结直肠癌手术会是肝转移发展的触发因素吗?对其潜在机制的新见解

2021
07/02

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外科手术是治疗结直肠癌的重要手段。然而,实验和临床证据却表明,手术本身可能会增加肿瘤复发和/或肝转移的风险。2021年2月,来自荷兰阿姆斯特丹大学医学中心的Simran Grewal等人在《Biomedicines》杂志上发表了一篇题为《Surgery for Colorectal Cancer: A Trigger for Liver Metastases Development? New Insights into the Underlying Mechanisms》的综述,总结了手术增加肿瘤转移风险的因素和相关证据,阐明了炎症反应在其中的触发作用。了解这些机制后可在围术期采取相关干预措施,降低围术期肿瘤转移的风险,并最终提高患者的长期生存率和生活质量。现介绍如下:

1.背景

结直肠癌(Colorectal cancer,CRC)是全球第三大最常见的癌症,2018年新增确诊病例超过100万。肿瘤转移是主要死因,其中肝脏是最常见的远处转移部位,约占初诊患者的15-25%。另外18-25%的患者在首诊后5年内发生远处转移。治疗方案根据肿瘤TNM分期决定,包括手术切除,伴或不伴化疗和/或放疗。I-III期CRC的5年生存率高达80%,IV期CRC仅为13%左右。虽然手术切除原发肿瘤可以挽救或延长生命,但有假设认为,手术本身可能会加速肿瘤复发和/或肝转移的发展。现已观察到在乳腺癌术后,30%淋巴结阴性和75%淋巴结阳性的妇女仍会发生远处转移。在经典的肿瘤转移过程中,肿瘤细胞经历了复杂的级联事件(图1)。首先,“逃离原发肿瘤”,获得运动性和侵袭性。新生血管为肿瘤细胞进入血液系统提供了逃离路径。其次,与血小板结合并让血小板覆盖在自身表面可以保护循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)免受剪切应力、免疫细胞和宿主的侵害。肿瘤细胞需要“停留在一个新部位”,然后定植形成微转移并最终形成宏观转移。随着转移级联反应的进展,存活下来的肿瘤细胞数量递减。

 

图一:肝脏转移的经典途径:肝转移发展的经典途径。将单个肿瘤细胞从原发肿瘤中分离(步骤1)、肿瘤细胞进入循环系统(步骤2)、肿瘤细胞的系统运输(步骤3)、肿瘤细胞外渗到远处组织的实质中(步骤4)、远处器官的定殖和肉眼可见的肿瘤的形成(步骤5)。

2. CTCs的黏附

已有研究证实CRC患者在术中或术后不久,外周和门静脉血中CTCs数量比术前增多,这提示手术可导致肿瘤细胞的扩散。CTCs对预后有较高的独立预测价值:每7.5 mL血液中有>5 CTCs的患者预后较差,一年内的转移风险增加了8倍。最近的一项荟萃分析总结了20项相关研究,包括3687例患者,为外周血CTCs预测非转移性结直肠癌患者的疾病进展和生存期提供了强有力的证据。由于CTCs定植靶器官是一个非常低效的过程,术中肿瘤细胞的扩散也许不能完全解释高发的肿瘤转移率。

为了形成转移,CTCs首先需要在靶器官上粘附。粘附分子在癌细胞和靶器官细胞上表达,在转移的进展中起关键作用。E-选择素、血管细胞黏附分子(VCAM)-1和ICAM-1等黏附分子在肝转移时表达增加。选择素是血管细胞粘附分子,参与血液循环中白细胞、血小板和内皮细胞的粘附作用。血小板通过多种互补机制促进肿瘤发生和转移,包括在CTCs周围聚集形成“血小板掩蔽”,从而保护它们不受血流高剪切力的影响和免疫系统的攻击,并释放渗透因子和降解酶,协助肿瘤细胞从循环系统渗出。血管生成和生长因子的释放也有助于促进肿瘤转移。选择素也存在于肝窦中,调节CRC细胞的的滞留和渗透。此外,肿瘤细胞衍生因子上调免疫细胞释放细胞因子,如TNF α、IL-1和IL-6,它们增强了内皮细胞(包括肝窦内皮细胞)表面E-选择素的表达,从而促进肿瘤细胞的粘附和转移性生长。

整合素是由α和β亚基异质二聚体组成的跨膜糖蛋白。它们介导细胞粘附,并直接与ECM成分,如纤维连接蛋白和胶原结合。整合素表达模式的改变与许多类型的癌症有关。整合素通过上调基质金属蛋白酶基因的表达,促进ECM蛋白酶激活和功能,参与转移级联反应。整合素异源二聚体与靶器官ECM蛋白相互作用导致肿瘤细胞在肝窦内附着,最终导致肿瘤细胞外渗和随后的器官定植。

