链和单链断裂、DNA碱基损伤以及与DNA复制相关的突变和错配有关。
这些数据支持了在慢性或循环缺氧条件下癌细胞如何获得突变的假设模型：
在第一种情况下，在慢性缺氧条件下继续增殖的细胞适应可能导致当DNA修复和细胞周期检查点受损时选择突变细胞；
在第二种情况下，在经历再氧合和增殖的循环缺氧细胞中可能发生突变的获得，这是在初始复制停滞期间DNA修复能力降低之后。

Para_04

在中度至重度缺氧条件下，由于核糖核苷酸还原酶（RNR；由核糖核苷二磷酸还原酶亚基M1（RRM1）和RRM2二聚体组成）的功能受损，DNA合成停滞，导致S期脱氧核苷三磷酸的生成减少。
RNR抑制的一个次要效应是活性氧（ROS）的积累和ATM激酶及MRE11核酸酶的氧化还原敏感性激活，后者以同源重组（HR）依赖的方式降解停滞的复制叉。
由于缺氧减弱了HR而不阻止复制叉的进程，这吸引了易出错的DNA聚合酶，导致在复制过程中形成的新生DNA链中的突变率增加。
最近发现，缺氧以HIF1依赖的方式增加了低保真度跨损伤合成DNA聚合酶的表达，这使得在DNA复制叉处或之前绕过损伤，使DNA复制得以继续进行，并且突变不断增加。
循环缺氧和复制压力也可以诱导细胞系中载脂蛋白B mRNA编辑酶和催化多肽样（APOBEC）介导的突变的积累。
对患者肿瘤的转化研究验证了这一发现，因为APOBEC介导的突变频率与升高的缺氧特征评分相关。

Para_05

缺氧诱导的DNA复制停滞激活了ATR依赖的检查点激酶1（CHK1）磷酸化、染色质中组蛋白H2AX磷酸化形式（γH2AX）的诱导以及p53的磷酸化。
ATR和CHK1都在再氧合后防止细胞凋亡，因为缺乏任一蛋白质在缺氧条件下都会导致细胞凋亡。
缺氧诱导的ATM信号传导激活CHK2磷酸化，在再氧合时引起G2细胞周期停滞。
这种激活也在循环缺氧后保护细胞免于凋亡，并且依赖于mTOR通路。
一个重要观察是，无论是在检测到的DNA损伤存在与否的情况下，缺氧诱导的ATR和ATM停滞都会发生。
因此，细胞在进入有丝分裂之前进入并累积在G2期，并尝试前期有丝分裂DNA修复以确保细胞存活或进行细胞死亡。
具有受损细胞周期检查点激活和导致细胞存活增加的基因突变的缺氧突变细胞可能是促进侵袭性克隆生长的选择压力。

Para_06

直到最近，支持肿瘤缺氧与DNA修复缺陷和染色体不稳定性（CIN）相关的假设的人类肿瘤数据还缺失。为了解决这个问题，全基因组泛癌分析（PCAWG）联盟研究了27种癌症类型的1,188个具有不同缺氧程度的肿瘤。
通过基于mRNA的缺氧特征结合全基因组测序数据，发现缺氧与人类癌症中基因突变和驱动因子数量的增加有关。
重要的是，在所研究的癌症类型内部和之间都存在缺氧评分的异质性。
高缺氧评分的肿瘤有更多的染色体缺失和易位、结构变异和单碱基对突变（例如，每兆碱基对增加的SNVs）。
根据单碱基替换（SBS）和插入和删除（ID）突变特征信号的增加，升高的缺氧也与总体突变负荷的增加相关。
重要的是，在没有DDR突变的缺氧肿瘤中，特定的SBS和ID特征与HR缺陷（即SBS6和ID6）或错配修复（MMR；即SBS6、SBS21和ID2）相关，这些特征通常仅在具有种系HR（例如BRCA1或BRCA2突变）和MMR突变的肿瘤中观察到。
因此，这些人类肿瘤的测序数据支持了在体外慢性缺氧条件下培养的肿瘤细胞系中HR和MMR功能缺陷的临床前观察，并且它们还支持了在没有任何种系或体细胞DDR突变的情况下，缺氧肿瘤中DDR缺陷可以累积的观察结果（图2）。

Fig. 2: Hypoxia can lead to genome and chromosome instability.

- 图片说明

◉ 中度至重度缺氧抑制了DNA修复途径（方框2）和DNA复制，并能在S期以及G2或M期引发细胞周期停滞。缺氧条件还扰乱了核苷酸生成和核苷酸分解的调控。在前一种情况下，缺氧通过减少核糖核苷二磷酸还原酶亚基M1（RRM1）和RRM2的活性导致可用核苷酸的短缺，驱动DNA复制压力。◉ 缺氧还通过在活跃的DNA复制过程中激活活性氧（ROS）–共济失调毛细血管扩张突变（ATM）–MRE11复合物增加突变率，因为缺氧导致新生DNA降解并在同源重组（HR）减少的情况下产生过量的ROS。◉ 更具体地说，当这种复合物的激活与缺氧细胞中的HR修复缺陷结合时，它会导致细胞使用易出错的DNA修复途径，从而导致突变率增加。◉ 暴露于缺氧环境下的存活癌细胞中的一个或多个这些过程会导致在持续的复制和有丝分裂周期中产生染色体不稳定（CIN）和非整倍体。◉ 这些在缺氧条件下的显著染色体变化可以在结构上（染色体臂的增减）和/或数量上（整个染色体拷贝数的变化；倍性）发生，并导致观察到的异常有丝分裂、中心体过度复制和扩增、微核和染色体破碎（即染色体碎裂）。

Hypoxia and chromosomal instability

缺氧和染色体不稳定

Para_01

与仅具有这两种特征之一或都不具备的肿瘤相比，具有较高缺氧水平和增加的基因组改变百分比（PGA）的肿瘤与快速复发或降低的无转移生存率相关。因此，似乎缺氧、基因组不稳定性和染色体不稳定性（CIN）的组合是协同作用的因素，共同决定了不良结果。

Para_02

多个研究小组最近描述了33种癌症类型中数千个肿瘤的CIN特征。
使用多变量逻辑回归模型来研究不同癌症类型中拷贝数特征与基于转录组的缺氧基因特征之间的关系，揭示了缺氧与拷贝数特征CN17之间存在正相关，该特征与HR缺陷（HRD）和非整倍体特征相关。
这一发现强调了缺氧如何与肿瘤基因组中不同的基因组不稳定性模式，包括HRD，密切相关。
此外，这些特征现在可用于描述多种类型的CIN、其与缺氧的关系及其对临床结果的影响。
因此，这些特征应纳入未来的缺氧‘组学’研究中，以更好地理解与缺氧压力相关的CIN类型，推断分子机制和临床可行性。

