器官微环境在肿瘤转移中的生物学作用

肿瘤转移定位于局部淋巴结和不同的器官或同一器官的不同部位。特定的器官微环境影响着转移细胞的生物学行为。

一、器官微环境对肿瘤细胞中调节转移的基因表达水平的影响

特定的器官微环境能够诱导肿瘤细胞中调节转移的基因的表达水平。将人前列腺癌高转移能力的克隆接种至前列腺（同位）和皮下组织（异位），以及将人结肠癌高转移能力的克隆接种至结肠（同位）和皮下组织（异位），肿瘤细胞被收集、处理进行原位杂交分析，并对淋巴结中的自发性转移进行评估。内皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）、碱性成纤维生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、白介素-8（interleukin-8，IL-8）、Ⅳ型胶原酶（typeⅣcollagenase）、多药抗性基因（multidrug resistance-1，Mdr-1）在前列腺中的表达水平高于皮下组织。在淋巴结转移灶中，仅有Ⅳ型胶原酶和碱性成纤维生长因子bFGF的染色强度比前列腺癌中的高。

人肿瘤细胞的同位种植对分析转移相关基因是必需的。具有高转移能力的细胞特异地表达较高mRNA水平的Ⅳ型胶原酶（影响侵袭）、bFGF和IL-8（影响血管生成）及Mdr-1。细胞中EGFR（影响生长）表达没有差别，但E-钙黏素E-cadherin（影响细胞黏附）表达在转移细胞中降低。同正常上皮和良性增生的前列腺相比，血管内皮生长因子/血管渗透因子（vascular endothelial growth factor/vascular permeability factor，VEGF/VPF）（影响肿瘤血管生成）在前列腺癌中呈过表达。VEGF/VPF和微血管密度与人前列腺癌细胞在裸鼠前列腺的生长转移潜能有关。

采用Northern Blot和原位杂交（in situ hybridization，ISH）方法检测人结肠癌手术标本中bFGF的表达。Northern Blot没有检测到bFGF的mRNA转录体；ISH分析显示bFGF表达水平在Dukes C期或D期的肿瘤中明显比B期的高，而且bFGF过表达于肿瘤的外周，此处的肿瘤细胞快速地增殖分裂。该观察证实了肿瘤具有异质性，含有与侵袭、转移相关基因不同表达程度的细胞，肿瘤内的亚细胞群能引起远处转移。在对结肠癌患者的随访研究中，bFGF在发生远处转移的原发瘤患者中表达明显增高。手术早期没有转移的患者，在晚期可能会发展成远处转移，因为这些患者有相对高的bFGF表达，其他转移相关基因也呈高表达，尤其在肿瘤侵袭的边缘部位。

二、器官微环境通过影响肿瘤细胞的增殖而促进转移

增殖活性是肿瘤细胞侵袭、转移的基础和前提。随着细胞失控性增殖导致肿瘤组织内部压力增高，该扩张性压力有利于癌细胞向压力低的方向侵袭与转移。人结肠癌细胞在裸鼠肝中的生长与细胞的转移潜能直接相关，因为原发性人结肠癌手术标本的Dukes D期的细胞比B期细胞能在裸鼠肝中产生更多克隆。

人结肠癌细胞和肝脏特定微环境的相互作用包括表达不同生长因子受体的肿瘤细胞的增殖和它们对肝脏特异性旁分泌生长因子或器官修复因子的反应。EGFR表达在很多正常的细胞表面，在许多肿瘤中EGFR表达水平明显增加，而且EGFR在mRNA和蛋白水平的表达与人结肠癌细胞在肝实质中生长产生转移的能力直接相关。EGFR参与了肿瘤的进展与播散，这些资料也表明了该受体有可能作为肿瘤转移治疗的靶点。

