南方医大癌生物学讲义14-1侵袭-转移级联反应

第十四章（1）侵袭-转移级联反应前言：尽管原发性肿瘤非常凶险，但其最终只会引起10%左右的肿瘤患者死亡，而大约90%的肿瘤患者最终死于原发灶以外部位的转移性肿瘤的生长。这种转移的形成是肿瘤细胞离开原发灶，沿着身体内的“高速公路”——血管和淋巴管在全身寻找新的部位并重新生长形成细胞克隆的结果。这一节，我们就先来聊聊肿瘤的“侵袭-转移级联反应”的整个过程。大多数(80%)威胁生命的恶性肿瘤起源于上皮组织，称为癌。因此本章中所讨论的大多数肿瘤指的都是癌。需要说明的是，来源于其他组织的肿瘤，如结缔组织和神经组织的肿瘤，也具有相似的侵袭和转移方式。甚至某些造血系统的肿瘤，特别是淋巴瘤，也同样具有一个局灶化的早期肿瘤及播散到远端组织器官的晚期肿瘤阶段。这一系列复杂的步骤，称为“侵袭－转移级联反应”。图1：侵袭-转移级联反应局部侵袭多数上皮组织都具有共同的上皮组织结构。在大多数情况下，相对薄的上皮细胞层位于复杂的基质层的上方，两者之间被一种称为基底膜（BM）的特殊细胞外基质(ECM)所分隔。这一蛋白网状结构是由上皮细胞和基质细胞分泌的蛋白质共同构建的。起源于基底膜上皮侧并仅局限于这一侧的肿瘤，称为良性肿瘤。然而，一些肿瘤细胞获得穿透基底膜的能力。肿瘤细胞突破基底膜后，开始以单个或成簇的形式浸润周围基质,这种肿瘤细胞团块被重新定义为恶性肿瘤。如下图所示，基底膜可以通过使用针对层粘连蛋白(基底膜中的关键组分)的特异性抗体检测。在A图分化程度比较高而侵袭性比较低的结直肠癌中，用抗角蛋白抗体标记癌细胞巢（红色），用抗层粘连蛋白a3链的抗体标记周围环绕的基底膜（绿色），癌细胞巢之间的基质是黑色的。在B图分化程度比较低而侵袭性比较高的肿瘤中，可见缺失了基底膜的癌细胞巢边界（箭头所示），肿瘤细胞直接暴露于周围基质。图2：穿透基底膜侵袭性肿瘤细胞造成基底膜分解，破坏了阻碍肿瘤细胞群进一步扩张的重要物理屏障。同时，通过降解各种基底膜成分，侵袭细胞获得了促进细胞生长和存活的细胞因子，而在正常情况下，这些因子常常隔离或深藏在特化的细胞外基质结构中。肿瘤局灶浸润依赖于分泌性蛋白酶的释放，这对于重塑细胞外基质、形成肿瘤细胞行进的空间非常必要。在某些肿瘤中，浸润的肿瘤细胞可以自己分泌蛋白酶，如MMP-2和MMP-9，也可诱导其他多种基质细胞协同性地释放蛋白酶，促进基质细胞后跟随的癌细胞成簇生长。血管内渗肿瘤细胞在破坏基底膜前，通常会产生促血管生长因子，它们通过多孔屏障作用于基质内的内皮细胞，刺激基底膜基质侧血管的生成。一旦处于基质环境中，肿瘤细胞可以直接从血管和淋巴管入口进入血管和淋巴管。而在正常情况下，这些血管和淋巴管仅分布在基底膜的基质侧。与毛细血管的紧密接触使肿瘤细胞易于获得血液中携带的营养物质和氧气。此外，肿瘤细胞的侵袭特性使其可以突破（即穿透）管壁进入血管和淋巴管的管腔。这一侵入脉管的过程称为内渗(intravasation),它依赖于单个肿瘤细胞或肿瘤细胞簇脱离周围的肿瘤组织、自行进入循环的能力。对内渗过程研究得较少。最初认为，在许多乳腺癌及其他肿瘤中，3种不同类型的细胞——癌细胞、巨噬细胞和内皮细胞协同促进肿瘤细胞浸润毛细管腔的内皮层。在本节的后面，将重新审视癌细胞——巨噬细胞相互作用和它们之间的信号通路，以及癌细胞的侵袭及相关血管内渗过程（这是由巨噬细胞释放的表皮生长因子驱动的）。在人乳腺癌组织病理切片中，计数癌细胞、巨噬细胞和内皮细胞的密度，是判断肿瘤患者最终转移复发的有效预测因子。图3：血管内渗需要基质细胞辅助转运一旦癌细胞进入血管或淋巴管的管腔，单个的肿瘤细胞会随血流或淋巴液到达身体的其他部位，这种长途迁徙充满危险。像正常细胞一样，肿瘤细胞也需要锚定在固相支持物上，没有依附的迁移细胞将很快发生失巢凋亡,这种类型的凋亡是由细胞与固相支持物如细胞外基质的解离而引发的。