癌相关成纤维细胞的代谢重编程与肿瘤发展及耐药的关系

许建国，何永文

(昆明医科大学附属口腔医院口腔颌面外科，昆明 650031)

肿瘤严重危害人类健康，在肿瘤发生发展过程中不仅表现为基因层面的异常表达，肿瘤细胞所处的环境也发挥重要作用[1]。肿瘤细胞所处的环境称为肿瘤微环境(tumor microenvironment，TME)，由肿瘤细胞与成纤维细胞、肿瘤相关巨噬细胞、脂肪细胞、细胞外基质(extracellular matrix,ECM)和间充质干细胞等共同构成[2]。其中，癌相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts，CAFs)是TME的关键组成部分[3]。Warburg等[4]发现，肿瘤细胞与正常细胞代谢存在区别，肿瘤细胞在氧气充足时通过旺盛的糖酵解供能，而正常细胞在氧气充足时糖酵解途径被抑制，这种现象称为“温伯格效应”或“有氧糖酵解”。肿瘤细胞糖酵解水平升高可促进细胞增殖，而高水平糖酵解产生的活性氧类水平却降低，导致细胞凋亡减少[5]。TME中的CAFs代谢重编程(“反温伯格效应”)与肿瘤有氧糖酵解相互作用可促进肿瘤的发展[6]。肿瘤细胞耐药是导致化疗失败的重要原因，也是导致肿瘤患者预后不良的原因。因此，阐明CAFs代谢重编程促进肿瘤细胞耐药的机制具有重要的临床意义。现就CAFs的代谢重编程与肿瘤发展及耐药的关系予以综述。

1 CAFs概述

成纤维细胞由间充质干细胞发育而来，与成脂、成骨、成软骨的来源相同[7]。在TME中，各种细胞存在代谢异常，有助于肿瘤的生长，其中成纤维细胞起关键作用。多数CAFs由局部组织内的成纤维细胞激活或由肿瘤来源的间充质干细胞分化而来[8]。临床可应用成纤维细胞标志物α平滑肌肌动蛋白、成纤维细胞活化蛋白、血小板衍生生长因子受体α、成纤维细胞特异蛋白-1和波形蛋白等鉴别CAFs[9]。组织活检分析认为，上皮细胞、内皮细胞和白细胞标志阴性以及形态细长、癌细胞内未发现突变的细胞等是CAFs的特点[7]。此外，CAFs的来源多样，如来源于间充质干细胞[10]、由周细胞转化而来[11]以及由不同类型肿瘤的脂肪细胞转化而来等[12]。

肿瘤激活成纤维细胞成为CAFs的途径主要包括：①肿瘤免疫浸润和分泌可溶性因子，包括转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)家族配体、成纤维细胞生长因子、溶血磷脂酸、血小板衍生生长因子、颗粒蛋白、白细胞介素(interleukin，IL)-1和IL-6等[13]；②成纤维细胞直接与肿瘤细胞接触，激活Notch信号通路，促使成纤维细胞转变为CAFs[14]；③CAFs可沉积ECM，而ECM的改变(包括成分和硬度的改变)可促进CAFs的激活[15]；④常规治疗方法(如放疗)也可增加生理和基因组的环境压力，进一步激活CAFs[16]。CAFs激活可增加细胞收缩力，促进肿瘤的发生、发展、侵袭、转移和耐药。

