結直腸癌干細胞和微環境對結直腸癌轉移的影響

張叢榮，朱安龍

(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院結腸直腸外科，哈爾濱 150001)

結直腸癌是世界范圍內最常見的癌癥類型之一，約占所有新發癌癥的10%，占所有癌癥死亡病例的8.5%[1]。結直腸癌發病逐漸趨于年輕化，其中年齡<40歲的患者占所有結直腸癌患者的2%～8%[2]。目前，結直腸癌的治療以手術治療及放化療的綜合治療為主，絕大多數早期患者可以通過手術治療治愈，但對于有轉移的結直腸癌患者只有一小部分可以通過手術治愈，且5年生存率很低。結直腸癌的復發大多以轉移形式發生，其主要由手術前播散到遠處器官的殘存腫瘤細胞引起。而目前的系統性治療(全身化療)并不能消除潛伏的殘存腫瘤細胞，且對轉移灶的增長也無治療效果，只能為患者提供幾個月的生存優勢。轉移是指癌癥播散到遠處器官并形成轉移灶，在結直腸癌患者中主要涉及肝和肺。為了獲得轉移的能力，癌細胞需要侵襲周圍組織、在循環中存活、定植于遠處器官并最終恢復生長能力，但轉移是一個低效過程，在轉移的過程中大多數癌細胞喪失了生長能力[3]。自2016年以來，學者逐漸發現影響結直腸癌轉移的相關因素：腫瘤在遠處器官的再生與癌細胞獲得干細胞樣表型密切相關[3]。轉移性腫瘤干細胞具有多種表型和生物學行為，腫瘤主要依靠它們與微環境的相互作用來遷移、在循環中生存、在遠處器官再生。現就結直腸癌干細胞和微環境對結直腸癌轉移的影響予以綜述。

1 結直腸癌概述

正常結腸的上皮細胞是不斷更新的，在結腸黏膜腺體基底部的隱窩細胞是快速增殖分化的腸道干細胞，其可以維持上皮細胞的穩態再生[4]。調控腸道干細胞更新和增殖的信號通路不斷被發現，包括Wnt、表皮生長因子受體/促分裂原活化的蛋白激酶和Notch信號通路等，而轉化生長因子-β信號通路誘導細胞停滯[4]。腸道干細胞的高增殖狀態增加了其在DNA復制階段突變的可能，此外生活方式、飲食習慣和微生物等環境因素也對上皮細胞的轉化產生很大影響[5-6]。在結直腸癌患者中，最常見的遺傳學改變為抑癌基因APC的失活，失活的APC基因激活Wnt信號通路在腫瘤發生初期形成持續的干細胞增殖狀態，從而導致上皮細胞的良性增生，即腺瘤。在小鼠模型中進行的遺傳實驗證實了這種假設，即腸道干細胞的APC基因突變是腸息肉的起源[7]。而一小部分腺瘤通過其他的突變變得具有侵襲性，這些突變主要由3個信號通路介導：①促分裂原活化的蛋白激酶通路。其通過激活KRAS、BRAF或PIK3CA基因突變而使癌細胞獲得自主有絲分裂及增殖的能力。②p53通路。p53通路被突變的p53蛋白刺激失活，從而產生基因組不穩定性。③轉化生長因子-β通路。其常因TGFBR2、SMAD4、SMAD2或SMAD3功能缺失而失活，從而避免了腫瘤微環境中高轉化生長因子-β水平的抑制作用[8]。獲得這些突變是一個緩慢的過程，由于染色體不穩定性和DNA錯配修復系統的缺陷，腫瘤的發生往往積累了數百甚至數千種的遺傳變異，其中一些突變會賦予癌細胞新生物學行為，增加其侵襲性，另一些突變作用仍未知，這些因素共同作用使結直腸癌的治療變得困難。

如上所述，促進結直腸癌發展的突變影響了調節腸干細胞行為的信號通路，使癌細胞獲得自主分裂和生長的能力，不受腸干細胞信號的調控。有學者提出了這樣一種假設，即在促分裂原活化的蛋白激酶通路、p53通路、轉化生長因子-β通路中獲得的突變促進了腫瘤細胞在不利環境中的生長[9-10]。雖然這些突變促進了腫瘤的發展，但轉移仍不常見，說明有其他相關因素限制了腫瘤的播散。大多數結直腸癌在診斷時即具有侵襲性，這使得脫落的癌細胞有機會進入循環系統數月或更長時間，當播散的結直腸癌細胞進入門靜脈循環時，其在幾分鐘內就會被運送到肝竇，并在血管開放時進入肝實質。在肺轉移的情況下，結直腸癌細胞首先進入體循環然后浸潤肺實質，而結直腸癌細胞浸潤其他器官(大腦)的能力尚不清楚[11]。研究表明，腫瘤轉移過程中的限制因素為循環腫瘤細胞定植于遠處器官的能力[3]。大多數在循環系統中存活并浸潤到遠處器官的腫瘤細胞會死亡，其原因尚不清楚，可能與先天和適應性免疫系統對腫瘤細胞的識別和殺傷有關，而存活下來并適應新環境的腫瘤細胞即可產生轉移。然而，并不是所有成功播散到遠處的癌細胞均有在新環境下完成增殖的能力，通常在恢復增殖能力之前，它們會在遠處器官潛伏數月到數年[12]。

