TGF-β影响恶性肿瘤骨转移的机制研究进展

姜楠，臧晨孜，傅蓉，吴照球

（中国药科大学，江苏 南京 211100）

0 引言

恶性肿瘤的骨转移比原发性骨肿瘤更常见，在器官转移中仅次于肝转移与肺转移，多发于乳腺癌、前列腺癌等实体瘤中[1]。骨转移常伴随骨相关事件如骨骼疼痛、病理性骨折等，严重降低了患者的生活质量与生存率。TGF-β是骨组织中重要的生长因子，调节成骨与破骨的动态平衡。TGF-β对肿瘤具有双重作用，在早期起抑制作用，在晚期则促进侵袭转移。骨转移处于肿瘤发展的晚期阶段，在伴有骨转移的乳腺癌与前列腺癌患者的血清中TGF-β的水平明显高于无骨转移的患者[2]。许多影响骨转移的细胞因子都是TGF-β的下游分子，因此阻断TGF-β及其信号通路是治疗恶性肿瘤骨转移的有效方法。本文就TGF-β影响恶性肿瘤骨转移的机制以及针对TGF-β的相关治疗方法进行综述。

1 TGF-β的结构

TGF-β超家族包含TGF-β、骨形态发生蛋白（BMP）、生长分化因子（GDFs）等。TGF-β由二硫键连接两个亚基形成无生物活性的前体蛋白，当细胞外基质的pH改变时，前体复合物被活化形成同源二聚体。哺乳动物的TGF-β共有TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3三种异构体，在不同的组织中表达水平不同，如TGF-β1在骨中的表达量比较高，TGF-β2主要表达在上皮细胞中[3]。TGF-β与受体TβRⅠ与TβRⅡ结合，磷酸化Smad2与Smad3，与Smad4一起进入细胞核，结合特定DNA序列，与一些共刺激因子或共抑制因子共同调节靶基因的转录。此外，TGF-β还可以调节如p38、ERK等非Smad通路[4]。

2 TGF-β在肿瘤中的作用

根据肿瘤微环境与发展阶段，TGF-β可以作为肿瘤抑制因子，也可以促进肿瘤侵袭和转移。早期TGF-β通过抗增殖和促凋亡作用抑制肿瘤生长。TGF-β抑制G1到S期相关的周期蛋白依赖激酶（CDK）活性，阻止其磷酸化Rb，使细胞阻滞在G1期[5]。在肿瘤进展过程中，TGF-β成为促癌因子，诱导血管生成、免疫抑制、侵袭转移。TGF-β通过TGF-β/ALK1信号通路激活内皮细胞，促进肿瘤血管的生成[6]。TGF-β可以促进调节型T细胞（Tregs）的分化，抑制CD8+T细胞的增殖与活性，使肿瘤逃脱免疫清除作用[7]。TGF-β可以激活一些转录因子如Snail、Slug等，抑制编码E-cadherin的基因转录，使肿瘤细胞发生EMT[8]。

3 TGF-β在骨中的作用

TGF-β是骨基质中含量最高的生长因子之一，在骨形成与骨吸收过程中均发挥重要作用。成骨细胞分泌TGF-β后储存在矿化的骨基质中，当破骨细胞吸收骨基质时，TGF-β被释放、活化，同时骨基质还会产生一些促成骨因子如胰岛素生长因子（IGF）等，作用于成骨细胞的前体细胞，促进其增殖与迁移。在人骨髓基质细胞与人成骨细胞的培养基中加入TGF-β1可以促进成骨细胞的增殖、分化以及基质的形成[9]。小鼠全身敲除TGF-β1后，长骨的长度、矿质密度相比野生型小鼠明显降低[10]。由于骨环境的变化，在成骨后期TGF-β/Smad通路又会抑制成骨细胞分化。

TGF-β对于破骨细胞的影响也十分重要。TGF-β促进成骨细胞与骨髓间质细胞分泌骨保护素（OPG），减少核因子κB受体活化因子配体（RANKL）的分泌。RANKL由成骨细胞和基质细胞产生，与破骨细胞或破骨细胞前体细胞的膜受体RANK结合，信号通过核转录因子NF-κB传递，促进破骨细胞生成的相关基因转录，诱导破骨前体细胞分化成熟。OPG与RANK的结合能力强于RANKL，竞争性地阻止了RANKL与RANK结合，抑制破骨细胞的增殖与分化。TGF-β可以与RANKL协同诱导RAW264.7细胞向破骨细胞分化，证明TGF-β可以促进破骨细胞前体细胞的成熟[11]。

