前列腺癌骨转移细胞因子作用机制研究

任小刚，江少波，裘顺安，江荣根

前列腺癌是男性泌尿生殖系统常见的恶性肿瘤，目前美国前列腺癌发病率超过肺癌，已成为男性第一位的肿瘤。特异性骨转移是前列腺癌重要的临床特征和主要致死原因，美国死于前列腺癌的患者中，80%-90%以上合并骨转移[1]。前列腺癌转移到骨骼后，导致骨基质更新率显著提高,并引起成骨型病理变化。但组织学检查发现,在前列腺癌骨转移灶中,溶骨和成骨病变通常并存,溶骨改变为之后发生的成骨反应提供了必要的空间、营养物质、钙离子及多种细胞因子。现在多数学者认为[2-3]，前列腺癌细胞和骨微环境成分之间存在特异、强烈的相互作用，骨微环境中产生的因子对肿瘤骨转移具有重要意义，并在这个领域进行了大量分子层面的研究。

一 前列腺癌骨转移倾向的解剖基础

前列腺癌发生骨转移的解剖特点:⑴骨的血液循环丰富。骨的血管可分为骨干营养系统、骨骺—干骺端系统、骨膜2骨皮质系统及骨髓毛细血管系统。骨的动脉广泛吻合,互相连接,静脉网的直径较大,以适应动脉特点,便于将血液迅速排出。⑵通过脊椎静脉丛(Batson脊椎静脉系统)转移至脊椎。1940年Batson首次提出,在前列腺与低位腰椎之间存在着一条“门脉样”静脉系统,导致前列腺癌向脊椎转移的机率增加了。它具有压力低，容积大，与肋间静脉、肺静脉、腔静脉及门静脉广泛交通的特点。癌细胞容易沿着静脉血流转移至脊柱,并通过各交通静脉转移至骨骼其它部位。

二 前列腺癌骨转移的机制研究

1“种子土壤”学说 尽管癌细胞会向全身各系统转移,但是,为什么前列腺癌细胞最终容易在骨骼而不是其它器官形成转移瘤灶?大量的实验结果都印证了Paget提出的“种子土壤”学说[4]即：在前列腺癌细胞与骨骼微环境中存在着特异的生物学相互作用。“种子和土壤学说”预示骨微环境中表达许多因子,吸引多种肿瘤细胞的迁移以及促进肿瘤的增殖。而肿瘤细胞自身表达因子又会刺激骨组织的重新塑形。通过肿瘤细胞与其所处生长环境中的双向和动态的作用,促进肿瘤在骨骼中的发展。因此,骨微环境中的多种因子对肿瘤骨转移具有重要意义[5]。

1.1 基质细胞衍生因子 基质细胞衍生因子（stromal cell-derived factor-1,SDF-1)即趋化因子CXCL12，它是CXC趋化因子中的一种,CXCR4为其受体,CXCL12/CXCR4轴也是目前趋化因子中研究最多的一条通路。SDF-1不仅能够增强瘤细胞侵袭基底膜的能力,而且在它的诱导下,前列腺癌能够“渗透”骨基质内皮细胞层发生骨局部浸润。相关研究结果证实,SDF-1、Ⅰ型胶原酶及蛋白激酶受体都是前列腺癌向骨骼发生转移的强效诱导因子。Sun等[6]在实验中观察到,CXCL12暂时的增加可以提高易发生转移的前列腺癌细胞系PC3和LNCaP C4-2B的黏附能力和侵袭能力,而对非转移性前列腺癌细胞系则没有影响。Russell等[7]认为，在造血细胞定位于骨的过程中,CXCL12(表达于成骨细胞和上皮细胞)和它的受体CXCR4是关键因素,他们利用RT-PCR和Western blotting技术,发现在发生骨转移的几个人前列腺癌细胞系中,CXCR4都是阳性。体外黏附测定发现,经过预先用SDF-1处理的前列腺癌细胞,其黏附于成骨肉瘤和上皮细胞的能力显著提高。故前列腺癌和其他恶性肿瘤可能通过这个途径发生了骨转移。Daras等[8]研究表明，前列腺癌相关血管和增生基底细胞均表达CXCL12。小鼠皮下注射表达CXCR4的PC3细胞,可以发现局部血管密度增高,肿瘤侵入周围组织的能力增高。用CXCR4抗体在抑制CXCL12/CXCR4轴的作用后,CXCR4依赖的肿瘤生长和血管形成受到抑制。相似研究发现,用SDF-1预处理后的前列腺癌细胞对骨髓内皮细胞株的黏附性增强,同时这种作用又会被CXCR4的抗体所阻断。因此,SDF-1/CXCR4途径在促使前列腺癌细胞黏附于骨基质的过程中发挥着极其重要的作用。

