miRNAs調(diào)控乳腺癌血管生成的研究進(jìn)展

盧 涵 潘 衛(wèi) 張 姝 黃 健

乳腺癌(breast cancer,BC)是最常見的惡性腫瘤,也是全球女性死亡的主要原因。血管生成是一個多步驟的復(fù)雜過程,從現(xiàn)有的血管形成新的血管,這是癌細(xì)胞通過增殖、遷移和轉(zhuǎn)移階段從而進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵步驟[1]。癌癥的特征之一是可誘導(dǎo)血管生成,血管生成對于為腫瘤細(xì)胞輸送氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)至關(guān)重要,并且在侵襲和轉(zhuǎn)移中起著至關(guān)重要的作用[2]。血管內(nèi)皮生長因子家族在新血管的形成過程中扮演了重要角色,它由7種不同的亞型組成,如血管內(nèi)皮生長因子-A、血管內(nèi)皮生長因子-B、血管內(nèi)皮生長因子-C、血管內(nèi)皮生長因子-D、血管內(nèi)皮生長因子-E、PIGF-1和PIGF-2[3]。此外,哺乳動物中有3個跨膜酪氨酸激酶受體家族成員:VEGFR-1、VEGFR-2和VEGFR-3,它們控制血管和淋巴管的發(fā)育[4]。

VEGFR 由多種細(xì)胞分泌,包括炎性細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和許多癌細(xì)胞,這些細(xì)胞都因缺氧誘導(dǎo)因子-1α (HIF-1α)的途徑使腫瘤缺氧反應(yīng)增加[5]。值得注意的是,乳腺癌中的血管生成依賴于VEGFR活性,72%～98%的BC表達(dá)VEGFR,并且BC中VEGFR-A、VEGFR-C和VEGFR-D的過度表達(dá)與不良預(yù)后相關(guān)[4]。乳腺癌細(xì)胞或腫瘤微環(huán)境產(chǎn)生促血管生成和抗血管生成信號,決定了血管的生成與否[6]。血管生成由促血管生成和抗血管生成刺激的平衡來維持血管穩(wěn)態(tài),血管在正常條件下保持靜止。一旦腫瘤開始生長或腫瘤抑制基因的缺失和癌基因的過度表達(dá),都會打破這種平衡。了解控制腫瘤血管生成的機(jī)制對于開發(fā)新的癌癥治療策略是至關(guān)重要的。

一、乳腺癌與血管生成的關(guān)系

血管生成和腫瘤發(fā)生均與PI3K相關(guān),PI3K是控制腫瘤生長、血管生成的重要信號通路[7]。PI3K途徑在致癌作用中有兩個重要的正負(fù)調(diào)節(jié)因子——PI3K和PTEN,它們在人類癌癥中起關(guān)鍵的調(diào)控作用。PTEN主要通過脂質(zhì)信號中間體磷脂酰肌醇-三磷酸的去磷酸化來控制細(xì)胞核中的PI3K信號。腫瘤抑制因子PTEN抑制mTOR,促進(jìn)蛋白質(zhì)翻譯。有研究表明,乳腺癌中的PI3K/Akt通路可以通過PTEN的表達(dá)來抑制血管生成[7]。此外,NF-κB是由兩個多肽組成的轉(zhuǎn)錄因子。NF-κB作為一種二聚體轉(zhuǎn)錄因子,控制廣泛的生物學(xué)過程,包括免疫反應(yīng)、應(yīng)激反應(yīng)、炎癥、B淋巴細(xì)胞發(fā)育和淋巴器官的發(fā)育[8]。NF-κB在許多惡性腫瘤中上調(diào),并且被認(rèn)為在促進(jìn)腫瘤發(fā)展中起重要作用。例如,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)NF-κB的過表達(dá)通過上調(diào)MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞中VEGF的表達(dá)來促進(jìn)癌癥發(fā)展和腫瘤血管生成[8]。STAT-3是一個由7種蛋白質(zhì)組成的家族,它將來自活性細(xì)胞因子和生長因子受體的信號傳遞到細(xì)胞核,以控制基因轉(zhuǎn)錄[9]。在乳腺癌中,STAT3激活的基因可抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡,刺激腫瘤細(xì)胞生長與轉(zhuǎn)移及血管生成,并抑制對腫瘤細(xì)胞的免疫反應(yīng)。

