【论肿道麻】肿瘤微环境促进肿瘤细胞的干性特征：构筑耐药和转移的基础

肿瘤的分化涉及到许多领域的内容。研究人员不断探索肿瘤生物学中转移和治疗反应的相关内容。现在发现了一条新的探索思路：肿瘤周围环境的潜在机制。大多数致命的实体恶性肿瘤都具有显著的肿瘤微环境（TME）特征。TME由基质成分组成，例如免疫细胞、炎症细胞、内皮细胞、脂肪细胞和成纤维细胞。肿瘤干细胞（CSC）或肿瘤干细胞样细胞是肿瘤细胞中的一小部分细胞群，被认为在肿瘤细胞的自我更新、转移和治疗反应中起着重要作用。TME 和 CSC 之间的相关性在理解肿瘤生物学中的转移事件和治疗耐药性方面仍然是一个谜。最近的证据表明，TME 决定了 CSC 的维持以推动肿瘤进展和转移。TME 中的免疫细胞、炎症细胞、内皮细胞、脂肪细胞和成纤维细胞释放生长因子、细胞因子、趋化因子、microRNA 和外泌体，为获得和维持 CSC 特征提供支持。这些互相关联的因素影响了肿瘤发展过程中的侵袭性和迁移表型。在这篇综述中，作者简述了 TME 因素在 CSC 维持中的作用的最新进展，以及这些事件如何影响肿瘤进展的转变，进一步转化为肿瘤的转移和治疗耐药性。现介绍如下：     

背景              

肿瘤的发展是一个多方面的过程，在这个过程中，体细胞获得并积累了许多遗传和表观遗传改变，这些改变是由不受控制的细胞生长、侵袭性复制和导致疾病进展的持续突变引起的。肿瘤周围的生态环境是由离散细胞类型的复杂组织组成，这些细胞类型源自附近的间充质基质。间充质基质在肿瘤细胞周围形成有利环境，称为“肿瘤微环境 (TME)”。它是一种多细胞生态系统，由基质细胞、浸润性免疫细胞、炎症细胞、内皮细胞、脂肪细胞和成纤维细胞组成。这些离散的细胞类型建立了 TME，通过与肿瘤细胞的相互交流来维持功能多样性。在这种情况下，肿瘤细胞及其周围的 TME 会释放一系列信号，从而导致肿瘤进展。这些互相关联的信号介导肿瘤细胞的可塑性、侵袭性和迁移潜能。肿瘤微环境对于晚期恶性肿瘤的发展至关重要。            

化疗是肿瘤患者的初步治疗选择。但肿瘤耐药性的发展限制了临床治疗进展。肿瘤耐药性的产生来自于多种生物学机制，包括DNA修复、基因和表观遗传修饰、代谢重编程、血管重构和 TME 的改变。除了遗传易感性和遗传突变外，最新研究证明，非遗传因素在肿瘤耐药性中也起着重要作用。手术、放疗和化疗并不总是能够有效地解决临床问题，全球肿瘤相关死亡人数持续上升。作者的团队描述了非遗传决定因素如何促进干细胞富集并可能引发晚期恶性肿瘤的转移和耐药性。早期的高通量测序研究表明，肿瘤的进展和异质性是基于获得肿瘤发展不同阶段的突变。为了理解正在进行的关于 TME 和 CSC 的研究，作者在图1中概述了时间轴。本文综述了目前关于 TME 的知识，作者还评估了正在进行的 TME 靶向临床研究，并研究了正在进行肿瘤靶向治疗的患者中 TME-CSC 的相互作用以减少药物耐药性的潜在治疗新方法。      

图1. 晚期恶性肿瘤中诱导肿瘤细胞干性引发转移和耐药性的非遗传因素和级联事件概述。         

肿瘤干细胞及其特征            

40年前提出的干细胞理论称，有限数量的细胞负责健康组织的发育和肿瘤的生长。许多肿瘤已经被证实了肿瘤干细胞的存在，但对于它们富集机制的探索尚不充分。谱系追踪技术的最新进展有助于更好地理解它们。1997年，研究人员在NOD/SCID小鼠中的白血病细胞中鉴定出 CD34+/CD38- 亚群。后来的研究也证  实了这种CSCs存在于其他实体恶性肿瘤中。CSCs是肿瘤起始细胞，能够自我更新，分化成不同的细胞类型，并在所有实体恶性肿瘤中引起致瘤性和耐药性。近年来，细胞表面标记物混合细胞仪和磁分选技术的发展推进了实体恶性肿瘤中CSCs的有效识别。     

