導(dǎo)語：腫瘤微環(huán)境就像是一個小的生態(tài)環(huán)境,與其中的腫瘤細(xì)胞有著密切的聯(lián)系。因此,不論從生物學(xué)還是哲學(xué)的角度來分析,對腫瘤微環(huán)境的研究都是必不可少的。

來源： 梅斯醫(yī)學(xué)

腫瘤微環(huán)境,即腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生和生活的內(nèi)環(huán)境,其中不僅包括了腫瘤細(xì)胞本身,還有其周圍的成纖維細(xì)胞、免疫和炎性細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞等各種細(xì)胞,同時也包括附近區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞間質(zhì)、微血管以及浸潤在其中的生物分子。早在100多年以前,Stephen Paget基于乳腺癌的器官特異性轉(zhuǎn)移中的臨床觀察,提出了著名的“種子與土壤”的概念。

然而,這一假說在當(dāng)時并未受到足夠的重視,將治療思路僅僅局限于腫瘤細(xì)胞本身,導(dǎo)致人類的抗擊腫瘤之路走得異常艱難。直到最近,才有越來越多的科學(xué)家開始意識到腫瘤與腫瘤微環(huán)境是一個不可分割的整體。腫瘤微環(huán)境就像是一個小的生態(tài)環(huán)境,與其中的腫瘤細(xì)胞有著密切的聯(lián)系。因此,不論從生物學(xué)還是哲學(xué)的角度來分析,對腫瘤微環(huán)境的研究都是必不可少的。

1 腫瘤微環(huán)境的特點(diǎn)

腫瘤微環(huán)境在理化性質(zhì)方面與人體正常內(nèi)環(huán)境存在著許多不同的地方,比較顯著的是其低氧、低PH以及高壓的特點(diǎn)。正是因?yàn)檫@樣一些特點(diǎn),才使得腫瘤微環(huán)境中存在大量的生長因子、細(xì)胞趨化因子和各種蛋白水解酶所產(chǎn)生的免疫炎性反應(yīng),這種特性都十分利于腫瘤的增殖、侵襲、粘附、血管生成以及抗放射化療,促使惡性腫瘤產(chǎn)生。

1.1 低氧環(huán)境

Thomlinson在1955就已經(jīng)注意到了許多惡性腫瘤組織中存在的缺氧狀態(tài)。缺氧區(qū)域內(nèi)常常出現(xiàn)壞死現(xiàn)象,更容易發(fā)生腫瘤的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移。腫瘤細(xì)胞新陳代謝旺盛、生長迅速、繁殖能力強(qiáng)的特點(diǎn)就決定了其對能量需求高,因此其對氧氣以及葡萄糖等能量物質(zhì)的消耗比正常細(xì)胞高出許多。

然而,隨著腫瘤本身的體積不斷增大,腫瘤組織因膨脹而遠(yuǎn)離了含營養(yǎng)和氧氣充足的血管,這種供血不足導(dǎo)致了腫瘤微環(huán)境缺氧情況的進(jìn)一步加深。利用單克隆抗體進(jìn)行免疫組化的技術(shù),全世界已經(jīng)有許多研究發(fā)現(xiàn)有一種缺氧誘導(dǎo)因子即HIF-1α(hypoxia-inducible factor-1α)在這些缺氧的腫瘤組織中處于高表達(dá)狀態(tài)。它在腫瘤細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移、永生化、腫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發(fā)現(xiàn),HIF-1α是調(diào)節(jié)血管生成的重要因子,控制著多種血管生成生長因子的表達(dá),這與HIF-1α對促進(jìn)血管內(nèi)皮生長因子VEGF(vascular endothelial growth factor)的表達(dá)有關(guān)。

又如Guber在有關(guān)乳腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)HIF-1α處于高表達(dá)。另外,還有關(guān)于少突神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞瘤、子宮、口咽、卵巢癌的研究顯示,HIF-1α的過度表達(dá)對病人的死亡率有顯著的影響。由此可見,HIF-1α的腫瘤表達(dá)相當(dāng)廣泛,這也使其成為目前重要的抗腫瘤靶點(diǎn)之一。

1.2 低PH環(huán)境

以前大部分科學(xué)家認(rèn)為,腫瘤微環(huán)境的低PH主要是由腫瘤細(xì)胞的無氧代謝決定的。在缺氧而大量進(jìn)行葡萄糖分解的情況下,糖酵解就產(chǎn)生了大量的乳酸而引起了PH的下降。然而,有實(shí)驗(yàn)證明即使在乳酸產(chǎn)量低或者人工提高腫瘤組織氧分壓或供血量的情況下,依然存在低PH的情況,這至少證明無氧代謝不是腫瘤微環(huán)境產(chǎn)生酸的唯一機(jī)制。

