造血微环境在前列腺癌骨转移中的作用

陈浩栋 赵玉婉 柳建军

广东医科大学附属医院泌尿外科（广东湛江524001）

前列腺癌是目前世界上最常见的男性恶性肿瘤之一，在欧美国家男性恶性肿瘤发病率常年位居第一［1］。在我国前列腺癌发病率在恶性肿瘤中位居第二，仅次于肺癌，并且呈明显上升趋势［2］。前列腺癌具有明显的嗜骨性转移，其转移机制目前尚不明确，超过80%的晚期前列腺癌患者出现骨转移［3］，常见转移至骨盆，股骨和椎体。由前列腺癌骨转移引起的骨骼相关事件（skeletal-related events，SREs），如病理性骨折、脊髓压迫及剧烈的疼痛，严重影响患者的生存质量并增加病死率［4］。因此，阐明前列腺癌骨转移的机制，对前列腺癌骨转移的预防及治疗尤为重要。目前已知前列腺癌骨转移过程分为定植、休眠、再活化和增殖4 个阶段［5］。造血微环境（hematopoietic microenvironment）是由SCHOFIELD［6］在1978年首次提出用来描述参与造血干细胞维持、自我更新和定向分化的微环境。造血微环境主要由骨内膜、成骨细胞、破骨细胞及微血管系统等构成，其微血管系统中血窦内径长且容量大，血流速度慢，有利于前列腺癌细胞定植［7］。造血微环境中富含成骨细胞及破骨细胞，生理条件下，骨沉积和吸收受到成骨细胞及破骨细胞之间严格的控制，维持新骨合成的动态平衡并保持骨的完整性。然而，在骨转移过程中，成骨细胞与破骨细胞保持的平衡被打破，肿瘤细胞分泌多种细胞因子刺激成骨细胞及破骨细胞活化，活化的成骨细胞及破骨细胞又进一步促进肿瘤细胞的生长，形成了骨转移的“恶性循环”。

1 造血微环境为前列腺癌发生转移提供适宜环境

早在1889年，英国学者PAGET［8］提出的“种子-土壤”学说，是解释前列腺癌细胞发生骨转移的主流学说。骨骼是前列腺癌细胞转移的适宜“土壤”，主要是因为骨髓中造血微环境中富含多种生长因子及趋化因子，如：血管内皮生长因子（VEGF）、转化生长因子-β（TGF-β）、胰岛素样生长因子（IGF）、骨形成蛋白（BMPs）、趋化因子SDF-1，促进癌细胞定植、休眠、再活化和增殖［9-10］。造血微环境是一种极其活跃的微环境，其内富含成骨细胞及破骨细胞。成骨细胞来源于骨髓基质中的间充质干细胞，占骨细胞总数的4%～6%［11］。在骨重塑过程中，成骨细胞主要负责合成新的骨基质，骨基质主要由I 型胶原蛋白组成，但也含有少量的蛋白多糖和其他细胞外基质蛋白［12］。成骨细胞还通过表达RANK-L 和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）在破骨细胞分化过程中起到关键作用。破骨细胞来源于骨髓中的单核细胞，约占骨细胞总数的1%～4%［11］，主要负责骨的重吸收。前列腺癌细胞转移至骨，骨微环境中负责骨重塑的成骨细胞和破骨细胞释放多种细胞因子，为肿瘤细胞的生长提供有力的支持。

2 前列腺癌细胞向骨内定植

2.1 前列腺癌细胞骨内定植前的准备 前列腺癌细胞向骨内定植主要涉及6 个步骤，包括细胞粘附减少、上皮-间质转化、局部迁移及侵袭、血管内循环、“归巢”和定植［13］。正常的前列腺上皮中，细胞与细胞粘附是由整联蛋白和细胞黏附分子（如钙黏蛋白）紧密相连。钙黏蛋白有两种主要类型，E-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白，分别由上皮细胞和间充质细胞表达。在前列腺癌早期转化中，前列腺上皮细胞表现出细胞黏附因子的改变，包括E-钙黏蛋白的下调和N-钙黏蛋白的上调［14］，这一过程称为钙黏蛋白转换，同时也是上皮-间质转化的主要特征。整合蛋白表达下降也在上皮-间质转化中发挥重要作用。经历上皮-间质转化的前列腺上皮细胞具有分泌蛋白酶的能力，例如基质金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶，其中基质金属蛋白酶-2（MMP-2）可降解细胞外基质，有利于细胞迁移、侵入周围组织及血管内［15］。LIU 等［16］发现miR-195 可抑制前列腺癌细胞上皮-间质转化，miR-195 修复可能为治疗转移性前列腺癌提供新的治疗方法。

