鄒 偉, 張婷婷,曹玉珠,李曉曼,吳媛媛,陳文星,2,陸 茵,2,王愛云,2
(南京中醫(yī)藥大學(xué)1. 藥學(xué)院,江蘇省中藥藥效與安全性評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2. 江蘇省中醫(yī)藥防治腫瘤協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210023)
腫瘤轉(zhuǎn)移是癌癥患者死亡的主要原因,轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞廣泛分布以及強(qiáng)侵略性,降低了癌癥治療的有效性。因此,腫瘤轉(zhuǎn)移仍是當(dāng)今科學(xué)研究的重心。轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞成功浸潤遠(yuǎn)端器官并成瘤,伴隨一系列復(fù)雜分子生物學(xué)的改變。而進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的腫瘤細(xì)胞最終形成轉(zhuǎn)移灶,是一個艱難且低效的過程,它不僅取決于腫瘤細(xì)胞脫離原發(fā)灶轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)端器官的能力,還受到靶器官微環(huán)境的影響。研究表明[1],腫瘤在尚未發(fā)生轉(zhuǎn)移之前,首先誘導(dǎo)遠(yuǎn)處待轉(zhuǎn)移器官中微環(huán)境發(fā)生適應(yīng)性的改變,以營造一個適宜轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞在此處定植、生長,并形成繼發(fā)轉(zhuǎn)移灶的環(huán)境,這個支持性微環(huán)境稱為“轉(zhuǎn)移前微環(huán)境”(pre-metastatic niches,PMNs)。本文就目前對原發(fā)性腫瘤驅(qū)動特異性器官中PMNs形成的主要過程及機(jī)制進(jìn)行再探討,并探索可能的臨床意義,以期通過逆轉(zhuǎn)PMNs的形成來治療轉(zhuǎn)移性腫瘤。
PMNs的提出意味著腫瘤轉(zhuǎn)移并不是一個簡單隨機(jī)的過程,而是具有目的性的。特定的腫瘤細(xì)胞總是傾向于轉(zhuǎn)移到特定的組織器官,表現(xiàn)為腫瘤轉(zhuǎn)移的親器官性[1]。不同類型的腫瘤細(xì)胞可以分泌特定的細(xì)胞因子,通過靶向性干預(yù)PMNs,使PMNs發(fā)生分子和細(xì)胞水平的器質(zhì)性改變,從而為腫瘤細(xì)胞的定植提供適宜的環(huán)境,促進(jìn)腫瘤靶向性轉(zhuǎn)移。
肺、肝、骨、腦是最常見的腫瘤轉(zhuǎn)移靶器官。研究發(fā)現(xiàn),皮膚黑色素瘤高表達(dá)遲現(xiàn)抗原4(very late activation antigen 4,VLA-4),通過與肺血管內(nèi)皮細(xì)胞上過量表達(dá)的血管細(xì)胞黏附分子1特異性結(jié)合,使腫瘤細(xì)胞優(yōu)先選擇肺作為轉(zhuǎn)移的部位[2]。腸癌細(xì)胞通過分泌血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor,PDGF)等細(xì)胞因子,引起肝星狀細(xì)胞的活化,繼而肝星狀細(xì)胞通過分泌趨化因子受體2(C-C chemokine receptor type 2,CCR2),與腫瘤細(xì)胞分泌的趨化因子配體2(chemokine C-C motif ligand 2,CCL2)結(jié)合,促進(jìn)選擇性肝轉(zhuǎn)移[3]。乳腺癌以溶骨性病癥為主,成骨細(xì)胞分泌的趨化因子配體12(C-X-C motif chemokine ligand 12,CXCL12)結(jié)合乳腺癌細(xì)胞表面趨化因子受體4(C-X-C chemokine receptor type 4,CXCR4),從而誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞定向轉(zhuǎn)移[4]。黑色素瘤腦轉(zhuǎn)移中,星形膠質(zhì)細(xì)胞可在腫瘤細(xì)胞刺激下產(chǎn)生白介素23(interleukin 23,IL-23),從而刺激腫瘤細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinase 2,MMP-2)水平上調(diào),有利于PMNs的形成,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖[5]。