實(shí)際上,腫瘤細(xì)胞的膜系統(tǒng)上存在著多種離子交換體,在建立腫瘤微環(huán)境的酸性環(huán)境中起著重要的作用。其中最典型的是V-ATPases,它是一個由13個亞單位組成的靠水解ATP功能的質(zhì)子運(yùn)輸通道,分布于某些器官、組織或細(xì)胞的囊泡、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器上,功能是將質(zhì)子從胞內(nèi)泵到胞外,或者從內(nèi)層膜泵到膜間層。正是V-ATPases的存在,腫瘤細(xì)胞才能將代謝中產(chǎn)生的大量H+運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外,維持細(xì)胞質(zhì)的中性和胞外的酸性環(huán)境,以免造成自身的酸中毒。這些被排到腫瘤細(xì)胞外的H+就會隨濃度梯度進(jìn)入正常細(xì)胞組織內(nèi)并大量積聚,激活酶級聯(lián)反應(yīng)而導(dǎo)致細(xì)胞壞死或凋亡,而這更有利于腫瘤的擴(kuò)散與轉(zhuǎn)移。

另外,還有研究證明腫瘤微環(huán)境的酸性環(huán)境能誘導(dǎo)溶酶體的分泌增加和活化,激活蛋白水解酶來促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)ECM(extracellular matrix)的降解和重構(gòu),這都有助于腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。由此可見,如V-ATPases等這類靠維持細(xì)胞外酸性微環(huán)境和腔內(nèi)酸性pH的能力來促進(jìn)腫瘤惡變的蛋白載體也是值得我們注意的目標(biāo)靶點(diǎn)。

1.3 高壓環(huán)境

腫瘤微環(huán)境中的另一個重要特點(diǎn)就是較正常細(xì)胞而言呈現(xiàn)組織高壓。我們知道正常組織中淋巴系統(tǒng)對調(diào)節(jié)體液平衡有重要作用。Diresta等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果將人工淋巴系統(tǒng)植入腫瘤,可有效降低腫瘤細(xì)胞間質(zhì)的壓力水平,說明腫瘤組織中缺乏這種功能性淋巴系統(tǒng)。

更多的研究發(fā)現(xiàn),腫瘤血管不同于一般血管,具有血管形成不均勻分布、毛細(xì)血管間距變大、動靜脈短路、內(nèi)皮細(xì)胞不完整以及基底膜中斷等特點(diǎn)。正是這些超微結(jié)構(gòu)的區(qū)別,使腫瘤血管舒縮性能降低、管壁易受損、血管阻力增大,還會出現(xiàn)血液濃縮、間質(zhì)內(nèi)液體增多、血細(xì)胞外滲粘性增大等現(xiàn)象,導(dǎo)致血管高滲,最終造成腫瘤間質(zhì)高壓。值得注意的是,腫瘤血管高滲的這種特點(diǎn)是隨著腫瘤組織所在位置,腫瘤發(fā)展階段不同而改變的。這給科學(xué)家的研究帶來了更大的麻煩。

1.4 腫瘤細(xì)胞對特殊環(huán)境的適應(yīng)

對于低氧、低PH和高壓這些與正常環(huán)境不相符的理化特點(diǎn),腫瘤細(xì)胞卻能夠通過各種生物學(xué)調(diào)整對之很好地適應(yīng),并且腫瘤細(xì)胞的這種適應(yīng)往往會導(dǎo)致惡性循環(huán)。從基因的角度上來說,不正常的環(huán)境增加了腫瘤細(xì)胞基因組的不穩(wěn)定性和異質(zhì)性,從而更具抵抗性的腫瘤變異體被選擇了。腫瘤細(xì)胞通過存活和繁殖,進(jìn)一步加劇了腫瘤微環(huán)境中的缺氧狀態(tài),這又進(jìn)一步增加了基因組的不穩(wěn)定性。再以低氧條件為例,腫瘤細(xì)胞通過上調(diào)低HIF-1α在低氧環(huán)境中存活下來,并且適應(yīng)了糖酵解的產(chǎn)乳酸環(huán)境。大量乳酸的產(chǎn)生在加上腫瘤組織周圍不完整的脈管系統(tǒng),使分解代謝產(chǎn)物累積,促成了微環(huán)境中的低PH環(huán)境。

