简介
人类癌症的多样性超过了200种不同的疾病实体，反映了正常组织细胞的差异，获得性体细胞突变，可变的转录网络，以及局部组织微环境的影响。人们试图将这种复杂性提炼成一套统一的组织原则，称为癌症特征(哈纳汉和温伯格，2000年,2011). 尽管在癌症的研究、诊断和治疗方面取得了重大进展，但绝大多数晚期转移性疾病患者都面临着一种绝症，除了极少数例外，这种绝症是目前治疗方案无法治愈的。换言之，绝大多数癌症相关死亡（约90%）是由转移性疾病而非原发性肿瘤引起的。
癌细胞从原发性肿瘤扩散并随后在远处组织中植入新的肿瘤集落涉及一个称为侵袭-转移级联的多步骤过程(菲德勒，2003;Gupta和Massague，2006年;塔尔马奇和菲德勒，2010年). 这一系列事件包括原发肿瘤细胞局部侵入周围组织；将这些细胞注射到循环系统中，并在血液运输过程中存活；阻止并通过血管壁渗出到远处组织的薄壁组织；在薄壁组织中形成微转移集落；随后显微镜下的菌落增殖为明显的、临床上可检测到的转移病灶，这最后一个过程被称为定植。
与揭示了导致原发性肿瘤形成的详细发病机制的大量研究结果相比，转移性疾病的生物学基础尚不清楚。此外，很少有原则能够统一我们对不同类型的转移瘤如何产生以及每种转移瘤与相应原发肿瘤的行为之间的相似或不同的理解。尽管如此，在过去15年中，在阐明转移计划的各个方面取得了重大进展，特别是对于癌症，癌症总计约占癌症病例的80%，因此占癌症死亡的大多数。
在此，我们总结了一些重要进展，这些进展揭示了癌细胞扩散和转移生长的一些机制。从这一日益庞大和复杂的工作中，我们认为转移级联的某些方面已经开始出现一些关键的生物学原理，而对于级联的其他步骤，统一的概念框架仍然难以捉摸。
癌细胞的传播
传播过程包含了侵袭-转移级联的初始步骤，使恶性肿瘤细胞获得特征，使其具备离开原发部位并转移到远处组织的能力(). 与本综述中的几乎所有讨论一样，我们在深入研究癌症的背景下描述了这些过程。实现这些步骤的一个中心重要过程是被称为上皮-间充质转化（EMT）的细胞生物学程序，EMT是一种发育程序，通常在胚胎发生和成人上皮组织愈合过程中使用，并被癌细胞劫持，赋予他们多种恶性特征，这些特征与上皮细胞特性的丧失以及取而代之的某些间充质特征有关(蒂里，2002).
癌细胞的播散（A） 癌细胞播散通过两种机制发生——通过EMT（灰色箭头）的单细胞播散或肿瘤簇的集体播散（黑色箭头）。最近的证据表明，肿瘤簇的先导细胞也经历了与EMT相关的某些表型变化。
（B） 上皮状态可以被描述为默认的居住状态；当细胞经历EMT时，它们进入一系列的表观遗传状态，这里描述为自由能井，每个状态都向间充质状态移动，代表更高的能量状态。
（C） 然而，状态之间的屏障，这里再次描述为自由能阱，可能相对较低，导致它们之间的大量自发相互转化，这表现为表型可塑性。
上皮-间充质转化
EMT项目赋予上皮细胞，包括正常和肿瘤细胞，对侵袭和转移传播至关重要的特性，特别是增加运动性、侵袭性和降解细胞外基质（ECM）成分的能力(Kalluri和Weinberg，2009年;Nieto等人，2016年;蒂里，2002). 事实上，EMT实际上是一组细胞生物学程序，它们有共同的特征，但在某些关键细节上有所不同，这取决于组织部位、恶性程度和单个肿瘤细胞所经历的背景信号。这些复杂的程序是由一系列主要的EMT-诱导转录因子（EMT-TF）精心安排和协调的，尤其是蜗牛、Slug、Twist和Zeb1，这些因子已经过了详细的实验研究(De Craene和Berx，2013年;Lamouille等人，2014年). 然而，也描述了其他能够诱导EMT程序成分的TF（例如，Zeb2、Foxc2、Prrx1等），但它们在癌症发病机制中的作用还没有很好的记录。尽管传统的肿瘤发生模型认为转移是多步骤肿瘤进展过程中的晚期事件，但一些研究表明，EMT相关特征的获得和扩散过程实际上可以相对早期发生，即使在某些癌前病变中也很明显(Husemann等人，2008年;Rhim等人，2012年).
另外一个相关的事实是，已经发现几种类型的癌细胞在EMT程序诱导后获得肿瘤启动能力。这些包括乳房(Mani等人，2008年;Morel等人，2008年)，结肠直肠(Brabletz等人，2005年;Fan等人，2012年;Pang等人，2010年)，卵巢(Long等人，2015年)，胰腺(Rasheed等人，2010年)，前列腺(Kong等人，2010年)和肾脏(周等，2016)以及其他类型的癌症。肿瘤诱导能力通常被描述为癌症干细胞（CSC）的定义特征，通常通过在适当的小鼠宿主中植入肿瘤细胞群体来衡量。这些测试表明，CSC几乎总是以相对较小的肿瘤细胞亚群的形式存在于缺乏肿瘤引发能力的较大肿瘤细胞群体中的单个肿瘤中。传播性癌细胞在CSC状态下的驻留似乎对通过侵袭-转移级联进行进展至关重要，因为传播性肿瘤细胞必须被赋予启动肿瘤的能力，才能成为新转移集落的创建者。此外，研究发现，在EMT项目的推动下，获得更多的间充质性状可以提高癌细胞对各种细胞毒治疗（包括放射治疗和化学治疗）的抵抗力(Gupta等人，2009年;Kurrey等人，2009年)，提供了一种常见现象的解释，即CSC往往比非CSC患者更具抗药性(Singh和Settleman，2010年).
虽然EMT程序可能被描述为像二元开关一样运行，其中癌细胞要么位于上皮状态，要么位于间充质状态，但事实更为复杂，因为在癌细胞中激活的EMT程序通常会驱动某些间充质性状的获得，同时允许保留一些上皮性状，从而使癌细胞具有混合的上皮/间充质表型().
