腫瘤微環境你真的了解麼——微觀視界探秘

腫瘤微環境，即腫瘤細胞產生和生活的內環境，其中不僅包括了腫瘤細胞本身，還有其周圍的成纖維細胞、免疫和炎性細胞、膠質細胞等各種細胞，同時也包括附近區域內的細胞間質、微血管以及浸潤在其中的生物分子。

早在100多年以前，Stephen Paget基於乳腺癌的器官特異性轉移中的臨床觀察，提出了著名的「種子與土壤」的概念。

然而，這一假說在當時並未受到足夠的重視，將治療思路僅僅局限於腫瘤細胞本身，導致人類的抗擊腫瘤之路走得異常艱難。

直到最近，才有越來越多的科學家開始意識到腫瘤與腫瘤微環境是一個不可分割的整體。

腫瘤微環境就像是一個小的生態環境，與其中的腫瘤細胞有著密切的聯繫。

因此，不論從生物學還是哲學的角度來分析，對腫瘤微環境的研究都是必不可少的。

1 、腫瘤微環境的特點

腫瘤微環境在理化性質方面與人體正常內環境存在著許多不同的地方，比較顯著的是其低氧、低PH以及高壓的特點。

正是因為這樣一些特點，才使得腫瘤微環境中存在大量的生長因子、細胞趨化因子和各種蛋白水解酶所產生的免疫炎性反應，這種特性都十分利於腫瘤的增殖、侵襲、粘附、血管生成以及抗放射化療，促使惡性腫瘤產生。

1.1 低氧環境

Thomlinson在1955就已經注意到了許多惡性腫瘤組織中存在的缺氧狀態。

缺氧區域內常常出現壞死現象，更容易發生腫瘤的擴散和轉移。

腫瘤細胞新陳代謝旺盛、生長迅速、繁殖能力強的特點就決定了其對能量需求高，因此其對氧氣以及葡萄糖等能量物質的消耗比正常細胞高出許多。

然而，隨著腫瘤本身的體積不斷增大，腫瘤組織因膨脹而遠離了含營養和氧氣充足的血管，這種供血不足導致了腫瘤微環境缺氧情況的進一步加深。

利用單克隆抗體進行免疫組化的技術，全世界已經有許多研究發現有一種缺氧誘導因子即HIF-1α(hypoxia-inducible factor-1α)在這些缺氧的腫瘤組織中處於高表達狀態。

它在腫瘤細胞的侵襲、轉移、永生化、腫瘤血管生成等方面都扮演重要角色。

如Kell等在心肌缺血研究中發現，HIF-1α是調節血管生成的重要因子，控制著多種血管生成生長因子的表達，這與HIF-1α對促進血管內皮生長因子VEGF(vascular endothelial growth factor)的表達有關。

又如Guber在有關乳腺癌的研究中發現HIF-1α處於高表達。

另外，還有關於少突神經膠質細胞瘤、子宮、口咽、卵巢癌的研究顯示，HIF-1α的過度表達對病人的死亡率有顯著的影響。

由此可見，HIF-1α的腫瘤表達相當廣泛，這也使其成為目前重要的抗腫瘤靶點之一。

1.2 低PH環境

以前大部分科學家認為，腫瘤微環境的低PH主要是由腫瘤細胞的無氧代謝決定的。

在缺氧而大量進行葡萄糖分解的情況下，糖酵解就產生了大量的乳酸而引起了PH的下降。

然而，有實驗證明即使在乳酸產量低或者人工提高腫瘤組織氧分壓或供血量的情況下，依然存在低PH的情況，這至少證明無氧代謝不是腫瘤微環境產生酸的唯一機制。

實際上，腫瘤細胞的膜系統上存在著多種離子交換體，在建立腫瘤微環境的酸性環境中起著重要的作用。

其中最典型的是V-ATPases，它是一個由13個亞單位組成的靠水解ATP功能的質子運輸通道，分布於某些器官、組織或細胞的囊泡、溶酶體、內質網等細胞器上，功能是將質子從胞內泵到胞外，或者從內層膜泵到膜間層。

正是V-ATPases的存在，腫瘤細胞才能將代謝中產生的大量H+運輸到細胞外，維持細胞質的中性和胞外的酸性環境，以免造成自身的酸中毒。

這些被排到腫瘤細胞外的H+就會隨濃度梯度進入正常細胞組織內並大量積聚，激活酶級聯反應而導致細胞壞死或凋亡，而這更有利於腫瘤的擴散與轉移。

另外，還有研究證明腫瘤微環境的酸性環境能誘導溶酶體的分泌增加和活化，激活蛋白水解酶來促進細胞外基質ECM(extracellular matrix)的降解和重構，這都有助於腫瘤的侵襲和轉移。

