基質(zhì)細胞衍生因子-1/CXCR4系統(tǒng)和結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移的相關(guān)性研究進展

王天寶 石漢平 韓方海 董文廣

結(jié)直腸癌(colorectal carcinoma，CRC)是最常見的惡性腫瘤之一,隨著經(jīng)濟發(fā)展，飲食習(xí)慣趨向于高蛋白、高脂肪、低纖維素變化，CRC發(fā)生率呈上升趨勢，大約每年增加4%，特別是結(jié)腸癌發(fā)生率迅速上升至第五位，而上海女性結(jié)腸癌發(fā)生率為惡性腫瘤的第2位。Dukes A、B、C及D期CRC的5年生存率大約為90%、65%、30%及20%，治療失敗的最主要原因是淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、遠處轉(zhuǎn)移及術(shù)后復(fù)發(fā)等。淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移是CRC的主要轉(zhuǎn)移方式之一，發(fā)生率為40%～50%，與腫瘤大小、浸潤深度以及分化程度有關(guān)。文獻報道T1至T4期結(jié)腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率約為10.0%、19.2%、40.3%及45.0%;直腸癌為23.1%、19.1%、50.3%及54.7%。高中分化腺癌組淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率為23.1%，低分化、未分化組為64.4%。CRC患者一旦出現(xiàn)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移,其預(yù)后明顯不良(5年生存率自65%～90%降為30%)。血行轉(zhuǎn)移最常見的部位是肝、肺，其次為腎上腺、卵巢、腦、腎、皮膚及脾臟等。在CRC患者初次就診時，30%～60%患者存在局部和(或)遠處轉(zhuǎn)移灶。CRC切除術(shù)后的局部復(fù)發(fā)，是CRC手術(shù)治療失敗和患者死亡的主要原因。局部復(fù)發(fā)是指CRC手術(shù)后原發(fā)腫瘤部位或手術(shù)野發(fā)現(xiàn)與原腫瘤病理相同的病灶，可伴有遠處轉(zhuǎn)移。常見的復(fù)發(fā)部位有吻合口、盆腔器官、會陰部、骨性骨盆及、淋巴結(jié)等，復(fù)發(fā)率為5%～45%，多出現(xiàn)在術(shù)后2～3年，未經(jīng)治療的復(fù)發(fā)患者中位生存期僅為8個月，總體效果差強人意[1]。

一、基質(zhì)細胞衍生因子-1/CXCR4系統(tǒng)的生物學(xué)功能

目前認為腫瘤的轉(zhuǎn)移是一個主動的、多步驟的、器官選擇性的過程。腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移受趨化因子的嚴格調(diào)控，不同組織器官來源的腫瘤具有特定的轉(zhuǎn)移方式及靶器官親嗜性，是靶器官特異性表達的多種趨化因子與腫瘤細胞表面的受體相互作用的結(jié)果。

