癌相關(guān)成纖維細(xì)胞的代謝重編程與腫瘤發(fā)展及耐藥的關(guān)系

許建國(guó)，何永文

(昆明醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科，昆明 650031)

腫瘤嚴(yán)重危害人類健康，在腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中不僅表現(xiàn)為基因?qū)用娴漠惓１磉_(dá)，腫瘤細(xì)胞所處的環(huán)境也發(fā)揮重要作用[1]。腫瘤細(xì)胞所處的環(huán)境稱為腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment，TME)，由腫瘤細(xì)胞與成纖維細(xì)胞、腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)和間充質(zhì)干細(xì)胞等共同構(gòu)成[2]。其中，癌相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer-associated fibroblasts，CAFs)是TME的關(guān)鍵組成部分[3]。Warburg等[4]發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞代謝存在區(qū)別，腫瘤細(xì)胞在氧氣充足時(shí)通過(guò)旺盛的糖酵解供能，而正常細(xì)胞在氧氣充足時(shí)糖酵解途徑被抑制，這種現(xiàn)象稱為“溫伯格效應(yīng)”或“有氧糖酵解”。腫瘤細(xì)胞糖酵解水平升高可促進(jìn)細(xì)胞增殖，而高水平糖酵解產(chǎn)生的活性氧類水平卻降低，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡減少[5]。TME中的CAFs代謝重編程(“反溫伯格效應(yīng)”)與腫瘤有氧糖酵解相互作用可促進(jìn)腫瘤的發(fā)展[6]。腫瘤細(xì)胞耐藥是導(dǎo)致化療失敗的重要原因，也是導(dǎo)致腫瘤患者預(yù)后不良的原因。因此，闡明CAFs代謝重編程促進(jìn)腫瘤細(xì)胞耐藥的機(jī)制具有重要的臨床意義?，F(xiàn)就CAFs的代謝重編程與腫瘤發(fā)展及耐藥的關(guān)系予以綜述。

1 CAFs概述

成纖維細(xì)胞由間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)育而來(lái)，與成脂、成骨、成軟骨的來(lái)源相同[7]。在TME中，各種細(xì)胞存在代謝異常，有助于腫瘤的生長(zhǎng)，其中成纖維細(xì)胞起關(guān)鍵作用。多數(shù)CAFs由局部組織內(nèi)的成纖維細(xì)胞激活或由腫瘤來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞分化而來(lái)[8]。臨床可應(yīng)用成纖維細(xì)胞標(biāo)志物α平滑肌肌動(dòng)蛋白、成纖維細(xì)胞活化蛋白、血小板衍生生長(zhǎng)因子受體α、成纖維細(xì)胞特異蛋白-1和波形蛋白等鑒別CAFs[9]。組織活檢分析認(rèn)為，上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和白細(xì)胞標(biāo)志陰性以及形態(tài)細(xì)長(zhǎng)、癌細(xì)胞內(nèi)未發(fā)現(xiàn)突變的細(xì)胞等是CAFs的特點(diǎn)[7]。此外，CAFs的來(lái)源多樣，如來(lái)源于間充質(zhì)干細(xì)胞[10]、由周細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來(lái)[11]以及由不同類型腫瘤的脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來(lái)等[12]。

腫瘤激活成纖維細(xì)胞成為CAFs的途徑主要包括：①腫瘤免疫浸潤(rùn)和分泌可溶性因子，包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)家族配體、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、溶血磷脂酸、血小板衍生生長(zhǎng)因子、顆粒蛋白、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1和IL-6等[13]；②成纖維細(xì)胞直接與腫瘤細(xì)胞接觸，激活Notch信號(hào)通路，促使成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)镃AFs[14]；③CAFs可沉積ECM，而ECM的改變(包括成分和硬度的改變)可促進(jìn)CAFs的激活[15]；④常規(guī)治療方法(如放療)也可增加生理和基因組的環(huán)境壓力，進(jìn)一步激活CAFs[16]。CAFs激活可增加細(xì)胞收縮力，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移和耐藥。

