虽然手术切除和辅助治疗可以治愈局限性很好的原发性肿瘤，但转移性疾病由于其系统性和播散性肿瘤细胞对现有治疗药物的耐药性，在很大程度上是无法治愈的。这解释了为什么90%以上的癌症死亡率归因于转移，而不是这些恶性病变的原发肿瘤(古普塔和马萨古埃，2006年;Steeg，2006年). 因此，我们有效治疗癌症的能力在很大程度上取决于我们阻断甚至逆转转移过程的能力。
这些临床现实几十年来一直受到重视。然而，直到最近才出现转移机制的分子和细胞生物学细节。这里我们重点关注上皮组织中的肿瘤——癌，它们共同构成威胁生命的癌症的约80%。我们强调最近的发现，讨论其概念含义，并考虑其潜在的临床实用性。综上所述，这些进展建立了新的范式，可能会指导未来的转移研究以及新的诊断和治疗策略的开发。
侵袭转移级联
癌细胞产生的转移是在完成一系列复杂的细胞生物学事件后形成的，这些事件统称为侵袭-转移级联，即原发性肿瘤中的上皮细胞（1）通过周围的细胞外基质（ECM）和基质细胞层局部侵袭，（2）向血管腔内注射，（3）通过血管系统经受严格的运输，（4）在远处器官部位受阻，（5）渗出到远处组织的薄壁组织，（6）最初在这些外来微环境中存活以形成微转移，（7）在转移部位重新启动其增殖程序，从而产生肉眼可见的临床可检测的肿瘤生长（该步骤通常称为“转移定植”）() (菲德勒，2003). 如下所述，这些复杂的细胞生物学事件中的许多是由癌细胞内的分子途径协调的。重要的是，癌细胞和非肿瘤基质细胞之间的细胞非自主相互作用在整个侵袭-转移级联过程中也发挥着重要作用(). 这些内源性和外源性信号级联的放松调控可使早期转移癌细胞产生高级别、危及生命的恶性肿瘤。
侵袭转移级联临床上可检测到的转移是一系列复杂的细胞生物学事件的最终产物，这些事件统称为侵袭-转移级联。在转移过程中，肿瘤细胞离开其主要生长部位（局部浸润、灌注），全身易位（在循环中存活，在远处器官部位停滞，外渗），并适应在远处组织的外来微环境中生存和茁壮成长（在外来微环境和微转移形成、转移定植中的初始存活）。癌细胞用红色表示。
基质细胞在侵袭转移级联过程中的每一步都发挥着重要作用转移进展并不是一个完全由细胞自主完成的过程。事实上，癌细胞征募非肿瘤基质细胞参与侵袭-转移级联的每一步。举例说明基质细胞在转移过程中的作用。癌细胞以红色表示。Angptl4：血管生成素样-4；CSF-1：集落刺激因子-1；EGF：表皮生长因子；IL-4：白细胞介素-4；MMP-9：基质金属蛋白酶-9；OPN：骨桥蛋白；SDF-1：基质细胞衍生因子-1。
1.局部入侵
局部侵袭性包括位于封闭良好的原发肿瘤内的癌细胞进入周围肿瘤相关基质，然后进入邻近的正常组织实质。为了侵入基质，癌细胞必须首先破坏基底膜（BM），基底膜是一种特殊的细胞外基质，在组织上皮组织中起重要作用，部分是通过分离上皮和基质隔室。除了BM发挥的结构作用外，ECM的组成部分还包含一个由癌分泌蛋白酶释放的栓系生长因子分子库。此外，BM还通过整合素介导的细胞基质粘附启动的途径在癌细胞内的信号转导事件中发挥关键作用，导致细胞极性、增殖、侵袭性和存活率的改变(Bissell和Hines，2011年).
新出现的证据表明，正常上皮的精确控制的组织结构是侵袭性的内在屏障，在早期转移癌细胞发展为明显的恶性肿瘤之前，必须克服这种屏障。例如，在乳腺中，肌上皮细胞通过帮助维持BM完整性来抵抗侵袭；事实上，与肌上皮细胞共同植入可以逆转乳腺癌异种移植物的侵袭性(胡等，2008). 同样，在卵巢癌中，排列在腹膜和胸膜器官中的间皮细胞层是进一步传播的障碍，可以通过癌细胞驱动的肌球蛋白依赖的牵引力来克服，这种牵引力可以取代间皮细胞(Iwanicki等人，2011年). 此外，通过改变胶原交联来调节ECM硬度，通过改变整合素信号影响乳腺癌的进展(Levental等人，2009年).
在细胞生物学水平上，大多数类型的癌都可以通过一种称为“集体侵袭”的过程，以内聚多细胞单位的形式侵袭。或者，单个肿瘤细胞可以通过两个不同的程序入侵：蛋白酶、压力纤维和整合素依赖的“间充质入侵”程序或蛋白酶、压力-纤维和整合素独立的Rho/ROCK依赖的“变形虫入侵”程序(Friedl和Wolf，2003年). 事实上，在乳腺癌模型的局部侵袭性特征中可以观察到能够使间充质或变形虫侵袭的分子的差异表达(Wang等人，2004年).
随着微环境条件的变化，肿瘤细胞明显可以在这些不同的侵袭策略之间相互转换。这导致一些人提出，要有效抑制单细胞侵袭，就需要同时抑制间充质细胞和变形虫侵袭程序(Friedl和Wolf，2003年). 事实上，某些侵袭调节因子作为多效性作用因子发挥作用，同时调节两种途径的成分。例如，microRNA（miRNA）miR-31通过同时抑制间充质（例如整合素α5）和变形虫（例如RhoA）侵袭程序的关键效应器来抑制乳腺癌侵袭(Valastyan等人，2009年).
上述单细胞侵袭途径显然与上皮组织组织的一个关键元素不相容，特别是E-钙粘蛋白介导的细胞间连接，该连接将上皮细胞片结合在一起，并防止单个上皮细胞与其相邻细胞分离。为了克服这一障碍和其他侵袭障碍，癌细胞可以选择一种称为上皮-间充质转化（EMT）的细胞生物学程序，这对正常胚胎形态发生的多个方面至关重要。EMT项目涉及粘附物和紧密连接的溶解以及细胞极性的丧失，它将上皮细胞片内的细胞分离为具有多种间充质属性的单个细胞，包括侵袭性增强(Thiery等人，2009年).
EMT程序由一组多效性作用转录因子（TF）协调进行，包括Slug、Snail、Twist、ZEB1和ZEB2，这些转录因子通过抑制上皮标记物的表达和诱导与间充质状态相关的其他标记物的表现来组织进入间充质态(Thiery等人，2009年). 事实上，其中一些TF直接抑制上皮状态的基石E-cadherin的水平。某些miRNA——尤其是属于miR-200家族的miRNA——也调节EMT程序。miR-200促进上皮表型的一个重要机制涉及其转录后抑制ZEB1和ZEB2 EMT诱导TF表达的能力。相反，ZEB1和ZEB2转录抑制miR-200家族成员，从而建立双负反馈回路，作为双稳态开关，加强细胞在间充质或上皮状态的驻留(Thiery等人，2009年).
最终，BM屏障的丧失允许基质室的癌细胞直接侵袭。主要受基质金属蛋白酶（MMPs）影响的活性蛋白水解导致了这种损失。在正常组织中，MMPs的活性是通过转录和翻译后机制仔细控制的。癌细胞设计了许多方法来破坏通常对MMP活性的严格控制，几乎总是导致MMP功能增强。在降解位于肿瘤细胞侵袭途径中的BM和其他ECM的同时，MMP表达细胞也释放了隔离在那里的生长因子，从而促进癌细胞增殖(Kessenbrock等人，2010年).
