癌相關成纖維細胞的代謝重編程與腫瘤發展及耐藥的關系

許建國，何永文

(昆明醫科大學附屬口腔醫院口腔頜面外科，昆明 650031)

腫瘤嚴重危害人類健康，在腫瘤發生發展過程中不僅表現為基因層面的異常表達，腫瘤細胞所處的環境也發揮重要作用[1]。腫瘤細胞所處的環境稱為腫瘤微環境(tumor microenvironment，TME)，由腫瘤細胞與成纖維細胞、腫瘤相關巨噬細胞、脂肪細胞、細胞外基質(extracellular matrix,ECM)和間充質干細胞等共同構成[2]。其中，癌相關成纖維細胞(cancer-associated fibroblasts，CAFs)是TME的關鍵組成部分[3]。Warburg等[4]發現，腫瘤細胞與正常細胞代謝存在區別，腫瘤細胞在氧氣充足時通過旺盛的糖酵解供能，而正常細胞在氧氣充足時糖酵解途徑被抑制，這種現象稱為“溫伯格效應”或“有氧糖酵解”。腫瘤細胞糖酵解水平升高可促進細胞增殖，而高水平糖酵解產生的活性氧類水平卻降低，導致細胞凋亡減少[5]。TME中的CAFs代謝重編程(“反溫伯格效應”)與腫瘤有氧糖酵解相互作用可促進腫瘤的發展[6]。腫瘤細胞耐藥是導致化療失敗的重要原因，也是導致腫瘤患者預后不良的原因。因此，闡明CAFs代謝重編程促進腫瘤細胞耐藥的機制具有重要的臨床意義。現就CAFs的代謝重編程與腫瘤發展及耐藥的關系予以綜述。

1 CAFs概述

成纖維細胞由間充質干細胞發育而來，與成脂、成骨、成軟骨的來源相同[7]。在TME中，各種細胞存在代謝異常，有助于腫瘤的生長，其中成纖維細胞起關鍵作用。多數CAFs由局部組織內的成纖維細胞激活或由腫瘤來源的間充質干細胞分化而來[8]。臨床可應用成纖維細胞標志物α平滑肌肌動蛋白、成纖維細胞活化蛋白、血小板衍生生長因子受體α、成纖維細胞特異蛋白-1和波形蛋白等鑒別CAFs[9]。組織活檢分析認為，上皮細胞、內皮細胞和白細胞標志陰性以及形態細長、癌細胞內未發現突變的細胞等是CAFs的特點[7]。此外，CAFs的來源多樣，如來源于間充質干細胞[10]、由周細胞轉化而來[11]以及由不同類型腫瘤的脂肪細胞轉化而來等[12]。

腫瘤激活成纖維細胞成為CAFs的途徑主要包括：①腫瘤免疫浸潤和分泌可溶性因子，包括轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)家族配體、成纖維細胞生長因子、溶血磷脂酸、血小板衍生生長因子、顆粒蛋白、白細胞介素(interleukin，IL)-1和IL-6等[13]；②成纖維細胞直接與腫瘤細胞接觸，激活Notch信號通路，促使成纖維細胞轉變為CAFs[14]；③CAFs可沉積ECM，而ECM的改變(包括成分和硬度的改變)可促進CAFs的激活[15]；④常規治療方法(如放療)也可增加生理和基因組的環境壓力，進一步激活CAFs[16]。CAFs激活可增加細胞收縮力，促進腫瘤的發生、發展、侵襲、轉移和耐藥。