1.2 内皮素-1 内皮素-1(endothelin-1,ET-1)是由21个氨基酸组成的多肽,有1、2、3三种亚型,有A、B两种受体。目前发现ET-1和ETA受体在一些肿瘤细胞中有高表达,包括前列腺癌、卵巢癌、乳房癌、结肠癌等。体外实验证实,骨组织和前列腺癌细胞共培养能促进后者合成ET-1。骨基质中富含的细胞因子TGF、EGF、IL-1等能促进前列腺癌细胞合成和分泌ET-1。反之,前列腺癌细胞也能通过分泌ET-1等细胞因子影响骨的重塑[9]。ET-1还能增强其他成骨细胞刺激因子(如BMP)的诱导成骨作用,也能抑制破骨细胞的破骨功能,减少其对骨质的破坏吸收[10]。前列腺上皮产生ET-1,其高亲和力受体广泛存在于前列腺中,以基质中浓度最高,成骨细胞也存在高亲和力的ET受体。Nelson等[11]发现,伴有骨转移的晚期、雄激素非依赖性前列腺癌病人,其血浆中的ET-1浓度明显高于局限性前列腺癌病人和正常人群。与正常前列腺组织不同,前列腺癌细胞ET-1和ETA的表达水平明显升高,而ETB的表达则明显下调,即使有少量表达也缺乏功能性结合位点。在细胞水平,ET-1能够诱导前列腺癌细胞的增殖,还能提高IGF、EGF等生长因子的活性。在伴有成骨型转移的前列腺癌患者的循环系统中,其水平会增加。ET-1能够刺激成骨细胞增殖、促进新骨形成及成骨性骨转移,而ET-A受体拮抗剂能够阻断这种改变[12]。

1.3 骨形态发生蛋白7 骨形态发生蛋白7(bone morphorgenetic protein-7,BMP7)是转化生长因子β超家族成员,转化生长因子β家族成员分子在羧基端具有7个半胱氨酸残基组成的特定区域。它是强力骨诱导因子,不仅可以诱导成骨细胞分化标志物,还可刺激软骨细胞标志物的表达。BMP7的生物学效应是通过与相应受体结合后的信号转导来实现的。BMP7受体包括Ⅰ型和Ⅱ型受体,在不同的激素条件下,BMPRⅠB和BMPRⅠA调控前列腺癌细胞对BMP的反应性:BMPRⅠA刺激细胞生长,BMPRⅠB则抑制细胞生长[13]。BMP7 mRNA水平在小鼠睾丸切除后显著降低,经睾酮和二氢睾酮治疗后又上升,说明BMP7 mRNA水平具有雄激素依赖性[14]。这与早期前列腺癌细胞具有雄激素依赖性一致。Festuccia等[15]用培养成骨细胞后的培养液培养人前列腺癌PC-3细胞株,发现PC-3细胞的趋化性、黏附性、侵袭力及迁移力显著增强,而这种作用可被BMP7抗体阻断,原因可能是成骨细胞分泌BMP7到细胞外基质,被前列腺癌上皮高度表达的PSA、尿激酶型纤维蛋白酶原激活剂等蛋白酶激活,从而增强前列腺癌细胞的侵袭、转移。Feeley等[16]通过反转录聚合酶链反应和Western blot分析确定BMP7受体表达的前列腺癌PC3细胞系,并在体内行PC3细胞重症联合免疫缺陷小鼠胫骨注射,8周后组织学和影像学分析发现,BMP7的形成影响前列腺癌转移,抑制BMP7的活动可能会限制前列腺癌骨转移。BMP7与前列腺癌骨转移的发生发展密不可分,BMP7也已成为前列腺癌骨转移治疗的一个潜在靶向位点。

1.4 甲状旁腺激素相关蛋白 甲状旁腺激素相关蛋白(parathyroid hormone-related protein,PTHrP)是由141个氨基酸组成的蛋白,在氨基酸序列的前13个氨基酸中,有8个与甲状旁腺激素同源。Shen等[17]将PTHrP cDNA转入前列腺癌细胞株PC-3,使其过量表达PTHrP,发现PC-3对基质中型胶原、纤维粘连蛋白以及层粘连蛋白的黏附性显著增强,同时伴有整合素α1、α5、α6和β4表达上调。研究证实,前列腺癌细胞自身分泌的PTHrP通过内分泌途径上调特异的整合素亚单位,来增强前列腺癌细胞对细胞外基质的黏附性,参与前列腺癌的骨转移。Rabbani将鼠PTHrPcDNA转入DunningR3227中(PTHrP低分泌的鼠前列腺癌细胞株),得到PTHrP及其受体高表达的单克隆细胞株,通过左心室途径注入雄鼠体内,出现腰椎转移,组织学检查发现,骨转移灶中破骨细胞活性显著增强。PTHrP的自分泌特性在前列腺异常增殖及前列腺癌骨转移过程中起着重要作用[18]。