创伤是原发肿瘤切除过程中不可避免的,它可引发全身炎症反应并导致免疫细胞的快速激活。这些细胞是诸如活性氧(reactive oxygen species,ROS)等炎症介质的强大生产者。实验表明,ROS孵育间皮细胞可增强黏附分子ICAM-1和VCAM-1的表达以此增加肿瘤细胞对间皮细胞的粘附。此外,腹部手术后腹壁间皮和肝脏微血管受到损害。这导致了细胞间隙的形成和细胞外基质(ECM)蛋白的暴露——肿瘤细胞较好的粘附位点。将肿瘤细胞与抗整合素亚基抗体孵育,可防止手术诱导的肿瘤细胞在腹膜或肝脏粘附和生长。

3.吻合口瘘与细菌移位

大约有8-10%的患者在结肠肿瘤切除后会发生吻合口瘘。近期的荟萃分析显示吻合口瘘使结直肠癌的局部复发率增加,长期生存率降低。结直肠手术会导致细菌移位进入循环系统和腹腔。在术后患者的血浆中检测到LPS,其浓度的增高导致肠道通透性增高,提示术后肠上皮屏障功能受损。同样,在动物模型中发现,腹腔注射LPS增加了肿瘤细胞在肝脏的黏附,这可以解释发生吻合口瘘的肿瘤患者预后较差。

4. 手术导致免疫细胞的活化

细菌成分通过作用于Toll样受体(TLRs)有效触发炎症免疫反应。LPS是TLR4的主要配体,多种类型的免疫细胞表达TLR4。当术中细菌成分释放时,Kupffer细胞(KCs)和多形核细胞(PMNs) 被激活,表达识别细菌产物的TLRs。这导致高水平细胞因子的释放和ROS的产生。ROS增强间皮细胞粘附分子ICAM-1和VCAM-1的表达。此外,在体外实验中,将内皮细胞层暴露于ROS可导致内皮细胞脱离和减少,随后增强肿瘤细胞与暴露的细胞外基质蛋白的粘附。在实验大鼠模型中,体内产生的ROS对肝脏血管系统的完整性有破坏作用,导致CTCs能够粘附的ECM成分暴露。

免疫系统可能是决定癌症患者预后的一个重要因素。基于量化统计CD3和CD8细胞,现已开发出一种对肿瘤进行分类的评分系统:“热”(或“炎性”)肿瘤中有大量T细胞浸润,并且具有强大的适应性免疫系统触发抗肿瘤反应。“冷”肿瘤中T细胞存在于肿瘤的边缘(排除型),或者不存在(免疫抑制型),宿主免疫系统无法有效地进行T细胞介导的免疫反应。因此,“热”比“冷”肿瘤患者的预后可能更好。肿瘤内巨噬细胞的增多与CRC患者的无病生存是否相关尚未达成共识。巨噬细胞在肿瘤的进展中是一把双刃剑——既能促进肿瘤的清除,又能刺激肿瘤的生长。根据表型不同,炎性巨噬细胞(又称M1或经典活化巨噬细胞)参与炎症反应、病原体清除和抗肿瘤免疫。相反,免疫调节型巨噬细胞(又称M2或替代性活化巨噬细胞)与免疫抑制反应、伤口愈合和促肿瘤生长相关,包括诱导血管生成和促转移。

术后促炎和抗炎免疫反应的失衡可能削弱抗肿瘤细胞毒性,或促进免疫调节和伤口愈合,从而促进转移。术中和术后急性期反应引发全身炎症反应,导致先天免疫细胞被迅速激活,随后细胞因子产生增加。在远处转移形成中起主导作用的细胞因子如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)α、IL-1和IL-6在术后释放。这些细胞因子可以通过增强黏附分子的表达,增加肿瘤细胞的黏附。为了平衡急性期反应的影响,代偿性抗炎介质被释放。在免疫缺陷小鼠和接受免疫抑制治疗的患者中,不平衡的全身代偿性抗炎反应可能导致患者术后易受感染,并削弱抗肿瘤免疫。总之,“手术诱导的肝转移”代表了另一种始于术中和术后的转移途径,它缩短了经典转移模型中几个步骤。(图二)

图二:手术诱发的肝脏转移:原发性结直肠癌的手术切除(步骤1)导致细菌产物(LPS)和肿瘤细胞的释放(步骤2)。肿瘤细胞的系统运输(3)和产生ROS的枯否细胞和多形核细胞(4)的激活,这导致内皮下细胞外基质的暴露。

5. 围术期预防转移的干预措施

(1)限制手术创伤大小?

