南方醫(yī)大癌生物學(xué)講義14-1侵襲-轉(zhuǎn)移級(jí)聯(lián)反應(yīng)

第十四章（1）侵襲-轉(zhuǎn)移級(jí)聯(lián)反應(yīng)前言：盡管原發(fā)性腫瘤非常兇險(xiǎn)，但其最終只會(huì)引起10%左右的腫瘤患者死亡，而大約90%的腫瘤患者最終死于原發(fā)灶以外部位的轉(zhuǎn)移性腫瘤的生長(zhǎng)。這種轉(zhuǎn)移的形成是腫瘤細(xì)胞離開(kāi)原發(fā)灶，沿著身體內(nèi)的“高速公路”——血管和淋巴管在全身尋找新的部位并重新生長(zhǎng)形成細(xì)胞克隆的結(jié)果。這一節(jié)，我們就先來(lái)聊聊腫瘤的“侵襲-轉(zhuǎn)移級(jí)聯(lián)反應(yīng)”的整個(gè)過(guò)程。大多數(shù)(80%)威脅生命的惡性腫瘤起源于上皮組織，稱(chēng)為癌。因此本章中所討論的大多數(shù)腫瘤指的都是癌。需要說(shuō)明的是，來(lái)源于其他組織的腫瘤，如結(jié)締組織和神經(jīng)組織的腫瘤，也具有相似的侵襲和轉(zhuǎn)移方式。甚至某些造血系統(tǒng)的腫瘤，特別是淋巴瘤，也同樣具有一個(gè)局灶化的早期腫瘤及播散到遠(yuǎn)端組織器官的晚期腫瘤階段。這一系列復(fù)雜的步驟，稱(chēng)為“侵襲－轉(zhuǎn)移級(jí)聯(lián)反應(yīng)”。圖1：侵襲-轉(zhuǎn)移級(jí)聯(lián)反應(yīng)局部侵襲多數(shù)上皮組織都具有共同的上皮組織結(jié)構(gòu)。在大多數(shù)情況下，相對(duì)薄的上皮細(xì)胞層位于復(fù)雜的基質(zhì)層的上方，兩者之間被一種稱(chēng)為基底膜（BM）的特殊細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)所分隔。這一蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是由上皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)共同構(gòu)建的。起源于基底膜上皮側(cè)并僅局限于這一側(cè)的腫瘤，稱(chēng)為良性腫瘤。然而，一些腫瘤細(xì)胞獲得穿透基底膜的能力。腫瘤細(xì)胞突破基底膜后，開(kāi)始以單個(gè)或成簇的形式浸潤(rùn)周?chē)|(zhì),這種腫瘤細(xì)胞團(tuán)塊被重新定義為惡性腫瘤。如下圖所示，基底膜可以通過(guò)使用針對(duì)層粘連蛋白(基底膜中的關(guān)鍵組分)的特異性抗體檢測(cè)。在A圖分化程度比較高而侵襲性比較低的結(jié)直腸癌中，用抗角蛋白抗體標(biāo)記癌細(xì)胞巢（紅色），用抗層粘連蛋白a3鏈的抗體標(biāo)記周?chē)h(huán)繞的基底膜（綠色），癌細(xì)胞巢之間的基質(zhì)是黑色的。在B圖分化程度比較低而侵襲性比較高的腫瘤中，可見(jiàn)缺失了基底膜的癌細(xì)胞巢邊界（箭頭所示），腫瘤細(xì)胞直接暴露于周?chē)|(zhì)。圖2：穿透基底膜侵襲性腫瘤細(xì)胞造成基底膜分解，破壞了阻礙腫瘤細(xì)胞群進(jìn)一步擴(kuò)張的重要物理屏障。同時(shí)，通過(guò)降解各種基底膜成分，侵襲細(xì)胞獲得了促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和存活的細(xì)胞因子，而在正常情況下，這些因子常常隔離或深藏在特化的細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)中。腫瘤局灶浸潤(rùn)依賴于分泌性蛋白酶的釋放，這對(duì)于重塑細(xì)胞外基質(zhì)、形成腫瘤細(xì)胞行進(jìn)的空間非常必要。在某些腫瘤中，浸潤(rùn)的腫瘤細(xì)胞可以自己分泌蛋白酶，如MMP-2和MMP-9，也可誘導(dǎo)其他多種基質(zhì)細(xì)胞協(xié)同性地釋放蛋白酶，促進(jìn)基質(zhì)細(xì)胞后跟隨的癌細(xì)胞成簇生長(zhǎng)。