EMT程序似乎几乎总是由癌细胞从附近肿瘤相关基质接收到的异型信号触发。因此，在肿瘤进展过程中，由多种成纤维细胞、肌纤维细胞、内皮细胞、髓细胞和淋巴细胞组成的基质越来越呈现出基质的外观，这种基质通常是在各种损伤上皮组织的愈合过程中形成的。这种“反应性”基质释放各种信号，包括TGF-βs、Wnts和某些白细胞介素，这些信号会影响附近的癌细胞，诱导后者激活以前沉默的EMT程序。这种激活通常是可逆的，事实上，已经激活EMT程序的癌细胞可以通过间充质-上皮转化（MET）恢复到其祖先在EMT程序诱导之前所处的表型状态。
虽然EMT程序似乎对大多数和可能所有癌症类型的侵袭和传播至关重要（见下文），但迄今为止，还没有制定规则来预测其各种成分在不同组织环境中的表达。尚未解决的基本问题包括：（i）聚集在癌细胞上的异型信号的性质，并协同激活这些细胞中以前沉默的EMT程序；（ii）这些程序在癌症进展的不同阶段被激活的程度；（iii）原生质正常细胞的分化程序对EMT程序各组成部分的表达的影响程度；（iv）上述各种EMT TF在编排各种类型的EMT节目中相互合作的各自作用；（v） 原发性肿瘤形成期间持续的体细胞突变对EMT程序激活和表达的影响；和（vi）细胞内和细胞外信号通路在维持已激活EMT程序表达中的作用。
集体移民的入侵
虽然EMT被广泛认为是癌细胞传播的一种重要方式，但其在原发性肿瘤行为中的确切作用仍未得到解决。例如，原发性肿瘤细胞的侵袭通常涉及大量有凝聚力的细胞群向邻近组织的集体迁移，而不是单个癌细胞的扩散(Friedl等人，2012年). 这些队列的组织似乎与通过EMT的细胞的行为相冲突，这些细胞失去了内聚性的细胞间相互作用，尤其是由粘附连接介导的细胞。因此，这些队列引发了一个问题，即EMT程序是否真的如上文所述，对最终的癌细胞播散起着核心作用，或者仅仅代表了能够发生播散的几种替代性细胞生物学程序中的一种。
浸润性癌边界常见的涉及细胞群的集体迁移，最好记录在乳腺癌和肺癌的病例中(Friedl等人，2012年); 类似的侵袭性队列无疑也参与了其他类型癌细胞的侵袭(Chung等人，2016年;Veracini等人，2015年). 位于这些侵袭性细胞方阵内的细胞继续表达关键的上皮标记物，如E-cadherin，这有助于维持这些队列中单个上皮细胞之间的凝聚力。此外，某些乳腺癌转移集落的多克隆性增加了它们起源于遗传异质性播散细胞簇而非克隆性单个播散细胞的可能性(Cheung等人，2016年). 这就提出了一个问题，即集体迁移是否代表了EMT的替代方案，以及这两个细胞生物学项目是否本质上是相互排斥的。
事实上，侵袭性队列的详细组织病理学分析往往表明EMT确实参与了集体迁移(Ye等人，2015年). 因此，这些队列本身就具有内部复杂性，前缘的入侵细胞为大量的追随者铺平了道路，他们通过细胞-细胞连接仍然依附于这些追随者(Cheung等人，2013年). 在某些情况下，仔细检查发现，在集体迁移过程中，入侵前沿的主导细胞表现出某些间充质特征(Revenu和Gilmour，2009年;Westcott等人，2015年;Ye等人，2015年). 这些入侵的领导者可能会释放各种蛋白酶，降解细胞外基质，否则会阻碍整个队列的向前发展。此外，这些领导细胞还可能具有与EMT相关的运动能力，以使队列整体向前运动。因此，侵袭边缘的细胞可以一起为构成侵袭性细胞指骨主体的追随者铺平道路。
该模型的一个关键实验测试尚未解决：如果完全阻止EMT程序的激活，是否会发生集体入侵？然而，其他研究报告称，癌相关成纤维细胞，而不是经历EMT的癌细胞，是癌浸润边缘的先导细胞(Gaggioli等人，2007年). 因此，需要更多的实验证据来更准确地阐明发生在癌浸润边缘的事件以及涉及的正常和肿瘤细胞类型的性质。
循环肿瘤细胞
单个浸润性癌细胞和原发性肿瘤引起的浸润性队列，迟早会侵入邻近正常组织的血管系统或肿瘤内部聚集的新生血管系统。由此产生的血管内注射为循环肿瘤细胞（CTC）提供了一条途径，使其能够前往遥远的地方，在那里可能会产生新的转移性集落(Kang和Pantel，2013年). 这些游走者可能会以单个细胞或多细胞团的形式移动，并在循环中持续存在，直到遇到远处组织的小孔微血管（管腔直径通常小至~8微米）。由此产生的物理陷阱似乎可以确保绝大多数经静脉注射的CTC在首次进入血管系统后仅在一般循环中停留数秒或数分钟。虽然绝大多数的CTC可能会被迅速清除，但一些人最近报告说，即使是成群的CTC也能够通过毛细血管操纵，因为这样的话，单个细胞链仍然通过粘附作用保持在一起(Au等人，2016年). 实验性地将CTC簇引入静脉循环中，比单个癌细胞移植转移集落的效率更高(Aceto等人，2014年)表面上，这是因为它们可以抵御各种类型的攻击，例如自然杀伤细胞（NK）在循环中发动的攻击；此外，这些簇可能在物理上位于血管腔中具有优势，并且在外渗后增殖方面具有某些鲜为人知的优势，这可能有助于提高它们的转移效率。
尽管如此，近年来，由于从癌症患者血液中分离单细胞CTC的技术进步，人们对其进行了广泛的研究(Aceto等人，2015年). 这些调查隐含着这样一个概念，即这些细胞是原发性肿瘤和最终形成转移性集落之间的中介。然而，根据以上讨论的考虑因素，尚不清楚哪种类型的CTC（单细胞与簇）实际上负责大部分转移形成。事实上，单个CTC成功建立转移性菌落的可能性微乎其微(Baccelli等人，2013年). 与这些考虑因素无关的是，原发性肿瘤释放的单细胞和簇状CTC通常以一定的比例产生，在这种情况下，单个CTC可能作为细胞簇的替代标记物，而这些细胞簇可能确实对绝大多数转移集落的形成负责。
另外一个相关的事实是，无论是单个细胞还是成簇的CTC，往往表现出上皮和间充质特征的组合，从而加强了EMT程序在灌注和癌细胞扩散过程中的作用(Yu等人，2013年). 此外，在对单个患者的纵向研究中，发现间充质CTC的比例随着获得性抗药性和疾病进展而逐渐增加。这里的一个担忧来自这样一个事实，即依赖CTC显示细胞表面上皮标记物的CTC富集方法可能会错过捕获大量CTC，CTC中与临床相关的部分负责播散远处转移，但由于EMT程序的广泛进展，其大部分上皮细胞表面标记物脱落。
所有这些限制条件都不会减损CTC技术的某些已经证明的用途。单细胞CTC可能确实对某些类型的诊断有用,因为CTC在常见的癌症中反复出现，包括乳腺癌、前列腺癌、肺癌和结肠癌(Aceto等人，2015年). 特别是，通过“液体活检”对CTC浓度进行纵向监测可以提供关于患者肿瘤对各种治疗反应的非常有用的信息。另一个明显有用的应用是测量原发肿瘤切除后患者的CTC，以确定残留的隐匿转移沉积物是否持续存在并继续将癌细胞排空至循环中。
此外，隔离，体外活CTC的扩增和分析可用于分析原发性肿瘤细胞的基因突变和药物敏感性(Yu等人，2014年). 这可以预测患者对各种治疗的反应，特别是当正在治疗的病变不容易进行活检时，例如大脑中的病变。事实上，一份已经发表的报告表明，从前列腺癌患者中分离出的CTC可能是最终获得性耐药的先兆，例如那些携带分子变化的CTC，可以导致雄激素受体拮抗剂耐药(宫本茂等人，2015年). 理想的情况是，在临床上可检测到的转移瘤出现之前，早期检测CTC并确定其特征，可用于在危及生命的转移瘤爆发之前启动或切换治疗。然而，目前这似乎是不切实际的，因为即使是生长活跃、侵袭性肿瘤也会向循环中释放相对较少数量的可检测CTC。
转运中的相互作用：血管内癌细胞的命运
事实上，成功侵入原发性肿瘤周围基质环境的癌细胞可以注入血管或淋巴管。癌细胞向引流淋巴结的扩散是一个重要的临床参数，与疾病的组织病理学分期有关，因此与特定的预后相关(de Boer等人，2010年). 而癌细胞可能通过淋巴管生成过程促进淋巴管的生长(Karaman和Detmar，2014年)–与疾病进展相关的过程(Skobe等人，2001年)-缺乏证据表明，引流淋巴结是暂时的分期区域，使大量癌细胞在进入血流之前暂停，然后再进入体内的远处。因此，这些微小的转移性沉积物可能代表癌细胞的死胡同，并主要作为替代标记物发挥作用，以揭示从原发肿瘤向全身循环平行、伴随传播的程度。因此，下面的讨论重点是癌细胞的血行运输，因为这可能是转移癌细胞在进入和定植远处组织之前的主要途径。
静脉注射的癌细胞安全通过远处的解剖部位几乎无法保证。虽然癌细胞通过血流的传输时间可能只有几分钟，但CTC在到达远处组织的实质的过程中会遇到多种障碍。这里最重要的是与循环中的生命相关的物理挑战，包括失去对基底的附着、水动力流动和剪切应力(Headley等人，2016年). 此外，循环中的癌细胞很容易受到免疫攻击，尤其是NK细胞，这些细胞以其为靶点进行快速清除。然而，循环中的癌细胞与循环中的其他细胞类型之间的某些相互作用实际上可以促进癌细胞在远处的通过和外渗，尤其是那些涉及血小板、中性粒细胞、单核细胞/巨噬细胞和内皮细胞的细胞().