腫瘤衍生的分泌因子(tumor-derived secreted factors,TDSFs)、腫瘤細(xì)胞外泌體(extracellular vesicles,EVs)和骨髓來源細(xì)胞(bone marrow-derived cells,BMDCs)是PMNs形成的3個關(guān)鍵因素。具體而言,原發(fā)性腫瘤的TDSFs、EVs誘導(dǎo)BMDCs到達(dá)待轉(zhuǎn)移靶器官,事先營造一個利于腫瘤轉(zhuǎn)移的炎性微環(huán)境,繼而有利于腫瘤細(xì)胞在PMNs的定植、存活和增殖。
2.1PMNs與TDSFsTDSFs在腫瘤PMNs形成中起關(guān)鍵作用。腫瘤細(xì)胞到達(dá)靶器官之前,會釋放出若干因子,某些因子會直接作用于靶器官,使微環(huán)境發(fā)生改變,以適宜轉(zhuǎn)移瘤細(xì)胞存活和增殖;而某些因子在到達(dá)靶器官后,會誘導(dǎo)靶器官的間質(zhì)細(xì)胞釋放一些細(xì)胞因子,以引導(dǎo)腫瘤細(xì)胞定植。研究發(fā)現(xiàn)[6],原發(fā)腫瘤細(xì)胞腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)、轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β,TGF-β)、血管內(nèi)皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGF-A)能夠特異性地誘導(dǎo)肺部炎性蛋白S100A8和S100A9的高表達(dá),緊接著Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)信號通路被異常激活,產(chǎn)生炎性應(yīng)答,在肺部形成炎性微環(huán)境,從而利于腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移與定植。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,腫瘤細(xì)胞通過分泌巨噬細(xì)胞遷移抑制因子、IL-8以及纖溶酶原激活物抑制因子1,激活星形膠質(zhì)細(xì)胞,分泌IL-6、TNF-α,從而參與腫瘤血管的構(gòu)建,引導(dǎo)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移到靶器官[7]。此外,在PMNs形成過程中,發(fā)揮重要作用的另一腫瘤衍生因子是CCL2。CCL2是趨化因子CC亞家族重要的一員,在許多原發(fā)性腫瘤中,CCL2過表達(dá)與患者預(yù)后差存在相關(guān)性。研究顯示[8],轉(zhuǎn)移性結(jié)腸癌細(xì)胞釋放的趨化因子CCL2與血管壁內(nèi)皮細(xì)胞相結(jié)合,并激活相應(yīng)的受體CCR2,增強(qiáng)血管內(nèi)皮細(xì)胞的滲透性,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體攜帶的miRNA通過下調(diào)腫瘤細(xì)胞內(nèi)抑癌基因PTEN的表達(dá),促進(jìn)腫瘤細(xì)胞分泌CCL2,進(jìn)一步募集髓細(xì)胞至腦部,形成利于腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移至腦部的微環(huán)境[9]。乳腺癌細(xì)胞分泌的CCL2,一方面通過增強(qiáng)破骨細(xì)胞分化功能,有效促進(jìn)骨轉(zhuǎn)移,另一方面通過促進(jìn)巨噬細(xì)胞的浸潤,調(diào)節(jié)肺部早期PMNs的形成[10]。
2.2PMNs與腫瘤細(xì)胞EVsEVs是由多種類型活細(xì)胞分泌的納米級囊泡小體,含多種生物活性物質(zhì),這些生物活性物質(zhì)可在細(xì)胞間穿梭,并介導(dǎo)細(xì)胞間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與信息交流,進(jìn)而影響細(xì)胞的生理功能。EVs被證明可以決定腫瘤轉(zhuǎn)移的器官趨向性,并且參與腫瘤PMNs的形成。研究發(fā)現(xiàn),Lewis肺癌細(xì)胞分泌的EVs中的RNA,通過NF-κB和MAPK途徑,激活肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞TLR3,募集中性粒細(xì)胞在肺組織中形成PMNs,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞在肺部的定植和轉(zhuǎn)移[11]。