肿瘤相关成纤维细胞的代谢重编程与肿瘤进展的关系

谷俊杰，孙昭，白春梅

中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院肿瘤内科，北京 100730

肿瘤的生长并不完全取决于肿瘤细胞本身，目前认为，肿瘤是一种难以愈合的慢性损伤，炎症是肿瘤微环境最重要的特征。炎性因子募集循环和邻近组织中的非肿瘤细胞归巢于肿瘤，可形成有利于肿瘤发生、发展的肿瘤微环境。肿瘤间质细胞约占肿瘤组织中细胞总数的50%[1]，主要包括肿瘤相关成纤维细胞（carcinoma-associated fibroblast，CAF）、免疫炎性细胞、内皮细胞和血管周细胞，而CAF是肿瘤微环境中最主要的组成部分[2-4]。CAF在肿瘤的代谢、生长、转移、免疫逃逸和化疗耐药等方面具有重要作用[5-7]。

1920年，Warburg[8]首次提出“温伯格假设”，他认为，肿瘤细胞代谢与正常细胞代谢不同，其更偏向糖酵解，即使氧气供给充足，肿瘤细胞仍通过旺盛的糖酵解提供能量，这种异常的代谢方式被称为“有氧糖酵解”或“温伯格效应”，肿瘤糖酵解被认为在肿瘤细胞的生长和转移中发挥重要作用。糖摄取及消耗的增多，为肿瘤细胞的合成代谢提供原料，提高了肿瘤细胞的抗氧化能力；同时，线粒体氧化磷酸化的减少，也可避免肿瘤细胞生成过多的活性氧，为肿瘤细胞产生失巢凋亡抵抗及转移做好准备。肿瘤微环境在肿瘤的发生、发展中具有重要作用，目前普遍认为，CAF存在代谢重编程（“反温伯格效应”），并与肿瘤有氧糖酵解密切相关。因此，本文就CAF在肿瘤组织中的代谢重编程机制及其在肿瘤发生发展中的作用进行综述。

1 CAF

研究普遍认为，CAF在肿瘤的发生和发展中有重要作用，但由于缺乏特异性的分子标志物，且由于来源的多样性，目前仍不能对CAF进行准确定义。CAF类似针状，是一类持续活化的、高度收缩的肌成纤维细胞，主要表达α-平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）、波形蛋白（Vimentin）和成纤维细胞活化蛋白（fibroblast activation protein，FAP）[9-10]。肿瘤被称为“难以愈合的损伤”，它可以“教育”周围的间质细胞，从而将其“调教”为促进肿瘤生长的CAF，但正常的成纤维细胞转变为CAF的机制目前尚不明确。CAF主要来源于上皮/内皮细胞间质转化、骨髓干细胞、血管周细胞或脂肪源间充质干细胞，其在形态学和表观遗传学上与表皮成纤维细胞均不同。肝癌细胞可以分泌溶血磷脂酸，从而促进肿瘤周边的成纤维细胞转化为CAF[11]；前列腺癌细胞可以分泌转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），从而促进骨髓来源间充质干细胞转化为CAF[12]；肿瘤细胞还可以分泌血小板源生长因子-α/β[13-14]、基本成纤维细胞生长因子[15]、白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）[16]来活化CAF。CAF与肿瘤的代谢、生长、转移、免疫逃逸、化疗耐药及不良预后相关。

2 “反温伯格效应”——CAF的代谢重编程

“温伯格效应”被列为肿瘤的十大特点之一[17]。Warburg认为，所有肿瘤细胞的有氧呼吸功能均是受损的，线粒体有氧代谢不可逆性损伤（无功能线粒体）是有氧酵解的主要原因[8]。然而，近年来，越来越多的学者认为，肿瘤细胞线粒体有氧代谢不可逆性损伤的假说可能存在问题，事实上，肿瘤细胞在快速增殖的同时，需要高线粒体代谢活性和有氧酵解。敲除肿瘤细胞中的线粒体后，肿瘤细胞增殖将停止甚至逆转其肿瘤源性[18]。进一步研究发现，肿瘤细胞分泌的细胞因子等可诱导CAF的代谢重编程，使CAF也倾向于有氧糖酵解[19]，如肝癌细胞分泌的溶血磷脂。CAF通过有氧酵解产生的乳酸及丙酮酸，被肿瘤细胞摄取用于线粒体三羧酸循环，为肿瘤提供能量的同时促进肿瘤细胞的合成代谢。上述过程与CAF的有氧酵解，被称为“反温伯格效应”[20-21]。事实上，CAF过表达单羧酸转运体-4（monocarboxylate transporter-4，MCT-4），以输出糖酵解产生的乳酸，避免细胞内乳酸堆积；肿瘤细胞过表达MCT-1以摄取肿瘤基质中的乳酸，进行三羧酸循环产生腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）或合成代谢原料[22]。CAF 的代谢重编程可通过分泌细胞外基质蛋白、提供能量等方式促进肿瘤发展。

