CAFs的活化機(jī)制及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

陳 曦,楊力芳,李 丹*

(1.湖南大學(xué)生物學(xué)院,中國湖南長沙 410082;2.中南大學(xué)腫瘤研究所,中國湖南長沙 410008)

腫瘤的發(fā)生發(fā)展是多階段、多步驟、多因素等綜合作用和發(fā)展的過程,受多個(gè)基因的精密調(diào)控,涉及到腫瘤細(xì)胞本身的生物學(xué)特性和腫瘤細(xì)胞與腫瘤微環(huán)境的相互作用等[1]。腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment)是一個(gè)動態(tài)網(wǎng)絡(luò),包括腫瘤細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞以及圍繞著它的細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)[2]。間質(zhì)細(xì)胞由許多不同類型的細(xì)胞構(gòu)成,主要包括內(nèi)皮細(xì)胞、周皮細(xì)胞、纖維細(xì)胞以及多種免疫細(xì)胞[3],其中免疫細(xì)胞主要包括巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、髓系祖細(xì)胞以及淋巴細(xì)胞[4]。腫瘤細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞均能分泌細(xì)胞外基質(zhì)成分,如纖連蛋白、膠原蛋白、蛋白多糖、糖蛋白、生長因子和基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)[5]。這些來自各種細(xì)胞的分泌物都能影響腫瘤微環(huán)境。此外,上皮和間質(zhì)細(xì)胞間的交流對于腫瘤的發(fā)生發(fā)展也同樣至關(guān)重要[6]。

纖維細(xì)胞是位于大多數(shù)器官結(jié)締組織中具有低增殖能力的梭形細(xì)胞,能促進(jìn)ECM的重塑,從而維持基質(zhì)的穩(wěn)定,并確定器官的結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械性能[7]。纖維細(xì)胞是一種干細(xì)胞,它能分化為成纖維細(xì)胞(normal fibroblasts,NFs)。腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer associated fibroblasts,CAFs)位于腫瘤或腫瘤邊緣[8],是一種具有多種來源的異質(zhì)細(xì)胞群,其中大部分來源于成纖維細(xì)胞,極少數(shù)來源于其他細(xì)胞,包括間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)、上皮細(xì)胞、周皮細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞[9]。腫瘤基質(zhì)中的CAFs可以根據(jù)其形態(tài)和特定的識別標(biāo)志被區(qū)分開來。α-平滑肌肌動蛋白(alpha-smooth muscle actin,α-SMA)是識別CAFs用的最為廣泛的標(biāo)志[10],成纖維細(xì)胞活化蛋白(fibroblast activation protein,FAP)是一種膜蛋白,它在各種類型人上皮癌細(xì)胞活化的CAFs中選擇性表達(dá)[11]。此外,成纖維細(xì)胞特異蛋白(fibroblastspecific protein,FSP)、波形蛋白(vimentin)、血小板衍生生長因子受體(platelet-derived growth factor receptor,PDGFR)α和β也在CAFs中表達(dá)[12]。這些蛋白質(zhì)在CAFs中的表達(dá)量明顯高于NFs,是CAFs的標(biāo)志性分子。這些標(biāo)記分子沒有一個(gè)是在CAFs中唯一表達(dá)的,而且大多數(shù)并非同步表達(dá)。CAFs能通過旁分泌或者自分泌的方式分泌一些細(xì)胞因子,作用于腫瘤細(xì)胞,導(dǎo)致其含有更具攻擊性的腫瘤表型。目前認(rèn)為CAFs可釋放生長因子和細(xì)胞因子進(jìn)入血液循環(huán),促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、血管的新生,也可通過改變腫瘤細(xì)胞與ECM黏附力,或增加MMPs的表達(dá),促進(jìn)ECM降解,直接或間接調(diào)控腫瘤的發(fā)生發(fā)展[13]。同樣,它還能強(qiáng)化腫瘤特征,包括耐藥性、ECM調(diào)控、慢性炎癥以及侵襲能力[4]。因此,深入研究CAFs的活化途徑、機(jī)制其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用具有重要意義。

1 CAFs的活化機(jī)制

研究認(rèn)為CAFs主要來源于腫瘤周圍間質(zhì)組織中的NFs,此外也可來源于腫瘤干細(xì)胞和腫瘤間質(zhì)的其他細(xì)胞。NFs可經(jīng)腫瘤微環(huán)境中一些可溶性的信號分子誘導(dǎo)活化;癌蛋白也是除細(xì)胞因子外的重要活化因素;另外,miRNA也可使NFs向CAFs轉(zhuǎn)化或激活,從而調(diào)控腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