胰腺癌細(xì)胞來源的EVs通過誘導(dǎo)肝臟Kupffer細(xì)胞釋放TGF-β,產(chǎn)生肝星狀細(xì)胞的纖連蛋白,促進(jìn)肝臟募集巨噬細(xì)胞以及中性粒細(xì)胞,為肝轉(zhuǎn)移提供了有利的PMNs[12]。另有研究表明,胰腺癌細(xì)胞EVs攜帶的miR-494、miR-542-3p能夠抑制淋巴結(jié)中基質(zhì)細(xì)胞鈣黏蛋白的連接,上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶類的表達(dá),從而建立淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移所需要的微環(huán)境,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[13]。
2.3PMNs與BMDCs在多種TDSFs的作用下,BMDCs動員入血,并作用于遠(yuǎn)端靶器官,于腫瘤細(xì)胞達(dá)到之前,在靶器官局部形成適宜腫瘤生長的PMNs。髓源性抑制細(xì)胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)通過改變荷瘤機(jī)體靶器官的宿主炎性反應(yīng)或是免疫微環(huán)境,如降低自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell,NK)的細(xì)胞活性、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化等,促進(jìn)PMNs的形成,以利于游離腫瘤細(xì)胞在靶器官黏附、生存和增殖。MDSCs作為構(gòu)成BMDCs的重要亞群,在PMNs構(gòu)建中發(fā)揮了不可替代的作用。研究表明[14],在小鼠Lewis肺癌模型中,表達(dá)VEGFR1的BMDCs歸巢到特異的轉(zhuǎn)移前位點(diǎn),同時高表達(dá)整聯(lián)蛋白a4β1,特異性地與靶器官纖維連接蛋白表位結(jié)合,不但在靶器官中高度聚集,為彌散的腫瘤細(xì)胞提供了強(qiáng)有力的“停泊位點(diǎn)” ,而且能夠特異性誘導(dǎo)肺實(shí)質(zhì)內(nèi)炎性蛋白S100A8/A9和鈴蟾多樣性肽8的表達(dá),進(jìn)一步誘導(dǎo)MDSCs遷移,共同構(gòu)建PMNs。此外,腫瘤細(xì)胞中神經(jīng)鞘氨醇-1-磷酸化受體-1(sphingosine-1-phosphate receptor 1,S1PR1)-信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3,STAT3)表達(dá)上調(diào)可產(chǎn)生一系列生物活性因子,進(jìn)一步激活轉(zhuǎn)移前器官中多種細(xì)胞的S1PR1-STAT3信號通路,促進(jìn)PMNs中MDSCs持續(xù)擴(kuò)增,從而利于PMNs的形成[15]。
PMNs的形成并不是一蹴而就的,血管滲漏及通透性增強(qiáng),基質(zhì)細(xì)胞的激活,細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的重塑,免疫細(xì)胞的募集,促進(jìn)PMNs的發(fā)生與發(fā)展。
3.1血管滲漏及通透性增強(qiáng)血管發(fā)生滲漏、通透性增強(qiáng)是PMNs形成初始階段的重要標(biāo)志。由于腫瘤組織內(nèi)微血管基質(zhì)不完善,如血管壁缺乏平滑肌支持、血管壁薄、易通透,使得腫瘤細(xì)胞衍生的因子以及蛋白酶類易滲漏至血管內(nèi)皮細(xì)胞間隙,促使腫瘤細(xì)胞內(nèi)滲,增強(qiáng)其轉(zhuǎn)移能力。
研究表明,腫瘤分泌因子如VEGFA和血管生成素樣蛋白4(angiopoietin-like protein 4,ANGPTL4),通過激活黏著斑激酶,破壞內(nèi)皮細(xì)胞接觸,增強(qiáng)肺微血管的通透性,促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移[16]。此外,乳腺癌細(xì)胞表達(dá)的表皮生長因子受體、表皮調(diào)節(jié)素、環(huán)氧合酶2、MMP-1和MMP-2相互協(xié)同,增加血管通透性,使循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumor cell,CTC)外滲,以促進(jìn)肺轉(zhuǎn)移[17]。MMP家族中的另一個成員MMP-9也密切參與調(diào)節(jié)PMNs中的血管完整性,近來一些研究表明,腫瘤細(xì)胞到達(dá)靶器官之前,CD11b+/Gr-1+髓系細(xì)胞可通過分泌MMP-9等因子,減少周細(xì)胞覆蓋,破壞血管內(nèi)皮的VE-鈣黏蛋白連接,造成血管的高滲透性[18]。由于腫瘤細(xì)胞移出血管,并和髓系細(xì)胞以及活化的血小板聚集成團(tuán),從而為PMNs的形成和腫瘤細(xì)胞的靶向性轉(zhuǎn)移提供了有利條件。