运输中的相互作用从原发肿瘤逃逸出来的癌细胞可以作为单个循环肿瘤细胞（CTC）或多细胞CTC簇进入循环。血流对CTC来说是一个不利的环境，使其受到自然杀伤细胞（NK）的快速清除，或者由于在循环过程中遇到的物理压力而破碎。癌细胞通过血小板的作用获得物理和免疫保护，血小板在静脉注射后很快覆盖CTC。中性粒细胞也可以保护NK细胞免受攻击，同时也有助于CTC的物理滞留和外渗。活化的血小板和癌细胞一旦滞留在毛细血管中，就会分泌许多生物活性因子，这些因子可以作用于单核细胞、内皮细胞和癌细胞本身。这些相互作用的共同作用促进了癌细胞的跨内皮细胞迁移（TEM），这可以通过靶组织中的转移相关巨噬细胞（MAM）来辅助。代替TEM，阻滞的癌细胞也可能在腔内增殖（未显示）或诱导内皮细胞坏死。
与血小板的相互作用
一旦进入循环，CTC就会迅速与血小板结合，这种相互作用是由癌细胞表面显示的组织因子触发的(Labele和Hynes，2012年). 根据CTC进入循环的速率，这可能导致凝血的正常稳态控制失衡，从而导致癌症患者出现某些凝血症状，特别是微血栓、弥散性血管内凝血，甚至大的肺栓塞(盖伊和费尔丁-哈伯曼，2011年).
同时，血小板促进肿瘤转移。事实上，血小板对转移过程的贡献自20世纪60年代以来就得到了重视，当时的研究表明实验性诱导血小板减少症可以发挥抗转移作用(Gasic等人，1968年)多年来，血小板计数高与不同类型癌症的临床预后不良有关(盖伊和费尔丁-哈伯曼，2011年). 血小板含有过多的生物活性分子，这些分子可能会影响癌症的进展，近年来的研究揭示了血小板改变癌细胞在运输过程中命运的一些机制(Franco等人，2015年;盖伊和费尔丁-哈伯曼，2011年).
与此相关的是血小板可以保护CTC不被免疫系统的细胞臂清除。更具体地说，粘附的血小板可以阻止NK细胞识别和溶解肿瘤细胞(Kopp等人，2009年;Nieswandt等人，1999年;Palumbo等人，2005年). 这种作用可以由血小板衍生的可溶性因子介导,包括抑制NK细胞活性的TGF-β和PDGF(Labele和Hynes，2012年)很可能，通过在CTC周围形成保护性斗篷和在癌细胞上沉积纤维蛋白原，物理屏蔽癌细胞与NK细胞(Palumbo等人，2007年;Palumbo等人，2005年). 这种对NK细胞介导的攻击的特异性保护可能是血小板赋予血管内癌细胞的最重要的益处，因为在缺乏NK细胞的小鼠中，血小板的促转移作用不再明显(Palumbo等人，2005年).
除了保护循环肿瘤细胞免受外界损伤外，血小板还可以改变癌细胞内的细胞内信号通路，最终影响癌细胞建立转移性生长的能力。值得注意的是，脱颗粒血小板分泌的TGF-β可以与激活癌细胞NF-κB通路的接触依赖信号协同作用，从而诱导或维持CTC中EMT程序的表达(Labelle等人，2011年). 血小板和癌细胞之间的这种直接信号传导可能会取代基质衍生信号的缺失，而基质衍生信号先前在原发性肿瘤的情况下导致EMT的诱导。在缺乏这种异型相互作用的情况下，CTC可能通过MET恢复到原发肿瘤中其祖先的上皮状态，从而失去侵袭性特征和肿瘤启动能力，而这似乎是随后成功外渗和建立转移集落的关键。
一旦被癌细胞激活，血小板也可以向附近的内皮细胞发出信号。肿瘤细胞从活化的血小板中诱导ATP分泌，通过作用于内皮细胞表达的P2Y2受体，使血管系统更加通透性(舒马赫等人，2013年). 此外，血小板和内皮细胞之间的物理相互作用，例如由选择素介导的相互作用，被认为对血小板癌细胞簇与血管壁的粘附很重要(科勒等人，2010年). 然而，目前尚不清楚这种粘附相互作用是否对肿瘤细胞最终进入各种组织的实质至关重要。
与中性粒细胞的相互作用
中性粒细胞可以以不同的、动态变化的表型状态存在，这些表型状态可以由原发肿瘤和其他宿主细胞形成(Coffelt等人，2016年;Fridlender等人，2009年;Sagiv等人，2015年). 我们在这里关注的是它们在循环中的作用，证据开始阐明它们在转移级联的这个阶段中的作用。在某些情况下，中性粒细胞被发现可以抑制转移。例如，原发性肿瘤可以通过CCL2分泌培养中性粒细胞，从而产生肿瘤携带的中性粒细胞（TEN）(Granot等人，2011年). 这些细胞似乎在转移进展之前就在荷瘤小鼠的循环和肺部积聚，并被发现可以防止癌细胞植入肺部。G-CSF治疗动员的中性粒细胞缺乏这种能力(Granot等人，2011年)强调了中性粒细胞可以被激发以适应不同的功能状态这一事实。
然而，在很大程度上，中性粒细胞的分子和细胞生理学似乎表明，它们的主要作用是有利于转移种子。例如，中性粒细胞胞外陷阱（NET）是由释放的DNA分子形成的，其目的是在对感染作出反应时缠住病原体，但也可以由中性粒细胞部署以捕获循环中的肿瘤细胞(Cools-Lartigue等人，2013年). 这种缠结的CTC可能更容易在腔内存活，粘附在内皮细胞上，并渗出。中性粒细胞可以直接与血管中的肿瘤细胞相互作用，延长静脉注射后肿瘤细胞在肺部的滞留时间(Huh等人，2010年). 以类似的方式，中性粒细胞可以促进肝窦内的粘附性相互作用，从而充当CTC在渗出前停靠的物理平台(Spicer等人，2012年). 此外，中性粒细胞主要通过分泌各种基质金属蛋白酶（MMPs）促进肿瘤细胞在停搏后的外渗(Spiegel等人，2016年).
中性粒细胞也被证明具有免疫抑制功能。中性粒细胞通常通过原发性肿瘤的系统信号激活，可以抑制细胞毒性CD8+T细胞反应(Coffelt等人，2015年)NK细胞对癌细胞的腔内清除(Spiegel等人，2016年). 这种对先天性和适应性免疫系统武器攻击的保护，为运输中的肿瘤细胞提供了明显的优势。最后，中性粒细胞介导的一些作用可能是对先前提到的血小板和肿瘤细胞聚集的反应。因此，血小板衍生的趋化因子的释放可以招募中性粒细胞，如本文所述，中性粒细胞可以促进癌细胞在循环中的播散和转移生长(Labelle等人，2014年).
外渗
上述许多血管内相互作用影响CTC的渗出能力，从而进入远处组织的薄壁组织。外渗需要癌细胞通过一个称为跨内皮细胞迁移（TEM）的过程穿过内皮细胞壁(Reymond等人，2013年). 早些时候，我们引用了活化血小板释放ATP的能力，使毛细血管壁更具渗透性；更详细地说，这是通过使内皮细胞相互收缩来实现的。此外，在原发性肿瘤中以TGF-β启动的乳腺癌细胞能够产生血管生成素样4（angiopoietin-like 4，ANGPTL4），从而增强肺血管的通透性，促进癌细胞的TEM，并导致转移性生长能力增加(Padua等人，2008年). 据报道，癌细胞产生的其他几种蛋白质也能破坏血管完整性，包括VEGF、MMPs和ADAM12；这些分泌的分子似乎增强了血管内和血管外渗(Gupta等人，2007年;Reymond等人，2013年)这表明，在原发性肿瘤侵袭早期具有优势的某些性状在侵袭-转移级联的后期也可能被证明是有用的。
单核细胞的募集也被证明在肿瘤细胞外渗中起着功能性作用。特别是CCR2的招募+炎症性单核细胞对癌细胞或宿主细胞分泌CCL2的反应可促进肺实质的外渗和随后的转移生长(Qian等人，2011年;Wolf等人，2012年). 这些炎性单核细胞可能会分化为转移相关的巨噬细胞，这些巨噬细胞同样可以促进癌细胞在肺部的播散，但在血管外的位置也会如此(Qian等人，2009年;钱等人，2011年). CCL2还可以直接作用于内皮细胞，增强血管通透性(Wolf等人，2012年). 虽然抑制CCL2-CCR2轴似乎是一种理想的抗转移治疗，但阻断抗CCL2治疗实际上会导致肿瘤和肺部的单核细胞浸润增强，并相应加速疾病进展(Bonapace等人，2014年)强调了针对这种微环境相互作用的动态和不可预测性。
由于各种原因，大多数转移的实验模型都将肺作为播散性肿瘤细胞的目的地。然而，成功外渗的要求以及促进这一过程的相关相互作用在不同的组织部位可能有很大的不同。例如，骨髓和肝脏的开窗窦更有可能允许CTC被动进入，从而避免了上述许多复杂的相互作用和机制。就大脑而言，癌细胞的扩散似乎需要通过血脑屏障，这实际上可能需要组织特异性渗出程序的作用，这与体内其他部位的转移播散程序截然不同。事实上，被选择优先转移到大脑的乳腺癌细胞高水平表达许多已知有助于通过血脑屏障的基因(Bos等人，2009年;Sevenich等人，2014年).
