细胞外微环境与肿瘤的浸润转移

肿瘤胞外酸性微环境与肿瘤的浸润转移,安彩艳内蒙古医科大学临床医学研究中心2013.12.25,1 肿瘤组织酸性微环境的形成,在生理状态下，正常组织细胞外pH值 (extracellular pH, pHe)介于7.2-7.4之间恶性肿瘤组织的胞外环境通常发生酸化，pHe介于6.5-6.9之间，即肿瘤细胞胞外微环境普遍存在酸化。,tumor microenvironment,Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB.Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation.Science. 2009 May 22;324(5930):1029-33.,肿瘤细胞胞外酸性微环境形成原因,1. 与肿瘤细胞代谢特点和组织结构、生长等密切相关。恶性肿瘤在生长过程中，由于组织增生过快，肿瘤组织的血管发育不良使局部组织严重缺氧；2. 加之疾病相关贫血的存在导致肿瘤血管运输能力下降，进一步加剧了肿瘤组织缺氧。3. 缺氧的状态阻碍了细胞通过线粒体呼吸链获取能量。 为了满足能量需求，肿瘤细胞转向糖酵解代谢，这导致葡萄糖消耗的增加及乳酸和质子的过量生成。为了能够在胞外酸性环境下生存，甚至增殖，肿瘤细胞在进化过程中发展出一套适应性机制。这些适应性机制包括钠氢交换蛋白1(Na+/H+ exchanger 1, NHE1)，碳酸酐酶（carbonic anhydrases ，CA ）和单羧酸转运体（monocarboxylate transporter，MCT）的表达上调等。这些pH调节蛋白的上调使肿瘤细胞胞内过量生成的质子和乳酸及时被运送到细胞外，这一方面维持了胞内pH的稳态和肿瘤细胞基本的生理功能，另一方面也导致了肿瘤胞外酸性微环境的形成。,2 肿瘤细胞对胞外酸性环境的感知,肿瘤细胞对胞外酸性环境的感知是指，肿瘤细胞胞膜表面特异性的受体或离子通道，能够在酸性环境下被活化，进而激活其下游的胞内信号通路，影响细胞功能。研究发现，细胞膜上的某些G蛋白偶联受体或离子通道能够在酸性环境下被活化，因此，它们被认为具有质子感知功能。,Proton-sensing G-protein-coupled receptor,Proton-sensing G-protein-coupled receptor genes : GPR4 、TDAG8 、 OGR1 、 G2A (4 genes) Proton-sensing G protein-coupled receptors are transmembrane receptors which are activated when extracellular pH falls into the range of 6.4-6.8 .,3 肿瘤浸润转移受到胞外酸性环境调节,体内和体外实验证实，细胞暴露在酸性pH环境下，其浸润能力增强。因此，酸性调节肿瘤浸润假说（The acid-mediated invasion hypothesis）被提出。该假说认为，氢离子会沿浓度梯度从肿瘤组织扩散至其邻近的正常组织，促进肿瘤-基质交界的组织重建。酸性微环境对于正常组织具有毒性，它通过蛋白酶促进胞外基质降解，通过释放VEGF促进血管新生并抑制对肿瘤抗原的免疫应答。癌细胞在进化过程中发展出一套适应性机制，例如NHE1和CA 的表达上调等，使它们能够在酸性的胞外环境下生存。而正常细胞缺乏这种适应性能力，因此，它们在酸性环境下逐步凋亡坏死，胞外基质被降解，癌细胞则不断增殖并浸润到这些开放的空间。,酸性调节肿瘤浸润假说认为，胞外酸性环境诱发了肿瘤的生长和浸润。在一项最新研究中，研究者采用活体镜检法对肿瘤浸润和癌周pH值进行监测，发现肿瘤浸润程度高的区域与低的pH值区域相对应，进一步有力证实了酸性调节肿瘤浸润假说。,肿瘤转移与肿瘤细胞迁移能力密切相关,肿瘤转移是其最致命的一个方面。肿瘤转移是恶性肿瘤细胞向原发肿瘤以外的部位的生长过程，是肿瘤病人死亡的最主要的原因之一。 肿瘤转移的关键步骤是其细胞迁移能力的获得，肿瘤转移程度与其细胞迁移能力呈正相关。 细胞迁移是一个复杂的、动态的过程，包括细胞前端伸出板状伪足，细胞前端伪足和细胞外基质形成新的细胞黏着，胞体收缩，细胞尾端和周围基质黏着解离等一系列过程。随着研究的不断深入，研究人员发现酸性环境可能在肿瘤细胞迁移的每一个具体环节对其构成影响。,3.1肿瘤细胞骨架蛋白的动态组装,肿瘤细胞的迁移和浸润需要肿瘤细胞沿着其长轴的极化和板状伪足的形成。板状伪足是一个肌动蛋白富集的结构，它能够突入细胞外基质。