一旦侵入的癌细胞溶解了骨髓，它们就会进入基质。在这里，他们面临着多种肿瘤相关基质细胞，其组成受肿瘤进展状态控制。随着原发性肿瘤的进展，基质变得越来越“反应性”，并获得处于伤口愈合过程中或慢性炎症组织基质的许多属性(Grivennikov等人，2010年). 因此，侵入反应性基质的肿瘤细胞会遇到成纤维细胞和肌成纤维细胞、内皮细胞、脂肪细胞和各种骨髓衍生细胞，包括间充质干细胞，以及巨噬细胞和其他免疫细胞(乔伊斯和波拉德，2009年).
这些基质细胞能够通过各种类型的异型信号进一步增强癌细胞的侵袭行为。例如，局部微环境中的脂肪细胞分泌白细胞介素-6（IL-6）可以刺激乳腺癌的侵袭性(Dirat等人，2011年). 此外，基质CD4+T淋巴细胞通过刺激肿瘤相关巨噬细胞（TAM）激活癌细胞中表皮生长因子受体（EGFR）信号，促进乳腺癌侵袭(DeNardo等人，2009年). 同样，乳腺癌细胞分泌IL-4会触发TAM中组织蛋白酶的活性，进一步增强癌细胞的侵袭性(Gocheva等人，2010年). 这些发现提供了肿瘤细胞和邻近基质之间发生双向相互作用的例子：癌细胞刺激炎症基质的形成，后者通过增强癌细胞的恶性特征进行相互作用，从而建立了一个潜在的自我放大的正反馈环。
基质细胞的详细特征进一步证明了它们在促进癌细胞恶性行为中的关键作用。例如，乳腺癌患者肿瘤相关基质的微阵列分析揭示了与转移结果相关的特征性表达特征(Finak等人，2008年). 此外，代表培养的成纤维细胞对血清的转录反应的表达特征（因此反映了创伤愈合反应的一个组成部分）与人类乳腺癌、胃癌和肺癌转移复发风险的增加相关(Chang等人，2004年). 这些观察结果与日益激活的间质在密切相关的癌细胞中驱动恶性行为的作用是一致的，但它们很难证明因果关系。相反，这种证据已经开始从实验模型中出现。例如，基质中Hedgehog信号或caveolin-1的干扰会改变邻近癌细胞的肿瘤进展(Olive等人，2009年;Goetz等人，2011年).
与原发性癌中基质-上皮相互作用的详细机制无关，很明显，肿瘤细胞进入基质为肿瘤细胞直接进入体循环并传播到远处提供了大量机会。
2.血管内注射
浸润涉及局部浸润癌细胞进入淋巴管或血管腔。虽然在人类肿瘤中经常观察到癌细胞的淋巴扩散，这是疾病进展的重要预后标志，但通过血行循环的扩散似乎是转移癌细胞扩散的主要机制(Gupta和Massagué，2006年).
分子变化可以促进肿瘤细胞跨越形成微血管壁的周细胞和内皮细胞屏障的能力，从而促进血管内灌注。例如，转录调节剂氨基末端分裂增强子（Aes）通过Notch依赖性机制损害跨上皮侵袭，从而抑制结肠癌细胞的灌注(Sonoshita等人，2011年). 相反，细胞因子转化生长因子-β（TGFβ）增强了乳腺癌的灌注，表面上是通过增加癌细胞对微血管壁的渗透或更普遍地增强侵袭性(Giampieri等人，2009年). 此外，血管周围的TAM可以通过由TAM和癌细胞分别分泌表皮生长因子（EGF）和集落刺激因子-1（CSF-1）的相互作用组成的正反馈回路来增强乳腺癌细胞的灌注(Wyckoff等人，2007年).
血管内灌注的机制可能受到肿瘤相关血管的结构特征的强烈影响。肿瘤细胞通过多种机制（其中许多机制集中于血管内皮生长因子（VEGF）的作用），通过称为新生血管生成的过程，在其局部微环境中刺激新血管的形成。与正常组织中的血管相比，癌细胞产生的新生血管是曲折的，容易渗漏，并且处于不断重组的状态(Carmeliet和Jain，2011年). 形成肿瘤相关微血管的相邻内皮细胞之间的弱相互作用以及周细胞广泛覆盖的缺失可能有助于血管内注射。为了支持这一观点，环氧合酶-2（COX-2）、表调节蛋白（EREG）、MMP-1和MMP-2协同促进乳腺癌灌注的能力与它们刺激新生血管生成和渗漏血管形成的能力有关(Gupta等人，2007年a).
3.在流通中生存
一旦癌细胞成功地注入血管腔内，它们就可以通过静脉和动脉循环广泛传播。最近的技术进步促进了对癌症患者血液中循环肿瘤细胞（CTC）的检测(Nagrath等人，2007年;Pantel等人，2008年;Stott等人，2010年). CTC表面上代表原发肿瘤和播散部位之间的癌细胞，因此可能代表“转移中间产物”。
血循环中的CTC必须经受各种压力才能到达远处的器官部位。例如，它们似乎被剥夺了对ECM成分的整合素依赖性粘附，而这通常是细胞存活所必需的。在缺乏这种锚定的情况下，上皮细胞通常会发生失巢凋亡，失巢凋亡是一种因失去对基质的锚定而引发的凋亡形式(Guo和Giancotti，2004年). 监督失巢反应的一些信号事件影响代谢程序，如磷酸戊糖途径和葡萄糖摄取的控制(Schafer等人，2009年). 同样令人感兴趣的是，酪氨酸激酶TrkB被鉴定为失巢凋亡抑制因子，其表达是转化肠上皮细胞转移进展所必需的(Douma等人，2004年).