2 結直腸癌干細胞對結直腸癌轉移的影響

2.1腫瘤細胞的等級結構 腫瘤干細胞的概念最先出現于血液系統的腫瘤，其是指具有自我更新能力并具有無限分化潛能的一類細胞，腫瘤干細胞在適宜環境下分化出與原表型不同的腫瘤細胞，從而導致腫瘤的轉移灶形成[13-14]。有學者提出，結直腸癌是由不同致瘤潛能的細胞群引起，稱之為腫瘤起始細胞[15-16]。研究表明，腫瘤起始細胞(亦稱結直腸癌干細胞)位于腫瘤細胞層次的頂端,它們可以自我更新，并具有長期增殖分化的潛能，在接種到小鼠體內時可引發腫瘤[17]。結直腸癌中干細胞多能性和細胞分化的平衡依賴于調節正常腸道干細胞的信號通路，這些信號通路中有許多細胞因子是由腫瘤基質細胞提供的，而在侵襲部位存在其他基質來源的細胞因子和生長因子可進一步促進結直腸癌干細胞的自我更新。由于結直腸癌干細胞具有自我更新和產生腫瘤啟動的能力，所以它可能代表(或產生)所謂的轉移干細胞，即轉移的起源細胞[18]。研究表明，只有具有長期自我更新能力的細胞才有可能發生轉移[19]。

大多數的結直腸癌是一種相對紊亂的干細胞與分化細胞混合的細胞團塊，而遠處轉移形成的轉移瘤與其具有相同的性質。雖然存在于腫瘤腺體中的結直腸癌干細胞在分離和異種種植于小鼠體內時具有致瘤性，但在自然條件下，它們只有在首次獲得表型改變使其能夠遷移和外排時才有能力發生轉移，這一過程在癌細胞與鄰近組織和腫瘤間質進行物質交換時發生。

2.2休眠和緩慢增殖的腫瘤細胞 轉移通常發生在潛伏期后，結直腸癌的潛伏期長達5年，潛伏期是播散的腫瘤細胞保持休眠狀態的結果。目前，清除這些殘存腫瘤細胞的治療方法為標準化療，但化療對這些殘存的腫瘤細胞殺傷力有限，因為化療通常是針對快速增殖的腫瘤細胞，而休眠和緩慢增殖的腫瘤細胞在很大程度上對化療具有耐藥性。休眠的腫瘤細胞對誘導細胞死亡的信號產生一種特殊的應答狀態，從而保護其免受免疫系統的攻擊[20]。轉移的潛伏期形成可能由兩種機制導致：①群體休眠，即腫瘤細胞增殖和死亡平衡的狀態，從而導致微轉移灶不擴張；②細胞靜止或暫時有絲分裂停止的狀態[3]。理解這些機制可使醫師有機會在發生明顯轉移前消除殘存病灶(或抑制其生長)，從而治愈患者。雖然結直腸癌中休眠細胞群的起源、特征和調控尚不清楚，但其可能會為正常腸上皮細胞多樣性的研究提供方向。

2.3腫瘤細胞的遺傳學改變 由于基因組的不穩定，腫瘤獲得了數百種遺傳和表觀遺傳學的改變，使腫瘤細胞獲得不同的表型，而這可能導致克隆擴展，這種進化現象是腫瘤適應不同環境、定植遠處和抵抗治療的基礎。在概念上，腫瘤細胞等級和克隆多樣性導致的表型異質性可能具有一定的相關性，結直腸癌干細胞代表克隆選擇的單位，在分化程度較高的細胞中發生突變，但由于該群體的壽命較短，所以被選擇的機會較低[19]。雖然克隆多樣性與治療耐藥性和轉移能力增強有關，但對原發性結直腸癌和轉移灶的基因測序并未發現與腫瘤播散有關的特定基因突變，原發腫瘤和轉移灶之間的相似性表明，非遺傳因素可能在這一過程中具有特殊作用[21]。

3 微環境對結直腸癌轉移的影響

結直腸癌上皮間質異質性為結直腸癌患者的診斷和治療帶來了新思路，瘤內異質性還包括很多其他的細胞類型，它們滲透到腫瘤中，統稱為基質或腫瘤微環境。基質的相關功能與癌癥進展和轉移的所有步驟均有聯系，在癌癥進展過程中癌細胞與基質進行物質交換并共同發展；從概念上來講，轉化的癌細胞強烈改變了基質的性質和組成，并通過這種改變形成適宜癌細胞生長的微環境，為癌細胞提供保護。因此，越來越多的研究開始重視與腫瘤惡性和轉移定殖有關的特定基質細胞群的特征。