图2. 肿瘤微环境介导的干性研究中时间线事件的整理图。         

在胰腺肿瘤中，CSC 基于其独特的表型特征和功能与肿瘤的其他细胞区分开来，并且不同的 CSC 通过重新编程的细胞代谢调节肿瘤的转移。内在和外在因素调节CSCs的维持，而TME负责一些导致转移和耐药性的关键信号传导和通信事件。TME因子和肿瘤细胞通信是维CSC 异质性和可塑性的重要信号元件。一种多能干细胞标记物 Nanog 与 STAT3 分子相关，可激活乳腺癌和卵巢癌细胞中的耐药性基因 ABCB1 和 MDR1。这些分子介导了肿瘤细胞中透明质酸-cd44信号之间的互相联系，以维持肿瘤细胞的干细胞性。最近的研究显示 PI3Ks 在维持结直肠 CSC 的致瘤性中发挥了关键作用。细胞外基质（ECM）衍生因子被认为是调节肿瘤进展的主要分子。这些 ECM 因子对于维持肿瘤细胞的干细胞性来说必不可少的。透明质酸、层粘连蛋白、层连接蛋白和胶原蛋白是 ECM 中启动生化事件和与肿瘤细胞交叉对话的重要因子，促进各种肿瘤干细胞性和耐药性。据最近的一项研究报道，上皮间质转化（EMT） 在 CSC 的侵袭性和转移活性中发挥着重要作用。另有研究表明，CSC 群体负责继发部位的转移定植和肿瘤细胞的初始扩散，而骨膜蛋白作为一种细胞外成分，也会促进肿瘤细胞的转移。因此，需要更深入的研究来明确细胞外基质与 csc 互相作用中受体-配体的关系。            

肿瘤微环境维持实体瘤的生态系统            

TME 包括各种成分，如成纤维细胞、免疫细胞、 内皮细胞 、细胞外基质、细胞因子和生长因子 (图3)。除促进肿瘤进展外，TME在干细胞性维持中也起着关键作用。肿瘤细胞与周围含有免疫细胞、炎症细胞、 内皮细胞、脂肪细胞、纤维细胞  等TME因子的间质持续相互作用，在微环境介导的干性富集中起着重要作用。     

图3. 肿瘤微环境及其与免疫细胞、炎症细胞、内皮细胞、脂肪细胞和成纤维细胞形成互相关联的信号机制介导肿瘤细胞干性的维持     

图4. 激活肿瘤微环境成分，激活成纤维细胞，进而提高肿瘤细胞的干性。         

TME 和 CSCs 在肿瘤耐药中的作用            

TME 在所有人类实体恶性肿瘤中保护肿瘤细胞免受药物作用。TME 通过与 CSC及其他 TME 细胞成分的相互关联来介导其活性，从而发展出耐药性。肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）是 TME 中主要的基质细胞类型，在许多恶性肿瘤的耐药性中起着关键作用。CAFs 通过提高肿瘤干细胞性特征和促进 ECM 成分的合成来促进肿瘤细胞的耐药性，进而创造了化疗药物作用的物理障碍。CAFs 分泌的可溶性因子通过旁分泌的方式与其他基质细胞进行沟通，促进耐药性的进展。最近的研究表明，持续表达的 ATP 结合盒转运蛋白，即 efux 药物的抗凋亡分子，抑制了该药物在 CSC 中的凋亡信号通路。TME 和 CSC 参与的耐药性信号通路是改善患者治疗反应的潜在靶点。此外，细胞凋亡、DNA损伤反应和CSC生存途径在肿瘤耐药性中也起到了关键作用。大量证据表明，CSC 信号通路在耐药性和肿瘤进展中发挥重要作用。另一方面，TME – CSC 介导的信号转导尚在一个初步的研究阶段， 目前还需要更多的研究来揭示其机制。            

肿瘤微环境在肿瘤干细胞及转移中的作用              

肿瘤转移在所有实体恶性肿瘤中都是一个危及生命的事件。转移是一种生物学过程的多维进化，其中肿瘤细胞从其起源部位移动，在远处的器官和组织中形成一个肿瘤聚落。 内渗、存活和进入循环、外渗以及间充质细胞转化为上皮细胞，肿瘤的这些能力导致远处继发部位的定植和微转移。肿瘤微环境调节一小部分细胞的外渗能力，允许它们开始在其他位点生长。这一小部分细胞具有很强的转移潜能，依靠伤口愈合、再生和组织发育来扩散到远处。这些细胞在发育过程中能够改变形态，逃避免疫系统的识别和攻击，进而生存下来。              

转移起始细胞通过干细胞途径来提高细胞的可塑性和干细胞性，这些细胞也可以在特定的器官或组织环境中存活下来。这些细胞可能驻留于原始肿瘤中，通过转移级联事件在到达遥远的部位后发展出与免疫细胞、 内皮细胞和基质细胞接触的能力。这些细胞的起源是未知的，它们具有不同的识别特征和分类。研究人员认为，这些转移性起始细胞表现出独特的干细胞样特征，并难以通过必要的研究方法进行识别和分析。

