肿瘤发展的两个模型

DTC 细胞是指离开原位癌，转移到其他地方的癌细胞。但是，哪个 DTC 细胞会最终长成明 显的转移灶是不可预知的（大多数 DTC 细胞不会） ，发生转移所需的分子特性也是未知的。 在这种情况下，肿瘤发展的模型就显得尤为重要。 ，他们为预测系统治疗的靶细胞提供了线 索。 。比如，目前正应用原位癌细胞的分子特性来预测，DTC 细胞对那些针对特定分子机制 的药物的反应。 癌症的转移有两个基本的模型。目前比较流行的一种模型认为，肿瘤在原位癌里发展到完 全恶性的程度之后，恶性细胞发生转移，形成转移灶。这种模型就认为原位肿瘤细胞可以 代表 DTC 细胞的分子类型。另一种模型认为，肿瘤细胞在获得完全恶性的特征之前就离开 原位癌，在别的地方发展。认为 DTC 很早就从原位癌出来然后相互独立发展，这种模型质 疑了原位肿瘤在预测治疗效果中的作用。可惜的是，这两种模型都没有直接的、无可争议 的证据。 线性发展模型： 肿瘤细胞在原位癌的微环境中，连续多次发生，突变和竞争选择。在一定数量的多系突变 和选择之后后，肿瘤细胞能以具有竞争能力的速度相对自发的增殖。这些肿瘤细胞壮大， 个别癌细胞离开离开原位癌，在第二个位点进行生长。完全恶性的肿瘤细胞克隆的扩张程 度与肿瘤的体积相关。直径小于 2 厘米的肿瘤很少会有 TP53（肿瘤抑制基因）突变，但是 TP53 突变在直径大于 5cm 的肿瘤中很常见。所以，当肿瘤长到 2cm 以上，就经常发生 TP53 突变细胞的扩张。这个发现以及肿瘤大小与高频率转移的相关性是现在常用的 TNM 分期的基础，也促进了这个概念：只有那些较晚时期从原位癌中分散出来的细胞具有长成 肉眼可见的转移灶的能力。但是不排除完全获得恶性特征之后，肿瘤细胞很早分散出来的 可能性，这些细胞分离的较早，但也认为其具有大部分与原位癌相类似的特征。 转移级联反应。在第一个转移发生后，全身性疾病发展会一直持续到肿瘤长至致死体积大 小（1kg，相当于 1012-1013个细胞） 。所以说，一旦 DTC 细胞适应了转移位点并形成了肉眼 可见的肿瘤，就会发生二次转移，一批致死的转移。 因袭，线性转移模型有三个关键以经验为主的方面：一，分散完全恶性的细胞；二，大多 在恶性程度较高的癌症中发生；三，允许从转移位发生再次转移。 平行发展模型： 从 1950s 开始，有大量的研究关注在肿瘤生长速率。这些研究得出的结论：转移必须在初 始症状发生之前或者是原位癌诊断之前很久发生（就是在这之前很早就发生） 。因为考虑到 他们的生长速率，如果在原位癌发展的晚期才发生转移，那么转移灶长不了那么大。 这个模型并不质疑癌症生长的一般机制，比如在原位癌中发生竞争选择，积累基因突变。 但是，这个模型并不认为形成转移灶的细胞在原位肿瘤发展的末期才分散（如图 2） 。而且， 分散还在发展的细胞，导致在不同位点选择和扩展那些适应于特定微环境的不同细胞。因 此，由于选择压力和肿瘤细胞内在的基因不稳定性，相比于线性发展模型，这个模型认为 建立转移的细胞与原位的肿瘤细胞具有更大的差异，并且强调位点特定的遗传和表观遗传 改变。这个模型产生三个预测：1， 原位的肿瘤细胞和转移的细胞平行的、相互独立的积 累基因和表观遗传改变；2，在向外生长转移的过程中，不同位点的肿瘤细胞是相互平行独 立的，各自适应于相应的微环境；3，个体发生相平行的转移细胞可以在不同的时间从原位 癌分散出来。 