Para_03

在染色体水平上，体外研究表明，缺氧可以增加染色体易位和缺失、拷贝数变异（CNAs）以及结构变异，这些是高缺氧评分与人类肿瘤中CNAs之间观察到的关联的潜在机制。
例如，在探讨因果关系的机制研究中，不同组织病理学类型的癌细胞系在1% O2条件下长期暴露20代后，发现获得了更多的移码插入和一致的CNAs，表明基因组不稳定性增加。
在这些研究中，获得最高肿瘤突变负荷的缺氧细胞也经历了DNA复制和修复以及染色体维持途径的显著下调。

Para_04

对三阴性乳腺癌早期基因表达变化的分析提出，缺氧也可能直接改变与染色体不稳定（CIN84）相关的基因。具体来说，缺氧改变了涉及后期启动、纺锤体组装检查点（SAC）功能、中心体功能和染色体分离的细胞分裂周期20（CDC20）、BUB1、多极样激酶1（PLK1）和KIF4A基因的表达。
这种影响与基因拷贝数状态或基因突变无关，支持了缺氧单独可以驱动这些变化的概念。
此外，其他研究也为这一现象提供了进一步的支持，在这些研究中，PLK4、PLK1和极光激酶A（AURKA）的表达取决于氧气浓度。
这些基因表达的变化是否依赖于HIF1或UPR-PERK尚不清楚。

Hypoxia, centrosomes and the mitotic machinery

缺氧、中心体与有丝分裂机制

Para_01

中心体过度复制可以导致多极纺锤体的形成，从而导致不同类型的染色体不稳定（CIN），包括非整倍性、由于中间着丝点附着引起的滞后染色体、后期桥和微核。
缺氧可以通过改变中心体功能或缺陷的纺锤体组装检查点（SAC）导致微核和非整倍性的产生，从而引发染色体不稳定。
事实上，在缺氧条件下培养的肿瘤细胞中观察到多极有丝分裂细胞增加、滞后染色体和DNA桥的出现。
这些变化伴随着肿瘤细胞非整倍性的增加，这与肿瘤缺氧诱导错误的有丝分裂并导致非整倍性一致。
在乳腺癌、结直肠癌和口咽鳞状细胞癌的研究表明，周期性缺氧可能是诱导这种依赖于HIF1α的中心体异常的原因。

Para_02

其他数据支持缺氧调节参与中心体调控的各种基因的表达，包括AURKA、192千道尔顿中心体蛋白（CEP192）和PLK4。
事实上，来自患者肿瘤的数据表明，乳腺肿瘤中中心体基因表达的富集与高缺氧评分相关，并且泛癌分析支持缺氧评分与中心体扩增特征之间的正相关关系。
中心体复制和成熟的变化可能受到氧气供应和翻译后修饰CEP192的氧感应脯氨酰羟化酶1（PHD1）活性的影响；然而，最近PHD1的参与被反驳，因此机制尚不清楚。
在具有增加的PLK4活性的缺氧细胞中，已经观察到超数中心体计数和侵袭性细胞表型。
其他人已经证明，典型缺氧相关微RNA，miR-210的上调可以导致中心体扩增，伴随多极纺锤体和多倍体细胞。

Para_03

另一种潜在机制是，缺氧通过前述的缺氧介导的关键DNA修复蛋白（如RAD51和BRCA1及BRCA2）下调，导致中心体数量异常，因为这些蛋白直接参与中心体复制、片段化和非整倍体。最后，中心体扩增可以促进一种非经典的衰老相关分泌表型（SASP），产生ROS，这反过来在没有DNA损伤的情况下激活HIF1α。
同一研究还表明，HIF1α的激活增加了与伤口愈合相关的血管生成素样4（ANGPTL4）的表达，导致旁分泌侵袭。然而，需要注意的是，作者警告说，中心体扩增诱导的SASP可能在某些但不是所有实验模型中引发恶性行为。

Para_04

CIN 也可以由微管附着、动粒组装和细胞分裂过程中其他关键有丝分裂事件中的错误引起。事实上，急性缺氧可以通过诱导微管去聚合来损害内皮细胞系模型中的微管组装。
为了完成有丝分裂并进入 G1 期，细胞依赖于控制关键有丝分裂蛋白泛素介导降解的后期促进复合体/环体（APC/C）。只要不会对细胞增殖或存活产生不利影响，携带 APC/C 突变和有丝分裂功能障碍的肿瘤细胞可以适应由此产生的 CIN。
APC/C 的 CDC20 亚基负责后期开始，最近的生物计算分析表明，在三阴性乳腺癌发生的早期阶段，缺氧通过上调 CDC20 表达参与其中。
缺氧可以通过差异激活 SIAH2 E3 泛素连接酶来废除有丝分裂控制，导致涉及 G2 和有丝分裂停滞的蛋白质降解，PLK3 在 DNA 损伤后的有丝分裂纺锤体中起作用，以及调节微管稳定的磷酸化蛋白 stathmin。

Para_05

这些关于中心体和有丝分裂基因表达的数据是有争议的，我们还没有直接证据表明缺氧会驱动中心体的扩增和有丝分裂后染色体的错误分离。
使用活细胞显微镜在缺氧条件下追踪对关键有丝分裂调节因子同基因的细胞的实验将阐明周期性和慢性缺氧对有丝分裂的影响。
这些研究的关键发现随后需要在常氧和缺氧组织中进行原位验证，可能使用空间转录组或单细胞中心体成像技术。

Hypoxia as a selective force in clonal evolution

Para_01

在肿瘤缺氧亚区中，细胞适应性和侵袭性的增强使基因不稳定的肿瘤细胞克隆能够在原发肿瘤的基因组进化过程中适应并被选择进行克隆扩增，无论是从头开始还是在治疗之后。这可以部分通过肿瘤进化的共同驱动因素来介导，例如致癌基因激活或肿瘤抑制基因失活或缺氧肿瘤细胞逃避免疫监视。不稳定缺氧克隆还可以通过获得上皮-间质转化（EMT）和与转移相关的基因表达增加而进化，导致遗传多样性不断增加和表型侵袭性增强。
这可以部分通过肿瘤进化的共同驱动因素来介导，例如致癌基因激活或肿瘤抑制基因失活或缺氧肿瘤细胞逃避免疫监视。

