肿瘤微环境你真的了解么——微观视界探秘

2016-07-23 MedSci

导语:肿瘤微环境就像是一个小的生态环境,与其中的肿瘤细胞有着密切的联系。因此,不论从生物学还是哲学的角度来分析,对肿瘤微环境的研究都是必不可少的。

肿瘤微环境,即肿瘤细胞产生和生活的内环境,其中不仅包括了肿瘤细胞本身,还有其周围的成纤维细胞、免疫和炎性细胞、胶质细胞等各种细胞,同时也包括附近区域内的细胞间质、微血管以及浸润在其中的生物分子。早在100多年以前,Stephen Paget基于乳腺癌的器官特异性转移中的临床观察,提出了著名的“种子与土壤”的概念。

然而,这一假说在当时并未受到足够的重视,将治疗思路仅仅局限于肿瘤细胞本身,导致人类的抗击肿瘤之路走得异常艰难。直到最近,才有越来越多的科学家开始意识到肿瘤与肿瘤微环境是一个不可分割的整体。肿瘤微环境就像是一个小的生态环境,与其中的肿瘤细胞有着密切的联系。因此,不论从生物学还是哲学的角度来分析,对肿瘤微环境的研究都是必不可少的。

1 肿瘤微环境的特点

肿瘤微环境在理化性质方面与人体正常内环境存在着许多不同的地方,比较显著的是其低氧、低PH以及高压的特点。正是因为这样一些特点,才使得肿瘤微环境中存在大量的生长因子、细胞趋化因子和各种蛋白水解酶所产生的免疫炎性反应,这种特性都十分利于肿瘤的增殖、侵袭、粘附、血管生成以及抗放射化疗,促使恶性肿瘤产生。

1.1 低氧环境

Thomlinson在1955就已经注意到了许多恶性肿瘤组织中存在的缺氧状态。缺氧区域内常常出现坏死现象,更容易发生肿瘤的扩散和转移。肿瘤细胞新陈代谢旺盛、生长迅速、繁殖能力强的特点就决定了其对能量需求高,因此其对氧气以及葡萄糖等能量物质的消耗比正常细胞高出许多。

然而,随着肿瘤本身的体积不断增大,肿瘤组织因膨胀而远离了含营养和氧气充足的血管,这种供血不足导致了肿瘤微环境缺氧情况的进一步加深。利用单克隆抗体进行免疫组化的技术,全世界已经有许多研究发现有一种缺氧诱导因子即HIF-1α(hypoxia-inducible factor-1α)在这些缺氧的肿瘤组织中处于高表达状态。它在肿瘤细胞的侵袭、转移、永生化、肿瘤血管生成等方面都扮演重要角色。如Kell等在心肌缺血研究中发现,HIF-1α是调节血管生成的重要因子,控制着多种血管生成生长因子的表达,这与HIF-1α对促进血管内皮生长因子VEGF(vascular endothelial growth factor)的表达有关。

又如Guber在有关乳腺癌的研究中发现HIF-1α处于高表达。另外,还有关于少突神经胶质细胞瘤、子宫、口咽、卵巢癌的研究显示,HIF-1α的过度表达对病人的死亡率有显著的影响。由此可见,HIF-1α的肿瘤表达相当广泛,这也使其成为目前重要的抗肿瘤靶点之一。

1.2 低PH环境

以前大部分科学家认为,肿瘤微环境的低PH主要是由肿瘤细胞的无氧代谢决定的。在缺氧而大量进行葡萄糖分解的情况下,糖酵解就产生了大量的乳酸而引起了PH的下降。然而,有实验证明即使在乳酸产量低或者人工提高肿瘤组织氧分压或供血量的情况下,依然存在低PH的情况,这至少证明无氧代谢不是肿瘤微环境产生酸的唯一机制。

实际上,肿瘤细胞的膜系统上存在着多种离子交换体,在建立肿瘤微环境的酸性环境中起着重要的作用。其中最典型的是V-ATPases,它是一个由13个亚单位组成的靠水解ATP功能的质子运输通道,分布于某些器官、组织或细胞的囊泡、溶酶体、内质网等细胞器上,功能是将质子从胞内泵到胞外,或者从内层膜泵到膜间层。正是V-ATPases的存在,肿瘤细胞才能将代谢中产生的大量H+运输到细胞外,维持细胞质的中性和胞外的酸性环境,以免造成自身的酸中毒。这些被排到肿瘤细胞外的H+就会随浓度梯度进入正常细胞组织内并大量积聚,激活酶级联反应而导致细胞坏死或凋亡,而这更有利于肿瘤的扩散与转移。

