陳 曦,楊力芳,李 丹*

(1.湖南大學生物學院,中國湖南長沙 410082;2.中南大學腫瘤研究所,中國湖南長沙 410008)

腫瘤的發(fā)生發(fā)展是多階段、多步驟、多因素等綜合作用和發(fā)展的過程,受多個基因的精密調控,涉及到腫瘤細胞本身的生物學特性和腫瘤細胞與腫瘤微環(huán)境的相互作用等[1]。腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment)是一個動態(tài)網(wǎng)絡,包括腫瘤細胞、間質細胞以及圍繞著它的細胞外基質(extracellular matrix,ECM)[2]。間質細胞由許多不同類型的細胞構成,主要包括內皮細胞、周皮細胞、纖維細胞以及多種免疫細胞[3],其中免疫細胞主要包括巨噬細胞、中性粒細胞、肥大細胞、髓系祖細胞以及淋巴細胞[4]。腫瘤細胞和間質細胞均能分泌細胞外基質成分,如纖連蛋白、膠原蛋白、蛋白多糖、糖蛋白、生長因子和基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)[5]。這些來自各種細胞的分泌物都能影響腫瘤微環(huán)境。此外,上皮和間質細胞間的交流對于腫瘤的發(fā)生發(fā)展也同樣至關重要[6]。

纖維細胞是位于大多數(shù)器官結締組織中具有低增殖能力的梭形細胞,能促進ECM的重塑,從而維持基質的穩(wěn)定,并確定器官的結構完整性和機械性能[7]。纖維細胞是一種干細胞,它能分化為成纖維細胞(normal fibroblasts,NFs)。腫瘤相關成纖維細胞(cancer associated fibroblasts,CAFs)位于腫瘤或腫瘤邊緣[8],是一種具有多種來源的異質細胞群,其中大部分來源于成纖維細胞,極少數(shù)來源于其他細胞,包括間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)、上皮細胞、周皮細胞、脂肪細胞和內皮細胞[9]。腫瘤基質中的CAFs可以根據(jù)其形態(tài)和特定的識別標志被區(qū)分開來。α-平滑肌肌動蛋白(alpha-smooth muscle actin,α-SMA)是識別CAFs用的最為廣泛的標志[10],成纖維細胞活化蛋白(fibroblast activation protein,FAP)是一種膜蛋白,它在各種類型人上皮癌細胞活化的CAFs中選擇性表達[11]。此外,成纖維細胞特異蛋白(fibroblastspecific protein,FSP)、波形蛋白(vimentin)、血小板衍生生長因子受體(platelet-derived growth factor receptor,PDGFR)α和β也在CAFs中表達[12]。這些蛋白質在CAFs中的表達量明顯高于NFs,是CAFs的標志性分子。這些標記分子沒有一個是在CAFs中唯一表達的,而且大多數(shù)并非同步表達。CAFs能通過旁分泌或者自分泌的方式分泌一些細胞因子,作用于腫瘤細胞,導致其含有更具攻擊性的腫瘤表型。目前認為CAFs可釋放生長因子和細胞因子進入血液循環(huán),促進腫瘤細胞的增殖、血管的新生,也可通過改變腫瘤細胞與ECM黏附力,或增加MMPs的表達,促進ECM降解,直接或間接調控腫瘤的發(fā)生發(fā)展[13]。同樣,它還能強化腫瘤特征,包括耐藥性、ECM調控、慢性炎癥以及侵襲能力[4]。因此,深入研究CAFs的活化途徑、機制其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用具有重要意義。

1 CAFs的活化機制

研究認為CAFs主要來源于腫瘤周圍間質組織中的NFs,此外也可來源于腫瘤干細胞和腫瘤間質的其他細胞。NFs可經(jīng)腫瘤微環(huán)境中一些可溶性的信號分子誘導活化;癌蛋白也是除細胞因子外的重要活化因素;另外,miRNA也可使NFs向CAFs轉化或激活,從而調控腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

1.1 細胞因子

在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中,位于腫瘤細胞附近的纖維細胞或其他細胞能通過自我調節(jié)使其遺傳或表觀遺傳發(fā)生改變,或者通過腫瘤細胞對其的調控來進行活化[14]。纖維細胞通常能被腫瘤細胞和其他的基質細胞所分泌的細胞因子活化,主要包括轉化生長因子β(transformation growth factor-β,TGF-β)、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)、上皮生長因子(epithelial growth factor,EGF)、趨化因子CXCL12[15]、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(bone morphogenetic protein,BMP)等等。細胞與細胞之間的通訊主要是通過黏附分子進行,包括細胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)和血管細胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1),它們也能使纖維細胞活化[16]。