2 CAFs的代謝重編程

Warburg等[4]認(rèn)為，由于腫瘤細(xì)胞的有氧呼吸功能受損、線粒體的有氧代謝功能發(fā)生不可逆損傷，導(dǎo)致有氧糖酵解的發(fā)生。然而，在氧氣充足的條件下，大多數(shù)腫瘤細(xì)胞不僅依賴于線粒體氧化磷酸化獲得能量，還可通過(guò)葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸產(chǎn)生細(xì)胞所需的能量。有研究發(fā)現(xiàn)，一些腫瘤細(xì)胞的線粒體有氧代謝功能并未損傷，仍可為腫瘤生長(zhǎng)提供能量[17]。只要抑制腫瘤細(xì)胞的糖酵解可恢復(fù)線粒體氧化磷酸化，表明氧化代謝功能在大多數(shù)腫瘤細(xì)胞糖酵解中仍起作用，乳腺癌細(xì)胞MCF7通過(guò)線粒體呼吸產(chǎn)生80%的ATP即可證實(shí)這一觀點(diǎn)[18]。CAFs的代謝重編程稱“反溫伯格效應(yīng)”，即CAFs經(jīng)過(guò)糖酵解生成豐富的燃料(如乳酸和酮體)，這些燃料被腫瘤細(xì)胞吸收并通過(guò)氧化磷酸化進(jìn)行代謝，為腫瘤生長(zhǎng)提供能量[19]。三陰性乳腺癌細(xì)胞分泌整合素β4蛋白作用于CAFs，促使其發(fā)生代謝重編程，整合素β4過(guò)表達(dá)則可誘導(dǎo)CAFs線粒體自噬，進(jìn)而增加其糖酵解水平[20]。當(dāng)腫瘤細(xì)胞通過(guò)旺盛的糖酵解供能時(shí)，單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(monocarboxylate transporter，MCT)1和MCT4負(fù)責(zé)運(yùn)輸乳酸，使腫瘤細(xì)胞內(nèi)環(huán)境達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[21]。有研究發(fā)現(xiàn)，MCT1和MCT4均支持腫瘤細(xì)胞與CAFs間的代謝偶聯(lián)，由于腫瘤細(xì)胞中的MCT1表達(dá)水平升高，高水平氧化磷酸化的腫瘤細(xì)胞對(duì)乳酸攝取增加，其中MCT1的主要作用是為腫瘤細(xì)胞提供乳酸攝?。欢贑AFs代謝重編程后MCT4 的表達(dá)水平升高，其主要作用為輸出乳酸[22]。腫瘤細(xì)胞可分泌大量細(xì)胞因子至TME中，其中一部分可促進(jìn)CAFs的代謝重編程，導(dǎo)致CAFs中的有氧糖酵解增強(qiáng)[23]。

