放疗促进肿瘤转移的研究进展

曹玉霖 殷媛 李杰 周 乐源

1 江南大学附属医院肿瘤研究所，无锡 214062；2 江南大学附属医院介入科，无锡 214062

肿瘤转移是指恶性肿瘤细胞从原发部位经淋巴道、血管或体腔等途径，到达其他部位继续生长的过程。恶性肿瘤转移的方式包括直接蔓延到邻近部位、淋巴转移、血行转移和种植转移。恶性肿瘤的转移往往是肿瘤治疗失败的主要原因[1]。

肿瘤微环境由肿瘤细胞、多种基质细胞、细胞因子和趋化因子等组成。肿瘤的发生和转移与肿瘤细胞所处的环境关系密切，它不仅包括肿瘤细胞自身的内在环境（核和胞质），也与肿瘤所在组织的结构、功能和代谢有关[2]。

治疗恶性肿瘤的主要目标是根除患者的肿瘤细胞，包括原发性肿瘤细胞和明显或隐匿性转移的肿瘤细胞，这是影响患者预后的关键因素。超过50%的肿瘤患者将在疾病过程中接受放疗，其对于无法手术或不完全切除肿瘤的患者以及复发患者至关重要[3]。然而，即使应用先进的放疗或放化疗联合疗法，肿瘤仍可能发生复发和转移，导致预后不良。放疗本质上是对肿瘤进行局部控制，但会产生局部和全身效应，这就意味着肿瘤微环境会不可避免地受到影响。事实上，放疗诱导的肿瘤微环境变化可能在某些情况下促进肿瘤进展。越来越多的研究结果表明，电离辐射可能具有促进肿瘤转移的作用[1]。然而，几十年来，改进放疗的研究几乎完全集中于肿瘤细胞本身，却忽略了肿瘤微环境和肿瘤内复杂的生物相互作用，而这可能是影响肿瘤治疗成败的关键因素。因此，关注肿瘤微环境对提高肿瘤的治愈率至关重要。目前，国内外对放疗后肿瘤微环境变化促进肿瘤转移及其分子机制的研究较少。我们对放疗后肿瘤微环境变化与肿瘤转移的关系及其可能的分子机制进行综述。

1 细胞因子表达

辐射诱导肿瘤细胞、基质细胞和免疫细胞分泌的细胞因子增加是肿瘤转移灶形成的关键因素。具体而言，细胞因子到达待转移的靶器官，事先营造一个有利于肿瘤细胞定植、存活和增殖的微环境，进而促进肿瘤转移。