在某些情况下，可能根本不需要TEM迁移，因为发现滞留的癌细胞在血管腔内增殖，导致管腔内大的肿瘤集落生长，最终在内皮细胞壁附近破裂，从而可以直接进入组织实质(Al-Mehdi等人，2000年). 最后，最近描述了一种新的机制，即肿瘤细胞可以通过诱导内皮细胞程序性坏死（坏死）而渗出并产生肺转移(Strilic等人，2016年).
变质殖民
显性转移集落的生长是肿瘤恶性进展的最后阶段，也是最致命的阶段。然而，绝大多数循环中的癌细胞似乎还没有做好在遥远器官环境中生长的准备；一些实验证据估计静脉注射肿瘤细胞后的转移效率低至0.01%(钱伯斯等人，2002年). 即使是成功渗出的癌细胞，似乎也注定要从组织薄壁组织中清除或进入休眠状态(Luzzi等人，1998年)在这种状态下，它们以单个播散性肿瘤细胞（DTC）或微小微转移簇的形式持续处于惰性状态，有时持续数周、数月甚至数年。
由于远离原发肿瘤，DTC发现自己处于一个新的组织微环境中，没有熟悉的基质细胞、生长因子和ECM成分，而这些成分以前在原发部位维持了其前身的生命。因此，它们无法继续增殖，从而进入长时间生长停滞状态，这通常是由于这些细胞在外渗后首次到达时，对微环境的适应较差。当以这种方式描述时，转移休眠反映了DTC无法适应和定植给定组织。重要的是，外来组织薄壁组织中最近到达的细胞遇到的某些抗增殖信号也会主动施加休眠状态。我们首先考虑在休眠DTC中运行的程序，然后转向那些支持定植的程序。
休眠程序
转移的潜在的、临床上不明显的阶段很可能是除了这里提到的那些使癌细胞无法增殖的因素之外的其他因素的结果，例如不能诱导血管生成或免疫系统的主动抑制(Aguirre-Ghiso，2007年). 这两种特殊机制被认为允许低水平的增殖，而这种增殖被持续的消除所抵消，导致微转移簇的大小没有净增加。
从临床角度来看，成功治疗原发性肿瘤但潜在潜伏转移细胞的患者被认为患有无症状的微小残留病（MRD）(). 对于某些癌症，如乳腺癌、前列腺癌和肾癌，这种休眠期可能会持续多年，甚至在初步治疗表面上取得成功后的几十年。虽然很难正式证明转移性集落是由先前存在的休眠DTC直接形成的，但DTC在骨髓中的存在显然与最终临床复发的风险增加相关(Braun等人，2005年). 这揭示了为什么了解休眠的生物学基础具有极其重要的临床意义，如果仅仅是因为休眠期代表了一个关键的时间窗口，在此期间针对DTC的治疗干预措施，无论是针对其消除还是抑制其扩散，都可能成功地预防威胁生命的转移性疾病的最终爆发。
休眠程序和壁龛（A） 在手术切除原发肿瘤之前已经扩散的癌细胞可能作为休眠的扩散肿瘤细胞（DTC）存在于遥远的组织环境中。携带这种隐匿癌细胞库的患者被认为具有最小的残留疾病，并且最终转移复发的风险增加。虽然DTC最常在骨骼中检测，但其他器官转移的延迟生长表明它们也可能潜伏DTC。
（B） 隐匿型DTC依赖于维持其生存的独特生化信号通路，并强加静止程序。来自微环境的信号，如CXCL12，可以激活SRC和AKT，以促进DTC存活。整合素介导的有丝分裂信号减少，再加上某些休眠诱导细胞因子的作用，在DTC中产生与ERK相关的静止程序低的/第38页高的信号状态。
（C） DTC可能存在于休眠的生态位中，如造血干细胞生态位（未显示）或此处所示的血管周围生态位。血栓反应蛋白-1（TSP1）存在于成熟血管周围的基底膜中，促进休眠。休眠细胞可以通过抑制NK活化配体来逃避NK细胞的检测，并可能受到适应性免疫系统的监视，而适应性免疫系统可能通过IFNγ的作用使癌细胞保持休眠状态。
休眠程序()可以从对新组织微环境中遇到的信号的积极响应或从癌细胞在原发肿瘤中的起源位置之前依赖的上下文线索的缺失开始(Giancotti，2013年;Sosa等人，2014年). 例如，对微环境中存在的生存信号作出响应的DTC可以避免破坏，并在组织实质内持续较长时间。在一个研究充分的病例中，存在骨髓中的乳腺癌细胞具有高SRC活性和CXCR4表达，能够激活促生存途径，以响应骨源性CXCL12(Zhang等人，2009年). 能够感知和响应这些生存线索的DTC能够对抗TRAIL诱导的凋亡，这是一种保守的组织防御机制，可以以相反的方向消除DTC。DTC的存活也可能与它们抵抗失巢凋亡的能力有关，例如通过酪氨酸激酶受体TrkB的表达(Douma等人，2004年)或通过WNT2介导的非规范WNT信号(Yu等人，2012年).
即使DTC在新的组织环境中受益于这种生存信号，在缺乏额外的促有丝分裂线索，包括与细胞外基质（ECM）的相互作用的情况下，这些细胞可能会处于休眠状态。因此，当播散性癌细胞不能参与整合素β1以及黏着斑激酶（FAK）的下游激活(Aguirre Ghiso等人，1999年;Barkan等人，2008年;Shibue和Weinberg，2009年). DTC与基质发生有效相互作用的能力，至少在肺的情况下，似乎取决于被整合素β包裹的类纤维蛋白突起（FLP）的形成1(Shibue等人，2012年;Shibue等人，2013年). 无法感知或响应此类粘附信号的DTC无法激活主要由FAK、SRC和ERK信号驱动的增殖程序(Barkan等人，2010年;Shibue等人，2012年). 因此，SRC和ERK通路的联合抑制阻止了DTC从休眠状态中逃逸，从而阻止了它们随后在转移定植中的成功(El Touny等人，2014年).
在某些靶组织的微环境中也发现了一些诱导休眠的信号。例如，TGFβ2以高浓度存在于骨髓中，并通过刺激DTC显示的TGF-β-RI和TGF-β-RII发挥作用，可使头颈部鳞状细胞处于休眠状态(Bragado等人，2013年). 相关BMP配体家族的成员也与转移性休眠有关。BMP7可由骨基质细胞产生，可诱导前列腺癌细胞休眠(小林等，2011年). 在肺部，也表达了一些替代性BMP配体，包括BMP4，这些配体被认为是维持播散性乳腺癌细胞休眠状态的因素(Gao等人，2012年). 许多这些休眠诱导细胞因子导致p38 MAPK通路激活；再加上缺乏促有丝分裂信号，这具有促进ERK的净作用低的/第38页高的DTC中的状态，这反过来导致G中的停止0/G公司1细胞周期的阶段和相关的静止(Sosa等人，2011年).
