肿瘤相关成纤维细胞在肺癌发生发展及耐药中的作用

冯继锋, 彭颖

迄今为止,肿瘤仍是威胁人类健康问题的主力军。随着研究的深入,人们发现肿瘤的发生演变过程并不单纯是基因异常表达所导致,肿瘤所处的微环境也在其发生发展中发挥重大作用[1]。肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)是一个复杂的生态系统,包括肿瘤相关成纤维细胞(cancer associated fibroblasts,CAFs)、肿瘤微血管、免疫细胞、细胞外基质、细胞因子、激素等因素。与正常组织环境(normal tissue environment,NTE)在组织结构、慢性炎症、氧和pH水平、细胞营养状态、组织硬度等方面存在差异。TME虽然可能具有一定的抗癌作用,但总体上TME可以通过慢性炎症、免疫抑制和有利于血管生成的环境等途径来促进肿瘤细胞的生长和逃避宿主的免疫监视。

1 关于肿瘤相关成纤维细胞(CAFs)

在肿瘤的发展过程中，肿瘤细胞能够改变相邻基质的特性，创造适合肿瘤生长的微环境。在基质细胞的组分中，与伤口愈合中观察到的肌成纤维细胞具有相似形态的CAFs越来越多地被发现出现在肿瘤区域。与正常成纤维细胞相比，CAFs是永久性激活的，既不恢复正常表型，也不发生凋亡。研究发现，CAFs在不同癌症中具有高度的异质性，在对肾纤维化中的肌成纤维细胞的研究表明，大约一半的肌成纤维细胞是通过增殖产生的，其余的是通过分化而形成的[2]。CAFs可能来自于正常组织成纤维细胞(normal fifibroblasts，NFs),也可能是肿瘤骨髓干细胞转化而来，更有研究表明其可能直接由上皮-间质转化(epithelialmesenchymal transition，EMT)和内皮间质转化( endothelial mesenchymal transition，EndMT)两种方式转化而来[3]。通过免疫组化法，已经鉴定了几种CAFs标记物，包括α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)、成纤维细胞激活蛋白(fifibroblast activation protein，FAP)、波形蛋白及成纤维细胞特异蛋白-1(fifibroblast-specifific protein 1，FSP-1)。研究发现，α-SMA蛋白表达强度能够反映乳腺癌的浸润深度[4]，且与肺癌的预后不良相关[5]。FAP已被证明具有胶原酶和二肽酰肽酶的活性，有助于降解细胞外基质[6]。体内外实验表明，CAFs还能通过建立细胞与肿瘤细胞的相互作用[7]或通过分泌多种生长因子[如转化生长因子-β(TGF-β)、肝细胞生长因子(HGF)、基质细胞衍生因子1(SDF-1)、胰岛素样生长因子1(IGF-1)]和信号通路促进肿瘤的增殖和侵袭[8]。说明CAFs不仅促进肿瘤的发生、生长、侵袭、转移和耐药，而且还参与了包括血管生成、淋巴管生成、细胞外基质重构、肿瘤相关炎症和代谢重组[9-10]。

2 肿瘤相关成纤维细胞(CAFs)与肺癌的关系

肺癌已成为了一个重大的公共健康问题。2018全球癌症统计报告显示,世界范围内发病率最高的癌症是肺癌,同时肺癌也是世界上与癌症相关死亡的主要原因[11]。其中小细胞肺癌约占肺癌的15%,其余85%为预后不良的非小细胞肺癌(non-small-cell lung cancer,NSCLC)。目前,新兴的免疫治疗和分子靶向治疗对肺癌具有良好的抗肿瘤作用,但由于肺癌患者很多依然是到了晚期才被诊断,因此预后仍不理想。CAFs是肿瘤基质中最丰富的细胞类型,具有强大的促肿瘤能力,在肺癌进程中同样发挥了重要作用,作为未来肺癌治疗的药物靶点,CAFs与肺癌的相关研究越来越受到人们的关注。

2.1 CAFs促进肺癌增殖 研究发现,CAFs可以释放白细胞介素-6(IL-6)等促进肿瘤细胞存活和生长的因子[12],同时还能分泌VEGF、CXCL12和IL-8/CXCL8等因子来刺激肿瘤血管生成,促进肿瘤生长增殖[13]。Huang等[14]最新实验研究发现,NSCLC来源的外泌体不仅具有促进正常肺成纤维细胞向癌样细胞转化的潜力,而且可以通过传递α-SMA来促进NSCLC细胞增殖,抑制细胞凋亡。王竞等[15]研究发现,NSCLC患者的肿瘤组织中CAFs的表达明显高于癌旁组织,且进一步体外细胞实验也提示CAFs能促进肺癌A549细胞的增殖能力。

