癌症基质相互作用

摘要

介绍

虽然“种子和土壤”假说是由斯蒂芬·佩吉特在100多年前提出的，¹直到最近，肿瘤细胞与其周围微环境之间动态相互作用的生化和分子机制才开始被阐明。重要的是，“种子”和“土壤”的串扰提供了一种机制，可以保护某些癌细胞亚群免受化疗药物的细胞毒性影响，使存活的癌细胞构成最小的残留疾病，并导致治疗失败。²为了更好地理解肿瘤细胞与组织微环境的相互作用，并设计有效的治疗策略，最近的研究工作越来越关注肿瘤细胞与微环境沟通所涉及的分子决定因素和重要的生存途径。^三肿瘤代谢组学的发展使人们能够发现低分子量代谢物在癌症发展中的潜在作用。^4–6此外，由于快速生长的癌细胞对营养素的需求很高，⁷肿瘤微环境似乎在满足肿瘤细胞的代谢需求方面发挥着重要作用。^8–11癌细胞与微环境之间形成的微生态系统可能促进癌细胞生存和耐药性。肿瘤与周围微环境之间的串扰在不同程度上发生。在此，我们综述了癌细胞与微环境之间的分子和生化通讯，重点讨论了它们对耐药性的贡献。此外，我们讨论了开发药物的潜在机会，这些药物可以阻断癌细胞和组织微环境之间的串扰，从而克服基质介导的耐药性。

肿瘤微环境由各种辅助细胞和癌细胞周围的细胞外成分组成。在实体肿瘤中，周围基质形成结缔组织微环境，其中包括细胞外基质、癌相关成纤维细胞、免疫细胞和炎症细胞以及血管细胞。¹²在血液恶性肿瘤中，骨髓和外周淋巴器官是恶性细胞的主要避难所。这些部位保护癌细胞免受抗癌药物的细胞毒性作用。^13,14骨髓微环境由各种细胞成分组成，包括骨髓基质细胞、骨髓内皮细胞、破骨细胞、成骨细胞、巨噬细胞等。在外周淋巴微环境中，辅助细胞包括T细胞、滤泡树突状细胞和滤泡基质细胞。肿瘤微环境如何支持癌细胞逃避凋亡和促进转移是一个尚待解决的基本问题。最近的证据表明，肿瘤微环境可能激活癌细胞中的重要分子通路，从而通过直接细胞间接触或通过分泌对细胞生存至关重要的可溶性因子来提高耐药性。

肿瘤细胞与微环境的细胞接触介导分子相互作用

肿瘤细胞与肿瘤微环境中的细胞外基质和辅助细胞的粘附部分通过整合素分子介导。整合素在肿瘤细胞中的表达模式经常改变，某些整合素似乎促进肿瘤的进展。¹⁵越来越多的证据表明，整合素可能与受体酪氨酸激酶有关，而受体酪氨酸激酶对肿瘤转移、细胞存活和耐药性很重要。例如，慢性淋巴细胞白血病（CLL）细胞具有淋巴细胞功能相关抗原1（LFA-1）、极晚期抗原4（VLA-4）、细胞间粘附分子1（ICAM-1/CD54）、ICAM-2（CD102）、ICAM-3（CD50）和L-选择素（CD62L）的可变表达。^16,17CD44也在某些侵袭性CLL细胞群中检测到。^4,5除了介导CLL细胞向骨髓和次级淋巴组织中的生态位迁移外，^2,6这些粘附分子中的一些还通过与骨髓基质细胞上的受体结合来保护CLL细胞并赋予耐药性。例如，CLL细胞上的β1和β2整合素似乎同时作用于介导骨髓基质细胞上ICAM-1（CD54）和VCAM-1（CDM106）的结合，并通过防止Bcl-2蛋白表达的丢失来阻止CLL细胞的凋亡。相反，由于缺乏这种分子粘附分子模式，基质细胞可能无法通过这种机制保护正常B细胞。^18,19另一种可能参与促进CLL生存的粘附分子是CD44，其在侵袭性CLL细胞中高表达。²⁰在多发性骨髓瘤中，也经常观察到细胞粘附介导的耐药性。^21–23多发性骨髓瘤细胞通过CD44粘附到骨髓基质细胞导致p27上调和NFκB生存途径激活。²⁴