由于缺乏简单的事实，目前无法对CTC的生命有更细致的了解：我们不知道癌细胞在循环中逗留多久。一些人估计他们在乳腺癌患者中的停留时间可能是几个小时(Meng等人，2004年). 然而，鉴于癌细胞直径相对较大（20–30µm），毛细血管管腔直径约为8µm，绝大多数CTC在首次通过循环时（即静脉注射后几分钟内）可能会被困在各种毛细血管床中。因此，许多肿瘤细胞可能只在血流中停留相对较短的时间，使CTC在失巢警报响起之前很久就从循环中逃逸。
除了基质分离所施加的压力外，循环中的肿瘤细胞还必须克服血流动力学剪切力和先天免疫系统细胞（尤其是自然杀伤细胞）的捕食所造成的损伤。方便的是，癌细胞似乎通过一种单一的机制同时规避了这两种威胁，这种机制依赖于正常血液凝固的一个方面。更具体地说，通过与血小板的相互作用形成相对较大的栓子——这一过程似乎是由癌细胞的组织因子和/或L-和P-选择素的表达介导的——肿瘤细胞能够保护自己免受剪切力的影响，并逃避免疫检测(Joyce和Pollard，2009年). 因此，血小板包裹的肿瘤细胞能够更好地在循环中持续存在，直到它们在远处组织部位停止，由于这些微栓塞的有效直径较大，这种情况的可能性可能会进一步增加。
4.在远处器官部位被捕
尽管理论上讲，造血转移的CTC能够传播到多种次级位点，但临床医生长期以来注意到，单个癌症类型仅在有限的靶器官亚群中形成转移() (菲德勒，2003). 一个尚未解决的主要问题是，这种组织向性是否仅仅反映了一种被动过程，即由于血管系统的布局和血管直径对大小的限制，CTC在毛细血管床内滞留，或者相反，表明CTC有能力通过这些细胞与微血管管腔壁之间的基因模板化配体受体相互作用，主动回到特定器官。
转移倾向起源于特定上皮组织的癌仅在理论上可能的远处器官部位的有限子集中形成可检测的转移。这里显示了六种研究充分的癌症类型最常见的转移部位。原发性肿瘤以红色表示。黑线的厚度反映了给定的原发肿瘤类型转移到指定的远处器官部位的相对频率。
微血管中CTC的物理捕获问题在这里非常突出。例如，当某些远隔器官的毛细血管床位于直径不足以允许CTC通过的其他微血管的下游时，血管系统的解剖布局阻止了癌细胞在毛细血管床内的滞留。最常被引用的是大肠癌细胞在肝脏中的大规模滞留，这是由门静脉决定的，门静脉将肠系膜循环直接排入肝脏(古普塔和马萨古埃，2006年). 然而，一些CTC可能由于其异常可塑性或通过动静脉分流术的偶然性而避免这种快速捕获，从而使其滞留在更多远端器官的微血管中。
另一种假设是，CTC具有预先确定的在某些组织中滞留的偏好。事实上，一些癌细胞能够在特定组织中形成特定的粘附相互作用，优先利于它们的捕获。例如，一些人提出，乳腺癌细胞中Metadherin的表达通过促进与肺血管的结合而使肺部归巢(Brown和Ruoslahti，2004年). 类似地，结直肠癌和肺癌细胞进入肝微血管可引发促炎级联反应，导致枯否细胞被触发分泌趋化因子，上调各种血管粘附受体，从而使CTC粘附在肝微血管中(Auguste等人，2007年). 这些和其他分子驱动策略的相对重要性，有助于促进CTC的器官特异性阻滞，有待未来的研究。
5.外渗
一旦粘附在远处器官的微血管中，CTC可能会启动腔内生长并形成微克隆，最终破裂周围血管的壁，从而使肿瘤细胞与组织实质直接接触(Al-Mehdi等人，2000年). 或者，癌细胞可以通过穿透内皮细胞和周细胞层（将血管腔与基质微环境分隔开）从血管腔进入组织实质，这一过程称为外渗。
后一种形式的外渗似乎至少从表面上看，与早期的静脉注射相反。然而，有理由相信，事实上，这些过程在机械上往往会有很大不同。而在原发性肿瘤基质中存在的某些共生细胞类型，如前面描述的TAM，可以促进血管内灌注(Wyckoff等人，2007年)，这些相同的支持细胞不太可能同等地用于促进播散性癌细胞的外渗。事实上，原发性肿瘤中的巨噬细胞群在表型和功能上与转移形成部位的巨噬细胞群不同(钱和波拉德，2010年). 此外，如前所述，原发性肿瘤形成的新生血管是曲折和渗漏的(Carmeliet和Jain，2011年)而远处正常组织（播散癌细胞的目的地）中的微血管可能具有高度的功能性，这可能导致低固有通透性。例如，试图到达脑实质的播散性癌细胞必须穿过血脑屏障；类似地，肺微血管内壁的内皮细胞通常会形成一个基本上不可渗透的屏障。相反，到达骨或肝脏的癌细胞遇到有窗窦，即使在正常状态下也具有很高的渗透性，因此似乎对肿瘤细胞的外渗只构成了微小的障碍(Nguyen等人，2009年). 因此，转移部位特定微环境的特征可能会强烈影响播散性癌细胞的命运，这一点至关重要，将在下文重新讨论。
为了克服在固有微血管通透性低的组织中发生的外渗的物理障碍，原发性肿瘤能够分泌干扰这些遥远微环境并诱导血管过度通透性的因子。例如，分泌性蛋白血管生成素样-4（Angptl4）以及多效性作用因子EREG、COX-2、MMP-1和MMP-2破坏肺血管内皮细胞-细胞连接，以促进乳腺癌细胞在肺部的外渗(Gupta等人，2007年a;Padua等人，2008年). 同样有趣的是，各种原发性肿瘤分泌的血管生成素2（Angpt2）、MMP-3、MMP-10、胎盘生长因子和VEGF能够在癌细胞到达肺部之前诱导肺部高渗透性，从而促进随后的CTC外渗(Weis等人，2004年;Huang等人，2009年;Hiratsuka等人，2011年b). 最后，通过CCL2依赖机制招募到肺转移的炎性单核细胞通过分泌VEGF促进乳腺癌细胞在肺部的外渗(钱等人，2011年).
特别有趣的是，虽然Angleptl4增强了乳腺癌细胞在肺部的外渗，但它并没有增加这些乳腺癌细胞的骨外渗或其静脉内注射效率(Padua等人，2008年). 因此，Angleptl4专门促进了外渗过程，并且只在肺组织微环境中起作用。这些发现为一种模型提供了证据，在该模型中，某些远处器官部位的外渗需要细胞生物学程序，而这些程序既不需要静脉滴注，也不需要其他传播部位的外溢，再次强调了在可能的转移形成部位存在的特定组织微环境的关键作用。
6.在国外微环境中的初始存活率和微转移形成
为了形成转移，浸润的癌细胞必须在远处组织的薄壁组织中遇到的外来微环境中生存。转移位点的微环境通常与原发肿瘤形成部位的微环境大不相同。这表明扩散的癌细胞，至少在最初，很难适应他们的新家园。这些微环境差异可能包括基质细胞的类型、ECM成分、可用的生长因子和细胞因子，甚至组织本身的微结构。
有人提出，癌细胞可以通过建立“转移前生态位”来解决转移部位微环境不相容的问题(Psaila和Lyden，2009年). 根据这个模型，原发性肿瘤会释放系统信号，可能包括赖氨酰氧化酶（LOX）(Erler等人，2009年)–诱导常驻组织成纤维细胞纤维连接蛋白的器官特异性上调。这反过来导致VEGF受体-1阳性（VEGFR1）的动员+)造血祖细胞通过沉积的纤维连接蛋白与其同源受体整合素α4β1之间的归巢相互作用从骨髓转移到这些未来的转移部位。然后，这些造血祖细胞通过分泌MMP-9来改变这些位点的局部微环境。MMP-9在未来转移部位的激活被认为会刺激各种整合素，并释放已被隔离在ECM中的分子，如癌细胞趋化剂基质细胞衍生因子-1（SDF-1）(Psaila和Lyden，2009年). 重要的是，所有这些事件都被认为发生在癌细胞到达转移位点之前。因此，这些易感变化将远处的微环境转化为更适宜的场所，以供未来扩散的肿瘤细胞定居。
重要的是，支持性转移前生态位的形成可能是转移倾向和组织嗜性的一个重要决定因素，因为通过将形成生态位的造血细胞重新路由到不同器官，可以简单地改变肺癌细胞传播产生的器官特异性转移谱(Psaila和Lyden，2009年). 我们注意到，转移前生态位概念的某些分子细节受到了质疑(Dawson等人，2009年). 然而，更普遍地说，很明显，肿瘤细胞会部署复杂的机制来改变外来微环境，以便在这些异位位置最初存活下来并形成小的微转移。
同时，播散的癌细胞必须利用细胞自主程序来适应外来组织的要求。这种机制的一个例子涉及激活Src酪氨酸激酶信号。Src活性的耗尽会削弱乳腺癌细胞在骨中的生存能力，而不会影响其对该组织的初始归巢。这些效应归因于Src依赖性调节这些癌细胞对基质衍生SDF-1和TNF-相关凋亡诱导配体（TRAIL）的反应性。更有趣的是，同样的Src信号未能增强乳腺癌细胞在肺部的生存能力，再次强调了侵袭-转移级联反应后几个步骤的组织特异性(Zhang等人，2009年).