1.1 細(xì)胞因子

在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中,位于腫瘤細(xì)胞附近的纖維細(xì)胞或其他細(xì)胞能通過自我調(diào)節(jié)使其遺傳或表觀遺傳發(fā)生改變,或者通過腫瘤細(xì)胞對其的調(diào)控來進(jìn)行活化[14]。纖維細(xì)胞通常能被腫瘤細(xì)胞和其他的基質(zhì)細(xì)胞所分泌的細(xì)胞因子活化,主要包括轉(zhuǎn)化生長因子β(transformation growth factor-β,TGF-β)、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、堿性成纖維細(xì)胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)、上皮生長因子(epithelial growth factor,EGF)、趨化因子CXCL12[15]、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)(bone morphogenetic protein,BMP)等等。細(xì)胞與細(xì)胞之間的通訊主要是通過黏附分子進(jìn)行,包括細(xì)胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)和血管細(xì)胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1),它們也能使纖維細(xì)胞活化[16]。

TGF-β是一個(gè)多功能的細(xì)胞因子,能調(diào)控各種類型細(xì)胞的生長、分化和遷移[17],被認(rèn)為是最能有效誘導(dǎo)NFs向CAFs轉(zhuǎn)化的細(xì)胞因子[18]。在卵巢纖維細(xì)胞中,TGF-β能夠直接靶向多能蛋白聚糖(versican,VCAN),并上調(diào)其表達(dá)量,使NFs活化為CAFs。研究表明,VCAN在CAFs中的表達(dá)是通過TGF-β受體Ⅱ和SMAD信號調(diào)控的。TGF-β能上調(diào)CAFs中VCAN的表達(dá)量,上調(diào)的VCAN又能激活核因子 κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路,進(jìn)而上調(diào)CD44、MMP6和透明質(zhì)酸介導(dǎo)的運(yùn)動感受器(hyaluronic acid-mediated motion receptor,HMMR)的表達(dá),從而促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移能力[19]。也有研究表明,TGF-β可以誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖,并將其表型轉(zhuǎn)化為NFs,隨后進(jìn)一步將其活化為CAFs[20]。這種內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(endothelial-mesenchyal transformation,EndMT)與間質(zhì)標(biāo)記FSP1的出現(xiàn)和CD31/PECAM的下調(diào)有關(guān)。TGF-β2能夠誘導(dǎo)間質(zhì)轉(zhuǎn)化,使人微血管內(nèi)皮細(xì)胞(human microvascular endothelial cells,HMEC-1 cells)分化為具有CAFs特性的細(xì)胞,比如具有細(xì)長的細(xì)胞形態(tài)、應(yīng)力纖維組織調(diào)控能力提高、α-SMA高表達(dá)以及RhoA和Rac-1信號通路的激活[21]。PDGF是一種生長因子,與纖維化、血管生成以及腫瘤發(fā)生有關(guān)[22,23]。在肝星形細(xì)胞中,PDGF能將其活化為CAFs,而視黃素則能通過抑制PDGFRα/β的表達(dá),從而抑制肝星形細(xì)胞向CAFs的轉(zhuǎn)化[24]。在腫瘤早期階段,NFs中的免疫細(xì)胞所分泌的白介素-1β (interleukin-1β,IL-1β)能誘導(dǎo)激活 NF-κB信號通路,促進(jìn)早期炎癥以及腫瘤的發(fā)生[25]。癌細(xì)胞分泌的VEGF也能活化NFs[26],它在血管滲漏形成中起著關(guān)鍵性的作用,能通過提高血管滲透性,導(dǎo)致反應(yīng)性血管周圍區(qū)域含有纖維蛋白和血小板,從而促進(jìn)免疫細(xì)胞的積累、內(nèi)皮細(xì)胞的增殖以及 NFs的活化[27]?？偟膩碇v,TGF-β、PDGF、VEGF等細(xì)胞因子主要通過NFs內(nèi)的NF-κB、ERK和AKT等信號通路來調(diào)節(jié)纖維化相關(guān)基因的表達(dá)(圖1)[28],從而介導(dǎo)NFs活化為CAFs[29]。

