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转移的低效性和肿瘤休眠

时间:2022-04-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:众所周知,转移已成为多数肿瘤患者的死亡原因。大多数循环肿瘤细胞的命运和导致转移效率低下的原因是值得继续研究的重要领域。对于导致肿瘤休眠的因素和唤醒处于休眠状态肿瘤细胞的因素目前还知之甚少。实验模型有助于阐明转移过程和休眠肿瘤细胞的状态。这些“不和谐”包括乳腺癌和前列腺癌的骨转移,尸

◎Ann F. Chambers

4.3.1 转移——临床难题

众所周知,转移已成为多数肿瘤患者的死亡原因。然而,庆幸的是肿瘤转移过程非常低效。在临床和实验模型中,大量肿瘤细胞离开原发肿瘤并在循环中或在远处器官被检测,但这些播散的肿瘤细胞极少形成明显的临床转移。多年前,在临床上对接受腹腔静脉分流术姑息性治疗恶性腹水引起疼痛的患者进行的研究已证明了这一点。在这些患者的血液中检测到大量活的可形成克隆的肿瘤细胞[1,2]。然而,这些患者似乎没有更坏的结果,而且尸检没有检测出肉眼可见的转移灶增加的迹象[1,2]

许多实验性动物转移模型的研究报道与这些临床结果一致。在实验小鼠模型的循环系统中可检测(或注入)大量的肿瘤细胞,但其中只有小部分细胞产生逐步生长的转移灶(包括早期例子[3-6])。例如,Fidler研究发现经尾静脉注射50000个B16F1黑色素瘤细胞,只有0.12%的细胞产生肺转移灶,而B16F11细胞(经筛选转移能力增强)的转移效率增加到0.74%[7]。因此,即使选择转移能力强的细胞系其转移过程也是非常低效的,细胞群中大多数细胞未能产生转移灶。Hill等人对高低转移细胞可能存在的差异进行了补充研究,发现B16F10细胞导致肿瘤细胞发生转移的遗传或表观遗传不稳定性的比例增加5倍[6]

对实验动物循环肿瘤细胞命运的详细分析已经显示,导致转移过程整体效率低下的关键步骤包括能够离开原发肿瘤和进入循环的细胞数、大多数到达远处转移部位的细胞不能开始生长,以及许多新生的微转移未能持续生长[8-15]。Luzzi等[9]量化了从小鼠肠系膜静脉注射靶向肝的B16F1黑色素瘤细胞的低转移效率,发现注射的细胞只有0.02%可产生肉眼可见的转移灶,较大部分细胞( ~2%)开始形成微转移,但很少可以持续生长,且在实验结束时36%以上的接种细胞成为孤立的休眠细胞,与逐步生长的肉眼可见转移灶在肝脏中共存[9]

研究证明转移低效率具有器官特异性,不同的肿瘤可在某些器官内比在其他器官生长更好,这取决于肿瘤的类型及其他因素[16,17]。在许多实验模型中也已检测到大量处于休眠状态的孤立细胞[1,8-12,18-21],这种细胞也已在患者体内被检测到[22-25]。大多数循环肿瘤细胞的命运和导致转移效率低下的原因是值得继续研究的重要领域。更好地理解导致转移效率低下的因素,可能有助于提供预防或更好地治疗转移性肿瘤的新策略。

4.3.2 肿瘤休眠——临床难题

当前大多数类型实体瘤的治疗方法通常包括手术切除原发肿瘤,并外加局部放疗以消除在原发瘤部位的残余肿瘤细胞。初期治疗结束后,如果预后因素表明肿瘤向远处器官扩散的可能性不大,患者可能会被认为已治愈,无需进一步治疗。但如果发现肿瘤较大和淋巴结阳性等预后不良因素,则提示有未被发现的远处扩散的概率较高,此时可以采用辅助治疗(化疗、激素治疗、分子靶向治疗),以防止微转移灶的随后生长。