7.转移殖民
如果播散的癌细胞在与外来组织的微环境的最初接触中存活下来并成功地持续存在，它们仍然不能保证增殖并形成大的宏观转移，即转移定植过程。相反，似乎绝大多数播散的肿瘤细胞要么在数周或数月内缓慢磨损，要么以微克隆的形式持续存在，处于明显的长期休眠状态，在没有细胞总数净增加或减少的情况下保持生存能力(钱伯斯等人，2002年).
事实上，这些隐匿的微转移可能以两种方式之一持续存在。播散的肿瘤细胞可能基本上处于静止状态，由于与周围的外来微环境不相容，它们在转移部位的增殖受到极大损害(钱伯斯等人，2002年). 在乳腺癌细胞中，这种静止状态被归因于不能参与远处组织中的黏着斑激酶（FAK）、整合素β1和Src通路(Barkan等人，2008年;Shibue和Weinberg，2009年;Barkan等人，2010年). 此外，播散的肿瘤细胞摆脱休眠和开始活跃增殖的能力可能取决于将外来微环境转化为更适宜的生态位所需的细胞非自主机制。例如，其他诱导的播散性肿瘤细胞的生长可能取决于骨髓源性细胞的激活和动员进入循环，以及这些细胞随后向转移部位的募集；在某些情况下，这些过程可能受到癌细胞释放的系统信号的刺激，如骨桥蛋白（OPN）或SDF-1(McAllister等人，2008年;Hiratsuka等人，2011年a).
或者，隐匿性微转移中的癌细胞可能会持续增殖；然而，由于高凋亡率的抵消作用，它们的总数可能不会出现净增加。这种高磨损率背后的机制尚不清楚，但已提出一种解释，即播散的肿瘤细胞未能触发新生血管生成(钱伯斯等人，2002年). 与这一观点一致，前列腺癌细胞分泌的前体皂苷（Psap）可能通过诱导基质细胞中抗血管生成因子血小板反应蛋白-1的表达来抑制转移定植(Kang等人，2009年). 相反，Angpt2通过促进浸润的髓样细胞支持转移性结节的血管化，促进乳腺癌和胰腺癌的转移定植(Mazzieri等人，2011年).
当播散性肿瘤细胞试图在转移部位重新激活其生长机制时，它们经常会遇到重大障碍，这并不是一个新概念。120多年前，斯蒂芬·佩吉（Stephen Paget）阐述了他关于转移性生长的“种子与土壤”假说。根据尸检记录，佩吉特观察到特定类型的癌症优先转移到一个或多个特定的远端器官部位，这使他推测，虽然肿瘤细胞在恶性进展过程中广泛扩散，但可检测到的转移仅发生在肿瘤细胞（“种子”）所在的部位（“土壤”）适合生存和增殖(菲德勒，2003). 换言之，血管系统的解剖布局不足以解释临床观察到的显性转移形成模式；相反，这些转移生长模式也必须反映肿瘤细胞对特定外来微环境的适应性。
与种子与土壤假说相一致，许多实验室的证据表明，特定的器官微环境实际上在本质上或多或少有利于某些类型的播散性肿瘤细胞的增殖和存活。例如，黑色素瘤细胞很容易转移到肺组织的皮下移植物上，但无法转移到相同位置的肾组织皮下移植物（血管化程度相对较高），从而重现了黑色素瘤形成肺转移的已知倾向(哈特和菲德勒，1980年).
最近，一些基因的表达促进了乳腺癌细胞向任一骨骼的转移定植(Kang等人，2003年)，肺(Minn等人，2005年)，大脑(Bos等人，2009年)，或肝脏(Tabarisès等人，2011年)已确定。由于这些基因能够补偿和克服播散性癌细胞的固有生长程序与周围特定外来组织微环境的要求之间的不相容性，因此似乎决定了器官特异性转移倾向。
破骨细胞因子IL-11就是一个引人注目的例子，它促进乳腺癌细胞形成溶骨性骨转移。IL-11通过核因子κB受体激活剂（RANK）介导的干扰成骨细胞和破骨细胞之间正常生理信号的机制发挥作用(Kang等人，2003年). 类似地，在乳腺癌细胞中，Notch配体Jagged1通过涉及成骨细胞分泌IL-6的机制增强破骨细胞活性，从而促进溶骨性骨转移的形成(Sethi等人，2011年). 通过促进破骨细胞功能，IL-11和Jagged1可以促进骨溶解和释放通常被隔离在骨基质中的丰富生长因子沉积。相反，预计IL-11与Jagged2对落在肺或脑中的乳腺癌细胞几乎没有益处，因为破骨细胞不起作用。更一般地说，不同的组织微环境对转移定植有显著不同的组织特异性要求，这一观点通过被确定为骨、肺、脑或肝中乳腺癌细胞转移定植候选介质的基因之间的最小重叠得到了说明(Kang等人，2003年;Minn等人，2005年;Bos等人，2009年;Tabarisès等人，2011年).
这些发现对我们理解侵袭-转移级联的最后一步的分子机制具有重要意义，因为它们意味着控制转移定植的不同适应性程序可能有几十个，每个程序都由以下两个因素决定：（1）扩散的原代肿瘤细胞的组织来源和（2）发生转移定植的器官部位的身份。举例来说，不同的说法是，众所周知，（1）定植于骨的乳腺癌细胞与定植于同一骨组织的前列腺癌细胞利用不同的分子程序，以及（2）定植于肺部的乳腺癌细胞与定植于骨骼、大脑或肝脏的相同乳腺癌细胞利用不同的遗传和/或表观遗传程序().
转移定植的器官部位和原发肿瘤类型特异性转移定植所需的不同分子程序的数量非常高，这是因为考虑到了正在定植的远处器官部位和最初产生转移的原发肿瘤的组织来源。（A） 单个原发性肿瘤部署不同的遗传和/或表观遗传程序，以便在不同的转移部位定植。因此，原发性乳腺肿瘤（用红色表示）利用独特的信号转导途径转移到骨、脑、肝或肺。（B） 源于两种不同组织的癌可能会部署不同的分子程序，以便在同一转移器官部位定植。例如，原发性乳腺肿瘤（上红色病变）启动产生溶骨性骨转移的信号通路，而原发性前列腺肿瘤（下红色病变）产生由无关分子程序驱动的成骨细胞骨转移。IL-11：白细胞介素-11；SPARC：富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白；ST6GALNAC5:ST6（α-N-乙酰基-神经氨酰-2,3-β-半乳糖基-1,3）-乙酰基半乳糖胺α-2,6-半乳糖转移酶-5。
转移定植的成功也可能受到创始细胞的另一个属性的影响：它们必须具有高度的自我更新能力才能产生大规模的恶性生长。有人提出，只有肿瘤内存在的肿瘤细胞亚群，即所谓的“肿瘤起始细胞”（TICs），才具有如此广泛的自我更新能力。的确，涉及多种肿瘤类型的异种移植物系列移植研究支持了这一模型，尽管这些发现对所有类型人类恶性肿瘤的适用性仍存在争议(Shackleton等人，2009年;《聪明人》，2011年). 与转移定植特别相关的是，TIC假说认为，一个或多个自我更新的TIC必须在疾病进展过程中传播，以便发生宏观转移；相反，播散性非TIC的自我更新能力有限，可能会阻止它们产生宏观转移。
促进进入TIC状态的一类分子是促进EMT的TF，如蜗牛、扭曲和ZEB1。如上所述，这些TF最初是在癌症的背景下表征的，因为它们具有增强局部侵袭的能力。然而，随后还发现，EMT诱导的TF可赋予癌细胞自我更新的特性(Thiery等人，2009年). 值得注意的是，促进侵袭性和自我更新的分子途径之间的这种意外融合，因为这些TF似乎同时促进癌细胞的物理扩散，并且在扩散后促进这些细胞在远处器官部位的增殖。同样，一些参与调节EMT的miRNAs也对TIC-state起控制作用，包括miR-200家族的miRNAs(Shimono等人，2009年).