另一方面,缺氧引起的HIF-1α高表達(dá)又使得腫瘤細(xì)胞表面向內(nèi)皮細(xì)胞分泌一種轉(zhuǎn)運(yùn)VEGF的小囊泡,并且PH越低越有利于小囊泡對于VEGF的攝取。還有一個臨床實(shí)例即轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞所致的骨破壞和骨形成所構(gòu)成的骨重建。這時,轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞與破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、骨基質(zhì)等相互作用,形成了一個自我持續(xù)的惡性循環(huán)。這個循環(huán)一方面不斷驅(qū)使惡性腫瘤細(xì)胞的發(fā)展,另一方面進(jìn)一步促進(jìn)骨破壞與骨重建。

2 腫瘤微環(huán)境中的調(diào)控因子

之所以稱腫瘤微環(huán)境為一個復(fù)雜的系統(tǒng),不僅僅是因?yàn)槠浣M成復(fù)雜,更是因?yàn)槠渲写嬖谥喾N重要的調(diào)控因子,包括核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB),誘生型一氧化氮合酶(iNOS),環(huán)氧化酶-2(COX-2),腫瘤壞死因子-α(TNF-α),缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α),信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3),核因子-E2相關(guān)因子-2(Nrf2)等,它們是聯(lián)系微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞的關(guān)鍵靶點(diǎn)。正是這些調(diào)控因子,將腫瘤微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞聯(lián)系在一起,對整個腫瘤的發(fā)生與發(fā)展起著重要的調(diào)控作用。

其中比較重要的一個調(diào)節(jié)因子是NF-κB,它在炎癥反應(yīng)中有關(guān)鍵作用,負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)炎癥分子如細(xì)胞因子和粘附因子的基因表達(dá)。在血管內(nèi)皮細(xì)胞中,NF-κB激活化學(xué)增活素(Chemokines)和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的表達(dá)來導(dǎo)致血管生成和細(xì)胞外基質(zhì)的降解;而巨噬細(xì)胞中,激活NF-κB可以促使iNOS表達(dá),從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。以NF-κB為靶點(diǎn)的研究目前非?；钴S,許多藥物都已經(jīng)進(jìn)入臨床階段。

與NF-κB相似的還有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3),它接受生長因子、細(xì)胞因子細(xì)胞外信號或炎癥微環(huán)境的刺激而被激活上調(diào),其調(diào)節(jié)的基因產(chǎn)物不但可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖,抑制其凋亡,而且可作用于微環(huán)境,促進(jìn)血管生成和免疫逃避,與多種惡性腫瘤的發(fā)生與發(fā)展都密切相關(guān)。由此可見,這些調(diào)控因子是在腫瘤微環(huán)境中,作用于腫瘤細(xì)胞的關(guān)鍵樞紐。

3 腫瘤微環(huán)境與慢性炎癥

在人們研究腫瘤的過程中,發(fā)現(xiàn)了兩個與以往經(jīng)驗(yàn)所不相符的現(xiàn)象。

一是以往認(rèn)為,炎癥與癌癥是互不相干的獨(dú)立事件,然而流行病學(xué)專家多年研究慢性炎癥與腫瘤的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在結(jié)腸癌、胃癌、膀胱癌、肝癌、胰腺癌等多種癌癥中會聯(lián)合出現(xiàn)慢性炎癥。

二是經(jīng)典免疫學(xué)認(rèn)為,通過免疫活性細(xì)胞及其分子執(zhí)行的免疫監(jiān)視的本來含義是幫助機(jī)體對抗有害的入侵者,從而也能發(fā)揮有效的抗腫瘤功能。但在腫瘤實(shí)際的發(fā)展過程中,一些免疫細(xì)胞常常從內(nèi)環(huán)境的“保護(hù)者”變?yōu)榱四[瘤細(xì)胞的“幫兇”,促進(jìn)并滋養(yǎng)了腫瘤的發(fā)展。

要解釋這兩個現(xiàn)象,離不開腫瘤微環(huán)境這個重要概念。實(shí)際上,當(dāng)腫瘤發(fā)生惡變時,有許多炎性免疫細(xì)胞被釋放到腫瘤微環(huán)境中參與和調(diào)節(jié),其中起著重要作用的是來自骨髓的巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞等。它們釋放出的化學(xué)趨化因子、血管生長因子和基質(zhì)降解酶等,對腫瘤的生長和侵襲十分有利。

此類例子很多,如乳腺癌及膀胱癌中,趨化因子配體2(CCL2)的表達(dá)與預(yù)后不良呈正相關(guān);近研究發(fā)現(xiàn)炎性細(xì)胞中,中性粒細(xì)胞對于誘導(dǎo)腫瘤血管生成的作用最強(qiáng),可以通過分泌基質(zhì)金屬蛋白酶9(MMP9)和基質(zhì)金屬蛋白酶13(MMP13)的方式降解重塑基底膜發(fā)揮作用。

