人乳头瘤病毒与癌症：感染、疾病传播和疫苗进展

摘要:人乳头瘤病毒（HPVs）感染人类的上皮细胞，它们的复制周期与上皮分化相关。已鉴定出200多种HPV基因型，每种HPV对组织和感染都显示出不同的特异性。HPV感染涉及足部、生殖器疣和手部病变的发展。HPV感染的证据揭示了HPV在头颈部鳞状细胞癌、食管癌、宫颈癌、头颈部癌、脑和肺部肿瘤中的作用。独立传统风险因素、不同的临床结果以及在特定人群和地理区域中的增加流行率，引起了对HPV感染的日益关注。HPVs的传播方式仍然不清楚。此外，近年来，有报道称HPVs的垂直传播。本综述总结了当前关于HPV感染、毒株、HPVs的临床意义、传播方式和疫苗接种策略的知识。

1. 引言

人乳头瘤病毒（HPVs）是一类属于乳头瘤病毒科的脱氧核糖核酸（DNA）病毒。它们专门适应其宿主生物体，并具有从免疫反应中隐藏自己的能力。目前已鉴定出200种病毒，其中大多数影响人类。这些HPVs针对分化的鳞状上皮，并主要与各种皮肤感染有关，皮肤和黏膜感染是主要的。在女性中，HPV感染与子宫颈部癌症有关。通常，HPVs的基因组形态和衣壳在乳头瘤病毒科内是相似的，此外，基因组序列和组织的变化以及氨基酸的变化导致了乳头瘤病毒的各种群体。HPVs的基因组DNA由三个不等的区域组成。E6和E7在宫颈癌的发展中显著参与。广义上，HPVs被分类为低风险HPVs（LR-HPVs）和高风险HPVs（HR-HPVs）。LR-HPVs高度负责皮肤和肛门生殖器疣，后者负责口咽癌、肛门生殖器癌，包括肛门、宫颈、阴道、外阴和阴茎癌。人乳头瘤病毒影响身体的不同区域（图1）。推荐使用四价、二价和9价疫苗来控制个体中与HPV相关的发病率。这些疫苗诱导对导致70%和90%的生殖器和皮肤疣和癌症的HPVs产生免疫。此外，对HPV感染在分子水平上的知识可以更好地理解HPVs感染的负担。在这篇综述中，我们分析了HPV相关癌症在个体中的分布，以及当前治疗的限制，并分析了这种疾病的负担。

图1. 人乳头瘤病毒及其在人类中的重要靶标。

2. 方法

本研究调查了人乳头瘤病毒及其疫苗方法的风险因素，并分析了几个实例来分析当前状态。为了检查已发表的研究出版物，我们将“人乳头瘤病毒”、“宫颈癌”、“女性”、“癌基因”、“食管癌”和“垂直传播”等关键词输入到包括Web of Science、PubMed和Google Scholar在内的搜索引擎中。获取了已发表出版物的标题、摘要和内容，然后进行了检查。搜索中只包括了英语出版物；没有检查非英语出版物。分析了同行评审和索引的期刊文章。没有考虑案例报告、给编辑的信、简短通讯和评论的分析，只有完整的研究出版物被选为分析。

3. 人乳头瘤病毒

HPVs是直径50-60纳米的小型双链DNA病毒，无包膜，属于乳头瘤病毒科。包围病毒的72个衣壳体是五聚体单体的副本，由五个相同的L1蛋白组成，附着一个L2蛋白。只有7-8 kb环状基因组DNA的一条链携带长末端区域、非编码区域和八个功能性早期(E-E8)和两个结构性晚期(L1和L2)蛋白(LTR)。在编码HPV18基因组的55 kDa主要衣壳蛋白(L1)的1.7 kb ORF中，有可变区和恒定区。前者，特定于许多HPV基因型，由包含表面特异性抗原表位的环(BC、DE、EF、FG和HI)组成，这些表位在细胞进入过程中与宿主的膜受体结合，并负责产生中和抗体。这些环在HPVs内部具有相同的三维结构，尽管它们保持多样性。后者位于同一HPV类型的高保守区域，并发挥相同的作用，如与膜受体结合和L1-L1和L1-L2的相互作用。由于存在与宿主的高亲和性域，触发免疫反应，特别是由于其能够自组装成高度免疫原性、非传染性病毒样颗粒，这种蛋白现在是几种HPV治疗研究(VLPs)的重点。