Hypoxia as a co-driver with cancer driver genes

缺氧作为与癌症驱动基因共同作用的因素

Para_01

通过HIF1α或其他传感器通路的缺氧信号可能是与癌症驱动基因（如激活的癌基因（例如，MYC和KRAS）和/或肿瘤抑制基因功能丧失（例如，TP53和PTEN））共同驱动肿瘤演化的因素。
这一假设最初是通过将TP53（野生型与纯合子丢失）或BCL2（野生型与过表达）同基因的肿瘤细胞置于竞争试验中进行测试的，在这种情况下，具有突变基因型的细胞在缺氧条件下优先被选择并胜过了野生型细胞。
选择归因于缺氧条件下的细胞凋亡减少。
在循环性缺氧条件下，处于DNA修复受损情况下的细胞在复制重启和再氧合诱导的活性氧（ROS）作用下，也会经历p53依赖性的细胞凋亡。
此外，人乳头瘤病毒（HPV）相关的E6和E7癌基因（破坏TP53和RB基因功能）的表达增加了人类角质形成细胞中的ROS水平，导致DNA损伤增加和核结构改变；根据用于测量DNA损伤的γH2AX和彗星试验显示，这种情况在缺氧条件下进一步加剧。

Para_02

在头颈部癌症中，缺氧微环境可以积累具有PTEN功能丧失的肿瘤起始细胞。确实，PTEN的丧失促进了HIF1介导的基因表达，并可以通过AKT活性的失调促进肿瘤克隆的扩增。
在前列腺癌和其他类型的癌症中，观察到的缺氧肿瘤细胞的多克隆性与PTEN拷贝数和基因表达的丧失有关，并且这与不良预后相关。

Para_03

观察到在人类KRAS突变型肺腺癌细胞系中，磷脂酶PLCγ1在缺氧期间受到抑制，导致增殖增加。PLCγ1在缺氧期间的抑制促进了较少氧化的癌细胞代谢状态，减少了线粒体ROS的形成，并通过向糖酵解的转换防止了脂质过氧化和凋亡。
在具有KRAS突变型肺腺癌的患者中，低PLCγ1表达与诸如GLUT1、醛缩酶和乳酸脱氢酶A（LDHA）等缺氧标志物的高表达相关，这些标志物预示着较差的患者生存率。

Para_04

MYC 可能调节 HIF1α 对缺氧的反应，反之亦然。对急性缺氧（1%）90 分钟后新生成的 RNA 生成、RNA 表达和 HIF1α 染色质结合的多组学分析揭示了一种在癌症类型中高度保守的即时转录反应，导致间接抑制 MYC 靶标。
这是通过激活 MAX 相互作用蛋白 1 (MXI1) 的反式激活实现的，MXI1 是一种已知能够减弱 MYC 驱动的转录的 HIF1α 靶标。
在另一项研究中，在缺氧条件下敲低 MYC 增加了糖酵解，这支持了缺氧下 MYC 信号传导可以进一步改变糖酵解通量的概念。

Para_05

癌基因激活（MYC）、肿瘤抑制基因（PTEN和TP53）的丢失或激素或生长因子的过表达也可以在非缺氧条件下激活HIF1——这种状态被称为‘假性缺氧’。由于与假性缺氧相关的许多癌基因或肿瘤抑制基因在癌症中经常发生突变或缺失，这意味着假性缺氧的HIF1表型是致癌的。
需要在同基因肿瘤系统中专门区分HIF1在常氧条件和缺氧条件下的效应的研究，以定义低肿瘤内氧含量与仅HIF1激活相关的基因组不稳定性和克隆进化。

Hypoxia and immune surveillance

缺氧与免疫监视

Para_01

缺氧细胞必须逃避免疫监视，尽管突变和基因组不稳定性增加，以便进行克隆适应和选择。
事实上，免疫检查点抑制剂的临床成功因此依赖于激活并增加T细胞介导的肿瘤细胞杀伤的能力。
高肿瘤突变负荷（TMB）和新抗原水平的增加以及微卫星不稳定性（MSI）都与对免疫疗法的积极反应有关，并且有趣的是，循环缺氧已被证明可以在体外增加TMB和新抗原。
虽然这表明缺氧肿瘤应该对免疫检查点抑制敏感，但在临床上积累的证据表明事实恰恰相反，因为缺氧肿瘤通常对免疫检查点抑制无效。

Para_02

肿瘤的缺氧亚区可能通过在肿瘤微环境中引发免疫保护效应，促进高突变负荷的致命不稳定克隆的选择。这可以通过多种机制产生：(1) 吸引和重编程免疫抑制细胞，如骨髓来源的抑制细胞、肿瘤相关巨噬细胞和调节性T细胞，以抑制抗肿瘤免疫反应；(2) 上调免疫检查点分子，如程序性细胞死亡蛋白1配体1 (PDL1) 和CD47；(3) 通过生成机械和/或功能性的细胞外基质屏障导致免疫排斥；(4) 腺苷、乳酸的积累以及整个肿瘤微环境的酸化，导致免疫细胞功能下降；(5) 抑制I型干扰素信号传导。
这些机制共同作用，使得肿瘤能够在缺氧条件下继续生长并逃避免疫系统的攻击。

Para_03

最近的证据也指出了缺氧介导的T细胞耗竭。其背后的机制尚不清楚，但可能包括在缺氧条件下持续的T细胞激活、缺氧微环境中肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）与CD8+ T细胞之间的突触相互作用，以及与静止癌细胞簇形成相关的缺氧微环境和信号传导。
,

Para_04

通过这些各种机制促进免疫逃逸，缺氧亚区域中的持续突变和选择循环可能不会受到免疫系统的抑制。研究使用同基因小鼠肿瘤模型中的缺氧细胞命运图谱，这些模型在免疫监视的程度上有所不同，这可能有助于阐明在缺氧条件下免疫系统的作用，以及这种作用是否允许具有增加的基因组不稳定性和增加的转移潜能的克隆的选择性生长。
这些研究可能会帮助澄清在缺氧条件下免疫系统的作用，以及这种作用是否允许具有增加的基因组不稳定性和增加的转移潜能的克隆的选择性生长。