休眠壁龛
隐匿的DTC可能存在于特定的细分市场()支持其生存，抑制其增殖，很可能对治疗药物产生耐药性(Ghajar，2015年). 这里特别有趣的是，休眠DTC可以协同一个利基，而这个利基原本是为组织-受体干细胞群体保留的。前列腺癌细胞转移到骨骼的案例有力地证明了这一现象，发现这些癌细胞与造血干细胞（HSC）竞争骨内生态位的位置；这通过CXCL12-CXCR4信号轴发生，该轴通常用于HSC的生理调节(Shiozawa等人，2011年). DTC可以专门针对干细胞生态位这一事实表明，它们可能会对HSC微环境中存在的静止和存活信号作出响应。
在包括肺、骨和脑在内的多个器官中，发现DTC存在于血管系统周围的微环境中，该区域被称为血管周围生态位(Ghajar，2015年). 这是否代表了它们在这个生态位中的活跃保留，或者仅仅表明在最初的外渗后无法远离血管系统，目前尚不清楚。另一种机制是发现血管周围生态位中存在的因子已被证明能积极促进休眠。因此，由成熟内皮细胞产生并沉积在微血管基底膜中的血小板反应蛋白-1能够将DTC限制在静止状态(Ghajar等人，2013年). 此外，在一项使用实时成像检查脑转移过程的研究中，罕见的长期休眠的孤立性DTC总是局限于血管周围区域(Kienast等人，2010年)这表明该生态位在维持大脑中休眠DTC方面也起着关键作用。
当单个细胞远离免疫抑制的原发肿瘤微环境时，DTC必须保护自己免受免疫攻击。乳腺癌和肺癌细胞因其在远处器官部位接种后能够持续处于潜伏状态而被选中，通过抑制各种NK细胞激活配体，成功地避开了NK细胞的清除，这一程序似乎与进入静止状态密切相关(Malladi等人，2016年). 事实上，当注射到缺乏NK细胞的小鼠体内时，观察到这些潜伏活性细胞会生长出来，这表明先天免疫系统是休眠生态位的重要组成部分，有效地迫使许多癌细胞进入静止状态。抗原呈递的树突状细胞可以防止转移，这一观察表明了一个完全不同的过程(Headley等人，2016年)这意味着适应性免疫系统在控制转移性沉积物生长方面发挥作用。两个CD4+和CD8+T细胞通过分泌IFNγ参与控制休眠的原发性肿瘤细胞(Koebel等人，2007年;缪勒-赫尔梅林克等人，2008年)有证据表明CD8+T细胞可以将播散性葡萄膜黑色素瘤细胞保持在休眠状态(Eyles等人，2010年). 然而，目前对这种免疫介导的休眠机制在癌源性DTC的背景下知之甚少。
癌症干细胞计划与转移性定殖的启动
如上所述，EMT程序的激活能够将癌细胞物理传播到遥远的解剖部位，也可以赋予这些细胞重要的干细胞特征(Mani等人，2008年;Morel等人，2008年)这似乎与转移性定植高度相关。因此，成功形成转移性集落的一个明显的先决条件是肿瘤起始的性质，这体现在CSCs中。至少在原则上，只有那些居住在CSC州的DTC才有资格成为转移殖民地的创建者。
积累的证据，主要来自动物模型，在很大程度上支持了这一观点。在MMTV-PyMT乳腺肿瘤模型中，一种罕见的CSC人群被证明与肺转移生长的起始有关，因此，这些肿瘤的转移能力依赖于通过增强Wnt信号维持这种干细胞群(Malanchi等人，2012年). 在人类乳腺癌细胞中，关键干细胞通路的激活，如Wnt和Notch信号，对于支持其在异种移植小鼠模型中的定植也很重要(Oskarsson等人，2011年). 肺腺癌小鼠模型显示，转移进展与去分化程序有关，由Nkx2-1表达缺失介导，类似于干样状态下的程序(Li等人，2015年;Winslow等人，2011年). 因此，癌症的转移潜能似乎与它派遣CSC的能力密切相关，CSC可以在到达远处的位置后重新启动肿瘤生长(Oskarsson等人，2014年). 这个概念意味着细胞状态是成功转移的关键决定因素，更具体地说，是与CSC相关的表观遗传状态（见下文）。
正如上面广泛讨论的那样，在传播后立即进行转移性生长的另一种选择是DTC进入惰性状态，在其后代最终爆发为易于检测的宏观转移之前，它们可能会持续较长时间。获得干细胞特性可能有利于这种持久性。因此，在乳腺癌患者骨髓中检测到的DTC表现出CSC的特征(Balic等人，2006年). 与此一致，在远处组织中保持潜伏状态的细胞也显示CSC属性，包括SOX2和SOX9转录因子的表达(Malladi等人，2016年). 此外，单细胞表达分析已应用于从乳腺癌患者衍生异种移植（PDX）模型器官中分离的DTC；由于存在少量表面上处于休眠状态的癌细胞，一些器官存在低负担转移性疾病(Lawson等人，2015年). 这些细胞与晚期转移病灶的癌细胞相比，具有独特的基因表达谱，其特征是EMT、干细胞和存活/休眠基因的表达。最有趣的是，当从这种低负担组织中分离出来的肿瘤细胞被植入新的受体动物体内时，它们保留了其致瘤潜力，并很容易产生分化程度更高的癌(Lawson等人，2015年). 这些研究提供了进一步的证据，支持干细胞样癌细胞往往是转移性集落的创建者这一观点，即使这种集落只是在很大程度上延迟出现。
该方案涉及EMT和stem-细胞程序是成功建立转移集落的关键先决条件，必须与普遍观察到的事实相一致，即癌转移往往会重演相应原发肿瘤的关键组织病理学特征。除其他特征外，这通常包括显著的上皮特征(Brabletz，2012年). 从表面上看，这一概念似乎与EMT通过将间充质细胞和干细胞属性传递给传播细胞的能力在启动癌转移中发挥中心作用的主张不一致。事实上，许多研究解决了这一悖论，其中一些顺便引用，这些研究发现，癌细胞的播散子代在播散后的某个时刻似乎经历了EMT程序的逆转，即它们通过MET。这种上皮状态的恢复应该可以恢复在通过EMT之前的传代中丢失的许多细胞特征(Brabletz，2012年)并能够重建与最初原发肿瘤中存在的细胞组织相似的层级细胞组织。事实上，早期转移生长中许多细胞向上皮状态的逆转实际上可能对转移定植至关重要(Del Pozo Martin等人，2015年;Korpal等人，2011年;Ocana等人，2012年;Tsai等人，2012年). 值得注意的是，目前尚不清楚为什么高度间充质性CSC在缺少由这种MET生成的上皮后代的情况下不能生成强劲生长的转移性集落。
殖民机制
转移定植似乎，至少如目前所知，严重依赖于播散癌细胞的两个先决条件：如前所述，它们必须具有致瘤能力，他们必须以某种方式设计出适应性程序，使他们能够在远处组织的薄壁组织中的微环境中茁壮成长。佩吉特于19世纪末提出的“种子与土壤”假说第个世纪，提出了一个补充的概念，即某些类型的癌细胞在某些外来组织微环境中比其他细胞更容易产生转移(菲德勒，2003). 佩吉特没有说明的是，即使在这样受欢迎的转移部位，DTC也必须经历某种形式的表型适应，才能在这些部位强劲增殖。因此，前列腺癌和乳腺癌的骨转移倾向似乎意味着相应的DTC具有某种预先存在的能力，能够更容易地组装适合该组织的自适应程序，而其他不太受欢迎的组织部位可能需要更精细、更不容易组装的自适应程序。