TGF-β是一個多功能的細胞因子,能調控各種類型細胞的生長、分化和遷移[17],被認為是最能有效誘導NFs向CAFs轉化的細胞因子[18]。在卵巢纖維細胞中,TGF-β能夠直接靶向多能蛋白聚糖(versican,VCAN),并上調其表達量,使NFs活化為CAFs。研究表明,VCAN在CAFs中的表達是通過TGF-β受體Ⅱ和SMAD信號調控的。TGF-β能上調CAFs中VCAN的表達量,上調的VCAN又能激活核因子 κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路,進而上調CD44、MMP6和透明質酸介導的運動感受器(hyaluronic acid-mediated motion receptor,HMMR)的表達,從而促進卵巢癌細胞的侵襲轉移能力[19]。也有研究表明,TGF-β可以誘導內皮細胞的增殖,并將其表型轉化為NFs,隨后進一步將其活化為CAFs[20]。這種內皮間質轉化(endothelial-mesenchyal transformation,EndMT)與間質標記FSP1的出現(xiàn)和CD31/PECAM的下調有關。TGF-β2能夠誘導間質轉化,使人微血管內皮細胞(human microvascular endothelial cells,HMEC-1 cells)分化為具有CAFs特性的細胞,比如具有細長的細胞形態(tài)、應力纖維組織調控能力提高、α-SMA高表達以及RhoA和Rac-1信號通路的激活[21]。PDGF是一種生長因子,與纖維化、血管生成以及腫瘤發(fā)生有關[22,23]。在肝星形細胞中,PDGF能將其活化為CAFs,而視黃素則能通過抑制PDGFRα/β的表達,從而抑制肝星形細胞向CAFs的轉化[24]。在腫瘤早期階段,NFs中的免疫細胞所分泌的白介素-1β (interleukin-1β,IL-1β)能誘導激活 NF-κB信號通路,促進早期炎癥以及腫瘤的發(fā)生[25]。癌細胞分泌的VEGF也能活化NFs[26],它在血管滲漏形成中起著關鍵性的作用,能通過提高血管滲透性,導致反應性血管周圍區(qū)域含有纖維蛋白和血小板,從而促進免疫細胞的積累、內皮細胞的增殖以及 NFs的活化[27]。總的來講,TGF-β、PDGF、VEGF等細胞因子主要通過NFs內的NF-κB、ERK和AKT等信號通路來調節(jié)纖維化相關基因的表達(圖1)[28],從而介導NFs活化為CAFs[29]。

1.2 癌蛋白

圖1 細胞因子活化CAFs(根據(jù)文獻[28]修改)Fig.1 The activation of CAFs by cytokines(modified according to the reference[28])

c-Ski是一個轉錄調節(jié)因子,通過與輔阻遏物或轉錄因子的直接結合來抑制其靶基因轉錄[30,31],已被證明可以促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展,在一些實體瘤包括白血病、黑色素瘤、大腸癌組織、胃癌和胰腺癌中高表達[32～36]。癌蛋白c-Ski可以通過抑制p53的表達來促進基質細胞衍生因子1(stromal cellderived factor 1,SDF-1)的分泌,從而使NFs向CAFs轉化[37]。Snail、ZEB和Twist蛋白被認為是EndMT的轉錄調控因子,均能在胚胎發(fā)育過程中表達并調控其發(fā)育[38],也能影響細胞多能性[39,40]。在成人腫瘤上皮細胞中異常活化的EndMT轉錄因子可促進腫瘤細胞的可塑性,并引發(fā)腫瘤的起始和轉移[41]。TGF-β和PDGF-BB能通過磷脂酰肌醇-3激酶信號通路來上調Snail1的表達,從而活化NFs[42];炎癥細胞因子IL-6通常能在腫瘤細胞中表達,誘導纖維細胞中Twist1的表達,再通過STAT3磷酸化來活化NFs為CAFs[43]。有研究報道,Twist1能上調膠原蛋白α1達到相同的目的[44]。此外,ZEB1可能參與口腔黏膜下表皮纖維化的發(fā)病過程,其主要通過激活α-SMA編碼基因的啟動子來誘導口腔黏膜細胞向CAFs轉化[45]。

1.3 miRNA

miRNA是小非編碼RNA分子,能在轉錄后水平負調控基因的表達,它們的靶基因通常都能影響細胞分化、黏附、遷移、增殖、分泌和細胞間相互作用。有報道指出miRNA能使多種體細胞變?yōu)槎嗄芨杉毎鸞46]。其實,miRNA也可發(fā)揮使NFs向CAFs轉化或激活的作用(表1)[47],從而調控腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