除了EMT调节电路的组成部分外，作为细胞分化抑制因子TF家族成员的TF（即ID1和ID3）和同源盒TF Nkx2-1似乎分别调节乳腺癌和肺癌的转移定植，因为它们能够调节TIC状态(Gupta等人，2007年b;Winslow等人，2011年). 另外有趣的是，管腔细胞分化促进因子GATA-3通过似乎影响TIC生物学的途径抑制乳腺癌转移(Kouros-Mehr等人，2008年). 最后，ECM蛋白tenascin C能够通过干扰Notch和Wnt信号转导级联刺激乳腺癌细胞的肺转移定植，这两个通路以前与TIC表型有关(Oskarsson等人，2011年).
通过同时解决微环境不相容性和激活自我更新途径，少数播散性癌细胞可能成功完成转移定植过程，从而产生肉眼可见的临床可检测转移。生长旺盛的宏观转移瘤的形成代表了侵袭-转移级联的终点。在许多方面，只有那些已经完成转移定植的病灶才应被称为“转移灶”，因为这些是唯一克服了通常阻碍转移形成的一系列障碍的恶性肿瘤。
值得注意的是，许多人发现转移功能的调节因子具有多效性，以协调侵袭-转移级联的多个步骤。其中一个例子是miRNA miR-31，它通过同时影响侵袭-转移级联的至少三个不同步骤来抑制乳腺癌转移：局部侵袭、一个或多个早期灌注后事件和转移定植(Valastyan等人，2009年). 这种多效性为在一个典型的人类寿命过程中完成这一系列复杂事件的高频率提供了理论依据。
因此，通过遗传和/或表观遗传改变的积累，以及非肿瘤基质细胞的协同作用，癌细胞能够完成复杂的、多步骤的细胞生物学过程，最终在远处器官部位形成宏观的、威胁生命的生长。
转移是一个效率很低的过程
正如从前面的讨论中可以逻辑推断的那样，入侵-代谢级联是非常低效的。例如，在绝大多数癌症患者的血液中可以检测到大量CTC，包括那些很少（如果有的话）出现明显转移的患者(Nagrath等人，2007年). 事实上，一些人估计，进入体循环的肿瘤细胞中，<0.01%最终发展为肉眼可见的转移(钱伯斯等人，2002年)，这可能表示估计过高。
15名卵巢癌患者通过安装腹膜静脉分流术进行腹膜腹水姑息性治疗，生动地证明了这一点。除了缓解不适外，这种将腹水直接排出到静脉循环中的治疗方法还不断将数百万癌细胞释放到系统循环中。然而，这些患者即使在几年后也基本上没有发现转移(Tarin等人，1984年). 综上所述，这些观察结果表明，侵袭-代谢级联反应的一个或多个后续步骤，即循环中的存活、远处的阻滞、外渗、在外来微环境中的初始存活和/或转移定植，仅在极少数情况下成功完成。
事实上，实验模型中的详细工作进一步定义了转移的特定步骤，即速率限制。更具体地说，在各种类型的癌细胞中，循环中的存活、远处的阻滞和外渗都非常有效（例如，80%以上的静脉移植细胞成功外渗）。相反，一旦肿瘤细胞退出微血管进入异物组织的实质，就会观察到高磨损率（例如，<3%的静脉移植细胞存活下来形成微转移）。重要的是，尽管有很大一部分成功外渗的肿瘤细胞最初未能在远处组织部位存活，从而产生微转移，随后的转移定植过程更加低效，可能是几个数量级（例如，<0.02%的静脉移植细胞产生宏观转移）() (Luzzi等人，1998年). 总的来说，这些发现与结论一致，即转移定植通常代表侵袭-转移级联的主要速率降低步骤。
侵袭-转移级联的效率低下：转移定植通常是限速的入侵-迁移级联的某些步骤仅以非常低的效率成功完成。实验模型的研究表明，转移定植过程通常代表了侵袭-转移级联的速率衰减步骤，损耗率通常超过最初在外来微环境中存活形成微转移的细胞的99%。红色x标记表示静脉植入的肿瘤细胞在通过侵袭-转移级联的指定步骤后死亡的近似累积分数。
与这一概念一致，在最初诊断时骨髓中有数百到数千个微转移的1438名乳腺癌患者中，只有50%在10年内发生临床可检测的转移(Braun等人，2005年). 对转移定植经常代表侵袭-转移级联的速率限制步骤这一观点的进一步支持来自描述远处复发和疾病复发动力学的临床观察。在许多人类肿瘤类型中，例如乳腺癌，可检测到的转移通常发生在患者原发肿瘤明显完全切除数年甚至数十年后(Aguirre-Ghiso，2007年). 因为在手术切除原发肿瘤之前，转移细胞必须已经从原发肿瘤扩散开来，这意味着这些细胞在解剖上距离较远的器官部位多年来一直处于隐匿而存活的状态。对这些临床观察最简约的解释是，尽管早期转移前体细胞能够在远处传播并保持生存能力，但由于转移定植效率低下，可检测到的转移的出现大大延迟。表面上看，在这段漫长的潜伏期内，少数播散性癌细胞经历了逐渐的遗传和/或表观遗传进化，以获得转移定植所需的适应性特征。
重要的是，某些人类肿瘤类型（尤其是肺腺癌和胰腺腺癌）在明显转移形成之前，并没有显示出特征性的年或十年长的潜伏期。相反，这些肿瘤在远处器官浸润后迅速进展为肉眼可见的转移(Nguyen等人，2009年). 这些临床观察结果表明，肺腺癌和胰腺癌细胞离开其主要生长部位，已经具备相当好的条件来产生宏观转移，这可能至少部分归因于这些肿瘤来源的正常上皮细胞的分化程序。然而，由于肺腺癌和胰腺腺癌转移的各个步骤的相对效率在很大程度上尚未探索，因此这些发现未能提供关于这些特定肿瘤类型中侵袭-转移级联的特定速率限制步骤的见解。
尽管侵袭-转移级联的某些步骤伴随着高消耗率，但显性转移最终确实会在许多癌症患者中出现，在这些患者中，它们几乎总是代表最终疾病的来源(古普塔和马萨古埃，2006年). 这些要点引起了人们对以下问题的关注：作为显性转移前体的细胞的起源，以及推动这些细胞向转移能力进化的遗传和/或表观遗传事件发生的时间和解剖位置。
在肿瘤进展过程中，显性转移的前体细胞是如何、何时、何地产生的？
肿瘤细胞群体通过类似达尔文选择的过程进化的观点已被广泛接受。简单地说，该模型假设遗传变异通过随机突变事件不断引入群体，而那些碰巧获得具有增殖和/或生存优势的等位基因的细胞克隆通过净化选择过程变得过多。此后，这些新的、基因改变的种群成为后续几轮突变和克隆选择的底物。近年来，达尔文模型被扩展到包括通过表观遗传机制获得的可遗传细胞特征(古普塔和马萨古埃，2006年).
