腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞的代謝重編程與腫瘤進(jìn)展的關(guān)系

谷俊杰，孫昭，白春梅

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院腫瘤內(nèi)科，北京 100730

腫瘤的生長(zhǎng)并不完全取決于腫瘤細(xì)胞本身，目前認(rèn)為，腫瘤是一種難以愈合的慢性損傷，炎癥是腫瘤微環(huán)境最重要的特征。炎性因子募集循環(huán)和鄰近組織中的非腫瘤細(xì)胞歸巢于腫瘤，可形成有利于腫瘤發(fā)生、發(fā)展的腫瘤微環(huán)境。腫瘤間質(zhì)細(xì)胞約占腫瘤組織中細(xì)胞總數(shù)的50%[1]，主要包括腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞（carcinoma-associated fibroblast，CAF）、免疫炎性細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和血管周細(xì)胞，而CAF是腫瘤微環(huán)境中最主要的組成部分[2-4]。CAF在腫瘤的代謝、生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、免疫逃逸和化療耐藥等方面具有重要作用[5-7]。

1920年，Warburg[8]首次提出“溫伯格假設(shè)”，他認(rèn)為，腫瘤細(xì)胞代謝與正常細(xì)胞代謝不同，其更偏向糖酵解，即使氧氣供給充足，腫瘤細(xì)胞仍通過(guò)旺盛的糖酵解提供能量，這種異常的代謝方式被稱(chēng)為“有氧糖酵解”或“溫伯格效應(yīng)”，腫瘤糖酵解被認(rèn)為在腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用。糖攝取及消耗的增多，為腫瘤細(xì)胞的合成代謝提供原料，提高了腫瘤細(xì)胞的抗氧化能力；同時(shí)，線(xiàn)粒體氧化磷酸化的減少，也可避免腫瘤細(xì)胞生成過(guò)多的活性氧，為腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生失巢凋亡抵抗及轉(zhuǎn)移做好準(zhǔn)備。腫瘤微環(huán)境在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中具有重要作用，目前普遍認(rèn)為，CAF存在代謝重編程（“反溫伯格效應(yīng)”），并與腫瘤有氧糖酵解密切相關(guān)。因此，本文就CAF在腫瘤組織中的代謝重編程機(jī)制及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用進(jìn)行綜述。

1 CAF

研究普遍認(rèn)為，CAF在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中有重要作用，但由于缺乏特異性的分子標(biāo)志物，且由于來(lái)源的多樣性，目前仍不能對(duì)CAF進(jìn)行準(zhǔn)確定義。CAF類(lèi)似針狀，是一類(lèi)持續(xù)活化的、高度收縮的肌成纖維細(xì)胞，主要表達(dá)α-平滑肌肌動(dòng)蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）、波形蛋白（Vimentin）和成纖維細(xì)胞活化蛋白（fibroblast activation protein，F(xiàn)AP）[9-10]。腫瘤被稱(chēng)為“難以愈合的損傷”，它可以“教育”周?chē)拈g質(zhì)細(xì)胞，從而將其“調(diào)教”為促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)的CAF，但正常的成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)镃AF的機(jī)制目前尚不明確。CAF主要來(lái)源于上皮/內(nèi)皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化、骨髓干細(xì)胞、血管周細(xì)胞或脂肪源間充質(zhì)干細(xì)胞，其在形態(tài)學(xué)和表觀遺傳學(xué)上與表皮成纖維細(xì)胞均不同。肝癌細(xì)胞可以分泌溶血磷脂酸，從而促進(jìn)腫瘤周邊的成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為CAF[11]；前列腺癌細(xì)胞可以分泌轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），從而促進(jìn)骨髓來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為CAF[12]；腫瘤細(xì)胞還可以分泌血小板源生長(zhǎng)因子-α/β[13-14]、基本成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子[15]、白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）[16]來(lái)活化CAF。CAF與腫瘤的代謝、生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、免疫逃逸、化療耐藥及不良預(yù)后相關(guān)。