3 CAFs代謝重編程的調(diào)控機(jī)制

CAFs在不同腫瘤疾病中具有不同的代謝表型。CAFs與腫瘤細(xì)胞間串?dāng)_并發(fā)生代謝重編程，兩者間的相互作用有助于CAFs的激活和腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。CAFs代謝重編程的具體機(jī)制目前尚未明確，可能包括：①CAFs糖酵解途徑中的主要酶——己糖激酶2和肝臟磷酸果糖激酶均顯著上調(diào)，這也是CAFs糖酵解上調(diào)的本質(zhì)[24]；CAFs分化TGF-β1上調(diào)己糖激酶2蛋白表達(dá)[25]。②致癌基因c-Myc通過(guò)上調(diào)乳酸脫氫酶A和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1的表達(dá)增強(qiáng)CAFs糖酵解，而乳酸脫氫酶A、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1表達(dá)水平升高可增加腫瘤細(xì)胞代謝和葡萄糖攝取[26]。③CAFs與前列腺癌細(xì)胞接觸后發(fā)生代謝重編程，導(dǎo)致碳酸酐酶Ⅸ表達(dá)上調(diào)，碳酸酐酶Ⅸ是一種跨膜酶，具有促進(jìn)細(xì)胞外部微環(huán)境酸化的作用，可改變腫瘤細(xì)胞的代謝[27]。④G蛋白偶聯(lián)雌激素受體調(diào)節(jié)CAFs的代謝重編程，細(xì)胞質(zhì)中的G蛋白偶聯(lián)雌激素受體通過(guò)激活G蛋白偶聯(lián)雌激素受體/環(huán)腺苷酸/蛋白激酶/環(huán)腺苷酸效應(yīng)元件結(jié)合蛋白信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進(jìn)CAFs與腫瘤細(xì)胞相互作用[28]。⑤CAFs代謝重編程過(guò)程與三羧酸循環(huán)下調(diào)有關(guān)，在TGF-β1/血小板衍生生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的CAFs中，異檸檬酸脫氫酶3α下調(diào)被認(rèn)為是CAFs由氧化磷酸化轉(zhuǎn)換為糖酵解的關(guān)鍵標(biāo)志[29]。⑥小窩蛋白1基因丟失在CAFs的代謝重編程中具有重要作用，敲除成纖維細(xì)胞中的小窩蛋白1基因可促進(jìn)乳酸生成和腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)[30]。⑦微囊泡在CAFs代謝重編程中也起重要作用，CAFs以微囊泡為載體，將大量代謝酶相關(guān)的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)轉(zhuǎn)移至鄰近的腫瘤細(xì)胞中，有助于腫瘤細(xì)胞的增殖[31]。綜上，對(duì)CAFs代謝重編程機(jī)制的研究有助于了解CAFs的激活過(guò)程以及CAFs在腫瘤中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

4 CAFs代謝重編程對(duì)腫瘤的影響

4.1與腫瘤相互作用 腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)會(huì)招募基質(zhì)細(xì)胞來(lái)誘導(dǎo)復(fù)雜的TME形成。CAFs是反應(yīng)性基質(zhì)細(xì)胞之一，可與腫瘤細(xì)胞共存并不斷相互作用。腫瘤細(xì)胞誘導(dǎo)CAFs代謝重編程后釋放IL-6等細(xì)胞因子，CAFs與腫瘤細(xì)胞相互作用，激活腫瘤細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)的信號(hào)通路，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)。研究表明，CAFs可為腫瘤細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)，并釋放外泌體；同時(shí)，CAFs與腫瘤細(xì)胞相互作用還可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)、侵襲和轉(zhuǎn)移；此外，CAFs分泌生長(zhǎng)因子(如肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子、血小板衍生生長(zhǎng)因子)可增加腫瘤的遷移，并通過(guò)分泌趨化因子和ECM，促進(jìn)腫瘤的血管生成和化學(xué)耐藥[32]。

CAFs與腫瘤的相互作用有利于TME的形成，而TME中存在的各種物質(zhì)又有利于CAFs的活化。研究發(fā)現(xiàn)，口腔鱗狀細(xì)胞癌(oral squamous cell carcinoma，OSCC)細(xì)胞分泌的TGF-β可誘導(dǎo)人牙齦成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為CAFs樣細(xì)胞[33]。OSCC細(xì)胞分泌含有長(zhǎng)鏈非編碼RNA CAFs的外泌體到基質(zhì)成纖維細(xì)胞中，導(dǎo)致長(zhǎng)鏈非編碼RNA CAFs水平升高，從而激活CAFs[34]。另外，腫瘤細(xì)胞也可影響CAFs的代謝，CAFs可通過(guò)刺激腫瘤分泌IL-1β增加CAFs的糖酵解，導(dǎo)致乳酸分泌增加，而乳酸被腫瘤細(xì)胞利用，為其快速生長(zhǎng)提供能量[35]。在CAFs與OSCC細(xì)胞系共培養(yǎng)模型中，腫瘤細(xì)胞內(nèi)源性活性氧類的產(chǎn)生增加，導(dǎo)致CAFs中CC趨化因子配體2表達(dá)上調(diào)，從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展[36]。此外，CAFs與腫瘤相互作用，CAFs衍生的IL-6作用于腫瘤細(xì)胞，通過(guò)核因子κB信號(hào)通路促進(jìn)頭頸部鱗狀細(xì)胞癌的增殖、遷移和侵襲[37]。可見(jiàn)，CAFs與腫瘤細(xì)胞的相互作用在腫瘤的發(fā)展中起重要作用，可為腫瘤的治療提供新靶點(diǎn)。