纤维蛋白原样蛋白2(FGL2)是纤维蛋白原超家族成员之一,是一种影响多种细胞功能的多向细胞因子。Zhu等[16]在敲除FGL2的小鼠上建立了同基因可移植的Lewis lung carcinoma(LLC)模型,发现宿主FGL2缺乏与同基因LLC肿瘤的生长减少有关,宿主FGL2缺乏,通过下调趋化因子配体12(CXCL12)的表达,显著降低髓源性抑制细胞的积累。更重要的是,基质来源的FGL2在CAFs激活和功能中具有新的作用,即FGL2能通过上调α-SMA、FAP和PDGFRα的表达来增强CAFs的活化表型,这表明基质来源的FGL2在促进肺癌中CAFs的活化和促进肿瘤功能方面起着关键的作用。

2.2 CAFs促进肺癌侵袭与转移 T细胞淋巴瘤侵袭转移诱导因子2(TIAM2)是一种鸟苷酸交换因子,在肿瘤发生发展中起着重要作用。Li等[17]对12例NSCLC患者的原代肺CAFs和邻近肺NFs进行了培养,结果发现TIAM2在CAFs中的表达明显高于NFs,TIAM2沉默的成纤维细胞迁移和侵袭能力下降,EMT相关基因在癌细胞中的表达水平也发生了变化。PI3K/Akt和MAPK/ERK通路在肿瘤细胞EMT和侵袭转移中也起重要作用[18]。Luo等[19]研究发现,CAFs可以通过增强氧化磷酸化(OXPHOS)和增强ATP激活的PI3K/Akt和MAPK/ERK信号通路,促进NSCLC细胞的EMT、迁移和侵袭。而α-SMA、缝隙连接蛋白43(Cx43)和LDH-B的表达水平是判断原发性NSCLC患者预后的重要指标。Cx43形成的单向缝隙连接细胞间通信(GJIC),在介导CAFs与NSCLC细胞之间的代谢偶联、促进NSCLC的恶性进展方面具有新的作用。

Huijbers等[20]报道,CAFs分泌的SDF-1通过激活受体(CXCR4),在肿瘤细胞的生存、转移和耐药中发挥重要作用。CXCR4主要通过PI3K/AKT/NF-κB轴和ERK1/2/NF-κB轴参与肿瘤细胞的生长、存活和耐药[21]。同时,NF-κB的激活或上调通常导致bcl-2同系物Bcl-XL等基因的转录激活,从而抑制细胞凋亡[22]。Li等[23]实验发现在肺癌细胞株A549和95D细胞中,随着CXCR4的高表达,肿瘤细胞中的Bcl-XL和NF-κB蛋白水平均升高,而CXCR4沉默后,二者的水平均下降。表明激活的NF-κB和Bcl-XL可能是CXCR4促进肿瘤增殖的信号转导因子。此外,mir-1负调控SDF-1的表达,在CAFs与肿瘤细胞的相互作用中起重要作用。这些结果也证实了CAFs可以作为肿瘤治疗的潜在靶点。

2.3 CAFs与肺癌的耐药 炎症细胞、内皮细胞和成纤维细胞等肿瘤基质细胞可诱导肺癌患者对化疗产生耐药性。体内外实验证实,在肺腺癌细胞中IL-11对顺铂诱导的癌细胞凋亡有保护作用,从而促进其耐药,并且白介素-11(IL-11)在顺铂刺激的CAFs中明显上调。此外,IL-11还可诱导STAT3磷酸化,增加抗凋亡蛋白Bcl-2和Survivin在癌细胞中的表达。这种作用可能通过抑制STAT3磷酸化或沉默IL-11受体在癌细胞中的表达而被消除。综上所述,化疗诱导的CAFs中IL-11通过激活IL-11R/STAT3抗凋亡信号通路促进肺腺癌细胞的耐药[24]。

另一方面,Wang等[25]先是证明CAFs通过IL-6分泌和JAK2/STAT3通路激活促进肺癌细胞的转移和EMT，后在CAFs的上调基因中发现了ANXA3的耐药作用。RNA测序结果显示,CAFs表达的ANXA3水平高于NFS,CAF条件培养基(CAF-CM)可上调肺癌细胞中ANXA3的表达。ANXA3的过表达增强了肺癌A549和H661细胞对顺铂的耐药性,而抑制ANXA3可提高肺癌SK-MES-1细胞对顺铂的敏感性,提示ANXA3在NSCLC顺铂耐药中起重要作用。CAF-CM通过激活ANXA3/JNK通路,抑制caspase-3和caspase-8的表达,从而抑制顺铂诱导的细胞凋亡,增强对顺铂的耐药性,这提示ANXA3可能是治疗耐药肺癌的潜在治疗靶点[26]。