手术清除了肿瘤负荷但增加了CTCs黏附的机会,因此最大的挑战不是切除肿瘤而是预防肿瘤转移。动物实验中,与对照组或剖腹组(假手术组)相比,结肠切除组的大鼠肝脏上粘附了更多的肿瘤细胞。这提示减少组织损伤可能会改善患者预后。目前,腹腔镜手术因其术中出血少,术后恢复快,疼痛少,住院时间短,是CRC治疗的首选,但其是否对肿瘤结局有利尚不清楚。Lacy等早期进行的一项纳入219名患者的研究比较了腹腔镜辅助和开放结肠切除术在肿瘤复发和生存率方面的疗效。结果显示,腹腔镜辅助结肠切除术患者的总体生存率高于开放手术。然而,这项研究是有争议的,因为这些结果只能在最近两项大型试验的亚组患者中重现,即巴塞罗那试验和腹腔镜或开放结直肠癌切除术(COLOR)试验。巴塞罗那试验发现腹腔镜辅助组的癌症相关死亡率明显低于开放手术组,p = 0.03,然而此差异是由III期患者的亚组结果造成的;COLOR II试验中,两组患者术后3年的长期局部复发率均为5%。然而,对于治疗直肠下三分之一肿瘤,腹腔镜手术的局部复发率低于开放手术,3年无病生存率为分别为74.8%和70.8%,差异无统计学意义。因此,除外特定的亚组,腹腔镜手术在肿瘤患者的总体预后方面可能并不优于开放手术。

(2)降低炎症反应

动物模型中,ROS清道夫治疗最初导致肿瘤细胞粘附性降低,但却促进了肝转移瘤的生长,可能由于ROS在巨噬细胞杀死肿瘤细胞中了发挥了作用。开发出半衰期短的ROS清道夫治疗以抑制早期ROS的产生,减少肝血管损伤和肿瘤细胞粘附,同时保留巨噬细胞的长期功能是未来的研究方向。围术期使用COX抑制剂治疗(阻断儿茶酚胺和/或前列腺素)对生存率的影响尚不确定。

(3)口服抗生素以净化消化道

人体消化道内的微生物组成了微生物生态系统。近年来,DNA和RNA测序技术表明,微生物群落的多样性和代谢相互作用对感染和疾病的发展有很大影响。当肠道平衡被打破,潜在的致病性微生物就会促进疾病和感染性并发症的发生,如手术部位感染(SSI)和吻合口漏(AL)。消化道选择性净化(Selective Decontamination of the Digestive Tract, SDD)是通过口服不可吸收的抗生素来清除肠道内潜在的致病性微生物(主要为需氧革兰氏阴性菌、金黄色葡萄球菌和真菌),最大限度地减少内源性感染的影响。2009年,Roos等RCT研究显示,各种胃肠道手术接受SDD治疗的患者感染性并发症和吻合口瘘的发生率显著降低。最近,ELECT多中心随机对照试验的结果显示:SDD减少了结直肠癌切除术后的感染性并发症,但没有明显减少吻合口瘘。一项系统综述和荟萃分析显示:术前口服抗生素(OAB)联合机械性肠道准备(MBP)和标准静脉预防性使用抗生素显著降低择期结直肠癌切除术患者SSI和AL的发生率。

图三:SDD治疗、单纯麻醉、剖腹或结肠切除术的大鼠肝脏每视野(fov)肿瘤细胞数。** p < 0.01。


 

“论肿道麻”点评

目前许多实验和临床证据都支持此种观点:作为治疗手段的外科手术会促进肿瘤转移。在这篇综述中,作者强调了细菌产物和手术创伤所致的炎症反应可能是导致肿瘤患者预后不佳的潜在因素。鉴于围术期是降低肿瘤转移风险的“机会窗”,作者提倡加快推进相关研究以确定围术期有效的干预措施,如消化道选择性净化(SDD)等。第196篇中也提到,如何通过围术期干预措施减少肿瘤患者的转移风险一直是临床医生关注的热点问题。但围术期混杂因素的复杂和多样性使试验的设计与实施并不容易,但它对改善全球恶性肿瘤患者的预后无疑具有巨大作用。

外科手术是一项至关重要的干预措施,为癌症患者提供了治愈的机会。围手术期的特点是微转移疾病加速生长和新转移灶形成的风险增加。手术可诱导癌细胞脱落进入循环增加,抑制抗肿瘤免疫,使循环肿瘤细胞存活,上调靶器官中的粘附分子,招募能够阻截肿瘤细胞的免疫细胞,并诱导靶组织和癌细胞自身的变化,以增强在靶位点建立迁移和侵袭。手术创伤诱发局部和全身炎症反应,也可导致残余和微转移疾病的加速生长。围术期其它因素如麻醉、输血、低温和术后并发症,这些也可能是导致早期复发的有害因素。通过对这些过程的有限了解,我们可以将围手术期的时间框架从转移进展的主要促进者转变为阻止和/或消除残余疾病的机会窗口期,从而潜在地提高肿瘤患者的长期生存期。   

编译 刘婕 述评 翁梅琳

审校 张军 缪长虹

 


原始文献Grewal S, Oosterling SJ, van Egmond M. Surgery for Colorectal Cancer: A Trigger for Liver Metastases Development? New Insights into the Underlying Mechanisms. Biomedicines. 2021;9(2):177. Published 2021 Feb 11. doi:10.3390/biomedicines9020177


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关键词:
细胞,患者,肿瘤,手术,转移

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