[文献]硫酸乙酰肝素蛋白聚糖在胶质母细胞瘤肿瘤微环境中的作用研究进展 |纪青 常青 -转化医学电子杂志

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硫酸乙酰肝素蛋白聚糖在胶质母细胞瘤肿瘤微环境中的作用研究进展 

本文作者：北京大学医学部基础医学院病理系、第三医院病理科纪青、常青；本文发表在2017年第7期《转化医学电子杂志》上；神外前沿转载此文已获该杂志授权；

摘要：

胶质母细胞瘤(GBM)是一种呈弥漫性生长的高度 恶性胶质细胞瘤. 肿瘤微环境在 GBM 的生长中起重要作用. 硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPG)是 GBM 肿瘤微环境中的重要 成分之一. 它通过与不同蛋白配体的相互作用,可以调控一系 列配体介导的信号通路,通过对肿瘤细胞、血管内皮细胞以及 免疫细胞的不同作用来促进 GBM 的形成和发展. HSPG 的修 饰酶,HPSE 和 SULF,也可以通过对 HSPG 上硫酸乙酰肝素黏 多糖链的修饰作用来调节相关细胞信号通路,调节肿瘤的生 长. 在前神经元型和间质型 GBM 中,HSPG 及其修饰酶的表达有明显的差异性,以其在 GBM 中的亚型特异性为基础,发 展针对不同亚型的特异性治疗将有利于改善患者的治疗效 果. 正在开展的以 HSPG 为治疗靶点的 PG545、OKN⁃007、 M402 和 SST0001 等药物的相关临床前研究将为 GBM 患者开 展精准治疗提供新策略.

引言

胶质母细胞瘤(glioblastoma, GBM)是一种呈弥漫性生长的高度恶性胶质细胞瘤. 它是成人中最常 见的一种恶性脑肿瘤. 在 WHO 2016 版中枢神经系 统肿瘤分类中,GBM 被分为 IDH 野生型、IDH 突变型 和 NOS 型. 最新研究表明,以 IDH1 基因为靶点治疗 白血病有良好的效果[1] . 但是 IDH 抑制剂 AG⁃120 和 AG221 治疗 IDH 突变型胶质瘤尚未得到理想的三期 临床试验结果,仍需深入探索相关的分子机制,从而 改善治疗方案,取得更佳治疗效果[2] .

与 WHO 分 型 不 同, The Cancer Genome Atlas (TCGA)的研究者基于患者年龄、预后、基因型及积 极治疗的效果,将 GBM 进一步分为四个亚型,分别为 经典型(classical)、前神经元型(proneual)、间质型 (mesenchymal)和神经元型(neural)[3] . 不同亚型受 不同信号通路的调控(图 1). 有研究者发现,在以 PDGFR 信号通路改变为特征的前神经元型 GBM 中, 硫酸酯酶 2(sulfatase 2, SULF 2)有较高表达[4] . 而间 质型 GBM 中乙酰肝素酶(heparanase, HPSE)的表达 最多,并且多个硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(heparan sul⁃ fate proteoglycan, HSPG)相关基因的表达也有所增 加[5] . 而前二者(SULF2 和 HPSE)是后者(HSPG)的 修饰酶.

有研究表明,GBM 的发生与肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME) 关系密切[6-7] . TME 由肿瘤 周围细胞及包括肿瘤细胞在内的所有细胞分泌的各 种可溶性因子构成. TME 提供了一个促肿瘤形成的 环境,使肿瘤和非肿瘤细胞的各种代谢反应发生改 变,从而帮助肿瘤组织与非肿瘤组织竞争营养物质及 其缺乏的相关分子,使肿瘤组织即使在缺氧的环境下 也能继续生长[8] . 此外,肿瘤微环境中的这些代谢异 常还能抑制针对肿瘤细胞的免疫反应,并帮助肿瘤组 织抵抗治疗[10] .

HSPG 是肿瘤微环境中的一种重要蛋白,与 GBM 的发展密切相关[6-7] . HSPG 及其修饰酶通过与肿瘤 微环境中不同信号分子的相互作用调控相关信号通 路,改变肿瘤周围的代谢反应. 而 HSPG 修饰酶在 GBM 不同亚型中的差异性表达提示 HSPG 可能具有 GBM 亚型特异性. 基于 HSPG 在肿瘤微环境中的重 要作用,有望发展出针对不同亚型 GBM 的特异性分 子诊断和治疗方法,改善 GBM 的治疗效果.

本文将从 HSPG 的功能到其与肿瘤微环境的关 系展开讨论,探讨 HSPG 在 GBM 临床诊断与治疗中 的应用前景.