除表1所呈現(xiàn)信息外,在卵巢CAFs細胞中,miR-155上調,而miR-31和miR-214下調。C-C類趨化因子配體5(CCL5)被鑒定是miR-214的靶標分子,研究證明,當NFs和腫瘤細胞共培養(yǎng)時,卵巢癌細胞能通過調控miR-214靶向CCL5,使NFs向CAFs轉化[46]。胰腺癌細胞能誘導NFs轉化為CAFs,同樣,CAFs也能促進腫瘤的侵襲和增殖。微泡(microvesicles,MVs)已被證明是細胞間通訊的重要介質,可以從供體細胞選擇性地運輸并釋放miRNA,從而使其被受體細胞吸收。當用胰腺癌細胞分泌的含miR-155的MV處理NFs時,能將miR-155轉移到NFs中,TP53INP1是miR-155的靶基因,miR-155能通過下調TP53INP1蛋白的表達,使NFs活化為CAFs[48]。在肺癌中,相較于NFs,CAFs中miR-1和miR-206明顯下調,而miR-31上調,VEGF/CCL2和 FOXO3a分別是miR-1、miR-206和miR-31的靶標分子,在NFs中可通過miRNA介導激活FOXO3a/VEGF/CCL2信號通路,從而促進NFs向CAFs的轉化[49]。黑色素瘤起源于表皮,侵入真皮后發(fā)生轉移,在入侵前通過miRNA直接影響真皮腫瘤的形成。黑色素小體攜帶miRNA進入NFs后能引發(fā)其發(fā)生改變,包括提高增殖、轉移能力以及促進炎癥基因的表達,這也就是我們所知的CAFs特性。有研究報道,黑色素瘤中黑色素小體能攜帶miR-211至NFs,作用于IGF2R,從而激活MAPK信號通路,使之向CAFs轉化,進而促進腫瘤的增殖和轉移[50]。

2 CAFs在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

腫瘤生長依賴于癌細胞的異常和不可控增殖,微環(huán)境的變化對其也有影響。越來越多的研究報道,在腫瘤微環(huán)境的基質細胞中,CAFs可以促進腫瘤細胞的生長、侵襲轉移、血管生成以及放化療抵抗[51,52]。

2.1 CAFs與腫瘤生長

CAFs能通過自分泌或旁分泌產(chǎn)生一些細胞因子,促進腫瘤的生物學特性。另外,一些經(jīng)典的生長因子,包括EGF、肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)以及CAFs分泌的特異性蛋白質(例如:分泌型卷曲相關蛋白1、胰島素樣生長因子家族1和2)和膜分子(例如:整合素α11和多配體聚糖-1)也被確定能支持腫瘤細胞的發(fā)生發(fā)展[53]。這些因素直接或間接地影響腫瘤細胞的生長和存活,或者增強它們的侵襲轉移能力。還有研究報道,CAFs分泌的趨化因子進入腫瘤微環(huán)境能夠招募骨髓來源的細胞(bone marrow-derived cells,BMCs)以及免疫細胞[54]。這些趨化因子和細胞因子分泌到腫瘤微環(huán)境中也能夠促進腫瘤的增殖和轉移能力。CAFs影響腫瘤的生長,部分是依賴于誘導血管生成的能力,主要是通過CAFs介導的SDF-1和招募骨髓來源的內皮細胞[55]。

表1 miRNA調控CAFs的活化機制(根據(jù)文獻[47]修改)Table 1 miRNAs regulate the activation of CAFs(modified according to the reference[47])

2.2 CAFs參與腫瘤細胞的血管生成

VEGF是最早被確定為血管和淋巴管生成的一種多功能細胞因子[56]。腫瘤和間質細胞相互作用可以導致VEGF的表達增加,CAFs是VEGF的主要來源[57]。PDGF/PDGFR信號通路是參與血管生成的重要調控途徑。PDGFs能招募間質纖維細胞分泌的VEGF,從而間接促進血管生成[58]。此外,PDGF能招募并誘導骨髓細胞形成內皮或平滑肌細胞,隨后PDGF再促進內皮細胞和平滑肌細胞的增殖和轉移。PDGF-B由內皮細胞產(chǎn)生,可誘導周皮細胞遷移到血管壁,維持內皮細胞的穩(wěn)定性,從而導致腫瘤血管生成[59]。腫瘤細胞還可以刺激纖維細胞分泌IL-6,進一步誘導血管生成[60]。