诊断明确的转移灶(即已知转移瘤的存在部位)的治疗可能还包括化疗、激素治疗和(或)分子靶向治疗,以及在某些情况下的放疗。但在这种情况下可能许多肿瘤不能被治愈。因此,需要对假定的微转移灶和确诊的转移瘤的生物学有一个更好的了解,以提高肿瘤患者的生存率。在这里,我们将参考生物学、分子生物学有关转移进程的最新观点,收集相关的实验性研究和临床观察资料。

已经成功治愈的原发瘤多年后肿瘤还可能复发的临床事实增加了肿瘤治疗的复杂性,这一点在乳腺癌、黑色素瘤和肾癌等肿瘤尤为突出,有报道经初期治疗后几年甚至数十年后发生转移复发的例子[26-31]。隐匿性转移灶通过捐赠器官进行移植,而器官接受者通常需要接受免疫抑制治疗,随后在移植器官也会发生肿瘤[27]。还有报道因为自身摘除原发肿瘤接受免疫抑制治疗也会导致肿瘤复发和转移[26]。这些报道都证实了肿瘤休眠的概念。

扩散的肿瘤细胞可以进入休眠状态,导致患者和医生在决定治疗方法时的不确定性。例如,医生和患者需要依赖于提示微转移危险度概率的历史数据,基于肿瘤诊断时表现出的特征,如肿瘤大小、淋巴结状态等,来权衡辅助治疗的利益与风险[32]

预后因素和生物标记可能有助于评估未来复发的风险及对特定疗法的可能反应[33-38]。然而,这些信息是基于群体的,并不一定能准确预测个别病人的临床结果或反应。即使进行了辅助治疗,部分患者仍会复发。“治愈”的病人和未确诊微转移并在“肿瘤休眠”状态的病人之间有何区别? 对于导致肿瘤休眠的因素和唤醒处于休眠状态肿瘤细胞的因素目前还知之甚少。实验模型有助于阐明转移过程和休眠肿瘤细胞的状态。

4.3.3 转移的步骤——实验性研究

实验研究有助于阐明转移过程的复杂步骤[39],转移过程包括从原发肿瘤的局部侵袭开始的一系列连续步骤[40]。然后肿瘤细胞可能会进入血液或淋巴循环(血内渗),并离开原发部位[14,15]。一旦进入血液循环,细胞就向远处器官移动。在第一次通过毛细血管床时由于实体瘤细胞(15~25μm)相对于新器官中的毛细血管(5~10μm)大小的差异,被高效地从血液(或淋巴)中过滤出来[12,41]

到达并滞留在新部位之后,许多肿瘤细胞可能从脉管系统溢出进入组织(外渗)。一些细胞开始生长,形成血管生成前的微转移,其中一部分则可能血管化并进展性生长为转移灶。在“命运分析”实验的详细研究中,大部分到达新器官的肿瘤细胞仍然是孤立的休眠状态细胞,只有很少一部分出现转移[9-11,21,42]。已经证明,这些休眠细胞能够抵抗针对活跃分裂细胞的细胞毒性化疗,而正是这些细胞可能导致辅助治疗看似成功,而后却出现了新的转移[43]

众所周知,许多肿瘤的转移具有器官特异性,例如,乳腺肿瘤通常向肺、肝、骨和脑转移,而结肠癌可能通常扩散到肝(Stephen Paget最初于1889年发表在Lancet上的开创性论文已发表百年[44])。在一项尸检研究的分析中,Weiss在已知的血液流动模式前提下,对尸检发现的器官特异性转移从一系列成对的原发癌部位和继发部位进行了比较[17]。他发现在2/3成对器官中,检测到的转移数量与已知的血流模式呈比例,而在1/3器官中,单用血流模式难以解释可检测到的转移数量。这些“不和谐”包括乳腺癌和前列腺癌的骨转移,尸检发现在这里的转移比单靠血流模式可以解释的更多。因此,似乎转移到继发部位的癌细胞与主要器官的血流模式呈比例,即大多数细胞在遇到第一个毛细血管床时从血液中有效地被“过滤”,而且继发部位的分子和微环境因素,加上肿瘤细胞生存和增长的需求,共同决定癌细胞是否能形成明显的转移灶[12]