1.HSPG 在人类肿瘤中的生物学功能

HSPG 是一种蛋白聚糖,由一个核心蛋白和与核心蛋白相连的 HS 粘多糖链组成. Protein Atlas 数据库显示,HSPG 广泛存在于多个人体器官和组织的细胞中,在小脑、骨髓、心肌、乳腺、前列腺等器官和脂肪组织以及软组织中均有较高表达,是正常脑组织和GBM 中主要的细胞外环境成分[9-11] . 通过结合生长因子、趋化因子、成形素(morphogens)、基质蛋白、细胞粘附分子和蛋白酶等蛋白配体,如核转录因子 κB(nuclear factor of κB, NF⁃κB)、 血 小 板 生 长 因 子(platelet⁃derived growth factor, PDGF)、 成纤维母细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)等,HSPG可以阻断配体与其受体结合,防止其接触同源受体以减少信号传播,或者作为信号传播的共同受体促进信号传播,从而发挥调节细胞增殖、迁移和粘附的 功能[9-14] .

以分泌蛋白 Wnt 家族的细胞外调控为例,从细 胞中释放后,Wnt 配体会被 HSPG 等细胞外蛋白结合 并隔离,只有当配体从 HSPG 上释放时,才可以结合 并激活 Frizzled 受体[14] ,从而发挥其调节细胞增殖的 作用. 而另一方面,HSPG 也可以作为配体介导的信 号通路的共同受体来促进信号的传播,例如具有细胞 增殖、存活、迁移和分化等广泛的生物学效应的 FGF信号通路. 在这一信号通路中,HSPG 就起到了稳定 FGF 配体受体复合物的作用[15-18] .

HSPG 在调控针对肿瘤的免疫反应中也发挥着 重要作用. HSPG 的 HS 链结合 L 选择素后,能够稳定 白细胞的滚动,使其粘附于上皮. HSPG 还能将细胞 因子呈递给受体,比如巨噬细胞释放的 CXC 细胞因 子配体 8(CXC⁃chemokine ligand 8, CXCL8),从而激 活白细胞的整合蛋白,并促进更多稳定白细胞的粘 附. 此外,HSPG 还能通过结合激肽原( kininogen) 等 蛋白协助白细胞的跨内皮运动 (transendothelial migration),调控血管的渗透性[19] .

HSPG 相关酶在其生物学功能的发挥中也起到了重要作用. 如上所述,HSPG 由核心蛋白和 HS 链构 成. HS 链由以重复双糖为单位的碳水化合物链组 成,经过广泛的转录后修饰才能实现调控细胞信号传 导的功能. 其中,葡萄糖胺 6O 的硫酸化是 HSPG 与 生长因子结合以及介导组织正常发育的重要决定因 素[20-21] . 细胞外的硫酸酯酶 SULF1 和 SULF2,通过去 除 HS 链 6O 上的硫基和调控细胞外环境 HSPG 的蛋 白配体,可以激活众多关键的信号通路,包括 Wnt、 Shh 及 PDGF 信号通路等[14,22-24] .

另外,HPSE 还是一种重要的 HSPG 相关酶. 它 是一种能够促进 HS 链片段生物活性的葡萄糖醛酸 糖苷酶. 白细胞需要 HPSE 的帮助来溶解内皮细胞基 底膜. 在溶解基底膜时,HPSE 可以释放 VEGF 和 FGF2 等一系列生长因子,这些生长因子最终会介导 血管生成和组织重构,引起慢性炎症反应[19] (图 2). 在对髓母细胞瘤( medulloblastoma) 病理机制的研究 中发现 HPSE 能够调控 Shh 和 Wnt 3 信号通路,而在 GBM 等多种恶性肿瘤中,HPSE 的水平均有所上调, 这说明 HPSE 的水平与肿瘤的形成和侵袭有关[25-26] .

除了 HSPG 相关酶,HSPG 的核心蛋白在细胞信 号传导中也起着重要作用. 核心蛋白决定了蛋白聚 糖的定位,从而影响细胞内外的信号传导. 以粘结合 蛋白聚糖(syndecans, SDCs) 和磷脂酰肌醇聚糖 1 (phosphatidylinositol glycan, GPC⁃1)为例:SDCs 包含 一个连接细胞骨架蛋白的胞浆结构域,与细胞膜相 连,可以作为酶底物介导细胞信号传播[27] . 粘结合蛋 白多糖⁃1(syndecan⁃1, SDC1)是细胞表面 HSPG 核心 蛋白 SDCs 的一种,调控 SDC1 的表达水平能够改变 HGF⁃Met 和 Wnt 信号的传导,这说明 SDCs 在细胞信 号传导、细胞粘附和迁移中起重要作用[28-30] . 而 GPC⁃1 则是通过 GPI 与细胞膜连接. 在人类胰腺癌 中,GPC⁃1 的表达发生了减少或消失,从而减少了其 对 FGF2 和 HB⁃EGF 的作用,减弱了下游 MAPK 信号 及肿瘤增殖和血管生成因子,最终使体内肿瘤的生长 和转移受到抑制[31] .