另一条重要的路径是凹口/锯齿轴。多发性骨髓瘤细胞上Notch1受体的表达受到骨髓基质细胞粘附的刺激，骨髓基质细胞表达Notch配体Jagged。这种相互作用诱导的信号通路上调p21^Cip1/WAF1导致生长停滞和药物诱导的细胞凋亡受到抑制。¹⁷这种细胞接触介导的分子途径也见于非霍奇金B细胞淋巴瘤。¹⁸

在实体肿瘤中，整合素的表达对于上皮性肿瘤细胞向骨髓转移很重要。例如，αvβ3和α4β1配体在骨髓中高度表达，在前列腺癌、乳腺癌、肺癌、宫颈癌和胶质母细胞瘤等上皮癌中上调。^15,25–27此外，与血液恶性肿瘤一样，实体肿瘤中整合素的表达也与癌细胞生存率和耐药性的增加有关。²⁸整合素激活的途径，包括PI3K/AKT、ERK/MAPK、NFκB，对诱导细胞迁移和促进细胞存活至关重要。¹⁵

可溶性因子介导的肿瘤细胞与微环境的分子相互作用

众所周知，基质细胞分泌的细胞因子和生长因子对癌细胞具有深远的影响。肿瘤微环境中的辅助细胞分泌各种细胞因子和生长因子，包括基质衍生因子-1（SDF-1）、IL-6、血管内皮生长因子（VEGF）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、胰岛素样生长因子1（IGF1）、肝细胞生长因子等。^12,29这些配体的受体通常在多种癌细胞中高度表达。³⁰通过信号传递，配体-受体相互作用有助于癌细胞的异常生长、存活、血管生成、转移和耐药性。例如，SDF-1α与恶性造血细胞和某些实体肿瘤细胞上的受体CXCR4相互作用，诱导恶性细胞归巢和转移到常见的转移部位，包括骨髓、淋巴结、肺和肝脏。³⁰除了在化学吸引中的作用外，SDF-1α还刺激癌细胞存活。使用外源性细胞因子和阻断抗体的实验表明，SDF-1α对癌细胞具有保护作用。已知SDF-1α与慢性淋巴细胞白血病（CLL）细胞上的CXCR4相互作用并激活MAPK/ERK1/2，³¹和PI3K/AKT途径，³²导致Bcl-2上调³³从而促进CLL细胞存活。

另一个例子是IGF-1，它是肿瘤细胞生存和生长所需的关键生长因子之一。黑色素瘤细胞似乎依赖成纤维细胞分泌的IGF-1，因为恶性细胞不产生这种生长因子。³⁴IGF-1通过激活MAP激酶途径和Akt途径中Erk1/2的磷酸化来增强黑色素瘤细胞的生存、迁移和生长。³⁵

此外，肿瘤微环境中的基质细胞改变了肿瘤细胞分泌体，包括肿瘤生长和扩散所需的分泌体。最近的数据表明，小鼠K-ras突变型肺腺癌细胞系（LKR-13）与小鼠肺基质细胞（巨噬细胞、内皮细胞或成纤维细胞）共同培养，可调节包括CXCL1和IL-18在内的蛋白质的分泌，这些蛋白质参与血管生成、炎症、细胞增殖和上皮-间充质转化。³⁶另一项研究表明，成纤维细胞源性IGF-1可通过MAP激酶/JNK/c-Jun/AP-1途径诱导黑色素瘤细胞中IL-8的表达。³⁷

可溶性因子介导的肿瘤细胞和微环境之间的分子相互作用已在造血癌中得到广泛研究。骨髓微环境富含细胞因子和生长因子，可被归巢至骨髓的恶性细胞劫持。一些关键的分子信号事件已经被确定。VEFG诱导的多发性骨髓瘤（MM）细胞迁移似乎是通过PKC依赖性途径介导的。³⁸IL-6、IGF-1、SDF-1α、TNF-α、VEGF触发的MM细胞增殖是通过MEK/p42/p44/MAPK信号级联介导的。^39–43在CLL中，IL-4、INF-α、IFN-γ和bFGF通过Bcl-2依赖性途径阻止细胞凋亡。^44–49此外，IL-4和INF-γ还可以上调CLL细胞中诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达，并导致内源性NO释放，这似乎通过caspase-3的S-亚硝化抑制凋亡，从而抑制其促凋亡活性。^50,51此外，VEGF激活CLL细胞中的STAT-1和STAT-3，从而上调Mcl-1和XIAP的表达，促进对凋亡诱导的抵抗。⁵²除细胞因子和生长因子外，基质分泌的刺猬蛋白也被证明能促进淋巴瘤、MM和CLL细胞在与骨髓基质细胞共培养系统中的体外存活。^53–55刺猬蛋白激活恶性细胞上的受体PTC，导致Gli1和Gli2的转录激活以及Bcl-2表达的上调。^53–55细胞直接接触和可溶性因子介导的一些分子事件如图所示图1.