三、器官微环境对血管生成的调节

细胞的生存和生长有赖于足够的氧气和营养成分的供应以及对毒性分子的清除。氧气仅能从血管中扩散150～200μm，距离太远超过这个范围的细胞，会出现死亡。这样，当肿瘤体积扩大，直径超过1mm时，肿瘤的生长就有赖于新生血管的形成。

新生血管的形成包括多个相互依赖的步骤。它起始于血管周围基底膜的局部降解，而后在刺激血管生成的因子作用下，周围基质侵袭和内皮细胞迁移。在迁移区的边缘，内皮细胞增殖、组织成三维结构以形成新生血管。肿瘤血管在组成成分、血管通透性、稳定性及生成调节方面都不同于正常组织中的血管。

新生血管的形成涉及血管生成的前体分子和抗血管生成分子局部平衡的改变。一些常见的血管生成的前体因子，如bFGF能诱导多种细胞的增殖，刺激内皮细胞的迁移，增加蛋白酶的合成；VEGF/VPF能诱导内皮细胞增殖、增加血管通透性、诱导内皮细胞产生尿激酶纤溶酶原激活剂（urokinase plasminogen activator）；IL-8是一种由多种组织和血管细胞产生的细胞因子；血小板源性的内皮细胞生长因子（platelet-derived endothelial cell growth factor），能刺激内皮细胞DNA合成、诱导bFGF的生成；肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF），能增加内皮细胞迁移、侵袭及蛋白酶的生成；还有血小板源性的生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）。

在肿瘤生长的过程中，肿瘤细胞和周围基质细胞受氧气和营养缺乏的刺激而产生血管生成因子，这些因子以及各种炎性趋化因子、细胞因子和其他刺激物，与阻断血管生成的抑制剂间的平衡被打破，朝刺激血管生成的方向发展。肿瘤细胞和周围基质诱导的血管生成不仅促使原发肿瘤的生长，而且有助于肿瘤细胞的血源性播散和转移生长。

大多数临床研究表明：原发肿瘤的微血管密度与转移发生率的增加直接相关。肿瘤微血管密度是肿瘤患者复发和生存的有意义的独立的预后指征。在肿瘤和血清中，血管生成因子VEGF-A、IL-8、FGF-2水平提高以及血管生成的抑制剂血小板反应素-2和VEGF-A间较低的比率，都与肿瘤患者转移率的增加有关。在转基因鼠模型中，肿瘤和血清中血管生成抑制剂如白介素-10、金属蛋白酶的组织抑制剂-1（tissue inhibitors of Metalloproteinase-1，TIMP-1）、血小板反应素-1（thrombospondin-1，TSP-1）或内皮抑素水平升高，会降低转移的发生率。然而，应当注意的是，肿瘤血管的生成增加不一定会导致转移形成。例如，在转基因鼠模型中，VEGF-A的高表达能促进肿瘤血管生成和原发瘤生长，但没有出现肿瘤转移。这说明，肿瘤血管的生成只是转移的必要条件，而非充分条件。

肿瘤细胞对一些血管生成的前体因子的表达有赖于肿瘤生长的部位。将人肾癌细胞接种在裸鼠不同的器官微环境中，接种在肾脏的肿瘤细胞中bFGF的表达水平比那些接种在皮下组织的高10～20倍，接种在肾脏的肿瘤比接种在皮下组织的更富血管化。干扰素-β（interferon-β，IFN-β）在内皮细胞和皮下肿瘤周围的成纤维细胞中表达高，而生长在肾脏的人肾癌细胞周围没有IFN-β表达。进一步的研究发现，IFN-α和IFN-β而不是IFN-γ能够下调人肾细胞癌以及人膀胱癌、前列腺癌、结肠癌、乳腺癌中bFGF的mRNA和蛋白水平的表达。IFN-α和IFN-β对bFGF表达的抑制作用具有细胞密度依赖性，但不依赖IFNs的抗增殖作用。在体内外，bFGF的下调需要细胞长期暴露于低浓度的IFNs，IFNs撤退后，细胞可重获bFGF的生成。