1.1 肿瘤细胞的分泌

辐射会诱导肿瘤细胞分泌诸多影响其迁移和侵袭的细胞因子。辐射可诱导恶性胶质瘤细胞分泌白细胞介素（interleukin，IL）-6、IL-8、转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），这些因子有助于增强细胞运动，从而影响肿瘤细胞的迁移和侵袭；6 Gy γ 射线单次剂量照射人乳腺癌MDA-MB-231 细胞和MCF-7 细胞分别促进IL-1β和IL-6 以及血小板衍生生长因子BB 的分泌，增强了肿瘤细胞的侵袭和转移[3]。Kim 等[4]报道，5 Gy γ 射线单次剂量照射与2.5 Gy γ 射线分次剂量照射（共照射3 次）同样诱导肿瘤细胞中IL-4 的分泌增加，进而促进裸鼠中乳腺癌细胞的肺转移。对食管癌的研究结果表明，肿瘤细胞经照射后，IL-6/Stat3/Twist 通路激活，促进食管癌细胞发生上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），从而赋予肿瘤细胞迁移和侵袭的能力，促进其转移[5]。照射后基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）的分泌也被证实可增强肿瘤细胞的迁移和侵袭能力[1]。MMPs是由肿瘤细胞及微环境中的其他细胞广泛分泌的蛋白酶家族，其能够降解细胞外基质，与肿瘤侵袭和转移直接相关。体外研究结果表明，辐射暴露后MMPs 活性增强，促进肿瘤细胞迁移和侵袭，并支持肿瘤血管新生[1]。辐射调节的miR-340/429-IL4 信号通过在体内和体外激活JAK/JNK/β-catenin/Stat6 信号通路，诱导转录因子Sox2、波形蛋白、 VEGF、 促血管生成素2、 MMP2和MMP9 的产生，从而促进肿瘤发生和转移[4]。此外，对前列腺癌和直肠癌进行放疗可以增强肿瘤和局部微环境中MMPs的活性，它们在肿瘤侵袭中起关键作用，并且与癌症分期、肿瘤细胞存活和转移相关[1]。Moncharmont 等[6]的研究结果显示，2 Gy X射线单次剂量照射大鼠胶质瘤细胞和10 Gy X 射线单次剂量照射黑色素瘤细胞后，MMP2 表达上调，肿瘤转移能力增强。前列腺癌细胞经2.5 Gy γ 射线单次剂量照射后，尿激酶型纤溶酶原激活物、波形蛋白和神经型钙黏附蛋白等促进EMT 的蛋白质的表达水平升高，同时，促进细胞迁移的MMP2 的表达水平也被上调[7]。 乳腺癌细胞经2 Gy γ 射线分次剂量照射（共照射25 次）后，TNF-α 和ATP 的表达水平升高，P2Y2 受体激活，乳腺癌细胞的侵袭性增强[8]。Chen 等[9]的研究结果表明，照射后垂死的胰腺癌细胞通过旁分泌高迁移率族蛋白1，激活PI3K/pAKT-EMT 信号轴，从而加速体内胰腺癌的转移。Feys 等[10]发现，照射肺上皮细胞可增加热敏趋化因子CXCL12 和巨噬细胞迁移抑制因子的分泌，促进乳腺癌细胞的肺转移。

1.2 基质细胞的分泌

辐射诱导的细胞因子分泌在肿瘤微环境中的基质细胞，如癌相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts，CAFs）中也发生改变。CAFs 能促进肿瘤细胞存活、生长、侵袭和转移，增强细胞外基质的刚性，促进血管生成并诱导炎症[11]。5 Gy γ 射线单次剂量照射小鼠3T3 成纤维细胞后，环氧化酶2 的表达水平升高，与之共培养的人乳腺癌MDAMB-231 细胞的侵袭能力增强，环氧化酶2 可通过刺激MMP2 的表达诱导前列腺素E2 的分泌，后者参与肿瘤细胞的侵袭过程[6]。Ohuchida 等[12]的研究结果表明，5 Gy 或10 Gy γ 射线单次剂量照射基质胰腺成纤维细胞可促使肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）受体c-Met 的磷酸化以及丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）的活性上调，从而增强胰腺癌细胞的侵袭性。Rüegg 等[13]的研究结果表明，基质床经3 Gy X 射线单次剂量照射后，口腔鳞状细胞癌细胞通过调节富含半胱氨酸蛋白61 而增强其侵袭性和转移性。Teng 等[14]发现，CAFs 通过分泌基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）促进体内外子宫内膜癌细胞的增殖、迁移和转移。

成纤维细胞经体外照射后，通过分泌碱性成纤维细胞生长因子和c-Met/HGF 系统活化的可溶性因子促进胰腺癌细胞的侵袭[4]。事实上，照射后成纤维细胞也可以通过衰老或旁观者效应促进肿瘤细胞的侵袭性生长。研究结果表明，衰老是各种压力导致细胞改变其行为的结果，人乳腺成纤维细胞长时间暴露于低剂量电离辐射后表现出过早衰老，共培养放射诱导的衰老成纤维细胞和乳腺癌细胞发现，早衰细胞不但促进了乳腺癌细胞的生长和侵袭，而且还降低了它们的放射敏感性[15]。照射后基质细胞分泌的TGF-β 已被证明可促进体外鳞状细胞癌细胞的迁移和侵袭，并增加原位乳腺肿瘤中循环肿瘤细胞的数量，增强肺转移[3]。

