结直肠癌干细胞和微环境对结直肠癌转移的影响

张丛荣，朱安龙

(哈尔滨医科大学附属第一医院结肠直肠外科，哈尔滨 150001)

结直肠癌是世界范围内最常见的癌症类型之一，约占所有新发癌症的10%，占所有癌症死亡病例的8.5%[1]。结直肠癌发病逐渐趋于年轻化，其中年龄<40岁的患者占所有结直肠癌患者的2%～8%[2]。目前，结直肠癌的治疗以手术治疗及放化疗的综合治疗为主，绝大多数早期患者可以通过手术治疗治愈，但对于有转移的结直肠癌患者只有一小部分可以通过手术治愈，且5年生存率很低。结直肠癌的复发大多以转移形式发生，其主要由手术前播散到远处器官的残存肿瘤细胞引起。而目前的系统性治疗(全身化疗)并不能消除潜伏的残存肿瘤细胞，且对转移灶的增长也无治疗效果，只能为患者提供几个月的生存优势。转移是指癌症播散到远处器官并形成转移灶，在结直肠癌患者中主要涉及肝和肺。为了获得转移的能力，癌细胞需要侵袭周围组织、在循环中存活、定植于远处器官并最终恢复生长能力，但转移是一个低效过程，在转移的过程中大多数癌细胞丧失了生长能力[3]。自2016年以来，学者逐渐发现影响结直肠癌转移的相关因素：肿瘤在远处器官的再生与癌细胞获得干细胞样表型密切相关[3]。转移性肿瘤干细胞具有多种表型和生物学行为，肿瘤主要依靠它们与微环境的相互作用来迁移、在循环中生存、在远处器官再生。现就结直肠癌干细胞和微环境对结直肠癌转移的影响予以综述。

1 结直肠癌概述

正常结肠的上皮细胞是不断更新的，在结肠黏膜腺体基底部的隐窝细胞是快速增殖分化的肠道干细胞，其可以维持上皮细胞的稳态再生[4]。调控肠道干细胞更新和增殖的信号通路不断被发现，包括Wnt、表皮生长因子受体/促分裂原活化的蛋白激酶和Notch信号通路等，而转化生长因子-β信号通路诱导细胞停滞[4]。肠道干细胞的高增殖状态增加了其在DNA复制阶段突变的可能，此外生活方式、饮食习惯和微生物等环境因素也对上皮细胞的转化产生很大影响[5-6]。在结直肠癌患者中，最常见的遗传学改变为抑癌基因APC的失活，失活的APC基因激活Wnt信号通路在肿瘤发生初期形成持续的干细胞增殖状态，从而导致上皮细胞的良性增生，即腺瘤。在小鼠模型中进行的遗传实验证实了这种假设，即肠道干细胞的APC基因突变是肠息肉的起源[7]。而一小部分腺瘤通过其他的突变变得具有侵袭性，这些突变主要由3个信号通路介导：①促分裂原活化的蛋白激酶通路。其通过激活KRAS、BRAF或PIK3CA基因突变而使癌细胞获得自主有丝分裂及增殖的能力。②p53通路。p53通路被突变的p53蛋白刺激失活，从而产生基因组不稳定性。③转化生长因子-β通路。其常因TGFBR2、SMAD4、SMAD2或SMAD3功能缺失而失活，从而避免了肿瘤微环境中高转化生长因子-β水平的抑制作用[8]。获得这些突变是一个缓慢的过程，由于染色体不稳定性和DNA错配修复系统的缺陷，肿瘤的发生往往积累了数百甚至数千种的遗传变异，其中一些突变会赋予癌细胞新生物学行为，增加其侵袭性，另一些突变作用仍未知，这些因素共同作用使结直肠癌的治疗变得困难。

如上所述，促进结直肠癌发展的突变影响了调节肠干细胞行为的信号通路，使癌细胞获得自主分裂和生长的能力，不受肠干细胞信号的调控。有学者提出了这样一种假设，即在促分裂原活化的蛋白激酶通路、p53通路、转化生长因子-β通路中获得的突变促进了肿瘤细胞在不利环境中的生长[9-10]。虽然这些突变促进了肿瘤的发展，但转移仍不常见，说明有其他相关因素限制了肿瘤的播散。大多数结直肠癌在诊断时即具有侵袭性，这使得脱落的癌细胞有机会进入循环系统数月或更长时间，当播散的结直肠癌细胞进入门静脉循环时，其在几分钟内就会被运送到肝窦，并在血管开放时进入肝实质。在肺转移的情况下，结直肠癌细胞首先进入体循环然后浸润肺实质，而结直肠癌细胞浸润其他器官(大脑)的能力尚不清楚[11]。研究表明，肿瘤转移过程中的限制因素为循环肿瘤细胞定植于远处器官的能力[3]。大多数在循环系统中存活并浸润到远处器官的肿瘤细胞会死亡，其原因尚不清楚，可能与先天和适应性免疫系统对肿瘤细胞的识别和杀伤有关，而存活下来并适应新环境的肿瘤细胞即可产生转移。然而，并不是所有成功播散到远处的癌细胞均有在新环境下完成增殖的能力，通常在恢复增殖能力之前，它们会在远处器官潜伏数月到数年[12]。