3.2基質(zhì)細(xì)胞激活血管內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能的異常只是PMNs進(jìn)化過程中的一個改變,其他基質(zhì)細(xì)胞,如腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(tumor-associated macrophages,TAMs)、腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs)等也會被激活,從而有利于PMNs的建立。
腫瘤細(xì)胞以及腫瘤相關(guān)間質(zhì)細(xì)胞釋放CCL2、CCL3、CCL4、CCL5、CXCL12、CXCL8等趨化因子,以及VEGF、內(nèi)皮素2、PDGF等細(xì)胞因子,可促進(jìn)TAMs的募集[19]。這些刺激因子相互協(xié)作,誘導(dǎo)TAMs到達(dá)腫瘤周圍的基質(zhì)區(qū)域,隨后TAMs穿透基底膜,到達(dá)周圍正常的組織基質(zhì),提高腫瘤細(xì)胞的侵襲性,進(jìn)一步加劇PMNs的形成。另外,腫瘤細(xì)胞通過分泌TGF-β 和PDGF等細(xì)胞因子,激活組織內(nèi)正常的成纖維細(xì)胞,使之成為CAFs,繼而原位腫瘤細(xì)胞、CAFs分泌的細(xì)胞因子,以及同ECM重塑相關(guān)的蛋白,共同構(gòu)建以炎癥細(xì)胞為主要成分的PMNs[20]。另外,腫瘤來源的EVs能夠誘導(dǎo)基質(zhì)細(xì)胞中特定的S100蛋白家族表達(dá)上調(diào),如乳腺癌細(xì)胞來源的EVs能夠上調(diào)肺成纖維細(xì)胞中S100A4、S100A6、S100A10、S100A11、S100A13、S100A16的表達(dá),而胰腺癌細(xì)胞來源的EVs能夠上調(diào)Kuffer細(xì)胞中S100P和S100A8的表達(dá),通過促炎癥微環(huán)境來調(diào)節(jié)PMNs的形成。
3.3ECM重塑在形成PMNs的復(fù)雜過程中,ECM發(fā)生著明顯變化,而這種變化可通過兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn),即ECM蛋白的表達(dá)水平與相對組成的改變,以及ECM空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與剛性等物理學(xué)性質(zhì)的改變。
Fig 1 Mechanism of pre-metastatic niche formation
近年來,腫瘤微環(huán)境中ECM纖維生成備受關(guān)注。TGF-β能通過JNK、p38、ERK、Akt等信號通路,激活細(xì)胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子,促進(jìn)ECM纖維的生成,從而利于PMNs構(gòu)建,介導(dǎo)腫瘤轉(zhuǎn)移[20]。此外,非細(xì)胞因素如組織缺氧,也與PMNs的形成息息相關(guān)。人源性腫瘤細(xì)胞缺氧時,可分泌賴氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX),其與膠原蛋白和彈性蛋白交叉連接有關(guān)。研究表明[21],LOX與LOXL2 的高表達(dá),促進(jìn)了腫瘤中膠原蛋白的沉積,增強(qiáng)了ECM的硬度,并促進(jìn)乳腺癌與肺癌的侵襲與轉(zhuǎn)移;而抑制LOX/LOXL2的氧化酶活力,減緩了組織的纖維化與腫瘤的發(fā)生。不僅如此,LOX家族也是TGF-β所依賴的蛋白質(zhì),骨膜素生成可通過增強(qiáng)Wnt信號傳導(dǎo),從而維持起始轉(zhuǎn)移細(xì)胞的浸潤。