2 CAFs的代謝重編程

Warburg等[4]認為，由于腫瘤細胞的有氧呼吸功能受損、線粒體的有氧代謝功能發生不可逆損傷，導致有氧糖酵解的發生。然而，在氧氣充足的條件下，大多數腫瘤細胞不僅依賴于線粒體氧化磷酸化獲得能量，還可通過葡萄糖轉化為乳酸產生細胞所需的能量。有研究發現，一些腫瘤細胞的線粒體有氧代謝功能并未損傷，仍可為腫瘤生長提供能量[17]。只要抑制腫瘤細胞的糖酵解可恢復線粒體氧化磷酸化，表明氧化代謝功能在大多數腫瘤細胞糖酵解中仍起作用，乳腺癌細胞MCF7通過線粒體呼吸產生80%的ATP即可證實這一觀點[18]。CAFs的代謝重編程稱“反溫伯格效應”，即CAFs經過糖酵解生成豐富的燃料(如乳酸和酮體)，這些燃料被腫瘤細胞吸收并通過氧化磷酸化進行代謝，為腫瘤生長提供能量[19]。三陰性乳腺癌細胞分泌整合素β4蛋白作用于CAFs，促使其發生代謝重編程，整合素β4過表達則可誘導CAFs線粒體自噬，進而增加其糖酵解水平[20]。當腫瘤細胞通過旺盛的糖酵解供能時，單羧酸轉運體(monocarboxylate transporter，MCT)1和MCT4負責運輸乳酸，使腫瘤細胞內環境達到相對穩定的狀態[21]。有研究發現，MCT1和MCT4均支持腫瘤細胞與CAFs間的代謝偶聯，由于腫瘤細胞中的MCT1表達水平升高，高水平氧化磷酸化的腫瘤細胞對乳酸攝取增加，其中MCT1的主要作用是為腫瘤細胞提供乳酸攝取；而在CAFs代謝重編程后MCT4 的表達水平升高，其主要作用為輸出乳酸[22]。腫瘤細胞可分泌大量細胞因子至TME中，其中一部分可促進CAFs的代謝重編程，導致CAFs中的有氧糖酵解增強[23]。

3 CAFs代謝重編程的調控機制

CAFs在不同腫瘤疾病中具有不同的代謝表型。CAFs與腫瘤細胞間串擾并發生代謝重編程，兩者間的相互作用有助于CAFs的激活和腫瘤細胞的生長。CAFs代謝重編程的具體機制目前尚未明確，可能包括：①CAFs糖酵解途徑中的主要酶——己糖激酶2和肝臟磷酸果糖激酶均顯著上調，這也是CAFs糖酵解上調的本質[24]；CAFs分化TGF-β1上調己糖激酶2蛋白表達[25]。②致癌基因c-Myc通過上調乳酸脫氫酶A和葡萄糖轉運體1的表達增強CAFs糖酵解，而乳酸脫氫酶A、葡萄糖轉運體1表達水平升高可增加腫瘤細胞代謝和葡萄糖攝取[26]。③CAFs與前列腺癌細胞接觸后發生代謝重編程，導致碳酸酐酶Ⅸ表達上調，碳酸酐酶Ⅸ是一種跨膜酶，具有促進細胞外部微環境酸化的作用，可改變腫瘤細胞的代謝[27]。④G蛋白偶聯雌激素受體調節CAFs的代謝重編程，細胞質中的G蛋白偶聯雌激素受體通過激活G蛋白偶聯雌激素受體/環腺苷酸/蛋白激酶/環腺苷酸效應元件結合蛋白信號通路的轉導，促進CAFs與腫瘤細胞相互作用[28]。⑤CAFs代謝重編程過程與三羧酸循環下調有關，在TGF-β1/血小板衍生生長因子誘導的CAFs中，異檸檬酸脫氫酶3α下調被認為是CAFs由氧化磷酸化轉換為糖酵解的關鍵標志[29]。⑥小窩蛋白1基因丟失在CAFs的代謝重編程中具有重要作用，敲除成纖維細胞中的小窩蛋白1基因可促進乳酸生成和腫瘤細胞的生長[30]。⑦微囊泡在CAFs代謝重編程中也起重要作用，CAFs以微囊泡為載體，將大量代謝酶相關的蛋白質和脂質轉移至鄰近的腫瘤細胞中，有助于腫瘤細胞的增殖[31]。綜上，對CAFs代謝重編程機制的研究有助于了解CAFs的激活過程以及CAFs在腫瘤中發揮的關鍵作用。

