前列腺癌骨轉移機制的研究進展

吳恒鵬,鐘 倩,瓦慶德

(遵義醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院 骨科,貴州 遵義 563006)

前列腺癌發(fā)生遠處轉移的概率可高達70%［1],骨是其最常見的轉移部位。前列腺癌骨轉移患者常伴有骨代謝紊亂、骨痛、病理性骨折、脊髓壓迫、高鈣血癥等并發(fā)癥,使其生活質量及生存率明顯下降。進一步了解前列腺癌的惡性生理學行為及其骨轉移的發(fā)生發(fā)展機制,有利于我們對該疾病的深入認識。目前,大量研究認為“種子和土壤”學說較好的詮釋了前列腺癌易在骨骼發(fā)生轉移的原因:前列腺癌細胞發(fā)生上皮-間質轉化,進入血液循環(huán)。骨微環(huán)境所分泌的趨化因子可吸引前列腺癌細胞向骨轉移,而前列腺癌細胞可通過分泌一些細胞因子來進一步調控定植環(huán)境,使其更利于自身的生存與增殖,并且其與骨微環(huán)境相互作用改變了骨骼的結構與功能。此外,還有研究發(fā)現(xiàn)巨噬細胞可促進前列腺癌惡性發(fā)生、發(fā)展。因此,我們總結了近些年來國內外有關前列腺癌骨轉移機制的研究進展,現(xiàn)綜述如下。

1 前列腺癌細胞發(fā)生上皮間質轉化

前列腺癌細胞發(fā)生遠處轉移始于腫瘤細胞發(fā)生上皮間質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)［2]。鈣粘蛋白E(E-cadherin)是上皮細胞間黏附、連接的主要成分,因此,缺失E-cadherin是導致前列腺癌發(fā)生EMT的關鍵步驟,并且鈣粘蛋白N(N-cadherin)與波形蛋白的增加可促進上皮細胞向間充質細胞的轉化,降低細胞間的連接能力,增強遷移與侵襲能力,進而導致腫瘤細胞從原發(fā)灶逃逸并進入血液循環(huán)［3]。如圖1所示轉化生長因子-β(TGF-β)、Wnt信號、成纖維細胞生長因子(FGF)、血小板衍生生長因子(PDGF)、胰島素樣生長因子(IGF)等可通過MAPK通路或PI3K/Akt通路下調E-cadherin的表達影響細胞間的黏附與細胞骨架功能［4]。同時,多種轉錄因子也參與調控EMT如E-cadherin抑制因子Snail和Slug,扭曲相關蛋白1(Twist 1)可促進EMT并增強細胞的遷移、侵襲能力。Zhang等［5]發(fā)現(xiàn)微管相關蛋白TPX2 通過調節(jié)CDK1,可顯著影響ERK/GSK3b/SNAIL信號通路的磷酸化和SNAIL的表達,從而促進EMT的進展。前列腺癌細胞發(fā)生EMT也受到一些RNA的調控。環(huán)狀RNA(CircRNAs)是具有共價閉合環(huán)結構的非編碼RNA,對前列腺癌的進展有重要的調控作用。有研究發(fā)現(xiàn),has_circ_0030586這種環(huán)狀RNA在前列腺癌細胞中高表達,其可能與miR-145-3p結合,通過PI3K/AKT信號通路來促進EMT［6]。

前列腺癌發(fā)生骨轉移與EMT有著密切聯(lián)系,同時EMT可由不同的驅動因素和效應物觸發(fā),因此,如何調控這些因素可成為的臨床治療的新思路。相關研究表明,通過恢復或者提高相關腫瘤抑制因子的表達可抑制前列腺癌的惡性進展。SMARCC1是一種在前列腺癌中低表達的抑癌因子,Xiao等［7]通過上調其表達發(fā)現(xiàn)其可通過抑制PI3K/Akt信號通路,從而抑制前列腺癌細胞發(fā)生EMT。

圖1 前列腺癌細胞發(fā)生EMT相關機制

2 前列腺癌細胞的歸巢與休眠

當腫瘤細胞發(fā)生上皮-間質轉化后進入血液系統(tǒng),轉移目的器官會分泌的特異性的趨化因子與腫瘤細胞表面的特異性趨化因子受體結合,從而趨動其進入特定的部位稱作腫瘤細胞的“歸巢”［8]。當前列腺癌細胞入骨髓后會進入休眠狀態(tài)以躲避免疫系統(tǒng)的攻擊,這一過程將持續(xù)較長一段時間。