血管內(nèi)滲腫瘤細(xì)胞在破壞基底膜前，通常會(huì)產(chǎn)生促血管生長(zhǎng)因子，它們通過(guò)多孔屏障作用于基質(zhì)內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞，刺激基底膜基質(zhì)側(cè)血管的生成。一旦處于基質(zhì)環(huán)境中，腫瘤細(xì)胞可以直接從血管和淋巴管入口進(jìn)入血管和淋巴管。而在正常情況下，這些血管和淋巴管僅分布在基底膜的基質(zhì)側(cè)。與毛細(xì)血管的緊密接觸使腫瘤細(xì)胞易于獲得血液中攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。此外，腫瘤細(xì)胞的侵襲特性使其可以突破（即穿透）管壁進(jìn)入血管和淋巴管的管腔。這一侵入脈管的過(guò)程稱(chēng)為內(nèi)滲(intravasation),它依賴于單個(gè)腫瘤細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞簇脫離周?chē)哪[瘤組織、自行進(jìn)入循環(huán)的能力。對(duì)內(nèi)滲過(guò)程研究得較少。最初認(rèn)為，在許多乳腺癌及其他腫瘤中，3種不同類(lèi)型的細(xì)胞——癌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞協(xié)同促進(jìn)腫瘤細(xì)胞浸潤(rùn)毛細(xì)管腔的內(nèi)皮層。在本節(jié)的后面，將重新審視癌細(xì)胞——巨噬細(xì)胞相互作用和它們之間的信號(hào)通路，以及癌細(xì)胞的侵襲及相關(guān)血管內(nèi)滲過(guò)程（這是由巨噬細(xì)胞釋放的表皮生長(zhǎng)因子驅(qū)動(dòng)的）。在人乳腺癌組織病理切片中，計(jì)數(shù)癌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的密度，是判斷腫瘤患者最終轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā)的有效預(yù)測(cè)因子。圖3：血管內(nèi)滲需要基質(zhì)細(xì)胞輔助轉(zhuǎn)運(yùn)一旦癌細(xì)胞進(jìn)入血管或淋巴管的管腔，單個(gè)的腫瘤細(xì)胞會(huì)隨血流或淋巴液到達(dá)身體的其他部位，這種長(zhǎng)途遷徙充滿危險(xiǎn)。像正常細(xì)胞一樣，腫瘤細(xì)胞也需要錨定在固相支持物上，沒(méi)有依附的遷移細(xì)胞將很快發(fā)生失巢凋亡,這種類(lèi)型的凋亡是由細(xì)胞與固相支持物如細(xì)胞外基質(zhì)的解離而引發(fā)的。基質(zhì)可以通過(guò)多種途徑，如提供促進(jìn)細(xì)胞有絲分裂和細(xì)胞存活的因子而促進(jìn)癌細(xì)胞生長(zhǎng)。血液循環(huán)（尤其在小血管中）形成的強(qiáng)剪切力，會(huì)導(dǎo)致循環(huán)中的腫瘤細(xì)胞破裂?；谛∈筠D(zhuǎn)移瘤模型的實(shí)驗(yàn)表明，循環(huán)中的腫瘤細(xì)胞可以募集周?chē)难“?，以保護(hù)它們快速通過(guò)湍急的循環(huán)血流進(jìn)入相對(duì)安全的組織。如下圖所示，從一例轉(zhuǎn)移性前列腺癌患者外周血中分離出來(lái)的循環(huán)腫瘤細(xì)胞簇。細(xì)胞通過(guò)抗前列腺特異膜抗原的抗體染色（綠色），另一個(gè)抗體是抗CD45抗體（紅色），多種類(lèi)型的血源性細(xì)胞表達(dá)CD45。DNA經(jīng)DAPI染為藍(lán)色。