2.2 前列腺癌细胞向骨髓造血微环境“归巢”和定植 尽管前列腺癌细胞向骨髓造血微环境“归巢”和定植的机制尚不明确，但越来越多的证据表明前列腺癌细胞利用类似造血干细胞“归巢”的机制进入骨髓［17-18］。在造血干细胞“归巢”机制中，SDF-1 是一种常见的趋化因子，其主要功能是调节造血干细胞的运输，造血干细胞表达的趋化因子受体CXCR4 与趋化因子SDF-1 结合，使造血干细胞沿SDF-1 浓度梯度迁移［19］。SHIOZAWA 等［20］证明增加造血微环境的数量可促进骨髓肿瘤细胞数量的增加，这也表明造血微环境有利于前列腺癌细胞定植。造血微环境富含成骨细胞，成骨细胞可大量分泌趋化因子SDF-1，而前列腺癌细胞中CXCR4 表达上调，高表达CXCR4 的前列腺癌细胞在SDF-1 的趋化牵引作用下，“归巢”至SDF-1 浓度最高的骨髓造血微环境中。此外，SDF-1 还可以瞬时调节αvβ3 整合素的表达，这也可能在前列腺癌细胞定位到骨髓转移灶中发挥作用［21］。WANG 等［22］证明CXCR4 抑制剂AMD3100可抑制前列腺癌细胞定位到富含SDF-1 区域，这也证明SDF-1∕CXCR4 信号轴是前列腺癌骨转移的关键信号通路。前列腺癌细胞“归巢”到骨髓后，肿瘤细胞通过表达整合素、N-钙黏蛋白等多种分子定植于骨髓中。前列腺癌细胞可表达整合素α2β1，通过胶原蛋白I ∕α2β1 信号转导激活RhoC GTP 酶，有利于肿瘤细胞定植于骨髓［23］。

3 前列腺癌细胞在骨髓中休眠与再活化

3.1 前列腺癌细胞在骨髓中休眠 当前列腺癌细胞在骨髓定植后，肿瘤细胞不会立即生长，而是进入休眠期，推测这可能与免疫逃逸及肿瘤周围血管形成有关［24］。这一阶段时间较长，可达数年之久［5］。YUMOTO 等［25］发现MC3T3-E1 成骨细胞与PC-3 或DU145 前列腺癌细胞的共同培养导致前列腺癌细胞增殖受到抑制，证明成骨细胞可能与调节肿瘤细胞休眠有关。生长停滞特异性蛋白-6（GAS6）是一种由造血微环境中的成骨细胞分泌的酪氨酸激酶受体的配体，GAS6 可促进前列腺癌细胞休眠、增加肿瘤细胞存活率并抑制肿瘤细胞增殖［26］。前列腺癌细胞高表达酪氨酸激酶受体AXL，能与成骨细胞分泌的GAS6 特异性结合，增加TGF-β 的表达。YUMOTO 等［25］还发现与成骨细胞共培养的PC-3 细胞中TGF-β1 和TGF-β2 表达的显着增加，同时，PC-3 细胞中TGF-βII 型受体（TGFBR2）和TGF-βIII 型受体（TGFBR3）的表达也上调。TGF-β2 与TGFBR3 特异性结合后可通过增加P38 磷酸化，促进内源性细胞周期抑制剂P27 的表达，从而促进肿瘤细胞在骨髓中休眠［27］。成骨细胞和间质细胞衍生的BMP-7 也被证明可通过p38-MAPK 通路诱导前列腺癌细胞的休眠［28］。而TGF-β1 在肿瘤骨转移早期可抑制肿瘤细胞增殖，晚期可促进肿瘤细胞进展［25］。