3 CAF代谢重编程的调控机制

目前，CAF的代谢重编程调控机制存在多种假设，但具体机制仍未明确。肿瘤细胞可以产生大量的过氧化氢，在基质细胞周边营造假性缺氧的环境，类似于养料和氧气剥夺，进而调控CAF的代谢重编程[20]。致癌基因c-myc可以通过上调乳酸脱氢酶A（lactic dehydrogenase A，LDH-A）和葡萄糖转运体 1（glucose transporter 1，GLUT1）的表达而增加糖的摄入，促进糖酵解[23]。抑癌蛋白p53可以抑制肿瘤细胞的糖酵解，增强线粒体呼吸[24]。肿瘤起源相关微小RNA（microRNA，miRNA）的表达可以调控糖摄入和糖酵解，例如，miRNA-186与GLUT1的降解相关[25]。因此，CAF的转化分化过程中下调miRNA-186可以增加Glut1的表达，进而促进糖酵解[26]。缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1a，HIF-1α）是调节细胞对氧含量反应的主要转录因子，氧含量正常时，HIF-1α被泛素化或降解，缺氧可以减少HIF-1α的降解，促使其于细胞浆内堆积。HIF-1α的稳定性受细胞质膜微囊蛋白1（caveolin-1）缺失的调控，引起CAF内氧化应激反应，并在细胞周围营造假性低氧的环境[27-28]。HIF-1α的稳定性及其核转位在低氧诱发的实体瘤中具有重要作用。HIF-1α与100多种基因表达的上调相关，尤其是糖酵解相关基因[29]。饥饿状态下，特别是糖或氧气缺乏时，HIF-1α可活化一系列信号通路。由于缺乏氧化磷酸化原材料，ATP输出减少，腺苷一磷酸（adenosine monophosphate，AMP）/ATP比例增加，导致AMP活化的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）活化。AMPK活化可引起以下几方面变化：①主要通过磷酸果糖激酶2（phosphofructokinase 2，PFK2）磷酸化和GLUT4的增多，增加糖摄取，激活糖酵解；②通过抑制乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）活性氧化脂肪酸；③AMPK可以阻断雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，MTOR）通路，激活抗增殖信号通路；④通过UNC51样激酶1（UNC-51-like kinase-1，ULK1）的磷酸化，增加细胞自噬或自我消化。研究显示，任何类型的活性氧的形成和堆积、磷脂酰肌醇-3-羟激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）-丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonine protein kinase，AKT）-MTOR信号通路的过度活跃，均为CAF的代谢重编程创造了有利条件[30]。上述有利条件包括遗传和环境两方面因素：①遗传因素，乳腺癌易感基因1（breast cancer susceptibility gene l，BRCA1）、肿瘤蛋白p53（tumor protein p53，TP53）基因、磷酸酶-张力蛋白基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）等已知的抑癌基因的种系突变；②环境因素，吸烟、饮酒、慢性微生物或病毒感染、放射线、有毒化学物质、肥胖症、自身免疫性疾病、慢性过敏原暴露和老化过程本身等[31-33]致癌环境因素，也可导致持续的活性氧的产生。这些遗传和环境因素为CAF代谢重编程提供条件，促进肿瘤的发展。

4 代谢重编程的CAF对肿瘤的作用

4.1 促进肿瘤的生长、发展

CAF可以促进肿瘤细胞的生长和转移。肿瘤细胞与CAF相互作用，肿瘤细胞可以“劫持”CAF产生肿瘤细胞自身代谢所需的养料。肿瘤细胞可以产生活性氧，通过抑制脯氨酰羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD）诱导CAF产生HIF-1α。微囊蛋白1可以负向调节一氧化氮（nitric oxide，NO）的产生，HIF-1α可通过诱导自噬过程，促进微囊蛋白1退化。随着NO的含量升高，细胞色素c氧化酶的功能受到抑制，导致线粒体失能，进而提高CAF中活性氧的含量[34]。通过线粒体的自噬作用，CAF可以清除细胞内的无功能线粒体，并依赖强化的糖酵解促进乳酸生成。CAF还可以产生氨基酸和酮体，肿瘤细胞利用摄取的氨基酸、酮体和乳酸这些富含能量的养料进行氧化代谢，进而形成ATP[35-36]。CAF可以通过代谢产物间的交换为周围的肿瘤细胞提供养料，从而促进肿瘤细胞的增殖。CAF代谢重编程后，无氧代谢相关酶含量明显升高，特别是M2型丙酮酸激酶（M2 isoform of pyruvate kinase，PKM2），而PKM2是无氧代谢中的关键限速酶。研究显示，CAF中的PKM2过表达可以诱导小鼠模型产生更大的乳腺癌肿块[37]。CAF可分泌肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF），促进头颈部鳞状细胞癌细胞分泌碱性成纤维生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF），从而形成正反馈，促进头颈部鳞状细胞癌发展[38]。CAF中线粒体转录因子A下调可以诱导小凹蛋白-1（caveolin-1，Cav-1）表达下调，减弱CAF的氧化磷酸化，增强邻近肿瘤细胞的氧化磷酸化，促进乳腺癌细胞的增殖[39]。谷氨酰胺合成酶是谷氨酰合成的关键酶，肿瘤细胞可以促进CAF中谷氨酰胺合成酶的表达，有利于肿瘤细胞线粒体代谢。谷氨酰胺可以增强CAF细胞线粒子的自噬作用，降低肿瘤细胞内线粒体的自噬作用，上调肿瘤细胞谷氨酰胺转运体的表达，增强肿瘤细胞内线粒体生物合成[40]。