4 CAFs代謝重編程對腫瘤的影響

4.1與腫瘤相互作用 腫瘤細胞生長時會招募基質細胞來誘導復雜的TME形成。CAFs是反應性基質細胞之一，可與腫瘤細胞共存并不斷相互作用。腫瘤細胞誘導CAFs代謝重編程后釋放IL-6等細胞因子，CAFs與腫瘤細胞相互作用，激活腫瘤細胞內相應的信號通路，促進腫瘤細胞生長。研究表明，CAFs可為腫瘤細胞提供營養，并釋放外泌體；同時，CAFs與腫瘤細胞相互作用還可促進腫瘤細胞生長、侵襲和轉移；此外，CAFs分泌生長因子(如肝細胞生長因子、血小板衍生生長因子)可增加腫瘤的遷移，并通過分泌趨化因子和ECM，促進腫瘤的血管生成和化學耐藥[32]。

CAFs與腫瘤的相互作用有利于TME的形成，而TME中存在的各種物質又有利于CAFs的活化。研究發現，口腔鱗狀細胞癌(oral squamous cell carcinoma，OSCC)細胞分泌的TGF-β可誘導人牙齦成纖維細胞轉化為CAFs樣細胞[33]。OSCC細胞分泌含有長鏈非編碼RNA CAFs的外泌體到基質成纖維細胞中，導致長鏈非編碼RNA CAFs水平升高，從而激活CAFs[34]。另外，腫瘤細胞也可影響CAFs的代謝，CAFs可通過刺激腫瘤分泌IL-1β增加CAFs的糖酵解，導致乳酸分泌增加，而乳酸被腫瘤細胞利用，為其快速生長提供能量[35]。在CAFs與OSCC細胞系共培養模型中，腫瘤細胞內源性活性氧類的產生增加，導致CAFs中CC趨化因子配體2表達上調，從而促進腫瘤的發生、發展[36]。此外，CAFs與腫瘤相互作用，CAFs衍生的IL-6作用于腫瘤細胞，通過核因子κB信號通路促進頭頸部鱗狀細胞癌的增殖、遷移和侵襲[37]。可見，CAFs與腫瘤細胞的相互作用在腫瘤的發展中起重要作用，可為腫瘤的治療提供新靶點。

4.2促進腫瘤細胞增殖 CAFs可釋放IL-6、CXC趨化因子配體12、血管內皮生長因子和CXC趨化因子配體8等維持腫瘤的存活與生長，促使腫瘤細胞增殖[38]。在乳腺癌細胞中，CAFs通過釋放高遷移率族蛋白B1激活Toll樣受體4，促進細胞增殖[39]。研究發現，乳酸作為腫瘤代謝能量來源，其有效轉運可促進腫瘤細胞的生長、增殖[40]。另外，前列腺癌細胞與CAFs接觸后被重新編程為有氧代謝，導致葡萄糖轉運體1表達減少，但通過MCT1轉入的乳酸水平卻升高，從而建立基于乳酸轉入的代謝合成途徑，促進腫瘤細胞的生長、增殖[41]。另有研究發現，非小細胞肺癌來源的外泌體可促進正常成纖維細胞向CAFs轉變，而CAFs可通過傳遞α平滑肌肌動蛋白促進非小細胞肺癌細胞增殖，抑制細胞凋亡[42]。在腫瘤發展過程中，CAFs通過分泌與基質重構相關的酶介導ECM的形成。如在人皮膚鱗狀細胞癌中，CAFs通過促進ECM的硬化，誘導腫瘤細胞與CAFs進行氨基酸交換，促進腫瘤細胞增殖[43-44]。因此，研究CAFs與腫瘤細胞的共生機制，有助于抑制CAFs的致瘤活性并發現新的治療方法。