2 .HSPG 在 GBM 中的研究现状

2.1  HSPG 与肿瘤微环境  

有研究表明,在肿瘤对TME 主要应激因素的适应反应中,HSPG 可能起到重要的作用. 由于失去控制的增殖与活性,恶性肿瘤细胞常有严重的缺氧和酸性应激,从而引起 TME 结构和功能的异常. GBM 细胞系 U87⁃MG 中,缺氧和酸中毒对 LDL 摄取的影响可被肝素有效的逆转. LDL 和VLDL能引起ERK1/2磷酸化,导致ERK/MAPK通路的激活,该激活在缺氧环境下更为显著,而在HSPG 缺陷细胞中,缺氧导致的 ERK1 / 2 磷酸化则被削弱[32] . 该研究结果证明缺氧时肿瘤细胞对脂蛋白的摄取高度依赖完整的 HSPG 表达和 HS 硫化 水平[33] .

此外,从肿瘤细胞表面脱落的 SDC1 与血管内皮 生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF) 的结合能够促进内皮的侵袭和血管形成[34] . 对小鼠 内皮细胞进行条件性敲除实验使 HSPG 成分减少,肿 瘤中 FGF2 和 VEGF 信号的传导将随之降低,而小鼠 体内肿瘤的血管形成也将减少[35] . 有趣的是,在这些 被敲除了基因的小鼠正常发育的组织中,血管的形成 并未受到影响,这提示我们可通过肿瘤组织与正常组 织中蛋白聚糖的不同,特异性地抑制肿瘤的血管形成 而不损伤正常组织的血管[34] .

2.2  HSPG 的修饰酶与肿瘤微环境  

HPSE、SULF1 以及 SULF2 已经被证明可以通过其酶修饰作用影响 一系列介导肿瘤生长和进展的蛋白. 这三种酶通过 以下信号通路发挥其作用.

首先,HPSE 和 SULF 通过修饰 HSPG 的 HS 链来改变 HSPG 相关的信号分子及其受体[7] . HPSE 对 HS 链的切除作用能够增加 VEGF 和 FGF2 等信号分 子的溶解度,从而促进一系列促肿瘤生长的信号通 路,如血管形成、细胞增殖和侵袭等,并可抑制肿瘤的 凋亡和转移[7,34,36] . 而 SULF1 和 SULF2 对肿瘤的作 用相反,其通过降低 FGF2,VEGF,双调蛋白( amphi⁃ regulin) ,HB⁃EGF 和 HGF 等信号蛋白对血管内皮 HS 的亲和性减弱这些与 HS 结合的生长因子的信号传 导作用[37-38] . 在 GBM 中,敲除 SULF2 会降低多种 RTK 信号通路的活性[39] ,包括 PDGFR⁃α, IGF1R⁃β 和 EPHA2 这三条被认为与星形胶质瘤生长和侵袭 有关的通路[26,40-41] . 此外,在相关的星形胶质瘤小鼠 模型中观察到,SULF2 的脱落会导致 PDGFR⁃α 的活 性降低,并减少肿瘤细胞的增殖,延长宿主的生存时 间[39] . 这些数据表明 SULF2 的表达对 GBM 的进展 十分重要.

其次,HPSE 与 HSPG 的脱落( shedding) 之间有 着密切关系,特别是 SDC1. SDC1 是一种与 GBM 预 后相关的蛋白聚糖. 在脱落酶( sheddases) 的作用下, SDC1 会从细胞表面脱落,使其所连接的信号蛋白从 原始表达细胞转移到其他细胞[43] ,从而将自分泌的 信号通路转变为旁分泌[44] .

另外,HPSE 和 SULF2 还能够调控 HSPG 在细胞表面的表达,由此促进 HS 依赖的信号传导. 如SULF2 能通过上调细胞表面蛋白聚糖 3 的水平激活Wnt 信号通路,从而促进 Wnt⁃Frz 复合体的形成,增强 Wnt⁃β⁃连环素信号通路[42] . 同样,HPSE 也能通过促进细胞表面 HSPG 的表达增强 FGF2、Wnt 和 FGF 等信号通路的传导[28,30,45] .

