肿瘤侵袭转移研究百年回顾与思考

作者单位:100005北京,中国医学科学院中国协和医科大学基础医学研究所病理教研室・癌症论坛・

肿瘤侵袭转移研究百年回顾与思考

高进　刘玉琴

【主题词】　肿瘤侵袭;　肿瘤转移

【Subject w ords】　Neoplasm invasion;　Neoplasm metastasis

病理学的发展经过了漫长的不同历史阶段。Virchow在19世纪中叶发表“细胞病理学”,才使病理学建立了以细胞的改变和细胞生理机能障碍为一切疾病基础的概念。这是对病理解剖学的巨大贡献,也是病理学发展的一个里程碑。随着病理学的发展,肿瘤问题列为病理学的重要一章。肿瘤侵袭与转移是肿瘤细胞的恶性生物学行为,见于肿瘤发展的中后阶段,是经过长期研究及探讨提出的两个重要专题。肿瘤侵袭也称为肿瘤直接扩散(direct spread),现称为侵袭。瘤细胞不连续性播散,并在远隔部位生长的过程为转移(metastasis),肿瘤转移在病理学中列为肿瘤播散(dissemination)的范围。现将几个重要问题简介如下:

一、肿瘤转移发生机制学说

对肿瘤转移机制,历史上一直存在争议,如“过滤”学说、“机械和解剖”学说等,但均没有很强的说服力。目前认为具有相当说服力的是1889年英国学者Paget提出的“种子和土壤”学说(seed and s oil hypothesis)。Paget对700多例乳腺癌的转移进行分析后,发现了明显的器官亲和性,并提出了“种子和土壤”学说。学说的主要论点为:肿瘤细胞(“种子”)生长在某种特定靶器官(“土壤”)提供的局部环境及亲和性条件中,一定的“种子”只在一定的“土壤”中才能生长。这就是器官特异性转移(organ specific metastasis)的原因。1973年Willis 通过大量肿瘤尸检资料为该学说提供了依据。20世纪70年代后,基础医学的迅速发展,极大丰富了这一学说。实验证明,B162F10黑色素瘤细胞只转移到肺,而B162F1黑色素瘤却不转移到肺;我们实验室自建的小鼠前胃癌(FC)只转移到肺,等等。1989年3月在美国休斯顿召开的“癌的演进和转移中的决定因素”国际专题研讨会,对这一学说做了重点讨论。现已证明,原发瘤并不是单一类型的细胞构成,而是含有多个不同的肿瘤细胞亚群,在肿瘤发展过程中,这些亚群的侵袭能力、转移能力并不一致,并非所有瘤细胞都具有侵袭和转移潜能。这也是20世纪70年代肿瘤侵袭与转移的异质性提出的依据。侵袭性、转移性瘤细胞是瘤细胞与宿主组织或细胞相互作用,不断消长和选择过程中最具有侵袭和转移性瘤细胞竞争存活与发展的结果。转移的形成,并不仅是由于肿瘤细胞对某器官环境的适应性,还包括原发瘤中具有不同转移潜能的瘤细胞亚群存在。因此,转移的形成应指具有高转移潜能的细胞亚群与相应的微环境相互作用的结果。目前,对转移瘤细胞与局部和器官微环境的关系已列为专题讨论之列。

二、肿瘤细胞侵袭实验研究

肿瘤细胞侵袭多发生在转移之前,是肿瘤从非恶性变为恶性的关键特征。侵袭的含义有以下特点:(1)侵袭性肿瘤细胞侵占其他组织;(2)其侵占的组织发生变性及坏死;(3)占位及变性的改变在空间、时间上均为进行性的。19世纪末,侵袭的研究基本处于临床和病理解剖学水平。1899年S tiles在乳腺癌广泛外科治疗的论文中提出侵袭的临床重要性。20世纪中叶前期肿瘤的侵袭研究进展缓慢,有人称之为冰河时期(glacial period)。到20世纪中叶后期,研究进展迅速,特别对原发瘤,如基底细胞肿瘤、中枢神经系统肿瘤在宿主中的侵袭行为进行过较详细的显微镜下的描述。

