細胞外基質(zhì)硬度調(diào)控腫瘤發(fā)展及機制研究進展

劉成濤，張小博

(江蘇省南京市鼓樓區(qū)童家巷24號中國藥科大學玄武門校區(qū)，江蘇省腫瘤發(fā)生與干預(yù)重點實驗室，江蘇 南京

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0 引言

物理微環(huán)境是影響腫瘤發(fā)展的一個重要因素，由于腫瘤物理微環(huán)境的改變而引起的腫瘤細胞的生化信號改變的過程，稱為機械轉(zhuǎn)導(dǎo)(Mechanotransduction)，是一種腫瘤細胞感知和響應(yīng)物理環(huán)境變化的能力[1]。物理機械轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的起源可以追溯到德國解剖學家和外科醫(yī)生沃爾夫，他們首先提出骨重塑以響應(yīng)機械負荷的變化這一概念[2]。在沃爾夫的經(jīng)典論文“關(guān)于生長和形式”中，達西·湯普森 (D'Arcy Thompson) 將這種形式適應(yīng)的概念擴展為結(jié)合組織和有機體的生長和發(fā)育，強調(diào)物理力和功能所起的潛在作用[3]。這種物理機械轉(zhuǎn)導(dǎo)尤其存在于一些容易出現(xiàn)基質(zhì)沉積的腫瘤細胞中，并且影響到腫瘤細胞的整個生命活動[4]。

機械物理微環(huán)境包括許多方面，其中基質(zhì)硬度是研究較多的一個方面。目前認為腫瘤基質(zhì)發(fā)生硬化的原因主要是由于細胞外基質(zhì)(Extracellular Matrix,ECM)的沉積和重塑[5]，而且這種硬度(stiffness)的增加被認為與腫瘤的發(fā)展密切相關(guān)[6]，這是因為細胞外基質(zhì) (ECM) 的密度和組成的改變經(jīng)常出現(xiàn)在腫瘤發(fā)展中[7]?；|(zhì)硬度是機械刺激的來源之一，在結(jié)直腸腫瘤等實體瘤的多個不同分子信號通路中影響腫瘤細胞和非腫瘤細胞，導(dǎo)致腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移、免疫逃避和耐藥性[8]。

目前已知ECM包括許多的組成成分，其組成的不同也可能會影響到ECM的硬度，其中，膠原蛋白和透明質(zhì)酸是影響其硬度的主要因素。先前的研究表明，膠原蛋白的沉積和交聯(lián)以及透明質(zhì)酸含量的增加會增加ECM的硬度，即基質(zhì)硬度[9-11]，這種基質(zhì)硬度的增加可以通過機械轉(zhuǎn)導(dǎo)將物 理信號從ECM傳遞至細胞內(nèi)，從而改變細胞的生物學行為[12]。目前有研究發(fā)現(xiàn)，膠原蛋白受體整合素和透明質(zhì)酸受體CD44都參與了基質(zhì)硬度的機械傳導(dǎo)，不同亞型的膠原蛋白與整合素結(jié)合，而不同亞型的透明質(zhì)酸與其受體CD44結(jié)合，調(diào)節(jié)下游的信號通路，從而產(chǎn)生不同的生物學效應(yīng)[13]。這些ECM的組成成分既可以作為外部的結(jié)構(gòu)支架發(fā)揮機械作用，也可以作為細胞信號傳導(dǎo)的驅(qū)動器發(fā)揮功能作用，并且部分通過整合素信號傳導(dǎo)[14]。在細胞的不斷發(fā)展過程中，ECM成分可以被MMP家族蛋白降解從而重塑為新的ECM，從而為細胞的發(fā)展提供一個動態(tài)的過程。因此，ECM可以通過細胞-細胞外基質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生信號傳導(dǎo)或其他機制從而成為細胞功能和組織發(fā)育的關(guān)鍵驅(qū)動力[15]。