疾病过程和生长速率： 1， TNM 分期 2， Survival time 3， 肿瘤大小与转移或者死亡的有相关性，这一点在所有类型的癌症中得到了证实。比如， 对于 T1N0M0 的乳腺癌病人，其 15 年生存率能达到 90%，但是对于 T2N0M0 的乳腺癌 病人，其 15 年生存率只能达到 70% 4， TVDT：肿瘤体积增加一倍所需的时间（X 光线照相术） （无创伤，考虑到所有影响肿瘤 生长动力学的因素，比如增值速率，新血管生成，凋亡，坏死，免疫系统） 。总的来说， 不同病人的 TVDT 差异很大（fig3c） ，但在原位癌与相应的转移灶，或者不同位点的转 移灶之间的差异没有那么大。转移灶与原位癌的 TVDT 是具有可比性的，前者是后者的 两倍（table1） 。可惜的是，配对的样品很少，但在这些配对的样品中，转移灶的生长 速率与原位癌的生长速率是有关系的。所以，肿瘤生长速率是其起源的内在特性，这 一结论得到了另外组织学研究的证实（测定有丝分裂指数，或者用 Ki67 抗原计算细胞 周期数） 。Fig3a，TVDT 是基于直接的测定，常常表现为固定的指数速率。但是，事实 上，当肿瘤长得比较大的时候，其生长速率才可能会稳定下来，表现为 S 形生长曲线。 TVDT 在指数生长期进行测定。固定指数生长的假定也得到另外一个方法的证实：计算 从发现转移到死亡的时间。在乳腺癌病人中，从发现转移到死亡的时间只受 2 个因素 的影响且与诊断时原位癌的体积大小无关，这说明，诊断初原位癌之前的生长速率是 相似的。从转移起始到诊断的时间大概是 6 年左右。 5， 两个生长模型必须能解释这个过程，包括转移灶的生长速率很少是原位癌的两倍以上。 6， 线性发展模型：肿瘤体积和转移之间的相关性有利于这个模型。在以上的例子中，T2 期的肿瘤病人死亡率比 T1 期的高 20%，这可以解释为，从 2cm 长到 5cm 的过程中， 易转移细胞的产生。在肿瘤长至 2cm 之前进行手术，使得克隆过程静息，阻止了完全 恶性细胞的扩散。通过大量的乳房 X 线照相术，乳腺癌的生长速率现在弄得比较清楚。 年轻人原位癌长得比老年人快。肿瘤花 12 年左右的时间长到 1cm，然后 3 年不到的时 间从 1.4cm 长到 7cm。在线性发展模型中，在术前不久分散转移建立细胞可以导致在 6-12 年的时间里形成 1cm 的转移灶。但是这与记录的数据不一致，从切除到转移，T1 期肿瘤需要 35 个月，T3 期需要 20 个月。因此，在手术之前不久，DTC 开始新的生长， 其 TVDT 需要是原位癌速度的 5 倍以上（30 个月 30 轮，12 年 30 轮） 。有两种情况与线 性发展模型不兼容：1，在早期癌（T1M1, T2M1）中检测到转移，2，不知道原发癌位 置的肿瘤。在 T1 和 T2 期乳腺癌病人中，5%的病人在诊断的时候发生了转移，5-10%的 病人不知道原发癌的位置。在这些情况下，根据线性发展模型，转移灶的生长速率远 超过原发癌的生长速率，但是，没有这一方面的证据。 7， 平行发展模型：肿瘤和转移的生长动力学是符合这个模型的。如果乳腺癌原发癌在 12 年内长到 1cm，那么转移灶达到 1cm 则需要 6-12 年的时间。这个模型与观测到的数据 是相符的，如果把分散转移在肿瘤还未能检测到时即发生，就是诊断出原发癌的几年 前的时间（fig2） 。