有关肿瘤细胞侵袭性的实验研究包括体外和体内侵袭两个方面。

1.体外肿瘤细胞侵袭研究:早在20世纪初期就开始利用鸡胚的卵黄囊、体腔及尿囊膜等进行瘤细胞的培养。有人用肉瘤180(S2180)和肉瘤37(S237)的瘤细胞接种于鸡胚体腔内,发现瘤细胞向周围组织侵袭,可侵袭到肾、肝、肺、性腺、甲状腺和胰腺等器官,特别是中肾最易受累及。1950年M organ等研制出完善的“199”人工培养基,促使瘤细胞培养有了长足的发展,并在此基础上采用器官培养方法研究肿瘤侵袭的机制。有人将人宫颈癌细胞(Hela)、人口腔上皮癌细胞(K B)、新生儿羊膜上皮细胞(F L)与鸡胚中肾组织接触培养,发现中肾组织,包括其腺管壁和小管间的间质,可完全被瘤细胞侵袭。Barski等(1965年)利用鸡胚中肾作为基质(substrate)与不同瘤细胞系共培养,以卵黄膜为生物渗透膜,将中肾和瘤细胞包裹起来,观察了不同瘤细胞的侵袭能力,测量瘤细胞侵入的状态及分裂细胞数等。为了在器官中测量出瘤细胞的侵袭能力,Easty等(1974年)把单层培养的瘤细胞系,用胰蛋白酶或乙二胺四乙酸消化成单个细胞,以正常小鼠腹腔细胞作为对照,被培养的细胞用火棉胶碳(colloidal carbon)或3H2胸腺嘧啶核苷标记,与器官块共培养后进行常规切片,在显微镜下测量细胞向器官深层侵入的距离。先测其最近的一点,共测500个细胞,综合求出平均侵入的距离,或计算存在器官表面的细胞和侵入组织内的细胞

数,计算出侵入距离的总平均数,一般1h侵入深度为2～3μm。Easty等(1974年)还描述了恶性和非恶性细胞在体外培养中侵袭鸡胚绒毛尿囊膜的不同距离。20世纪70年代以后,Mareel等(1979年)利用体外瘤细胞球体与靶器官接触培养后,进行了肿瘤侵袭机制及定量研究。此后,许多新的体内、外侵袭研究方法相继创立并应用,使肿瘤侵袭机制研究,特别是结合分子水平的研究得到了迅速的发展。我国肿瘤侵袭研究始于1980年,先从体外半固体培养基单细胞侵袭器官培养法开始,由体外到体内,至今已建立了系统的体外培养侵袭模型,进行了系列的肿瘤侵袭形态学及分子水平的研究。

2.体内肿瘤细胞侵袭研究:肿瘤细胞侵袭性的研究,需要建立相应的模型和方法学。最早人们利用肿瘤患者的材料进行活体检查,或对尸体解剖材料的肿瘤发生部位进行详细的病理组织学观察。这种方法有其局限性,很难系统地观察研究。因此,体内实验研究逐渐成为常用的研究方法,并为有关学科所采用。19世纪末之前,科学家们从人类肿瘤的临床和病理角度进行了观察,虽然对肿瘤细胞侵袭现象有不少发现及认识,但是很难深入探讨其机制,研究工作进展缓慢。肿瘤细胞侵袭实验研究首先需建立体内侵袭模型,如1961年Sato建立的小鼠尾部皮下移植侵袭模型,Sato将小鼠腹水肝癌MH134、MH129F和MH129P瘤株移植于近交系C3H 小鼠的尾巴中部远侧端,不同时间切除荷瘤尾巴,观察了侵袭与淋巴结转移的关系。1979年,Meyvisch等将小鼠恶性纤维肉瘤M O4细胞球体移植于小鼠耳廓皮下,建立了侵袭模型。1982年Meyvisch等将恶性纤维肉瘤M O4的球体移植于C3H小鼠尾部的2条静脉之间皮下,观察了局部侵袭与转移的关系。20世纪80年代初,Bogden将瘤组织移植于小鼠肾包膜下,建立了肾包膜下侵袭模型。1979年,R oos等将瘤细胞接种到门静脉内,观察了瘤细胞在肝内侵袭过程的超微结构变化。R oos观察到,瘤细胞在肝内的侵袭过程有3个起始步骤:(1)瘤细胞伸出伪足进入内皮细胞,内皮细胞形成一个小的陷窝;(2)瘤细胞的伪足伸入内皮细胞,使内皮细胞形成一个开口;(3)瘤细胞穿过内皮细胞后又形成一个大的突起伪足,呈锯齿状与肝细胞接触,进而增殖形成小的瘤细胞灶,并向外侵袭或进入血管。人们还相继利用人类肿瘤移植于免疫缺陷动物体内不同部位,建立了不少侵袭模型,包括国内的体内侵袭模型系统。结合体外侵袭模型,研究了肿瘤细胞侵袭过程中的形态学和分子水平机制。

