肿瘤微环境在肿瘤侵犯和转移中的作用

肿瘤微环境在肿瘤侵犯和转移中的作用

[摘要]肿瘤的发生和转移与肿瘤细胞所处的内外环境有着密切关系。肿瘤微环境不仅包括肿瘤所在组织的结构、功能和代谢，而且亦与肿瘤细胞自身的(核和胞质)内在环境有关。肿瘤细胞可以通过自分泌和旁分泌，改变和维持自身生存和发展的条件，促

进肿瘤的生长和发展。全身和局部组织亦可通过代谢、分泌、免疫、结构和功能的改变，限制和影响肿瘤的发生和发展。肿瘤与环境，两者既是相互依存，相互促进，又

是相互拮抗，相互斗争的。它是现代肿瘤生物学的一个关键和核心的问题。近年来由

于肿瘤细胞学和分子生物学的进展，人们对于肿瘤和环境的相互关系有了更加深入的了解。这不仅对于认识肿瘤的发生、发展、转移等有着重要的意义，而且对于肿瘤的

诊断、防治和预后亦有着重要的作用。

[关键词]肿瘤微环境，肿瘤转移，肿瘤治疗

肿瘤微环境是由癌细胞和多种基质细胞、细胞因子、趋化因子等组成。其中基质细胞包括成纤维细胞、免疫细胞、内皮细胞、骨髓来源未成熟细胞等；细胞因子如TNF、VEGF、IL-1等；趋化因子如CXCL12、CCL27、CCL21等。

长期以来，研究肿瘤侵犯和转移的重点放在了肿瘤细胞本身所固有的黏附和迁移能力上：肿瘤细胞本身通过黏附和蛋白酶的水解功能等突破细胞间连接、基底膜和基质间隙等组织屏障，在迁移过程中又借助纤溶酶和众多基质金属蛋白酶(MMP)完成对周围组织的重塑，从而实现了侵犯和转移。

然而近年的研究发现：肿瘤微环境中的基质细胞对肿瘤侵袭和转移的形成起着重要的促进作用。基质细胞可以通过产生趋化因子、生长因子和基质降解酶以促进血管生成和基底膜破坏，使肿瘤的侵袭能力增强；另外，在肿瘤的转移过程中伴随着宿主骨髓来源的相关细胞向肿瘤原发部位和预转移部位的定向流动，这些细胞要么留存在原发瘤中，在肿瘤微环境中发育为相关基质细胞，促进肿瘤细胞的增值和侵袭；要么在远处预转移部位形成特殊的肿瘤预转移微环境，为肿瘤细胞的定向转移提供适宜的存活和增殖微环境。原发灶和转移灶中基质细胞的主动迁移促进了肿瘤细胞的侵袭和转移能力（图1-1）[1]。

肿瘤微环境中存在着大量的细胞因子和趋化因子，它们对于肿瘤的侵袭和转移也起着至关重要的作用。如TNF 可以通过多种不同的路径来调节肿瘤的进展[2]：低浓度的TNF能够对肿瘤细胞起到直接的作用；与趋化因子网络相互作用诱导表达CXCR4；刺激上皮间质转换[3]。CX CL12与其受体CXCR4相互作用参与肿瘤细胞的增殖、存活、血管生成，并且能够促进肿瘤

进行器官特异性的远处转移。目前发现至少在23种上皮、间叶和造血来源的肿瘤细胞和组织中检测到CXCR4表达[4,5]。

近来我们研究也发现Lewis肺癌细胞从接种到小鼠皮下开始，在体内连续传代过程中肿瘤侵犯和肺转移能力逐渐增强。如把体内反复传代的肿瘤组织重新放在体外培养一段时间以去除基质细胞，再次把纯化的肿瘤细胞接种到小鼠体内，其侵犯和转移能力又恢复到细胞株首次皮下接种的水平，如继续体内传代，侵犯和转移会重新经历从弱到强的演变过程。研究发现随着体内连续传代的进行，肿瘤组织中的血管密度和炎症细胞在增加，SDF-1/CXCR4、HIF-1、OPN和NF-kB等分子的表达也在增强[6,7]。结果提示基质细胞和趋化因子所组成的庞大网络是促进肿瘤侵犯和转移的重要因素，原发灶肿瘤微环境的改变促成了肿瘤的远处转移。

图1-1 原发灶和转移灶中基质细胞的募集[1]

(A,左上)肿瘤原发灶募集基质细胞如TEM、TAM、BMDCs (HPCs和EPCs)，MDSCs和CAFs。(中上)基质蛋白酶和趋化因子促进局部内皮细胞增殖和趋化运动。(右上)成纤维细胞、巨噬细胞和肿瘤细胞之间通过旁分泌实现信号交换，介导肿瘤细胞侵入循环和周围组织。 (B,左下)基质细胞在预转移灶中变化：成纤维细胞活化、HPCs和髓前体细胞的募集。(中下)趋化因子和基质降解酶引起肿瘤细胞的黏附和增殖。(右下) EPC和EC使肿瘤获得血供，微转移灶发展成转移瘤。