4 TGF-β对肿瘤骨转移的作用

骨转移是一个多步骤过程：肿瘤细胞从原发灶脱离，进入循环，逃脱免疫清除向远端扩散，外渗进入骨髓，适应新的微环境，最终形成骨转移。矿化的骨基质中储存有大量的TGF-β,在骨吸收时被释放，促进肿瘤细胞的生长与侵袭。Korpal在不同时间调控Smad4的表达，发现抑制TGF-β/Smad通路可以在早期抑制乳腺癌细胞SCP28骨转移，但在后期则没有显著抑制效果；在肿瘤细胞接种前三天开始注射TβRⅠ激酶抑制剂LY2109761可以显著抑制骨转移，而接种后第21天开始给药则没有明显抑制作用，证明TGF-β影响骨转移具有时间依赖性[12]。Kang使用高骨转移倾向的乳腺癌细胞SCP2将其敲除Smad4，发现接种敲除Smad4的细胞组骨转移明显减少，证明抑制TGF-β/Smad通路可以减缓乳腺癌的骨转移过程[13]。Huang发现miR-582-3p与miR-582-5p同时抑制TGF-β/Smad通路的多个靶点如Smad2、TβRⅠ等，减少前列腺癌的骨转移[14]。在黑色素瘤细胞1206Lu中过表达TGF-β通路抑制因子Smad7，发现过表达组的腿骨溶骨区域明显减少，小鼠的生存期延长，证明抑制TGF-β/Smad通路可以减少黑色素瘤的骨转移[15]。

骨微环境中的TGF-β使肿瘤细胞分泌溶骨因子如甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP）等。临床研究显示乳腺癌伴骨转移患者的PTHrP水平显著高于无骨转移患者，PTHrP的阳性表达率与骨转移发生概率呈正相关[16]。PTHrP与成骨细胞或基质细胞表面的甲状旁腺激素受体结合，促进RANKL的表达，抑制细胞表达OPG。RANKL与破骨细胞表面RANK结合后通过MAPK和NF-κB信号促进破骨细胞分化与成熟。PTHrP也作用于肿瘤细胞本身，通过PKC-ERK1/2信号通路促进MMP-13表达，破骨细胞成熟后释放组织蛋白酶K，这些酶导致骨基质被破坏[17]。骨基质又分泌大量TGF-β进入微环境，促进了肿瘤细胞的增殖，产生更多的PTHrP，形成了溶骨破坏与肿瘤增殖的恶性循环。Yin使MDA-MB-231细胞表达突变受体TβRIIΔcyt阻断TGF-β的生物学效应，抑制了TGF-β诱导肿瘤细胞产生PTHrP；受体突变组明显减少了骨转移的溶骨区域，延长了小鼠的生存期[18]。Kakonen在接种MDA-MB-231细胞的小鼠中使用PTHrP抗体，显著抑制了溶骨性骨转移；使用P38 MAP抑制剂联合转染突变型Smad2、Smad3或Smad4可以完全抑制TGF-β诱导的PTHrP表达，证明TGF-β可以通过P38 MAP与Smad通路影响乳腺癌的骨转移[19]。Fournier使用TβRⅠ的小分子激酶抑制剂SD-208抑制了前列腺癌细胞PC-3的溶骨性骨转移；给药组细胞Smad2的磷酸化水平降低，降低了PTHrP的分泌[20]。