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图1

癌细胞和基质细胞之间的分子相互作用导致癌细胞存活率和耐药性增加。肿瘤与基质细胞之间的动态相互作用可以通过粘附分子和可溶性因子介导，导致JAK/STAT、Gli1/2、MAPK、PI3K/Akt、NFκB等主要信号通路的激活，以及iNOS/NO、VEGF和抗凋亡蛋白（Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1）等下游效应器的表达增加在癌细胞中。这些生存途径和抗凋亡分子促进细胞存活和耐药性。此外，基质细胞也可能改变肿瘤细胞分泌组，包括肿瘤生长和扩散所需的分泌组，如IL-18、CXCL1和IL-8。

肿瘤细胞与微环境的生化相互作用

癌细胞的快速生长和异常增殖通常与能量代谢的实质性改变和氧化还原平衡的扭曲有关。癌症代谢异常似乎与肿瘤细胞及其组织微环境之间的复杂相互作用有关，以满足支持肿瘤生长的高营养需求。此外，肿瘤细胞还将某些代谢产物释放到基质环境中进行进一步处理。因此，肿瘤微环境作为一个特殊的生态位，从癌细胞中吸收“不需要的”代谢物，并为癌细胞提供关键的营养物质和代谢物。癌细胞与其微环境在生化水平上的相互作用是一个新兴的研究领域。该领域的最新报告为肿瘤与微环境相互作用的生化机制以及此类生化事件如何影响癌细胞生存和耐药性提供了重要的新见解。

葡萄糖是大多数正常细胞和肿瘤细胞的主要能量来源。糖酵解是将葡萄糖转化为丙酮酸的代谢途径，是在不消耗氧气的情况下生成ATP的关键生化过程。当葡萄糖在有足够氧气的情况下在正常细胞中代谢时，这个代谢过程产生丙酮酸，然后丙酮酸被导入线粒体进行进一步代谢，导致氧化磷酸化和ATP的生成。当没有足够的氧气供应时，细胞可能会转向厌氧糖酵解，并将丙酮酸转化为乳酸。有趣的是，即使在氧气充足的情况下，许多癌细胞似乎也大量使用糖酵解途径，奥托·沃伯格（Otto Warburg）在70多年前首次描述了这一现象。⁵⁶厌氧糖酵解每葡萄糖只产生两个ATP。为了满足能量需求并提供代谢中间体，肿瘤细胞的糖酵解速率通常显著高于正常细胞。⁷除非全国广告部（NAD）⁺可以再生以支持GAPDH催化的反应。肿瘤细胞再生NAD⁺通过快速将丙酮酸转化为乳酸。然而，乳酸生成增加会导致细胞酸化。最近的研究表明，肿瘤相关基质表达互补的代谢分子，在缓冲和循环厌氧代谢产物以维持癌细胞生存方面发挥重要作用。^8,9,11对参与细胞代谢的蛋白质表达模式的分析表明，肿瘤相关基质细胞具有低LDH5/PDK1表达和高PDH/LDH1反应性，有利于有氧糖酵解。⁸癌细胞中的高浓度乳酸通过高活性MCT1膜单羧酸泵快速挤压到细胞外基质。基质细胞也有高水平的MCT1，它吸收乳酸，乳酸在氧化为丙酮酸后，最终被用作燃料，通过有氧代谢生成ATP。⁸基质细胞中再生的丙酮酸也可以通过MCT1输出，随后由癌细胞重复使用。有趣的是，癌相关基质细胞似乎葡萄糖转运蛋白GLUT1的低表达，这表明可能存在低葡萄糖摄取，从而减少肿瘤细胞对葡萄糖的使用。⁸通过无偏见的蛋白质组分析，Lisanti等人发现上皮癌细胞诱导邻近基质成纤维细胞中代谢酶的表达，并将其转化为生产富含能量的代谢物的工厂。^9,11因此，基质细胞以“宿主-寄生虫”的相互作用直接喂养上皮癌细胞。来自肿瘤相关基质细胞的营养物质有效降低了癌细胞对血液供应的依赖性，从而提供了抵抗抗血管生成治疗的逃逸机制。¹¹