Hypoxia and metastasis

缺氧和转移

Para_01

肿瘤细胞对缺氧的适应可以增加基因组多样性及致命表型，包括转移。", "Sentence_02": "一段时间以来已经知道，用缺氧预处理肿瘤细胞会增加实验性转移潜能，从而增强了在肺和其他器官中定植的能力。", "Sentence_03": "这些实验观察结果与大量临床数据一致，这些数据显示肿瘤内高缺氧水平与局部和远处转移以及许多实体瘤类型的生存率下降密切相关。

Para_02

机制研究表明，缺氧可以通过调节EMT基因的表达来增强谱系可塑性和侵袭表型，包括E-cadherin的下调和N-cadherin、SNAIL、vimentin、TWIST及JAGGED2的表达增加。
缺氧介导谱系可塑性的另一种方式是通过增加编码神经内分泌转录因子的基因表达，例如ONECUT2，从而导致从上皮表型转变为更具转移性的神经内分泌表型。

Para_03

其他研究也将表观遗传重编程在HIF信号传导的背景下归因于转移扩散的贡献者，通过其伙伴（如赖氨酸特异性去甲基化酶4B（KDM4B）、JMJD1A（也称为KDM3A）、JMJD2C（也称为KDM4C）和G9a（也称为EHMT2）及GLP（也称为EHMT1））调节组蛋白3赖氨酸9（H3K9）的去甲基化。

Para_04

最后，许多其他基因作为低氧介导的转移参与者正在浮现，如B淋巴细胞诱导成熟蛋白1（BLIMP1）、高迁移率族蛋白B1（HMGB1）、溶酶体相关膜蛋白3（LAMP3）、解聚素和金属蛋白酶结构域包含蛋白12（ADAM12）以及MAFF。在后一种情况下，该基因是从最近针对50个低氧诱导基因的靶向筛选中鉴定出来的。一旦被HIF1α诱导，MAFF通过诱导MAFF下游的白细胞介素11（IL-11）-信号转导和转录激活因子3（STAT3）信号轴，在体内驱动乳腺癌的侵袭、转移和血管生成。

Para_05

尽管缺氧癌细胞显示出更强的转移能力，但它们对具有更好血液循环通道的常氧癌细胞行为的影响却不太清楚。
为了解决这个问题，一项研究使用了异种移植结直肠癌模型来表明，经过缺氧处理的异种移植肿瘤可以促进常氧结直肠癌细胞的转移。
此外，将常氧结直肠癌细胞与缺氧结直肠癌细胞共培养或用来自缺氧结直肠癌细胞的细胞培养基刺激它们，可以在常氧细胞中诱导出一种转移表型，这种表型是由IL-8–p65信号通路介导的。

Para_06

未来的多组学研究可以阐明癌基因激活和肿瘤抑制基因失活对异质性低氧亚区域中原始和转移性基因表达及肿瘤细胞进化产生的具体影响。
实际上，我们在下一节中讨论了原发性和转移性病变的基因组研究，这些研究表明原发性肿瘤中的坏死周围低氧区域与多克隆转移细胞的产生有关。

Hypoxia and spatiotemporal studies of tumour evolution

Para_01

前面的部分已经为缺氧作为肿瘤突变和进化的选择性驱动力构建了论据。在基因水平上，TP53、MYC和PTEN中的驱动突变在不同类型的缺氧肿瘤中富集，并且PTEN突变和缺氧的共存可以指导这些肿瘤的进化轨迹。
鉴于这些基因通常发生突变并且是重要的肿瘤抑制基因和癌基因，它们表明缺氧选择了支持肿瘤生长、进展和存活的基因型（图3）。

Fig. 3: Interaction between hypoxia and genomic instability during tumour evolution.

- 图片说明

◉ 临床研究表明，肿瘤内高缺氧（通过直接测量氧气（O2）或基于RNA的缺氧特征评分来测量）和基因组不稳定性（通过表示为基因组改变百分比（PGA）的拷贝数改变数量来测量）的结合会导致协同不良预后，相比之下，仅具有这两种因素之一或两者都不具备时预后较好。这种预后的相互作用表明缺氧不是基因组不稳定性的替代物，反之亦然。◉ 代表性的Kaplan-Meier曲线显示了前列腺癌治疗后的结果（生化无复发生存或复发；数据来自参考文献37，并在此综述中重新绘制），在肉瘤中也观察到了类似的转移无生存期结果。◉ 高缺氧与高基因组不稳定状态下生存曲线的快速下降表明存在对治疗耐药的隐匿性微转移或大转移疾病。◉ 克隆突变是所有肿瘤细胞共有的，而亚克隆突变仅存在于部分细胞中。◉ 升高的缺氧可能与不同癌症类型中的克隆或亚克隆改变相关联。◉ 在前列腺癌中，缺氧未被证明与检测到的亚克隆数量相关，这表明缺氧在这些肿瘤进化早期就对其施加了选择压力，在亚克隆多样化之前。◉ 这些和其他研究显示了肿瘤缺氧与PTEN丢失之间的关联，以预测亚克隆结构。◉ 这表明特定微环境背景下存在的突变可以驱动跨癌症类型的多克隆结构。◉ 相反，BCL2和STAT6的突变与低缺氧评分相关，表明这些基因突变的缺氧细胞具有适应性脆弱性。◉ 肿瘤内的异质性和遗传变异的多灶性存在于由血管、间充质和免疫细胞组成的多样化的肿瘤微环境中。◉ 缺氧亚区通过刺激免疫逃逸、生成肿瘤起始细胞（TICs）的生态位以及驱动上皮-间质转化（EMT）和向转移性变异的谱系可塑性，促进了这种异质性。◉ TP53、MYC和PTEN的改变在不同癌症类型中高缺氧的肿瘤中更为常见。◉ 这支持了含有驱动突变如TP53和PTEN的不稳定缺氧克隆的差异适应和选择，这些突变在低氧条件下促进细胞存活和不稳定基因组。◉ 这样的克隆对局部和全身治疗具有抵抗力。CAF，癌症相关成纤维细胞。

Para_02

详细的计算分析使用批量测序表明，肿瘤缺氧与克隆但可能不是亚克隆突变相关，这表明缺氧可能在亚克隆多样化之前促进肿瘤进化。
然而，这一观察需要在持续缺氧暴露下的同基因细胞系中进行功能验证。
然而，在前列腺癌中，所有与缺氧相关的拷贝数关联中有99%是在肿瘤进化的早期阶段改变的，并且这是在多种肿瘤类型中的一致发现。
这种现象是否也适用于缺氧‘微环境’，其中特定遗传突变的肿瘤内异质性已被记录，还需要进一步研究。
鉴于拷贝数的异质性预示着不良结果，理解肿瘤细胞克隆进化过程中同时存在的缺氧和染色体不稳定性的时空层面的临床意义非常重要。