4.3促進腫瘤細胞侵襲和轉移 腫瘤轉移是癌癥患者死亡的主要原因。腫瘤細胞脫離原發腫瘤并通過結締組織進入淋巴或血管，從而擴散全身。在TME中，CAFs通過自分泌和旁分泌方式分泌大量細胞因子，如表皮生長因子、肝細胞生長因子、IL-10、TGF-β、腫瘤壞死因子、分泌型卷曲相關蛋白 1、γ干擾素、IL-6以及整合素α11和多配體聚糖結合蛋白-1等，促進腫瘤轉移[45]。研究發現，在OSCC腫瘤細胞與CAFs相互作用過程中，CAFs中的TGF-β、血管內皮生長因子、腫瘤壞死因子-α、肝細胞生長因子、IL-1α、IL-1β、IL-6和IL-33表達上調，從而促進腫瘤細胞侵襲和轉移[46]。在CAFs與腫瘤細胞相互作用過程中，CAFs通過分泌趨化因子、生長因子、細胞因子及蛋白水解酶等調節ECM成分，導致腫瘤細胞侵襲和轉移[47]。此外，趨化因子、生長因子、細胞因子也可通過一些信號通路導致腫瘤細胞侵襲和轉移，包括整合素連接激酶信號通路、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路、核因子κB信號通路、尿激酶型纖溶酶原激活劑受體信號通路、Wnt信號通路、Notch信號通路以及TGF-β級家族不同成員的信號通路等[48]。可見，CAFs在腫瘤細胞侵襲和轉移中起關鍵作用。

4.4促進腫瘤細胞耐藥 TME中的CAFs與腫瘤的不良預后相關。TME除了對腫瘤的發生、發展起關鍵作用外，還可誘導腫瘤細胞耐藥的發生，為腫瘤耐藥提供場所。CAFs與腫瘤細胞共生，并支持其具有藥物耐受性，但目前關于CAFs對抗腫瘤治療耐藥性的研究較少。CAFs誘導腫瘤細胞產生耐藥的途徑主要包括：①CAFs中血小板衍生生長因子C上調可誘導血管重建，導致抗血管生成治療的耐藥抵抗[49]，表明抗血管生成治療后CAFs的形態和功能可能發生改變，重新形成的環境對藥物治療不太敏感。②CAFs可增加腫瘤間質液壓，而腫瘤間質內液壓增高是惡性腫瘤的重要病理生理學特征，由于CAFs促進腫瘤間質液壓增加，因此間接減少了腫瘤細胞對藥物的攝取[50]。③CAFs通過糖酵解產生大量乳酸使ECM處于酸性環境，而細胞內的pH值卻未改變，因此可抑制藥物在腫瘤細胞內積聚[51]。④CAFs通過分泌可溶性因子引起耐藥性，其中Wnt家族中的無翅型MMTV整合位點家族成員16B在DNA損傷后受核因子κB調控，激活腫瘤細胞中的典型Wnt程序，從而誘導腫瘤細胞對化療藥物產生抵抗[52]。⑤CAFs的基質重塑可以形成化學保護生態位，從而通過細胞黏附介導的耐藥形式產生耐藥，這種耐藥形式阻斷了化療藥物向腫瘤細胞的有效傳遞，有助于腫瘤細胞對化療藥物產生抵抗[53]。⑥CAFs誘導的腫瘤細胞表觀遺傳修飾導致耐藥。有研究表明，CAFs分泌的因子與DNA的高(或低)甲基化有關，CAFs分泌的因子可誘導前列腺癌細胞上皮-間充質轉化，使前列腺癌細胞干性所需的DNA甲基化，從而促進腫瘤細胞干性獲取和耐藥抵抗[54]。因此，腫瘤細胞的上皮-間充質轉化和干性也是腫瘤耐藥的主要因素之一。

5 小 結

CAFs作為TME的重要組成部分，與TME中的其他細胞相互作用可促進上皮-間充質轉化，并通過誘導腫瘤代謝重編程、促進腫瘤在缺乏營養狀態下恢復生長所需的平衡以及激活腫瘤發生、發展相關的信號通路，促進腫瘤細胞增殖轉移、血管生成和藥物抵抗。在CAFs與腫瘤細胞相互作用過程中，通過阻斷或減少CAFs與腫瘤細胞間的物質傳輸(如氨基酸交換和乳酸的穿梭)，可有效抑制腫瘤細胞的生長；同時，還可降低CAFs代謝重編程對腫瘤治療藥物的耐受性，從而提高療效。然而，目前有關CAFs的代謝重編程以及其促進腫瘤發生、發展及耐藥抵抗的具體機制尚未完全闡明。將CAFs作為腫瘤治療靶點，可有效抑制腫瘤細胞的增殖、侵襲和轉移。因此，深入研究CAFs在TME的作用及其耐藥機制，可為研發具有安全性、特異性的靶向藥物提供理論基礎。