2 “反溫伯格效應(yīng)”——CAF的代謝重編程

“溫伯格效應(yīng)”被列為腫瘤的十大特點(diǎn)之一[17]。Warburg認(rèn)為，所有腫瘤細(xì)胞的有氧呼吸功能均是受損的，線(xiàn)粒體有氧代謝不可逆性損傷（無(wú)功能線(xiàn)粒體）是有氧酵解的主要原因[8]。然而，近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為，腫瘤細(xì)胞線(xiàn)粒體有氧代謝不可逆性損傷的假說(shuō)可能存在問(wèn)題，事實(shí)上，腫瘤細(xì)胞在快速增殖的同時(shí)，需要高線(xiàn)粒體代謝活性和有氧酵解。敲除腫瘤細(xì)胞中的線(xiàn)粒體后，腫瘤細(xì)胞增殖將停止甚至逆轉(zhuǎn)其腫瘤源性[18]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子等可誘導(dǎo)CAF的代謝重編程，使CAF也傾向于有氧糖酵解[19]，如肝癌細(xì)胞分泌的溶血磷脂。CAF通過(guò)有氧酵解產(chǎn)生的乳酸及丙酮酸，被腫瘤細(xì)胞攝取用于線(xiàn)粒體三羧酸循環(huán)，為腫瘤提供能量的同時(shí)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的合成代謝。上述過(guò)程與CAF的有氧酵解，被稱(chēng)為“反溫伯格效應(yīng)”[20-21]。事實(shí)上，CAF過(guò)表達(dá)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體-4（monocarboxylate transporter-4，MCT-4），以輸出糖酵解產(chǎn)生的乳酸，避免細(xì)胞內(nèi)乳酸堆積；腫瘤細(xì)胞過(guò)表達(dá)MCT-1以攝取腫瘤基質(zhì)中的乳酸，進(jìn)行三羧酸循環(huán)產(chǎn)生腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）或合成代謝原料[22]。CAF 的代謝重編程可通過(guò)分泌細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、提供能量等方式促進(jìn)腫瘤發(fā)展。

3 CAF代謝重編程的調(diào)控機(jī)制

目前，CAF的代謝重編程調(diào)控機(jī)制存在多種假設(shè)，但具體機(jī)制仍未明確。腫瘤細(xì)胞可以產(chǎn)生大量的過(guò)氧化氫，在基質(zhì)細(xì)胞周邊營(yíng)造假性缺氧的環(huán)境，類(lèi)似于養(yǎng)料和氧氣剝奪，進(jìn)而調(diào)控CAF的代謝重編程[20]。致癌基因c-myc可以通過(guò)上調(diào)乳酸脫氫酶A（lactic dehydrogenase A，LDH-A）和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體 1（glucose transporter 1，GLUT1）的表達(dá)而增加糖的攝入，促進(jìn)糖酵解[23]。抑癌蛋白p53可以抑制腫瘤細(xì)胞的糖酵解，增強(qiáng)線(xiàn)粒體呼吸[24]。腫瘤起源相關(guān)微小RNA（microRNA，miRNA）的表達(dá)可以調(diào)控糖攝入和糖酵解，例如，miRNA-186與GLUT1的降解相關(guān)[25]。因此，CAF的轉(zhuǎn)化分化過(guò)程中下調(diào)miRNA-186可以增加Glut1的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)糖酵解[26]。缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia-inducible factor 1a，HIF-1α）是調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)氧含量反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄因子，氧含量正常時(shí)，HIF-1α被泛素化或降解，缺氧可以減少HIF-1α的降解，促使其于細(xì)胞漿內(nèi)堆積。HIF-1α的穩(wěn)定性受細(xì)胞質(zhì)膜微囊蛋白1（caveolin-1）缺失的調(diào)控，引起CAF內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)，并在細(xì)胞周?chē)鸂I(yíng)造假性低氧的環(huán)境[27-28]。HIF-1α的穩(wěn)定性及其核轉(zhuǎn)位在低氧誘發(fā)的實(shí)體瘤中具有重要作用。HIF-1α與100多種基因表達(dá)的上調(diào)相關(guān)，尤其是糖酵解相關(guān)基因[29]。饑餓狀態(tài)下，特別是糖或氧氣缺乏時(shí)，HIF-1α可活化一系列信號(hào)通路。由于缺乏氧化磷酸化原材料，ATP輸出減少，腺苷一磷酸（adenosine monophosphate，AMP）/ATP比例增加，導(dǎo)致AMP活化的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）活化。AMPK活化可引起以下幾方面變化：①主要通過(guò)磷酸果糖激酶2（phosphofructokinase 2，PFK2）磷酸化和GLUT4的增多，增加糖攝取，激活糖酵解；②通過(guò)抑制乙酰輔酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）活性氧化脂肪酸；③AMPK可以阻斷雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，MTOR）通路，激活抗增殖信號(hào)通路；④通過(guò)UNC51樣激酶1（UNC-51-like kinase-1，ULK1）的磷酸化，增加細(xì)胞自噬或自我消化。研究顯示，任何類(lèi)型的活性氧的形成和堆積、磷脂酰肌醇-3-羥激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）-絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（serine/threonine protein kinase，AKT）-MTOR信號(hào)通路的過(guò)度活躍，均為CAF的代謝重編程創(chuàng)造了有利條件[30]。上述有利條件包括遺傳和環(huán)境兩方面因素：①遺傳因素，乳腺癌易感基因1（breast cancer susceptibility gene l，BRCA1）、腫瘤蛋白p53（tumor protein p53，TP53）基因、磷酸酶-張力蛋白基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）等已知的抑癌基因的種系突變；②環(huán)境因素，吸煙、飲酒、慢性微生物或病毒感染、放射線(xiàn)、有毒化學(xué)物質(zhì)、肥胖癥、自身免疫性疾病、慢性過(guò)敏原暴露和老化過(guò)程本身等[31-33]致癌環(huán)境因素，也可導(dǎo)致持續(xù)的活性氧的產(chǎn)生。這些遺傳和環(huán)境因素為CAF代謝重編程提供條件，促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。