三、肿瘤细胞转移实验研究

在肿瘤转移研究发展史中,除了利用大量人的尸检材料和手术标本外,动物实验也是使用最早的一种手段。早在1840年,Langenbeck将新鲜肿瘤材料接种到狗静脉内,引起了肺内肿瘤生长。尽管这是良好的开端,但迄今很少有人用狗进行肿瘤转移的实验。当前抗转移药物筛选中把实验性转移(即将瘤细胞直接移植于动物的静脉内)列为常规方法。到1911年,Levin等把大鼠肉瘤组织切成碎块,接种到大鼠静脉内,未发现肺内肿瘤生长。1913年,Weil批评了Levin的方法,改用瘤细胞乳状液静脉内接种,结果得到了较多的肺转移瘤。1915年,I wasaki进一步证实了Weil的实验,肺转移率达82.6%(19/23),并研究了肺内瘤栓组织学变化,证明了动物肺内瘤栓变化与人类的肺转移变化相似,如大量瘤栓变性,在血管内查见的瘤细胞大量被破坏,也查见了血管内大量瘤细胞的核分裂相。其后,人们研究了不同转移率与瘤细胞分化程度的关系,发现低分化瘤细胞易在肺内形成转移灶,并建立了大量可移植性肿瘤瘤株,发现了可移植性肿瘤的自发性转移等等,使该领域研究又向前推进了一步。

淋巴道转移的实验研究起步较晚,开始于20世纪20年代。首先是研究兔的移植瘤V2和Brown2Pearce癌的自发性淋巴道转移。20世纪50年代,有人用肿瘤细胞进行淋巴管内移植,以后又发展到用鼠类爪垫内侧皮下移植、骨髓腔内移植及阴茎部位皮下移植等建立淋巴道转移模型,研究肿瘤细胞在淋巴系统的命运和转移灶的形成机制。其后又相继建立了其他可移植瘤自发性转移模型,为肿瘤转移的实验研究和实验治疗创立了有利条件。

20世纪80年代后,国际上对肿瘤侵袭和转移非常重视,成立了国际转移研究学会(Metastasis Research S ociety),每2年召开一次国际性转移研究学术讨论会。1992年8月召开的第4次大会上,决定创办转移研究学会的学报,即《临床和实验转移》杂志(Clinical and Experimental Metastasis)。目前,侵袭、转移专业性杂志已有数种。国内肿瘤侵袭和转移的研究起步于20世纪80年代初期,目前已能从整体、细胞、亚细胞及分子等水平,系统地研究其侵袭和转移机制,并建立了较系统的侵袭和转移模型。专业队伍、研究机构迅速壮大,成立了全国肿瘤转移研究专业委员会。

四、国内肿瘤侵袭与转移实验研究

我国对肿瘤转移的立题始于1977年12月的成都全国肿瘤基础理论研究规划会议,当时的立足点及初步设想是:(1)肿瘤的侵袭(当时称为浸润)与转移是肿瘤发展的最终阶段,也是肿瘤患者死亡的主要窄因,其与肿瘤病因学的研究具有同样重要的位置;(2)20世纪70年代国际上对肿瘤的侵袭与转移机制的研究正处于起步阶段,也是能否跟上国际水平研究的良好启动时机;(3)国内这方面的实验研究尚未开展,仅止于病理解剖学的尸检材料和手术标本组织学的研究水平;

(4)以国家科技大会的召开为契机,及时开展肿瘤侵袭与转移的实验研究,也符合国家科技发展的方向;(5)设想在未弄清肿瘤病因的条件下,针对肿瘤发展阶段进行研究,找到抑制肿瘤侵袭与转移的途径和方法,使肿瘤患者能带瘤生存20年以上(但至今尚未达到这个设想);(6)设想探讨和寻找抑制肿瘤侵袭与转移的药物和方法,可能比解决病因问题容易些。首先在中国医学科学院四川简阳分院第一研究室杨简教授领导下启动了这个计划,当时处于全国的启动阶段。肿瘤的侵袭与转移的实验研究,从立题建立模型开始,到全国大协作研究及分子水平研究,经过了20多年的努力,现在已经具有相当规模的科技队伍,具有较高水平的实验研究的科研成果。