Para_03

尽管这些计算研究对于形成缺氧、基因组不稳定性和结果之间的普遍关联非常重要，但它们大多基于整体DNA和RNA测序。
这阻碍了在原位肿瘤结构中对常氧区域与缺氧区域内特定克隆的可视化。
随着单细胞RNA和DNA测序以及空间转录组学和蛋白质组学等新技术的出现，可以使用多组学方法研究缺氧细胞的克隆进化。
此外，内在缺氧标记物（例如HIF1、GLUT1和CA9）或外在缺氧标记物（例如pimonidazole）可以与突变和CIN分析相结合，以理解原发性肿瘤内的克隆进化（图4）。

Fig. 4: Multi-omic analysis to understand and track tumour hypoxia.

- 图片说明

◉ 对由于缺氧引起的肿瘤演化的研究需要解决原发和转移病灶以及循环肿瘤细胞（CTCs）中的复杂肿瘤内异质性。◉ 空间基因组学、转录组学和蛋白质组学能够对患者体内病变内的演变和病变间的演变进行建模。◉ 转录组-蛋白质组关联可以进一步与基因组不稳定性的原位标记相关联，包括全基因组测序、荧光原位杂交和染色体不稳定性（CIN）替代标记的检测（例如，中心体数量和微核）。◉ 这些技术不仅通过识别缺氧梯度来改进经典方法（如多重免疫荧光成像），还通过复合生物信息学方法帮助理解它们的生物学行为。◉ 这可能有助于开发多模式生物标志物，以增加患者在具有特定疗法的治疗臂中的分层，如图5所示。◉ 用于成像缺氧肿瘤块的非侵入性PET和功能性MRI方法补充了空间生物学成像，以便在不同治疗过程中跟踪肿瘤缺氧情况。◉ ctDNA，循环肿瘤DNA；H&E，苏木精和伊红；IF，免疫荧光；IHC，免疫组织化学。

Para_04

早期研究之一，通过使用低氧标记物EF5结合激光捕获显微切割技术，从实验性胶质瘤的存活低氧和正常氧区域分离RNA，来调查基因转录在低氧梯度中的情况。通过RNA微阵列分析，作者鉴定出几种mRNA（包括HIF靶标血管内皮生长因子（VEGF）和GLUT1），其在低氧条件下水平增加，而其他一些则减少（包括DDR基因）。
原位蛋白质研究表明，RAD51在低氧区域减少，并且CD8+ T细胞，这些细胞在受到CXC趋化因子配体9（CXCL9）和CXCL10刺激后被招募到肿瘤中，在体内主要被排除在存活的低氧区域之外。

Para_05

最近的计算模拟和对缺氧肿瘤的分析正在改善我们对缺氧压力在转移和克隆进化中的多因素表型后果的理解。
在试图理解富氧环境与贫氧环境中克隆形成播种效果时，观察到在缺氧微环境中具有更高的克隆形成性。
这些细胞的行为也有所不同，在无氧条件下播种赋予了一种保护性的‘防火墙’效应，可能阻碍侵袭性细胞，而在缺氧条件下播种似乎引发了‘缓慢扩散’效应，即细胞沿着缺氧微环境增殖。
未来的工作需要研究这些缓慢扩散的缺氧细胞是否会在缺氧压力激活转移信号级联后为转移播种做好准备并发生转移。

Para_06

在最近一项对人类肝细胞癌（HCC）样本的研究中，发展出多克隆转移的原发肿瘤与基因组改变无关，而是与缺氧信号传导的转录激活和增加的HIF1α染色相关。
这些分子病理学研究得到了体内细胞混合实验的支持，在这些实验中，过表达HIF1α的HCC细胞系显示出增加的实验性转移潜力，支持了临床观察结果，即缺氧编程是HCC中多克隆播种和不良预后的基础。

Para_07

进一步的证据表明，在坏死周围和缺氧肿瘤区域中，转移性变异体的克隆进化来自于TRACERx肾联盟，该联盟利用透明细胞肾细胞癌患者的宏观全肿瘤图像和活检样本，将基因组数据与组织学坐标整合，以精确绘制空间亚克隆位置。
观察到在坏死周围的肿瘤中心发生了侵袭性亚克隆生长，并且这些区域内的细胞具有升高的体细胞CNAs、增殖率和肿瘤分级。
此外，使用配对的原发和转移样本，进一步分析证实了转移能力的亚克隆起源于坏死周围的肿瘤区域。
作者得出结论，在恶劣的缺氧环境条件下，加速进化发生，驱动突变和CNAs在选择压力下有更大的机会出现和扩展。

Para_08

计算模拟了两种肿瘤生长模式，即‘表面生长’，其中增殖主要发生在肿瘤表面，以及‘体积生长’，其中增殖发生在整个肿瘤体积内，当考虑坏死（缺氧的替代指标）时，提示了肿瘤克隆的不同进化动力学。
尽管表面生长和体积生长彼此显示出不同的进化动力学，但当纳入坏死后，它们在肿瘤中心都具有更高程度的克隆进化和适应性。
结合对定义在坏死周围区域内的原发肿瘤克隆具有增加的远处转移潜能的观察，这些数据支持与缺氧相关的坏死作为克隆进化的温床。
未来的工作需要验证这种关于坏死影响及其潜在机制的‘跨进化’理论。

