肿瘤从起始→侵袭→扩散→生长，肿瘤微环境都发生了什么？

2023-05-14

免疫疗法

前言癌症的复杂性表明肿瘤微环境（Tumor Microenvironment：TME）是一个高度结构化的生态系统，被各种非恶性细胞类型包围的癌细胞共同嵌入在一个改变的、血管化的细胞外基质中。了解TME在肿瘤的起始、进展、侵袭、转移性扩散和生长阶段的作用，及肿瘤细胞内在、细胞外和全身性疾病进展介质之间复杂的相互作用，对于合理开发有效的抗癌治疗方法至关重要。表1 ：TME的主要细胞和非细胞成分 01 哪些因素导致肿瘤微环境(TME)形成？1.1癌细胞和宿主细胞之间的相互通讯① 接触依赖的通信是由粘附分子介导的，包括整合素、钙粘蛋白、选择素和免疫球蛋白超家族成员，也通过间隙连接和隧道纳米管。著名的TME中接触依赖的细胞间信号通路的例子是抑制免疫监视的PD-L1/PD-1通路。② 通过细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶释放的旁分泌信号及细胞外囊泡（EVs）对TME内的细胞间通信至关重要。这些分子通过与它们的受体结合或通过ECM重构对靶细胞发挥直接和间接的作用，也可以改变局部环境，甚至在原发肿瘤部位之外有深远的影响。③ 细胞外基质（ECM）通过作为隔离分泌分子的基质和作为细胞粘附和迁移的底物，促进了细胞间的通信。图1.原发性肿瘤进展和转移的微环境调控1.2所处环境细胞的器官特异性导致组织驻留免疫细胞和基质细胞在不同肿瘤类型中的不同表型和功能。TME最重要的调节因子是癌细胞本身，癌细胞的内在特征包括改变遗传学、代谢重编程和解除控制的信号传导。图2.原发肿瘤进展及TME内复杂的相互作用 02 肿瘤发生第一步：组织稳态的破坏2.1肿瘤起始：打破从免疫攻击到免疫逃避的平衡癌症最初的低级别病变特征是naïve T细胞的流入，随着病变的进展，活化的T细胞和髓系细胞积累，以及免疫抑制相关基因上调。一些癌症发生在慢性炎症之后，利用已经被破坏的髓系适应性免疫细胞的串扰，有利于免疫抑制。慢性炎症组织的特征通常是Th2型免疫反应和髓系细胞的积累，其极化到免疫抑制的功能状态，分泌活性氧（ROS）、促炎细胞因子、趋化因子、生长因子和促血管生成介质，导致组织损伤、上皮细胞突变、内皮功能障碍和血管生成、免疫抑制和基质重塑，这些因素最终导致肿瘤的起始和进展。2.2炎症：促进肿瘤进展的一种催化剂随着肿瘤生长引起的慢性炎症破坏反应，免疫环境逐步减少细胞毒性CD8+T细胞和NK细胞，增加功能失调CD8+T细胞和调节B细胞，而CD4+T细胞倾向于促炎Th2表型。与此同时，髓系细胞越来越多地被动员到TME，在那里它们的表型适应局部炎症线索。肿瘤相关髓系细胞具有较高的功能可塑性，可影响许多致瘤过程，包括(1)通过癌细胞的增殖、存活和侵袭能力直接调节癌细胞的命运和行为，(2)创建免疫抑制的TME，(3)激活肿瘤血管生成，(4)重塑细胞外基质（ECM）。2.3 CAFs和ECM重构在TME中的多方面作用癌症相关成纤维细胞（CAFs）与免疫细胞一起形成了许多肿瘤的主要成分。CAFs可能来自其他细胞类型的转化，不同起源的CAFs导致了表型和功能的异质性。CAFs主要负责TME内细胞外基质（ECM）的沉积和重塑。ECM的力学特性直接影响癌细胞的信号传导和行为，进而影响免疫细胞的招募和激活，并减少药物对肿瘤的获取。CAFs可以通过诱导T细胞排斥等多种机制帮助肿瘤逃避免疫反应，也可以组织依赖性的改变癌细胞信号传导和行为。2.4 血管生成促使癌症发展缺氧是血管生成的主要触发因素。许多对缺氧相关的分子，如血管内皮生长因子（VEGF），可以促进血管生成转换。肿瘤相关的髓系细胞通过促血管生成介质，包括VEGF-A、FGF2、PIGF、TNF和BV8，促进肿瘤血管生成和增加血管通透性。肿瘤诱导的血管生成有助于免疫抑制和免疫逃避。促血管生成介质也可以直接影响免疫细胞。