目前針對基質(zhì)硬度對腫瘤影響的研究中都會采用一種稱為聚丙烯酰胺凝膠的模型，該模型是以丙烯酰胺和雙丙烯酰胺為主體，按照不同的配比從而產(chǎn)生不同情況下的基質(zhì)硬度值，以模擬體內(nèi)不同組織或者腫瘤組織的具體硬度值，從而有利于研究的開展[16]。Robert等人很早就發(fā)現(xiàn)了通過在膠原蛋白涂層的聚丙烯酰胺凝膠(基質(zhì)硬化模型)底物上培養(yǎng)正常的大鼠腎臟上皮細胞和3T3纖維母細胞可以促進細胞的擴散和運動性，表明了細胞對周圍環(huán)境中物理變化的響應(yīng)[17]，同時表明這種響應(yīng)涉及到肌動球蛋白細胞骨架。Adam等人發(fā)現(xiàn)將MSC置于不同組織的基質(zhì)上時，會表現(xiàn)出不同的分化方向：模仿大腦的軟基質(zhì)具有神經(jīng)源性，而模仿膠原質(zhì)骨的硬基質(zhì)具有成骨性，并且這種分化的差異可以通過抑制非肌肉肌球蛋白II而消除[18]。在許多腫瘤的發(fā)展過程中都會出現(xiàn)基質(zhì)硬化或者纖維化這一過程，比如乳腺癌會出現(xiàn)基質(zhì)重塑和纖維化，而肝癌的晚期會出現(xiàn)明顯的肝硬化和纖維化，這些癌癥的機械物理微環(huán)境的變化是否會影響后續(xù)的腫瘤發(fā)展以及背后的機制研究發(fā)展有待進一步的挖掘。因此，本文將就基質(zhì)硬度調(diào)控腫瘤發(fā)生發(fā)展及分子機制進行綜述，為以調(diào)節(jié)基質(zhì)硬度為治療目標的思路提供理論基礎(chǔ)。

1 基質(zhì)硬度與腫瘤細胞能量代謝

能量代謝可以為細胞活動和增殖提供能量和生物必須物質(zhì)，正常細胞主要通過調(diào)節(jié)葡萄糖、脂質(zhì)和氨基酸代謝來滿足其代謝需求[19]。而在腫瘤細胞中由于其需要滿足自身快速的增殖，從而需要較多的能量供應(yīng)，所以在腫瘤細胞中代謝重編程是一種常見現(xiàn)象，因為這種代謝重編程允許癌細胞在不同的微環(huán)境中快速獲得較多的能量供應(yīng)，從而實現(xiàn)自身的增殖與存活[20]。

目前許多的研究都發(fā)現(xiàn)了基質(zhì)硬度在調(diào)節(jié)細胞代謝重編程中所起的作用，尤其是在腫瘤細胞中，基質(zhì)硬度引起的細胞代謝重編程會影響到腫瘤多個方面。YAP/TAZ是感應(yīng)機械物理微環(huán)境變化的關(guān)鍵分子，它們在胚胎和腫瘤的發(fā)育中起到重要作用，并且促進了細胞的增殖和存活，有研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)的硬化可以通過整合素影響細胞代謝，并且據(jù)報道整合素通過 YAP/TAZ 影響細胞代謝[21]。在不同的腫瘤細胞如肝癌、乳腺癌中，基質(zhì)硬度可以上調(diào)YAP/TAZ的表達，而其表達的上調(diào)會促進腫瘤細胞對葡萄糖的攝取和利用，增加糖酵解的速率，并影響糖原分解[22]?；|(zhì)硬度還被證明可以通過影響硫氧還蛋白相互作用蛋白 (thioredoxininteracting protein，TXNIP) 來調(diào)節(jié)葡萄糖代謝，TXNIP可以抑制細胞對葡萄糖的攝取。最近沙利文等人的研究發(fā)現(xiàn)降低ECM硬度的主要組成成分透明質(zhì)酸(hyaluronic acid，HA)會降低細胞內(nèi)的TXNIP，同時發(fā)現(xiàn)HA含量的短時間降低會激活RTK信號通路并促進ZFP36表達，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)和TXNIP表達降低，而HA含量的長時間降低會增加MYC信號并抑制TXNIP轉(zhuǎn)錄[23]。另外，最近的研究也發(fā)現(xiàn)組織硬度可以通過RhoA/RocK通路影響肌動蛋白細胞骨架，從而影響腫瘤細胞的代謝過程。較早的研究發(fā)現(xiàn)由于細胞骨架上會結(jié)合有許多與代謝有關(guān)的酶，如糖酵解酶[24]，因此基質(zhì)硬度引起的細胞骨架擾動會引起如葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白 GLUT4 向細胞膜的易位來影響葡萄糖攝取[25-26]?；|(zhì)硬度的增加會引起肌動蛋白細胞骨架的聚集和收縮，帕克等人通過研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)硬度引起的細胞骨架聚集會抑制含有E3泛素連接酶三方基序 (tripartite motif，TRIM) 的蛋白質(zhì) 21 (TRIM21) 的遷移并且減少其作用范圍來調(diào)節(jié)糖酵解酶磷酸果糖激酶 (PFK)，進而調(diào)節(jié)腫瘤細胞代謝過程[27]。同樣的，研究人員還發(fā)現(xiàn)組織硬度可以通過增加肌動蛋白絲的密度以使醛縮酶與肌動蛋白細胞骨架以一種完全無活性的形式相互結(jié)合，從而降低人結(jié)腸癌細胞系HCT-116的糖酵解過程[28-29]。