另外,还有研究证明肿瘤微环境的酸性环境能诱导溶酶体的分泌增加和活化,激活蛋白水解酶来促进细胞外基质ECM(extracellular matrix)的降解和重构,这都有助于肿瘤的侵袭和转移。由此可见,如V-ATPases等这类靠维持细胞外酸性微环境和腔内酸性pH的能力来促进肿瘤恶变的蛋白载体也是值得我们注意的目标靶点。

1.3 高压环境

肿瘤微环境中的另一个重要特点就是较正常细胞而言呈现组织高压。我们知道正常组织中淋巴系统对调节体液平衡有重要作用。Diresta等在实验中发现如果将人工淋巴系统植入肿瘤,可有效降低肿瘤细胞间质的压力水平,说明肿瘤组织中缺乏这种功能性淋巴系统。

更多的研究发现,肿瘤血管不同于一般血管,具有血管形成不均匀分布、毛细血管间距变大、动静脉短路、内皮细胞不完整以及基底膜中断等特点。正是这些超微结构的区别,使肿瘤血管舒缩性能降低、管壁易受损、血管阻力增大,还会出现血液浓缩、间质内液体增多、血细胞外渗粘性增大等现象,导致血管高渗,最终造成肿瘤间质高压。值得注意的是,肿瘤血管高渗的这种特点是随着肿瘤组织所在位置,肿瘤发展阶段不同而改变的。这给科学家的研究带来了更大的麻烦。

1.4 肿瘤细胞对特殊环境的适应

对于低氧、低PH和高压这些与正常环境不相符的理化特点,肿瘤细胞却能够通过各种生物学调整对之很好地适应,并且肿瘤细胞的这种适应往往会导致恶性循环。从基因的角度上来说,不正常的环境增加了肿瘤细胞基因组的不稳定性和异质性,从而更具抵抗性的肿瘤变异体被选择了。肿瘤细胞通过存活和繁殖,进一步加剧了肿瘤微环境中的缺氧状态,这又进一步增加了基因组的不稳定性。再以低氧条件为例,肿瘤细胞通过上调低HIF-1α在低氧环境中存活下来,并且适应了糖酵解的产乳酸环境。大量乳酸的产生在加上肿瘤组织周围不完整的脉管系统,使分解代谢产物累积,促成了微环境中的低PH环境。

另一方面,缺氧引起的HIF-1α高表达又使得肿瘤细胞表面向内皮细胞分泌一种转运VEGF的小囊泡,并且PH越低越有利于小囊泡对于VEGF的摄取。还有一个临床实例即转移癌细胞所致的骨破坏和骨形成所构成的骨重建。这时,转移癌细胞与破骨细胞、成骨细胞、内皮细胞、骨基质等相互作用,形成了一个自我持续的恶性循环。这个循环一方面不断驱使恶性肿瘤细胞的发展,另一方面进一步促进骨破坏与骨重建。

2 肿瘤微环境中的调控因子

之所以称肿瘤微环境为一个复杂的系统,不仅仅是因为其组成复杂,更是因为其中存在着多种重要的调控因子,包括核转录因子-κB(NF-κB),诱生型一氧化氮合酶(iNOS),环氧化酶-2(COX-2),肿瘤坏死因子-α(TNF-α),缺氧诱导因子-1α(HIF-1α),信号转导和转录激活因子3(STAT3),核因子-E2相关因子-2(Nrf2)等,它们是联系微环境与肿瘤细胞的关键靶点。正是这些调控因子,将肿瘤微环境与肿瘤细胞联系在一起,对整个肿瘤的发生与发展起着重要的调控作用。

其中比较重要的一个调节因子是NF-κB,它在炎症反应中有关键作用,负责调节炎症分子如细胞因子和粘附因子的基因表达。在血管内皮细胞中,NF-κB激活化学增活素(Chemokines)和基质金属蛋白酶(MMPs)的表达来导致血管生成和细胞外基质的降解;而巨噬细胞中,激活NF-κB可以促使iNOS表达,从而促进肿瘤的发展。以NF-κB为靶点的研究目前非常活跃,许多药物都已经进入临床阶段。

与NF-κB相似的还有信号转导和转录激活因子3(STAT3),它接受生长因子、细胞因子细胞外信号或炎症微环境的刺激而被激活上调,其调节的基因产物不但可以促进肿瘤细胞的增殖,抑制其凋亡,而且可作用于微环境,促进血管生成和免疫逃避,与多种恶性肿瘤的发生与发展都密切相关。由此可见,这些调控因子是在肿瘤微环境中,作用于肿瘤细胞的关键枢纽。