Para_09

其他使用前列腺癌时空转录组学的研究揭示了肿瘤内代谢和缺氧信号的异质性，并能够利用转录组推断出大体肿瘤组织切片内的空间拷贝数变异（CNAs）和肿瘤细胞克隆进化。
多组学方法也可能有助于理解缺氧转移变种的克隆进化。
循环肿瘤细胞（CTCs）从原发肿瘤克隆中脱落，以单个或簇状细胞的形式存在，后者表现出增加的转移潜力。
对动态标记乳腺癌细胞的研究表明，大多数转移性CTC簇经历了缺氧暴露，而单个CTC大多处于正常氧状态。
此外，源自乳腺肿瘤的CTC在体外和体内显示出改变的缺氧反应和增强的侵袭性表型。
缺氧还以不同的方式调节癌细胞系中线粒体和核DNA的释放，展示了使用循环肿瘤DNA（ctDNA）追踪缺氧肿瘤的潜力。
越来越多地，ctDNA可以用来推断肿瘤系统发育的重建。
这项技术被用于转移性前列腺癌的研究，显示在大量预治疗患者尸检时有显著的进化，并提示多个空间混合谱系分支，其中主导谱系出现以启动和驱动系统性转移。
该研究还指出，转移部位之间的多克隆播种是常见的。
是否这种情况也出现在未经治疗且新发转移的患者身上尚不清楚，目前正在通过多组学方法进行研究，以了解缺氧肿瘤是否会导致独特的转移性克隆进化。
具体来说，在英国曼彻斯特进行的由缺氧驱动的前列腺癌基因组学（HYPROGEN）试验（NCT05702619），正在使用外源性缺氧标记物派莫硝唑标记前列腺癌患者的缺氧细胞，这些患者在接受局部和全身治疗之前进行标记。
还将对这些患者的原发前列腺肿瘤和骨转移活检样本进行空间转录组学和蛋白质组学研究。
该试验旨在测试缺氧和基因组不稳定性是否在原发和转移部位之间相关联，并随后通过空间转录组学、CTC和功能性MRI的组合来追踪缺氧克隆，以理解治疗抵抗。

Strategies to inhibit tumour hypoxia

Para_01

目前手术、放疗、化疗、靶向治疗和免疫治疗的成功受到肿瘤缺氧亚区中不稳定且转移性肿瘤克隆的局部和全身抵抗力增加的限制。因此，针对这些缺氧不稳定的克隆对于抵消肿瘤演变和与转移性疾病相关的致命性至关重要。

Overcoming radioresistance

克服放射抗性

Para_01

众所周知，缺氧细胞对放射治疗的抵抗力是常氧细胞的三倍。（即氧气增强比（OER）为3）。
电离辐射依赖于在DNA螺旋周围的水中产生羟基自由基，从而损伤DNA。
这种损伤的永久‘固定’依赖于氧气，因此，当检测DNA修复灶诱导或DNA片段化时，缺氧细胞产生的DNA断裂比常氧细胞少三倍。
在几种肿瘤类型中，缺氧的存在与根治性放疗后局部控制不佳相关。

Para_02

在临床放射治疗中克服缺氧细胞的固有放射抗性，会减少复发耐药细胞进化的倾向和随后的转移。
除了使用更高剂量且物理靶向更好的放射治疗（例如，使用剂量涂布或碳离子照射进行增强剂量，这些方法不受缺氧限制），
通过添加一些药物如使用烟酰胺与羰基呼吸（一种称为加速放射治疗与羰基和烟酰胺结合（ARCON）的策略），可以在治疗时增加氧气供应，从而提高对缺氧细胞的杀伤效果。
在膀胱癌和头颈部癌症的随机试验中，这种方法显示了令人鼓舞的结果，即提高了局部区域控制并降低了癌症特异性死亡率。
此外，在放射治疗中使用氧模拟剂尼莫唑改善了头颈部癌症的局部控制，并且现在已成为丹麦的标准治疗方法。

Para_03

近年来，肿瘤学治疗的一个主要关注点是重新利用已有监管批准的现有药物，以扩展和加速患者的治疗选择。
针对肿瘤缺氧问题，这包括抗疟药阿托伐醌和抗糖尿病药二甲双胍。
这两种药物都抑制OXPHOS系统的线粒体复合物，并通过这样做减少细胞呼吸。
重要的是，它们在从细胞系到球体和小鼠异种移植的临床前模型中已被证明能够改变缺氧状态。
此外，二甲双胍和阿托伐醌都能在小鼠异种移植研究中增加肿瘤的放射敏感性。

Para_04

最初阿托伐醌研究的令人鼓舞的结果导致了阿托伐醌作为肿瘤缺氧修饰剂（ATOM）临床试验（NCT02628080），该试验探索了阿托伐醌在减少非小细胞肺癌（NSCLC）患者肿瘤缺氧程度中的应用。
试验结果显示，通过PET-CT测量发现肿瘤缺氧有所减少（使用18F-氟咪唑（FMISO）或18F-氟叠氮木糖苷（FAZA）示踪剂），这得到了切除肿瘤和患者血液中缺氧调节基因mRNA水平变化的支持。
此外，这些积极的初步结果随后促使了局部晚期非小细胞肺癌（ARCADIAN）临床试验（NCT04648033）的进行，该试验旨在通过使用阿托伐醌减少缺氧部分来提高放疗和化疗在非小细胞肺癌患者中的疗效。

Para_05

严重的缺氧可以增加ATM和DNA依赖性蛋白激酶催化亚基（DNA-PKcs）的表达。
因此，使用DDR抑制剂，例如针对ATM、ATR、聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）和DNA-PKcs的抑制剂，当与放疗联合使用时，可能会优先使原本对放射抵抗的慢性缺氧癌细胞变得敏感。
这种通过DDR抑制与放疗结合的方法的一个问题是需要保护正常组织免受增加的DNA损伤。
因此，开发仅在肿瘤细胞中起作用而不影响正常组织的缺氧选择性DDR蛋白抑制剂具有很大的兴趣。
由于放疗后局部控制的增加导致转移减少和生存率提高，使原本对放射抵抗的克隆形成细胞变得敏感，可以抵消随后早期或晚期转移的可能性，并阻止肿瘤克隆进化。

Overcoming chemotherapy and endocrine therapy resistance

克服化疗和内分泌治疗的耐药性

Para_01

由于严重的灌注和扩散梯度，化疗药物在缺氧亚区域内的递送可能受到限制。实体瘤中血管之间的大距离、细胞外基质的组成、细胞间的粘附、高间质液压力以及缺乏对流、药物代谢和结合都导致了药物分布受限。
肿瘤相关缺氧区域的pH变化与顺铂、依托泊苷和阿霉素等化疗药物的耐药性有关。具体来说，细胞内pH梯度的变化导致肿瘤细胞中药物积累减少，从而大大降低了化疗药物的疗效，并最终导致耐药性。
由于缺氧亚区域中处于G0-G1期的细胞比例增加，缺氧还可以限制依赖于增殖的化疗药物，如拓扑异构酶抑制剂的使用。
还提出这些缺氧肿瘤细胞表现出减少的化疗药物诱导的衰老和增加的药物外排，包括通过多药耐药基因家族的表达。