其他基质细胞，如内皮细胞和脂肪细胞等也与肿瘤侵袭和转移相关。高剂量的电离辐射诱导内皮细胞功能障碍，然而，低剂量的电离辐射可通过激活Akt 信号传导促进内皮细胞存活，支持毛细血管形成，从而促进肿瘤转移[13]。据报道，5 Gy X 射线单次剂量照射增强了人乳腺癌MDA-MB-231 细胞和鼠乳腺癌4T1 细胞的跨内皮迁移[1]。另有研究结果表明，骨髓脂肪细胞在骨转移中起主导作用，其可直接为肿瘤细胞提供能量，促进肿瘤细胞增殖并增强放疗抗性[16]。

1.3 免疫细胞的分泌

辐射也被证明会影响免疫细胞的募集及其行为。肿瘤相关巨噬细胞和髓源抑制细胞（myeloidderived suppressor cells，MDSCs）可迅速渗入受照部位并促进细胞因子和生长因子的分泌，从而直接或间接地促进肿瘤生长和转移。MDSCs 是骨髓衍生的异源细胞群，能够极大地抑制免疫应答。9 Gy γ射线单次剂量照射小鼠乳腺癌细胞和肺癌细胞引起SDF-1 与趋化因子受体CXCR4 相互作用，通过募集MDSCs增强肿瘤细胞的侵袭能力[3]。MDSCs在肿瘤微环境中的作用是双重的：一方面，MDSCs可直接参与转移前细胞的形成，通过浸润原发肿瘤促进肿瘤细胞的转移，并通过分泌TGF-β、MMP9、VEGF、血管生成肽Bv8 和碱性成纤维细胞生长因子等细胞因子促进血管生成；另一方面，MDSCs还可以抑制免疫功能，加速肿瘤进展。肿瘤微环境中的趋化因子和相关细胞因子在MDSCs 迁移到肿瘤部位发挥免疫抑制功能的过程中起关键作用。15 Gy γ 射线单次剂量照射小鼠全胸部后，CD11b+/CD11c+骨髓单核细胞向转移部位募集，增强了静脉内注射的肿瘤细胞的定植和转移性生长[1]。

总体而言，放疗增加了肿瘤微环境中细胞因子和可溶性因子的分泌，促进肿瘤细胞的迁移和侵袭，对体内肿瘤的控制产生负面影响。

2 缺氧

由于肿瘤细胞的增殖率远高于正常细胞，因此肿瘤细胞的代谢异常迅速，肿瘤血管生成相对不足，最终导致肿瘤微环境内的低氧水平。缺氧已被证明支持肿瘤的恶性表型，包括肿瘤的不受控生长、增强的转移倾向、血管新生以及对放疗和化疗的抗性[3]。辐射诱导的缺氧会引起缺氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）活性增强，HIF-1介导对缺氧的适应性反应，并激活参与血管生成、细胞迁移和侵袭的蛋白质的编码基因的转录，进而促进肿瘤细胞的侵袭和转移，敲降HIF-1 降低了预照射床上肿瘤的整体转移能力[3]。Gu 等[17]发现，辐射可以通过HIF-1 依赖性方式诱导人甲状腺癌FTC133 细胞迁移，2 Gy X 射线单次剂量照射可促进人非小细胞肺癌H1299 细胞、A549 细胞和人大细胞肺癌H460 细胞的转移和侵袭，辐射可诱导H1299 细胞中HIF-1α 和CXCR4 的表达，SDF-1α/CXCR4 通过激活PI3K/pAKT 和MAPK/pERK1/2通路，调节MMPs 表达，增强H1299 细胞的转移和侵袭能力。辐射损伤内皮细胞，导致缺氧，进一步增强HIF-1 信号传导，HIF-1 通过上调VEGF 和CXCL12 的表达水平诱导血管生成，进而促进肿瘤的浸润和转移。Kuonen 等[18]报道，低剂量电离辐射通过激活一氧化氮途径刺激体内内皮细胞的迁移和血管生成，促进肿瘤转移。对体外内皮细胞的研究结果表明，低剂量（<5 Gy）辐射通过增加基质细胞中VEGF 的分泌来刺激血管生成[19]。肿瘤血管生成是癌症晚期的标志，能够促进肿瘤的侵袭和转移。Vilalta 等[3]认为，辐射对肿瘤内血管的影响可能会增加肿瘤细胞进入循环的通量。此外，辐射对肿瘤进展的阻滞可能为转移的发生提供更多准备时间从而促进转移。Purdy[20]的研究结果表明，低剂量电离辐射促进白血病进展和乳腺癌细胞转移，可通过阻断VEGF 受体2 来预防。原发肿瘤缺氧损害了转移前生态位中自然杀伤细胞的细胞毒性，导致更高的转移负荷。另有研究结果显示，辐射增强人黑色素瘤异种移植物的转移性传播是由缺氧诱导的尿激酶型纤溶酶原激活因子受体活性上调所介导的[21]。