当然，在某些情况下，转移细胞的器官特异性取向会受到循环系统设计的影响。结直肠癌（CRC）转移到肝脏受到强烈支持，因为引流肠道的门静脉直接流入肝脏(Gupta和Massague，2006年). 因此，即使播散性CRC细胞在本质上对肝脏定植适应性较差，但这些细胞在通过门静脉后滞留在肝脏中的数量之多，可能会自行在该部位产生预定的转移。
重要的是，循环系统的布局只解释了肿瘤学诊所常见的一小部分器官特异性转移。在这方面经常引用的是乳腺癌和前列腺癌细胞的倾向，如上文所述，定植骨髓，通常称为嗜骨性转移。我们将重点介绍以下具体示例，这些示例说明了适应程序的性质，这些程序似乎对成功的转移性生长至关重要。
首先，我们注意到，这些程序中的一些程序可能通过在一些不同的靶器官中赋予生存优势而起作用。例如，研究表明，癌细胞在循环和远处组织的薄壁组织中都经历了较高水平的氧化应激(Piskounova等人，2015年). 因此，代谢适应，包括抗氧化剂的合成，可能会促进不同部位的生存和最终转移生长。替代原发肿瘤中遇到的粘附相互作用，例如在传播CTC簇的情况下的同种细胞-细胞相互作用(Aceto等人，2014年)或单个DTC情况下的FLP-ECM交互(Shibue等人，2012年)，可能能够以独立于特定靶器官的方式激活关键的生存途径，因此有资格成为促进定植的更广泛适应。
这些通用的适应性程序可能只不过是设计更狭义的、针对特定组织的适应性这一具有挑战性的任务的前奏。事实上，已经报道并详细研究了多种调节骨、肺、肝和脑定植的器官特异性转移程序(Nguyen等人，2009年;Oberauf和Massague，2015年;Sethi和Kang，2011年). 例如，在大脑中，癌细胞遇到产生纤溶酶原激活物的反应性星形胶质细胞，导致产生诱导癌细胞死亡的纤溶酶(Valiente等人，2014年). 癌细胞在这种恶劣环境中生存的能力取决于丝氨酸蛋白酶的表达，丝氨酸蛋白酶通常由神经元产生，可防止纤溶酶原激活剂介导的细胞死亡。在肺中，表达VCAM-1的癌细胞能够通过与整合素α的物理结合激活自身的AKT信号4肺微环境中特别丰富的巨噬细胞(Chen等人，2011年). 肝脏中癌细胞的存活与利用细胞外微环境中存在的肌酸和ATP生成和导入磷酸肌酸的能力有关，这可能会使受代谢应激的DTC具有显著的存活优势(Loo等人，2015年). 这些生存机制的多样性清楚地反映了不同靶器官内成功定殖的不同细胞和分子决定因素。
更广泛地说，允许和/或促进不同远处组织微环境中各种类型癌细胞增殖的机制仍不清楚。可以说，迄今为止最为人所知的例子是骨的转移定植，这在乳腺癌形成的溶骨性转移病例中已有记录(Nguyen等人，2009年;Oberauf和Massague，2015年;Weilbaecher等人，2011年). 乳腺癌细胞产生许多分子，包括甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP）、IL-11和基质金属蛋白酶，这些分子有助于RANKL刺激破骨细胞活性，这反过来又从骨基质中释放生长因子，从而反过来促进肿瘤细胞增殖，并分泌更多因子来增强破骨细胞活性。由此产生的自我强化正反馈回路被称为溶骨性转移的“恶性循环”(蒙迪，2002年). 相反，前列腺癌细胞倾向于产生主要是成骨细胞转移，这种转移是诱导成骨细胞分化的结果(Weilbaecher等人，2011年). 据推测，其他靶器官宏观转移的出现同样依赖于癌细胞破坏这些器官内正常细胞类型的能力，但这些异型相互作用的细节仍有待确定。在最近的一个例子中，研究人员发现，定植于大脑的乳腺癌细胞通过癌细胞和星形胶质细胞之间的缝隙连接组装而与星形胶质细胞通信，从而受益匪浅(Chen等人，2016).
当休眠的DTC从惰性状态中唤醒时，转移性集落也可能随之生长。例如，以前休眠的微转移的唤醒可能取决于功能性适应性程序的成功组装，而每代细胞可能很少实现这一点，这解释了转移形成效率极低的原因。因此，我们注意到骨中以某种方式获得VCAM-1表达的休眠微转移可以通过表达整合素α4β1是VCAM-1的受体，可促进骨吸收并启动上述“恶性循环”(Lu等人，2011年). 肺中的癌细胞能够通过产生可可（一种促进定植的BMP信号分泌抑制剂）来逃避休眠(Gao等人，2012年). 这里未说明的是实际获取此类自适应程序的机制。因此，似乎连续，单个微转移沉积物中细胞的低水平增殖（这种现象会持续很长一段时间）对于DTC在高效基因表达程序和适应性行为的试验和错误中蹒跚而行，使其能够在组织微环境中茁壮成长至关重要碰巧降落了。
也可能存在赋予多器官定植潜力的项目。有趣的是，已经描述过的这些程序的少数几个示例集中于DTC和ECM之间的相互作用。例如，选择的癌细胞体内因为它们在随后的异种移植注射中重新激活肿瘤生长的能力，也非常有能力在多个不同器官中建立转移性生长(Ross等人，2015年). 在这种情况下，多器官定植的能力可追溯到基质蛋白层粘连蛋白-a4（LAMA4）的产生，这似乎对DTC的初始增殖至关重要。类似地，胶原受体DDR1与TM4SF1衔接蛋白协作，最近被确定为调节CSC的信号轴，从而使其他形式的癌细胞在多个器官部位生长(Gao等人，2016年). 这些程序的激活可以解释不同器官转移的明显同步出现——转移阵雨——这在患者中偶尔会观察到。
定居的遗传和表观驱动因素
多步骤肿瘤发生的经典描述表明，遗传和/或表观遗传改变的连续积累推动了原发性肿瘤的进展(Fearon和Vogelstein，1990年). 这一概念的逻辑延伸表明，转移性集落的生长取决于另一种体细胞突变或一组突变的获得，这些突变使癌细胞能够在远处器官扩散并随后增殖。然而，在结直肠癌多步骤进展的开创性工作25年后(Fearon和Vogelstein，1990年)，尚未发现与转移性疾病进展相关的基因突变。事实上，即使是大规模的基因组测序工作，也尚未发现能够充分解释转移性生长爆发的复发性基因突变(Garraway和Lander，2013年;Vogelstein等人，2013年). 这表明，转移的发生并不取决于原发性肿瘤形成过程中选择的那些以外的体细胞驱动突变的积累。
特别是，这些发现将注意力集中在促成殖民化的非遗传机制上。根据一种观点，定植可能取决于转移细胞中先前在原发性肿瘤细胞中激活的致癌信号通路的扩增(Vanharanta和Massague，2013年)例如，通过MAP激酶途径增加现有克隆的信号转导(Campbell等人，2010年;Jacob等人，2015年). 转移癌细胞可能还需要回避转移抑制基因的作用，这些基因被提议专门阻断侵袭-转移级联反应的后期阶段(Steeg，2003年). 另一种替代机制可能涉及驱动定植的表观遗传改变，如异常的DNA甲基化模式(Ozturk等人，2016年).