二、miRNAs與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展

微小RNA(miRNAs)是非編碼小RNA分子,具有大約22個核苷酸序列,miRNA的生物發(fā)生始于被稱為miRNA基因或基因簇的DNA序列,它們被單獨(dú)轉(zhuǎn)錄為miRNA分子或多順反子轉(zhuǎn)錄物[10]。miRNA定位于非編碼轉(zhuǎn)錄物的內(nèi)含子區(qū)域或非翻譯區(qū)域(UTR)。PolⅡ是細(xì)胞核中轉(zhuǎn)錄大多數(shù)miRNA的主要RNA聚合酶。初級miRNAs轉(zhuǎn)錄物(pri-miRNAs)在被釋放到細(xì)胞質(zhì)之前被加帽和多聚腺苷酸化[11]。pri-miRNA在核酸酶Drosha和其輔助因子Pasha的作用下被處理成70個核苷酸組成的pre-miRNA。RAN-GTP和exportin 5將pre-miRNA輸送到細(xì)胞質(zhì)中。隨后,另一個核酸酶Dicer將其剪切產(chǎn)生約為22個核苷酸長度的miRNA雙鏈。這種雙鏈很快被引導(dǎo)進(jìn)入沉默復(fù)合體(RISC)復(fù)合體中,其中一條成熟的單鏈miRNA保留在這一復(fù)合體中。成熟的miRNA結(jié)合到與其互補(bǔ)的mRNA的位點(diǎn)通過堿基配對調(diào)控基因表達(dá)。

miRNAs被描述為人類整個基因的重要調(diào)控者,因?yàn)樗鼈兙哂姓{(diào)節(jié)mRNA表達(dá)的巨大潛力,通常與靶基因在3′-UTR結(jié)合。這導(dǎo)致mRNA轉(zhuǎn)錄物的降解或蛋白質(zhì)翻譯抑制。miRNA表達(dá)的變化導(dǎo)致腫瘤表型、侵襲轉(zhuǎn)移和治療耐藥性的變化[12]。據(jù)估計(jì),miRNAs占人類基因組的1%～5%,它直接調(diào)節(jié)30%的蛋白質(zhì)編碼基因的表達(dá)[13]。一系列研究發(fā)現(xiàn),miRNA編碼基因的突變或miRNA表達(dá)失調(diào)會導(dǎo)致廣泛的人類疾病,包括癌癥發(fā)展、血管生成、轉(zhuǎn)移和治療抗性。大量研究表明,內(nèi)皮細(xì)胞中的miRNAs通過結(jié)合表面蛋白和信號通路影響細(xì)胞對血管生成刺激的反應(yīng)[14]。

三、miRNAs調(diào)控血管生成

miRNAs在血管生成中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,對腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。近年來研究顯示,miRNA表達(dá)的上調(diào)和下調(diào)可能有助于腫瘤血管生成[15]。一些研究表明,miRNAs可以通過腫瘤血管生成過程中的遺傳和表觀遺傳變化來調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞的功能[16]。血管生成因子由內(nèi)皮細(xì)胞miRNAs調(diào)節(jié),因?yàn)樗鼈儼邢蛟S多生長因子受體和信號分子,能夠攜帶各種生物分子并介導(dǎo)細(xì)胞間通訊在血管生成中起著關(guān)鍵作用。外泌體介導(dǎo)的miRNAs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在BC從初始到癌癥擴(kuò)散的各個階段中的作用越來越清晰。此外,許多miRNAs是檢測抗血管生成治療反應(yīng)的預(yù)測指標(biāo),特別是用作非侵入性生物學(xué)標(biāo)志物。由于RNA傳遞技術(shù)的深入研究發(fā)現(xiàn)基于miRNA的治療可以用作抑制腫瘤血管生成的新治療方法。血管miRNAs以兩種方式起作用,第一種通過靶向血管生成的負(fù)性調(diào)節(jié)因子并因此誘導(dǎo)血管生成,另一種是通過靶向血管生成的正性調(diào)節(jié)因子并因此抑制血管生成。在這些研究中,闡明了參與BC血管生成的miRNA調(diào)節(jié)的信號通路、抗血管生成治療以及已用于抑制體內(nèi)外血管生成的miRNA傳遞方法。