1.2 癌蛋白

圖1 細(xì)胞因子活化CAFs(根據(jù)文獻(xiàn)[28]修改)Fig.1 The activation of CAFs by cytokines(modified according to the reference[28])

c-Ski是一個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,通過與輔阻遏物或轉(zhuǎn)錄因子的直接結(jié)合來抑制其靶基因轉(zhuǎn)錄[30,31],已被證明可以促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展,在一些實(shí)體瘤包括白血病、黑色素瘤、大腸癌組織、胃癌和胰腺癌中高表達(dá)[32～36]。癌蛋白c-Ski可以通過抑制p53的表達(dá)來促進(jìn)基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(stromal cellderived factor 1,SDF-1)的分泌,從而使NFs向CAFs轉(zhuǎn)化[37]。Snail、ZEB和Twist蛋白被認(rèn)為是EndMT的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,均能在胚胎發(fā)育過程中表達(dá)并調(diào)控其發(fā)育[38],也能影響細(xì)胞多能性[39,40]。在成人腫瘤上皮細(xì)胞中異常活化的EndMT轉(zhuǎn)錄因子可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的可塑性,并引發(fā)腫瘤的起始和轉(zhuǎn)移[41]。TGF-β和PDGF-BB能通過磷脂酰肌醇-3激酶信號通路來上調(diào)Snail1的表達(dá),從而活化NFs[42];炎癥細(xì)胞因子IL-6通常能在腫瘤細(xì)胞中表達(dá),誘導(dǎo)纖維細(xì)胞中Twist1的表達(dá),再通過STAT3磷酸化來活化NFs為CAFs[43]。有研究報(bào)道,Twist1能上調(diào)膠原蛋白α1達(dá)到相同的目的[44]。此外,ZEB1可能參與口腔黏膜下表皮纖維化的發(fā)病過程,其主要通過激活α-SMA編碼基因的啟動子來誘導(dǎo)口腔黏膜細(xì)胞向CAFs轉(zhuǎn)化[45]。

1.3 miRNA

miRNA是小非編碼RNA分子,能在轉(zhuǎn)錄后水平負(fù)調(diào)控基因的表達(dá),它們的靶基因通常都能影響細(xì)胞分化、黏附、遷移、增殖、分泌和細(xì)胞間相互作用。有報(bào)道指出miRNA能使多種體細(xì)胞變?yōu)槎嗄芨杉?xì)胞[46]。其實(shí),miRNA也可發(fā)揮使NFs向CAFs轉(zhuǎn)化或激活的作用(表1)[47],從而調(diào)控腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

除表1所呈現(xiàn)信息外,在卵巢CAFs細(xì)胞中,miR-155上調(diào),而miR-31和miR-214下調(diào)。C-C類趨化因子配體5(CCL5)被鑒定是miR-214的靶標(biāo)分子,研究證明,當(dāng)NFs和腫瘤細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí),卵巢癌細(xì)胞能通過調(diào)控miR-214靶向CCL5,使NFs向CAFs轉(zhuǎn)化[46]。胰腺癌細(xì)胞能誘導(dǎo)NFs轉(zhuǎn)化為CAFs,同樣,CAFs也能促進(jìn)腫瘤的侵襲和增殖。微泡(microvesicles,MVs)已被證明是細(xì)胞間通訊的重要介質(zhì),可以從供體細(xì)胞選擇性地運(yùn)輸并釋放miRNA,從而使其被受體細(xì)胞吸收。當(dāng)用胰腺癌細(xì)胞分泌的含miR-155的MV處理NFs時(shí),能將miR-155轉(zhuǎn)移到NFs中,TP53INP1是miR-155的靶基因,miR-155能通過下調(diào)TP53INP1蛋白的表達(dá),使NFs活化為CAFs[48]。在肺癌中,相較于NFs,CAFs中miR-1和miR-206明顯下調(diào),而miR-31上調(diào),VEGF/CCL2和 FOXO3a分別是miR-1、miR-206和miR-31的靶標(biāo)分子,在NFs中可通過miRNA介導(dǎo)激活FOXO3a/VEGF/CCL2信號通路,從而促進(jìn)NFs向CAFs的轉(zhuǎn)化[49]。黑色素瘤起源于表皮,侵入真皮后發(fā)生轉(zhuǎn)移,在入侵前通過miRNA直接影響真皮腫瘤的形成。黑色素小體攜帶miRNA進(jìn)入NFs后能引發(fā)其發(fā)生改變,包括提高增殖、轉(zhuǎn)移能力以及促進(jìn)炎癥基因的表達(dá),這也就是我們所知的CAFs特性。有研究報(bào)道,黑色素瘤中黑色素小體能攜帶miR-211至NFs,作用于IGF2R,從而激活MAPK信號通路,使之向CAFs轉(zhuǎn)化,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移[50]。

2 CAFs在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

腫瘤生長依賴于癌細(xì)胞的異常和不可控增殖,微環(huán)境的變化對其也有影響。越來越多的研究報(bào)道,在腫瘤微環(huán)境的基質(zhì)細(xì)胞中,CAFs可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長、侵襲轉(zhuǎn)移、血管生成以及放化療抵抗[51,52]。