3.1微環境中的癌相關成纖維細胞 癌相關成纖維細胞是指腫瘤間質內一組高度同源的具有特殊表型的活化成纖維細胞，其可以從腫瘤的不同部位分離出來。癌相關成纖維細胞與正常成纖維細胞的區別在于其可激活肌成纖維細胞的表型，促進α-平滑肌肌動蛋白、成纖維細胞特異性蛋白-1和成纖維細胞活化蛋白的表達，這些均是識別癌相關成纖維細胞的特異性標志。癌相關成纖維細胞為結直腸癌細胞提供一系列細胞因子，促進了癌細胞存活和腫瘤的發生[22]。在機制上，與正常結腸成纖維細胞相比，癌相關成纖維細胞更能促進癌細胞在體內的生長，其分泌的細胞因子更能促進上皮癌細胞的自我更新和遷移[23]。此外，從癌相關成纖維細胞中獲得的基因表達特征可能與結直腸癌的預后不良有關[24]。因此，癌相關成纖維細胞在腫瘤微環境中是一個重要的細胞群體，它們為癌癥的進展提供了適宜環境。

3.2基質環境 腫瘤細胞周圍的基質環境有不斷發育的血管網絡，其為腫瘤細胞的生長提供所需的營養物質與氧氣。腫瘤細胞分泌的生長因子刺激內皮細胞增殖分化，從而促進血管生成，而與腫瘤相關的血管生成又導致血管異常，常表現為網絡混亂、分支過度、周圍細胞覆蓋減少和滲漏，血管異常與結直腸癌患者的轉移與不良預后有關[25]。血管內皮生長因子是大多數人類腫瘤內皮細胞增殖的關鍵調控因子，其可誘導激活促分裂原活化的蛋白激酶/胞外信號調節激酶信號通路，腫瘤血管內皮生長因子的表達與癌細胞的侵襲性、血管密度增加和轉移有關。研究證明，貝伐珠單抗、抗血管內皮生長因子的單克隆抗體和血管生成抑制劑聯合化療可提高Ⅳ期結直腸癌患者的生存率[26]。

3.3SA100A6蛋白 SA100A6是一種鈣離子結合蛋白，是SA100蛋白家族的一員[27]。目前，已知其蛋白家族可通過腫瘤微環境間接地促進腫瘤細胞轉移，其中SA100A4可以促進單核細胞向M2型極化，從而促進腫瘤轉移[28]。研究表明，SA100A6可以促進結直腸癌的進展和轉移，但其機制尚未明確[29]。

3.4白細胞介素-33 白細胞介素是一類分子結構和生物學功能基本明確且具有重要調節作用的細胞因子，其在免疫細胞活化增殖、免疫反應調節等各個環節中發揮多重作用[30]。白細胞介素-33是內皮細胞和上皮細胞分泌的一種細胞因子，其可以激活促分裂原活化的蛋白激酶信號通路，在結直腸癌中對腫瘤血管的生成有重要意義。近年來研究表明，白細胞介素-33在腫瘤的發生、發展及轉移等過程發揮調控作用，其存在異常表達，可能與腫瘤患者的臨床特征相關[31]。腫瘤細胞分泌的白細胞介素-33通過增加內皮細胞的增殖、遷移和向血管分化，顯著增加新血管的生成，從而增加結直腸癌細胞向肝臟的轉移播散，而阻斷白細胞介素-33介導的信號通路可以抑制血管生成，減少腫瘤的發生[32]。

4 小 結

結直腸癌干細胞和腫瘤微環境調節對結直腸癌進展和轉移的影響，以及治療方案的制訂、優化和應用具有重要意義。結直腸癌干細胞理論的提出對結直腸癌難以治愈的原因做出了解釋，雖然殺滅結直腸癌干細胞可以從根源上治愈結直腸癌，但其研究尚處于起步階段，對結直腸癌的徹底治療仍需進一步研究。腫瘤微環境與腫瘤的侵襲性密切相關，故對腫瘤微環境的研究對預防和治療腫瘤轉移具有重要意義。腫瘤的異質性在產生和維持結直腸癌干細胞的耐藥和轉移能力過程中發揮作用，尤其是腫瘤微環境支持的定植轉移。針對結直腸癌干細胞和微環境的治療，可以阻止有遠處轉移風險的早期結直腸癌患者發生遠處轉移。未來，以結直腸癌干細胞和癌細胞所處微環境為靶點的靶向治療聯合根治性手術及全身化療可能會為結直腸癌患者的治療提供新方向。