細胞外基質重塑在腫瘤進展轉移中的作用研究進展

劉婷婷，申復進

武漢大學人民醫院婦產科，武漢430060

細胞外基質（ECM）是細胞分泌至胞外的物質所組成的網架結構，是所有多細胞生物的重要組成部分，也是腫瘤微環境的重要組成部分，并參與腫瘤多種表型的調控。ECM重塑可分為ECM沉積、翻譯后水平的化學修飾、蛋白降解、強制物理重構四個主要過程，重塑過程涉及700多個蛋白。ECM單個組分的總體豐富度、濃度、結構和組織的改變也會引起重塑，這個過程會改變細胞周圍基質的三維空間拓撲結構、生化和生物物理特性，進而影響細胞命運［1］。轉移和擴散是腫瘤的典型特征，這種擴散需要惡性細胞通過ECM蛋白網在結締組織中移動。在淋巴和血行播散過程中，腫瘤細胞的附著、分離和移動需要腫瘤細胞與不同的ECM蛋白接觸，此外ECM還決定了腫瘤細胞沉積和轉移的具體部位［2］。近年研究發現，即使在原發腫瘤中，ECM也會受到腫瘤細胞的調控，腫瘤細胞可以通過分泌蛋白酶的方式促進ECM降解，也可以通過分泌促進ECM交聯的膠原蛋白增加ECM的豐度，而ECM的改變進一步促進腫瘤進展和轉移［3］。現將ECM在腫瘤進展和轉移過程中的作用研究進展綜述如下。

1 ECM重塑促進腫瘤細胞遷移和侵襲

在原位癌階段，基底膜將腫瘤細胞與周圍的基質細胞分離，形成一個物理屏障，阻止腫瘤細胞擴散。當腫瘤細胞突破基底膜進入間質并侵入周圍組織時，腫瘤就會變成惡性腫瘤，這一過程伴隨著各種ECM重塑。腫瘤細胞通過基底膜入侵的過程涉及蛋白水解依賴和不依賴兩種途徑。研究顯示，腫瘤細胞與腫瘤相關成纖維細胞通過基底膜層連接，利用其收縮特性在基底膜上施加物理力，并擴大現有的孔，從而以一種不依賴于基質金屬蛋白酶（MMP）的方式促進腫瘤細胞侵襲［4］。CASTRO-CASTRO等［5］研究發現，在乳腺癌患者體內，膜型金屬蛋白酶1（MT1-MMP）這種膜錨定蛋白酶介導腫瘤細胞突破基底膜，從而促進腫瘤侵襲。而研究表明，蛋白水解依賴機制對于腫瘤細胞突破基膜更重要，蛋白水解依賴機制介導的ECM重塑所引起的腫瘤細胞遷移和侵襲或許更具有研究意義，這為今后的研究方向指明了重點。

KAI等［6］發現，腫瘤ECM物理特性的改變促進了腫瘤細胞遷移及其對間質組織的侵襲。在乳腺癌小鼠中，過表達賴氨酰氧化酶（LOX）使乳腺腫瘤組織中的ECM的硬度、膠原蛋白交聯程度以及膠原蛋白含量增加，LOX介導的膠原交聯使乳腺腫瘤組織對周圍組織的侵犯程度和局灶黏附增加［7］。PANKOVA等［8］從KrasLA1小鼠肺腺癌組織中分離出腫瘤相關成纖維細胞，然后在野生型小鼠皮下單獨注射肺腺癌細胞或與腫瘤相關成纖維細胞聯合注射來產生異位異種移植腫瘤，結果顯示，與腫瘤相關成纖維細胞共同注射所產生的腫瘤組織ECM膠原交聯程度、組織硬度以及纖維化程度更強；將肺腺癌細胞與腫瘤相關成纖維細胞進行體外共培養后，腫瘤細胞偽足增多，侵襲和遷移能力均顯著增強。ECM的組成成分也是腫瘤細胞運動和腫瘤進展的關鍵。分別在含有膠原Ⅳ和膠原Ⅰ的基質中培養非侵襲性乳腺腫瘤細胞，后者較前者細胞侵襲力增強。這可能是因為，在富含膠原Ⅳ的基質中，腫瘤細胞通過其黏附受體與基質成分的相互作用將其固定在富含膠原Ⅳ的基底膜上，從而減弱腫瘤細胞的侵襲力［9］。