免疫原性表面环，已被确定为L1蛋白的高变区域，是决定独特毒力或疾病复发风险的HPV变异多样性的重要贡献者。此外，L1基因中自然发生的多态性有助于产生特异性的中和单克隆抗体。乳头瘤病毒颗粒的非包膜二十面体结构共享了常见的结构。它们的基因组有八个或九个ORFs，大小约为8000个碱基对。乳头瘤病毒基因组的短小限制了基因的数量，但由于基因表达需要利用许多启动子和复杂的剪接模式，编码蛋白的数量实际上更高。根据精细结构映射，病毒衣壳中有360个L1蛋白分子，它们被组织成72个衣壳体，每个衣壳体由五个L1分子组成，并具有类似于其他二十面体病毒的beta-jellyroll核心。L1蛋白的C末端尾部向附近的衣壳体延伸，并在其基部通过二硫键连接它们，这对于衣壳体之间的相互作用是必要的。

4. HPV和癌症

HPV病毒与宿主细胞核内的DNA整合，并调节癌蛋白(E6和E7)的表达。E6蛋白导致p53降解，导致p53活性丧失。为了降解它，形成了p53、E6和E6AP之间的复合物。在健康状态下，p53阻止细胞通过细胞周期的G1阶段并触发凋亡以实现宿主DNA修复。此外，E7与细胞周期依赖性激酶抑制剂结合，导致细胞周期控制丧失。HPV感染导致基底细胞产生病毒基因，这有助于病毒复制。为了开始复制，需要早期蛋白E1和E2。E2是E6和E7蛋白的转录抑制因子，调节这些基因的表达。病毒通过滚动圆过程整合到人类基因组中，这是其繁殖方式。

4.1. 人乳头瘤病毒与食管癌

食管癌（EC）是全球癌症死亡的主要原因之一，大约每年有500,000例EC病例和约406,000例死亡。移植患者和HIV患者的EC风险增加。在EC中，鳞状细胞癌（ESCC）和腺癌（EAC）是主要的细胞类型。这两种类型在东亚国家和各个发展中国家普遍存在。在西方世界，EAC的发病率正在上升约10%，与Barrett食管相关的这种疾病较少见。此外，EC的发病率因地理区域而异。流行病学调查揭示，大量饮酒、饮食致癌物暴露、微量营养素缺乏和吸烟可能导致ESCC。已应用多种方法确定HPV在ESCC感染中的作用。原位杂交（ISH）和聚合酶链反应（PCR）分析是确定HPV相关感染的常用方法。HPV相关感染的流行率很大程度上基于分析方法。Southern blot分析的流行率为17.6%，L1血清学为32.2%。然而，以前的荟萃分析没有显示任何基于检测方法的HPV-ESCC相关感染的变化。HPV感染与p16高表达无关，最近的分析显示p16不是确定ESCC中HPV感染的理想标记。

4.2. 人乳头瘤病毒在宫颈癌中的作用

宫颈癌是全球女性中常见的恶性肿瘤之一，大约有0.00035%的女性受到影响。HPV 18型和16型与宫颈癌、病变和前肿瘤性发育不良有关，并介导子宫宫颈的恶性化。HPV 16引起约50%的感染，而HPV 16和18型在全球范围内贡献了超过70%的宫颈癌。HPV-DNA在宿主细胞中通常很少见，宿主免疫系统可以迅速解决HPV感染。尽管一旦病毒遗传物质进入细胞，它可以有效地引起宿主细胞的快速肿瘤转化，但可用的HPV DNA不足以在宿主细胞中引起癌症，因为还需要其他表观遗传和遗传物质来促进癌症进展。有许多生物标记物用于确定HPV感染和宫颈癌的进展。第一组包含RNA和蛋白质，HPV DNA，已被证明具有最大的特异性和敏感性，用于诊断CIN2。第二组包括E7和E6生物标记物的确定，因为这两种蛋白质标记物涉及细胞周期停滞。通过酶联免疫吸附测定（ELISA）或免疫染色分析检测到的CDK抑制剂p16的过度表达，这个标记物用于分析细胞转化。表观遗传生物标记物的分析也有助于确定HPV，这反映了DNA甲基化（DNA被沉默或激活）。