在原发癌比较大的时候早期诊断出转移被认为主要是时间效应，就 是在从小肿瘤长到大肿瘤的这段时间。在上面的例子中，肿瘤长到 7cm 比长到 1.4cm 需要多 3 年的时间，转移可以在长至大肿瘤的 3 年前诊断出来，因为，在这模型中， T3 期肿瘤的转移灶有 3 年的时间可以长。但是，如果在肿瘤生长的早期阶段，还未能 诊断出来时，就有细胞分散转移出去，那么要如何解释 T1 期病人的生存率比 T2 期的 高 20%？一个尚未得到验证的假说是，原位癌能释放出促进转移灶生长的信号。为了 解释肿瘤大小和转移的相关性，这些信号的刺激是与肿瘤大小相关的。这些信号可以 诱导分泌生长因袭和细胞因子，重建基质结构，调节基质和骨髓起源的细胞的功能和 活性，间接促进转移灶在其微环境中的生长。 基因方面的证据： 在细胞分散转移之前，选择和晚期克隆扩增，对于线性发展模型来说是很重要的。而对于 平行发展模型，在肿瘤发展的早期，基因上不是那么恶性的细胞就考试分散转移了。在病 人当中，转移建立细胞是从 DTC 细胞群中而来的，也就是说，1 个或少数的 DTC 细胞最终 会成长为转移灶。 ，从 DTC 的基因层次进行分析，可能能对这两种模型有更好的阐明。 根据前人的研究，DTC 细胞可以在间质器官中检测到，包括骨髓，M1 或者 M0 期病人的淋 巴结。上皮的标志物，比如上皮细胞的角蛋白，上皮细胞粘附分子常被用来检测 DTC 细胞， 结果说明 DTC 细胞是很稀少的细胞类群。用同样的方法，在 30%的 M0 期的癌症种类差不 多的病人中，每 2 百万个骨髓细胞中能检测到 1-10 个这样的细胞。而且，在上皮癌中，出 现角蛋白阳性的 DTC 细胞预后不良，因此他们被认为是与疾病发展相关的一类细胞。 一直到检测单细胞基因组学方法的出现，才有可能在有明显转移前的几年，分析DTC细胞 的分子特性。在这个研究中，比较原位癌和DTC的骨髓样品是在手术前收集的。所以，这 个基因学分析了癌症同一时期的配对样品。令人惊讶的是，在乳腺癌、前列腺癌和食管癌 中，骨髓DTC细胞的基因突变明显比原位癌细胞的少。在乳腺癌病人中，50%的角蛋白阳性 细胞有正常的染色体组型，但所有配对的原位肿瘤的染色体组型都是异常的。虽然他们染 色体组型正常，但是这些DTC细胞含有小的亚染色体缺失，这在乳腺癌病人中是很典型的， 证明了他们的恶性起源也暗示他们在获得基因组不稳定性之前就分散转移了。类似的，原 发乳腺癌最常见的染色体异常（8q gain, 13q loss, 16q loss and 17p loss），前列腺癌中最常见的突变 （8p loss, 8q gain, 13q and 16q loss）很少在角蛋白异常的DTC细胞中检测到，但其他改变是可以检测到的。 在食道癌中，原位癌、从淋巴结和骨髓分离出的DTC细胞，不同位点的DTC细胞中都可以检测到不同种类 的染色体重排，转移的细胞为了生存和生长，适应于不同的环境发生了不同的适应性选择。这个并不排除。 。虽然，ERBB2扩增在淋巴结和骨髓中分离出的DTC细胞中是最频繁发生的染色体变化，但是，在同一 个病人中，原位癌中不管是ERBB2的获得或缺失，都不能预示DTC细胞中ERBB2的状态。当分析原位肿瘤样 品的时候，ERBB2扩增与生存率下降没有关系，虽然所有从骨髓或淋巴结分离出的单个DTC细胞表现为 ERBB2扩增的病人都在23个月里死了。