癌细胞对氨基酸有着独特的需求，氨基酸是合成大分子的基石。重要的是，最近的研究表明，某些氨基酸在癌细胞中的作用似乎超越了蛋白质的合成。例如，癌细胞对谷氨酰胺的需求增加，这不仅是因为谷氨酰胺在蛋白质合成中的作用，也是核苷酸的氮源。通过谷氨酰胺分解的谷氨酰胺代谢也通过代谢通道进入TCA循环为癌细胞生成ATP和NADPH。⁵⁷天冬酰胺是一种非必需氨基酸，可以通过天冬氨酸和氨（由谷氨酰胺产生）在天冬酰胺合成酶的催化下合成。然而，由于天冬酰胺合成酶的低表达，天冬酰胺成为白血病淋巴母细胞的必需氨基酸，使白血病细胞高度依赖天冬酰胺的胞外来源进行蛋白质合成。这在急性淋巴细胞白血病（ALL）中似乎尤为重要，并构成了用天冬酰胺酶治疗ALL的生化基础，天冬酰胺蛋白酶能迅速将循环中的天冬酰胺和谷氨酰胺分别转化为天冬氨酸和谷氨酸。^58–60对天冬酰胺酶治疗的耐药性与白血病细胞中阿司匹林合成酶的上调有关，使其能够产生足够的天冬酰胺用于蛋白质合成。^61,62然而，体内情况似乎并非如此，因为天冬酰胺合成酶表达上调与天冬酰胺酶的不良临床反应无关。⁶³有趣的是，最近的一项研究表明，骨髓间充质细胞通过产生和分泌天冬酰胺来喂养ALL细胞，从而调节ALL细胞对天冬酰胺酶的反应。¹⁰研究发现，骨髓间充质细胞中天冬酰胺合成酶的水平是ALL细胞的20倍，并保护白血病细胞免受药物治疗。相反，间充质细胞天冬酰胺合成酶的表达减少导致ALL细胞的敏感性增强。因此，详细了解骨髓中的白血病细胞生态位以及白血病细胞与骨髓微环境之间相互作用的生化方面，对于设计有效的治疗策略以克服耐药性至关重要。⁶⁴

半胱氨酸对谷胱甘肽（GSH）的合成至关重要。在癌细胞中，谷胱甘肽（GSH）在细胞生存和耐药性方面发挥着重要作用，部分原因是它能够中和活性氧（ROS）的细胞毒性作用，并与许多细胞毒药物结合以从细胞中输出。⁶⁵最近的报告还表明，谷胱甘肽通过其他机制抑制细胞凋亡。例如，通过谷胱甘肽酰化对蛋白质进行翻译后修饰对于调节癌细胞的凋亡至关重要。^66–68谷胱甘肽可能通过维持细胞内离子稳态促进淋巴细胞存活。⁶⁹在谷胱甘肽合成的三种前体氨基酸（谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸）中，半胱氨酸的化学性质不稳定，其浓度低于谷氨酸和甘氨酸，⁷⁰因此是GSH合成的速率限制底物。与天冬酰胺类似，半胱氨酸是一种条件性必需氨基酸，只能通过转硫途径在某些组织中由蛋氨酸合成。⁷¹因此，广泛表达的ASC转运体对半胱氨酸的摄取是细胞内GSH状态的重要决定因素。⁷²由于半胱氨酸主要以氧化形式（胱氨酸）存在于血液中，大多数细胞对半胱氨酸的摄取是通过一种称为Xc-的转运蛋白以胱氨酸类的形式发生的。⁷³然而，放射性半胱氨酸和胱氨酸摄取的比较表明，淋巴细胞优先利用半胱氨酸。⁷⁴有趣的是，抗原呈递细胞可以吸收胱氨酸并将半胱氨酸分泌到微环境中，使附近的T细胞可以在那里合成谷胱甘肽，抗原呈报细胞可以通过该微环境影响T细胞的增殖和活化。^75,76人类成纤维细胞也在培养基中分泌半胱氨酸。⁷⁷由于谷胱甘肽在癌细胞中快速转化以保持氧化还原平衡并提高细胞活力，癌细胞对限制性底物半胱氨酸的需求很高。骨髓微环境中的基质细胞是否可以作为半胱氨酸的提供者来喂养恶性细胞合成谷胱甘肽，还有待进一步研究。