4 代謝重編程的CAF對(duì)腫瘤的作用

4.1 促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)、發(fā)展

CAF可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移。腫瘤細(xì)胞與CAF相互作用，腫瘤細(xì)胞可以“劫持”CAF產(chǎn)生腫瘤細(xì)胞自身代謝所需的養(yǎng)料。腫瘤細(xì)胞可以產(chǎn)生活性氧，通過(guò)抑制脯氨酰羥化酶（prolyl hydroxylase，PHD）誘導(dǎo)CAF產(chǎn)生HIF-1α。微囊蛋白1可以負(fù)向調(diào)節(jié)一氧化氮（nitric oxide，NO）的產(chǎn)生，HIF-1α可通過(guò)誘導(dǎo)自噬過(guò)程，促進(jìn)微囊蛋白1退化。隨著NO的含量升高，細(xì)胞色素c氧化酶的功能受到抑制，導(dǎo)致線(xiàn)粒體失能，進(jìn)而提高CAF中活性氧的含量[34]。通過(guò)線(xiàn)粒體的自噬作用，CAF可以清除細(xì)胞內(nèi)的無(wú)功能線(xiàn)粒體，并依賴(lài)強(qiáng)化的糖酵解促進(jìn)乳酸生成。CAF還可以產(chǎn)生氨基酸和酮體，腫瘤細(xì)胞利用攝取的氨基酸、酮體和乳酸這些富含能量的養(yǎng)料進(jìn)行氧化代謝，進(jìn)而形成ATP[35-36]。CAF可以通過(guò)代謝產(chǎn)物間的交換為周?chē)哪[瘤細(xì)胞提供養(yǎng)料，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。CAF代謝重編程后，無(wú)氧代謝相關(guān)酶含量明顯升高，特別是M2型丙酮酸激酶（M2 isoform of pyruvate kinase，PKM2），而PKM2是無(wú)氧代謝中的關(guān)鍵限速酶。研究顯示，CAF中的PKM2過(guò)表達(dá)可以誘導(dǎo)小鼠模型產(chǎn)生更大的乳腺癌腫塊[37]。CAF可分泌肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子（hepatocyte growth factor，HGF），促進(jìn)頭頸部鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞分泌堿性成纖維生長(zhǎng)因子（basic fibroblast growth factor，bFGF），從而形成正反饋，促進(jìn)頭頸部鱗狀細(xì)胞癌發(fā)展[38]。CAF中線(xiàn)粒體轉(zhuǎn)錄因子A下調(diào)可以誘導(dǎo)小凹蛋白-1（caveolin-1，Cav-1）表達(dá)下調(diào)，減弱CAF的氧化磷酸化，增強(qiáng)鄰近腫瘤細(xì)胞的氧化磷酸化，促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖[39]。谷氨酰胺合成酶是谷氨酰合成的關(guān)鍵酶，腫瘤細(xì)胞可以促進(jìn)CAF中谷氨酰胺合成酶的表達(dá)，有利于腫瘤細(xì)胞線(xiàn)粒體代謝。谷氨酰胺可以增強(qiáng)CAF細(xì)胞線(xiàn)粒子的自噬作用，降低腫瘤細(xì)胞內(nèi)線(xiàn)粒體的自噬作用，上調(diào)腫瘤細(xì)胞谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞內(nèi)線(xiàn)粒體生物合成[40]。