圖4：癌細(xì)胞周邊吸附血小板盡管如此，目前仍然沒(méi)有完全理解癌細(xì)胞如何在體循環(huán)中存活下來(lái)，而這是臨床上轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā)的主要播散路徑。循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulatingtumorcell,CTC)是聯(lián)系原發(fā)灶和轉(zhuǎn)移位點(diǎn)的紐帶，近年來(lái)受到了關(guān)注。但只有一小部分CTC最后能成功地建立新的轉(zhuǎn)移性克隆。在循環(huán)中，CTC只能持續(xù)很短的一段時(shí)間，這在很大程度上是因?yàn)樗鼈儾幌窦t細(xì)胞或白細(xì)胞一樣能夠在各種組織的微血管中循環(huán)穿行,因?yàn)槎鄶?shù)毛細(xì)血管的內(nèi)徑(3~8μm)對(duì)于CTC來(lái)說(shuō)太小了。紅細(xì)胞的直徑只有7μm,且可以變形，使得它們很容易通過(guò)毛細(xì)血管。而對(duì)于多數(shù)的癌細(xì)胞來(lái)說(shuō)，它們的直徑超過(guò)20μm,而且不易變形。如果血流中的癌細(xì)胞表面包被了大量血小板,它們的有效直徑會(huì)變得更大，這使得它們能夠滯留在口徑大于毛細(xì)血管的較大血管、如細(xì)動(dòng)脈中。這些因素決定了進(jìn)入靜脈循環(huán)的癌細(xì)胞在幾分鐘之內(nèi)就會(huì)到達(dá)肺部的毛細(xì)血管床,進(jìn)而被滯留下來(lái)。事實(shí)上，CTC作為游離細(xì)胞在循環(huán)中存在的壽命非常短，以至于CTC尚未意識(shí)到失去了固相錨定的支持物和基質(zhì)的支持。一些滯留在肺中的轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞將試圖建立轉(zhuǎn)移灶。然而，多種人類(lèi)腫瘤常常不在肺而是在身體其他部位形成轉(zhuǎn)移灶。這表明癌細(xì)胞可以從肺部毛細(xì)血管床逃逸，抵達(dá)身體遠(yuǎn)端部位并形成轉(zhuǎn)移，相關(guān)機(jī)制目前尚不清楚。從一些實(shí)驗(yàn)中觀察到，滯留在肺部毛細(xì)血管的癌細(xì)胞可以大量縮減胞質(zhì)，在不影響存活的情況下使細(xì)胞體積大為縮小。一旦“瘦身”成功，這些細(xì)胞就可以成功地通過(guò)肺部狹窄的毛細(xì)血管。另一種更有可能的解釋是，循環(huán)腫瘤細(xì)胞可以有效利用動(dòng)脈、靜脈間具有較大內(nèi)徑的交通支，繞行于動(dòng)脈和靜脈循環(huán)系統(tǒng)，而避免滯留于肺臟等多個(gè)器官的細(xì)小毛細(xì)血管。癌細(xì)胞經(jīng)過(guò)肺部到達(dá)動(dòng)脈循環(huán)后，循環(huán)中的腫瘤細(xì)胞可以播散到全身各個(gè)組織。淋巴道在癌細(xì)胞播散中的作用不很明顯。幾乎體內(nèi)所有的組織都有淋巴管網(wǎng)，它們負(fù)責(zé)細(xì)胞間隙液的引流。大部分腹部器官的淋巴液回流到心臟附近的左鎖骨下靜脈，從而進(jìn)入體循環(huán)。因此，淋巴管中的癌細(xì)胞有時(shí)通過(guò)這一交叉連接進(jìn)入體循環(huán)。癌細(xì)胞及其募集的基質(zhì)細(xì)胞均可分泌VEGF-C,它促進(jìn)淋巴管生成并形成新的淋巴管。而且，分泌高水平VEGF-C的實(shí)驗(yàn)性腫瘤會(huì)在附近的引流淋巴結(jié)中種植更多數(shù)量的轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞。但是，對(duì)自發(fā)性腫瘤的組織學(xué)分析提示，腫瘤團(tuán)塊中很少有功能性淋巴管。實(shí)際上，它們大多位于實(shí)體瘤的外圍區(qū)域，腫瘤中心區(qū)很少發(fā)現(xiàn)淋巴管，且通常已塌陷閉塞。由于淋巴管道的靜水壓很小，看起來(lái)它們無(wú)法抵抗腫塊擴(kuò)展的壓迫而塌陷。