前列腺癌骨转移机制和骨靶向药物研究进展

韩焱崧 综述 任明华 审校

前列腺癌在全球男性癌症发病率中排名第二,是造成世界男性死亡排名第五的恶性肿瘤[1]。骨是前列腺癌最常见的转移部位,骨转移引起的骨相关事件如病理性骨折、脊髓压迫和疼痛等造成前列腺癌患者预后不良[2]。前列腺癌骨转移包括定植、休眠、再激活和重建四个过程,目前许多针对前列腺癌骨转移机制的研究聚焦于癌细胞与肿瘤微环境(Tumor microenvironment,TME)的相互作用[3]。骨微环境中成骨细胞和破骨细胞的相对平衡维持了骨结构完整性。骨细胞、骨髓内皮细胞和骨内免疫环境不同程度参与了骨稳态的调节[4]。研究表明多种细胞因子参与了前列腺癌骨转移过程。尽管二磷酸盐、地诺单抗、镭-223等药物相继被批准用于前列腺癌骨转移的预防和治疗,但相关机制和特异性骨靶向治疗药物仍有待继续探索[5]。

1 前列腺癌骨转移的机制

1.1 定植

癌细胞通过循环系统进入骨髓腔内的过程称为定植。骨基质释放和骨转换过程中合成的细胞因子促进了前列腺癌细胞在骨中的定植[6]。趋化因子和受体相互作用已被证明在前列腺癌骨转移中发挥重要作用。骨组织中趋化因子配体12(C-X-C motif chemokine ligand 12,CXCL12)升高和肿瘤转移有关,CXCL12与趋化因子受体4(C-X-C motif chemokine receptor 4,CXCR4)结合促进前列腺癌细胞的黏附、侵袭和迁移能力[7],CXCR4由前列腺癌细胞表达,与CXCL12结合促进前列腺癌细胞在骨组织定植和沉积[8]。研究发现,在肿瘤相关成纤维细胞(Cancer-associated fibroblasts,CAFs)中敲除雄激素受体(Androgen receptor,AR)信号后,趋化因子配体2(Chemokine ligand 2,CCL2)表达显著增加,前列腺癌细胞迁移能力得到提升[9]。生长分化因子15通过成骨细胞生成的CCL2和核因子-κB受体活化因子配体(Receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)激活破骨细胞生成,增加成骨细胞功能,促进前列腺癌骨转移和定植[10]。趋化因子受体CXCR2刺激血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)分泌,促进骨组织中转移前生态位形成,增强前列腺癌细胞向骨的归巢效应[11]。整合素受多种细胞因子调节,在改变细胞骨架,增加前列腺癌转移能力中发挥作用,CXCL16与其特异性受体CXCR6结合后使整合素αvβ3在胞膜前缘聚集,驱使肿瘤细胞骨架动力学发生改变,增加内皮细胞的迁移、侵袭和黏附能力[12]。整合素αv在前列腺癌骨转移组织中明显富集,整合素α5在骨转移肿瘤基质和内皮细胞中特异性表达,而不出现在原发肿瘤中,两者在原发与骨转移组织中的异常表达与骨定植表型一致[13]。

1.2 休眠

骨的继发性肿瘤常来源于进入休眠状态的弥散性肿瘤细胞,由于细胞处于休眠状态,往往导致骨转移癌对常规化疗药物存在耐药性,阻碍药物对肿瘤细胞的清除[14]。前列腺癌骨转移后,成骨细胞附近聚集着休眠状态的癌细胞,能够表达高水平的酪氨酸激酶受体,参与调控转化生长因子β(Transforming growth factor,TGF-β)和其受体的表达[15]。骨髓基质细胞分泌的TGF-β2能上调生长抑制特异性蛋白6(Growth arrest specific protein,GAS protein)表达水平,GAS蛋白通过与AXL特异性结合参与前列腺癌细胞休眠调控,因此特异性阻断TGF-β信号通路能限制成骨细胞诱导的前列腺癌细胞休眠[15]。骨形态蛋白7(Bone morphogenetic protein 7,BMP7)能激活p38丝裂原活化蛋白激酶和增加细胞周期抑制剂p21以及转移抑制基因NDRG1的表达,诱导前列腺癌干细胞样细胞衰老,在前列腺癌休眠和复发中发挥重要作用[16]。研究还发现成骨细胞分泌的RANKL能够与前列腺癌中高表达的核因子-κB受体活化因子(Receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)特异性结合促进前列腺癌细胞的EMT并且能上调前列腺癌中Wnt信号通路的表达[17]。Wnt/β连环蛋白信号通路与前列腺癌休眠有关,Wnt5α作为该通路中重要一员通过Wnt5α/ROR2/SIAH2信号轴发挥诱导和维持骨内前列腺癌细胞休眠的作用[18]。

