基质细胞衍生因子-1/CXCR4系统和结直肠癌转移的相关性研究进展

王天宝 石汉平 韩方海 董文广

结直肠癌(colorectal carcinoma，CRC)是最常见的恶性肿瘤之一,随着经济发展，饮食习惯趋向于高蛋白、高脂肪、低纤维素变化，CRC发生率呈上升趋势，大约每年增加4%，特别是结肠癌发生率迅速上升至第五位，而上海女性结肠癌发生率为恶性肿瘤的第2位。Dukes A、B、C及D期CRC的5年生存率大约为90%、65%、30%及20%，治疗失败的最主要原因是淋巴结转移、远处转移及术后复发等。淋巴结转移是CRC的主要转移方式之一，发生率为40%～50%，与肿瘤大小、浸润深度以及分化程度有关。文献报道T1至T4期结肠癌淋巴结转移率约为10.0%、19.2%、40.3%及45.0%;直肠癌为23.1%、19.1%、50.3%及54.7%。高中分化腺癌组淋巴结转移率为23.1%，低分化、未分化组为64.4%。CRC患者一旦出现淋巴结转移,其预后明显不良(5年生存率自65%～90%降为30%)。血行转移最常见的部位是肝、肺，其次为肾上腺、卵巢、脑、肾、皮肤及脾脏等。在CRC患者初次就诊时，30%～60%患者存在局部和(或)远处转移灶。CRC切除术后的局部复发，是CRC手术治疗失败和患者死亡的主要原因。局部复发是指CRC手术后原发肿瘤部位或手术野发现与原肿瘤病理相同的病灶，可伴有远处转移。常见的复发部位有吻合口、盆腔器官、会阴部、骨性骨盆及、淋巴结等，复发率为5%～45%，多出现在术后2～3年，未经治疗的复发患者中位生存期仅为8个月，总体效果差强人意[1]。

一、基质细胞衍生因子-1/CXCR4系统的生物学功能

目前认为肿瘤的转移是一个主动的、多步骤的、器官选择性的过程。肿瘤细胞的转移受趋化因子的严格调控，不同组织器官来源的肿瘤具有特定的转移方式及靶器官亲嗜性，是靶器官特异性表达的多种趋化因子与肿瘤细胞表面的受体相互作用的结果。

基质细胞衍生因子-1(stromal cell derived factor-1,SDF-1)属于趋化因子亚家族，其cDNA长1776 bp，编码区仅含有267 bp核苷酸序列的开放读框，编码89个氨基酸多肽。SDF-1有惟一的肿瘤细胞表面受体CXCR4(C-X-C chemokine receptor type 4)，这与其他趋化因子不同，这意味SDF-1/CXCR4系统有独特的生物学功能。CXCR4 cDNA编码352个氨基酸，是高度保守的G蛋白偶联的跨膜受体，SDF-1与CXCR4结合后激活下游信号传导途径产生复杂的生物学效应。已经证实数种干细胞来源的实体肿瘤如脑部肿瘤、乳腺癌等肿瘤干细胞表达CXCR4，使它们逆SDF-1梯度迁移到表达SDF-1的器官(如淋巴结、肝脏、肺、骨)，说明了肿瘤转移并不是一个随机的过程，由此提出了一种新的肿瘤转移理论“归巢学说”，目前已经有很多的研究证据支持。SDF-1在体内很多组织器官高表达或者分泌，在外周与骨髓之间形成浓度梯度，有助于干细胞及祖细胞归巢。SDF-1/CXCR4系统可以诱导干细胞迁移，参与许多组织发育修复，但不恰当的干细胞迁移在许多病理过程(如肿瘤转移)中也起重要作用。另外由于肿瘤快速生长，在部分区域常常血供不足造成低氧环境，促使低氧诱导因子大量分泌，后者上调肿瘤干细胞CXCR4的表达，这有助于肿瘤干细胞归巢到产生SDF-1的部位，因此肿瘤干细胞迁移是肿瘤转移的一个重要特点。肿瘤血管生成在维持肿瘤生长与促进转移中起重要的作用。实体肿瘤快速生长容易导致部分区域缺氧，缺氧组织产生低氧诱导因子，诱导血管内皮生长因子、SDF-1、CXCR4表达，促进肿瘤血管发生。SDF-1/CXCR4在紧邻坏死区血管发生的部位表达，提示恶性肿瘤细胞利用SDF-1/CXCR4促进血管新生，维持肿瘤的生长[2-5]。

