G-CSF/G-CSFR在实体肿瘤中的研究进展

王微，袁伟，齐军#，马洁

国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院1检验科，2分子肿瘤学国家重点实验室，北京100021

3北京医院生物治疗中心/国家老年医学中心，北京100005

粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor，G-CSF）是一种多肽链的粒细胞生长因子，目前研究发现G-CSF主要通过与粒细胞集落刺激因子受体（granulocyte colony-stimulating factor receptor，G-CSFR）结合动员多种骨髓前体细胞，促进粒系细胞的增殖、分化与迁移，增强成熟粒细胞的功能[1-3]。G-CSFR主要表达于造血干细胞、髓祖细胞和成熟粒细胞等造血细胞的表面[2]。近年来的研究显示，G-CSF和G-CSFR在肺癌、胃癌、结肠癌、膀胱癌、食管肉瘤、脑胶质瘤等多种实体瘤中也均有一定的表达[4-7]。G-CSF与G-CSFR结合可发挥促进肿瘤细胞增殖、抑制肿瘤细胞凋亡或诱导血管形成等作用，参与肿瘤的发生、发展。由于目前临床上将GCSF作为肿瘤治疗过程中的重要辅助用药，因此，有必要对G-CSF/G-CSFR信号通路及其发挥作用的具体机制进行综合性探讨。本文就G-CSF/G-CSFR在实体肿瘤中的研究进展作一综述。

1 G-CSF/G-CSFR的结构和分布

1.1 G-CSF/G-CSFR的结构

G-CSF是一种由174个氨基酸残基组成的糖蛋白，基因全长2.5 kb，包括5个外显子和4个内含子。G-CSF包含5个半胱氨酸，Cys36与Cys42、Cys74与Cys64之间形成两对二硫键，Cys17为不配对半胱氨酸，二硫键是维持G-CSF生物学功能的重要因素。天然形成的G-CSF由4个单环通过氨基酸环相连，在人体健康状态下含量较低，当发生病原体感染时，其在血浆中的浓度明显升高。

G-CSFR是一种由813个氨基酸残基组成的单跨膜蛋白，是Ⅰ类细胞因子受体超家族成员之一，由胞外区、胞质区和跨膜区组成。其细胞外区域较大，包括免疫球蛋白样结构域和细胞因子受体同源结构域，以及3个纤连蛋白Ⅲ型结构域。胞内段含有4个酪氨酸残基，在信号转导过程中发挥着重要的作用，并与STAT3信号通路的激活密切相关[8]。G-CSFR激活时，位于胞内羧基端的酪氨酸被磷酸化，可以结合多种含SH2信号的蛋白分子，使STAT3发生磷酸化，从而发挥信号传递的作用。小鼠与人的G-CSF氨基酸序列同源性高达72.5%，与G-CSFR氨基酸序列的同源性也达到62.5%。

1.2 G-CSF/G-CSFR的分布

G-CSF主要由内毒素、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）活化的单核细胞和巨噬细胞产生，可以促进粒系造血细胞的增殖、分化和活化。研究发现，GCSF在结肠癌组织中的表达较癌旁正常组织高约30%，淋巴结转移阳性患者结肠癌组织中G-CSF和G-CSFR的mRNA水平也高于无淋巴结转移者[4]。G-CSFR表达于一系列的造血细胞表面，包括造血干细胞、髓系祖细胞、巨噬细胞、单核细胞和淋巴细胞等；同时也表达于一些非造血细胞的表面，如血管内皮细胞、间皮细胞、心肌细胞、成纤维细胞和神经元前体细胞等[2,9]。近年来，随着G-CSF的广泛应用，对G-CSFR的研究也逐渐深入。有研究发现，实体肿瘤细胞也表达G-CSFR，Morris等[4]发现G-CSFR在结肠癌上皮细胞的表达约占90%，而在正常结肠上皮细胞的表达仅占20%。Wojtukiewicz等[10]对28例乳腺癌患者的组织样本进行分析，结果显示，有20例乳腺癌患者的组织样本表达GCSFR。这些研究均表明G-CSF及其受体G-CSFR的表达与肿瘤的发生、发展密切相关。

2 G-CSFG-CSF在肿瘤微环境中的作用

肿瘤的发生、生长及转移与肿瘤细胞所处的内外微环境密切相关，肿瘤微环境不仅包括肿瘤所在组织的结构、功能和代谢，而且也包括肿瘤细胞自身（细胞核和细胞质）的内在环境和肿瘤细胞周围的免疫细胞和免疫调节因子所形成的外环境等。免疫细胞释放化学趋化因子、血管生长因子、基质降解酶等，形成有利于肿瘤生长和侵袭的微环境。有研究发现G-CSF和GM-CSF是广泛存在于各种肿瘤中的造血生长因子，不但可以募集中性粒细胞、单核巨噬细胞等到达肿瘤邻近的部位，从而促进肿瘤的发展，还可以募集正常的内皮祖细胞到达肿瘤组织，诱导肿瘤血管形成[11]。