2.1 歸巢 骨微環(huán)境中骨基質和骨髓細胞可分泌的大量生長因子,為前列腺癌細胞的定植提供導向。根據(jù)Shiozawa等［9]研究發(fā)現(xiàn),前列腺癌播散性腫瘤細胞(DTCs)會篡奪骨髓造血干細胞(HSC)進入生態(tài)位(niche)的途徑以在骨髓中定植,并且DTCs還可以用HSC同樣的方式從生態(tài)位中動員出來進入血液循環(huán)之中。

趨化因子是一類分泌具有介導細胞生物學行為的細胞因子或信號蛋白,并且具有調節(jié)腫瘤的增殖、侵襲、轉移、激活血管生成等病理行為的能力。以往的研究發(fā)現(xiàn),趨化因子在介導腫瘤細胞向骨定植中起重要作用［10]?；|細胞衍生因子1(SDF-1/CXCL12)是一種由骨髓基質細胞分泌的趨化因子,在前列腺癌的轉移組織中高表達［11]。Taichman團隊通過實驗發(fā)現(xiàn)CXCL12/CXCR4軸介導前列腺癌歸巢于骨［12]。并且他們進一步證實,由骨髓基質細胞表達的膜聯(lián)蛋白2可與CXCL12相互作用促進前列腺癌細胞的歸巢、生長和存活［13]。此外,Berish等［14]使用小鼠模型的體內研究顯示,CXCR4在癌細胞中的過度表達,使用對CXCR4的中和抗體可減少骨轉移的形成。前列腺癌細胞表達的CXCL16、CXCR6和CC族趨化因子受體5(CCR5)、CCR3等也發(fā)揮促進癌細胞向骨髓轉移的作用［15]。

整合素是跨膜異源二聚體細胞黏附分子,為細胞之間、細胞與細胞外基質之間以及細胞外基質相互之間提供連接并介導它們相互作用,而且其在細胞生存、增殖、遷移方面也起著重要作用［16]。骨髓造血微環(huán)境中,CXCL12釋放的整合素(αvβ3、α2β1)可介導癌細胞與骨髓內皮細胞或其他細胞外基質蛋白黏附,進一步促進癌細胞的歸巢。研究表明,整合素αv與α5在骨轉移性前列腺癌中的共同表達和富集,為前列腺癌在骨微環(huán)境定植中的協(xié)同作用提供依據(jù)［17]。

當前列腺癌發(fā)生骨轉移并歸巢到骨微環(huán)境形成生態(tài)位的過程中,E-選擇素(E-selectin)起著關鍵作用,阻斷E-selectin的表達將影響腫瘤細胞與其微環(huán)境之間的相互作用,從而使腫瘤細胞發(fā)生失巢凋亡。在臨床前腫瘤模型中,通過使用小分子E-selectin拮抗劑GMI-1271,可抑制E-selectin的表達,從而顯著阻止了腫瘤細胞進入骨髓,并且該抑制劑還可影響腫瘤細胞干性與耐藥性,并進一步提高其對化療的敏感性［18]。

2.2 休眠 進入骨髓后的DTCs不會立即增殖,而是進入休眠狀態(tài),其控制血液、營養(yǎng)的供應以及逃避免疫系統(tǒng)的攻擊,以適應新的環(huán)境［19]。