基质可以通过多种途径，如提供促进细胞有丝分裂和细胞存活的因子而促进癌细胞生长。血液循环（尤其在小血管中）形成的强剪切力，会导致循环中的肿瘤细胞破裂。基于小鼠转移瘤模型的实验表明，循环中的肿瘤细胞可以募集周围的血小板，以保护它们快速通过湍急的循环血流进入相对安全的组织。如下图所示，从一例转移性前列腺癌患者外周血中分离出来的循环肿瘤细胞簇。细胞通过抗前列腺特异膜抗原的抗体染色（绿色），另一个抗体是抗CD45抗体（红色），多种类型的血源性细胞表达CD45。DNA经DAPI染为蓝色。图4：癌细胞周边吸附血小板尽管如此，目前仍然没有完全理解癌细胞如何在体循环中存活下来，而这是临床上转移复发的主要播散路径。循环肿瘤细胞(circulatingtumorcell,CTC)是联系原发灶和转移位点的纽带，近年来受到了关注。但只有一小部分CTC最后能成功地建立新的转移性克隆。在循环中，CTC只能持续很短的一段时间，这在很大程度上是因为它们不像红细胞或白细胞一样能够在各种组织的微血管中循环穿行,因为多数毛细血管的内径(3~8μm)对于CTC来说太小了。红细胞的直径只有7µm,且可以变形，使得它们很容易通过毛细血管。而对于多数的癌细胞来说，它们的直径超过20µm,而且不易变形。如果血流中的癌细胞表面包被了大量血小板,它们的有效直径会变得更大，这使得它们能够滞留在口径大于毛细血管的较大血管、如细动脉中。这些因素决定了进入静脉循环的癌细胞在几分钟之内就会到达肺部的毛细血管床,进而被滞留下来。事实上，CTC作为游离细胞在循环中存在的寿命非常短，以至于CTC尚未意识到失去了固相锚定的支持物和基质的支持。一些滞留在肺中的转移性癌细胞将试图建立转移灶。然而，多种人类肿瘤常常不在肺而是在身体其他部位形成转移灶。这表明癌细胞可以从肺部毛细血管床逃逸，抵达身体远端部位并形成转移，相关机制目前尚不清楚。从一些实验中观察到，滞留在肺部毛细血管的癌细胞可以大量缩减胞质，在不影响存活的情况下使细胞体积大为缩小。一旦“瘦身”成功，这些细胞就可以成功地通过肺部狭窄的毛细血管。另一种更有可能的解释是，循环肿瘤细胞可以有效利用动脉、静脉间具有较大内径的交通支，绕行于动脉和静脉循环系统，而避免滞留于肺脏等多个器官的细小毛细血管。癌细胞经过肺部到达动脉循环后，循环中的肿瘤细胞可以播散到全身各个组织。淋巴道在癌细胞播散中的作用不很明显。几乎体内所有的组织都有淋巴管网，它们负责细胞间隙液的引流。大部分腹部器官的淋巴液回流到心脏附近的左锁骨下静脉，从而进入体循环。因此，淋巴管中的癌细胞有时通过这一交叉连接进入体循环。癌细胞及其募集的基质细胞均可分泌VEGF-C,它促进淋巴管生成并形成新的淋巴管。而且，分泌高水平VEGF-C的实验性肿瘤会在附近的引流淋巴结中种植更多数量的转移癌细胞。但是，对自发性肿瘤的组织学分析提示，肿瘤团块中很少有功能性淋巴管。实际上，它们大多位于实体瘤的外围区域，肿瘤中心区很少发现淋巴管，且通常已塌陷闭塞。由于淋巴管道的静水压很小，看起来它们无法抵抗肿块扩展的压迫而塌陷。尽管入口有限，有些癌细胞还是成功地进入淋巴系统。在某些特殊的乳腺癌中，有些转移性癌细胞进入直接引流乳腺的淋巴管道，并在附近下游的淋巴结汇集。一旦癌细胞在这些淋巴结内形成多发的微小转移，也就意味着某些癌细胞可能已经播散至远处器官。图5：腋窝淋巴结中的3个微小转移灶血管外渗一些实验表明，癌细胞利用特殊的细胞表面受体（如整合素）黏附在特定组织的细动脉和毛细血管管壁上。大量的证据还显示，癌细胞在小脉管中单纯性的物理性滞留，如前所述肺脏中的情况，是循环中的肿瘤细胞在组织中的第一个立足点。癌细胞一旦在各种组织的血管中停留，就必须离开血管管腔进入周围组织，这一步骤称为外渗（extravasation)。