Para_02

急性缺氧和慢性缺氧也被认为与雄激素非依赖状态的发展有关，这种状态具有典型的去势抵抗性前列腺癌细胞的转录和代谢变化。
这些变化是由于甲硫氨酸循环及相关途径的跨膜转运蛋白表达增加，导致代谢物丰度和糖酵解相关酶的表达增加。
使用GLUT1抑制剂BAY-876，优先杀死了缺氧细胞并抑制了去势抵抗性。
其他研究表明，缺氧在前列腺癌神经内分泌转分化的发生中起作用，其中谱系可塑性与转录因子ONECUT2的表达有关，并且使用缺氧激活前药TH-302（一种DNA交联剂）靶向缺氧细胞，可以防止侵袭性神经内分泌克隆的生长。

Para_03

总体而言，针对化疗耐药性、去势抵抗性或谱系可塑性（防止侵袭性神经内分泌表型），这些都与缺氧有关，似乎会降低转移性生长和从转移灶再播种进化的可能性。

Hypoxia and targeted therapies or immunotherapy

缺氧和靶向治疗或免疫疗法

Para_01

通过详细的生物信息学分析，缺氧对多种癌症类型中各种分子特征的影响使我们对缺氧肿瘤中针对药物的抗性和敏感性有了更深入的理解。
最近的一项研究调查了具有高或低缺氧评分的肿瘤中的拷贝数变异（CNAs）、体细胞突变、mRNA、微小RNA、蛋白质和DNA甲基化水平，以模拟药物反应。
在各种分子特征中，约91%的临床可操作靶点与缺氧相关，并且可以用FDA批准的药物进行靶向治疗，包括免疫疗法、化疗、激素疗法和靶向治疗中的药物。
研究结果进一步表明，某些肿瘤类型在缺氧时对某些药物的敏感性增加，而其他类型的肿瘤则增加了抗药性。
这项工作强调了考虑肿瘤缺氧状态以及是否需要结合使用调节缺氧的药物进行治疗的重要性。

Para_02

通过调节肿瘤的免疫生物学，缺氧可能会增加对免疫疗法的抵抗力。
一项最近的研究表明，在缺氧期间实验性地失去SETDB1（一种进化上高度保守的H3K9甲基转移酶）可以促进转座元件衍生的双链RNA的产生，从而过度激活炎症反应，导致细胞死亡，这表明免疫检查点阻断和SETDB1失活的组合在缺氧癌细胞中可能更有效。
SETDB1作为与免疫检查点阻断联合使用的强效治疗靶点的实用性得到了支持，因为SETDB1失活会产生抗原，这些抗原增强了肿瘤的免疫原性。
在胶质母细胞瘤中，坏死周围的缺氧区域也存在单核细胞来源的肿瘤相关巨噬细胞（Mo-TAMs）。
缺氧的Mo-TAMs释放肽激素肾上腺髓质素，这会导致内皮细胞连接的不稳定、新生血管通透性的增加、药物递送不良和预后恶化。
这种现象可以通过基因消融或药理学阻断肾上腺髓质素来逆转，并且提示了一种消除缺氧生成的TAM效应在坏死周围生态位中的免疫调节方法可能是可行的。
最后，使用靶向缺氧的药物逆转肿瘤缺氧有可能增加肿瘤浸润免疫细胞的存活和功能。
这反过来又可以通过增加原本容易驱动恶性进化的部位的免疫监视来提高对免疫疗法的反应。

Novel treatments aimed at targeting hypoxia and the DDR

针对缺氧和DDR的新治疗方法

Para_01

暴露在低氧环境时被选择性激活的药物将对靶向原发性和转移性疾病中的缺氧亚群最有帮助，并且可以在新辅助、同步或辅助治疗中使用。
早期结果表明，tirapazamine（NCT00094081）、AQ4N（也称为banoxantrone）和apaziquone（NCT01469221），这些均是诱导DNA损伤的生物还原前药，在具有阳性肿瘤缺氧生物标志物（如阳性PET–FMISO扫描）的患者中显示出有希望的结果。
TH-302（也称为evophosphamide）是一种2-硝基咪唑触发的缺氧激活前药，其细胞毒素为bromo-isophosphoramide mustard（Br-IPM；一种DNA交联剂），在不同组织学类型的小鼠异种移植模型中显示在缺氧和无氧条件下引起DNA损伤。
尽管III期临床试验失败了（NCT01746979，NCT01440088），但这些试验中的患者并未根据其肿瘤缺氧状态进行分层。
因此，基于肿瘤缺氧亚群的分层在未来缺氧靶向药物的试验中是必须的。

Para_02

针对缺氧细胞中的基因组不稳定性和缺陷的DDR也可能提供治疗效果。此外，在这种情况下可以应用合成致死的概念，因为缺氧细胞可能是DDR缺陷的（框2），因此对上下文合成致死敏感，这旨在靶向肿瘤微环境。
最近使用PARP抑制剂在具有BRCA1、BRCA2、ATM和BRCA2伴侣定位器（PALB2）种系或体细胞突变的患者中改善了转移性卵巢癌、乳腺癌和前列腺癌的生存率，这表明类似的结果可能通过PARP抑制或优先使HR缺陷细胞敏感的化疗如顺铂来实现。
作为原理验证，细胞系和异种移植小鼠模型数据支持在HR相关蛋白表达减少的缺氧细胞中对顺铂和PARP抑制的敏感性增加（框2）。
然而，慢性缺氧而非循环缺氧可能对HR、MMR或碱基切除修复（BER）相关蛋白的翻译产生最强的影响，从而充分利用上下文合成致死。

Para_03

早期在小鼠结直肠癌异种移植模型中的研究表明，PARP抑制可以在RAD51水平降低的低氧亚区域中特异性地诱导缺氧克隆原的DNA损伤。
第二项研究显示，使用基因工程改造的Trp53−/−同源乳腺癌小鼠模型进行长期的新辅助暴露于PARP抑制剂奥拉帕利，可减少肿瘤的低氧部分，并延缓肿瘤生长，同时在照射后体外克隆形成存活率下降。
该研究表明，如果奥拉帕利在纯粹的新辅助设置下给药，而不是与放疗同时进行，患者的放射反应可以得到改善且毒性有限。
此外，在放疗治疗开始前对肿瘤微环境的这种改变也提高了治疗比率，因为它保护了正常组织，因为在放疗开始时正常组织中不存在PARP抑制。
鉴于利用PARP抑制剂来靶向缺氧细胞的潜力，类似于BRCA1缺陷或BRCA2缺陷肿瘤的遗传合成致死性，这些观察结果在DNA修复领域引起了极大的兴趣。
然而，尽管在严重缺氧（<0.5% O2）条件下，PARP抑制协同杀伤缺氧细胞发生，但最近的一项研究表明，中度缺氧（2% O2）反而可能促进PARP抑制剂的耐药性，因为无论是HR- proficient还是HR-deficient癌细胞中，ROS相关的DNA损伤诱导减少。
这表明PARP抑制对缺氧细胞杀伤的影响可能需要特定的生物标志物来预测不同缺氧梯度下的肿瘤细胞反应。