炎性浸润的免疫细胞是肿瘤微环境免疫再编程的关键因子。Li等[12]采用小鼠结直肠癌模型检测骨髓来源抑制细胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）、巨噬细胞等细胞的浸润情况，发现其浸润程度与G-CSF升高有关，进一步的研究发现G-CSF能够动员MDSC从骨髓向结肠部位聚集，促进MDSC增殖同时抑制其凋亡，从而促进结直肠癌的发生、发展。Wang等[13]利用雄性CD-1（ICR）小鼠诱导结直肠癌发生的研究发现，腹腔M1型巨噬细胞仅在炎性相关结直肠癌的转移阶段高表达G-CSF，腹腔M2型巨噬细胞在整个炎性相关结直肠癌过程中，尤其是在肿瘤形成阶段，高表达G-CSF。以上研究均表明，G-CSF可能通过炎性浸润的免疫细胞从而改变实体肿瘤的微环境，进一步影响肿瘤的发生、发展。

骨髓细胞的扩增与实体瘤的发生、发展密切相关，尤其对肿瘤的形成至关重要。在乳腺癌动物模型中，有研究发现，在早期肿瘤的形成过程中会出现非典型抑制T细胞的中性粒细胞，特别是在肿瘤恶性转化的早期会在肿瘤组织周边蓄积，产生抑制性的肿瘤免疫微环境，使自身免疫系统无法正常发挥免疫监视作用。这些非典型抑制性细胞的产生依赖于肿瘤来源的G-CSF。持续的G-CSF表达可激活骨髓髓系分化，满足肿瘤形成过程中对中性粒细胞的需求，对肿瘤免疫抑制性白细胞的产生和激活具有重要作用[14]。因此，G-CSF可能通过影响相应免疫细胞表达以及骨髓髓系细胞分化，从而对肿瘤微环境产生影响。

3 G-G-CSF/G-CSFR-CSFR促进炎症向癌症转化

肿瘤的发生与慢性炎性反应密切相关。前期有研究发现肠炎导致肠组织中大量Th17细胞浸润，Th17细胞分泌的IL-17A能够作用于小鼠结直肠上皮细胞，促进其分泌G-CSF，G-CSF进一步动员MDSC从骨髓向结肠部位聚集，促进MDSC的增殖，诱导MDSC分泌促炎性反应细胞因子白细胞介素-6（interleukin 6，IL-6）和一氧化氮合酶（inducible nitric oxidesynthase，iNOS），从而促进结直肠炎症向癌症转化。研究表明，G-CSF在炎症向癌症的转化过程中起着重要的作用[12]，详见图1。然而，目前关于G-CSF/G-CSFR促炎癌转化的机制研究相对较少，有待进一步探索。

4 G-CSF/G-CSFR-CSFR促进肿瘤生长和转移的机制

图1 1G-CSF/G-CSFR-CSFR在实体肿瘤免疫中的作用

肿瘤细胞表面的G-CSFR通过与其配体G-CSF相结合，可以激活多个细胞内信号通路，促进肿瘤细胞的增殖、侵袭与转移，并且还可以促进肿瘤血管的形成。使用抗体中和G-CSFR可降低G-CSF的激活作用，从而阻止肿瘤细胞的增殖和转移。研究发现，G-CSF可激活JAK酪氨酸途径、Ras/MAP激酶途径，以及Rac1、MKK3/6、p38MAPK、ERK1/2和AKT等细胞信号转导通路[2]。Kumar等[9]发现卵巢浆液性上皮肿瘤细胞表达G-CSFR，采用G-CSF刺激卵巢上皮癌细胞系，G-CSF通过结合G-CSFR激活JAK2/STAT3信号通路，从而促进肿瘤的生长和转移，增加肿瘤细胞对化疗诱导细胞凋亡作用的抵抗。一般认为，JAK/STAT是G-CSF信号传递的主要途径。G-CSF与其受体G-CSFR结合后激活JAK，活化的JAK能够使G-CSFR胞内段的酪氨酸残基磷酸化，从而召集STAT家族，STAT家族被JAK磷酸化后，进入细胞核，与目的基因的启动区结合，启动效应蛋白的表达。Wang等[5]发现G-CSF可通过促进STAT3的磷酸化，增加其下游Bax、Bcl-2、MMP-2、MMP-9基因的表达来促进脑胶质瘤细胞的增殖、侵袭和转移。在膀胱癌中，GCSF可促进G-CSFR阳性肿瘤细胞的STAT3磷酸化，增加凋亡抑制蛋白survivin的表达，抑制细胞凋亡，通过裸鼠接种的G-CSFR阳性肿瘤细胞成瘤体积明显大于G-CSFR阴性肿瘤细胞[4,15-16]。另外，G-CSF还可通过激活其他的蛋白酪氨酸激酶发挥作用。当ERK的活性受到抑制后，G-CSF诱导的增殖反应受到严重影响。STAT缺陷细胞在受到G-CSF刺激后仍能增殖，而ERK抑制剂可以抑制其增殖[4]。