最近的技术发展，如同位素稀释结合液/气相色谱法和质谱法，使得对癌症中的生化变化进行定量分析成为可能，并使癌症中重要的肿瘤代谢物的发现成为可能。对前列腺癌进展过程中的全球代谢组学变化的分析已经确定了肌氨酸的潜在作用，因为肌氨酸在癌症进展过程中水平升高，并且可能与疾病机制有关。⁴外源性肌氨酸的添加或导致肌氨酸降解的酶的敲除可诱导良性前列腺上皮细胞的侵袭性表型。

胶质瘤中胞浆异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）的体细胞突变以及白血病细胞中IDH1和2的突变导致发现2-羟基戊二酸（2HG）是肿瘤发生中潜在的肿瘤代谢物。^5,6虽然2HG的确切致癌功能尚不清楚，但推测该化合物可能通过抑制低氧诱导因子脯氨酰羟化酶（PHD）发挥作用，从而激活低氧诱导因素（HIF）。^78,79由于细胞可以分泌2HG，因此推测2HG可能影响肿瘤微环境。^6,80在未来的研究中，评估肿瘤微环境是否能够调节这些肿瘤代谢物的代谢，以支持肿瘤细胞的生长将是一个有趣的问题。对癌细胞和基质细胞之间的串扰至关重要的一些关键生化事件如图所示图2.

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图2

癌细胞和基质细胞之间的生化串扰。癌细胞对葡萄糖的摄取非常活跃，部分原因是GLUT1的高表达。在癌细胞中，葡萄糖转化为丙酮酸，然后通过糖酵解转化为乳酸。癌细胞中的高浓度乳酸通过高表达的MCT1排出细胞，以避免细胞过度酸化。基质细胞上MCT1的高表达可吸收乳酸，乳酸氧化为丙酮酸后可作为燃料产生能量，用于基质细胞线粒体的有氧代谢。基质细胞中LDH1和PDH的表达增加以及LDH5和PDK1的表达减少似乎促进了这种代谢。基质细胞中再生的丙酮酸也可以通过MCT1输出，随后被癌细胞重新利用，以转化回乳酸，生成NAD⁺支持糖酵解。基质细胞也会产生天冬酰胺来喂养白血病细胞。使用天冬酰胺酶耗尽天冬酰胺是消除这种摄食机制的有效方法，因此可以用于治疗某些白血病，如ALL。

结论

近年来，肿瘤细胞与微环境的相互作用在肿瘤发生和耐药性中发挥着重要作用。基于这些新发现，已经制定了策略来开发抗癌治疗中涉及的分子和生物化学途径。已测试的潜在方法包括使用整合素和受体拮抗剂靶向肿瘤与微环境的相互作用^81,82以及使用特异性受体酪氨酸激酶抑制剂和蛋白酶体抑制剂靶向肿瘤细胞以及肿瘤微环境中的基质细胞中的下游途径。^83–85临床前研究表明，这些策略可以在一定程度上提高组合治疗策略中初级治疗的疗效。²生物化学的进展也扩大了我们对代谢物在癌症发展和耐药性中的作用的认识。由于对ATP和某些代谢中间体的需求增加，癌细胞合成大分子以支持细胞快速增殖，因此肿瘤微环境在提供所需营养和处理癌细胞的某些代谢产物（例如乳酸）方面发挥着重要作用。因此，癌细胞与其组织微环境之间的生化相互作用显著影响癌细胞生存和药物敏感性。这也表明，为了治疗目的，有可能以癌细胞及其微环境之间的生化通量为目标。重要的是开发特定的抑制剂来阻止“肿瘤代谢物”的生成或其运输。将传统治疗药物与消除癌细胞与微环境在分子和生化水平上的相互作用的策略相结合，可以有效克服基质介导的耐药性，提高体内治疗活性。

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