四、miRNAs參與乳腺癌中血管生成的信號通路

多種miRNAs控制不同類型的血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá),血管生成依賴于支持腫瘤生長和擴(kuò)散的VEGF表達(dá)的增加。在動物和細(xì)胞系中的研究發(fā)現(xiàn),敲除miRNA合成中的兩種關(guān)鍵酶(Dicer和Drosha),miRNA對血管生成有抑制或者促進(jìn)作用。在乳腺癌中,miRNA-126通過靶向VEGF和PIK3R2在癌癥的血管生成中起重要作用,此外,已發(fā)現(xiàn)MCF-7細(xì)胞中miR-126的過表達(dá)通過抑制VEGF/PI3K/Akt信號通路來減少癌癥發(fā)展和腫瘤血管生成[17]。miR-204是也一種抗血管生成的miRNA,已被證明對乳腺癌有相關(guān)作用,乳腺癌細(xì)胞中的腫瘤抑制是通過靶向PI3K/Akt信號通路產(chǎn)生的miR-204來介導(dǎo)的,上述通路可抑制對腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移[18]。此外,miR-204的表達(dá)顯示出降低血管內(nèi)皮生長因子水平和減少毛細(xì)血管的分支數(shù)量。

HIF是一種轉(zhuǎn)錄因子,對缺氧環(huán)境比較敏感。在癌癥和疾病進(jìn)展中,HIF上調(diào)是血管生成過程所必需的。有許多促血管生成分子,它們通過HIF-1α與其各自的啟動子結(jié)合而被轉(zhuǎn)錄激活,HIF-1α可以附著在VEGFR1和VEGF基因啟動子的HRE位點(diǎn),導(dǎo)致VEGFR1和VEGF基因的轉(zhuǎn)錄[19]。在這方面發(fā)現(xiàn)了關(guān)于乳腺癌靶向HIF信號通路的血管miRNAs,如miR-21是一種缺氧誘導(dǎo)的miRNA,參與了BC患者的癌癥發(fā)展、血管生成和VEGF信號的刺激。Wu等[19]揭示了在BC細(xì)胞系中miR-497的上調(diào)導(dǎo)致VEGF和HIF-1蛋白的減少。除此之外,miR-497的穩(wěn)定轉(zhuǎn)染降低了體內(nèi)血管生成。此外,他們還建議miR-497可以作為一種新的通過抑制促血管生成分子(VEGF和HIF-1α)治療乳腺癌的方法。

五、miRNA靶向乳腺癌血管生成的新療法

miRNAs具有多種影響癌癥發(fā)生、侵襲和轉(zhuǎn)移的作用,將miRNA模擬物或拮抗劑傳遞至內(nèi)皮細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞的價(jià)值得到了制藥工業(yè)的認(rèn)可。BC微環(huán)境中一個重要的免疫因素是腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM)。當(dāng)循環(huán)單核細(xì)胞到達(dá)腫瘤部位時(shí)它們形成TAMs,TAMs具有促進(jìn)腫瘤發(fā)展、血管形成、轉(zhuǎn)移和耐藥性的能力。一些研究發(fā)現(xiàn),miRNAs可以通過調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境中巨噬細(xì)胞來影響免疫系統(tǒng)的反應(yīng)[20]。例如,miR-19a-3p水平的增加通過減少FRA1/STAT3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和減少BC細(xì)胞遷移和侵襲來抑制M2表型。在體內(nèi)乳腺癌模型中,研究人員還發(fā)現(xiàn)miR-19a-3p通過調(diào)節(jié)TAM抑制轉(zhuǎn)移潛能[21]。