2 CAFs的代谢重编程

Warburg等[4]认为，由于肿瘤细胞的有氧呼吸功能受损、线粒体的有氧代谢功能发生不可逆损伤，导致有氧糖酵解的发生。然而，在氧气充足的条件下，大多数肿瘤细胞不仅依赖于线粒体氧化磷酸化获得能量，还可通过葡萄糖转化为乳酸产生细胞所需的能量。有研究发现，一些肿瘤细胞的线粒体有氧代谢功能并未损伤，仍可为肿瘤生长提供能量[17]。只要抑制肿瘤细胞的糖酵解可恢复线粒体氧化磷酸化，表明氧化代谢功能在大多数肿瘤细胞糖酵解中仍起作用，乳腺癌细胞MCF7通过线粒体呼吸产生80%的ATP即可证实这一观点[18]。CAFs的代谢重编程称“反温伯格效应”，即CAFs经过糖酵解生成丰富的燃料(如乳酸和酮体)，这些燃料被肿瘤细胞吸收并通过氧化磷酸化进行代谢，为肿瘤生长提供能量[19]。三阴性乳腺癌细胞分泌整合素β4蛋白作用于CAFs，促使其发生代谢重编程，整合素β4过表达则可诱导CAFs线粒体自噬，进而增加其糖酵解水平[20]。当肿瘤细胞通过旺盛的糖酵解供能时，单羧酸转运体(monocarboxylate transporter，MCT)1和MCT4负责运输乳酸，使肿瘤细胞内环境达到相对稳定的状态[21]。有研究发现，MCT1和MCT4均支持肿瘤细胞与CAFs间的代谢偶联，由于肿瘤细胞中的MCT1表达水平升高，高水平氧化磷酸化的肿瘤细胞对乳酸摄取增加，其中MCT1的主要作用是为肿瘤细胞提供乳酸摄取；而在CAFs代谢重编程后MCT4 的表达水平升高，其主要作用为输出乳酸[22]。肿瘤细胞可分泌大量细胞因子至TME中，其中一部分可促进CAFs的代谢重编程，导致CAFs中的有氧糖酵解增强[23]。

3 CAFs代谢重编程的调控机制

CAFs在不同肿瘤疾病中具有不同的代谢表型。CAFs与肿瘤细胞间串扰并发生代谢重编程，两者间的相互作用有助于CAFs的激活和肿瘤细胞的生长。CAFs代谢重编程的具体机制目前尚未明确，可能包括：①CAFs糖酵解途径中的主要酶——己糖激酶2和肝脏磷酸果糖激酶均显著上调，这也是CAFs糖酵解上调的本质[24]；CAFs分化TGF-β1上调己糖激酶2蛋白表达[25]。②致癌基因c-Myc通过上调乳酸脱氢酶A和葡萄糖转运体1的表达增强CAFs糖酵解，而乳酸脱氢酶A、葡萄糖转运体1表达水平升高可增加肿瘤细胞代谢和葡萄糖摄取[26]。③CAFs与前列腺癌细胞接触后发生代谢重编程，导致碳酸酐酶Ⅸ表达上调，碳酸酐酶Ⅸ是一种跨膜酶，具有促进细胞外部微环境酸化的作用，可改变肿瘤细胞的代谢[27]。④G蛋白偶联雌激素受体调节CAFs的代谢重编程，细胞质中的G蛋白偶联雌激素受体通过激活G蛋白偶联雌激素受体/环腺苷酸/蛋白激酶/环腺苷酸效应元件结合蛋白信号通路的转导，促进CAFs与肿瘤细胞相互作用[28]。⑤CAFs代谢重编程过程与三羧酸循环下调有关，在TGF-β1/血小板衍生生长因子诱导的CAFs中，异柠檬酸脱氢酶3α下调被认为是CAFs由氧化磷酸化转换为糖酵解的关键标志[29]。⑥小窝蛋白1基因丢失在CAFs的代谢重编程中具有重要作用，敲除成纤维细胞中的小窝蛋白1基因可促进乳酸生成和肿瘤细胞的生长[30]。⑦微囊泡在CAFs代谢重编程中也起重要作用，CAFs以微囊泡为载体，将大量代谢酶相关的蛋白质和脂质转移至邻近的肿瘤细胞中，有助于肿瘤细胞的增殖[31]。综上，对CAFs代谢重编程机制的研究有助于了解CAFs的激活过程以及CAFs在肿瘤中发挥的关键作用。