低剂量电离辐射可能通过激活促存活信号蛋白破坏细胞生存和凋亡之间的平衡，从而支持血管生成，促进转移性扩散。研究结果表明，放疗后缺氧细胞数量增加，高缺氧分数的实验性肿瘤比低缺氧分数的实验性肿瘤更具转移性[13]。

3 整合素表达水平升高

整合素是一类跨膜糖蛋白异二聚体家族，主要介导细胞之间以及细胞与细胞外基质之间的黏附。整合素与细胞外基质之间的黏附能力同转移潜能密切相关。整合素通过调节细胞的运动性、MMPs的定位和活性以及细胞存活来促进肿瘤的侵袭和转移[22]。Sundahl 等[1]的研究结果表明，辐射可诱导细胞的整合素表达水平升高，而整合素αvβ5的上调与神经胶质瘤细胞的迁移具有相关性。Rajput 等[23]的研究结果表明，3 Gy γ 射线单次剂量照射人乳腺癌MDA-MB-231 细胞和MCF-7 细胞会引起整合素、MMP2 和MMP9 表达上调，E-钙粘蛋白和细胞角蛋白表达下调，进而诱导EMT 发生，促进肿瘤侵袭。

4 外泌体调节

外泌体主要来源于细胞内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体，经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中。外泌体在转移微环境的形成和转移的准备过程中起重要作用。Mutschelknaus 等[24]的研究结果表明，6 Gy γ 射线单次剂量照射人头颈部鳞状细胞癌BHY 细胞后，肿瘤细胞衍生的外泌体赋予了肿瘤细胞迁移表型，其潜在机制可能是辐射调节的外泌体蛋白增强了AKT 信号的转导。Arscott等[25]发现，4 Gy X 射线单次剂量照射人胶质母细胞瘤LN18 细胞、U251 细胞和U87MG 细胞后，分离出的外泌体能够增强肿瘤细胞的迁移能力。

5 小结与展望

综上所述，放疗后肿瘤微环境变化促进肿瘤转移的潜在作用机制可能包括诱导细胞因子表达、缺氧、整合素表达水平升高和外泌体调节。放疗是一把双刃剑，在杀死部分肿瘤细胞的同时，还可能诱导肿瘤细胞和肿瘤微环境发生变化，进而导致肿瘤的转移或复发。目前，临床实践中对肿瘤的治疗主要是放化疗联用，但放疗引起的肿瘤微环境变化及肿瘤转移分子途径的多样性导致肿瘤转移的治疗具有复杂性。一方面，放疗后肿瘤微环境的变化与肿瘤转移的分子途径需要更为深入的研究；另一方面，开展抗肿瘤转移的临床研究，探索作用靶点及机制，采取相应的对策，如放疗与免疫疗法、局部区域热疗或基因治疗相结合，对降低放疗诱导的肿瘤转移风险具有重要的临床应用价值。

利益冲突 本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及任何利益冲突。

作者贡献声明 曹玉霖、殷媛负责文献的收集与整理、综述的起草与修订；李杰负责文献的收集与整理；周乐源负责命题的设计和综述的审阅。