四、器官微环境对肿瘤侵袭性表型的调节

生长在裸鼠同位组织中的人结肠癌细胞转移能力与Ⅳ型胶原酶的活性直接相关。对生长在裸鼠皮下组织、结肠壁或肾脏的人结肠癌进行组织学检查。结果显示：在皮下组织周围有一层厚厚的假膜，而在结肠或肾脏肿瘤的周围却没有。这些差别表明：器官微环境能够影响转移细胞侵入宿主基质从而产生转移的能力。

人结肠癌细胞Ⅳ型胶原酶的活性和肝转移的产生之间具有很强的相关性。Nakajima等的研究显示：生长在裸鼠皮下或盲肠的人结肠癌细胞对Ⅳ型胶原酶的分泌水平明显不同。在来自皮下接种的人结肠癌细胞的肿瘤细胞培养液中，仅检测到相对分子质量为92　000的Ⅳ型胶原酶的前体形式。相比之下，在来自结肠肿瘤的肿瘤细胞培养液中发现相对分子质量为92　000的Ⅳ型胶原酶的前体和活性形式。而且生长在结肠的肿瘤细胞分泌的酶是皮下组织肿瘤的2倍。

进一步的研究发现：人结肠癌细胞的侵袭能力受器官特异性成纤维细胞影响。对来自裸鼠皮肤、肺、结肠的成纤维细胞进行原代培养，对具有侵袭和转移能力的人结肠癌细胞单独培养或与成纤维细胞一起培养。肿瘤细胞在所有这三种成纤维细胞的单层培养物上生长，但并不侵袭通过皮肤成纤维细胞。生长在塑胶、结肠或肺成纤维细胞上的肿瘤细胞产生Ⅳ型胶原酶的前体和活性形式明显提高，而与裸鼠皮肤或成纤维细胞共同培养的结肠癌细胞并没有增加。

五、器官微环境中细胞外基质在转移中的重要作用

在肿瘤转移中，肿瘤细胞不是单独地在发挥作用，基质细胞和基质微环境也参与了肿瘤的进展。基质结构的改变可能会导致生长因子和其他信号分子的释放，使癌细胞到达特定的黏附部位，活化转移的信号通路。更重要的是，细胞外基质的降解，可通过解除组织结构屏障，促进癌细胞的迁移、侵袭与转移。

细胞外基质成分由肿瘤细胞和各种宿主细胞产生，而成纤维细胞是体内细胞外基质的重要来源。肿瘤基质中的成纤维细胞参与决定邻近肿瘤细胞是否增殖、侵入周围的组织中并转移至远处器官。

成纤维细胞能被肿瘤细胞活化，跨分化为肌成纤维细胞、血管平滑肌细胞、外周细胞、骨髓源性的造血前体细胞，甚至肿瘤细胞，通过它们来发挥作用。如：肿瘤细胞分泌的血小板源性生长因子PDGF能刺激成纤维细胞增殖和巨噬细胞释放转化生长因子（transforming growth factor，TGF-β）。PDGF本身在低浓度时就对成纤维细胞具有趋化作用，在高浓度时能诱导成纤维细胞跨分化为肌成纤维细胞。肌成纤维细胞在肿瘤侵袭前很快就出现，通过分泌丝氨酸蛋白酶、基质金属蛋白酶和尿激酶纤溶酶原激活剂而促进基底膜和细胞外基质的降解。而且，肌成纤维细胞还表达胰岛素样生长因子（insulin-like growth factors，IGFs）和肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF），借此促使细胞的生存和迁移；肌成纤维细胞借助表达的血管生成前体因子FGF-2、VEGF和炎性细胞因子IL-1、IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α），不仅刺激它们自身迁移入肿瘤内，而且促进了邻近肿瘤细胞的生存、增殖和侵袭以及血管生成，从而促进了肿瘤转移。