有人指出,并非所有器官中都形成转移,表明存在器官特异性转移模式。Tarin等一系列研究很好地说明了器官特异性生长调节的概念,他们将标记有绿色荧光蛋白的肿瘤细胞注入小鼠形成原发瘤[19,20]。然而,整个小鼠体内发现了大量孤立的绿色荧光细胞,像休眠细胞那样可以在不利于其生长的环境中存活,但不能生长。将这些细胞分离出来后,再注入小鼠体内时仍保留了其致瘤性和转移能力[20]

临床上,在肿瘤患者的骨髓或血液[22-25,45]以及淋巴结[46-48]中可发现癌的远处微转移,远处播散的肿瘤细胞的存在预示预后不良。然而,对附近或远处微转移疾病的临床意义仍然知之甚少。

图4-11显示在乳腺癌患者前哨淋巴结检测到孤立乳腺癌细胞,淋巴结阳性(出现>2mm的肿瘤沉淀)强烈提示预后不良[32]。无论是在远处器官中孤立的肿瘤细胞,或作为淋巴结微转移灶( <2mm)的预后意义都尚不明确。曾有研究[46-48]证明有淋巴结微转移阳性的乳腺癌患者与淋巴结阴性患者的预后相同。虽然这些肿瘤细胞是从原发肿瘤脱落,其在远处重要器官发展转移的概率仍然有待阐明,且普遍是相当低效的[1,2,46-48]。这与前述的腹腔分流的报道一致,大量播散肿瘤细胞最终形成肉眼可见转移的可能性很低[1,2]

图4-11 乳腺癌的前哨淋巴结微转移

注: 在两个不同乳腺癌患者前哨淋巴结的孤立乳腺癌细胞(A图箭头)和微小转移灶(B图箭头)。采用具有抗角蛋白抗体的免疫组织化学染色法检测肿瘤细胞。这些微转移灶的临床意义尚不清楚(图由Alan BT博士提供[79])。

对休眠细胞器官特异性调控进一步的支持来自于受体的移植器官中产生转移癌的报道,因为接受了表面上已经治愈的癌症患者捐赠的器官[27]。在这种情况下,捐赠者器官中的休眠细胞可能存在但未被检测到,只有在接受免疫抑制治疗的新宿主体内才再度觉醒。这些研究表明,免疫监视可能是防止播散肿瘤细胞过度增生的重要因素,尽管免疫系统影响休眠的机制可能很复杂[49,50]

目前正在进行的有关研究如播散肿瘤细胞是否存在特定亚群,它们具有特定的生物标记、具有肿瘤干细胞特性等侵略性特征、有较高的在转移后生长概率等,可能有助解释这一难题[22,24,45]。重点需要了解的问题是,已播散到远处的肿瘤细胞是否有可能发展到危及生命的转移,以及发生转移的概率有多大。

4.3.4 肿瘤休眠

上面已经描述了临床肿瘤病人和实验研究中的两种截然不同的肿瘤休眠状态:①单个播散肿瘤细胞,这些细胞似乎处于静止状态,既不分裂也不发生凋亡,而且实验证据提示这些细胞可能耐受针对活跃分裂细胞的细胞毒性化疗[11,43,51]。②描述了“休眠”但活跃的血管生成前微转移,其细胞分裂与凋亡处于平衡状态,大小没有净增加[13,52]。这两个阶段的休眠将呈现明显不同的临床治疗靶点[13,23,53,54]。仍不清楚导致肿瘤休眠和随后再度唤醒的因素。

最近的实验模型提供了用于研究可能影响从休眠过渡到进展生长的分子生物学因素的工具与手段[55-57]。然而,对控制进入休眠状态和重现活跃生长的因素仍然知之甚少[18,23,25,51,58,59]。Barkan等开发的体外细胞培养系统似乎可用于体内休眠动力学的预测。采用这种模式,他们已经识别出细胞骨架的组成部分与细胞外基质之间的相互作用是休眠状态的重要调节因素[55]。从休眠到增殖的过渡需要通过整合素β1信号传导,导致肌球蛋白轻链激酶磷酸化和细胞骨架重组[55]。Aguirre-Ghiso和他的同事已经确定信号通路,在一些情况下与应激反应相关,且与细胞外基质相互作用,这可能会导致细胞在新器官内休眠并生存[57,59-62]