盡管入口有限，有些癌細(xì)胞還是成功地進(jìn)入淋巴系統(tǒng)。在某些特殊的乳腺癌中，有些轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞進(jìn)入直接引流乳腺的淋巴管道，并在附近下游的淋巴結(jié)匯集。一旦癌細(xì)胞在這些淋巴結(jié)內(nèi)形成多發(fā)的微小轉(zhuǎn)移，也就意味著某些癌細(xì)胞可能已經(jīng)播散至遠(yuǎn)處器官。圖5：腋窩淋巴結(jié)中的3個(gè)微小轉(zhuǎn)移灶血管外滲一些實(shí)驗(yàn)表明，癌細(xì)胞利用特殊的細(xì)胞表面受體（如整合素）黏附在特定組織的細(xì)動(dòng)脈和毛細(xì)血管管壁上。大量的證據(jù)還顯示，癌細(xì)胞在小脈管中單純性的物理性滯留，如前所述肺臟中的情況，是循環(huán)中的腫瘤細(xì)胞在組織中的第一個(gè)立足點(diǎn)。癌細(xì)胞一旦在各種組織的血管中停留，就必須離開(kāi)血管管腔進(jìn)入周?chē)M織，這一步驟稱(chēng)為外滲（extravasation)。癌細(xì)胞可以采用多種方式穿出脈管。它們可以直接穿出血管壁,這種能力和其祖先細(xì)胞離開(kāi)原發(fā)瘤侵入脈管具有相同的生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制?；蛘撸┘?xì)胞可以在脈管腔內(nèi)增殖，形成一個(gè)小的腫瘤，并持續(xù)增殖最終破壞鄰近血管壁。在此情況下，癌細(xì)胞推開(kāi)周?chē)难軆?nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，而在正常情況下這些細(xì)胞將周?chē)M織（即所謂的實(shí)質(zhì)組織）與脈管腔分開(kāi)。有趣的是，在外滲位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了播散的癌細(xì)胞和巨噬細(xì)胞之間的緊密接觸，這與內(nèi)滲過(guò)程中兩者的相互作用一樣,癌細(xì)胞募集巨噬細(xì)胞以協(xié)助它們離開(kāi)循環(huán)進(jìn)入實(shí)質(zhì)組織中。我們熟知的白細(xì)胞能誘導(dǎo)毛細(xì)血管后小靜脈的內(nèi)皮細(xì)胞收縮，打開(kāi)通往組織的入口，這一過(guò)程稱(chēng)為血細(xì)胞滲出。而大多數(shù)的轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞沒(méi)有血細(xì)胞滲出所需的受體及相應(yīng)的生物化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。因此，癌細(xì)胞若要穿出毛細(xì)血管或是更大些的脈管壁，需要蠻橫的力量，這多半是通過(guò)降解血管內(nèi)皮層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此外，在微血栓形成（募集血小板）過(guò)程中產(chǎn)生的疑血酶能夠非常有效地水解切割內(nèi)皮細(xì)胞與下層血管基底膜之間的黏附蛋白。這將引起內(nèi)皮細(xì)胞收縮脫離微血栓，使侵襲性癌細(xì)胞及產(chǎn)生的蛋白酶直接作用于暴露的毛細(xì)血管基底膜。如下圖所示，外滲過(guò)程通常包括以下幾個(gè)步驟：(1)轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞(棕色)物理滯留在毛細(xì)血管內(nèi)；(2)數(shù)分鐘內(nèi)，大量的血小板(藍(lán)色)黏附在癌細(xì)胞表面形成微血栓；(3)癌細(xì)胞將毛細(xì)血管一側(cè)壁上的內(nèi)皮細(xì)胞(綠色)推開(kāi)，從而直接接觸下層的毛細(xì)血管基底膜(橙色);(4)1天內(nèi)，微血栓被血液中的蛋白酶溶解，這些蛋白酶通常負(fù)責(zé)血凝塊溶解。