肿瘤血管、细胞外基质和缺氧的生态位的改变也会影响免疫细胞的浸润和功能。CAFs是肿瘤血管生成的关键协调器，CAFs依赖的促血管生成和抗血管生成过程在TME中起作用。 03 肿瘤细胞搬家前要做的准备3.1 癌细胞的侵袭和迁移细胞间粘附蛋白e-钙粘蛋白的丢失通常伴随着上皮-间充质（EMT）样的过渡状态。癌细胞失去上皮特征，获得间充质特性，促进茎样特性和迁移。TME促进了癌细胞的表型转换，使局部侵袭成为可能（图2）。CAFs和癌细胞通过e-钙粘蛋白/n-钙粘蛋白连接在癌细胞之间的异型粘附在癌细胞中触发机械转导反应，实现集体侵袭。其他TME细胞也能促进癌细胞的侵袭（图2）。癌细胞必须突破健康组织的上皮细胞和底层基质之间由基底膜形成的物理屏障，这取决于一系列因素的组合，包括癌细胞的内部编程、ECM的结构，以及来自TME的信号。3.2 渗入血管包含表达VEGF的TIE2+巨噬细胞、癌细胞和ECs的三部分结构，也被称为TME转移（TMEM）“门道”，以接触依赖的方式促进内渗（图2）。中性粒细胞、周细胞、CAFs、脂肪细胞和TME的力学特征，包括ECM结构和间质液压力，也通过直接或间接影响癌细胞内渗。 04 原发肿瘤提前布置新家：转移前生态位的形成在转移扩散发生之前，原发性肿瘤通过旁分泌作用在远处的器官中产生有利于癌细胞的微环境。原发肿瘤通过为未来弥散的癌细胞准备远处的位置，称为转移前生态位。触发一系列导致转移前生态位生成的系统性变化的起始信号包括肿瘤来源的可溶性介质，最显著的是G-CSF、VEGF-A、PLGF、TGFb、S100蛋白和TNF，以及装载肿瘤货物的EV，可以转移到骨髓细胞和远处器官的驻留细胞。原发肿瘤为宿主准备转移性疾病的另一种机制是通过诱导肿瘤引起的全身炎症和免疫抑制，有利于播散性癌细胞的免疫逃逸。系统动员的免疫抑制髓系细胞可能触发组织环境特异性程序，以实现器官特异性转移。远处器官的允许生态位的关键特征包括血管通透性增加、ECM重塑、包括成纤维细胞和上皮细胞在内的常驻细胞的改变，骨髓来源的细胞的动员和免疫抑制。 05 肿瘤细胞搬家途中的生存斗争一旦肿瘤细胞进入循环（血液或淋巴），就会在这种外来微环境中立即受到一系列不同的挑战（图3）。对于在通过血液循环中存活下来的一小部分循环肿瘤细胞（CTC），它们可以通过各种机制逃避破坏。这些包括CTC聚类，通过诱导NANOG、SOX2和OCT4促进干细胞性；与特异性免疫细胞如中性粒细胞或血小板相关联；逃避包括NK细胞在内的其他类型的细胞毒性免疫细胞的影响。图3.不同组织环境中转移细胞命运的调控 06 住进新家：器官向性和外渗对于在循环中存活的一小部分CTC，其转移过程中的下一个速率限制步骤是外渗到次级器官。对于外渗本身的过程，肿瘤细胞必须首先阻滞并附着在内皮腔内，同时不断受到来自其周围快速流动的血流的高剪切力（图3）。血小板和中性粒细胞可以通过选择素或GPCRs或产生中性粒细胞细胞外陷阱（NETs）进一步增强肿瘤细胞对血管系统的粘附。粘附后，CTC穿过内皮细胞连接，也可能会穿过额外的血管细胞层（如周细胞、平滑肌细胞）和ECM，以进入新的器官实质（图3）。这通常需要细胞粘附分子的主动蛋白质水解和/或降解，包括连接粘附分子、钙粘蛋白等，特别是对于多细胞CTC簇穿过血管系统。癌细胞还可以通过网络触发非癌细胞的释放，包括血小板、单核细胞和中性粒细胞。未来转移部位的常驻免疫细胞也可以进一步促进CTC通过门道外渗。CTC还可以通过非蛋白水解机制外渗，如透析，包括通过机械变形一次挤压内皮细胞连接。 07 继生部位的转移播种以及肿瘤休眠和生长之间的复杂相互作用7.1 骨转移骨是弥散性肿瘤细胞（DTCs）生物学相关研究最多的器官之一，部分原因是在该部位发现的大量患者有微转移，特别是乳腺癌和前列腺癌。在DTC定植的早期阶段，大多数DTC位于骨髓中。骨内膜生态位促进了DTC和骨驻留细胞之间的双向相互作用，导致转移生长、骨溶解和骨骼变化，这些是许多晚期骨转移临床表现的基础。