4.3. 人乳头瘤病毒在头颈癌中的作用

口腔和口咽鳞状细胞癌主要与酗酒、吸烟和各种环境暴露有关。此外，约20%的这些癌症与这些风险因素无关。有报道称，与口咽癌发展相关的患者比与HPV和口咽癌相关的患者表现更差。后者显示出改善的可能性，并对治疗显示出改善的反应。因此，与HPV相关的癌症患者对放疗显示出改善的反应，并取得了改善的治疗结果。头颈鳞状细胞癌的发病率根据地理位置和人体的解剖区域而变化。头颈鳞状细胞癌在喉部和口腔区域的发病率较高，欧洲的死亡率最高，美国次之。头颈鳞状细胞癌在男性中的患病率高于女性。

4.4. 乳头瘤病毒在脑瘤发展中的作用

脑癌是与中枢神经系统和大脑相关的肿瘤。胶质母细胞瘤是神经上皮肿瘤的主要类型，约50-60%的神经上皮肿瘤是胶质母细胞瘤类型。胶质母细胞瘤多形性（GBM）显示出恶性原发性脑肿瘤，被认为是最致命的脑肿瘤类型中最糟糕的类型。在GBM的情况下，平均生存率在放疗、化疗和手术后约为14.6个月。GBM的五年生存率约为5.5%或更低。药物使用、酒精使用、摄入N-亚硝基化合物和吸烟与GBM没有显示出任何关联。此外，越来越多的共识和证据表明，各种病毒与GBM的关联。在美国人口中，GBM的发病率在成年人中为0.000032%。在GBM中确定HPV显示GBMs的增加水平受病毒影响。除了HPV外，分子标记物的表达有助于GBM的发展和进展。环氧化酶-2、表皮生长因子受体、p53和细胞周期蛋白D1的表达增加与治疗反应和治疗结果有关。由其他因素介导的GBM的病理状况尚不清楚，HPV被强烈认为是大脑癌症发展的原因。GBM通常在45-70岁的成年人的大脑半球中确定。此外，在儿童中确定了诸如松果体瘤、室管膜瘤、脑干胶质瘤和髓母细胞瘤等肿瘤。髓母细胞瘤通常出现在大脑的小脑区域，并可以传播到CNS的其他区域。组织病理学分析表明，髓母细胞瘤起源于未发育的原始细胞。此外，某些脑肿瘤如脑膜瘤是从CNS和大脑的膜发展而来的。

4.5. 人乳头瘤病毒与肺癌

肺癌是重要的癌症类型之一，也是导致死亡率增加的原因之一。仅在2012年，约有180万人受到肺癌的影响，其中女性的死亡率为491,200人，男性为1,098,700人。这种疾病的主要症状是疲劳、咳嗽、咳血和呼吸困难。大约40%的肺癌患者在第四期被诊断出来，约30%的患者在非常晚期被诊断。晚期被诊断的患者生存率降低，五年生存率仅为16%。肺癌主要分为两大类：小细胞肺癌（SCLC）和非小细胞肺癌（NSCLC）。SCLC约占感染的20%，NSCLC约占80%的肺部疾病。NSCLC进一步细分为鳞状细胞癌、腺癌和大细胞癌。小细胞和鳞状细胞癌与吸烟有关，而腺癌在非吸烟者中更为普遍。除了吸烟，还有多种风险因素，包括传染病和遗传病，如人乳头瘤病毒。HPV中的E6蛋白参与了p53蛋白的失活和降解。E7蛋白被认为是一种致癌蛋白，与类似口袋的蛋白质和肿瘤抑制蛋白有关。在HPV感染的肺细胞中，致癌蛋白与pRb-E2F复合体结合，并参与了E2F转录因子的释放。在呼出的冷凝水、支气管抽吸物、患者的外周血液和肺肿瘤组织中检测到HPV DNA。在肺组织中发现了HPV 16、HPV 18、HPV 30、HPV 31、HPV 33和HPV 39等类型。据报道，在腺癌中，女性病例中E6蛋白的表达高于男性个体。在鳞状细胞癌和腺癌中，报道了HPV 16基因组的存在。肺癌中HPV的流行率在亚洲高于欧洲。