1.肿瘤基质细胞

1.1成纤维细胞

成纤维细胞是最主要的基质细胞，癌相关成纤维细胞(CAFs)也被称为活化的成纤维细胞或肌性成纤维细胞，其所分泌的基质衍生因子-1(SDF-1，又称CXCL12)可直接刺激CXCR4+肿瘤细胞生长，还可募集CXCR4+内皮前体细胞(EPCs)[8]参与肿瘤的血管生成。活化的纤维细胞通过SDF-1/CXCR4趋化轴吸引CXCR4+肿瘤细胞做定向迁移。

肿瘤原发灶所分泌的生长因子刺激“预转移灶”内成纤维细胞、血小板衍生的生长因子受体阳性(PDGFR+)细胞和纤维连接蛋白增多，为肿瘤细胞增殖提供环境(图1-1B)。在微转移灶的缺氧环境中，活化的成纤维细胞可产生血管内皮生长因子A (VEGF-A)以促成血管生成，募集来的造血祖细胞(HPCs)也促进血管的生成[9]。

肿瘤细胞与局部或远处成纤维细胞之间通过旁分泌或内分泌而发生交互作用，肿瘤细胞通过这种机制调节肿瘤微环境并使远处组织发生显著改变(图1-1B)。癌细胞分泌的白细胞介素-

1（IL-1）、成纤维细胞生长因子-2（FGF-2）和PDGF诱导成纤维细胞分泌肝细胞生长因子（HGF），HGF与癌细胞上的c-Met分子结合后能增强癌细胞的侵袭和迁移能力。另外，

转化生长因子-β（TGF-β）、表皮生长因子（EGF）、胰岛素生长因子(IGF)和Wnt1等，是实现瘤细胞和基质细胞之间“对话”(cross-talk)的旁分泌信使。

1.2 浸润的炎症/免疫细胞

肿瘤浸润的炎症细胞是一把双刃剑，除有一定的抗肿瘤作用外，更多情况下是在促进肿瘤的发生和发展。在众多浸润的炎症细胞中，以肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的研究最为深入广泛。TAMs可通过分泌FGF、HGF、EGF、PDGF和TGF-β等多种生长因子促进肿瘤生长[1 0]。

单核细胞是TAMs的前体细胞，肿瘤产生的CCL2/MCP-1吸引单核细胞到肿瘤部位并分化

为TAMs。肿瘤细胞、成纤维细胞、内皮细胞和TAMs都能通过产生CCL2、CCL5、CXCL

8/IL-8和SDF-1进一步募集单核细胞。另外，CSF-1、VEGF-A和胎盘生长因子(PIGF)等也

能引发单核细胞向肿瘤组织浸润。缺氧介导的缺氧诱导因子-1(HIF-1)和VEGF也能吸引TA Ms向肿瘤缺氧区集聚。纤溶酶原片段K1-3能阻断TAMs的迁移和肿瘤对其募集作用[11]。TAMs不仅直接或间接地释放血管生成因子来促进血管芽生，而且能够产生一些酶来参与血管的重建。TAMs是VEGF-A的重要来源之一，还可通过分泌MMP来释放细胞外基质(EC M)中被结合的VEGF-A。TAMs受缺氧和CSF-1等因素调节，缺氧使HIF-1和HIF-2调节的启动子发生转录性活化，上调VEGF-A、MMPs、白介素和趋化因子。

TAMs在破坏基底膜、引发癌细胞的迁移方面也发挥着重要作用。TAMs所分泌的MMP2、MMP9、TGF-β、uPA、tPA和组织蛋白酶等降解胶原、层粘连蛋白和纤维连接蛋白等EC

M成分，进而促进肿瘤的侵袭和转移。

1.3 未分化的骨髓细胞

在肿瘤生长的早期，VEGF-A和其他细胞因子能把骨髓中的内皮祖细胞(EPCs)动员到外周血，使之成为循环的内皮前体细胞(CEPs)并最终整合到新生血管的管壁上。肿瘤所分泌的生长因子和趋化因子会引起骨髓细胞增殖和向肿瘤内聚集。肿瘤细胞分泌的VEGF-A和PIGF等能把VEGFR-1+的HPCs和VEGFR-2+的EPCs募集到肿瘤的新生血管部位，促进肿瘤的生长和血管生成[12]。

来自骨髓的造血祖细胞和未成熟的髓系细胞在SDF-1/CXCR4和CXCL5/CXCR2生物轴作用下被募集到肿瘤侵袭前沿，通过分泌金属蛋白酶来增强肿瘤的外侵和转移[12,13,14]，并能促进肿瘤血管和淋巴管生成。CD11b+Gr-1+髓系抑制细胞（MDSCs）通过分泌抑制免疫反应的细胞因子、上调NO、产生活性氧族以及增强L精氨酸酶的活性而抑制免疫反应，引起肿瘤的免疫逃逸。

近来的研究发现，造血祖细胞能为肿瘤细胞在远处的植入和增殖做好准备[8,15]，原发灶所释放的特殊趋化因子能动员一些未成熟的骨髓来源细胞(BMDCs)成群地植入到将要发生转移

的远处靶器官内(图1-1B)，分泌MMP-9等降解基质，使周围环境更适合肿瘤的种植和生长