然而，达尔文模型必须以某种方式适应前面讨论中得出的结论，这些结论表明：（1）癌细胞在原发部位和转移部位生长的分子和细胞生物学要求可能非常不同；（2）转移定植通常而且可能始终是侵袭-转移级联的速率限制步骤。这些考虑提出了一个问题，即根据达尔文选择模型，具有使其能够在特定远处器官部位形成转移的特性的细胞克隆是如何在原发性肿瘤中产生的。
在某些情况下，答案可能有点微不足道：某些分子变化可以赋予后天获得的能力，促进原发部位和转移部位的增殖和/或生存。以这种方式参与肿瘤发病机制的活性改变的基因被称为“转移起始基因”或“转移进展基因”(Nguyen等人，2009年). 在多效性调节因子的情况下，负责赋予这些促生长属性的生化功能在原发性肿瘤和外来微环境之间可能不同；然而，在原发性肿瘤发展的背景下，选择高活性的因子可能无意中有利于远处器官的生长。
更令人困惑的是，表达“转移毒力基因”的细胞是如何在特定的外来微环境中表达的，即不能影响原发性肿瘤发展并赋予增殖和/或生存优势的遗传因子(Nguyen等人，2009年)–在恶性进展过程中可能以明显的频率出现。因为这些基因活性的改变，从定义上来说，并不影响原发性肿瘤的发展，所以在原发性癌症的发展过程中，不能选择表达这些因子的癌细胞。然而，鉴于转移性疾病通常涉及转移毒力基因的异常活性，很明显，在恶性进展的某些阶段，携带这些分子改变的细胞确实以相当高的频率出现。其中一些基因的表达可能反映了某些原发性肿瘤来源的原代细胞分化程序的持续影响().
转移毒力基因中分子变化获得的解释模型最近提出了一些模型来解释肿瘤细胞群如何进化以获得转移毒力基因的分子改变。（A） 某些原发性肿瘤来源的原发性细胞的正常分化程序可能已经决定了各种转移毒力基因的活性改变（用灰色表示）。因此，在随后的致癌转化和全身播散后，这些细胞可能能够完成转移定植过程。（B） 只有部分转移竞争力的细胞（即获得了一系列突变的肿瘤细胞，这些突变赋予了系统传播的能力，但最初无法定植外来微环境）可能会到达远处器官，然后在这些外来微环境中进行进一步的遗传和/或表观遗传进化，以实现完全的转移能力。这种分子进化可能包括转移毒力基因的改变。（C） 纯粹是偶然的，转移毒力基因的突变可能会在肿瘤细胞克隆中随机累积为“乘客突变”，这些肿瘤细胞克隆具有无关的“驱动突变”，从而助长这些细胞在原发性肿瘤中的克隆扩张。（D） 肿瘤自身接种的现象表明，已经转移的细胞能够重新浸润它们起源的原发性肿瘤。因此，转移瘤中存在的癌细胞（如星号所示，通过上述任何一种模型获得转移毒力基因的分子改变）可能越来越多地出现在其原发肿瘤中（再滤过细胞用蓝色表示）。（E） 平行进展模型认为，准正常上皮细胞（用橙色表示）很早就从癌前病变扩散开来。随后，这些细胞在未来的转移形成部位进行分子进化。值得注意的是，这些位点代表了转移毒力基因突变现在具有选择性优势的位置。癌细胞用红色表示。
此外，原发性肿瘤中可能出现仅具有部分转移能力的细胞（即，经历了分子变化的肿瘤细胞，使其能够传播到远处，但仍需要额外的分子变化才能成功定植这些器官）。一旦传播到远处器官，这些细胞可能会在这些外来组织微环境中经历额外的遗传和/或表观遗传进化，在这些微环境中，获得转移毒力基因的改变确实具有选择性优势().
另一种解释转移毒力基因获得的模型涉及在原发性肿瘤进化过程中这些基因的分子变化的随机累积。例如，转移毒力基因的突变可能在高度可变的肿瘤细胞群中作为“乘客突变”获得，这些肿瘤细胞群具有不相关的“驱动突变”(斯特拉顿，2011年)后者用于驱动这些细胞在原发性肿瘤中的克隆扩张。因此，纯粹是偶然，原发性肿瘤中的细胞亚群可能会无意中获得转移毒性基因的突变，从而具有较高的转移倾向().
第四种解释是由“肿瘤自种”现象引起的。这种机制是根据对乳腺癌和结肠癌异种移植模型的观察而制定的，在异种移植瘤模型中，转移瘤中的癌细胞能够重新过滤其原发肿瘤(Kim等人，2009年). 如果原发性肿瘤成功地在远处器官中产生转移，并且已经转移的细胞能够重新植入它们产生的原发性肿瘤，那么这些原发性肿瘤将有可能逐渐获得它们之前产生的转移的分子特征。这将包括转移毒力基因的变化，这些基因可能是在播散细胞在远处器官部位进化时选择的，或者是通过随机机制积累的().