由于腫瘤相關成纖維細胞具有較強的重塑ECM的能力，因此可作為腫瘤細胞遷移的先導細胞，其游走于入侵的腫瘤細胞的前方，通過蛋白水解和機械力介導的重塑過程清除ECM。腫瘤相關成纖維細胞通過整合素α3、α5以及Rho介導的肌球蛋白輕鏈活性的調節與富含膠原蛋白的ECM相互作用，這些相互作用對ECM施加機械力，使膠原纖維對齊［10］。機械力介導的纖維連接蛋白組裝能夠產生有助于腫瘤細胞運動的各個方向的線性膠原纖維，并可以在ECM中打開間隙，允許細胞遷移［11］。膠原線性化也可以由腫瘤分泌因子介導，例如由轉化生長因子β（TGF-β）觸發的Wnt1誘導信號通路基因（WISP1）［12］。這些過程產生了穩定的遷移軌跡，用于有效、非蛋白水解的腫瘤細胞集體侵襲。此外有研究認為，腫瘤相關成纖維細胞還可通過機械力觸發的E-鈣黏蛋白、N-鈣黏蛋白黏附引導腫瘤細胞遷移［4］。由此可見，適當干預以上ECM重塑過程可能減緩或抑制腫瘤細胞的遷移和侵襲。

2 ECM重塑影響腫瘤血管生成

不同的ECM成分能夠促進或抑制血管生成，從而改變腫瘤血管系統。例如骨膜素具有促血管生成功能，纖維連接蛋白具有抗血管生成功能，而血栓反應蛋白1能夠通過抑制MMP-9活化來抑制血管生成［12］。腫瘤中致密的膠原蛋白結構可觸發腫瘤細胞相互連接網絡的形成，這些腫瘤細胞形成富含ECM的血管樣結構，這一過程被稱為血管生成模擬，在不誘導血管生成的情況下為腫瘤提供血液。具有小孔和短纖維的特定致密膠原結構導致整合素β1上調，腫瘤細胞向內皮表型分化，其特征是具有抗凝特性的Ⅳ型膠原α1鏈和絲氨酸肽酶抑制劑E2的表達，它們具有抗凝血特性，并且能夠促進紅細胞進入腫瘤，增強腫瘤組織的血液灌流［13］。黑色素瘤細胞的血管生成模擬需要通過MMP-2、MT1-MMP的表達以及特定層黏連蛋白鏈的沉積和裂解進行基質重塑［14］。ECM成分對腫瘤組織血管生成的影響表明ECM重塑對腫瘤進展的影響是多方面的，可多方面聯合找到靶向ECM成分從而治療腫瘤的方法。

3 ECM重塑抑制腫瘤免疫

在免疫監測過程中，免疫細胞在趨化因子的作用下向腫瘤組織運動。然而，腫瘤微環境使先天和適應性免疫系統的大部分細胞處于免疫抑制狀態，免疫細胞與ECM中的一些成分相互作用，加重了這種免疫抑制的程度，進一步促進腫瘤進展。

在腫瘤ECM中，單核細胞來源的巨噬細胞優先獲得M2表型。這些腫瘤相關巨噬細胞分泌各種細胞因子和白細胞介素（IL），尤其是免疫抑制因子如IL-10和TGF-β。TGF-β將調節性T細胞亞類和其他適應性免疫細胞吸引到腫瘤組織中，與髓系抑制細胞一起抑制CD8+T淋巴細胞和自然殺傷細胞對癌細胞的攻擊［15］。這種抑制作用是通過細胞膜結合受體和其配體直接相互作用來實現的，如免疫檢查點受體PD-1及其配體PD-L1［16］。調節性T細胞也分泌TGF-β，并幫助激活ECM的TGF-β，從而增強該因子的促腫瘤作用。TGF-β也可使ECM某些成分因子的基因表達失調，這使腫瘤微環境的免疫抑制作用加強［17］。此外，特異性免疫細胞向腫瘤ECM的選擇性募集加強了促纖維增生過程，而免疫細胞分泌的IL加強了腫瘤微環境的免疫抑制傾向，有助于對腫瘤細胞的免疫耐受。雖然通過免疫檢查點抑制劑對調節性T細胞進行重編程已經被批準用于針對重新激活腫瘤細胞的免疫反應，但免疫細胞亞群選擇性遷移到腫瘤組織可能取決于腫瘤組織的ECM，并可能成為抑制腫瘤進展的另一種策略。