由此可見，如V-ATPases等這類靠維持細胞外酸性微環境和腔內酸性pH的能力來促進腫瘤惡變的蛋白載體也是值得我們注意的目標靶點。

1.3 高壓環境

腫瘤微環境中的另一個重要特點就是較正常細胞而言呈現組織高壓。

我們知道正常組織中淋巴系統對調節體液平衡有重要作用。

Diresta等在實驗中發現如果將人工淋巴系統植入腫瘤，可有效降低腫瘤細胞間質的壓力水平，說明腫瘤組織中缺乏這種功能性淋巴系統。

更多的研究發現，腫瘤血管不同於一般血管，具有血管形成不均勻分布、毛細血管間距變大、動靜脈短路、內皮細胞不完整以及基底膜中斷等特點。

正是這些超微結構的區別，使腫瘤血管舒縮性能降低、管壁易受損、血管阻力增大，還會出現血液濃縮、間質內液體增多、血細胞外滲粘性增大等現象，導致血管高滲，最終造成腫瘤間質高壓。

值得注意的是，腫瘤血管高滲的這種特點是隨著腫瘤組織所在位置，腫瘤發展階段不同而改變的。

這給科學家的研究帶來了更大的麻煩。

1.4 腫瘤細胞對特殊環境的適應

對於低氧、低PH和高壓這些與正常環境不相符的理化特點，腫瘤細胞卻能夠通過各種生物學調整對之很好地適應，並且腫瘤細胞的這種適應往往會導致惡性循環。

從基因的角度上來說，不正常的環境增加了腫瘤細胞基因組的不穩定性和異質性，從而更具抵抗性的腫瘤變異體被選擇了。

腫瘤細胞通過存活和繁殖，進一步加劇了腫瘤微環境中的缺氧狀態，這又進一步增加了基因組的不穩定性。

再以低氧條件為例，腫瘤細胞通過上調低HIF-1α在低氧環境中存活下來，並且適應了糖酵解的產乳酸環境。

大量乳酸的產生在加上腫瘤組織周圍不完整的脈管系統，使分解代謝產物累積，促成了微環境中的低PH環境。

另一方面，缺氧引起的HIF-1α高表達又使得腫瘤細胞表面向內皮細胞分泌一種轉運VEGF的小囊泡，並且PH越低越有利於小囊泡對於VEGF的攝取。

還有一個臨床實例即轉移癌細胞所致的骨破壞和骨形成所構成的骨重建。

這時，轉移癌細胞與破骨細胞、成骨細胞、內皮細胞、骨基質等相互作用，形成了一個自我持續的惡性循環。

這個循環一方面不斷驅使惡性腫瘤細胞的發展，另一方面進一步促進骨破壞與骨重建。

2 、腫瘤微環境中的調控因子

之所以稱腫瘤微環境為一個複雜的系統，不僅僅是因為其組成複雜，更是因為其中存在著多種重要的調控因子，包括核轉錄因子-κB(NF-κB)，誘生型一氧化氮合酶(iNOS)，環氧化酶-2(COX-2)，腫瘤壞死因子-α(TNF-α)，缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)，信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3)，核因子-E2相關因子-2(Nrf2)等，它們是聯繫微環境與腫瘤細胞的關鍵靶點。

正是這些調控因子，將腫瘤微環境與腫瘤細胞聯繫在一起，對整個腫瘤的發生與發展起著重要的調控作用。

其中比較重要的一個調節因子是NF-κB，它在炎症反應中有關鍵作用，負責調節炎症分子如細胞因子和粘附因子的基因表達。

在血管內皮細胞中，NF-κB激活化學增活素(Chemokines)和基質金屬蛋白酶(MMPs)的表達來導致血管生成和細胞外基質的降解；而巨噬細胞中，激活NF-κB可以促使iNOS表達，從而促進腫瘤的發展。

以NF-κB為靶點的研究目前非常活躍，許多藥物都已經進入臨床階段。

與NF-κB相似的還有信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3)，它接受生長因子、細胞因子細胞外信號或炎症微環境的刺激而被激活上調，其調節的基因產物不但可以促進腫瘤細胞的增殖，抑制其凋亡，而且可作用於微環境，促進血管生成和免疫逃避，與多種惡性腫瘤的發生與發展都密切相關。

由此可見，這些調控因子是在腫瘤微環境中，作用於腫瘤細胞的關鍵樞紐。

3 、腫瘤微環境與慢性炎症

在人們研究腫瘤的過程中，發現了兩個與以往經驗所不相符的現象。

一是以往認為，炎症與癌症是互不相干的獨立事件，然而流行病學專家多年研究慢性炎症與腫瘤的關係，發現在結腸癌、胃癌、膀胱癌、肝癌、胰腺癌等多種癌症中會聯合出現慢性炎症。