基質(zhì)細胞衍生因子-1(stromal cell derived factor-1,SDF-1)屬于趨化因子亞家族，其cDNA長1776 bp，編碼區(qū)僅含有267 bp核苷酸序列的開放讀框，編碼89個氨基酸多肽。SDF-1有惟一的腫瘤細胞表面受體CXCR4(C-X-C chemokine receptor type 4)，這與其他趨化因子不同，這意味SDF-1/CXCR4系統(tǒng)有獨特的生物學(xué)功能。CXCR4 cDNA編碼352個氨基酸，是高度保守的G蛋白偶聯(lián)的跨膜受體，SDF-1與CXCR4結(jié)合后激活下游信號傳導(dǎo)途徑產(chǎn)生復(fù)雜的生物學(xué)效應(yīng)。已經(jīng)證實數(shù)種干細胞來源的實體腫瘤如腦部腫瘤、乳腺癌等腫瘤干細胞表達CXCR4，使它們逆SDF-1梯度遷移到表達SDF-1的器官(如淋巴結(jié)、肝臟、肺、骨)，說明了腫瘤轉(zhuǎn)移并不是一個隨機的過程，由此提出了一種新的腫瘤轉(zhuǎn)移理論“歸巢學(xué)說”，目前已經(jīng)有很多的研究證據(jù)支持。SDF-1在體內(nèi)很多組織器官高表達或者分泌，在外周與骨髓之間形成濃度梯度，有助于干細胞及祖細胞歸巢。SDF-1/CXCR4系統(tǒng)可以誘導(dǎo)干細胞遷移，參與許多組織發(fā)育修復(fù)，但不恰當?shù)母杉毎w移在許多病理過程(如腫瘤轉(zhuǎn)移)中也起重要作用。另外由于腫瘤快速生長，在部分區(qū)域常常血供不足造成低氧環(huán)境，促使低氧誘導(dǎo)因子大量分泌，后者上調(diào)腫瘤干細胞CXCR4的表達，這有助于腫瘤干細胞歸巢到產(chǎn)生SDF-1的部位，因此腫瘤干細胞遷移是腫瘤轉(zhuǎn)移的一個重要特點。腫瘤血管生成在維持腫瘤生長與促進轉(zhuǎn)移中起重要的作用。實體腫瘤快速生長容易導(dǎo)致部分區(qū)域缺氧，缺氧組織產(chǎn)生低氧誘導(dǎo)因子，誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子、SDF-1、CXCR4表達，促進腫瘤血管發(fā)生。SDF-1/CXCR4在緊鄰壞死區(qū)血管發(fā)生的部位表達，提示惡性腫瘤細胞利用SDF-1/CXCR4促進血管新生，維持腫瘤的生長[2-5]。

多數(shù)腫瘤細胞都廣泛表達趨化因子及其受體，并受自身網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控。目前研究表明有近23種惡性腫瘤表達CXCR4，腫瘤組織微環(huán)境中的間充質(zhì)細胞或骨髓衍生的間質(zhì)細胞可分泌SDF-1。SDF-1與CXCR4相互作用通過直接或者間接的機制促進腫瘤進展。CXCR4與SDF-1的結(jié)合可引起乳腺癌細胞內(nèi)骨架蛋白重排，調(diào)節(jié)細胞的運動能力，可使乳腺癌細胞內(nèi)的絲狀肌動蛋白顯著增加，細胞形成明顯的偽足，并呈劑量依賴性誘導(dǎo)乳腺癌細胞定向遷移和侵襲，CXCR4單克隆抗體可阻斷這一效應(yīng)。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)在嚴重聯(lián)合免疫缺陷的小鼠用抗CXCR4的單克隆抗體能有效地抑制人乳腺癌移植瘤的肺部轉(zhuǎn)移，其抑制率可達61%～82%，提示SDF-1和CXCR4的同步高表達在決定乳腺癌器官特異性轉(zhuǎn)移的部位上起著非常關(guān)鍵的作用[6]。Belperio等[7]證實SDF-1/CXCR4系統(tǒng)在非小細胞性肺癌的器官特異性轉(zhuǎn)移中也發(fā)揮重要作用。手術(shù)切除的非小細胞性肺癌組織和細胞系均表達CXCR4，而不表達SDF-1。在SDF-1的刺激下，CXCR4陽性的非小細胞性肺癌細胞系會發(fā)生趨化反應(yīng)。最常見轉(zhuǎn)移的靶器官如腎上腺、骨髓、肺和肝組織中SDF-1的表達高于原發(fā)腫瘤組織和血清，由此形成SDF-1濃度梯度，有利于腫瘤細胞轉(zhuǎn)移歸巢?？傊?，SDF-1/CXCR4涉及到腫瘤發(fā)生與發(fā)展的各個主要方面：增殖、轉(zhuǎn)移及新生血管形成等。