最新研究显示,HPSE 还能激活肿瘤细胞外泌体 的形成. 肿瘤细胞外泌体是与脂膜相连的细胞外囊 泡,它能够促进肿瘤细胞和周围细胞的联系,帮助修 饰肿瘤微环境,从而促进肿瘤的生长和播散[46] . 另有 研究发现,给予 GL261 小鼠 GBM 细胞重组 HPSE (recombinant HPSE, rHPSE)能够增强肿瘤细胞聚集 和生存能力,而给予其 HPSE 抑制剂 PG545 处理则 会减弱 GBM 的生长和繁殖[47] . 与野生型小鼠相比, GBM 在 HPSE 转基因小鼠中生长更快,而在 HPSE 基因敲除小鼠中生长更慢,提示 HPSE 的水平决定 GBM 的成瘤能力. 而 HPSE 基因敲除小鼠脑肿瘤周 围的胶质瘢痕比野生型小鼠脑内的要薄,说明 HPSE 的缺乏可能会影响宿主脑内星形胶质细胞和小胶质 细胞迁移到肿瘤微环境的能力[5] .

2.3  HSPG 是 GBM 潜在的诊断及判断预后的生物 标记物  

已有研究显示,HSPG 可以作为血液中的生物标记物. Kundu 等[5] 通过对 182 例患者的观察以及 含有不同数量 HPSE 的小鼠模型的研究发现,HPSE 在各级胶质瘤中的表达都比在正常脑组织中的高,其 中,高级别肿瘤相对于低级别肿瘤表达高. 此外, HPSE 蛋白表达低(<75%)的患者 3 年生存率显著高 于蛋白表达高的患者( >75%),HPSE 表达最低的人 群生存率最高.

如上文所述,HSPG 的核心蛋白 SDCs 在细胞信号传导中起到了重要的作用. 值得注意的是,脱落SDC 的胞外域可以在血浆或血清样本中被检测到,因此可以将其作为检测肿瘤恶性程度的生物标记物[7] .

另外,可以利用细胞表面 SDCs 的水平来判断 GBM患者的预后. Xu 等[48] 从基因和蛋白水平上分析了116 例胶质瘤患者 SDC1 的表达,并且比较了其表达与肿瘤级别和患者预后的关系. 结果证明高 SDC1 蛋白水平是胶质瘤患者预后较差的一个独立判断 指标[48] .

3 .研究现状与展望

HSPG 及其修饰酶是肿瘤微环境中重要的信号调控分子. HSPG 能够与受体竞争相关蛋白配体,抑 制信号传播,或者作为共同受体促进信号的传递,从 而调控相关的细胞信号通路,并调节肿瘤细胞的增 殖、迁移和粘附. 此外,它还能通过对 VEGF 相关信号 通路的调控,介导肿瘤中的血管形成. HSPG 的修饰 酶(HPSE 和 SULF)可通过修饰 HSPG 的 HS 链来影 响肿瘤微环境中的信号通路,并调控 HSPG 在细胞表 面的表达,促进信号的传导. HPSE 还可以促进 SDC1 从细胞表面的脱落和激活肿瘤外泌体的形成. HPSE 与 SULF 能够促进 GBM 中多种 RTK 信号通路的活 性,在肿瘤细胞的发展中起重要作用. 同时,HSPG 的 核心蛋白也能够作为酶底物与细胞膜相连,从而介导 细胞信号的传播.

HSPG 在 GBM 肿瘤微环境中重要的信号调控作 用提示我们其作为 GBM 治疗靶点的可行性. 通过 HSPG,可以调控与肿瘤相关的下游信号通路,从而抑 制肿瘤的发生. 此外,HSPG 及其修饰酶在前神经元 型和间质性 GBM 中表达的显著不同,说明 HSPG 具 有该肿瘤亚型特异性. 因此,可将其作为 GBM 不同 亚型的潜在治疗靶点. 前文提到的 PG545 就是一种 能抑制 GL261 肿瘤生长的 HPSE 抑制物,与之相似, SULF2 抑制剂 OKN⁃007 能显著降低 GL261 小鼠胶质 瘤模型中 VEGFR⁃2 的水平,从而减少肿瘤血管的生 成. SST0001 也是一种 HPSE 抑制剂,目前正处于多 发性骨髓瘤的临床I期实验中[49] . 此外,目前正处于胰腺癌的临床II期实验中的 HS 类似物 M402( 图 3) , 其临床前研究结果显示它可以抑制体内肿瘤细胞和 宿主细胞的功能,减少肿瘤中微血管的密度[50] . 诸多 HSPG 修饰酶抑制剂的临床前研究预示了其临床治 疗前景,有力证明了以 HSPG 为治疗靶点的可行性.

大量关于 GBM 相关分子研究的进展为我们提供 了基因靶向治疗的思路. HSPG 的实验室研究及临床前研究结果预示了其良好的靶向治疗前景. 构建能 够反映 GBM 遗传异质性的模型,加深对 HSPG 在不 同亚型 GBM 中的功能和致病机制的认识,使其转化 到临床应用中,最终为 GBM 患者开展精准治疗提供 新策略.

参考文献：略

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《转化医学电子杂志》，每月28日出版，本刊由第四军医大学出版社主办，第四军医大学唐都医院承办，杂志网址：http://www.ejotm.com