在转移的开始部位，一小部分转移性肿瘤干细胞具有侵袭性和自遗传能力。转移性肿瘤干细胞以合适的分子标记物代表了 CSC 的层次结构。 α-烯醇化酶（ENO 1）是一种在肿瘤细胞表面产生的糖酵解酶，已被确定为一种关键的转移促进因子。在胃癌和前列腺癌的研究中，有人发现了肿瘤细胞表面的 ENO1 具有很强的侵袭潜能和转移潜能。在胃癌中，腹膜转移性肿瘤干细胞( pMCSCs）促进了腹膜肿瘤的侵袭性和部分 EMT 的建立。此外，这些产生的 pMCSCs 持续表达 CD44 和 CD54 标记物，而这些标记物在胃癌转移中至关重要。TGF 适配器蛋白-2 ( SPTBN1）是肝再生的关键蛋白，作为一种肿瘤抑制因子,其在肝细胞癌常常下调。研究发现，HIF-1 和HIF-2 在缺氧的肿瘤进展过程中控制转移起始细胞及其子代。缺氧调节相关转录因子、EMT 和血管生成。      

最新的研究发现，在适当的肿瘤微环境影响下，CSC 会在肿瘤干细胞和转移干细胞之间切换。因此，肿瘤转移起始部位周围的生态环境在转移干细胞的转化和维持中起着关键作用。转移起始细胞具有干细胞样特征和免疫逃避能力。研究表明，肿瘤细胞向继发部位转移发生在肿瘤早期，可以像单细胞或微转移一样处于休眠状态。肿瘤周围的微环境控制转移休眠，并与转移子代干细胞相互作用，触发远处的肿瘤聚落发育。了解 TME 成分如何与转移性干细胞相互作用，对于开发新的转移性疾病的靶向治疗方法至关重要。            

在次级部位，髓系来源的抑制细胞（MDSCs）在塑造转移性肿瘤微环境方面具有多效性，允许肿瘤细胞免疫逃避和适应性免疫应答。根据最近的研究，MDSCs 在肿瘤细胞到达之前被富集在假定的转移部位，产生一个“转移前微环境 ”。在乳腺、膀胱和黑色素瘤恶性肿瘤中,这种生态环境有助于转移性肿瘤细胞的外渗，并促进新生血管的生长。原发肿瘤分泌的可溶性因子也促进了转移前生态环境的发展，这将有助于传入的肿瘤细胞的生存和生长。最近的一项研究表明，结直肠肿瘤来源的物质帮助肿瘤向肝脏扩散。鞘氨醇-1-磷酸受体1（S1PR1）-STAT3 激活产生 IL-6，激活肝脏 MDSCs 中的 S1PR1-STAT3，从而在结直肠肿瘤细胞进入肝脏前建立一个转移前生态环境。      

为了在内渗和外渗过程中穿过内皮细胞，肿瘤细胞需要破坏内皮连接，称为跨内皮迁移。肿瘤细胞引导血管生成，新的血管削弱了细胞与细胞之间的连接，使它们在内渗时很容易进入血管系统。VEGF 和 TGFβ 降低了肿瘤细胞进入动脉血管的内皮屏障。肿瘤细胞在外渗过程中与内皮细胞结合，并通过微小的毛细血管壁迁移完成跨内皮迁移。研究发现转移性纤维母细胞介导形成转移性病变，重塑转移性肿瘤的细胞外基质,刺激血管生成，并形成转移前微环境。但还需要进一步的研究来消除免疫、基质和内皮成分与启动转移的细胞相互作用的相关影响，才能为使用新的分子靶向治疗途径铺平道路。            

总结            

肿瘤干细胞（CSC）出现在异质肿瘤细胞群中，其识别与鉴定仍具有挑战性。使用检查点分子靶向 CSC 免疫疗法是潜在的选择。但 CSC 的免疫原性低于非 CSC，因此抗肿瘤反应有限。类器官是在高通量药物筛选中保持肿瘤异质性和耐药性的重要模型。循环肿瘤细胞也是一种重要的模型，它们表达了肿瘤基因组和表观遗传特征，是一种常用的药物测试模型。转移性干细胞在局部与转移性微环境相互作用，未来有关控制转移性干细胞动物模型的细胞和分子机制的研究方向应着重阐明肿瘤微环境（TME）介导的 CSC 在转移中的潜在治疗应用。TME 和肿瘤细胞中的转录异质性具有明确的临床意义。TME 具有不同类型的细胞、细胞因子和生长因子。事实证明，靶向 CSC 可改善肿瘤患者。但目前来说 TME 介导的干性治疗仍然具有挑战性。未来 TME/CSC 临床试验的重点可能集中在针对多种途径的联合治疗，并考虑降低对正常细胞的毒性，提高药物的选择性和疗效，以及探索给药方式的可能性。将靶向 TME/CSC 分子治疗与常规化疗药物相结合，可能为抗肿瘤治疗提供更好的方向，从而提高肿瘤患者的生存率并减少复发。     

编译：谢楠，吴星     

审校：张军、缪长虹 

参考文献：                                      

Nallasamy P, Nimmakayala R K, Parte S, et al. Tumor microenvironment enriches the stemness features: the architectural event of therapy resistance and metastasis[J]. Molecular cancer, 2022, 21(1): 1-25.       

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