除了单个基因的作用外，最近的数据表明，转移癌细胞的染色质结构经常会发生全局变化。因此，在小细胞肺癌发病机制的小鼠模型中，能够转移的癌细胞在远端调控区显示出明显的开放染色质构型，这些调控区由转录因子Nfib建立并结合；染色质结构的这种改变反过来促进了向前介导性神经元基因表达程序的表达转变(Denny等人，2016年). 这种表观遗传状态的改变可能会缓解DTC对外来微环境的适应。尽管取得了这些进展，但转移样本的获取和分析所涉及的困难导致了有关形成人类转移瘤的肿瘤细胞内发现的遗传和表观遗传景观的信息持续缺乏。
总之，尽管有上述发现，转移定植仍然是恶性进展中最令人困惑的阶段，也是实验建模最具挑战性的阶段。肿瘤细胞从原发肿瘤向远处组织实质的物理传播，至少在许多癌症的情况下，可以通过一个单一的细胞生物学程序——EMT的作用在很大程度上理解。这与入侵-扩散级联的最后一步-殖民化的明显异常复杂性形成了鲜明对比。这种复杂性，通过播散性癌细胞群与它们在远处组织中新发现的家园之间明显的无数异型相互作用而凸显出来，使得人们试图推导出广泛适用的定植机制原理变得复杂。然而，我们认为，目前的证据表明，转移性定植要取得成功，必须满足三个主要先决条件()：（i）培育和维持肿瘤干细胞群体的能力；（ii）设计适应性的、通常是针对特定组织的殖民化计划的能力；以及（iii）支持性微环境生态位的后续发展。
转移殖民的前提条件癌细胞作为致命转移而生长的能力似乎取决于三个基本条件。
（A） 能够播种并维持一批肿瘤干细胞，这些干细胞能够重新激发肿瘤生长，这似乎是转移生长的初始先决条件。隐匿型DTC也表现出关键的癌症干细胞属性，这可能有助于其长期处于静止状态，并最终产生转移性集落。
（B） 尽管癌症干细胞具有重新激活肿瘤生长的潜力，但其向明显转移集落的增殖扩张取决于设计特定组织定植程序的能力，该程序可使这些细胞在外来组织微环境中茁壮成长。文献中描述了一系列器官特异性转移程序，但也有证据表明存在赋予多器官转移潜能的定植程序。
（C） 在转移性生长的许多阶段，癌细胞依赖于与其微环境生态位的相互作用以及与各种基质细胞的相互作用，包括内皮细胞、成纤维细胞以及先天性和适应性免疫系统的细胞。ECM也是生态位的重要组成部分，可以通过支持转移定植的方式进行修改。在某些情况下，转移生态位的形成实际上可能先于癌细胞的到来，即所谓的转移前生态位。本文中讨论的选定利基互动在这里进行了描述。
转移进化动力学
多步骤肿瘤进展的过程和随后转移的播散，至少从表面上看，似乎是一条从原发肿瘤开始到宏观转移集落结束的线性路径。然而，事实上，正如上面所讨论的，每一个干预步骤都会被多个因素所混淆。同样，在过去几十年中，转移性集落形成后发生的过程及其演变机制一直是研究和讨论的主题。肿瘤进展是根据达尔文进化生长模型进行的，这一观点在我们对转移进展的思考中已被广泛接受并产生影响(凯恩斯，1975年;诺威尔，1976年). 最近的基因组研究经常揭示了各种癌症类型的原发性肿瘤和转移之间的密切遗传关系，这意味着至少在某些情况下，形成转移集落的细胞来源于原发肿瘤内的一个显性克隆亚群，该亚群成功完成了原发肿瘤形成和随后的多步骤侵袭-转移级联所需的所有步骤(Naxerova和Jain，2015年). 这一描述再次暗示了这样一个概念，即完成侵袭-代谢级联所需的基因改变已经存在于传播肿瘤细胞的基因组中，并且该级联的完成仅取决于非基因改变，特别是对先前获得的基因突变进行补充的表观遗传学组织程序。
这种方案无法回答的是使肿瘤细胞特别适合在原发性肿瘤中生长的遗传和表观遗传学改变的性质，以及这种改变如何影响原发性肿瘤细胞的扩散倾向。因此，可能是在原发性肿瘤形成的背景下选择性有利的表型变化（遗传和表观遗传起源）也可能通过偶然事件使原发性癌细胞更容易扩散。如果是这样的话，由此产生的转移可能是原发性肿瘤进展的附带副产物。或者，在原发性肿瘤形成过程中选择的许多性状可能与转移形成的成功无关。
这种逻辑迫使我们考虑原发性肿瘤中有利于转移扩散过程的遗传和非遗传因素。迄今为止，对这些因素的关注很少。作为一个具体的机制示例：表观遗传程序和体细胞突变的什么组合使原发癌细胞对EMT诱导的异型信号特别敏感，从而使其进入高度恶性状态？在重要的非遗传因素中，可能包括正常原生质细胞的性质及其遗传给肿瘤后代的分化程序。目前，我们所掌握的关于原代细胞中存在的分化程序以适合细胞的方式传递给肿瘤细胞克隆创建者的远传后代的保真度的信息相对较少。这些程序可以很好地代表转移扩散的主要决定因素，并可以解释为什么某些人类癌症亚型以可预测的频率向转移集落形成的特定部位传播。(Gupta等人，2005年;Ince等人，2007年;Lim等人，2009年;Molyneux等人，2010年;Proia等人，2011年). 所有这些问题都没有得到回答，这是另一个非常有趣的问题：转移能力是在多步骤原发性肿瘤进化过程中选择的一个特征吗？还是仅仅是原发性癌症发展的一个未选择的附带结果？。
肿瘤进展和转移的动力学
传统上，转移的发生被认为是多步骤肿瘤进展中相对较晚的事件。然而，最近的报告表明，在肿瘤转化过程的早期，甚至在离体细胞完全转化之前，常常会发生播散(Husemann等人，2008年;Podsypanina等人，2008年;Rhim等人，2012年). 至少在某些情况下，这被归因于位于炎症微环境中的癌前细胞的存在，这些炎症微环境能够通过异型信号激活EMT程序，导致侵袭性表型的表达(Rhim等人，2012年). 这种想法中包含的概念是，EMT在完全正常的上皮细胞和肿瘤上皮细胞中都起作用，这表明EMT也可能在定义原发性肿瘤多步骤进展的所有中间细胞状态中起作用。
此外，在某些小鼠乳腺癌模型中，转移形成的动力学符合这样的观点，即扩散和转移是肿瘤进展的早期事件(Weng等人，2012年). 然而，其他研究表明，远处转移的实际形成是一个晚期事件，发生在最初的肿瘤转化后多年或几十年(Yachida等人，2010年). 虽然物理传播本身可能是一个早期事件，但它可能与导致大转移灶生成的级联反应的其余步骤没有什么关系。换言之，尚不清楚早期播散的癌细胞是否能够在遥远的解剖部位进化为高度恶性状态并产生转移集落，这种情况代表了转移形成的“平行进展”模式。
实际上，已经提出了两种转移性播散的一般模型：平行进展模型和线性进展模型。根据后者，能够产生转移的克隆出现在肿瘤发生的后期，在实际产生转移的原发肿瘤中的细胞与转移本身中的细胞之间存在少量遗传差异(Turajlic和Swanton，2016年). 然而，考虑到原发性肿瘤中可能出现的克隆多样性（Gerlinger等人，2012），以及原发性癌症中可能存在大小迥异的不同克隆亚群这一事实，在现实生活中，这种遗传差异可能很难衡量。考虑到原发肿瘤中的一个小亚群可能是转移的来源(哈夫纳等人，2013年)，人们怎么能确定，对原发性肿瘤细胞的基因组进行采样，就能检测和测量负责转移及其体细胞突变的少数群体的基因组？
在评估转移的线性进展时，另一个混淆因素是原发肿瘤和转移肿瘤的切除和取样之间的时间差异。事实上，大多数研究都对同步切除的原发性和继发性（转移性）组织进行了比较，而其他研究则对相应原发性肿瘤切除后17年内采集的转移性组织进行了对比；两者都发现了这两种组织的遗传相似性(Campbell等人，2010年;丁等人，2010;哈夫纳等人，2013年;Liu等人，2009年). 这些研究支持线性进展模型，而不是平行进展模型，该模型假设转移是肿瘤发生过程中的早期事件，在此之后，原发肿瘤和播散的集落在远离彼此的位置独立进化(Klein，2009年).
就并行进展模型而言，它本身也有其复杂性。它假设从原发肿瘤早期扩散的细胞能够充分增殖，以获得额外的突变，使其完全转化，从而能够形成显著的肿瘤肿块。考虑到转移定植是一个非常低效的过程，并且考虑到基本适应程序的复杂性，扩散的癌前细胞在到达远处组织微环境后实际上不太可能持续增殖；在没有持续增殖的情况下，这种细胞通过随机发生的突变获得持续生长和克隆扩展所需的复杂的突变等位基因库似乎是不可信的。据报道，转移瘤是由表面上来源于集群CTC的多克隆人群引起的，这一事实可能使这些转移进展模型之间的解决变得更加复杂(Cheung等人，2016年)通过观察，转移克隆可能在同一患者的不同转移病灶之间转移(Gundem等人，2015年).