多数肿瘤细胞都广泛表达趋化因子及其受体，并受自身网络的调控。目前研究表明有近23种恶性肿瘤表达CXCR4，肿瘤组织微环境中的间充质细胞或骨髓衍生的间质细胞可分泌SDF-1。SDF-1与CXCR4相互作用通过直接或者间接的机制促进肿瘤进展。CXCR4与SDF-1的结合可引起乳腺癌细胞内骨架蛋白重排，调节细胞的运动能力，可使乳腺癌细胞内的丝状肌动蛋白显著增加，细胞形成明显的伪足，并呈剂量依赖性诱导乳腺癌细胞定向迁移和侵袭，CXCR4单克隆抗体可阻断这一效应。体内研究发现在严重联合免疫缺陷的小鼠用抗CXCR4的单克隆抗体能有效地抑制人乳腺癌移植瘤的肺部转移，其抑制率可达61%～82%，提示SDF-1和CXCR4的同步高表达在决定乳腺癌器官特异性转移的部位上起着非常关键的作用[6]。Belperio等[7]证实SDF-1/CXCR4系统在非小细胞性肺癌的器官特异性转移中也发挥重要作用。手术切除的非小细胞性肺癌组织和细胞系均表达CXCR4，而不表达SDF-1。在SDF-1的刺激下，CXCR4阳性的非小细胞性肺癌细胞系会发生趋化反应。最常见转移的靶器官如肾上腺、骨髓、肺和肝组织中SDF-1的表达高于原发肿瘤组织和血清，由此形成SDF-1浓度梯度，有利于肿瘤细胞转移归巢。总之，SDF-1/CXCR4涉及到肿瘤发生与发展的各个主要方面：增殖、转移及新生血管形成等。

二、SDF-1/CXCR4系统与结直肠癌局部及远处转移的关系

SDF-1/CXCR4在结直肠癌组织中高度表达，表达的强度与肿瘤分期、淋巴及远处转移相关。Schimanski等[8]报道人类结直肠癌组织及细胞系不同强度表达CXCR4和CCR7，但只有CXCR4表达强度与疾病分期、淋巴结转移及远处转移密切相关。Ottaiano等[9]用免疫组化分析结直肠癌组织中CXCR4的表达时发现：与非肿瘤组织(正常黏膜组织及息肉组织)相比所有的原发肿瘤组织以及转移组织中CXCR4都呈过度表达。CXCR4在较大的分化较差的息肉中表达高于增生型小息肉，表明CXCR4的表达与息肉恶性程度正相关。CXCR4在6种人类结直肠癌细胞系中有不同程度的表达，在SW620、SW48、SW480三系中高度表达。CXCR4调节结直肠癌细胞的黏附与趋化作用、增强细胞运动能力及促进肿瘤转移，是结直肠癌转移不可缺少的细胞表面受体。实验发现SDF-1调节SW480细胞黏附、趋化及细胞形态。在培养基中分别加入50 ng/ml和100 ng/ml的SDF-1可以分别增强SW480细胞2倍与3倍的黏附作用，用10 μg/ml抗CXCR4单克隆抗体预处理后能够显著降低SW480细胞依赖SDF-1的黏附作用。SDF-1与肝细胞提取物能够分别增强SW480细胞的迁移能力，检测发现肝细胞提取物中存在SDF-1。SDF-1可以重塑SW480细胞的细胞骨架，用100 ng/ml SDF-1处理SW480细胞后可以观察到细胞变成纺锤体形，并且形成伪足及突状结构，细胞膜的流动性增加，这也说明SDF-1增强细胞的运动能力[10]。Kollmar等[11]研究表明在鼠结直肠癌肝转移模型中，SDF-1能够刺激结直肠肿瘤细胞增殖和抑制细胞凋亡。研究还发现CXCR4是结直肠癌肝脏微转移灶中肿瘤细胞增殖所必需的。SDF-1上调结直肠癌细胞表达ICAM-1(intercellular adhesion molecule 1)，ICAM-1有利于结直肠癌细胞与内皮组织黏附及在远处脏器中种植，增强肿瘤进展和转移。事实上血浆中ICAM-1水平与疾病分期，淋巴结及远处转移密切相关，肿瘤根治术后ICAM-1水平明显下降。SDF-1可以促进结直肠肿瘤血管新生，维持肿瘤增殖生长，增强侵袭与转移。同时也促进肿瘤细胞表达黏附分子，增强肿瘤细胞的侵袭性。CXCR4是结直肠癌细胞转移所必要的，在结直肠癌细胞用KDEL序列转染到SDF-1基因后表达融合蛋白SDF-1/KDEL,癌细胞可被内质网中KDEL受体滞留于其中，SDF-1在此结合CXCR4，CXCR4不能到达癌细胞表面，于是这些癌细胞向肝、肺转移显著减少或被完全阻断。SDF-1以自分泌和旁分泌方式增强结直肠癌细胞增殖生长，文献报道SDF-1增强结直肠癌细胞系SW480与SW620细胞的增殖。在无血清培养基中加入SDF-1可以维持SW480和SW620细胞生存并在24 h后可以观察到细胞增殖。抗CXCR4单克隆抗体(10 μg/ml)可以显著地阻断SDF-1激活的细胞增殖作用[12]。Ottaiano等[9-10]研究结果显CXCR4与血管内皮生长因子高表达与结直肠癌淋巴结转移站数及远处转移密切相关。CXCR4阳性和血管内皮生长因子阳性的肿瘤细胞更易发生淋巴结和远处转移，提示CXCR4与血管内皮生长因子协同促进淋巴结及远处转移。CXCR4与血管内皮生长因子同时高表达预后较差，预示结直肠癌早期复发，CXCR4与血管内皮生长因子两者联合可能成为估计预后以及监测肿瘤复发的重要因子。另外还发现SDF-1刺激结直肠癌细胞分泌血管内皮生长因子，血管内皮生长因子促进肿瘤生长和肿瘤血管新生。SDF-1在转移灶(肝、肺、及淋巴结)高表达，因此可以通过促进血管内皮生长因子的生成诱导血管新生来进一步促进转移灶生长。Brand等[13]报道在结直肠癌细胞系HT-29中SDF-1刺激诱导血管内皮生长因子mRNA的表达并提高血管内皮生长因子水平。彭亦良等[14]研究表明SDF-1和血管内皮生长因子的表达与结肠癌的浸润深度、淋巴结转移及TNM分期有关；SDF-1与血管内皮生长因子之间表达呈正相关，结肠癌组织中SDF-1和血管内皮生长因子表达均显著增高，两者共同促进结肠癌的淋巴结转移。