4.6. 人乳头瘤病毒在皮肤鳞状细胞癌中的作用

鳞状细胞癌（SCC）是重要的非黑色素皮肤癌之一，紫外线照射、免疫抑制和白皙的皮肤是SCC的非常重要的风险因素。SCC发展中的主要致病因子之一是HPV。HPV在尖锐湿疣、寻常疣、肛门生殖器癌和头颈部的显著致病作用。此外，由于结果报告了相互矛盾的结果，SCC与HPV在人类群体之间的关系尚未完全阐明。此外，一些结果没有显示HPV在SCC中的明确结果。在免疫抑制患者的肿瘤中确定的HPV流行率比免疫正常人群更高。HPV可能作为发展cuSCC的共同致癌物，并且在受阳光保护的皮肤中观察到HPV DNA的流行。HPV扰乱了细胞凋亡和细胞DNA修复机制，这导致皮肤细胞极易受到基于紫外线的损伤。在免疫抑制患者中发现的HPV DNA量比正常个体更高。实验室分析中显示的病毒载量在肿瘤细胞中只有1/50 – 1/5000的细胞，揭示了并非所有肿瘤细胞都含有HPV的遗传物质。此外，从与皮肤癌相关或无关的个体拔下的头发中也检测到HPV DNA。大多数免疫抑制患者显示存在HPV-DNA的遗传物质。使用非病变皮肤的样本进行降解PCR和嵌套PCR分析显示，在免疫抑制个体中HPV的存在率为32–87%，而在免疫正常个体中约为12–59%。

5. 人乳头瘤病毒（HPV）的临床意义

HPV病毒学的知识对于理解癌症的发展至关重要。HPV基因组的特征和相关感染的描述有助于理解HPV在癌症中的主要作用。在HPV中，HPV18和HPV16是两种主要的HPV类型，贡献了约80%的宫颈癌。HPV16与食管鳞状细胞癌（ESCC）病例相关，而HPV18与ESCC感染有关。HPV感染的平均流行率为29%，范围从0%到78%。HPV感染率与地理起源有很大关系。在美国和澳大利亚，HPV感染的发病率较低，报道的ESCC每10万人约2.5例。在人类群体中，口腔感染中HPV的流行率约为4.5%，95%的头癌与HPV感染有关，95%的HPV 16感染与颈部癌症有关。HPV感染在扁桃体和舌根，并参与了口咽癌的发展。大约63%的口咽癌与人类群体中的HPV感染有关。与HPV感染相关的口咽癌的发病率较高，与性伴侣数量较多和年轻成年人有关。HPV感染还与颈部和头部癌症有关，主要是口咽（喉和扁桃体）癌症。在肺组织中HPV基因组DNA的存在在研究报告中各不相同，流行率因大洲和地理位置而异。在健康个体的血液细胞（如NK细胞、B细胞、中性粒细胞和树突细胞）中检测到高风险和低风险的HPV DNA。

6. HPV的传播

HPV感染也与非性传播途径有关，这一点以前已有报道。在胎盘细胞、生殖细胞和血液中，以及在儿童、婴儿和从未有过性关系的人选中检测到HPV DNA（图2）。

图2. HPV的垂直传播及HPV DNA的检测。

HPV通过唾液和其他接触传播给婴儿，而在某些情况下，母亲HPV呈阴性，结果令人困惑。在精液、精子细胞、男性生殖道的多个部位、卵巢、子宫内膜中发现HPV DNA，这表明HPV通常在受精时或受精后立即传播。在婴儿中，HPV诱导的病变被特征化，包括生殖器肛门和喉部病变，怀疑是宫内HPV传播。在胎盘、羊水和脐带中检测到HPV DNA。胎盘和绒毛组织都可能通过血液途径受到影响，因此，HPV最初是羊水细胞，然后是胎儿。HPV可能通过宫内传播，可能的途径是通过母体生殖道，并报道了脐带和羊水中的HPV-DNA。由于临床试验中异质率不同，HPV的垂直传播显示出不一致的结果。HPV阳性母亲将HPV感染传播给儿童。在生殖道感染HPV的母亲与分娩时HPV的垂直传播有关。来自宫颈拭子的实验证据表明，感染HPV的母亲比没有HPV感染的母亲传播HPV给后代的病毒载量更大。在怀孕期间，子宫可能会经历免疫和解剖变化，可能逐渐增加孕妇对HPV感染的敏感性。人类病毒如巨细胞病毒、HIV、HPV和巨细胞病毒会感染胎儿来源或胎盘细胞。在多形核细胞中确定HPV揭示了母体细胞的转移可能允许HPV病毒利用母胎屏障进入。