2.3 CAFs調控腫瘤細胞的侵襲轉移

活化的纖維細胞對于轉移瘤的再次發(fā)育有著重要的作用,在原發(fā)位點CAFs通過釋放生長因子和細胞因子進入血液循環(huán)提高其轉移能力,從而直接或者間接地遠距離促進腫瘤的生長和侵襲轉移能力[61～63]。CAFs也可以在原發(fā)瘤處影響ECM的強度,增強腫瘤細胞的遷移能力[64],還可產(chǎn)生ECM軌道引導腫瘤細胞遷移[65]。YAP是一個轉錄因子,它可以被CAFs激活,增強ECM剛性和提高腫瘤細胞的侵襲能力[66]。此外,有研究報道在CAFs中下調miR-148a的表達,能上調其靶基因WNT10B的表達,提高Wnt的活性,進而促進子宮內膜癌細胞的侵襲能力[67]。同樣,在前列腺癌中,通過激活AKT和細胞外信號調控激酶信號通路來下調CAFs中的miR-15和miR-16,可增強前列腺癌的遷移能力并促進血管生成[68]。在肺癌中,CAFs可以通過分泌IL-6增強肺癌細胞的轉移潛能,進而激活JAK2/STAT3信號通路。當用IL-6中和抗體或JAK2/STAT3特異性抑制劑抑制IL-6/STAT3信號通路時,便能逆轉CAFs對肺癌細胞遷移的促進作用[69]。

2.4 CAFs和化療、放療抵抗

如今,在腫瘤的放射治療中普遍存在放療抵抗現(xiàn)象,它可能與腫瘤微環(huán)境中的CAFs有關。比如,結腸癌患者放射治療中存在放療抵抗,CAFs通過分泌外泌體(exosome)促進結腸癌細胞的干性,從而增強其放射抵抗的能力[70];在食管癌中,CAFs能通過分泌趨化因子CXCL1來調控食管癌細胞的DNA損傷修復,從而介導食管癌細胞產(chǎn)生顯著的放療抵抗性[71]。

早期的研究指出:器官特異性微環(huán)境有耐藥性作用[72]。而腫瘤微環(huán)境中的CAFs則成為促進癌細胞逃避抗癌治療的關鍵因素。目前,與基質有關的一些抵抗機制主要包括如下調控通路:腫瘤細胞-ECM相互作用、CAF-ECM黏附作用以及細胞因子或趨化因子介導的信號通路[73,74]。CAFs也可參與腫瘤間質液壓力的提高,從而間接抑制抗癌藥物的攝取[75]。還有研究表明,CAFs調控的免疫調節(jié)、促血管生成以及對腫瘤微環(huán)境的代謝調控也可能有助于癌細胞的存活[76,77]。與癌細胞相比,CAFs在基因上相對穩(wěn)定,降低了發(fā)生耐藥性的可能,從而作為潛在的治療靶點,減少了化療抗性發(fā)展的機會[76,78]。

為了克服CAFs介導的耐藥性,臨床上正在對幾種藥物的聯(lián)合治療進行測試,通過分析基質反應和患者對治療的適應情況,并對了解到的CAFs-腫瘤細胞信號在治療過程中的具體情況進行整合歸納,可得出較為完善的治療方法。如,透明質酸[79,80]或抗血管生成的降解療法[81,82]可能是一種改革的新方法,它能使腫瘤血管正常化,從而能對實體瘤中的癌細胞更有效地進行化療,或促進免疫介導的抗癌療效。此外,通過酶分解CAFs沉積的ECM等方法也在進一步研究中。

3 結語

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(world health organization,WHO)的統(tǒng)計,癌癥正在成為世界上導致死亡的最大原因,僅次于心血管疾病[16]。腫瘤的發(fā)生發(fā)展與腫瘤微環(huán)境的關系密不可分。腫瘤微環(huán)境主要包括腫瘤細胞和間質細胞,CAFs是腫瘤微環(huán)境中的重要組成部分,它主要通過纖維細胞活化而來。纖維細胞可以被各種可溶性的信號因子、癌蛋白以及miRNA活化,活化的CAFs又可以通過自分泌和旁分泌作用于腫瘤細胞,從而促進腫瘤細胞的發(fā)生發(fā)展、侵襲轉移以及血管生成(圖2)。

由于全球侵襲性癌癥的發(fā)病率因預期壽命的延長、生活方式、營養(yǎng)的改變以及環(huán)境因素的變化而不斷增加,癌癥治療變得至關重要。腫瘤間質不再僅僅被看作是對突變的上皮細胞的物理支持,更是作為一個重要的調制器,甚至是致瘤性的驅動因素。CAFs是致瘤過程中最關鍵參與者,它能導致惡性腫瘤的啟動和進展。近年來,越來越多的研究將CAFs作為癌癥治療的靶點。此外,還有研究表明CAFs能作為預后標志,在各種癌癥疾病中預示較好或者較差的轉歸。在未來,我們也許能通過使用小分子抑制劑、單克隆抗體和基因治療的方法來靶向腫瘤微環(huán)境的各種細胞,從而實現(xiàn)個性化的靶向治療。

圖2 腫瘤微環(huán)境中NFs、CAFs和腫瘤細胞間的相互作用Fig.2 The interaction between NFs,CAFs and tumor cells in tumor microenvironment