纤溶酶原激活物抑制物-1(PAI-1)是由血管内皮细胞、炎症细胞和成纤维细胞产生的糖蛋白,可抑制纤溶酶原激活物的激活[27]。肺腺癌组织中PAI-1水平与肺腺癌组织中CAFs特征性肌成纤维细胞(myofibroblast,MF)所占的比例呈正相关,PAI-1通过抑制细胞凋亡来维持CAFs的MF特性,而通过抑制PAI-1来抑制成纤维细胞的MF特性可以增强化疗对肺癌细胞的作用,降低肺癌的耐药,因此PAI-1可能是肺癌抗肿瘤治疗的理想靶点[28]。

虽然具有激活表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)突变的肺癌对选择性EGFR酪氨酸激酶抑制剂(tyrosine kinase inhibitors,TKIs)高度敏感,但经TKIs治疗后的肺癌患者常常会出现获得性耐药。EGFR-TKIs治疗NSCLC产生继发性耐药的后续治疗已有报道[29]。研究发现,CAFs介导的肺癌细胞在EGFR-TKI erlotinib耐药性中发挥作用。PC9细胞是具有EGFR激活突变的NSCLC细胞,在体外与CAFs共同培养时,对erlotinib产生耐药性。CAFs能诱导PC9细胞上皮向间质转化,并伴随着包括波形蛋白在内的上皮向间质过渡标记蛋白的表达变化。CAFs诱导7-跨膜蛋白的上调,7-通道跨膜蛋白smo介导Hh信号,Hh信号在肿瘤尤其是肺组织中表现出很强的活性,它能促进间质增生、成肌细胞分化和细胞外基质的产生,从而促进癌细胞经历EMT过程[30]。研究发现,CAFs通过过表达生长因子IGF-1和HGF,以旁分泌的方式诱导NSCLC的EGFR-TKIs耐药。

此外,CAFs分泌IGF-1和HGF刺激相应受体IGF-1R和c-met,增加ANXA2的表达和磷酸化,ANXA2是一种钙依赖、磷脂结合的细胞表面蛋白,具有多种细胞功能,包括膜-细胞骨架组织、囊泡转运和调节离子通道活性[31]。近年来,多项研究表明ANXA2在肿瘤细胞黏附、侵袭和转移中发挥重要作用。在肺癌中检测到高水平的ANXA2[32]。更重要的是,肺癌患者预后不良与ANXA2表达相关。ANXA2在CAFs诱导的EMT和对EGFR-TKIs耐药性中起上调作用。而下调ANXA2可以逆转体内外CAFs诱导的gefitinib耐药[33]。CAFs的这一特性在肺癌对EGFR-TKIs的耐药中作用关键,可能是肺癌理想的治疗靶点。

2.4 CAFs与肺癌的预后 CAFs的预后属性也逐渐被揭晓。在肺腺癌中,研究观察到CAFs的碳酸酐酶IX(CAIX)表达与传统的预后因素密切相关。其次,癌细胞CAIX的表达是一个重要的预后因素,而CAFs中碳酸酐酶IX的表达比癌细胞中的CAIX预后预测更好,能更准确地反映腺癌的恶性行为[34]。HGF/c-met系统在肿瘤细胞侵袭过程中可能构成间质肌成纤维细胞的自分泌刺激环,这种自分泌系统将进一步刺激肌成纤维细胞激活。

Tokunou等[35]在对131例肺腺癌组织中c-met的表达的研究中发现,69例(占53%)出现了CAFs c-met表达。Kaplan-Meier生存曲线显示,CAFs中c-met的表达与患者预后不良有关。Kawase等[36]在检测177例肺腺癌患者的癌细胞和CAFs的淋巴内皮细胞标记物(podoplanin)表达中发现,只有9例癌细胞有podoplanin的表达,而有54例CAFs表达podoplanin表明CAFs表达podoplanin与肿瘤大小、病理结节受累、病理分期、肿瘤浸润、肿瘤分化、血管浸润、胸膜浸润等生物学因素有关,与生存时间缩短显著相关,是预后不良的重要预测因素。

3 展望

CAFs在肺癌进展中的潜在机制正逐渐被揭示,CAFs不仅可以通过分泌和表达多种因子、调节多条信号通路来形成一个更有利于肺癌增殖、侵袭和转移的微环境,而且与肺癌的耐药、预后密切相关。既然CAFs是潜在的肺癌治疗药物靶点,如何利用这些靶点,给予肺癌患者生物、免疫治疗,更需要进一步深入研究CAFs在肺癌发展的演变进程中所扮演的角色及参与耐药的具体作用机制。