基質(zhì)硬度除了會影響到腫瘤細胞的糖酵解過程，還會影響到其他的代謝過程如脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝。在脂質(zhì)代謝中，基質(zhì)硬度可以通過AKT等途徑上調(diào)甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(sterol regulatory element-binding protein，SREBP)的 表達，從而促進腫瘤細胞的脂質(zhì)代謝[30-31]，進而促進細胞增殖、生長，減少細胞的凋亡。而在氨基酸代謝中，基質(zhì)硬度可以調(diào)節(jié)氨基酸轉(zhuǎn)移，從而影響到其代謝過程，其主要是通過上調(diào)YAP/TAZ過程實現(xiàn)的[32-34]。

2 基質(zhì)硬度與腫瘤細胞侵襲轉(zhuǎn)移

腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移是一個復(fù)雜的過程，在這個過程中，癌細胞需要從原位灶經(jīng)過一系列的步驟到達各種器官即轉(zhuǎn)移灶，在這些步驟中，腫瘤的細胞外基質(zhì)與腫瘤細胞骨架之間的互相作用是關(guān)鍵。值得注意的是，來自腫瘤細胞外基質(zhì)的物理微環(huán)境和生化線索會影響一些癌癥標志物并調(diào)節(jié)細胞-細胞以及細胞-ECM間的相互作用，進而影響到癌細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[35-36]。

已有大量的研究顯示增加基質(zhì)硬度會引起腫瘤的惡性表型，且主要與癌細胞的轉(zhuǎn)移相關(guān)[37-39]，其基本特征是Rho依賴性細胞骨架張力增加，導(dǎo)致細胞與細胞外基質(zhì)粘附增強，這些研究背后的機制主要與活化的FAK和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶信號傳導(dǎo)相關(guān)[40]。同時一項來自臨床前的研究證明硬度與癌細胞轉(zhuǎn)移至關(guān)重要，該研究表明破壞腫瘤細胞外基質(zhì)的完整性會阻止轉(zhuǎn)移，從而起到較好治療作用[41]。癌細胞可以通過整合素等效應(yīng)器感知細胞外基質(zhì)的硬化，引起整合素的聚集，從而啟動粘著斑信號分子的募集，如FAK、SRC、樁蛋白等，從而增強磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositide 3-kinases，PI3K)的活性，而這些蛋白活性的增加都與腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移密切相關(guān)[42-44]。此外，在基于3D膠原蛋白的體外培養(yǎng)系統(tǒng)中，有研究發(fā)現(xiàn)細胞-細胞外基質(zhì)粘附蛋白 RSU-1 在基質(zhì)硬度增加的情況下其表達顯著上調(diào)，并且明顯增加了腫瘤細胞的侵襲能力，而由缺乏 RSU-1 的腫瘤細胞在相同的條件下并沒有顯示出明顯的轉(zhuǎn)移能力[45]。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，在SMAD4突變的胰腺癌中，細胞外基質(zhì)硬化與細胞內(nèi)ROCK激酶活性的增加有關(guān)，而ROCK活性的增加反過來又促進了細胞外基質(zhì)的產(chǎn)生，增加了基質(zhì)的硬化過程，同時促進了粘著斑的生成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及轉(zhuǎn)錄激活因子-3 (activator of transcription-3，STAT-3) 的信號激活，從而驅(qū)動腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移[46]。研究發(fā)現(xiàn)在乳腺癌中，膠原蛋白交聯(lián)增加導(dǎo)致的腫瘤細胞外基質(zhì)硬化通過Integrin-PI3K促進了轉(zhuǎn)移的開始[47]，通過在纖維蛋白凝膠中培養(yǎng)鼠B16-F1黑色素瘤細胞，尾靜脈注射后發(fā)現(xiàn)與對照相比，其在肺中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移灶更明顯，致瘤性更強[48]。還有研究表明高基質(zhì)硬度下的乳腺癌通過從胞質(zhì)結(jié)合伴侶G3BP2釋放TWIST1來促進TWIST1的核易位，從而促進腫瘤轉(zhuǎn)移[49]，這種變化可能與細胞骨架發(fā)生的劇烈改變有關(guān)。