癌细胞可以采用多种方式穿出脉管。它们可以直接穿出血管壁,这种能力和其祖先细胞离开原发瘤侵入脉管具有相同的生物化学和细胞生物学机制。或者，癌细胞可以在脉管腔内增殖，形成一个小的肿瘤，并持续增殖最终破坏邻近血管壁。在此情况下，癌细胞推开周围的血管内皮细胞、周细胞和平滑肌细胞，而在正常情况下这些细胞将周围组织（即所谓的实质组织）与脉管腔分开。有趣的是，在外渗位点发现了播散的癌细胞和巨噬细胞之间的紧密接触，这与内渗过程中两者的相互作用一样,癌细胞募集巨噬细胞以协助它们离开循环进入实质组织中。我们熟知的白细胞能诱导毛细血管后小静脉的内皮细胞收缩，打开通往组织的入口，这一过程称为血细胞渗出。而大多数的转移性癌细胞没有血细胞渗出所需的受体及相应的生物化学反应机制。因此，癌细胞若要穿出毛细血管或是更大些的脉管壁，需要蛮横的力量，这多半是通过降解血管内皮层来实现的。此外，在微血栓形成（募集血小板）过程中产生的疑血酶能够非常有效地水解切割内皮细胞与下层血管基底膜之间的黏附蛋白。这将引起内皮细胞收缩脱离微血栓，使侵袭性癌细胞及产生的蛋白酶直接作用于暴露的毛细血管基底膜。如下图所示，外渗过程通常包括以下几个步骤：(1)转移性癌细胞(棕色)物理滞留在毛细血管内；(2)数分钟内，大量的血小板(蓝色)黏附在癌细胞表面形成微血栓；(3)癌细胞将毛细血管一侧壁上的内皮细胞(绿色)推开，从而直接接触下层的毛细血管基底膜(橙色);(4)1天内，微血栓被血液中的蛋白酶溶解，这些蛋白酶通常负责血凝块溶解。(5)癌细胞开始在毛细血管腔内增殖；(6)几天甚至更短时间内，癌细胞破坏毛细血管基底膜，侵入周围的实质组织(灰色区域)。图6：血管外渗过程微小转移灶形成一旦转移性癌细胞到达实质组织，它们就可以增殖形成小簇的播散癌细胞团，称为微小转移灶(micrometastase)。在乳腺癌患者临床症状刚刚出现的时候，超过30%的患者的骨髓中就会带有几百个甚至几千个微小转移灶，但这组患者中，只有一半人最终在临床上被诊断为肿瘤转移。事实上，这些微小转移灶广泛分布于肿瘤患者的各种组织中，但除了骨髓，其他组织中的微小转移灶通常难以检测。有时，一些隐匿性的微小转移灶将会引起灾难性的后果。图7：结肠癌患者骨髓中的微小转移灶抗细胞角蛋白的抗体对于检测原发性肿瘤播散于骨髓和血液中的微小转移灶很有用，而抗上皮细胞黏附分子(epithelialcelladhesionmolecule,EpCAM)的抗体常常用于检测淋巴结的微小转移灶。通常，间叶组织中出现单个的角蛋白染色阳性的细胞即上皮细胞，是肿瘤发生播散转移的明确信号。很多癌细胞在远处转移位点存活下来，但是不能形成临床上可检测到的转移灶，其结果是在很多癌症患者体内存在遍布全身的无数微小转移。虽然微小转移几乎不能形成临床上可检测到的转移灶，但它确实可以提示原发瘤已将癌细胞播散全全身。如果其中的一些微转移在其种植于远处组织几年后突然发展成临床可检测到的转移，那么将威胁癌症患者的长期生存。乳腺癌的可怕之处就在于肿瘤被切除并宣布患者无瘤10年甚至20年生存之后，肿瘤的再次复发。转移性癌细胞在远端组织中，可以以不分裂、休眠的状态存活很长一段时间。还存在另外一种类型的微小转移灶，播散的癌细胞可以在其他组织中增殖形成很小的克隆，但是这种亚临床型的微小转移体积不会增大，因为在这一团细胞中，增殖与凋亡的速率达到了平衡，也许是因为这些细胞不能促进血管生成。克隆形成有一些微小转移灶可以最终成长为临床上可以检测到的肿瘤团块，这一从微小转移灶生长为肉眼可见转移瘤的过程，通常称为克隆形成(colonization)。也许这是侵袭转移级联反应中最富挑战性和最艰难的步骤。这主要是因为新的组织环境不能给新迁移过来的癌细胞提供它们在原发瘤所需的中各种生长因子和促生存因子，没有这些生理支待，转移性癌细