只有在DTC细胞中或者是T3/T4期原位癌肿扩增ERBB才是独立的风险 因素。这个观察说明了以下几个问题：1，从原位癌分散转移出来的DTC细胞可以发生ERBB2的扩增，2， 在分散转移出去DTC细胞后，原位癌可以发生ERBB2的扩增，虽然这些晚期发生ERBB2扩增的原位肿瘤细胞 不一定会分散转移，3，从配对的DTC细胞和原位癌细胞独立发生ERBB2的扩增，骨髓和淋巴结ERBB2阳性 细胞相对于原位肿瘤ERBB2阳性细胞的预后价值来看，ERBB2在DTC细胞中有重要作用。 除了比较DTC和原位肿瘤的数据，也有一些比较原位肿瘤和明显的转移灶的数据，或反对或支持两种模型。 从线性发展模型的角度来讲，原位肿瘤和转移灶应该有一些一样的分子特性，但是平行发展模型侧重于他 们不一样的分子特性。只有同一个病人的原位癌和转移灶才有分析的价值，所以只有很少的数据是可用的。 尽管这样，在分子手段的所有水平，都看到了他们很大程度的不一致性。比如，KRAS在原位癌和转移灶中 的突变状态，50%结直肠病人是不一样的，75-80%的肺癌病人是不一样的。并且，75%的肺癌病人中， EGFR在原位癌和转移灶中的突变状态是不一样的。26个病人的146个样品，评估52个微卫星标志的等位基 因失衡，发现原位癌中等位基因失衡明显比淋巴结转移显著。不仅原位癌和转移灶的等位基因失衡不一致， 同一病人的不同转移灶的等位基因失衡也不一致。许多利用基因组学的研究也提供了许多截然不同的遗传 改变。最终发现，共同存在的多种不同的转移灶明显由遗传不相关的肿瘤克隆而来，暗示一些原位肿瘤起 源于多种肿瘤细胞。尽管大多数研究聚焦在配对样品的突变不一致性，线性模型预测的突变一致性很少有 报导。 相比于不同病人的样品而言，配对的原位肿瘤-转移灶的全基因组表达谱更为接近。但是，这样的比较忽 略了表达成千上万的基因的完全不一样的遗传背景；很明显，相对于不相关的个体，配对样品更为接近。 进一步会所，如果原位癌和柱转移灶影响或产生不依赖于解剖学位置的微环境，协调基因谱会广泛表达。 因此，基因表达谱可能不是分析原位肿瘤和转移灶相关性的最佳选择 线性发展模型：在手术期，在淋巴结或骨髓检测的肿瘤细胞的遗传学不支持这个模型。令人出乎意料的， 那些原位癌中遗传学上表现为很恶性的细胞很少分散转移到骨髓或淋巴结。但这可能是检测分析手段的一 种假象。因为这种检测依赖于角蛋白8，角蛋白18，角蛋白19或EPCAM的表达，原位肿瘤细胞都高表达他 们。这个发现不排除DTC细胞群存在于那些不表达上皮标志物的细胞中，因此没能检测到他们。大家假定， 这些缺失标志物的DTC细胞与那些表达标志物的DTC细胞发生不一样的基因突变，而隐藏了和原位肿瘤细 胞一样的基因突变。而缺少这样的不表达标志物的DTC细胞与线性发展模型是不一致的。在原位癌和转移 灶中高频率发生不一样的基因突变，同样是与线性发展模型不一致的。最多，配对样品的不一致性可以暗 示原位癌中那些未能检测到得克隆发生了转移，但是，即使这样，也说明这个模型的一个重要方面需要修 正。 平行发展模型：以上的数据说明，在乳腺癌、前列腺癌、食道癌中，分散转移不是常见的晚期事件（我的 理解：分散转移常在早期发生）。者提出一个问题：什么时候会发生分散转移呢？在自然形成乳腺癌的转 基因老鼠模型（MMTV-Erbb2和MMTV-PyMT）中，在原位癌具有侵润性之前，就可以在骨髓和肺组织中检 测到DTC细胞。