再如上文提到的核因子-κB,其的作用極其重要,研究表明,它參與細(xì)胞受到各種各樣的應(yīng)激刺激時眾多基因的活化,是炎癥、天然免疫、后天免疫過程中的中心協(xié)調(diào)者。這些因子在炎癥的促癌功能及對腫瘤的存貨發(fā)揮著樞紐作用。另外,這些免疫細(xì)胞也能通過產(chǎn)生活性氧和活性氮類化合物,來產(chǎn)生過氧亞硝酸鹽這種極易引起基因突變的細(xì)胞DNA損傷劑。反過來說,腫瘤也會維持甚至加劇這種不穩(wěn)定的慢性炎癥狀態(tài)。慢性炎癥與腫瘤之間的這種無序的微環(huán)境在某種意義上成為“無法愈合的傷口”。

4 治療腫瘤的新思路

前已述及,以前人類大部分治療癌癥的努力都是只著點(diǎn)于腫瘤細(xì)胞本身,但是在我們認(rèn)識到腫瘤微環(huán)境對整個腫瘤的發(fā)生與發(fā)展的重要影響之后,治療腫瘤的理念正在逐步改變。

1)在了解整個微環(huán)境對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移的各種影響方式之后,著手于切斷腫瘤微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞之間的聯(lián)系,我們有了更多可能更有效的藥物靶點(diǎn),比如前文所說的HIF-1α、NF-κB、STAT3等調(diào)控因子。

2)弄清楚微環(huán)境如何建立對腫瘤有利的條件的機(jī)制之后,我們可以選擇更合適的手段,設(shè)計(jì)新的藥物破壞這種條件的形成,如質(zhì)子泵抑制劑(proton pump inhibitor,PPI)能有效阻止V-ATPases的反應(yīng),阻斷PH梯度的形成,達(dá)到抑制腫瘤生長的目地,且因其本身需在低PH的條件才能起作用的特性而對正常細(xì)胞的毒性很小。

3)腫瘤的發(fā)病機(jī)制如此復(fù)雜,可想而知再好的單靶向作用的治療手段必然不能兼顧到細(xì)胞中或細(xì)胞間生物大分子的互相影響,以及整個腫瘤微環(huán)境的信號網(wǎng)絡(luò)的互相聯(lián)系。而且單靶向藥物通常有強(qiáng)烈的抑制或激活靶點(diǎn)效果,若該靶點(diǎn)承擔(dān)某些生理功能,改藥物極易引起不良反應(yīng)。因此,基于腫瘤微環(huán)境這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng),我們更應(yīng)該設(shè)計(jì)多靶點(diǎn)的藥物,不僅要考慮作為“種子”的腫瘤細(xì)胞,更要考慮作為“土壤”的腫瘤微環(huán)境,從整體上把握,才可能取到更好的治療效果和更低的毒副作用。

大量研究已證實(shí)腫瘤干細(xì)胞是腫瘤耐藥、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的根源，慢性炎癥與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。腫瘤炎性微環(huán)境中的IL-6、IL-8、EGF等炎性因子和生長因子激活了腫瘤干細(xì)胞內(nèi)NF-κB/Stat3信號通路，維持腫瘤干細(xì)胞的自我更新能力，從而促進(jìn)腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。深入研究腫瘤炎性微環(huán)境對腫瘤干細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制，可以使我們找到潛在的治療靶點(diǎn)，為攻克腫瘤帶來新的思路和手段。

為此，梅斯醫(yī)學(xué)——生物谷于9月2-3日在上海舉辦癌癥, 炎癥與免疫研討會，邀請國內(nèi)外專家, 學(xué)者, 醫(yī)生座談， 從基礎(chǔ)研究結(jié)合臨床的角度出發(fā)深度解讀癌癥、炎癥、免疫三者相關(guān)性，重點(diǎn)探討非可控性炎癥癌癥轉(zhuǎn)化的關(guān)系及治療策略, 為腫瘤治療與臨床轉(zhuǎn)化指引方向。

癌癥、炎癥與免疫——微環(huán)境下的對話

會議時間：9月2-3日   

地        點(diǎn)：上海好望角大飯店（中科院上海學(xué)術(shù)活動中心）

參會咨詢：

張文洋

E-mail：wenyang.zhang@bioon.com

Tel : 86(21)80379200-8105 

Mt : 180 1312 2680