3 基質(zhì)硬度與腫瘤細胞干性

腫瘤的細胞外基質(zhì)是高度動態(tài)的，它會不斷地經(jīng)歷著降解與重塑過程，其中包括各種細胞外基質(zhì)成分被沉積、降解或者改變。目前越來越多的研究表明細胞外基質(zhì)可以作為正常細胞或者腫瘤干細胞的生態(tài)微環(huán)境。由于細胞外基質(zhì)成分的過度表達，導(dǎo)致癌細胞的基質(zhì)相較于正常的細胞基質(zhì)更加堅硬，細胞外基質(zhì)的硬化賦予的機械特性通過粘著斑的形成和隨后的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活傳遞給腫瘤干細胞(cancer stem cells，CSCs)[50]。

細胞外基質(zhì)的硬度在調(diào)節(jié)干細胞的自我更新和分化中起著至關(guān)重要的作用，一些研究表明細胞外基質(zhì)硬度可以誘導(dǎo)人類間充質(zhì)干細胞 (MSCs) 和神經(jīng)干細胞分化成不同的細胞譜系[51-52]。有研究發(fā)現(xiàn)，在黑色素瘤干細胞中，三維 (3D) 軟纖維蛋白基質(zhì)可以促進組蛋白3賴氨酸殘基9 (H3K9) 去甲基化并增加SOX2的表達和自我更新，而硬化的基質(zhì)則發(fā)揮相反的作用[53]。但是在乳腺癌干細胞中，情況卻是相反的，有研究發(fā)現(xiàn)處于較硬基質(zhì)上的乳腺癌干細胞可以通過整合素連接激酶ILK增加腫瘤干細胞標志物的表達，這表明基質(zhì)硬度對干性的影響是與癌癥類型相關(guān)的[54]。肝癌在晚期時經(jīng)常會有肝硬化的現(xiàn)象出現(xiàn)，其基質(zhì)硬度要明顯高于周圍正常的肝組織，有研究人員發(fā)現(xiàn)基質(zhì)硬度可以通過激活整合素β1/Akt/mTOR/SOX2這一信號通路參與干性調(diào)節(jié)過程，這項研究也揭示了一種新的調(diào)節(jié)途徑來探究肝癌細胞的干性特征[55]。

4 基質(zhì)硬度與腫瘤細胞耐藥

腫瘤細胞的化學抗性即耐藥性通常由腫瘤干細胞 (CSC) 驅(qū)動，這些腫瘤起始細胞具有良好的自我更新的能力，它們只占異質(zhì)腫瘤的一小部分。化療后的轉(zhuǎn)移性復(fù)發(fā)被認為是由于腫瘤干細胞中治療抗性的產(chǎn)生，因為它們普遍具有逃避細胞凋亡的能力，并且可以使腫瘤細胞在治療結(jié)束后重新恢復(fù)活力[56]。目前發(fā)現(xiàn)許多不同的細胞內(nèi)機制可以讓癌細胞避免受到化學治療產(chǎn)生的細胞毒性作用，而且這些機制都與腫瘤干細胞相關(guān)，其中主要包括藥物可及性、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)以及致癌信號通路[57]。

目前發(fā)現(xiàn)在腫瘤細胞的進展中，基質(zhì)硬化可以促進腫瘤細胞的收縮性和化學抗性，同時通過各種機械轉(zhuǎn)導(dǎo)機制促進腫瘤的進展。

(1)基質(zhì)硬化與藥物可及性

從目前的研究進展來看，關(guān)于細胞外基質(zhì)硬度對藥物進入癌細胞能力的影響的研究并不是很多，一個較為典型的研究是關(guān)于細胞色素P450的，該項研究發(fā)現(xiàn)細胞色素 P450 的活性會受到肝細胞底物硬度的影響，其中P450在較軟的底物上會顯示出比較硬的組織培養(yǎng)板表面更高的活性[58]。雖然關(guān)于這方面的研究較少，但是基質(zhì)硬化所具有的高度纖維化的微環(huán)境會導(dǎo)致固體應(yīng)力的積累，當這種積累超過一定的限度時會迫使血管塌陷，限制血液流動，而這種情況的出現(xiàn)必然會大大降低藥物進入腫瘤的能力，因此可能會降低藥物的可及性[59]，盡管證據(jù)較少。