骨微环境中的成骨细胞衍生的细胞因子可以通过EZH2依赖的表观遗传调控促进乳腺或前列腺DTC的干细胞性。这增强了它们向其他器官的进一步扩散。此外，骨微环境可以通过表观遗传学调节DTC中的ER表达，从而使细胞对内分泌治疗产生耐药性。骨血管周围生态位（PVN）可以通过整合素b1、avb3和VCAM-1等血管粘附分子保护DTC免受化疗，因此，阻断整合素介导的PVN和DTC之间的相互作用，使这些细胞对化疗敏感，并显著提高生存率。7.2 肺转移通过靶向已鉴定的COL3A1-DDR1-STAT1通路，操纵不同的ECM生态位，可以维持DTC休眠。另一种调节肺内DTC命运的分泌ECM分子是腱糖蛋白C，它依次激活邻近的细胞间质巨噬细胞通过TLR4信号通路，诱导ECs分泌一氧化氮（NO）和TNF，从而产生一个转移前的PVN生态位。老年皮肤成纤维细胞可以通过可溶性WNT拮抗剂sFRP2驱动黑色素瘤表型转换和传播。这可对老年人群中癌症的治疗靶向具有重要意义。另一个可以唤醒休眠的癌细胞的诱因是炎症。持续的炎症诱导了NETs的形成。NETs中蛋白酶的释放重塑了肺中的层粘连蛋白，导致休眠的癌细胞以整合素3b1依赖的方式增殖。7.3 肝转移在胰腺肿瘤发生的早期，肝脏中的肝细胞通过激活IL-6-STAT3信号通路和随后增加血清淀粉样蛋白A（SAA）蛋白的产生来协调炎症反应。这导致了肝脏中纤维化和免疫微环境的改变。另一个肝脏驻留群体，肝星状细胞可以通过分泌免疫抑制的CXCL12趋化因子来驱动纤维化损伤，这抑制了NK细胞的关键免疫监视功能，导致DTC休眠终止。7.4 脑转移星形细胞来源的基底膜蛋白层粘连蛋白-211可以通过诱导DTC中的肌萎缩聚糖受体与转录共激活因子相关蛋白(YAP)的接触来促进DTC休眠。这阻止了YAP运输到细胞核，从而阻止了其促转移功能。增殖的DTC只与星形胶质细胞及其端足被剥离的血管结构有关。YAP激活也与DTC自身获得周细胞样特征有关，这通过细胞粘附分子L1CAM在大脑和其他转移部位促进其延伸和转移生长。DTC甚至可以整合到大脑的神经网络中，将自身的位置靠近两个谷氨酸能神经元之间的现有突触，形成一个“伪三部”突触，导致神经元释放谷氨酸，使n-甲基-d-天冬氨酸受体（NMDAR）信号传导和随后的转移生长。 08 挑战和机遇① 在扩大靶向TME的治疗策略方面也有巨大的前景。这些疗法包括耗尽TME中“重新编程”促进癌症的宿主细胞的治疗；修改ECM、基质体和ev的干预措施；基于细胞的疗法和疫苗；以及免疫检查点抑制剂。② 使用可靠的临床前模型提供了一种首先系统地评估所有治疗方法组合的技术。但如何对TME治疗的患者进行最佳分层是很重要的问题，特别是对于那些不能直接进行活检的癌症？如何靶向已经扩散并进入休眠状态的癌细胞？③ 将免疫检查点阻断或基于细胞的免疫疗法（如免疫刺激因子）与TME的调节相结合的策略正在临床前模型中被积极探索，或已经在临床评估中。其他的组合策略利用了抗血管生成抑制剂，这是第一批TME靶向治疗方法之一，随后被发现具有强大的血管调节作用。④ 展望未来，将充分实现针对TME的关键进展。希望该领域采用一种全面的系统级方法，分析和整合TME的所有复杂性，以识别和治疗靶向关键节点。还必须了解该领域除了肿瘤本身之外的其他复杂性，包括系统影响和外部环境（图4）。总的来说，通过整合和利用这些关键观点，我们将能够在不久的将来靶向TME，造福于更多的患者。图4.多种细胞内在和全身性因素影响患者和TME参考资料：de Visser, Karin E, and Johanna A Joyce. “The evolving tumor microenvironment: From cancer initiation to metastatic outgrowth.” Cancer cell vol. 41,3 (2023): 374-403. doi:10.1016/j.ccell.2023.02.016