4.2促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖 CAFs可釋放IL-6、CXC趨化因子配體12、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和CXC趨化因子配體8等維持腫瘤的存活與生長(zhǎng)，促使腫瘤細(xì)胞增殖[38]。在乳腺癌細(xì)胞中，CAFs通過(guò)釋放高遷移率族蛋白B1激活Toll樣受體4，促進(jìn)細(xì)胞增殖[39]。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸作為腫瘤代謝能量來(lái)源，其有效轉(zhuǎn)運(yùn)可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖[40]。另外，前列腺癌細(xì)胞與CAFs接觸后被重新編程為有氧代謝，導(dǎo)致葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1表達(dá)減少，但通過(guò)MCT1轉(zhuǎn)入的乳酸水平卻升高，從而建立基于乳酸轉(zhuǎn)入的代謝合成途徑，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖[41]。另有研究發(fā)現(xiàn)，非小細(xì)胞肺癌來(lái)源的外泌體可促進(jìn)正常成纖維細(xì)胞向CAFs轉(zhuǎn)變，而CAFs可通過(guò)傳遞α平滑肌肌動(dòng)蛋白促進(jìn)非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞增殖，抑制細(xì)胞凋亡[42]。在腫瘤發(fā)展過(guò)程中，CAFs通過(guò)分泌與基質(zhì)重構(gòu)相關(guān)的酶介導(dǎo)ECM的形成。如在人皮膚鱗狀細(xì)胞癌中，CAFs通過(guò)促進(jìn)ECM的硬化，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞與CAFs進(jìn)行氨基酸交換，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖[43-44]。因此，研究CAFs與腫瘤細(xì)胞的共生機(jī)制，有助于抑制CAFs的致瘤活性并發(fā)現(xiàn)新的治療方法。

4.3促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移 腫瘤轉(zhuǎn)移是癌癥患者死亡的主要原因。腫瘤細(xì)胞脫離原發(fā)腫瘤并通過(guò)結(jié)締組織進(jìn)入淋巴或血管，從而擴(kuò)散全身。在TME中，CAFs通過(guò)自分泌和旁分泌方式分泌大量細(xì)胞因子，如表皮生長(zhǎng)因子、肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子、IL-10、TGF-β、腫瘤壞死因子、分泌型卷曲相關(guān)蛋白 1、γ干擾素、IL-6以及整合素α11和多配體聚糖結(jié)合蛋白-1等，促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移[45]。研究發(fā)現(xiàn)，在OSCC腫瘤細(xì)胞與CAFs相互作用過(guò)程中，CAFs中的TGF-β、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、腫瘤壞死因子-α、肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子、IL-1α、IL-1β、IL-6和IL-33表達(dá)上調(diào)，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移[46]。在CAFs與腫瘤細(xì)胞相互作用過(guò)程中，CAFs通過(guò)分泌趨化因子、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子及蛋白水解酶等調(diào)節(jié)ECM成分，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移[47]。此外，趨化因子、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子也可通過(guò)一些信號(hào)通路導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移，包括整合素連接激酶信號(hào)通路、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路、核因子κB信號(hào)通路、尿激酶型纖溶酶原激活劑受體信號(hào)通路、Wnt信號(hào)通路、Notch信號(hào)通路以及TGF-β級(jí)家族不同成員的信號(hào)通路等[48]?？梢?jiàn)，CAFs在腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵作用。