1.5 生长因子类 包括碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growthfactor,bFGF)、胰岛素样生长因子(insulin-like growthfactors,IGFs)、转化生长因子β(transforming growthfactor-β,TGF-β)、 血小板源生长因子(platelet-derived growthfactor,PDGF)。前列腺癌细胞可以表达大量的bFGF,它不但可以促进成骨细胞的增殖,而且能促进粘连。FGF18是FGF家族的新成员,也可以刺激成骨细胞的增殖,并上调成骨细胞ERK的磷酸化水平。它的有丝分裂原活性可被特异的ERK抑制因子所阻断[19]。FGF18不但通过RANKL诱导破骨细胞的形成,且刺激其功能。TGF-β可以刺激PC-3细胞表面α2β1整合素的表达。有人用TGF-β处理人骨髓内皮细胞株后,PC-3对其的黏附能力显著下降;用TGF-β处理LNCaP后,它对人骨髓内皮细胞株的黏附能力也显著下降。认为TGF-β会有效削弱肿瘤细胞对骨髓微血管内皮细胞的黏附性。TGF-β的过表达不仅能够刺激肿瘤血管的形成、抑制机体免疫系统,而且可以直接调节肿瘤细胞的生长。有研究[20]将TGF-βⅡ型受体表达缺陷的小鼠骨髓移植入患有前列腺癌的C57BL/6小鼠，发现小鼠的存活率显著提高,骨质破坏程度减轻,对抗肿瘤的特异性T细胞活性明显增强。TGF-β在正常前列腺组织中是一个重要的负性生长调节因子,在前列腺癌早期阶段,它起着肿瘤抑制因子的作用,但在后期,却扮演着肿瘤促动因子的角色[21]。PDGF是由2条多肽链(A和B)通过二硫键连接形成的二聚体,在骨组织中能够大量合成并储备。PDGF能够显著增强Ⅰ型胶原、碱性磷酸酶、骨钙素和骨桥蛋白的表达,这四种指标均是成骨细胞相关基因表达的产物[22]。多种大量生长因子存在于骨骼微环境中,能够促进成骨细胞增殖、分化及骨塑性。Kubota等[23]用RANKL处理鼠破骨细胞样骨髓瘤细胞株RAW264.7后发现,其培养基中有一种因子能够抑制骨形成蛋白24所诱导的成骨细胞前体细胞向成骨细胞的分化作用。后被证实为一种PDGF-BB同型二聚体,说明破骨细胞可以通过分泌的PDGF-BB同型二聚体直接调节成骨细胞分化,在骨质再塑型中发挥重要作用。

2 骨拟态学说

1999年Koeneman等[24]提出,前列腺癌细胞具有“骨拟态”的特点,也就是说,一旦进入骨骼,前列腺癌细胞会逐渐进展到具备某些类似于成骨细胞的特性来。当然,前列腺癌转移到骨骼时,溶骨现象与成骨现象并存,前者为后者提供必要的空间和细胞因子。因此“骨拟态”假设不仅仅局限于成骨性改变,还包括溶骨性改变。它对“种子土壤”学说是一个非常重要的补充。

总之,各种细胞因子相互作用、相互影响,形成一个庞大复杂的因子网络,成为“肿瘤-骨基质”特异性生物学作用这一机制的核心，在前列腺癌骨转移病变过程中发挥着极其重要的作用，并为前列腺癌骨转移的治疗提供了新的思路。

;

[1]LU Yi,YAO Zhi,ZHANGJian.Prostate cancer bone metastasis:Interaction between tumor cells and bone microenvironment[J].Chinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology,2007,23(3):167.

[2]Singer FR,Eyre DR.Using biochemical markers of bone turn-over in clinical practice[J].Cleve Clin J Med,2008,75(10):739.

[3]Roudier M P,True L D,Higano C S,et al.Phenotypic heteroge⁃neity of end-stage prostate carcinoma metastatic to bone[J].Hum Pathol,2003,34(7):646.

[4]Roodman GD.Mechanisms of bone metastasis[J].N Engl J Med,2004,350(16):1655.