4.2 促进肿瘤的免疫抑制作用

肿瘤微环境中的CAF可以分泌大量的细胞因子[IL-6、IL-4、IL-8、IL-10、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、TGF-β]、趋化因子[CC 趋化因子配体 2（CC chemokine ligand 2，CCL2）、CCL5、CXC趋化因子配体9（C-±sC chemokine ligand 9，CXCL9）、CXCL10]和促血管生成因子[基质细胞衍生因子1（stromal cell-derived factor 1，SDF1）、前列腺素E2、NO、HGF和人白细胞抗原E]，这些因子可以间接或直接地调节肿瘤细胞的免疫过程：①IL-6可以限制树突状细胞的成熟，诱导T细胞失活和失能，CAF来源的IL-6也可以促进单核细胞分化和巨噬细胞增多，同时募集并活化大量的肥大细胞[41-42]；②CAF产生的IL-4、IL-6和IL-8可以诱导免疫抑制性髓细胞分化，研究显示，CAF的分泌组学中含有多种T细胞募集中涉及的细胞因子，如CXCL9、CXCL10和SDF1[43]；③CAF可通过影响肿瘤血管形成和黏附分子的作用，间接影响肿瘤免疫；④CAF可以与肿瘤细胞共同组建细胞外基质蛋白网络，形成阻止免疫细胞向肿瘤浸润的物理屏障，进而抑制肿瘤免疫。

4.3 促进肿瘤耐药

研究认为，肿瘤细胞的化疗耐药与活跃的肿瘤基质相关，CAF可能促进肿瘤细胞耐药。CAF诱导肿瘤细胞产生化疗耐药的可能相关机制包括以下几个方面：①CAF可以增加肿瘤间质液压，进而间接抑制抗肿瘤药物的摄入[44]；②CAF、肿瘤细胞与细胞外基质相互作用，肿瘤细胞可以直接黏附于CAF，进而通过与N-钙黏附素的结合，激活肿瘤细胞内的AKT信号通路导致耐药[45-46]，肿瘤细胞与经CAF改造的细胞外基质的黏附，诱导肿瘤细胞发生上皮-间充质转化，诱导细胞周期停滞，进而导致耐药[47]；③CAF通过糖酵解产生大量乳酸，酸化肿瘤微环境，导致肿瘤细胞耐药，尤其是诱导乳腺癌细胞对紫杉醇及阿霉素耐药，酸化的肿瘤微环境可选择性地调节肿瘤细胞膜表面的质子泵活性，不仅可增加细胞外基质的酸度，还可导致细胞内基质碱化，与耐药细胞系相关[48-49]；④CAF可以通过分泌可溶性因子导致肿瘤细胞耐药，CAF产生的TGF-β、IL-6和HGF均为潜在的耐药介质，TGF-β可增强肿瘤细胞对细胞外基质的黏附能力[21]，IL-6可以诱导活化肿瘤细胞生存信号通路[50]，HGF则是CAF介导的酪氨酸激酶抑制药耐药的关键调节因子，CAF来源的HGF可以促进肿瘤细胞对BRAFV600E抑制剂或EGFR抑制剂耐药[51]。

5 小结

CAF是肿瘤微环境的主要组成部分，肿瘤组织中的CAF可以募集较多的抑制性免疫细胞，在肿瘤局部形成抑制性免疫微环境，促进上皮-间充质转化，激活促进肿瘤生长的信号通路，从而促进肿瘤生长、耐药，形成恶性循环。虽然CAF的代谢重编程及其促进肿瘤转移和耐药的作用机制仍未完全清楚，但阻断CAF、肿瘤和免疫微环境间的相互作用，可能成为肿瘤治疗的新靶点。