Para_04

遗传（突变、双等位基因丢失、HR缺陷和CIN特征）和功能检测（例如，缺乏RAD51 DNA修复灶的诱导）正在提高预测对DDR靶向治疗可能反应的精确度。
虽然原位研究已经证明了在小鼠肿瘤、异种移植和人类肿瘤组织中缺氧与HR修复蛋白表达之间存在反比关系，但将原位HR蛋白表达作为生物标志物来预测使用PARP抑制剂使缺氧肿瘤敏感化的成功尚未得到验证。
新辅助PARP抑制剂在放疗前的临床前研究表明，PARP抑制剂可以通过上下文合成致死性杀死缺氧HR缺陷克隆，从而增加总体肿瘤克隆杀伤。
这支持了针对治疗抵抗性缺氧亚区域进行靶向治疗以随后对放疗、化疗或免疫治疗进行增敏的想法。

Hypoxic clonal tracking during treatment

治疗期间的缺氧克隆追踪

Para_01

新兴技术如空间转录组学、空间蛋白质组学和基于清除辅助组织点击化学的原位药物成像是强大的工具，可以从不同肿瘤类型中获取从常氧到缺氧细胞梯度的高分辨率数据，并且增加我们对在缺氧和其他微环境条件下药物递送动力学的理解。
使用空间多组学原位分析与实体瘤活检以及基于ctDNA或CTC的液体活检在缺氧前和缺氧后靶向的研究可以追踪这些疗法对抗由缺氧亚区产生的致命克隆的有效性（图5）。
这些检测方法可以与非侵入性的缺氧成像技术相结合，例如PET（使用FAZA、FMISO或CA9）、功能MRI（使用血氧水平依赖或氧增强MRI技术）和体素内不相干运动方法。
总体而言，注释和跟踪演变中的缺氧介导的抗药表型将允许临床转化设计用于抵消激进进化和缺氧细胞克隆扩散的治疗。

Fig. 5: Targeting unstable hypoxic clones to block tumour evolution and therapy resistance.

- 图片说明

◉ 目前局部和全身癌症治疗的成功可能受到原发或转移性肿瘤中缺氧亚区域内的不稳定缺氧克隆的限制。◉ 由于低氧条件下DNA损伤减少，缺氧限制了局部放疗的有效性，但不影响手术后的局部控制。◉ 手术和放疗的成功都将受到由缺氧驱动的微转移扩散的限制。◉ 研究表明，缺氧驱动早期克隆突变而不是亚克隆突变，并且因此，需要早期靶向和杀灭这些缺氧克隆以阻止进一步演化出抗治疗克隆。◉ 靶向缺氧细胞的策略包括使用碳氧呼吸（加速放疗与碳氧和烟酰胺结合（ARCON））进行缺氧细胞放射增敏，或者将DNA修复抑制剂与放疗结合；◉ 靶向线粒体复合物并增加O2扩散以增强辐射诱导损伤的氧化磷酸化（OXPHOS）抑制剂；◉ 如替拉帕嗪或TH-302等缺氧激活前药，在缺氧条件下被还原成其活性细胞毒性物质以选择性杀灭缺氧细胞；◉ 或者通过抑制缺氧诱导转录因子1（HIF1）或HIF2来抑制缺氧引起的HIFs激活。◉ 利用聚ADP核糖聚合酶（PARP）、共济失调毛细血管扩张突变（ATM）和共济失调毛细血管扩张RAD3相关（ATR）抑制剂靶向缺氧细胞中的基因组不稳定性和缺陷DNA损伤反应（DDR），也可能在原发和转移性疾病中提供治疗益处。◉ DNA-PKcs，DNA依赖性蛋白激酶催化亚基。

Concluding remarks

Para_01

肿瘤缺氧是一种对癌症生物学具有多方面影响的压力因素。我们目前对缺氧的理解表明，它是一种在癌症进化早期出现的选择压力，但当与突变负荷增加相结合时，它也可以在整个癌症生长和进展过程中继续产生选择压力。
,

Para_02

在充当选择性力量的同时，它不仅通过受损的DNA修复、DNA复制和染色体不稳定性（CIN）持续导致基因组不稳定，还逃避免疫监视、促进转移并产生对化疗和放疗的耐药性。最终结果是生成了具有增强转移倾向和复发可能性的异质克隆。
随着能够探测肿瘤内缺氧亚区域的新技术的出现，肿瘤缺氧领域特别适合从多组学研究中受益，但要全面理解这一领域，需要将多组学平台进行稳健整合，以指导临床干预。

Para_03

改善临床结果将来自理解患者内部和患者之间缺氧肿瘤的异质性和进化轨迹。
现在，找到具体的、可操作的目标和联合疗法以改善缺氧克隆的杀灭并防止肿瘤进化至关重要。
虽然我们开始了解缺氧肿瘤中克隆突变的复杂性以及缺氧作为共因子与癌症驱动基因突变（如PTEN）在驱动肿瘤异质性中的潜在作用，但直接干预将需要在治疗前、治疗期间和治疗后跟踪缺氧肿瘤细胞的进化。

Para_04

理解缺氧与基因组不稳定性之间的关系还需要在功能研究中使用同基因模型系统（例如，PTEN和BRCA2）来解释来自大规模生物信息学分析的越来越多的数据背后的生物学原理。
这可能有助于阐明缺氧肿瘤演化的顺序事件，特别是关于缺氧作为激进基因变化的驱动因素，但也包括基因变化是否可以诱导激进的缺氧亚区。
这两种结果并不是互相排斥的，并且可能在不同类型的肿瘤中有所不同。
解决这些突出的生物学问题将为预测当前治疗的结果以及未来在高肿瘤内缺氧水平分层患者中使用缺氧靶向策略提供基础。