2.1 CAFs與腫瘤生長

CAFs能通過自分泌或旁分泌產(chǎn)生一些細(xì)胞因子,促進(jìn)腫瘤的生物學(xué)特性。另外,一些經(jīng)典的生長因子,包括EGF、肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)以及CAFs分泌的特異性蛋白質(zhì)(例如:分泌型卷曲相關(guān)蛋白1、胰島素樣生長因子家族1和2)和膜分子(例如:整合素α11和多配體聚糖-1)也被確定能支持腫瘤細(xì)胞的發(fā)生發(fā)展[53]。這些因素直接或間接地影響腫瘤細(xì)胞的生長和存活,或者增強(qiáng)它們的侵襲轉(zhuǎn)移能力。還有研究報(bào)道,CAFs分泌的趨化因子進(jìn)入腫瘤微環(huán)境能夠招募骨髓來源的細(xì)胞(bone marrow-derived cells,BMCs)以及免疫細(xì)胞[54]。這些趨化因子和細(xì)胞因子分泌到腫瘤微環(huán)境中也能夠促進(jìn)腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移能力。CAFs影響腫瘤的生長,部分是依賴于誘導(dǎo)血管生成的能力,主要是通過CAFs介導(dǎo)的SDF-1和招募骨髓來源的內(nèi)皮細(xì)胞[55]。

表1 miRNA調(diào)控CAFs的活化機(jī)制(根據(jù)文獻(xiàn)[47]修改)Table 1 miRNAs regulate the activation of CAFs(modified according to the reference[47])

2.2 CAFs參與腫瘤細(xì)胞的血管生成

VEGF是最早被確定為血管和淋巴管生成的一種多功能細(xì)胞因子[56]。腫瘤和間質(zhì)細(xì)胞相互作用可以導(dǎo)致VEGF的表達(dá)增加,CAFs是VEGF的主要來源[57]。PDGF/PDGFR信號通路是參與血管生成的重要調(diào)控途徑。PDGFs能招募間質(zhì)纖維細(xì)胞分泌的VEGF,從而間接促進(jìn)血管生成[58]。此外,PDGF能招募并誘導(dǎo)骨髓細(xì)胞形成內(nèi)皮或平滑肌細(xì)胞,隨后PDGF再促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移。PDGF-B由內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生,可誘導(dǎo)周皮細(xì)胞遷移到血管壁,維持內(nèi)皮細(xì)胞的穩(wěn)定性,從而導(dǎo)致腫瘤血管生成[59]。腫瘤細(xì)胞還可以刺激纖維細(xì)胞分泌IL-6,進(jìn)一步誘導(dǎo)血管生成[60]。

2.3 CAFs調(diào)控腫瘤細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移

活化的纖維細(xì)胞對于轉(zhuǎn)移瘤的再次發(fā)育有著重要的作用,在原發(fā)位點(diǎn)CAFs通過釋放生長因子和細(xì)胞因子進(jìn)入血液循環(huán)提高其轉(zhuǎn)移能力,從而直接或者間接地遠(yuǎn)距離促進(jìn)腫瘤的生長和侵襲轉(zhuǎn)移能力[61～63]。CAFs也可以在原發(fā)瘤處影響ECM的強(qiáng)度,增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的遷移能力[64],還可產(chǎn)生ECM軌道引導(dǎo)腫瘤細(xì)胞遷移[65]。YAP是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,它可以被CAFs激活,增強(qiáng)ECM剛性和提高腫瘤細(xì)胞的侵襲能力[66]。此外,有研究報(bào)道在CAFs中下調(diào)miR-148a的表達(dá),能上調(diào)其靶基因WNT10B的表達(dá),提高Wnt的活性,進(jìn)而促進(jìn)子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞的侵襲能力[67]。同樣,在前列腺癌中,通過激活A(yù)KT和細(xì)胞外信號調(diào)控激酶信號通路來下調(diào)CAFs中的miR-15和miR-16,可增強(qiáng)前列腺癌的遷移能力并促進(jìn)血管生成[68]。在肺癌中,CAFs可以通過分泌IL-6增強(qiáng)肺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移潛能,進(jìn)而激活JAK2/STAT3信號通路。當(dāng)用IL-6中和抗體或JAK2/STAT3特異性抑制劑抑制IL-6/STAT3信號通路時(shí),便能逆轉(zhuǎn)CAFs對肺癌細(xì)胞遷移的促進(jìn)作用[69]。