二、SDF-1/CXCR4系統(tǒng)與結(jié)直腸癌局部及遠處轉(zhuǎn)移的關(guān)系

SDF-1/CXCR4在結(jié)直腸癌組織中高度表達，表達的強度與腫瘤分期、淋巴及遠處轉(zhuǎn)移相關(guān)。Schimanski等[8]報道人類結(jié)直腸癌組織及細胞系不同強度表達CXCR4和CCR7，但只有CXCR4表達強度與疾病分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移及遠處轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。Ottaiano等[9]用免疫組化分析結(jié)直腸癌組織中CXCR4的表達時發(fā)現(xiàn)：與非腫瘤組織(正常黏膜組織及息肉組織)相比所有的原發(fā)腫瘤組織以及轉(zhuǎn)移組織中CXCR4都呈過度表達。CXCR4在較大的分化較差的息肉中表達高于增生型小息肉，表明CXCR4的表達與息肉惡性程度正相關(guān)。CXCR4在6種人類結(jié)直腸癌細胞系中有不同程度的表達，在SW620、SW48、SW480三系中高度表達。CXCR4調(diào)節(jié)結(jié)直腸癌細胞的黏附與趨化作用、增強細胞運動能力及促進腫瘤轉(zhuǎn)移，是結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移不可缺少的細胞表面受體。實驗發(fā)現(xiàn)SDF-1調(diào)節(jié)SW480細胞黏附、趨化及細胞形態(tài)。在培養(yǎng)基中分別加入50 ng/ml和100 ng/ml的SDF-1可以分別增強SW480細胞2倍與3倍的黏附作用，用10 μg/ml抗CXCR4單克隆抗體預(yù)處理后能夠顯著降低SW480細胞依賴SDF-1的黏附作用。SDF-1與肝細胞提取物能夠分別增強SW480細胞的遷移能力，檢測發(fā)現(xiàn)肝細胞提取物中存在SDF-1。SDF-1可以重塑SW480細胞的細胞骨架，用100 ng/ml SDF-1處理SW480細胞后可以觀察到細胞變成紡錘體形，并且形成偽足及突狀結(jié)構(gòu)，細胞膜的流動性增加，這也說明SDF-1增強細胞的運動能力[10]。Kollmar等[11]研究表明在鼠結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移模型中，SDF-1能夠刺激結(jié)直腸腫瘤細胞增殖和抑制細胞凋亡。研究還發(fā)現(xiàn)CXCR4是結(jié)直腸癌肝臟微轉(zhuǎn)移灶中腫瘤細胞增殖所必需的。SDF-1上調(diào)結(jié)直腸癌細胞表達ICAM-1(intercellular adhesion molecule 1)，ICAM-1有利于結(jié)直腸癌細胞與內(nèi)皮組織黏附及在遠處臟器中種植，增強腫瘤進展和轉(zhuǎn)移。事實上血漿中ICAM-1水平與疾病分期，淋巴結(jié)及遠處轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，腫瘤根治術(shù)后ICAM-1水平明顯下降。SDF-1可以促進結(jié)直腸腫瘤血管新生，維持腫瘤增殖生長，增強侵襲與轉(zhuǎn)移。同時也促進腫瘤細胞表達黏附分子，增強腫瘤細胞的侵襲性。CXCR4是結(jié)直腸癌細胞轉(zhuǎn)移所必要的，在結(jié)直腸癌細胞用KDEL序列轉(zhuǎn)染到SDF-1基因后表達融合蛋白SDF-1/KDEL,癌細胞可被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中KDEL受體滯留于其中，SDF-1在此結(jié)合CXCR4，CXCR4不能到達癌細胞表面，于是這些癌細胞向肝、肺轉(zhuǎn)移顯著減少或被完全阻斷。SDF-1以自分泌和旁分泌方式增強結(jié)直腸癌細胞增殖生長，文獻報道SDF-1增強結(jié)直腸癌細胞系SW480與SW620細胞的增殖。在無血清培養(yǎng)基中加入SDF-1可以維持SW480和SW620細胞生存并在24 h后可以觀察到細胞增殖?？笴XCR4單克隆抗體(10 μg/ml)可以顯著地阻斷SDF-1激活的細胞增殖作用[12]。Ottaiano等[9-10]研究結(jié)果顯CXCR4與血管內(nèi)皮生長因子高表達與結(jié)直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移站數(shù)及遠處轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。CXCR4陽性和血管內(nèi)皮生長因子陽性的腫瘤細胞更易發(fā)生淋巴結(jié)和遠處轉(zhuǎn)移，提示CXCR4與血管內(nèi)皮生長因子協(xié)同促進淋巴結(jié)及遠處轉(zhuǎn)移。CXCR4與血管內(nèi)皮生長因子同時高表達預(yù)后較差，預(yù)示結(jié)直腸癌早期復(fù)發(fā)，CXCR4與血管內(nèi)皮生長因子兩者聯(lián)合可能成為估計預(yù)后以及監(jiān)測腫瘤復(fù)發(fā)的重要因子。另外還發(fā)現(xiàn)SDF-1刺激結(jié)直腸癌細胞分泌血管內(nèi)皮生長因子，血管內(nèi)皮生長因子促進腫瘤生長和腫瘤血管新生。SDF-1在轉(zhuǎn)移灶(肝、肺、及淋巴結(jié))高表達，因此可以通過促進血管內(nèi)皮生長因子的生成誘導(dǎo)血管新生來進一步促進轉(zhuǎn)移灶生長。Brand等[13]報道在結(jié)直腸癌細胞系HT-29中SDF-1刺激誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子mRNA的表達并提高血管內(nèi)皮生長因子水平。彭亦良等[14]研究表明SDF-1和血管內(nèi)皮生長因子的表達與結(jié)腸癌的浸潤深度、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移及TNM分期有關(guān)；SDF-1與血管內(nèi)皮生長因子之間表達呈正相關(guān)，結(jié)腸癌組織中SDF-1和血管內(nèi)皮生長因子表達均顯著增高，兩者共同促進結(jié)腸癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。