(2)基質(zhì)硬化與EMT

細胞外基質(zhì)的硬化已經(jīng)在多種腫瘤細胞中顯示出其具有促進EMT的能力。在處于基質(zhì)硬化微環(huán)境中的乳腺癌細胞中，有研究發(fā)現(xiàn)其蛋白質(zhì) Rac1b 定位于質(zhì)膜上，這一定位的變化會通過促進 NADPH 氧化酶產(chǎn)生活性氧來促進snail的表達，進而誘導(dǎo)EMT的發(fā)生，并且促進了對吉西他濱的耐藥性[60]。同時，基質(zhì)硬度也被證明可以改變癌細胞對TGF-β的反應(yīng)，其中在較軟基質(zhì)中顯示出TGF-β誘導(dǎo)的細胞凋亡，而在基質(zhì)硬化微環(huán)境中則顯示出TGF-β誘導(dǎo)的EMT的發(fā)生[61]。在基質(zhì)硬化微環(huán)境中被顯著激活的效應(yīng)器YAP也與EMT相關(guān)，進而產(chǎn)生耐藥性，已有研究發(fā)現(xiàn)過表達YAP的胰腺癌細胞會通過激活A(yù)KT通路促進對吉西他濱的耐藥性，這種現(xiàn)象的發(fā)生與YAP在基質(zhì)硬化微環(huán)境下的入核有顯著的關(guān)系[62]，而且這種YAP的過表達會使上述癌細胞對TGF-β的反應(yīng)從細胞凋亡轉(zhuǎn)變?yōu)镋MT的發(fā)生。

(3)基質(zhì)硬化與致癌信號通路

細胞外基質(zhì)硬化會引起細胞內(nèi)多條信號通路的激活，其中包括那些與細胞生存和凋亡相關(guān)的通路，因此它也可以作為化學抗性的調(diào)節(jié)劑。作為黏著斑下游的PI3K信號通路，可以在基質(zhì)硬化微環(huán)境中被激活，而其背后的機制可能與小窩蛋白-1(caveolin-1)有關(guān)，它是小窩膜結(jié)構(gòu)域的一種結(jié)構(gòu)成分，對剪切應(yīng)力(shear stress)具有機械敏感性并且可以促進乳腺癌細胞中的PI3K信號通路激活[63]。黏著斑除了可以通過上述的方式響應(yīng)基質(zhì)硬化微環(huán)境外，還可以通過激活MAPK信號級聯(lián)反應(yīng)促進細胞周期的進程以響應(yīng)基質(zhì)微環(huán)境的變化，而這種MAPK的級聯(lián)反應(yīng)又可以與Rho/ROCK信號通路發(fā)生串擾從而進一步加強這兩種信號通路的激活[64]。作為另外一種重要的響應(yīng)基質(zhì)硬化微環(huán)境的效應(yīng)器，ROCK可以被基質(zhì)硬化微環(huán)境所激活，從而調(diào)節(jié)癌細胞的生存或者凋亡。ROCK通過增強細胞周期進展蛋白周期蛋白依賴性激酶2(cell cycle progression proteins cyclin-dependent kinase 2)和細胞周期蛋白E(cyclin E)的核定位以促進細胞存活，而通過激活PTEN抑制PI3K信號通路，以及激活各種半胱天冬酶以促進細胞凋亡[65]。

5 結(jié)語

基質(zhì)硬度作為一種重要的腫瘤微環(huán)境，它已經(jīng)顯示出對腫瘤多個方面產(chǎn)生影響的潛力，進而影響到隨后的腫瘤細胞行為。對于處于不同基質(zhì)微環(huán)境中的腫瘤，不同的行為顯示出癌細胞對該微環(huán)境的正確響應(yīng)，進而做出一系列的生化信號以應(yīng)對這種環(huán)境的改變。

細胞外基質(zhì)是由許多成分組成的，這些成分大多數(shù)是癌細胞表面蛋白的受體，它們之間的結(jié)合會將胞外的機械物理信號通過機械轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)的生化信號，指導(dǎo)細胞的生存、增殖、運動及轉(zhuǎn)移等行為。癌細胞在不同的發(fā)展過程中可能需要不同的生存微環(huán)境，這就表明這種機械物理信號不是一成不變的，而是動態(tài)變化的，癌細胞可能會隨著發(fā)展狀態(tài)的變化不斷的重塑改變著細胞外基質(zhì)，進而為癌細胞自身的生存創(chuàng)造一個良好的生態(tài)微環(huán)境。

盡管目前對于基質(zhì)硬度影響腫瘤多個方面的研究已經(jīng)較為全面和深入，比如對基質(zhì)硬化響應(yīng)的效應(yīng)器YAP或者ROCK的研究已經(jīng)非常成熟，但是對于這些繁多的效應(yīng)器以及非常多的影響領(lǐng)域并沒有一個較為統(tǒng)一的說法，在不同的癌細胞中可能會有不同的影響效果甚至得出完全相反的結(jié)論，這就非常不利于理論研究的開展以及臨床上的應(yīng)用。所以未來的關(guān)于基質(zhì)硬度的研究很有必要在不同的癌細胞中找出相似的理論，從而建立起一種較為廣泛的理論體系。