二是經典免疫學認為，通過免疫活性細胞及其分子執行的免疫監視的本來含義是幫助機體對抗有害的入侵者，從而也能發揮有效的抗腫瘤功能。

但在腫瘤實際的發展過程中，一些免疫細胞常常從內環境的「保護者」變為了腫瘤細胞的「幫凶」，促進並滋養了腫瘤的發展。

要解釋這兩個現象，離不開腫瘤微環境這個重要概念。

實際上，當腫瘤發生惡變時，有許多炎性免疫細胞被釋放到腫瘤微環境中參與和調節，其中起著重要作用的是來自骨髓的巨噬細胞、中性粒細胞、肥大細胞等。

它們釋放出的化學趨化因子、血管生長因子和基質降解酶等，對腫瘤的生長和侵襲十分有利。

此類例子很多，如乳腺癌及膀胱癌中，趨化因子配體2(CCL2)的表達與預後不良呈正相關；近研究發現炎性細胞中，中性粒細胞對於誘導腫瘤血管生成的作用最強，可以通過分泌基質金屬蛋白酶9(MMP9)和基質金屬蛋白酶13(MMP13)的方式降解重塑基底膜發揮作用。

再如上文提到的核因子-κB，其的作用極其重要，研究表明，它參與細胞受到各種各樣的應激刺激時眾多基因的活化，是炎症、天然免疫、後天免疫過程中的中心協調者。

這些因子在炎症的促癌功能及對腫瘤的存貨發揮著樞紐作用。

另外，這些免疫細胞也能通過產生活性氧和活性氮類化合物，來產生過氧亞硝酸鹽這種極易引起基因突變的細胞DNA損傷劑。

反過來說，腫瘤也會維持甚至加劇這種不穩定的慢性炎症狀態。

慢性炎症與腫瘤之間的這種無序的微環境在某種意義上成為「無法癒合的傷口」。

4 、治療腫瘤的新思路

前已述及，以前人類大部分治療癌症的努力都是只著點於腫瘤細胞本身，但是在我們認識到腫瘤微環境對整個腫瘤的發生與發展的重要影響之後，治療腫瘤的理念正在逐步改變。

1)在了解整個微環境對腫瘤的發生、發展、轉移的各種影響方式之後，著手於切斷腫瘤微環境與腫瘤細胞之間的聯繫，我們有了更多可能更有效的藥物靶點，比如前文所說的HIF-1α、NF-κB、STAT3等調控因子。

2)弄清楚微環境如何建立對腫瘤有利的條件的機制之後，我們可以選擇更合適的手段，設計新的藥物破壞這種條件的形成，如質子泵抑制劑(proton pump inhibitor，PPI)能有效阻止V-ATPases的反應，阻斷PH梯度的形成，達到抑制腫瘤生長的目地，且因其本身需在低PH的條件才能起作用的特性而對正常細胞的毒性很小。

3)腫瘤的發病機制如此複雜，可想而知再好的單靶向作用的治療手段必然不能兼顧到細胞中或細胞間生物大分子的互相影響，以及整個腫瘤微環境的信號網絡的互相聯繫。

而且單靶向藥物通常有強烈的抑制或激活靶點效果，若該靶點承擔某些生理功能，改藥物極易引起不良反應。

因此，基於腫瘤微環境這樣一個複雜的系統，我們更應該設計多靶點的藥物，不僅要考慮作為「種子」的腫瘤細胞，更要考慮作為「土壤」的腫瘤微環境，從整體上把握，才可能取到更好的治療效果和更低的毒副作用。

大量研究已證實腫瘤幹細胞是腫瘤耐藥、復發和轉移的根源，慢性炎症與腫瘤的發生和發展密切相關。

腫瘤炎性微環境中的IL-6、IL-8、EGF等炎性因子和生長因子激活了腫瘤幹細胞內NF-κB/Stat3信號通路，維持腫瘤幹細胞的自我更新能力，從而促進腫瘤的生長和轉移。

深入研究腫瘤炎性微環境對腫瘤幹細胞的調控機制，可以使我們找到潛在的治療靶點，為攻克腫瘤帶來新的思路和手段。

為此，生物谷於9月2-3日在上海舉辦癌症， 炎症與免疫研討會，邀請國內外專家， 學者， 醫生座談， 從基礎研究結合臨床的角度出發深度解讀癌症、炎症、免疫三者相關性，重點探討非可控性炎症癌症轉化的關係及治療策略， 為腫瘤治療與臨床轉化指引方向。

會議時間：9月2-3日 地點：上海好望角大飯店（中科院上海學術活動中心）

參會諮詢：

張文洋

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