分支微丝网络的组装构成了细胞骨架形成的驱动力，肌动蛋白结合蛋白cofilin和gelsolin都是微丝组装和解离过程中的关键调节物。在细胞迁移过程中，gelsolin被认为帮助细胞尾端肌动蛋白的再循环，而cofilin调节了细胞前端肌动蛋白的动态变化，这两种细胞迁移中的关键调节物均对pH敏感，cofilin在碱性pH中的活性高于酸性，而gelsolin能被高的质子溶度激活，而且它的活化需要一定的Ca2+浓度。,在迁移细胞中，myosin主要在细胞尾端被酸性pH和高的Ca2+浓度激活。Myosin激活后也参与了pH敏感的RhoA/ROCK信号通路，这一通路在细胞粘着的解离和细胞尾端胞体收缩中起作用。PH依赖的细胞骨架动态变化的不对称性也被TRPM7通道调节，TRPM7是一个对-激酶活性调节起重要作用的阳离子通道。TRPM7的活化导致了其与myosinA之间的以Ca2+和激酶依赖方式相互作用。胞质中Ca2+越低，-激酶活性越高。通过TRPM7，myosinA重链的磷酸化被认为诱导了肌球蛋白丝的解离，通过肌球蛋白循环再利用促进细胞骨架的重新组装和新突出的形成。TRPM7的选择性和活性也被报道能被胞外酸性调节。,3.2肿瘤细胞和细胞外基质粘着的动态变化,细胞迁移是细胞与其周围基质及邻近细胞粘着形成和解离相互协调的动态过程。迁移细胞通过细胞粘着把迁移力从细胞骨架传给细胞外基质蛋白，如胶原蛋白。而且，细胞与其周围基质的粘着常常被含有一个亚基和一个亚基的整合素调节。,整合素的亚基和亚基通过outside-in信号或是inside-out信号与胞外及胞内接收传递信号的多种蛋白相互作用。这样，细胞粘着形成和解离的协调过程就卷入了整合素调节的分子间的相互作用。在人类黑色素瘤细胞中，由整合素调节的细胞粘附、扩散和迁移受到胞外酸性的调节。当胞外pH变为碱性后，黑色素瘤细胞的粘着减弱。细胞表面局部酸化可以促进细胞粘着的形成，稳定在细胞前端细胞表面与其周围基质的相互作用。PH调节蛋白NHE1也被定位在粘着斑，并在细胞前端形成一个具有差异pH值的局部区域，在细胞迁移中调节细胞粘着的动态变化。,3.3肿瘤细胞对胞外基质的消化,胞外基质的消化对于肿瘤浸润转移非常重要，肿瘤细胞对其周围组织的浸润依赖于胞外基质的消化。而胞外酸性在胞外基质消化和重塑过程中发挥重要作用。大多数的胞外基质成分的降解由基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）来完成。,基质金属蛋白酶是一个大家族，因其需要Ca2+、Zn2+等金属离子作为辅助因子而得名。MMPs几乎能降解细胞外基质中的各种蛋白成分，破坏肿瘤细胞侵袭的组织学屏障，在肿瘤侵袭转移中起关键作用，被认为是该过程中主要的蛋白水解酶。据报道，在小鼠转移性黑素瘤细胞中，胞外酸性能够通过质子感知的电压依赖性钙离子通道诱导MMP9的表达上调。胞外pH微环境依赖NHE1的活性，MMPs的分泌和活化也依赖于NHE1的活性。在乳腺癌细胞中抑制NHE1活化或胞外酸性阻断肿瘤转移基因CD44依赖的组织蛋白酶形成及其活性的增加，缺陷型NHE1的稳定转染可以使MMP9基因表达和活性下降。,4 如何将肿瘤pH特性应用于癌症的治疗？,缺氧和糖酵解代谢增强使实体瘤基质发生酸化。细胞外酸性微环境使实体瘤细胞更具扩散性。研究显示，许多pH调节蛋白例如NHE1或CA IX的表达在肿瘤细胞中都显著上调。因此，它们成为潜在的抗肿瘤治疗的靶标。一般情况下，将肿瘤pH特性应用于癌症的治疗可采取以下几种方式：,首先，肿瘤细胞特异性的pH感知和pH调节蛋白,例如ASICs、质子受体的OGR1和GPR4、质子敏感的TRPs、NHE1、MCTs41、Na+/HCO3-协同转运子(Na+-HCO3- cotransporters, NBCs)和CAs等都可能成为癌症诊断和治疗的靶标，这一想法已经在实验研究和临床试验中得到很好的印证。例如，NHE1是一种在细胞中广泛表达的钠-氢离子转换器，它能将Na+转入细胞内，同时将H+泵出，在调节胞内pH稳态中发挥重要作用。NHE1在许多肿瘤中过量表达，在实验动物中使用NHE1抑制剂已被报道可显著延迟肿瘤的发生发展。一个CA IX特异性的单克隆抗体也已经进入治疗肾细胞癌的临床试验阶段。,大量研究证实，肿瘤酸性微环境促进肿瘤生长、浸润和转移。提高胞外pH值的支持性治疗将有助于改善肿瘤的发生发展。一项最新研究结果显示，实验小鼠口服碳酸氢钠（小苏打）足以增加其癌周的pH值，从而有效地抑制肿瘤的生长和局部浸润。,其次，调节肿瘤细胞胞外pH也有望被应用于癌症治疗,肿瘤细胞特异性的酸化使其胞内外的pH梯度比正常组织要大，这有利于使用一些弱酸性的不带电荷状