5 G-CSF/G-CSFR-CSFR对肿瘤细胞干性特征的影响

肿瘤中具有自我更新能力并能够分化为异质性肿瘤细胞的一类细胞被称为肿瘤干细胞（tumor stem cell，TSC），其存在赋予了肿瘤不可控生长、转移和复发的特点。Jiang等[17]曾提出假设：肿瘤是由干细胞引起和维持的。原发肿瘤中异质性表型的增加仅仅依赖于一小部分的肿瘤细胞亚群，极其稀少，但成瘤能力较普通肿瘤细胞高数百倍以上，是肿瘤发生、发展与维持的基础[18-19]。在肿瘤发生的初期，甚至在不典型增生的初期，过激的炎性反应形成体细胞促生长效应，导致细胞具有过度增殖的干细胞特征[20]。

由于G-CSF是一个促炎性反应的细胞因子，可以动员骨髓间质干细胞[1]，因此，研究者探讨了G-CSF与TSC的相关性。Ma等[21]采用G-CSF刺激前列腺癌细胞系PC-3和DU145后，检测到表达干性特征的标志物CD117、ABCG2和CD44的细胞占比增加。Morris等[4]发现G-CSF可以使具有干性特征标志物的细胞维持在一个较高的水平上。这些研究均表明G-CSF对肿瘤细胞的干性特征维持具有一定的作用。研究证实G-CSF与其受体G-CSFR结合对造血干细胞、心肌间质干细胞、神经干细胞、骨骼肌细胞均具有一定的促增殖作用，但是对于肿瘤干细胞的作用是否通过G-CSFR产生，目前相关的研究相对较少，具体的机制有待进一步阐明。有研究报道，在G-CSF刺激下，表达干性特征的细胞亚群增多，可促进胃肠道肿瘤的形成，这个过程主要依赖于ERK1/2和RSK的磷酸化[22]。神经母细胞瘤中肿瘤干细胞样亚群同样也表达G-CSFR，此类细胞类似胚胎细胞和诱导多能干细胞，具有高度的致瘤性和自我更新（即分化成不同子代细胞）的能力，与其配体G-CSF结合可以激活STAT3，在体内和体外促进神经母细胞瘤中肿瘤干细胞样亚群的扩增。在人类的异种移植和鼠神经母细胞瘤模型中，外源性的G-CSF可以增强肿瘤细胞的增殖和转移能力。在G-CSF的作用下，STAT3信号通路被激活，维持神经母细胞瘤中肿瘤干细胞样亚群的存活。采用抗G-CSF抗体或者STAT3抑制剂阻断G-CSF-STAT3信号通路，神经母细胞瘤中肿瘤干细胞样细胞减少，导致相关的肿瘤生长受到抑制，肿瘤转移减少[21]。

6 G-CSF/G--CCSSFFRR在肿瘤中的相关临床研究

临床上G-CSF主要用于肿瘤放化疗后引起的粒细胞减少，放化疗导致的白细胞计数减少延长了放化疗间期，影响了放化疗疗效，严重时可危及患者的生命。使用G-CSF后，短时间内可使白细胞计数升至正常，为及时进行放化疗赢得了宝贵时间。然而近年来的研究发现，G-CSF还可以调节实体肿瘤的病情进展。有些肿瘤细胞可以分泌GCSF，虽然不是很常见，但是由于细胞因子介导的免疫抑制和血管生成作用导致患者的病情发展很快，在此情况下使用重组人G-CSF后新生成的血管可能发生恶化，最终导致肿瘤复发[17]。Morales-Arias等[23]发现，无论在体内还是在体外，尤文氏肉瘤细胞均表达G-CSF和G-CSFR，使用重组人GCSF后可以促进肿瘤细胞在体内的生长。目前，关于G-CSF在肿瘤患者中应用对于患者疾病复发及预后影响的临床研究相对较少，因此有必要对GCSF/G-CSFR在实体肿瘤中的作用机制以及G-CSF的临床应用对肿瘤患者产生的影响进行深入探索。

7 小结与展望

G-CSF已经被广泛应用于肿瘤患者放化疗后中性粒细胞减少的预防和治疗，可以缩短骨髓抑制期，降低中性粒细胞减少的程度。然而，近年来，G-CSF和G-CSFR具有促进肿瘤生长和转移的作用，因此，以下关键的问题需要进一步探索：①开展G-CSF/G-CSFR调节肿瘤细胞转移和存活的具体细胞信号通路以及主要参与分子的研究；②探讨G-CSF/G-CSFR通过炎性的免疫细胞参与肿瘤发生、发展的具体机制；③明确G-CSF/G-CSFR对肿瘤细胞干性特征的影响，从而更好地了解肿瘤发生机制；④考查肿瘤患者G-CSFR的表达是否应该作为G-CSF治疗的禁忌证。

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