1.3 再激活

休眠的前列腺癌细胞由特定的因素激活转变为活跃增殖状态。细胞黏附分子、骨微环境中缺氧、血管生成等因素与休眠前列腺癌细胞的重新激活有关[19]。CXCL8能被肿瘤坏死因子α(TNF-α)和IL-1β快速诱导,通过CXCL8/CXCR1和CXCL8/CXCR2轴分别促进肿瘤细胞增殖和血管生成[20]。VEGF与内皮细胞表达的酪氨酸激酶受体VEGFR2结合刺激血管生成,整合素αvβ3能增强此信号通路的表达,进一步刺激下游FAK/SrC/Paxillin信号激活,促进ERK1/2和PI3K通路参与血管形成[21]。此外,研究发现去甲肾上腺素(Norepinephrine,NE)在休眠前列腺癌细胞的重新激活中发挥重要作用。NE通过β2肾上腺素能受体直接刺激前列腺癌细胞增殖,同时还能间接下调GAS6的分泌达到抑制细胞休眠的作用[22]。

1.4 重建

前列腺癌发生骨转移后重建原有骨骼结构和功能,这一过程改变了破骨细胞吸收和成骨细胞形成之间的平衡,主要表现为成骨细胞病变,在转移末期加速原始骨损伤,形成胶原纤维随机排列的编织骨。编织骨基质细胞和骨细胞分泌相关细胞因子进一步促进前列腺癌细胞生长[23]。前列腺癌细胞分泌骨形态发生蛋白4促进骨髓中内皮细胞到成骨细胞的转化,前列腺特异性抗原(Prostate-specific antigen,PSA)通过裂解甲状旁腺素相关肽,也能参与成骨细胞形成[24]。成骨细胞中RANKL与破骨细胞前体细胞上的RANK受体结合后促进破骨细胞生成,而成熟的成骨细胞会产生骨保护素(Osteoprotegerin,OPG),与破骨细胞的RANK受体竞争结合RANKL,抑制破骨细胞的成熟[25]。因此,破骨细胞的形成受RANKL和OPG的表达水平共同调节,破骨细胞降解骨基质后释放TGF-β,TGF-β又通过诱导转录因子KLF5(Kruppel like factor)乙酰化,激活CXCR4刺激破骨细胞生成引发相关骨转移病变[26]。整合素αvβ3在前列腺癌细胞和破骨细胞上表达,诱导RANKL表达参与前列腺癌骨转移和骨吸收。研究发现骨膜蛋白同时在成骨细胞和前列腺癌细胞高表达,成骨细胞来源的骨膜蛋白促进前列腺癌细胞增殖,前列腺癌细胞来源的骨膜蛋白也促进成骨细胞增殖,并且骨膜蛋白通过整合素受体调节前列腺癌和成骨细胞功能[27]。

2 前列腺癌骨转移的靶向治疗

2.1 二磷酸盐

二磷酸盐与骨组织具有很高的亲和性,唑来膦酸(Zoledronic acid,ZA)是目前最有效的含氮二磷酸盐,2002年首次被美国食品药监局批准用于去势抵抗性前列腺癌(Castration-resistant prostate cancer,CRPC)骨骼相关事件(Skeletal-related events,SREs)的治疗[28]。ZA可以减少破骨细胞的数量,也可以抑制更成熟的破骨细胞前体细胞在骨表面的融合,而对成骨细胞的影响很小。在体内外模型中,ZA通过影响细胞凋亡,抑制肿瘤细胞生长、粘附、侵袭和血管生成方面发挥抗肿瘤活性[29]。在Landgraf所在团队[30]的研究中,对小鼠骨进行人源化处理模拟人体骨微环境后,向小鼠左心室注射前列腺癌细胞模拟骨转移过程,在第13至14周,ZA对破骨细胞表现出明显的抑制作用,将初始肿瘤负荷分别降低至0.78和0.87,表现出明显的治疗效果。