Schofield在1978年提出HSC生態(tài)位的概念,該生態(tài)位是由血管、神經以及不同的細胞類型組成,這些細胞類型對于潛在腫瘤細胞的生存和維持非常重要［20]。前列腺癌DTCs因其以類HSC的方式進出骨微環(huán)境,所以其也受到骨微環(huán)境蛋白質配體的控制,其中最主要的是TGF-β和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)家族的蛋白質。Li［21]團隊發(fā)現(xiàn)成骨細胞可分泌 TGF-β2和生長分化因子10(GDF10),通過與TGFβrIII受體結合激活磷酸化的p38/MAPK,從而確定了一種通過TGFβRIII-p38MAPK-pS249 / T252-RB信號軸可誘導前列腺癌DTCs進入休眠狀態(tài)。此外,Dong等［22]研究發(fā)現(xiàn)來自成骨細胞龕的Wnt5a通過激活ROR2 / SIAH2信號傳導抑制了Wnt / β-catenin信號通路維持了前列腺癌細胞在體內的休眠狀態(tài)。骨形成蛋白7(BMP7)可抑制前列腺癌細胞發(fā)生上皮-間質轉化以及通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白 II 型受體發(fā)出信號可以使前列腺癌DTCs進入休眠狀態(tài)。Sharma等［23]通過將PC3mm干細胞樣細胞植入脛骨,通過體內選擇分離出兩種同源細胞系分別為惰性和侵略性。其中惰性細胞保留了休眠表型,并且惰性細胞分泌富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白(SPARC)刺激骨髓中BMP-7的表達,以維持前列腺癌細胞休眠狀態(tài),再一次證實了BMP7在前列腺癌轉移至骨髓后對腫瘤細胞的休眠起著重要作用。

此外,MC3T3-E1成骨細胞也被證實可誘導前列腺癌細胞休眠,當MC3T3-E1細胞與PC3和DU145細胞共同培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)前列腺癌細胞增殖被明顯抑制,從而得出成骨細胞可能與腫瘤休眠有一定關聯(lián),他們同樣發(fā)現(xiàn)Gas6/Ax1軸和TGF-β2信號之間的環(huán)路在前列腺癌細胞休眠的誘導過程中起著重要作用［24]。去甲腎上腺素信號激活cAMP信號通路可下調成骨細胞中Gas6的表達,導致休眠的前列腺癌細胞重新激活。而使用普萘洛爾可增加Gas6的表達,并消除去甲腎上腺素信號對處于休眠期的前列腺癌細胞再激活的影響［25]。因此,將短暫的休眠表型轉變?yōu)橛谰眯孕菝郀顟B(tài),可為延長患者的總體生存期提供有效策略。MYC基因家族及其產物可調控細胞的生理活動,并且在大多數(shù)腫瘤的形成中起到重要作用。與對照組對比研究發(fā)現(xiàn),前列腺癌的惡性進展與異常表達的MAD2L1基因密切相關［26]。最近,一項基因測序研究發(fā)現(xiàn)MYC基因的靶向基因MAD2L1可能與前列腺癌骨轉移細胞休眠有聯(lián)系,這可有助于發(fā)現(xiàn)其確切休眠機制［27]。

3 前列腺癌細胞的再激活與增殖

當定植休眠的腫瘤細胞被再度激活后就會不斷增殖與浸潤。有研究發(fā)現(xiàn),前列腺腫瘤細胞微環(huán)境中細胞外基質促進血管的生成、破骨細胞導致的骨吸收以及腫瘤細胞免疫逃避狀態(tài)的改變都可引起前列腺癌細胞的再激活［28]。Lawson等［29]發(fā)現(xiàn)骨微環(huán)境中的成骨細胞和破骨細胞有促進和解除腫瘤細胞休眠的能力。研究發(fā)現(xiàn),持續(xù)的炎癥誘導中性粒細胞形成細胞外誘捕網(NET),兩種 NET 相關蛋白酶(中性粒細胞彈性蛋白酶和基質金屬蛋白酶 9)可裂解層粘連蛋白。蛋白水解重塑后的層粘連蛋白通過激活整合素 α3β1信號傳導誘導休眠前列腺癌細胞增殖［30]。

此外,BMP-7表達下調可導致PC-3細胞休眠受抑制。因此,破骨細胞活化、Gas6、BMP-7在調節(jié)腫瘤細胞休眠再活化中起到關鍵作用［24]。激活后的腫瘤細胞可因骨微環(huán)境的各種因子的刺激下進入增殖期,腫瘤向骨轉移后破壞了成骨細胞和破骨細胞之間的穩(wěn)態(tài),尤其是成骨細胞的破壞,可形成以促進腫瘤細胞生長、持續(xù)破骨細胞生成和骨吸收方面的“惡性循環(huán)”。