4 CAFs代谢重编程对肿瘤的影响

4.1与肿瘤相互作用 肿瘤细胞生长时会招募基质细胞来诱导复杂的TME形成。CAFs是反应性基质细胞之一，可与肿瘤细胞共存并不断相互作用。肿瘤细胞诱导CAFs代谢重编程后释放IL-6等细胞因子，CAFs与肿瘤细胞相互作用，激活肿瘤细胞内相应的信号通路，促进肿瘤细胞生长。研究表明，CAFs可为肿瘤细胞提供营养，并释放外泌体；同时，CAFs与肿瘤细胞相互作用还可促进肿瘤细胞生长、侵袭和转移；此外，CAFs分泌生长因子(如肝细胞生长因子、血小板衍生生长因子)可增加肿瘤的迁移，并通过分泌趋化因子和ECM，促进肿瘤的血管生成和化学耐药[32]。

CAFs与肿瘤的相互作用有利于TME的形成，而TME中存在的各种物质又有利于CAFs的活化。研究发现，口腔鳞状细胞癌(oral squamous cell carcinoma，OSCC)细胞分泌的TGF-β可诱导人牙龈成纤维细胞转化为CAFs样细胞[33]。OSCC细胞分泌含有长链非编码RNA CAFs的外泌体到基质成纤维细胞中，导致长链非编码RNA CAFs水平升高，从而激活CAFs[34]。另外，肿瘤细胞也可影响CAFs的代谢，CAFs可通过刺激肿瘤分泌IL-1β增加CAFs的糖酵解，导致乳酸分泌增加，而乳酸被肿瘤细胞利用，为其快速生长提供能量[35]。在CAFs与OSCC细胞系共培养模型中，肿瘤细胞内源性活性氧类的产生增加，导致CAFs中CC趋化因子配体2表达上调，从而促进肿瘤的发生、发展[36]。此外，CAFs与肿瘤相互作用，CAFs衍生的IL-6作用于肿瘤细胞，通过核因子κB信号通路促进头颈部鳞状细胞癌的增殖、迁移和侵袭[37]。可见，CAFs与肿瘤细胞的相互作用在肿瘤的发展中起重要作用，可为肿瘤的治疗提供新靶点。

4.2促进肿瘤细胞增殖 CAFs可释放IL-6、CXC趋化因子配体12、血管内皮生长因子和CXC趋化因子配体8等维持肿瘤的存活与生长，促使肿瘤细胞增殖[38]。在乳腺癌细胞中，CAFs通过释放高迁移率族蛋白B1激活Toll样受体4，促进细胞增殖[39]。研究发现，乳酸作为肿瘤代谢能量来源，其有效转运可促进肿瘤细胞的生长、增殖[40]。另外，前列腺癌细胞与CAFs接触后被重新编程为有氧代谢，导致葡萄糖转运体1表达减少，但通过MCT1转入的乳酸水平却升高，从而建立基于乳酸转入的代谢合成途径，促进肿瘤细胞的生长、增殖[41]。另有研究发现，非小细胞肺癌来源的外泌体可促进正常成纤维细胞向CAFs转变，而CAFs可通过传递α平滑肌肌动蛋白促进非小细胞肺癌细胞增殖，抑制细胞凋亡[42]。在肿瘤发展过程中，CAFs通过分泌与基质重构相关的酶介导ECM的形成。如在人皮肤鳞状细胞癌中，CAFs通过促进ECM的硬化，诱导肿瘤细胞与CAFs进行氨基酸交换，促进肿瘤细胞增殖[43-44]。因此，研究CAFs与肿瘤细胞的共生机制，有助于抑制CAFs的致瘤活性并发现新的治疗方法。