2 结直肠癌干细胞对结直肠癌转移的影响

2.1肿瘤细胞的等级结构 肿瘤干细胞的概念最先出现于血液系统的肿瘤，其是指具有自我更新能力并具有无限分化潜能的一类细胞，肿瘤干细胞在适宜环境下分化出与原表型不同的肿瘤细胞，从而导致肿瘤的转移灶形成[13-14]。有学者提出，结直肠癌是由不同致瘤潜能的细胞群引起，称之为肿瘤起始细胞[15-16]。研究表明，肿瘤起始细胞(亦称结直肠癌干细胞)位于肿瘤细胞层次的顶端,它们可以自我更新，并具有长期增殖分化的潜能，在接种到小鼠体内时可引发肿瘤[17]。结直肠癌中干细胞多能性和细胞分化的平衡依赖于调节正常肠道干细胞的信号通路，这些信号通路中有许多细胞因子是由肿瘤基质细胞提供的，而在侵袭部位存在其他基质来源的细胞因子和生长因子可进一步促进结直肠癌干细胞的自我更新。由于结直肠癌干细胞具有自我更新和产生肿瘤启动的能力，所以它可能代表(或产生)所谓的转移干细胞，即转移的起源细胞[18]。研究表明，只有具有长期自我更新能力的细胞才有可能发生转移[19]。

大多数的结直肠癌是一种相对紊乱的干细胞与分化细胞混合的细胞团块，而远处转移形成的转移瘤与其具有相同的性质。虽然存在于肿瘤腺体中的结直肠癌干细胞在分离和异种种植于小鼠体内时具有致瘤性，但在自然条件下，它们只有在首次获得表型改变使其能够迁移和外排时才有能力发生转移，这一过程在癌细胞与邻近组织和肿瘤间质进行物质交换时发生。

2.2休眠和缓慢增殖的肿瘤细胞 转移通常发生在潜伏期后，结直肠癌的潜伏期长达5年，潜伏期是播散的肿瘤细胞保持休眠状态的结果。目前，清除这些残存肿瘤细胞的治疗方法为标准化疗，但化疗对这些残存的肿瘤细胞杀伤力有限，因为化疗通常是针对快速增殖的肿瘤细胞，而休眠和缓慢增殖的肿瘤细胞在很大程度上对化疗具有耐药性。休眠的肿瘤细胞对诱导细胞死亡的信号产生一种特殊的应答状态，从而保护其免受免疫系统的攻击[20]。转移的潜伏期形成可能由两种机制导致：①群体休眠，即肿瘤细胞增殖和死亡平衡的状态，从而导致微转移灶不扩张；②细胞静止或暂时有丝分裂停止的状态[3]。理解这些机制可使医师有机会在发生明显转移前消除残存病灶(或抑制其生长)，从而治愈患者。虽然结直肠癌中休眠细胞群的起源、特征和调控尚不清楚，但其可能会为正常肠上皮细胞多样性的研究提供方向。

2.3肿瘤细胞的遗传学改变 由于基因组的不稳定，肿瘤获得了数百种遗传和表观遗传学的改变，使肿瘤细胞获得不同的表型，而这可能导致克隆扩展，这种进化现象是肿瘤适应不同环境、定植远处和抵抗治疗的基础。在概念上，肿瘤细胞等级和克隆多样性导致的表型异质性可能具有一定的相关性，结直肠癌干细胞代表克隆选择的单位，在分化程度较高的细胞中发生突变，但由于该群体的寿命较短，所以被选择的机会较低[19]。虽然克隆多样性与治疗耐药性和转移能力增强有关，但对原发性结直肠癌和转移灶的基因测序并未发现与肿瘤播散有关的特定基因突变，原发肿瘤和转移灶之间的相似性表明，非遗传因素可能在这一过程中具有特殊作用[21]。

3 微环境对结直肠癌转移的影响

结直肠癌上皮间质异质性为结直肠癌患者的诊断和治疗带来了新思路，瘤内异质性还包括很多其他的细胞类型，它们渗透到肿瘤中，统称为基质或肿瘤微环境。基质的相关功能与癌症进展和转移的所有步骤均有联系，在癌症进展过程中癌细胞与基质进行物质交换并共同发展；从概念上来讲，转化的癌细胞强烈改变了基质的性质和组成，并通过这种改变形成适宜癌细胞生长的微环境，为癌细胞提供保护。因此，越来越多的研究开始重视与肿瘤恶性和转移定殖有关的特定基质细胞群的特征。