虽然人们普遍认为大多数恶性进展发生在原发性肿瘤中，但最近的一项建议却提出了截然不同的观点——这种基因进化可能主要发生在远离原发性癌症的部位，导致获得既具有致瘤性又具有转移毒性的基因。根据这种想法，在肿瘤进展过程中，准正常细胞可能在相对早期的肿瘤前病变中扩散。独立于相应原发肿瘤中发生的分子进化，这些准正常细胞随后会经历多轮遗传多样性，然后在最终发生明显转移的远处器官部位进行克隆选择，具体来说，转移毒力基因突变现在可以选择性有利的微环境() (Klein，2009年). 根据对人类乳腺癌患者和实验性乳腺肿瘤模型的几项独立观察，最近提出了这种所谓的“平行进展模型”（与上述传统的癌转移“线性进展模型”相反）：（1）即使是早期的癌前病变，尚未完全形成肿瘤的细胞也会以系统性的方式进行常规播散(Nagrath等人，2007年;Hüsemann等人，2008年)（2）存在于体循环中的未转化上皮细胞可以在血管系统内存活，在远处器官部位停滞，渗出，并在外来微环境中存活较长时间(Podsypanina等人，2008年)（3）早期传播的癌前细胞在远处器官部位至少具有一定的细胞增殖能力(Hüsemann等人，2008年;Podsypanina等人，2008年)（4）患者匹配的原发性肿瘤和转移瘤可能具有明显不同的分子改变光谱(Schmidt-Kittler等人，2003年). 因此，在肿瘤进展过程中相对早期扩散的大部分正常乳腺上皮细胞可能代表显性转移的前体细胞，因为它们在最终转移形成的部位逐渐进化。
重要的是，通过对乳腺癌患者原发肿瘤的微阵列分析，可以确定预测转移复发倾向的表达特征，这一观察结果并没有推翻平行进展模型(van t Veer等人，2002年;Ramaswamy等人，2003年;Paik等人，2004年). 这是因为这些“转移特征”实际上可以代表“传播特征”，促进非肿瘤细胞逃逸到遥远的器官部位，在那里它们将作为达尔文选择的更多轮的底物。
相反，平行进展模型必须解决的主要概念性问题是，这些弥散的准正常乳腺细胞实际上如何在远处器官部位进化。遗传和表观遗传进化似乎都需要反复的细胞分裂，以产生遗传和表型多样性，从而产生适应度增加的新细胞群体。然而，这些播散的准正常细胞面临着其增殖的主要障碍，因为即使是完全肿瘤性的癌细胞，在播散部位积极增殖的可能性也极低，准正常细胞的增殖进一步受到限制，因为这些细胞缺乏许多突变基因，而这些突变基因是驱动原发肿瘤部位细胞增殖活跃所必需的。
此外，虽然一些研究记录了患者匹配的原发性乳腺肿瘤和转移性乳腺癌之间广泛的分子差异(Schmidt-Kittler等人，2003年)，许多其他研究人员已经发现转移瘤和相应的原发性乳腺肿瘤非常相似(Ramaswamy等人，2003年;Weigelt等人，2003年;丁等人，2010;Navin等人，2011年). 此外，20例患者匹配的原发性胰腺肿瘤和转移瘤的全基因组测序表明，转移瘤中的大多数基因组改变也存在于相应的原发肿瘤中(Campbell等人，2010年;Yachida等人，2010年). 通过对10例患者匹配的原发性结直肠癌和转移癌中289个候选外显子进行测序，得出了类似的结论(Jones等人，2008年). 最后，对患者匹配的原发性前列腺肿瘤和转移瘤的基因组分析表明，转移瘤具有其最初来源的原发肿瘤的拷贝数特征(Liu等人，2009年). 这些分子分析表明，胰腺癌、结直肠癌和前列腺癌显性转移的前体细胞不太可能在早期扩散到进行自身不同遗传进化的部位。
本质上，虽然现在看来很明显，准正常乳腺细胞可以在肿瘤进展过程中早期进入体循环，但将这些早期传播的细胞作为明显转移的前兆的直接证据仍然很少。尽管如此，如果最终被证明是正确的，平行进展模型将需要范式转换，并将对旨在治疗转移性疾病的有效治疗药物的设计产生重大影响。
针对转移性疾病的新兴临床机会
至关重要的是，从基础实验室研究中获得的见解是否对临床转移性疾病的诊断和治疗有用。如前所述，由于肿瘤转移约占癌症相关患者死亡率的90%，因此真正有信息价值的预后生物标记物和新的治疗靶点是非常需要的领域。
预后生物标志物
过去十年进行的研究成功地确定了一些生物标志物，这些标志物在原发性乳腺肿瘤中的水平与患者的转移复发倾向有关。其中一些生物标记物已经过广泛的独立验证，并已进入临床应用，例如MammaPrint和Oncotype DX分析(van t Veer等人，2002年;Paik等人，2004年). 这些分析使用多基因表达特征来估计疾病进展和复发的可能性，然后利用这些信息指导辅助治疗方案。有趣的是，虽然构成这两个预后特征的特定基因几乎完全不重叠，但将这两种分析应用于单个肿瘤样本时，在80%以上的病例中产生了一致的预测(Fan等人，2006年). 这些发现表明，这两个特征识别了一组共同的生物输出。同时，这两组基因之间的最小重叠降低了这些分析中包含的特定基因代表转移进展的功能关键介质的可能性。
重要的是，这些检测主要用于预测原发性乳腺肿瘤某些亚类患者的预后，并且无法识别患有其他亚类疾病的高危个体(Desmedt等人，2008年). 因此，需要完善预后特征，以进一步提高其预测转移性复发的能力。随着时间的推移，对这种改善的需求变得越来越迫切：现在很明显，大多数被诊断为乳腺癌的女性都患有某种形式的疾病，这种疾病极不可能产生危及生命的转移；尽管如此，这些女性受到的治疗与那些肿瘤预后确实糟糕的女性一样积极，导致这些女性大量不必要地暴露在抗癌治疗的毒性中。
改善预后的一个可能途径是发现miRNAs在多种正常和病理过程中发挥关键的机制作用。这表明它们在产生有用的转移倾向生物标记物方面的潜在用途。事实上，包括miR-10b、miR-21、miR-31、miR-126、miR-335和miR-373在内的几种单个miRNA的水平与癌症患者的转移结果相关(瓦拉斯蒂安和温伯格，2009年). 事实上，miRNA表达特征已被证明比相应的mRNA图谱更有用，可以根据原发性肿瘤的组织来分层(Lu等人，2005年)和预测转移结果的多基因miRNA表达特征现已合成(Yu等人，2008年). 此外，其他类别的非编码RNA–包括大型干预非编码RNA（lincRNAs），如HOTAIR(Gupta等人，2010年)–也被提议作为人类乳腺肿瘤转移倾向的假定生物标记物。miRNA或lincRNA表达阵列在肿瘤临床预后中的应用尚未出现。
最近，检测CTC的仪器的发展为开发有用的预测参数提供了另一个前景。患有多种癌症类型中任何一种的患者的CTC总数提供了疾病结果的预后指标(Pantel等人，2008年). 此外，服用新佐剂或辅助治疗剂后CTC水平的变化可以提供一种微创手段，通过这种手段可以快速评估患者对这些药物治疗的反应(Cristofanilli等人，2004年). 然而，值得注意的是，CTC数字的预测意义可能并不普遍适用(Pantel等人，2008年)，未来的工作是有必要确定CTC量化的标准，在该标准下，CTC的量化提供了有关患者预后的额外信息，而不是当前使用的诊断模式所产生的信息。此外，目前许多测量CTC数的设备都依赖肿瘤细胞对上皮细胞表面分子的表达；因此，这些分析表面上无法检测CTC的亚群，例如，经历EMT并因此脱落上皮标记物的CTC。然而，CTC检测平台，以及直接检测血流中自由循环核酸中肿瘤特异性分子的变化（Schwarzenbach等人，2011年），可能成为诊断和指导转移性疾病治疗的重要临床工具。
治疗药物
抗转移治疗药物设计中的一个关键考虑因素是，癌症患者在肿瘤诊所首次就诊时，其血液、骨髓和远处器官部位通常已经有大量播散的肿瘤细胞(Braun等人，2005年;Nagrath等人，2007年;Pantel等人，2008年). 因此，真正有效的抗转移治疗必须能够损害已经扩散的癌细胞的增殖和生存，而不仅仅是试图阻止这些细胞从原发性肿瘤中逃逸(). 然而，不幸的是，许多靶向药物（如MMP抑制剂、Axl激酶抑制剂R428、miR-10b拮抗剂和筋膜抑制素抑制剂Migrastatin）的原理与这些临床观察不符，因为这些化合物被认为主要通过损害最初的传播事件发挥作用(Kessenbrock等人，2010年;Holland等人，2010年;Ma等人，2010年;Chen等人，2010年).