肿瘤细胞还会分泌其他溶骨因子如白介素-11（IL-11）、结缔组织生长因子（CTGF）、趋化因子受体4（CXCR4）等。Kang通过基因序列分析比较MDA-MB-231与SCP2发现，高骨转移性的SCP2中IL-11、CTGF、CXCR4与MMP1明显上调[13]。这些因子在黑色素瘤中同样高表达，将TGF-β加入黑色素瘤细胞1205Lu的培养基中，TGF-β的靶基因IL-11、CTGF和Runx2的表达明显上调[15]。IL-11主要由肿瘤细胞、成骨细胞等分泌，可以促进破骨细胞的分化。过表达IL-11的乳腺癌细胞系会增加小鼠骨转移模型中的肿瘤负荷和溶骨性损伤，乳腺癌骨转移患者的血清IL-11水平也显著高于无骨转移患者。在MDA-MB-231细胞培养基中加入TGF-β显著提高了IL-11的分泌水平，激活非依赖RANKL的JAK1/STAT3信号通路,促进了靶基因c-Myc的表达,促进破骨细胞的分化[21]。CTGF由成骨细胞分泌，参与细胞外基质(ECM)相关蛋白的合成, 促进肿瘤细胞转移。CTGF是TGF-β1的下游因子，受Smad3、Smad4以及Erk与Src信号通路调控。CTGF通过乙酰转移酶p300乙酰化转录因子Runx2增加其稳定性，使RANKL的启动子募集Runx2，增加RANKL的表达，促使破骨细胞的成熟[22]。CXCR4主要表达在外周血淋巴细胞、血管内皮细胞中，是一种跨膜G蛋白偶联受体，与配体CXCL12结合并启动下游信号通路如JNK/p38 MAP等。阻断CXCR4与CXCL12的相互作用可以抑制前列腺癌细胞从骨髓向内皮细胞的迁移，抑制小鼠前列腺癌的骨转移[23]。

骨是一个缺氧的环境，肿瘤的增殖、转移也与缺氧有关。TGF-β和缺氧信号通路通过缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)诱导VEGF和CXCR4的表达。通过shRNA敲除HIF-1α或通过DNTβRII抑制TGF-β可显著减少乳腺癌骨转移，但同时阻断这两条通路时未产生更强的抑制作用，证明了缺氧信号通路与TGF-β可以独立地调控肿瘤微环境，影响肿瘤的骨转移[24]。

5 TGF-β在肿瘤骨转移中的治疗

阻断TGF-β可通过促进抗肿瘤免疫活性和抑制骨破坏来减轻骨肿瘤负荷，具有广阔的研究前景。目前临床前研究与临床上的抑制TGF-β的药物主要作用机制包括抑制TGF-β及其受体表达、干扰受体激酶信号转导、阻断TGF-β配体和受体结合等。

抑制TGF-β以治疗骨转移的药物主要是TβRI、TβRII激酶活性的小分子抑制剂，通过ATP竞争抑制TβRI/ALK5或TβRII/ALK5的激酶活性发挥作用。TβRI/ALK5抑制剂Ki26894抑制MDA-MB-231细胞中TGF-β信号通路，抑制Smad2的磷酸化，减少了PTHrP和IL-11的分泌[25]。另一种TβRI激酶小分子抑制剂SD-208可抑制Smad2/3磷酸化，降低MDA-MB-231细胞中IL-11、PTHrP、CTGF的转录水平，抑制了溶骨性病灶的大小，延长了小鼠生存期[12]。

此外，还可以通过抗TGF-β抗体如1D11识别TGF-β，干 扰TGF-β与 受 体 的 结 合，中 和TGF-β的 活 性，减 少前列腺癌与肺癌的骨转移[26]。一些天然产物衍生物如halofuginone (Hfg)，在黑色素瘤小鼠骨转移模型中，Hfg组小鼠的溶骨性损伤和骨骼肿瘤负荷明显低于溶媒组小鼠。但HFg抑制TGF-β通路的具体机制尚不明确，可能与Smad7的表达有关[27]。

将抑制TGF-β的药物与其他治疗方法联合使用可以减少患者的药物使用剂量、降低副作用。联合使用TβRI抑制剂SD-208和骨吸收抑制剂唑来膦酸相比两种药物单独治疗，可以更有效地减缓乳腺癌溶骨性转移[28]。

6 结语

癌症的骨转移严重影响患者的生存质量，目前许多研究已经证明TGF-β与恶性肿瘤骨转移，尤其与溶骨性病变密切相关，阻断TGF-β信号通路是治疗癌症骨转移的有效手段。因此，需要进一步研究抗TGF-β药物，单独使用或联合其他治疗方法以预防和减缓骨转移。但TGF-β在癌症中具有双重作用，所以对于特定的癌症以及不同的发展阶段需要慎重选择以TGF-β为靶点的治疗方法。抗TGF-β治疗的应用前景广阔而充满挑战，未来需要结合对癌症骨转移患者的早期诊断与进展监测结果，减缓患者的骨转移进程，改善患者的预后。