老年微环境如何影响肿瘤发展？

2021-01-12 古麻今醉

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肿瘤通常被定义为老年性疾病，大多数肿瘤的发病率随年龄的增长而急剧增加。随着机体衰老，组织微环境也发生改变，对肿瘤的发生发展有着较大的影响。2020年Mitchell Fane等人在《Nature Reviews》杂志上发表了一篇题为《How the Ageing Microenvironment Influences Tumour Progression》的综述，详细介绍了老年微环境与肿瘤发展的关系。现简单介绍如下：

背景

大多数肿瘤患者为60岁以上的老人。随着世界人口老龄化，肿瘤正成为一个重大的公共卫生问题。尽管肿瘤（过度增殖和细胞存活率增加）和衰老（功能和适应能力下降）在细胞功能的背景下是对立的，但衰老的许多特征都与肿瘤共同存在。这些变化包括表观遗传学改变、细胞内通讯改变、蛋白质结构改变、线粒体功能障碍和细胞衰老。其中一些共同的特征可能是由于大多数肿瘤发生在老年人群，因此衰老的特征已经是肿瘤细胞表型的一部分。然而许多研究表明，衰老影响正常细胞的肿瘤微环境（TME），可促进肿瘤进展转移。成纤维细胞和免疫细胞出现尤其容易受到年龄影响。

肿瘤进展通常需要遗传性改变导致高增殖的生长表型和突变以此确保衰老的不发生；许多关键因素伴随着细胞的老化促进上述改变，包括累积的基因组损伤（点突变、缺失和易位）、端粒磨损、表观遗传改变、蛋白质平衡受损和营养失调。环境因素，如紫外线照射、酒精、吸烟和污染，随着年龄的增长进一步增加了长期积累DNA损伤和其他相关事件细胞老化。最近的研究强调肿瘤发生的多阶段模式（包括肿瘤的发生、促进和进展）需要结合年龄依赖性的体细胞选择以确保肿瘤发生，进一步说明衰老在肿瘤中的作用。

许多涉及衰老演化的因素会导致恶性增生生长组织的自我更新，也有助于生长停滞（衰老）、凋亡和结构组织成分的降解。随着年龄的增长，肿瘤的风险和许多降解组织和细胞内的特征呈指数增长。此外，年龄相关TME在促进肿瘤转移进展中发挥重要作用，关于年龄和疾病结果的相互作用已在不同的肿瘤类型中被报道。这一现象表明，在衰老过程中，不同的基质组织环境可能被重新改变，从而影响肿瘤的生长和进展。

本综述聚焦于老年微环境与肿瘤发展的关系。讨论了肿瘤细胞和老年TME，关注老年人如何重新编程基质成纤维细胞群、细胞外基质（ECM）和免疫浸润促进肿瘤的发生以及进展。

老化的基质

基质稳态

组织基质微环境包括成纤维细胞、内皮细胞、周细胞、细胞外基质以及免疫细胞等多种成分。成纤维细胞是最常见的基质成分，对于细胞外基质的合成、结缔组织的完整以及伤口愈合和炎症均具有重要作用。这些成分主要通过分泌细胞因子、趋化因子、生长因子、酶以及细胞外基质的成分到微环境中来调节机体过程。由于不同的组织结构和功能不同，微环境有调节成纤维细胞分泌因子进入特定组织和结构的作用。然而，成纤维细胞的自我更新速率存在组织差异性，影响因素包括温度、血管化、机械压力以及激素影响。老化过程中成纤维细胞在不同器官发生改变也不尽相同。

老化基质环境中拮抗基因多效性

拮抗基因多效性在老年中可以表述为：单基因引发表型在年轻时是有利的，但是进入老年后则对机体有害。衰老是拮抗基因多效性的经典例子，而衰老细胞的积累则是老化的重要病理学特征。成纤维细胞应用于研究老化和衰老的体内外实验中，但是实验可信度并不高。随着衰老的进行，机体也会有内在的或者外在的癌基因的诱导和积累，免疫清除生长停滞细胞的功能下降造成衰老细胞的积累，可能是老化发生的原因，但是该假说缺乏证据支持。

衰老的另一个重要改变就是表观基因的表达，即炎症因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶的分泌急剧增加，而这个分泌体可以定义为衰老相关的分泌表型（SASP）。典型的SASP包括75种分泌因子，如粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、IL-6、IL-8和IL-10，但众多分泌因子是癌基因相关并非老化相关。SASP可以是有利的，提醒免疫系统清除组织破坏和衰老细胞；也可以是有害的，促进肿瘤细胞的侵袭和迁移。同时，老龄相关的SASP转化机制尚不清楚，许多遗传基因工程小鼠模型已经用于研究其病理及激素变化。

SASP与肿瘤进展

衰老在肿瘤细胞调节中具有重要作用。恶性肿瘤细胞通常通过遗传突变、表观调节抑癌通路如p53-p21和p16INK4A–RB来绕过老化过程。除肿瘤细胞外，这一过程在成纤维细胞中和健康基质细胞中也很常见。尽管程序性衰老在基质细胞稳态中非常重要，但是年龄相关的SASP细胞积累可通过重新改变初始和转移微环境来促进肿瘤细胞进展（图1）。