4.3促进肿瘤细胞侵袭和转移 肿瘤转移是癌症患者死亡的主要原因。肿瘤细胞脱离原发肿瘤并通过结缔组织进入淋巴或血管，从而扩散全身。在TME中，CAFs通过自分泌和旁分泌方式分泌大量细胞因子，如表皮生长因子、肝细胞生长因子、IL-10、TGF-β、肿瘤坏死因子、分泌型卷曲相关蛋白 1、γ干扰素、IL-6以及整合素α11和多配体聚糖结合蛋白-1等，促进肿瘤转移[45]。研究发现，在OSCC肿瘤细胞与CAFs相互作用过程中，CAFs中的TGF-β、血管内皮生长因子、肿瘤坏死因子-α、肝细胞生长因子、IL-1α、IL-1β、IL-6和IL-33表达上调，从而促进肿瘤细胞侵袭和转移[46]。在CAFs与肿瘤细胞相互作用过程中，CAFs通过分泌趋化因子、生长因子、细胞因子及蛋白水解酶等调节ECM成分，导致肿瘤细胞侵袭和转移[47]。此外，趋化因子、生长因子、细胞因子也可通过一些信号通路导致肿瘤细胞侵袭和转移，包括整合素连接激酶信号通路、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路、核因子κB信号通路、尿激酶型纤溶酶原激活剂受体信号通路、Wnt信号通路、Notch信号通路以及TGF-β级家族不同成员的信号通路等[48]。可见，CAFs在肿瘤细胞侵袭和转移中起关键作用。

4.4促进肿瘤细胞耐药 TME中的CAFs与肿瘤的不良预后相关。TME除了对肿瘤的发生、发展起关键作用外，还可诱导肿瘤细胞耐药的发生，为肿瘤耐药提供场所。CAFs与肿瘤细胞共生，并支持其具有药物耐受性，但目前关于CAFs对抗肿瘤治疗耐药性的研究较少。CAFs诱导肿瘤细胞产生耐药的途径主要包括：①CAFs中血小板衍生生长因子C上调可诱导血管重建，导致抗血管生成治疗的耐药抵抗[49]，表明抗血管生成治疗后CAFs的形态和功能可能发生改变，重新形成的环境对药物治疗不太敏感。②CAFs可增加肿瘤间质液压，而肿瘤间质内液压增高是恶性肿瘤的重要病理生理学特征，由于CAFs促进肿瘤间质液压增加，因此间接减少了肿瘤细胞对药物的摄取[50]。③CAFs通过糖酵解产生大量乳酸使ECM处于酸性环境，而细胞内的pH值却未改变，因此可抑制药物在肿瘤细胞内积聚[51]。④CAFs通过分泌可溶性因子引起耐药性，其中Wnt家族中的无翅型MMTV整合位点家族成员16B在DNA损伤后受核因子κB调控，激活肿瘤细胞中的典型Wnt程序，从而诱导肿瘤细胞对化疗药物产生抵抗[52]。⑤CAFs的基质重塑可以形成化学保护生态位，从而通过细胞黏附介导的耐药形式产生耐药，这种耐药形式阻断了化疗药物向肿瘤细胞的有效传递，有助于肿瘤细胞对化疗药物产生抵抗[53]。⑥CAFs诱导的肿瘤细胞表观遗传修饰导致耐药。有研究表明，CAFs分泌的因子与DNA的高(或低)甲基化有关，CAFs分泌的因子可诱导前列腺癌细胞上皮-间充质转化，使前列腺癌细胞干性所需的DNA甲基化，从而促进肿瘤细胞干性获取和耐药抵抗[54]。因此，肿瘤细胞的上皮-间充质转化和干性也是肿瘤耐药的主要因素之一。

5 小 结

CAFs作为TME的重要组成部分，与TME中的其他细胞相互作用可促进上皮-间充质转化，并通过诱导肿瘤代谢重编程、促进肿瘤在缺乏营养状态下恢复生长所需的平衡以及激活肿瘤发生、发展相关的信号通路，促进肿瘤细胞增殖转移、血管生成和药物抵抗。在CAFs与肿瘤细胞相互作用过程中，通过阻断或减少CAFs与肿瘤细胞间的物质传输(如氨基酸交换和乳酸的穿梭)，可有效抑制肿瘤细胞的生长；同时，还可降低CAFs代谢重编程对肿瘤治疗药物的耐受性，从而提高疗效。然而，目前有关CAFs的代谢重编程以及其促进肿瘤发生、发展及耐药抵抗的具体机制尚未完全阐明。将CAFs作为肿瘤治疗靶点，可有效抑制肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移。因此，深入研究CAFs在TME的作用及其耐药机制，可为研发具有安全性、特异性的靶向药物提供理论基础。