4 腫瘤相關巨噬細胞

腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)是介導腫瘤微環(huán)境內細胞間通訊的重要組成部分［31]。已知存在兩種類型的腫瘤相關巨噬細胞:M1腫瘤抑制巨噬細胞和M2腫瘤起始巨噬細胞,兩種細胞在腫瘤進展及轉移的各個步驟中起關鍵作用。M2巨噬細胞可通過分泌細胞因子促進腫瘤免疫抑制和血管生成,這兩者都是前列腺癌進展的重要標志［32]。前列腺癌細胞分泌諸如CSF-1和CCL2的因子,其可促進單核細胞和巨噬細胞的聚集并極化驅動促炎或抗炎狀態(tài),進而分泌如表皮生長因子(EGF),血小板衍生的生長因子和VEGF,促進癌細胞增殖和腫瘤微環(huán)境的血管生成［33]。一項研究發(fā)現(xiàn),前列腺癌組織中高表達的E3泛素連接酶F-box only蛋白22 (FBXO22)可通過刺激巨噬細胞M2極化促進前列腺癌細胞活性以及促進前列腺癌的骨轉移［34]。同時,M2巨噬細胞可與前列腺癌細胞直接接觸,激活Notch信號通路從而促進前列腺癌細胞的增殖與遷移［35]。最近,有研究人員在前列腺癌骨轉移中發(fā)現(xiàn)一種癌細胞簇,其來源于DTCs與骨髓細胞之間的細胞融合,這種骨髓樣腫瘤雜交細胞可誘導M2巨噬細胞在腫瘤微環(huán)境中富集,進而提高腫瘤細胞的免疫抑制能力,并且該癌細胞簇還可增強前列腺癌細胞EMT的發(fā)生［36]。

轉移性腫瘤的發(fā)展和腫瘤的復發(fā)是由癌癥干細胞(CSCs)驅動的［37]。前列腺癌干細胞(PCSCs)微環(huán)境中,TAMs作為其微環(huán)境的主要構成部分可通過分泌一些趨化因子從而介導前列腺癌的轉移。例如,CC趨化因子配體2 (CCL2)在體內可促進前列腺癌異種移植物的生長和轉移。Huang［38]團隊發(fā)現(xiàn)了另一種CC趨化因子配體:CCL5,是一種比CCL2更豐富的趨化因子。CCL5由TAMs分泌并且通過激活β-catenin/STAT3信號通路促進PCSCs的自我更新和前列腺癌轉移。TAMs衍生的其他趨化因子和細胞因子,如CCL-17和TGF-β也顯著影響癌癥進展的各個方面,包括免疫逃逸,腫瘤傳播,遠處植入和治療抵抗［39]。

TAMs在前列腺癌進展中存在著雙重作用,因此,靶向TAMs破壞免疫耐受的腫瘤免疫療法具有一定的臨床轉化意義。目前關于TAMs治療策略涉及以下3組:(1)消耗總TAMs數(shù)量。一項研究報告稱,通過使用氯磷酸鹽脂質體誘導巨噬細胞耗竭后,含有PC-3MM2細胞的小鼠淋巴結和骨轉移的發(fā)生率下降。巨噬細胞延長了雄激素剝奪治療期間的生存期［40]。(2)將M2樣巨噬細胞轉化為對腫瘤具有殺滅作用的M1樣表型。另一項研究通過使用源自M1巨噬細胞的外泌體模擬納米囊泡將M2巨噬細胞重新極化為 M1 巨噬細胞,并且向荷瘤小鼠體內注射這種納米囊泡后,發(fā)現(xiàn)可抑制小鼠體內腫瘤生長［41]。(3)抑制TAMs與腫瘤細胞之間的相互作用。腫瘤細胞分泌各種趨化因子募集單核細胞浸潤腫瘤組織,進一步促進其M2型極化。M2巨噬細胞可以加速腫瘤生長,促進腫瘤細胞侵襲和轉移,并抑制免疫殺傷以促進腫瘤進展。目前的治療策略側重于減少腫瘤組織中的巨噬細胞浸潤,并將TAMs重新極化為M1巨噬細胞以殺死腫瘤。

5 結束語

綜上所述,前列腺癌骨轉移是一個復雜的、各種因素共同導致的生物學過程。各類生長因子、趨化因子、RNA、巨噬細胞之間的相互作用對前列腺癌的惡性進展有重要影響。越來越多的研究發(fā)現(xiàn),前列腺癌之所以選擇骨作為轉移目的器官,是與骨骼微環(huán)境有著密切的聯(lián)系。骨微環(huán)境的生理特性為前列腺癌的目的轉移有著趨化作用。