三、CXCR4 RNA干扰的研究进展

De Falco等[15]运用质粒介导CXCR4 RNA干扰可以阻断未分化甲状腺癌细胞的增殖分化，降低细胞外信号调节激酶的磷酸化，提示CXCR4阻断有可能成为治疗甲状腺癌的新方法。Anderson等[16]应用慢病毒介导CXCR4 RNA干扰明显遏制Ghost细胞株对HIV-1病毒的感染，可能成为抗AIDS的基因治疗方法。Liang等[17]报道证实CXCR4系统是乳腺癌转移的重要通路，应用RNA干扰阻断CXCR4表达可抑制乳腺癌细胞株侵润与转移。Smith等[18]报道高转移性的乳腺癌细胞原位移植瘤生长迅速，小鼠大部分死于转移，在给予CXCR4 RNA干扰处理组，瘤株生长缓慢，未发现转移灶，提示CXCR4 RNA干扰可以提高转移性乳腺癌的治疗效果。张树成等[19]利用CXCR4 RNA干扰质粒高效特异地抑制人乳腺癌细胞中CXCR4基因的表达，遏制乳腺癌细胞转移和侵袭能力。Chen等[20]应用CXCR4 RNA干扰可显著抑制乳腺癌细胞的迁移。陈东平等[21]运用慢病毒介导CXCR4 RNA干扰，转染骨髓干细胞48 h后，CXCR4 mRNA水平抑制了95.6%，有效沉默CXCR4基因表达，进而阻断乳腺癌肿瘤细胞的迁移浸润。Rubie等[22]报道显示SW480细胞过表达CXCR4，采用RNA干扰技术可降低该细胞的迁移特性。Heckmann等[23]报道CXCR4过表达促进SW480细胞基于SDF-1浓度梯度而出现趋化和迁移，以慢病毒为载体介导CXCR4 RNA干扰，敲除CXCR4基因，显著降低SW480细胞株的迁移特性。

总之，目前研究证实SDF-1/CXCR4系统在结直肠癌淋巴及血行转移中发挥重要作用，理论推测阻断SDF-1/CXCR4趋化反应系统有望阻止局部及远处转移。随着对SDF-1/CXCR4作用及调节机制的深入了解，CXCR4有可能成为治疗CRC转移的靶分子，有望解决CRC易于转移的临床难题，从而为广大CRC患者改善预后带来希望。

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