3.2 肿瘤细胞在骨髓中再活化 进入休眠期的肿瘤细胞仅有少部分被再活化［5］。肿瘤细胞休眠再活化的分子机制目前尚不明确，其可能与多种因素相关，如：破骨细胞活化、肿瘤细胞分泌信号因子相关。LAWSON 等［29］发现当用破骨样RAW264.7 细胞的条件培养基培养时，原先处于休眠状态的5T33MM 骨髓瘤细胞表现出增殖与生长，为了进一步确定这种作用是否由破骨细胞活化增多引起，作者将可溶性RANK-L 注射到带有骨髓瘤病的小鼠体内，RANKL 由成骨细胞分泌，可与破骨细胞前体的RANK 受体结合，诱导破骨细胞活化［30］。LAWSON 等［29］观察到骨吸收增加后骨中休眠的骨髓瘤细胞数量减少。这些结果表明，骨髓瘤细胞再活化与骨微环境中破骨细胞活性增加有关。可以推测前列腺癌细胞在骨髓中休眠再活化可能也与破骨细胞活性相关。YUMOTO 等［25］发现阻断GAS6∕AXL 信号轴可抑制肿瘤细胞分泌TGF-β，由TGF-β 介导的肿瘤细胞休眠也受到抑制，导致PC-3 和DU145 前列腺癌细胞的再活化。SHARMA 等［31］研究发现，BMP-7 表达下调可导致PC-3 细胞休眠受抑制。因此，破骨细胞活化、TGF-β、GAS6、BMP-7 在调节肿瘤细胞休眠再活化中起到关键作用。

4 肿瘤细胞在骨髓中增殖与“恶性循环”

再活化的肿瘤细胞可进入增殖期，在增殖期中，肿瘤细胞可释放多种细胞因子激活成骨细胞和破骨细胞，被激活的成骨细胞和破骨细胞又进一步促进肿瘤细胞增殖，从而启动骨转移的“恶性循环”。前列腺癌细胞通过释放甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP）与成骨细胞上的PTH-1R 受体结合，刺激成骨细胞增殖和分化［32-33］，活化的成骨细胞一方面产生大量生长因子，包括VEGF、IGF-1、TGF-β，支持前列腺癌细胞增殖，另一方面通过分泌RANK-L 与破骨细胞前体上的RANK 受体结合，诱导破骨细胞活化［34］。活化的破骨细胞分泌组织蛋白酶K 和其他半胱氨酸蛋白酶到骨基质中，促使骨基质中I 型胶原蛋白降解，导致骨基质破坏。同时，活化的破骨细胞及被破坏的骨基质均可释放TGF-β、IGF-1，进一步刺激肿瘤细胞生长和增殖［35］。此外，前列腺癌细胞产生大量内皮素-1、BMPs，其导致持续的成骨细胞活化，活化的成骨细胞以无序的形式进行成骨活动，导致骨骼发育不良［36］。

狄诺塞麦（Denosumab）是一种抗RANK-L 人单克隆抗体，其通过抑制RANK-L∕RANK 信号通路来阻断破骨细胞活化。Ⅲ期临床试验表明，与唑来膦酸相比，狄诺塞麦可明显延长前列腺癌患者无骨转移的生存时间，并推迟骨骼相关事件出现时间，同时也明显减少低钙血症的发生率。HUANG 等［37］证明通过下调miR-133b 可抑制TGF-β 的活性，能抑制前列腺癌骨转移，从而提高前列腺癌患者无骨转移的生存时间，预测miR-133b 可以作为治疗前列腺癌骨转移的新靶点。

5 小结与展望

前列腺癌易发生骨转移，超过90%骨转移患者晚期将出现骨骼相关事件，如病理性骨折、脊髓压迫及剧烈的疼痛，严重影响患者的生活质量并增加死亡率。然而前列腺癌骨转移的确切机制尚不明确，了解前列腺癌骨转移确切机制及治疗方法是目前亟待解决的问题。前列腺癌细胞向造血微环境“归巢”和定植的机制尚不明确，若充分认识其分子机制，选择性对其信号通路进行阻断，将有望在前列腺癌发生骨转移早期进行防治。此外，骨转移过程中癌细胞的休眠及再活化机制也值得深入研究，了解其机制可针对其作用蛋白靶向抑制癌细胞再活化的过程，从而抑制癌细胞在造血微环境中增殖。