4.4促進(jìn)腫瘤細(xì)胞耐藥 TME中的CAFs與腫瘤的不良預(yù)后相關(guān)。TME除了對(duì)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展起關(guān)鍵作用外，還可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞耐藥的發(fā)生，為腫瘤耐藥提供場(chǎng)所。CAFs與腫瘤細(xì)胞共生，并支持其具有藥物耐受性，但目前關(guān)于CAFs對(duì)抗腫瘤治療耐藥性的研究較少。CAFs誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生耐藥的途徑主要包括：①CAFs中血小板衍生生長(zhǎng)因子C上調(diào)可誘導(dǎo)血管重建，導(dǎo)致抗血管生成治療的耐藥抵抗[49]，表明抗血管生成治療后CAFs的形態(tài)和功能可能發(fā)生改變，重新形成的環(huán)境對(duì)藥物治療不太敏感。②CAFs可增加腫瘤間質(zhì)液壓，而腫瘤間質(zhì)內(nèi)液壓增高是惡性腫瘤的重要病理生理學(xué)特征，由于CAFs促進(jìn)腫瘤間質(zhì)液壓增加，因此間接減少了腫瘤細(xì)胞對(duì)藥物的攝取[50]。③CAFs通過(guò)糖酵解產(chǎn)生大量乳酸使ECM處于酸性環(huán)境，而細(xì)胞內(nèi)的pH值卻未改變，因此可抑制藥物在腫瘤細(xì)胞內(nèi)積聚[51]。④CAFs通過(guò)分泌可溶性因子引起耐藥性，其中Wnt家族中的無(wú)翅型MMTV整合位點(diǎn)家族成員16B在DNA損傷后受核因子κB調(diào)控，激活腫瘤細(xì)胞中的典型Wnt程序，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物產(chǎn)生抵抗[52]。⑤CAFs的基質(zhì)重塑可以形成化學(xué)保護(hù)生態(tài)位，從而通過(guò)細(xì)胞黏附介導(dǎo)的耐藥形式產(chǎn)生耐藥，這種耐藥形式阻斷了化療藥物向腫瘤細(xì)胞的有效傳遞，有助于腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物產(chǎn)生抵抗[53]。⑥CAFs誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞表觀遺傳修飾導(dǎo)致耐藥。有研究表明，CAFs分泌的因子與DNA的高(或低)甲基化有關(guān)，CAFs分泌的因子可誘導(dǎo)前列腺癌細(xì)胞上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，使前列腺癌細(xì)胞干性所需的DNA甲基化，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞干性獲取和耐藥抵抗[54]。因此，腫瘤細(xì)胞的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和干性也是腫瘤耐藥的主要因素之一。

5 小 結(jié)

CAFs作為TME的重要組成部分，與TME中的其他細(xì)胞相互作用可促進(jìn)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，并通過(guò)誘導(dǎo)腫瘤代謝重編程、促進(jìn)腫瘤在缺乏營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下恢復(fù)生長(zhǎng)所需的平衡以及激活腫瘤發(fā)生、發(fā)展相關(guān)的信號(hào)通路，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖轉(zhuǎn)移、血管生成和藥物抵抗。在CAFs與腫瘤細(xì)胞相互作用過(guò)程中，通過(guò)阻斷或減少CAFs與腫瘤細(xì)胞間的物質(zhì)傳輸(如氨基酸交換和乳酸的穿梭)，可有效抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)；同時(shí)，還可降低CAFs代謝重編程對(duì)腫瘤治療藥物的耐受性，從而提高療效。然而，目前有關(guān)CAFs的代謝重編程以及其促進(jìn)腫瘤發(fā)生、發(fā)展及耐藥抵抗的具體機(jī)制尚未完全闡明。將CAFs作為腫瘤治療靶點(diǎn)，可有效抑制腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移。因此，深入研究CAFs在TME的作用及其耐藥機(jī)制，可為研發(fā)具有安全性、特異性的靶向藥物提供理論基礎(chǔ)。