4.2 促進(jìn)腫瘤的免疫抑制作用

腫瘤微環(huán)境中的CAF可以分泌大量的細(xì)胞因子[IL-6、IL-4、IL-8、IL-10、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）、TGF-β]、趨化因子[CC 趨化因子配體 2（CC chemokine ligand 2，CCL2）、CCL5、CXC趨化因子配體9（C-±sC chemokine ligand 9，CXCL9）、CXCL10]和促血管生成因子[基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1（stromal cell-derived factor 1，SDF1）、前列腺素E2、NO、HGF和人白細(xì)胞抗原E]，這些因子可以間接或直接地調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的免疫過(guò)程：①I(mǎi)L-6可以限制樹(shù)突狀細(xì)胞的成熟，誘導(dǎo)T細(xì)胞失活和失能，CAF來(lái)源的IL-6也可以促進(jìn)單核細(xì)胞分化和巨噬細(xì)胞增多，同時(shí)募集并活化大量的肥大細(xì)胞[41-42]；②CAF產(chǎn)生的IL-4、IL-6和IL-8可以誘導(dǎo)免疫抑制性髓細(xì)胞分化，研究顯示，CAF的分泌組學(xué)中含有多種T細(xì)胞募集中涉及的細(xì)胞因子，如CXCL9、CXCL10和SDF1[43]；③CAF可通過(guò)影響腫瘤血管形成和黏附分子的作用，間接影響腫瘤免疫；④CAF可以與腫瘤細(xì)胞共同組建細(xì)胞外基質(zhì)蛋白網(wǎng)絡(luò)，形成阻止免疫細(xì)胞向腫瘤浸潤(rùn)的物理屏障，進(jìn)而抑制腫瘤免疫。

4.3 促進(jìn)腫瘤耐藥

研究認(rèn)為，腫瘤細(xì)胞的化療耐藥與活躍的腫瘤基質(zhì)相關(guān)，CAF可能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞耐藥。CAF誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生化療耐藥的可能相關(guān)機(jī)制包括以下幾個(gè)方面：①CAF可以增加腫瘤間質(zhì)液壓，進(jìn)而間接抑制抗腫瘤藥物的攝入[44]；②CAF、腫瘤細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用，腫瘤細(xì)胞可以直接黏附于CAF，進(jìn)而通過(guò)與N-鈣黏附素的結(jié)合，激活腫瘤細(xì)胞內(nèi)的AKT信號(hào)通路導(dǎo)致耐藥[45-46]，腫瘤細(xì)胞與經(jīng)CAF改造的細(xì)胞外基質(zhì)的黏附，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯，進(jìn)而導(dǎo)致耐藥[47]；③CAF通過(guò)糖酵解產(chǎn)生大量乳酸，酸化腫瘤微環(huán)境，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞耐藥，尤其是誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞對(duì)紫杉醇及阿霉素耐藥，酸化的腫瘤微環(huán)境可選擇性地調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞膜表面的質(zhì)子泵活性，不僅可增加細(xì)胞外基質(zhì)的酸度，還可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)堿化，與耐藥細(xì)胞系相關(guān)[48-49]；④CAF可以通過(guò)分泌可溶性因子導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞耐藥，CAF產(chǎn)生的TGF-β、IL-6和HGF均為潛在的耐藥介質(zhì)，TGF-β可增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)的黏附能力[21]，IL-6可以誘導(dǎo)活化腫瘤細(xì)胞生存信號(hào)通路[50]，HGF則是CAF介導(dǎo)的酪氨酸激酶抑制藥耐藥的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，CAF來(lái)源的HGF可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞對(duì)BRAFV600E抑制劑或EGFR抑制劑耐藥[51]。

5 小結(jié)

CAF是腫瘤微環(huán)境的主要組成部分，腫瘤組織中的CAF可以募集較多的抑制性免疫細(xì)胞，在腫瘤局部形成抑制性免疫微環(huán)境，促進(jìn)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，激活促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)的信號(hào)通路，從而促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)、耐藥，形成惡性循環(huán)。雖然CAF的代謝重編程及其促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移和耐藥的作用機(jī)制仍未完全清楚，但阻斷CAF、腫瘤和免疫微環(huán)境間的相互作用，可能成為腫瘤治療的新靶點(diǎn)。