[5]Papachristou DJ,Basdra EK,Papavassiliou AG.Bone metastasis:Molecular mechanisms and novel therapeutic interventions[J].Med Res Rev,2010,Sep 3.

[6]Sun Y-X,Fang M,Wang JH,et a.l Expression and activation ofα vβintegrins by SDF-1/CXC12 increases the aggressiveness of prostate cancer cells[J].Prostate,2007,67(1):61.

[7]Russell S,Carlton C,Evan T,et al.Use of the Stromal Cell-de⁃rived Factor-1/CXCR4 Pathway in Prostate Cancer Metastasis to Bone[J].Cancer Res,2002,62(6):1832.

[8]Darash-Yahana M,Pikarsky E,Abram ovitch,et al.Role of high expression levels of CXCR4 in tumor growth,vascularization,and metastasis[J].FASEB J,2004,18(11):1240.

[9]Granchi S,Brocchi S,Bonaccorsi L,et al.Endothelin-1 produc⁃tion by prostat e cancer cell lines is upregulated by factors in⁃volved in cancer progression and downregulated by androgens[J].Prostate,2001,49(4):267.

[10]Kitten AM,Andrews CJ.Endothelin-1 expression in long-term culture of fetal rat calvarial ost eoblast s:regulat ion by BMP-7[J].J Cell Physiol,2001,187:218.

[11]Nelson JB,Chan-Tack K,Hedican SP,et al.Endothelin-1 prod⁃uct ion and decreased endothelin-B receptor expression in ad⁃vanced prostate cancer[J].Cancer Res,1996,56:663.

[12]Nelson JB,Hedican SP,George DJ,et al.Identification of endothe⁃lin 1 in the pathophysiology of metastatic adenocarcinoma of the prostate[J].Nat Med,1995,1:944.

[13]Jeroen T,Buijs Niek V,Henriquez Petra G,et al.TGF-beta and BMP7 interactions in tumour progression and bone metastasis[J].Clin Exp Metastasis,2007,24(8):609.

[14]Thomas R,Anderson WA,Raman V,et al.Androgen dependent⁃gene expression of bone morphogenetic protein 7 in mouse prostate[J].Prostate,1998,37(4):236.

[15]Festuccia C,BolognaM,Gravina GL,et al.Osteoblast conditioned media contain TGF-β1 and modulate the migration of prostate tu⁃mor cells and their interactions with extracellular matrix compo⁃nents[J].Int J Cancer,1999,81(3):395.

[16]Feeley BT,Krenek L,Liu N,et al.Overexpression of noggin inhib⁃its BMP-mediated growth of osteolytic prostate cancer lesions[J].Bone,2006,38(2):154.

[17]Shen X,Falzon M.PTH-related protein modulates PC-3 prostate cancer cell adhesion and integrin subunit profile.Mol Cell Endocri⁃nol[J].2003,199(1～2),165.

[18]Bryden AA,Hoyland JA,Freemont AJ,et al.Parathyroid hor⁃mone related peptide and receptor expression in paired primary prostate cancer and bone metastases[J].Br J Cancer,2002,86(3),322.

[19]Shimoaka T,Ogasawara T,Yonamine A,et al.Regulation of osteo⁃blast,chondrocyte,and osteoclast functions by fibroblast growth factor(FGF)-18 in comparison with FGF-2 and FGF-10[J].J Bi⁃ol Chem,2002,277(9),7493.

[20]Shah AH,Tabayoyong WB,Kundu SD,et al.Suppression of tu⁃mor metastasis by blockade of transforming growth factor beta sig⁃naling in bone marrow cells through a retroviral-mediated gene therapy in mice[J].Cancer Res,2002,62(24),7135.

[21]Bello-Deocampo D,Tindall DJ.TGF-betal/Smad signaling in prostate cancer[J].Curr Drug Targets,2003,4(3),197.

[22]Tanaka H,Wakisaka A,Ogasa H,et al.Effect of IGF-I and PDGF administered in vivo on the expression of osteoblast-related genes in old rats[J].J Endocrinol,2002,174(1),63.

[23]Kubota K,Sakikawa C,Katsumata M,et al.Platelet-derived growth factorBB secreted from osteoclasts acts as an osteoblastogenesis in⁃hibitory factor[J].JBone Miner Res,2002,17(2),257.

[24]Koeneman KS,Yeung F,Chung LW,et al.Osteomimetic proper⁃ties of prostate cancer cells:a hypothesis supporting the predilec⁃tion of prostate cancer metastasis and growth in the bone environ⁃ment[J].Prostate,1999,39(4):246.