2.4 CAFs和化療、放療抵抗

如今,在腫瘤的放射治療中普遍存在放療抵抗現(xiàn)象,它可能與腫瘤微環(huán)境中的CAFs有關(guān)。比如,結(jié)腸癌患者放射治療中存在放療抵抗,CAFs通過分泌外泌體(exosome)促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞的干性,從而增強(qiáng)其放射抵抗的能力[70];在食管癌中,CAFs能通過分泌趨化因子CXCL1來調(diào)控食管癌細(xì)胞的DNA損傷修復(fù),從而介導(dǎo)食管癌細(xì)胞產(chǎn)生顯著的放療抵抗性[71]。

早期的研究指出:器官特異性微環(huán)境有耐藥性作用[72]。而腫瘤微環(huán)境中的CAFs則成為促進(jìn)癌細(xì)胞逃避抗癌治療的關(guān)鍵因素。目前,與基質(zhì)有關(guān)的一些抵抗機(jī)制主要包括如下調(diào)控通路:腫瘤細(xì)胞-ECM相互作用、CAF-ECM黏附作用以及細(xì)胞因子或趨化因子介導(dǎo)的信號通路[73,74]。CAFs也可參與腫瘤間質(zhì)液壓力的提高,從而間接抑制抗癌藥物的攝取[75]。還有研究表明,CAFs調(diào)控的免疫調(diào)節(jié)、促血管生成以及對腫瘤微環(huán)境的代謝調(diào)控也可能有助于癌細(xì)胞的存活[76,77]。與癌細(xì)胞相比,CAFs在基因上相對穩(wěn)定,降低了發(fā)生耐藥性的可能,從而作為潛在的治療靶點(diǎn),減少了化療抗性發(fā)展的機(jī)會[76,78]。

為了克服CAFs介導(dǎo)的耐藥性,臨床上正在對幾種藥物的聯(lián)合治療進(jìn)行測試,通過分析基質(zhì)反應(yīng)和患者對治療的適應(yīng)情況,并對了解到的CAFs-腫瘤細(xì)胞信號在治療過程中的具體情況進(jìn)行整合歸納,可得出較為完善的治療方法。如,透明質(zhì)酸[79,80]或抗血管生成的降解療法[81,82]可能是一種改革的新方法,它能使腫瘤血管正?；?從而能對實(shí)體瘤中的癌細(xì)胞更有效地進(jìn)行化療,或促進(jìn)免疫介導(dǎo)的抗癌療效。此外,通過酶分解CAFs沉積的ECM等方法也在進(jìn)一步研究中。

3 結(jié)語

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(world health organization,WHO)的統(tǒng)計(jì),癌癥正在成為世界上導(dǎo)致死亡的最大原因,僅次于心血管疾病[16]。腫瘤的發(fā)生發(fā)展與腫瘤微環(huán)境的關(guān)系密不可分。腫瘤微環(huán)境主要包括腫瘤細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞,CAFs是腫瘤微環(huán)境中的重要組成部分,它主要通過纖維細(xì)胞活化而來。纖維細(xì)胞可以被各種可溶性的信號因子、癌蛋白以及miRNA活化,活化的CAFs又可以通過自分泌和旁分泌作用于腫瘤細(xì)胞,從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的發(fā)生發(fā)展、侵襲轉(zhuǎn)移以及血管生成(圖2)。

由于全球侵襲性癌癥的發(fā)病率因預(yù)期壽命的延長、生活方式、營養(yǎng)的改變以及環(huán)境因素的變化而不斷增加,癌癥治療變得至關(guān)重要。腫瘤間質(zhì)不再僅僅被看作是對突變的上皮細(xì)胞的物理支持,更是作為一個(gè)重要的調(diào)制器,甚至是致瘤性的驅(qū)動因素。CAFs是致瘤過程中最關(guān)鍵參與者,它能導(dǎo)致惡性腫瘤的啟動和進(jìn)展。近年來,越來越多的研究將CAFs作為癌癥治療的靶點(diǎn)。此外,還有研究表明CAFs能作為預(yù)后標(biāo)志,在各種癌癥疾病中預(yù)示較好或者較差的轉(zhuǎn)歸。在未來,我們也許能通過使用小分子抑制劑、單克隆抗體和基因治療的方法來靶向腫瘤微環(huán)境的各種細(xì)胞,從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的靶向治療。

圖2 腫瘤微環(huán)境中NFs、CAFs和腫瘤細(xì)胞間的相互作用Fig.2 The interaction between NFs,CAFs and tumor cells in tumor microenvironment