透射电子显微镜发现，侵润前的非典型增生，单个的细胞穿越基底膜。随后在原位导管癌 的病人骨髓中检测到角蛋白阳性的细胞，说明肿瘤细胞在乳腺癌发展的早期分散出来。 虽然，原位癌和 转移灶之间的不一致性是早期分散转移还在发展中的肿瘤细胞和，特定位点选择压力的预测到的结果，但 是，又如何解释原位癌和转移灶之间相类似的地方呢？不一致性不仅依赖于上述因素，也依赖于从原发癌 的位置，DTC带来了什么突变，和这些突变限制转移建立细胞突变范围的程度。尽管这样，癌症突变导致 “fitter”细胞显然是有限的，并且选择导致独立获得一样的结果。比如，BRAF突变发生在密码子 600，KRAS在密码子12，13或者61发生突变，80%的PI3K突变发生在3个热区。相类似，染色体异常也不是 随机的。22种癌症类型的6000个CGH分析表明，在大多数的团体中发生类似的突变。这也表现为不同的肿 瘤和病人。非随机突变和非随机改变谱增加了这种可能性：在同一个肿瘤和不通为单的不用细胞中，独立 发生基因损伤。 因此，有限的遗传改变的出现，没有决定性的说明原位癌和转移灶的无性克隆或者遗传， 但是差别说明选择了不同的建立细胞。许多影响肿瘤生长的因素，遗传，表观遗传背景（细胞起源），微 环境，被原位和第二位点共享，所以原位癌和转移之间遗传上的相似性说不定反应了趋同进化。 Metastasis from metastasis： 肿瘤发展的两个模型都认同发生多位点的转移，在平行发展模型中，转移建立细胞平行的在不同位点进行 选择并且相互独立的生长。线性发展模型预测转移灶从转移灶发生，这个假定建立在假设转移灶具有和原 发癌一样的产生转移灶的能力，它也经过了选择。这个观点从尸检和体内筛选高转移株得到。 从970-1980，利用尸体做了很多研究，发现许多癌症类型都会发生转移。 这些研究表明，1，转移的癌 症病人平均在2-3个器官发生转移；2，每个病人的转移灶总数是1-13（平均5.6）；3，每种癌症有自己偏 向于转移的位置，肺、肝、骨最为常见。有些位点，比如，中枢神经和内分泌系统常在肺癌和肝癌病人中 受到影响。直接从原发癌起源，并不能解释这些现象，所以这些结果更支持级联反应模型。作者认为针对 于第一个转移位点，或许能有效的阻止其他的转移。 线性发展模型：尸检研究支持线性发展模型的假说，即从原位癌发展到转移的级联反应。但是，尽管生长 速率和治疗反对从第一个转移位点到第二个的假说。比如，50%的乳腺癌病人从M0期和手术发展到单个转 移灶的中值时间，对于肝来说，是最短的，29个月。但，M0期病人术后发展到多转移灶，包括肝，是28 个月。从转移灶发生再次转移产生明显的转移灶应该需要更长的时间，但事实却不是这样。尸检说明，起 源于肝转移灶的肺转移灶生长时间是31天，这需要其生长速率是原发癌的130倍（fig1，table1），但没有 任何报道。 另外，至少一下的两个临床例子反对第一个转移位点反应疾病结果的假说。是淋巴结转 移和经trastuzumab治疗内脏转移后增加了脑转移的可能。 乳腺癌中局部淋巴结转移基于假说：通过淋 巴结的转移而持续的肿瘤扩张。因为淋巴结的状态是预后的一个重要因素，而且淋巴结转移可能引起第三 个位点的肿瘤生长，临床医生会切除10-12个淋巴结（没有肿瘤）和一个阳性的前哨淋巴