7. HPV疫苗

HPV疫苗用于控制这种病毒。预防性HPV疫苗是利用重组DNA技术从L1蛋白制备的。这些蛋白诱导宿主免疫细胞。疫苗诱导的免疫比自然感染介导的免疫更强，因为疫苗诱导的免疫更强大、更有效，并包括对非疫苗相关血清型的更多交叉保护。疫苗诱导的免疫反应由中和免疫球蛋白G抗体和细胞免疫介导。商业疫苗有Cervarix™和Gardasil®，这两种疫苗的组成不同。这些疫苗储存在玻璃瓶中，储存条件为2-8°C，建议一次性肌肉注射0.5 mL。HPV疫苗的适宜接种时间是在HPV感染暴露之前，即女孩11-12岁。建议9至26岁的男性使用Gardasil®。接种三次连续剂量的HPV疫苗后发展HPV抗体。结果显示，在第三次接种后抗体滴度最高，抗体水平保持在自然感染之上。老年女性比年轻女性有更高的HPV感染风险。年轻女性和性未经验的女孩将是HPV疫苗的最大受益者，最近的研究揭示了HPV疫苗在老年女性中的益处。Gardasil®疫苗针对HPV类型，如6型、11型、16型和18型，并在欧洲和美国获得批准。疫苗Gardasil®9比Gardasil®疫苗多针对五个额外的HPV靶标（HPA31、HPA33、HPA45、HPA52和HPA58）。2009年在美国和欧洲引入了针对（HPV 16和HPV18）的二价疫苗。接种9vHPV疫苗可以预防3%的喉癌、4%的口腔癌、21%的口咽癌、23%的外阴癌、25%的阴茎癌、61%的阴道癌、79%的肛门癌和90%的宫颈癌（图3）。截至2020年6月，超过55%的WHO成员国通过国家免疫计划启动了HPV疫苗接种。在22个国家进行了越来越多的报告，关于9vHPV和4vHPV在最小化HPV和相关感染对人类群体的影响方面的有效性。

8. 讨论

HPV感染被认为是最普遍的性传播感染。流行病学研究普遍发现，性伴侣的数量、首次性接触发生的年龄，以及伴侣之一有HPV感染的可能性，都与女性的HPV感染有关。较少情况下，HPV可以通过围生期传播，这发生在母亲分娩时，也见于其他微生物和病毒疾病的传播。高风险HPV菌株被认为更难以根除，因为它们损害了免疫防御，允许感染持续并发展成肿瘤。对抗HPV的第一道防线是身体的天然免疫力，然而，应该强调的是，从感染到癌症的转变是不常见的。通常情况下，HPV感染会导致细胞死亡、细胞变化和肿瘤生长。在有未计划的DNA复制的细胞中，HPV破坏了细胞周期的控制并阻止了凋亡。大约50%的人类群体对HPV疫苗不了解。有报道称，在美国年轻成年人中，感知到的HPV风险与HPV疫苗接种有利地相关。最近，关于HPV疫苗（包括预防性和治疗性）的研究已经大大扩展。根据在美国进行的一项研究，二价、四价和非价HPV疫苗是安全的，并且具有保护性和预防性的好处。疫苗的优势可能会因居住地的不同而有所不同，因为不同国家和地区有独特的HPV感染情况。因此，新兴和已建立的国家都应该集中精力为其公民创造一种适合的预防性HPV疫苗，并考虑年龄分层和区域类型。除了HPV，新兴的病毒疾病爆发在近年来迅速增长，并对人类生活产生了巨大影响，导致死亡率突然增加。

9. 结论

人乳头瘤病毒感染和肿瘤发展是许多研究小组几十年来研究的重要课题。此外，我们对HPV介导的发病机制仍存在重大差距。表达的E6和E7蛋白在肿瘤发展和进展中发挥了重要作用。下调这两种蛋白可能有助于减少癌症的发展。HPV影响身体的不同区域，包括宫颈、肺部、大脑、头部和颈部。疾病的传播方式和HPV的作用模式了解甚少。确定组织中与HPV相关的癌症发展将是开发和减轻人类HPV相关感染的关键。

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