3 肿瘤微环境与慢性炎症

在人们研究肿瘤的过程中,发现了两个与以往经验所不相符的现象。

一是以往认为,炎症与癌症是互不相干的独立事件,然而流行病学专家多年研究慢性炎症与肿瘤的关系,发现在结肠癌、胃癌、膀胱癌、肝癌、胰腺癌等多种癌症中会联合出现慢性炎症。

二是经典免疫学认为,通过免疫活性细胞及其分子执行的免疫监视的本来含义是帮助机体对抗有害的入侵者,从而也能发挥有效的抗肿瘤功能。但在肿瘤实际的发展过程中,一些免疫细胞常常从内环境的“保护者”变为了肿瘤细胞的“帮凶”,促进并滋养了肿瘤的发展。

要解释这两个现象,离不开肿瘤微环境这个重要概念。实际上,当肿瘤发生恶变时,有许多炎性免疫细胞被释放到肿瘤微环境中参与和调节,其中起着重要作用的是来自骨髓的巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞等。它们释放出的化学趋化因子、血管生长因子和基质降解酶等,对肿瘤的生长和侵袭十分有利。

此类例子很多,如乳腺癌及膀胱癌中,趋化因子配体2(CCL2)的表达与预后不良呈正相关;近研究发现炎性细胞中,中性粒细胞对于诱导肿瘤血管生成的作用最强,可以通过分泌基质金属蛋白酶9(MMP9)和基质金属蛋白酶13(MMP13)的方式降解重塑基底膜发挥作用。

再如上文提到的核因子-κB,其的作用极其重要,研究表明,它参与细胞受到各种各样的应激刺激时众多基因的活化,是炎症、天然免疫、后天免疫过程中的中心协调者。这些因子在炎症的促癌功能及对肿瘤的存货发挥着枢纽作用。另外,这些免疫细胞也能通过产生活性氧和活性氮类化合物,来产生过氧亚硝酸盐这种极易引起基因突变的细胞DNA损伤剂。反过来说,肿瘤也会维持甚至加剧这种不稳定的慢性炎症状态。慢性炎症与肿瘤之间的这种无序的微环境在某种意义上成为“无法愈合的伤口”。

4 治疗肿瘤的新思路

前已述及,以前人类大部分治疗癌症的努力都是只着点于肿瘤细胞本身,但是在我们认识到肿瘤微环境对整个肿瘤的发生与发展的重要影响之后,治疗肿瘤的理念正在逐步改变。

1)在了解整个微环境对肿瘤的发生、发展、转移的各种影响方式之后,着手于切断肿瘤微环境与肿瘤细胞之间的联系,我们有了更多可能更有效的药物靶点,比如前文所说的HIF-1α、NF-κB、STAT3等调控因子。

2)弄清楚微环境如何建立对肿瘤有利的条件的机制之后,我们可以选择更合适的手段,设计新的药物破坏这种条件的形成,如质子泵抑制剂(proton pump inhibitor,PPI)能有效阻止V-ATPases的反应,阻断PH梯度的形成,达到抑制肿瘤生长的目地,且因其本身需在低PH的条件才能起作用的特性而对正常细胞的毒性很小。

3)肿瘤的发病机制如此复杂,可想而知再好的单靶向作用的治疗手段必然不能兼顾到细胞中或细胞间生物大分子的互相影响,以及整个肿瘤微环境的信号网络的互相联系。而且单靶向药物通常有强烈的抑制或激活靶点效果,若该靶点承担某些生理功能,改药物极易引起不良反应。因此,基于肿瘤微环境这样一个复杂的系统,我们更应该设计多靶点的药物,不仅要考虑作为“种子”的肿瘤细胞,更要考虑作为“土壤”的肿瘤微环境,从整体上把握,才可能取到更好的治疗效果和更低的毒副作用。

大量研究已证实肿瘤干细胞是肿瘤耐药、复发和转移的根源,慢性炎症与肿瘤的发生和发展密切相关。肿瘤炎性微环境中的IL-6、IL-8、EGF等炎性因子和生长因子激活了肿瘤干细胞内NF-κB/Stat3信号通路,维持肿瘤干细胞的自我更新能力,从而促进肿瘤的生长和转移。深入研究肿瘤炎性微环境对肿瘤干细胞的调控机制,可以使我们找到潜在的治疗靶点,为攻克肿瘤带来新的思路和手段。

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