还有关于转移抑制基因的相关信息。转移抑制基因有许多分子功能,最终都可能诱导肿瘤休眠和抑制肿瘤细胞在继发部位生长[63-66]。当然,许多诱发休眠或导致细胞觉醒的相关因素尚待进一步研究。应用这类信息可能对肿瘤细胞诱发或保持休眠,或杀死休眠细胞,制订这种疗法将是极大的挑战[23,51,67]。因为临床和实验数据表明,一旦休眠被打破,细胞可能恢复快速增殖[68,69],可能对此阶段的治疗造成更大困难。

4.3.5 肿瘤转移和休眠实验研究的临床意义

在未来发展转移预防和治疗的策略中,一个需要考虑的重要因素是否存在有效治疗的时间窗。图4-12列出了转移过程的各个阶段,并指出可能适合治疗的阶段。如果转移过程中的某个阶段在肿瘤初诊之前就已经发生,那么这个阶段对干预治疗就无用了。

不幸的是,转移过程的许多早期阶段可能在发现肿瘤以前就已经发生了。最近的证据表明,在进展早期就有一些肿瘤细胞已经从乳腺癌原发瘤脱离[70]。因此,针对包括从原发瘤内渗、循环中细胞的生存、在继发部位滞留及其外渗进入组织等转移过程早期阶段的治疗策略未必有效,因为不能确定这些过程在肿瘤诊断之前没有发生。然而,在转移过程后期阶段中可能存在一个较宽的治疗时间窗。

目前大部分辅助治疗针对的是正积极分裂但还没有形成可见转移的肿瘤细胞。在图4-12中,在处于休眠、血管新生前状态的微转移由正在分裂但也发生凋亡的细胞组成,它们是针对活跃分裂细胞的细胞毒性化疗的合适目标。这些微小转移也可能成为抗血管生成疗法的合适靶标,使它们保持血管新生前的微小状态。活跃生长的转移灶,无论大到临床可以发现,还是无明显临床症状的较小已血管化的转移灶,同样也是细胞毒性和抗血管生成疗法的合适目标。这两种状态的细胞也适于应用分子靶向治疗来抑制表达分子靶标细胞群的生长。不幸的是,目前常用的许多肿瘤疗法对临床转移的疗效不佳。已有非常好的辅助疗法成功治疗许多类型肿瘤的实例[71]。有证据表明长期(如5~10年)激素疗法可能保持持续的疗效[72-77],这也证实辅助治疗可能针对非常广阔的“时间窗口”。然而,长期治疗所面临的挑战是这种疗法的副作用必须足够小。目前的临床试验都在进一步努力探索这一目标[78]

图4-12 转移过程的步骤及其临床治疗靶标

注: 在原发瘤的诊断前发生的步骤可能不是良好的治疗靶标,而肿瘤诊断后发生的步骤更加适合,且可能提供较宽的治疗时间。因此,有必要针对转移过程的各个阶段发展出新的预防和治疗策略[79]

相比之下,孤立的休眠细胞是静态的,细胞毒性疗法对其没有明显效果[43]。针对孤立休眠细胞的治疗前景仍不明朗,且尚未发展有效针对这些细胞的治疗策略[23,24,67]。令人信服的证据表明,许多表面上“治愈”的癌症患者可能携有潜伏几年甚至几十年的肿瘤细胞,这些细胞可能被不明的刺激所唤醒。

4.3.6 结论和尚存的问题

从临床和实验研究已获得了很多转移过程和步骤相关知识,在改进肿瘤辅助治疗方面取得了重大的进展,许多肿瘤患者得以长期存活。然而,肿瘤休眠是真正的临床难题,我们还没有现成的答案。需要更多研究进一步了解肿瘤休眠机制及其作为治疗靶点的可行性,以便针对肿瘤发展中这一重要方面开发出临床上可行的疗法。深化对肿瘤休眠本质的认识,将引导和发展针对这些细胞的治疗策略,这对解决肿瘤治疗这一难题至关重要。

(郑燕译,钦伦秀审校)

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