(5)癌細(xì)胞開(kāi)始在毛細(xì)血管腔內(nèi)增殖；(6)幾天甚至更短時(shí)間內(nèi)，癌細(xì)胞破壞毛細(xì)血管基底膜，侵入周?chē)膶?shí)質(zhì)組織(灰色區(qū)域)。圖6：血管外滲過(guò)程微小轉(zhuǎn)移灶形成一旦轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞到達(dá)實(shí)質(zhì)組織，它們就可以增殖形成小簇的播散癌細(xì)胞團(tuán)，稱(chēng)為微小轉(zhuǎn)移灶(micrometastase)。在乳腺癌患者臨床癥狀剛剛出現(xiàn)的時(shí)候，超過(guò)30%的患者的骨髓中就會(huì)帶有幾百個(gè)甚至幾千個(gè)微小轉(zhuǎn)移灶，但這組患者中，只有一半人最終在臨床上被診斷為腫瘤轉(zhuǎn)移。事實(shí)上，這些微小轉(zhuǎn)移灶廣泛分布于腫瘤患者的各種組織中，但除了骨髓，其他組織中的微小轉(zhuǎn)移灶通常難以檢測(cè)。有時(shí)，一些隱匿性的微小轉(zhuǎn)移灶將會(huì)引起災(zāi)難性的后果。圖7：結(jié)腸癌患者骨髓中的微小轉(zhuǎn)移灶抗細(xì)胞角蛋白的抗體對(duì)于檢測(cè)原發(fā)性腫瘤播散于骨髓和血液中的微小轉(zhuǎn)移灶很有用，而抗上皮細(xì)胞黏附分子(epithelialcelladhesionmolecule,EpCAM)的抗體常常用于檢測(cè)淋巴結(jié)的微小轉(zhuǎn)移灶。通常，間葉組織中出現(xiàn)單個(gè)的角蛋白染色陽(yáng)性的細(xì)胞即上皮細(xì)胞，是腫瘤發(fā)生播散轉(zhuǎn)移的明確信號(hào)。很多癌細(xì)胞在遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移位點(diǎn)存活下來(lái)，但是不能形成臨床上可檢測(cè)到的轉(zhuǎn)移灶，其結(jié)果是在很多癌癥患者體內(nèi)存在遍布全身的無(wú)數(shù)微小轉(zhuǎn)移。雖然微小轉(zhuǎn)移幾乎不能形成臨床上可檢測(cè)到的轉(zhuǎn)移灶，但它確實(shí)可以提示原發(fā)瘤已將癌細(xì)胞播散全全身。如果其中的一些微轉(zhuǎn)移在其種植于遠(yuǎn)處組織幾年后突然發(fā)展成臨床可檢測(cè)到的轉(zhuǎn)移，那么將威脅癌癥患者的長(zhǎng)期生存。乳腺癌的可怕之處就在于腫瘤被切除并宣布患者無(wú)瘤10年甚至20年生存之后，腫瘤的再次復(fù)發(fā)。轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞在遠(yuǎn)端組織中，可以以不分裂、休眠的狀態(tài)存活很長(zhǎng)一段時(shí)間。還存在另外一種類(lèi)型的微小轉(zhuǎn)移灶，播散的癌細(xì)胞可以在其他組織中增殖形成很小的克隆，但是這種亞臨床型的微小轉(zhuǎn)移體積不會(huì)增大，因?yàn)樵谶@一團(tuán)細(xì)胞中，增殖與凋亡的速率達(dá)到了平衡，也許是因?yàn)檫@些細(xì)胞不能促進(jìn)血管生成?？寺⌒纬捎幸恍┪⑿∞D(zhuǎn)移灶可以最終成長(zhǎng)為臨床上可以檢測(cè)到的腫瘤團(tuán)塊，這一從微小轉(zhuǎn)移灶生長(zhǎng)為肉眼可見(jiàn)轉(zhuǎn)移瘤的過(guò)程，通常稱(chēng)為克隆形成(colonization)。也許這是侵襲轉(zhuǎn)移級(jí)聯(lián)反應(yīng)中最富挑戰(zhàn)性和最艱難的步驟。這主要是因?yàn)樾碌慕M織環(huán)境不能給新遷移過(guò)來(lái)的癌細(xì)胞提供它們?cè)谠l(fā)瘤所需的中各種生長(zhǎng)因子和促生存因子，沒(méi)有這些生理支待，轉(zhuǎn)移性癌細(xì)