SASP相关分泌因子的多样性强调其调节肿瘤进展的多方面能力。各种蛋白酶可通过重塑细胞外基质促进肿瘤形成侵袭性表型。SASP成纤维细胞分泌大量趋化因子、细胞因子以及生长因子如CXCL1、CXCL2、IL-6、IGFBPs和CSFs等，均与肿瘤发生有关。血管新生能力在老年也会下降，而SASP成纤维细胞则可以通过分泌VEGFs来逆转。SASP细胞的积累通过旁分泌细胞因子可以构成正反馈通路。

非衰老的老化基质和肿瘤生长

SASP促进肿瘤进展的相关功能是否可促进老化进程依旧存在争论。老化组织存在成纤维细胞数量和增殖能力的下降。目前研究发现这些变化可能是成纤维细胞发生重排改变导致。成纤维细胞重排后的“身份”改变并不能通过增殖来复原。当这些现象发生时，成纤维细胞通过保持位置的稳定和延伸突触来保持膜体空间的稳定。最新研究支持皮肤老化的成纤维细胞在非病理状态下趋向于表型的进化，尤其是老龄的成纤维细胞基因稳定性改变。有趣的是，老龄的成纤维细胞下调ECM产物的基因表达而获得脂肪生成的特点。与此同时，笔者研究发现非老化的成纤维细胞在健康成人中可促进肿瘤进展，并且其分泌体与老化成纤维细胞不同。笔者运用黑色素瘤小鼠模型发现在8周龄小鼠中可以促进原发肿瘤的生长，而52周龄小鼠中则是促进血管新生和肺部转移。条件培养的蛋白组学分析指出SFRP2的分泌在老化的成纤维细胞中偏高，并且将其注入年轻小鼠中将会增加血管新生和肺部转移。

综上所述，老龄相关的成纤维细胞分泌体的改变均可促进肿瘤进展（图1），而不同的组织结构的成纤维细胞不尽相同，因此未来的研究将比较各个组织中老化的成纤维细胞的基因改变。这将有助于我们理解起源于不同组织的老化成纤维细胞如何促进不同肿瘤的转移，同时也助于揭示不同肿瘤转移的器官特异性。

图1. 老年微环境中的基质失调促进了肿瘤的发生发展

基质与老龄

细胞外基质（ECM）

成纤维细胞在构成ECM中具有重要作用。ECM维持机体多数组织结构完整性以及细胞之间的运输交流。ECM主要包括纤维蛋白、支架蛋白以及其他提供支持细胞结构和生物学支持的分子。ECM功能是作为细胞表面受体的配体如整合素，控制细胞稳态生物学过程，包括粘附、凋亡、增殖、迁移、生存和分化。ECM是一个精确的动态平衡过程，与肿瘤进展和转移有关。

ECM与老化和肿瘤

同前述的成纤维细胞类似，ECM在不同的组织器官也不尽相同。随着年龄的增加，ECM完整性将逐渐下降，最典型的例子就是皮肤会随着年龄的增长而起皱。年龄相关的ECM改变包括胶原密度下降、纤维区域和密度下降、机械性质改变等（图2）。

年轻的皮肤成纤维细胞分泌高浓度的ECM成分，包括蛋白多糖、糖蛋白、软骨相关蛋白，其中最丰富的就是HAPL1N1蛋白。但HAPL1N1蛋白起初被认为是由肿瘤细胞分泌并且可促进肿瘤进展的。同时，该分子可由幼稚成纤维细胞分泌但是老龄后不能分泌。此外有研究表明LOXL1对于ECM介导的肿瘤迁移非常重要，但是老化的成纤维细胞并不分泌。综上，老化的成纤维细胞导致ECM成分改变，从而使胶原下降和纤维连接降低，促进肿瘤细胞侵袭。

图2. 肿瘤微环境中衰老导致的ECM结构和功能变化

免疫微环境与老龄

炎性衰老：老年相关的肿瘤演进因子

免疫系统在识别和抑制恶性肿瘤生长方面具有重要作用，因此免疫逃逸是肿瘤发生、生长和转移的重要环节。衰老的标志之一就是机体持续的系统性低程度炎症的存在，又叫炎性衰老。持续存在的炎症反应可以导致组织退化和破坏性的急性炎症，同时与肿瘤发生和进展有关（图3）。SASP诱导基质持续性分泌各种炎症细胞因子以维持低级别的适应性免疫反应。其他的改变包括肠道菌群改变、肥胖以及组织退化等。炎性衰老可通过招募骨髓来源的抑制细胞促进肿瘤的发生，这些细胞通过分泌ARG1、TGF-β和ROS来抑制T细胞发挥杀伤作用。在炎症小鼠模型中，免疫抑制细胞Treg细胞的聚集导致皮肤和结直肠癌等肿瘤发生。乳腺肿瘤中发现IL-6是启动肿瘤进展的重要因素，其血清水平的升高是老化和预后不佳的指标。同时，miRNAs如miR-19b、 miR-21、 miR-126和miR-146a，也可通过炎性老化促进多种肿瘤进展。目前，鲜有模型确定了上述成分和老年肿瘤进展的直接联系，未来仍需进一步揭示炎性老化与肿瘤发生的内在机制。