用于治疗转移性疾病的合理设计的治疗剂由于转移是90%以上癌症相关死亡率的罪魁祸首，因此迫切需要真正有效的抗转移治疗。（A） 各种合理设计的抗转移化合物在临床前预防性环境中触发可测量的反应，即在原发性肿瘤或转移形成之前开始治疗。（B） 然而，不幸的是，许多在预防性临床前模型中显示有效性的药物在临床前干预环境中无法削弱转移，在临床前介入环境中，只有在形成小微转移后才开始治疗（用蓝色表示）。由于癌症患者在最初出现疾病时通常已经有大量的播散性肿瘤细胞，因此无法改变已经形成的转移行为的化合物的最终翻译效用可能非常有限。相比之下，达沙替尼、醋酸甲羟孕酮（MPA）、miR-31模拟物、二膦酸盐、denosumab、SD-208和LY2157299在干预试验中抑制已播散肿瘤细胞的转移生长（用灰色表示）。（C） 最后，能够引起已经确定的宏观转移的消退的药物可能具有最大的临床效用。在临床前干预环境中表现出这种疗效的化合物非常罕见，尽管已经报道了几个例子，即miR-31模拟物、二膦酸盐、denosumab、SD-208和LY2157299。相比之下，许多其他化合物无法改变已经确定的宏观转移的行为（用蓝色表示），包括在小微转移的显性转移定植之前表现出对其有效的药物。癌细胞以红色表示。橙色方框中显示了治疗剂，其作用机制被认为主要涉及非肿瘤性基质细胞的靶向。MMP：基质金属蛋白酶；MPA：醋酸甲羟孕酮。
如果抗转移药物不会对已经确定的转移瘤的行为产生额外影响，那么它们的最终临床效用可能仅限于长期预防性设置；由于几乎所有药物都有不可避免的副作用，因此不太可能在临床上使用这种药物。因此，在涉及MMP抑制剂的临床试验中观察到的有限益处以及严重的副作用并不令人鼓舞(Kessenbrock等人，2010年). 此外，临床前研究表明，R428、miR-10b拮抗剂和Migrastatin不能影响已经扩散的肿瘤细胞的命运(Holland等人，2010年;Ma等人，2010年;Oskarsson等人，2010年). 然而，由于临床前模型系统通常不能充分再现潜在的转移性疾病或重新激活的转移性阵雨，因此完全忽视这些和类似化合物作为潜在的治疗药物治疗临床播散性疾病可能为时过早。此外，更好、更特异的MMP抑制剂仍有可能表现出更强的疗效和更低的毒性。
重要的是，现有的旨在摧毁原发性肿瘤的治疗方法（包括一般细胞毒药物和合理设计的靶向化合物）通常对相应的转移病灶表现出有限的活性(Steeg，2006年). 这种疗效的缺乏可能反映了与药物输送相关的物理限制，这是由转移性结节的血管化不良或靶器官的解剖位置（例如，血脑屏障，可以保护脑转移瘤免受通过血循环输送的治疗药物的影响）决定的(Carmeliet和Jain，2011年). 事实上，某些转移部位可能提供化学保护作用(Gilbert和Hemann，2010年).
另外，隐匿的、缓慢生长的微转移可能能够抵抗细胞毒药物的作用，这些药物主要针对处于活跃生长和分裂周期的细胞(Aguirre-Gisho，2007年). 此外，原发性肿瘤及其衍生转移可能在分子上彼此不同，因此针对原发性癌症基因型的某些治疗策略对其相应的转移无效(Klein，2009年). 也有可能是转移瘤内的肿瘤细胞比相应原发肿瘤内的细胞本质上更具耐药性；播散细胞内发生的其他分子变化——可能包括获得TIC样特性——被认为是这种高抗性的一个可能来源(Thiery等人，2009年). 总之，上述观察解释了为什么真正有效的抗转移治疗尚未进入临床实践。
总的来说，这些发现进一步加强了开发能够影响已有转移瘤增殖和生存的新型药物的重要性。作为这种化合物的一个例子，Src抑制剂达沙替尼抑制异种移植模型中乳腺癌细胞的骨转移形成，这是通过在骨髓明显定植之前损害已经提取的肿瘤细胞的存活来实现的(Zhang等人，2009年). 此外，在已经扩散的乳腺癌细胞中，转移定植抑制剂非转移细胞蛋白23（NM23）的转录激活——通过给予NM23转录激活剂醋酸甲羟孕酮（MPA）实现–降低了荷瘤小鼠转移灶的总数和相对大小（Palmieri等人，2005年）。这些临床前研究主要评估了扰动Src或NM23功能对已经供料的微转移的影响。这种实验环境可以作为癌症患者在初次肿瘤切除后经常遇到的最低残留疾病状态的合理模型，但不能解决治疗已经强劲增长的宏观转移的更严重的临床问题。
最终，最大的转化治疗效用将来自积极触发已建立的宏观转移灶消退的药物。例如，临床前研究评估了miRNA miR-31的急性表达对乳腺癌细胞已经形成的转移的影响，miRNA miR31是一种多效性抑制局部侵袭、早期静脉注射后事件和转移定植的药物。miR-31在已经播散的肿瘤细胞中的急性表达不仅阻止了已建立的微转移的生长，而且还导致了已经稳定生长的宏观转移的消退。这些效应似乎是通过转移特异性抑制Akt介导的信号转导和诱导促凋亡分子Bim来实现的(Valastyan等人，2011年). 因此，这些观察结果开始表明，miR-31模拟物可能具有未来真正有用的抗转移剂的特性。
上述治疗策略主要针对“种子”（即肿瘤细胞本身）；然而，有效的抗转移反应也可以通过传递化合物来实现，这些化合物可以改变转移部位存在的外来组织微环境的“土壤”。例如，二膦酸盐以及抗RANK抗体denosumab和各种TGFβ抑制剂（如SD-208和LY2157299）被提议作为乳腺癌和肺癌患者骨转移的抑制剂。这些化合物可防止破骨细胞介导的骨降解，而骨降解是骨转移定植的发病机制之一。值得注意的是，在实验模型中，二膦酸盐和denosumab会改变已经扩散的肿瘤细胞的增殖和存活。此外，临床试验的早期结果表明，双膦酸盐可以降低高危个体的骨转移风险，并提高患者的总生存率(Weilbaecher等人，2011年). 这些成功的靶向转移癌细胞在试图定植骨骼时所需的非肿瘤基质细胞的研究为设计类似的策略提供了强大的动力，这些策略针对参与其他器官部位转移定植的基质细胞类型。
其中一种长期以来被认为是抗转移治疗可行靶点的基质细胞是为生长中的转移性结节提供血管的内皮细胞。然而，VEGF靶向抗血管生成化合物反常增加小鼠模型的转移倾向的挑衅性观察为这些药物的转移可能产生意料之外的影响提供了警示(埃博斯等人，2009年;Páez-Ribes等人，2009年). 然而，其他临床前研究未能证明VEGF靶向药物治疗后转移增加(Padera等人，2008年). 重要的是，对4205例接受抗血管内皮生长因子复合物贝伐单抗治疗的乳腺癌、结直肠癌、肾癌或胰腺癌患者进行回顾性分析，并没有发现贝伐单单抗治疗与疾病进展增加或死亡率增加相关(Miles等人，2011年). 鉴于这些相互矛盾的数据，进一步研究抗血管生成化合物对转移行为的影响似乎是值得的。
综上所述，上述讨论表明，虽然近年来已确定了许多临床上有用的转移倾向预测生物标记物，但有效的抗转移治疗药物的发现却滞后了。尽管如此，人们越来越认识到抗转移治疗必须针对已经确立的转移，以及早先提到的有关控制转移定植的各种机制的令人印象深刻的最新进展，这都使人们有理由乐观地向前迈进。然而，重要的是，鉴于其潜在的转移特异性效应，这些假定的转移定植靶向治疗药物的未来临床开发几乎肯定需要对传统临床试验基准和研究终点进行重大的重新评估。