成纤维细胞对肿瘤进展的许多作用还可能是通过对细胞外基质的降解介导实现的。成纤维细胞能够分泌基质金属蛋白酶，降解细胞外基质，而细胞外基质成分的改变决定了某一特定的器官是否诱导转移性生长。如：与纤连蛋白的降解增强相一致的转移部位的确定，表明了基质成分有可能是循环的肿瘤细胞识别的标志之一。在转移部位过表达金属蛋白酶的组织抑制剂能使转移受到抑制，证明基质成分的改变能够破坏转移潜能。

成纤维细胞还能刺激肿瘤细胞分泌基质金属蛋白酶。通过细胞外糖蛋白血小板反应素-1（thrombospondin-1，TSP-1），成纤维细胞能够上调乳腺癌中基质金属蛋白酶-9（matrix metalloproteinases-9，MMP-9）的表达。另外，在卵巢癌中，成纤维细胞可能经Mek-1/MAPK和PI3k/Akt通路而活化MMP-9。

基质金属蛋白酶和其抑制剂对细胞外基质的调节在肿瘤的进展中起了很大的作用，因为特定的基质调节因子的表达水平与肿瘤的转移潜能一致。然而，不同的肿瘤对基质调节因子具有不同的依赖性。转化的鼠源性细胞系的转移潜能与MMP-3、MMP-10的表达水平有关，而与MMP-2、MMP-9无关。在鳞状细胞癌中，MMP-2的表达与转移没有明显的相关性，而与MMP-9的水平有转移相关性。

六、器官微环境对肿瘤转移的特异性的影响

1889年，外科医生Paget分析了死于癌症的妇女的尸检资料，注意到肿瘤转移到卵巢的较高的发生率以及与不同的原发瘤相关的骨骼转移具有不同的发生率。Paget认为，肿瘤转移的器官分布不是一个偶然或随机的事件，而且只有当“种子”（具有转移能力的肿瘤细胞）和“土壤”（对种子提供生长优势的器官）是相容的时，转移才能发生。这就是肿瘤转移的“种子与土壤”假说。

随着研究的深入，该假说受到越来越多实验证据的支持。

对肿瘤患者的临床观察和实验性啮齿动物肿瘤的研究表明，肿瘤转移至特定的器官并不依赖血管的解剖、血流率以及输送到各个器官的肿瘤细胞的数量。实验动物中放射性标记的黑色素瘤细胞血源性播散的分布和归宿证实肿瘤细胞能到达多个器官的微血管，但在器官实质中的生长只出现在特定的器官中，即肿瘤转移具有器官特异性。

肿瘤对器官特异性转移，比较有意思的证据来自实验性脑转移的研究。Schachert等将同源的肿瘤细胞注射入给脑供血的裸鼠颈内动脉，利用这个过程来研究两种不同的鼠黑色素瘤的转移。这两种黑色素瘤在脑转移的模式是不同的：K1753黑色素瘤（与鼠C3H/HeN同源）产生的损伤只出现在脑实质中，而B16黑色素瘤（与鼠C57BL/6同源）只生长在脑膜和脊髓。相似地，将不同的人黑色素瘤或肿瘤注射入裸鼠颈内动脉，也能产生特异性脑转移模式。以上结果证明了在一个器官的不同区域肿瘤转移生长具有特异性。

目前对“种子与土壤”假说的解释有三项原则：

首先，肿瘤具有生物异质性。肿瘤内含有具有不同血管生成、侵袭和转移能力的亚群。

其次，转移是个选择性过程。转移的肿瘤细胞要经历侵袭、形成瘤栓、在循环中生存、到达远处血管床中滞留-渗出、在器官实质内定居、增殖。尽管该过程有些步骤含随机成分，但总体来说，转移有利于原发瘤中一些亚细胞群的生存和生长。转移灶有克隆起源，不同的转移灶起源于不同的单细胞的增殖。

第三，转移的产生有赖于肿瘤细胞和宿主微环境的多个复杂的相互作用。特定的微环境影响着转移细胞的生物学行为。