年龄相关的免疫衰老和肿瘤

免疫衰老是另一个年龄相关病理过程（如肿瘤）的重要促进因子。它可以理解为年龄相关的免疫系统的失调，包括效应细胞的和免疫细胞功能的下降。这一过程是众多因子作用的结果，如胸腺萎缩、幼稚T细胞数量下降、记忆T细胞功能下降和T细胞识别抗原能力下降。伴随T细胞功能的下降，NK细胞、巨噬细胞和DC细胞随着年龄的增加也会出现细胞表型活性的下降。

微环境中免疫细胞转变和前转移灶

老龄引起的免疫衰老主要作用于效应T细胞和其他对肿瘤免疫十分关键的免疫细胞。因此，有假设提出这些变化引起免疫抑制细胞的激活和聚集造成了肿瘤的发生和转移（图3）。M2型巨噬细胞在大于24-28周的小鼠的脾脏和骨髓中聚集；并且用间皮瘤和肺肿瘤培养的上清刺激巨噬细胞时，IL-4表达升高，但这种现象不能在年轻小鼠重复。肿瘤相关巨噬细胞通过分泌CXCL1和招募MDSCs促进结直肠肿瘤肝转移的形成；更多的实验表明M2型巨噬细胞转换在老年微环境和肿瘤发生中具有重要作用。

中性粒细胞也存在类似巨噬细胞的现象，但机制尚不明朗。Treg细胞在老龄中数量下降与其在免疫中的作用相矛盾；Treg细胞在年龄相关的病理变化中是增加的，例如脾脏和淋巴结。但作者研究并没有发现上述变化，提示Treg细胞在不同的微环境和组织中具有空间特异性。MDSCs随着衰老在人体血液中是增加的，同样的现象出现在17-19月龄的小鼠骨髓和淋巴样器官中。尽管目前已经发现众多MDSCs浸润和激活的相关的信号分子，但是仍不清楚这些细胞招募到微环境的途径和前转移灶形成的机制。有趣的是，前列腺肿瘤中老年诱导效应T细胞和前炎症因子的增加促进肿瘤的生长。这就说明老年环境下效应细胞和MDSCs具有时空的不同，从而影响肿瘤生长和前转移灶的形成。

图3. 免疫细胞转变、炎性衰老和免疫衰老是衰老导致的肿瘤进展的驱动力

“论肿道麻”点评

最近的数据表明，老化的微环境可能对肿瘤的发展有着显著的影响。基质细胞和免疫细胞的正常年龄相关变化可能共同推动肿瘤细胞从最初的缓慢生长状态向高度侵袭性和转移性疾病方向发展。这些变化的结果包括分泌因子的变化、TME的生物物理学结构的变化、甚至在更宏观层面上的变化，如血管完整性的破坏。

衰老微环境对肿瘤进展的影响表明，需要更好地理解年龄在治疗反应和促进转移中的作用。此外，这些数据表明我们需要在进行临床前研究的方式上进行转换。例如，对于临床前小鼠模型何时达到所谓的“衰老表型”经常有争论。许多老年研究使用10月龄以上的老鼠，而另一些研究表明，老鼠在18个月大之前不会达到老年表型。有趣的是，研究强调小鼠似乎从10个月开始达到免疫年龄，最近对人类进行的一项纵向研究表明，免疫年龄不完全平衡于实际年龄。总之，不同的组织和不同的生物系统年龄差异突出了体内衰老模型的复杂性。这也表明，免疫系统的衰老表型可能不一定需要在18个月大的老年小鼠身上进行研究；然而免疫系统与衰老的细胞外基质和基质之间潜在的复杂相互作用，显然需要在年轻小鼠（6-8周大）、10月龄（免疫年龄）和18月龄（老年年龄）的模型之间进行比较，以恰当地将时间和分子衰老与肿瘤进展联系起来。

此外，在体外研究肿瘤细胞与人类原代基质细胞的相互作用时，基质细胞常常从新生组织或非年龄控制组织中分离出。药物开发的体内临床前研究在6-8周龄的小鼠身上进行试验，但小鼠直到18-24个月龄才达到人类60岁的水平。这些新出现的数据强调了对所有类型肿瘤的年龄特异性模型的需求。总之，针对与年龄相关的肿瘤变化，需要有新的研究方式来减轻日益增长的公共卫生负担。

编译：施翔鹏

审校：张军，缪长虹

原始文献：Fane M, Weeraratna AT. How the ageing microenvironment influences tumour progression. Nat Rev Cancer. 2020 Feb;20(2):89-106.