4 ECM重塑促進腫瘤遠處轉移

腫瘤轉移灶形成包括腫瘤細胞在循環中存活、形成轉移前微環境以及最后的轉移灶形成這三個階段，ECM重塑在此過程中均發揮重要作用。

4.1 循環中的基質重塑 各種ECM重塑事件支持腫瘤細胞遷移和侵襲，使腫瘤細胞最終能夠進入循環。研究發現，血液中的胰腺循環腫瘤細胞（CTC）能夠上調ECM蛋白表達，如膠原蛋白、蛋白聚糖核心蛋白聚糖、糖蛋白、骨連蛋白和纖維連接蛋白［18］。原發腫瘤部位的血管生成和高MMP活性導致脈管系統中斷，從而使腫瘤細胞進入血液循環，而CTC分泌的ECM可以增加CTC的自分泌生存信號，保護它們免受免疫細胞清除，以實現有效的轉移定植［19］。最近的一項研究表明，CTC可以通過在CTC和中性粒細胞上均表達的整合素β1與中性粒細胞相互作用，從而被中性粒細胞胞外陷阱捕獲，使CTC更容易轉移［20］。內皮細胞沉積和聚集纖維連接蛋白促使CTC附著到遠處器官的內皮壁上，MMP活性增加造成血管滲漏，使CTC外滲到周圍組織以及遠處器官組織，有助于建立轉移前微環境。

4.2 轉移前微環境中的ECM重塑 轉移前微環境的ECM改變主要由纖維連接蛋白與糖蛋白和蛋白多糖共同參與。原發性腫瘤衍生因子激活轉移前微環境中的基質細胞，分泌新的ECM分子或直接重塑和修飾ECM。瓜氨酸化通過影響纖維連接蛋白和膠原蛋白的靜電荷和折疊構象，從而影響細胞黏附性能。瓜氨酸化由蛋白精氨酸脫亞胺酶（PAD）介導，在炎癥以及轉移前微環境建立期間，PAD可能釋放到中性粒細胞細胞外空間，也可能在轉移前微環境建立期間釋放。研究顯示，結直腸癌細胞分泌的PAD4可誘導肝臟中Ⅰ型膠原瓜氨酸化，從而促進播散性腫瘤細胞黏附到肝組織，為結直腸癌細胞轉移到肝組織做準備［21］。

來自原發腫瘤的信號也刺激特定骨髓源性細胞如巨噬細胞、中性粒細胞和髓系祖細胞募集和黏附到轉移前微環境中。在乳腺癌中，原發腫瘤表達的低氧誘導的LOX作用于轉移部位，與Ⅳ型膠原交聯，Ⅳ型膠原可為骨髓源性細胞提供黏附，而骨髓源性細胞具有強大的ECM重塑能力，能夠促進轉移性腫瘤細胞的定植［22］。

腫瘤細胞衍生的MMP-3和MMP-10在轉移前微環境中誘導血管破裂，導致CTC外滲，并使ECM的某些成分被降解，這為腫瘤細胞的浸潤創造了條件。GHAJAR等［23］報道，MMP介導的轉移前微環境中血管系統的破壞可以使內皮細胞得到新生，新生的內皮細胞又會產生TGF-β1和參與轉移前微環境形成的ECM分子，如骨膜蛋白、versican和纖維連接蛋白，有助于進一步ECM重塑，并為CTC的到來做準備。這些研究將不同腫瘤建立轉移前微環境的方式與腫瘤的具體特性聯系起來，有助于進一步闡明不同腫瘤轉移到不同部位的具體機制。

4.3 轉移灶中的ECM重塑 為了形成轉移灶，CTC需要從循環中滲出到新組織中，這一過程依賴于ECM的重塑。研究顯示，結直腸癌患者肝臟中的內皮細胞沉積并組裝纖維狀纖維連接蛋白，使結締組織細胞附著到血管腔，誘導整合素依賴性局灶黏附，并最終外滲到肝組織中。在CTC定植后，基質細胞和轉移細胞都有助于創造轉移灶，并積極改變ECM以促進轉移的腫瘤細胞的生長。同一腫瘤在不同部位的轉移灶的ECM重塑不同，這表明ECM具有組織趨向性。在乳腺癌小鼠的腦、肺、肝和骨轉移灶處，腫瘤細胞和基質細胞分別沉積不同的ECM相關蛋白，浸潤腫瘤細胞或轉移部位的基質細胞會沉積骨橋蛋白、骨膜蛋白和tenascin C，并會激活干細胞樣信號通路，這對腫瘤細胞定植起重要作用；肺部的乳腺腫瘤細胞產生tenascin C，觸發Notch和Wnt信號通路，活化的肺成纖維細胞沉積骨膜蛋白也會增加轉移性乳腺腫瘤細胞中的Wnt信號，而骨橋蛋白和tenascin C的表達取決于C-Jun轉錄因子［24］。我們需要更詳細的研究來揭示不同轉移灶中ECM重塑的內在因素，這可能為預防和消除腫瘤轉移提供有前途的治療干預措施。

ECM的豐度、組成、結構和由此產生的ECM相互作用對細胞和組織功能具有根本性影響。ECM重塑在腫瘤進展和轉移中起重要作用，由于其在特定的病理組織中表達，這些ECM改變可作為治療靶點，為開發靶向異常ECM及其重塑的腫瘤治療策略提供幫助。