三、CXCR4 RNA干擾的研究進展

De Falco等[15]運用質(zhì)粒介導(dǎo)CXCR4 RNA干擾可以阻斷未分化甲狀腺癌細胞的增殖分化，降低細胞外信號調(diào)節(jié)激酶的磷酸化，提示CXCR4阻斷有可能成為治療甲狀腺癌的新方法。Anderson等[16]應(yīng)用慢病毒介導(dǎo)CXCR4 RNA干擾明顯遏制Ghost細胞株對HIV-1病毒的感染，可能成為抗AIDS的基因治療方法。Liang等[17]報道證實CXCR4系統(tǒng)是乳腺癌轉(zhuǎn)移的重要通路，應(yīng)用RNA干擾阻斷CXCR4表達可抑制乳腺癌細胞株侵潤與轉(zhuǎn)移。Smith等[18]報道高轉(zhuǎn)移性的乳腺癌細胞原位移植瘤生長迅速，小鼠大部分死于轉(zhuǎn)移，在給予CXCR4 RNA干擾處理組，瘤株生長緩慢，未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移灶，提示CXCR4 RNA干擾可以提高轉(zhuǎn)移性乳腺癌的治療效果。張樹成等[19]利用CXCR4 RNA干擾質(zhì)粒高效特異地抑制人乳腺癌細胞中CXCR4基因的表達，遏制乳腺癌細胞轉(zhuǎn)移和侵襲能力。Chen等[20]應(yīng)用CXCR4 RNA干擾可顯著抑制乳腺癌細胞的遷移。陳東平等[21]運用慢病毒介導(dǎo)CXCR4 RNA干擾，轉(zhuǎn)染骨髓干細胞48 h后，CXCR4 mRNA水平抑制了95.6%，有效沉默CXCR4基因表達，進而阻斷乳腺癌腫瘤細胞的遷移浸潤。Rubie等[22]報道顯示SW480細胞過表達CXCR4，采用RNA干擾技術(shù)可降低該細胞的遷移特性。Heckmann等[23]報道CXCR4過表達促進SW480細胞基于SDF-1濃度梯度而出現(xiàn)趨化和遷移，以慢病毒為載體介導(dǎo)CXCR4 RNA干擾，敲除CXCR4基因，顯著降低SW480細胞株的遷移特性。

總之，目前研究證實SDF-1/CXCR4系統(tǒng)在結(jié)直腸癌淋巴及血行轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用，理論推測阻斷SDF-1/CXCR4趨化反應(yīng)系統(tǒng)有望阻止局部及遠處轉(zhuǎn)移。隨著對SDF-1/CXCR4作用及調(diào)節(jié)機制的深入了解，CXCR4有可能成為治療CRC轉(zhuǎn)移的靶分子，有望解決CRC易于轉(zhuǎn)移的臨床難題，從而為廣大CRC患者改善預(yù)后帶來希望。

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