3.4免疫細(xì)胞的募集免疫細(xì)胞參與了從腫瘤細(xì)胞開始啟動侵襲,到PMNs形成的各個環(huán)節(jié)。原發(fā)腫瘤細(xì)胞還“劫持”不同類型的免疫細(xì)胞,導(dǎo)致其在PMNs中的異常分化和累積。淋巴細(xì)胞、MDSCs、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞,這些免疫細(xì)胞的功能失調(diào)和破壞,幫助腫瘤細(xì)胞免疫逃逸。MDSCs抑制γ干擾素(interferon γ,IFN-γ)介導(dǎo)免疫應(yīng)答,同時誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子,如白介素和基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(SDF1)的表達(dá),通過募集BMDCs,產(chǎn)生促炎癥免疫抑制性PMNs[22]。此外,中性粒細(xì)胞在PMNs中的作用也不容小覷。研究顯示,中性粒細(xì)胞可在腫瘤細(xì)胞分泌的粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)、外泌體及基質(zhì)細(xì)胞來源的SDF1的介導(dǎo)下,在轉(zhuǎn)移性器官中擴(kuò)增[23]。中性粒細(xì)胞產(chǎn)生的白三烯可通過選擇性富集腫瘤干細(xì)胞,促使腫瘤遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。而通過特定技術(shù)手段抑制腫瘤PMNs中的中性粒細(xì)胞聚集,可以阻止腫瘤轉(zhuǎn)移的發(fā)生(Fig 1)。
目前,針對惡性腫瘤患者,通常使用放射學(xué)成像技術(shù),如電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)、正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(positron emission computed tomography,PET)來評估轉(zhuǎn)移灶的形成。但檢測小于1 cm的腫瘤,PET和CT成像結(jié)果是不可靠的,并且也不能區(qū)分良性炎癥和惡性病變。因此,提高腫瘤轉(zhuǎn)移檢測的可靠性顯得尤為必要。目前,正開發(fā)更高分辨率的成像技術(shù),并積極尋求早期轉(zhuǎn)移的遺傳生化標(biāo)志物。
研究表明[24],CD68+骨髓細(xì)胞中S1PR1-STAT3信號傳導(dǎo)的激活對于PMNs的形成至關(guān)重要,其中CD68+骨髓細(xì)胞可作為檢測PMNs形成的潛在分子。此外,在轉(zhuǎn)移前的早期階段,乳腺癌患者血清中能夠檢測到腫瘤細(xì)胞來源EVs中的miR-105[25],因此,開發(fā)相關(guān)技術(shù),以提高來自癌癥患者血液中腫瘤來源的EVs等相關(guān)生物標(biāo)志物檢測的靈敏性迫在眉睫。
腫瘤轉(zhuǎn)移不僅依賴于腫瘤細(xì)胞自身的侵襲能力,還與腫瘤PMNs的形成密切相關(guān)。自1889年P(guān)aget等[26]提出“種子與土壤”(seed and soil)假說以來,有關(guān)PMNs形成的復(fù)雜分子機(jī)制研究不斷取得進(jìn)展,這些進(jìn)展為更好地闡明腫瘤轉(zhuǎn)移的機(jī)制,以及設(shè)計(jì)更有效的癌癥診斷和治療策略提供了依據(jù)。PMNs是腫瘤動員骨髓源性細(xì)胞和宿主基質(zhì)細(xì)胞等相互作用而產(chǎn)生的,很大程度上決定了循環(huán)腫瘤細(xì)胞能否在待轉(zhuǎn)移灶部位附著、生存、增殖,并最終促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移。近年來,與PMNs相關(guān)的細(xì)胞EVs的研究日益增多,EVs因其流通性、豐富性和穩(wěn)定性,有望成為評估PMNs形成的生物標(biāo)志物。而有目的性地控制腫瘤EVs產(chǎn)生,可能是破壞PMNs形成,控制腫瘤轉(zhuǎn)移的有效方法之一。已有研究表明,用超順磁性氧化鐵納米顆?;虻馔凰貥?biāo)記EVs,能夠進(jìn)行敏感的磁共振或射線照相追蹤。PMNs是一個極其復(fù)雜的微環(huán)境,因此至今仍有很多關(guān)鍵問題未得到解答。PMNs還有哪些重要組成?PMNs能否作為癌癥轉(zhuǎn)移的生物標(biāo)志物?PMNs形成的進(jìn)程能否被阻礙?進(jìn)一步加強(qiáng)PMNs形成機(jī)制的探討,將有助于新靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)。