3.1微环境中的癌相关成纤维细胞 癌相关成纤维细胞是指肿瘤间质内一组高度同源的具有特殊表型的活化成纤维细胞，其可以从肿瘤的不同部位分离出来。癌相关成纤维细胞与正常成纤维细胞的区别在于其可激活肌成纤维细胞的表型，促进α-平滑肌肌动蛋白、成纤维细胞特异性蛋白-1和成纤维细胞活化蛋白的表达，这些均是识别癌相关成纤维细胞的特异性标志。癌相关成纤维细胞为结直肠癌细胞提供一系列细胞因子，促进了癌细胞存活和肿瘤的发生[22]。在机制上，与正常结肠成纤维细胞相比，癌相关成纤维细胞更能促进癌细胞在体内的生长，其分泌的细胞因子更能促进上皮癌细胞的自我更新和迁移[23]。此外，从癌相关成纤维细胞中获得的基因表达特征可能与结直肠癌的预后不良有关[24]。因此，癌相关成纤维细胞在肿瘤微环境中是一个重要的细胞群体，它们为癌症的进展提供了适宜环境。

3.2基质环境 肿瘤细胞周围的基质环境有不断发育的血管网络，其为肿瘤细胞的生长提供所需的营养物质与氧气。肿瘤细胞分泌的生长因子刺激内皮细胞增殖分化，从而促进血管生成，而与肿瘤相关的血管生成又导致血管异常，常表现为网络混乱、分支过度、周围细胞覆盖减少和渗漏，血管异常与结直肠癌患者的转移与不良预后有关[25]。血管内皮生长因子是大多数人类肿瘤内皮细胞增殖的关键调控因子，其可诱导激活促分裂原活化的蛋白激酶/胞外信号调节激酶信号通路，肿瘤血管内皮生长因子的表达与癌细胞的侵袭性、血管密度增加和转移有关。研究证明，贝伐珠单抗、抗血管内皮生长因子的单克隆抗体和血管生成抑制剂联合化疗可提高Ⅳ期结直肠癌患者的生存率[26]。

3.3SA100A6蛋白 SA100A6是一种钙离子结合蛋白，是SA100蛋白家族的一员[27]。目前，已知其蛋白家族可通过肿瘤微环境间接地促进肿瘤细胞转移，其中SA100A4可以促进单核细胞向M2型极化，从而促进肿瘤转移[28]。研究表明，SA100A6可以促进结直肠癌的进展和转移，但其机制尚未明确[29]。

3.4白细胞介素-33 白细胞介素是一类分子结构和生物学功能基本明确且具有重要调节作用的细胞因子，其在免疫细胞活化增殖、免疫反应调节等各个环节中发挥多重作用[30]。白细胞介素-33是内皮细胞和上皮细胞分泌的一种细胞因子，其可以激活促分裂原活化的蛋白激酶信号通路，在结直肠癌中对肿瘤血管的生成有重要意义。近年来研究表明，白细胞介素-33在肿瘤的发生、发展及转移等过程发挥调控作用，其存在异常表达，可能与肿瘤患者的临床特征相关[31]。肿瘤细胞分泌的白细胞介素-33通过增加内皮细胞的增殖、迁移和向血管分化，显著增加新血管的生成，从而增加结直肠癌细胞向肝脏的转移播散，而阻断白细胞介素-33介导的信号通路可以抑制血管生成，减少肿瘤的发生[32]。

4 小 结

结直肠癌干细胞和肿瘤微环境调节对结直肠癌进展和转移的影响，以及治疗方案的制订、优化和应用具有重要意义。结直肠癌干细胞理论的提出对结直肠癌难以治愈的原因做出了解释，虽然杀灭结直肠癌干细胞可以从根源上治愈结直肠癌，但其研究尚处于起步阶段，对结直肠癌的彻底治疗仍需进一步研究。肿瘤微环境与肿瘤的侵袭性密切相关，故对肿瘤微环境的研究对预防和治疗肿瘤转移具有重要意义。肿瘤的异质性在产生和维持结直肠癌干细胞的耐药和转移能力过程中发挥作用，尤其是肿瘤微环境支持的定植转移。针对结直肠癌干细胞和微环境的治疗，可以阻止有远处转移风险的早期结直肠癌患者发生远处转移。未来，以结直肠癌干细胞和癌细胞所处微环境为靶点的靶向治疗联合根治性手术及全身化疗可能会为结直肠癌患者的治疗提供新方向。