治疗和抵抗
转移癌通常是一种晚期疾病，患者最终会死于疾病或治疗过程中产生的并发症，这表明目前缺乏有效的治疗方法(Steeg，2016年). 此外，目前尚不清楚转移瘤内的细胞是否在本质上对治疗更具抵抗力，或者它们对治疗的反应速度是否与相应原发肿瘤中的细胞相当。可比较的转移反应率肯定与原发性肿瘤及其衍生转移之间已知的遗传相似性相一致。任何抵抗力增强的原因可能是转移源于原发性肿瘤中特别具有侵袭性的细胞亚群，或者是在向远处扩散后进一步演变为更高级别的恶性肿瘤。
原发性肿瘤和转移生长的治疗
目前消除转移瘤的治疗策略基本上与针对相应原发肿瘤的治疗策略相同，但手术除外，手术很少用于清除转移瘤沉积物。虽然成功定植远端组织微环境的细胞经常而且可能总是进化出适应性程序，使其能够在这些次级位置进行强劲增殖，但尚不清楚这种额外的进化（其中大部分是通过表观遗传重编程实现的）是否会提高治疗抵抗力。另一种选择是，远距离的成功定植取决于获得最终对治疗耐药性没有直接影响的适应性性状。
转移病灶代表原发肿瘤中肿瘤细胞少数亚群的后代(Ding等人，2010年;Yachida等人，2010年;Yates等人，2015年)表明转移性集落在克隆结构和生物学方面可能与原发性肿瘤有很大不同。虽然许多研究已经检测了构成原发性肿瘤的肿瘤细胞的遗传和表型多样性(Marusyk等人，2012年)遗传和表观遗传异质性和表型可塑性水平在转移性生长中的作用仍存在疑问。
治疗初次化疗或放疗后可能残留的最小残留疾病（MRD）的一个巨大障碍是，休眠的癌细胞似乎会使这种疾病长期存在，并形成最终转移复发的前兆。不幸的是，目前使用的几乎所有细胞毒疗法都优先杀死增殖细胞，而不是那些已经退出活跃细胞周期的细胞，这使得休眠细胞对几乎所有现有疗法都具有更强的内在抵抗力(Ghajar，2015年;戈斯和钱伯斯，2010年). 这些休眠DTC和原发肿瘤的活跃循环细胞的行为形成鲜明对比，最终可能证明在确定治疗消除敏感性方面比区分MRD与相应原发肿瘤之间的任何遗传或表观遗传差异更为关键。针对休眠转移沉积物的新型药物的开发进一步复杂化的是，对于各种类型的癌症，只有在极长的随访期后才能判断真正的疗效，此时可能会出现令人担忧的复发(Steeg，2016年). 然而，针对潜伏性DTC的预防性辅助治疗及其产生临床复发的能力可以说是预防这些结果的最佳机会。
治疗耐药性
转移性生长获得的治疗性耐药机制可能与相应肿瘤内的治疗性耐药性机制密切相关。在靶向辅助治疗的背景下，耐药克隆可能出现在原发性肿瘤和转移性病灶中，如在ER中观察到的那样+接受激素治疗的乳腺癌患者(Alluri等人，2014年)以及使用靶向激酶抑制剂治疗的EGFR-突变非小细胞肺癌患者(加兹达尔，2009年). 本次讨论特别关注的是传播场所特有的抵抗机制。一种可能性是转移性微环境有利于诱导产生耐药性的生物程序。例如，据报道，CXCL1/2通过髓系细胞募集积极支持转移的建立，也可以介导化疗耐药(Acharyya等人，2012年)，支持转移性传播中的某些特征也可能导致治疗耐药性的观点。
更一般地说，化疗对原发性或转移性生长的影响可能会引起周围基质细胞分泌各种旁分泌介质，从而促进耐药性,包括CXCL1/2(Acharyya等人，2012年)、IL-6和Timp1(Gilbert和Hemann，2010年)，WNT16B型(Sun等人，2012年)和HGF(Straussman等人，2012年). 肿瘤细胞暴露于药物后产生的一系列分泌因子也可导致对靶向激酶抑制剂的耐药性(Lee等人，2014年;Oberauf等人，2015年). 虽然这些效应确实可能促进原发性肿瘤中耐药细胞克隆的出现，但它们在转移部位的作用可能更为强烈。
根据另一种观点，形成转移瘤的细胞本质上对治疗的抵抗力并不比原发性肿瘤的细胞强或弱。因此，如果药物-原始肿瘤中存在耐药转移克隆，那么这些细胞将使该肿瘤及其衍生转移对治疗同样具有耐药性。按照这种想法，通过手术消除原发性肿瘤的一个主要好处是减少了肿瘤细胞的数量和多样性，从而增加了从患者体内去除任何耐药变异克隆的机会。在转移性疾病的背景下，这似乎通常是不可能的。
结论：原则与展望
正如前面的讨论所表明的，过去十年来，在阐明导致癌症转移的细胞和分子程序方面取得了重大进展。虽然我们对转移的理解仍然相当不完整，但我们看到一些常见的生物学原理开始出现。因此，我们建议人们可以评估目前掌握的信息，并得出结论：
转移主要通过一个连续的、多步骤的过程发生，这个过程可以被概念化为侵袭-转移级联。
在癌症病例中，EMT程序使原代肿瘤细胞能够完成大部分（如果不是全部）肿瘤细胞物理传播到远处的步骤。
扩散的癌细胞的命运受到它们在循环系统中经历的相互作用的强烈影响。
播散的癌细胞必须逃避免疫系统的清除，并破坏休眠状态的细胞程序。
主动转移定植的过程取决于能够重新启动肿瘤生长的癌症干细胞的扩散；其后代组装适应性、特定组织定植程序的能力；建立有利于转移的微环境。
使癌细胞从原发肿瘤物理移位到远处组织实质的过程是显而易见的，而且数量相对较少；相比之下，允许来自不同原发性肿瘤的癌细胞在各种组织微环境中生长的适应性程序可能数量众多，并且不容易还原为一组共同的基本机制原理。
虽然这些原则阐明了一般概念，但与这些想法相关的一些关键机械细节仍有待确定。例如，我们开始意识到EMT程序能够产生具有各种间充质特征互补物的广泛的癌细胞，但关于这些不同表型状态在转移过程中的功能作用的信息很少。然而，有关转移的其他关键问题超出了上述要点的范围。首先，目前尚不清楚哪些特定因素决定了临床转移性疾病的疗效，以及为什么一些患者出现转移性癌，而其他患者可能在疾病发展到这个阶段之前多年就消失了。文献中有一些可以解释这种变异性的挑衅性提示，例如不同的原生质细胞，其分化程序强烈倾向于侵袭性恶性肿瘤或可能更容易建立转移性集落的CTC簇的传播(). 此外，许多患者经历了多器官转移，这一事实表明存在更普遍的多器官转移计划，但这些计划的运作程度尚不清楚，其生物学细节刚刚开始描述。最后，各种免疫疗法的临床和生物影响，尤其是检查点抑制剂(Sharma和Allison，2015年)转移瘤肯定是一个持续的积极研究领域，甚至为寻找和消除转移瘤提供了希望。
元静态演化动力学转移性疾病的进展和演变是高度可变的，其表现方式必须影响转移定植的动力学。这里给出了四种假设的替代结果：
（A） CTC簇向远处传播可能产生潜伏期相对较短的显性转移，因为此类簇在产生转移生长方面效率很高。它们形成转移的效率可能来自于在循环中转运的优势，或者因为它们受益于外来组织环境中的同种细胞-细胞相互作用。
（B） 擅长招募和建立支持性转移生态位，或能够自身生成微环境生态位的孤立播散性癌细胞，可能能够更好地存活并启动增殖程序。
（C） 虽然肿瘤起始癌干细胞的传播可能是转移的先决条件，但能够很好地适应局部微环境的后代的产生和进化可能需要数月或数年的时间。
（D） 在转移进展的后期，其他动力学也起作用，例如同一患者不同转移病灶之间转移细胞克隆的交换。然而，这种转移的生物学和临床影响仍有待确定。
也许最紧迫的是更好地了解原发性肿瘤及其转移后代之间的生物学相似性和差异，尤其是在异质性、可塑性和耐药性方面。我们认为，为了开发专门用于预防或治疗转移性疾病的新方法和治疗方法，准确比较控制原发性肿瘤生长的原则和控制转移性肿瘤扩散和生长的原则至关重要。