研究發(fā)現(xiàn),miRNAs為新的癌癥免疫治療策略打開了閘門。腫瘤抑制因子miRNA的miRNA替代療法包括小分子增強(qiáng)劑、miRNA模擬物和病毒載體。已經(jīng)探索了用納米顆粒傳遞以保護(hù)miRNAs免于血清核酸酶降解的方法,包括病毒和非病毒納米顆粒遞送方法,最常見的納米顆粒是環(huán)狀精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(cRGD)。與病毒給藥比較,非病毒給藥具有安全性優(yōu)勢,可避免產(chǎn)生有害的免疫反應(yīng)。通過中性脂質(zhì)體小干擾RNA遞送的EphA2基因靶向治療已在動物模型中得到證實(shí)。上述技術(shù)還應(yīng)用于在許多癌癥如乳腺癌、肺癌和腎癌的臨床前模型中,如使用miR-200和miR-520d抑制體內(nèi)腫瘤血管生成。將正確的拮抗劑或miRNA模擬物遞送到靶細(xì)胞中是將miRNA轉(zhuǎn)化為藥物的一種有效途徑,而腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞被用作體內(nèi)遞送miRNA的靶標(biāo)。已知腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞可與一些腫瘤細(xì)胞表達(dá)整合素αvβ5、αvβ3和cRGD結(jié)合,既往研究發(fā)現(xiàn),miRNA-132拮抗劑、miR-296拮抗劑和miR-7模擬物在小鼠中使用cRGD修飾的納米顆粒傳遞系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的抗血管生成和抗腫瘤作用,通過靶向miRNA分子提供了一種新的癌癥治療方法[22]。類似地,使用具有APRPG肽基序的miRNA摻入納米顆粒,獲得了抗血管生成特性,因?yàn)锳PRPG對VEGFR-1具有高親和力,miRNA納米顆粒和一些癌細(xì)胞過度表達(dá)APRPG的VEGFR-1蛋白結(jié)合。

六、展 望

miRNAs在腫瘤血管生成中的調(diào)控作用研究取得了重大進(jìn)展。盡管存在一些挑戰(zhàn),但在不久的將來,miRNA作為抗血管生成療法的新型標(biāo)志物和發(fā)揮抗腫瘤血管生成功能的研究策略將得到更實(shí)際的應(yīng)用。靶向多種抗血管生成途徑可以增強(qiáng)抗癌功效,因?yàn)閱蝹€miRNA可能影響許多mRNA的表達(dá),所以miRNA在腫瘤血管生成的治療中發(fā)揮了顯著的治療潛力。癌癥和正常組織都具有血管生成的內(nèi)皮細(xì)胞,因此,為了準(zhǔn)確識別它們的生物學(xué)標(biāo)志物,有必要找到能夠區(qū)分這兩種細(xì)胞類型的miRNAs,以此獲得更精確的治療效果,并且減少不良反應(yīng)。此外,尋找將miRNA傳遞到體內(nèi)靶細(xì)胞的策略對于開發(fā)基于miRNA的治療方法至關(guān)重要。雖然已經(jīng)研發(fā)了幾種技術(shù),但體內(nèi)有效的遞送策略仍然有限。此外,全身注射后的劑量依賴性毒性限制了臨床應(yīng)用的發(fā)展。但一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),正常細(xì)胞產(chǎn)生的外泌體成纖維細(xì)胞樣間充質(zhì)細(xì)胞在傳遞RNA干擾以抑制體內(nèi)腫瘤胰腺細(xì)胞生長方面具有優(yōu)勢,同時(shí)與體外合成的納米顆粒比較,還表現(xiàn)出較少量的毒性不良反應(yīng)[23]。正如在體內(nèi)模型中發(fā)現(xiàn)的,在注射成纖維細(xì)胞衍生的外泌體的小鼠中,具有高CD47表達(dá)的腫瘤細(xì)胞不能發(fā)育,上述外泌體通過靶向致癌KRAS遞送減少胰腺癌中腫瘤生長的miRNAs。這項(xiàng)工作揭示了外泌體攜帶基于miRNA的藥物用于醫(yī)療用途的能力。

雖然外泌體已被證明能有效靶向腫瘤細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中特定的血管生成相關(guān)miRNAs,但使用這種方法時(shí)必須考慮許多因素。通過檢測miRNA表達(dá)水平揭示腫瘤相關(guān)新生血管調(diào)控的方法,可能會進(jìn)一步幫助我們理解腫瘤血管生成、血管生成信號通路、miRNA靶向技術(shù)的進(jìn)展可能以及提供基于miRNA的治療前景,筆者將進(jìn)一步了解miRNA作為治療腫瘤血管生成和用作預(yù)測性生物學(xué)標(biāo)志物的能力。然而,關(guān)于miRNAs在乳腺癌血管生成中的作用的臨床研究是有限的,需要進(jìn)一步的研究來確定調(diào)節(jié)乳腺癌患者血管生成的新治療靶點(diǎn)。