2.2 RANKL抑制剂

地诺单抗是一种全人源单克隆抗体,于2011年获得欧洲和美国批准用于因实体肿瘤如前列腺癌骨转移引起的高骨折风险病人的骨保护治疗[31]。作为一种RANKL抑制剂,地诺单抗能够在细胞外间隙与RANKL特异性结合,达到抑制RANKL-RANK结合的目的,阻碍破骨细胞功能激活并减少因破骨细胞介导的骨吸收[32]。一项对比地诺单抗和ZA治疗前列腺癌骨转移效果的Meta分析显示[33],地诺单抗对骨转移患者疼痛的缓解作用较ZA组更强,并且出现肾损伤的比例低于ZA组,遗憾的是地诺单抗对患者总体生存率无显著影响。在一项随机双盲实验中[34],对950例和951例CRPC骨转移患者分别进行地诺单抗(120 mg/4周,皮下注射)和ZA(4 mg/4周,静脉注射)治疗。接受地诺单抗治疗患者首次出现SREs的中位时间较ZA组患者平均高出3.6个月,然而地诺单抗组患者发生低钙血症的比例(121例,13%)较ZA组(55例,6%)更高,医务工作者在治疗时可以合理使用钙剂预防相关并发症的发生。

2.3 放射性核素

2.3.1 镭-223(Radium-223,223Ra) 223Ra是一种钙类似物,被成骨细胞通过与钙相同的途径吸收到骨中,与骨结合后衰变产生α粒子,使邻近的肿瘤细胞发生细胞毒性双链断裂(Cytotoxic double-strand breaks,DSBs),诱导细胞凋亡[35]。在Ⅲ期临床试验ALSYMPCA中[36],接受223Ra治疗的患者总生存期(Overall survival,OS)较使用安慰剂组患者平均高出3.6个月,此外,223Ra治疗组患者SREs显著减少,表现出更高的生活质量。223Ra是目前发现的唯一能够提高转移性去势抵抗性前列腺癌(metastatic castration-resistant prostate cancer,mCRPC)骨转移患者OS的骨靶向治疗药物,被美国FDA批准用于治疗有骨相关症状或局限性骨转移的mCRPC患者,欧洲药品管理局EMA也批准了这一治疗方案,同意将223Ra用于治疗有过两次mCRPC骨治疗或无法接受其他治疗方案的骨转移患者[37]。

2.3.2 锶-89(Strontium-89,89Sr) 89Sr与223Ra同属钙类似物,89Sr吸收入骨后衰变产生的β粒子比α粒子能量更低且辐射范围更大,这可能使得89Sr对转移骨肿瘤的破坏作用较223Ra更低,也更易造成正常骨组织的损害[36]。89Sr和ZA联合治疗目前已被广泛用于肺癌的骨转移。研究发现两药联合能提高患者一年生存率,延缓SREs发生[38]。近年也有研究发现89Sr和ZA合用对前列腺癌骨转移引起的疼痛能起到姑息治疗的效果[39]。然而所有结论均不能证明单独使用89Sr能使肿瘤晚期骨转移患者OS和SREs获益,89Sr在CRPC骨转移的研究仍然不多,需要研究者进一步探索。

2.3.3 钐-153(Samarium-153,153Sm) 153Sm产生β粒子,常与乙二胺四甲基磷酸偶联,融入骨腔后照射在骨内定植的前列腺癌细胞上,可以迅速缓解疼痛,半衰期为1.9天,但单独使用时不影响患者OS[40]。

2.4 酪氨酸激酶抑制剂

卡博替尼是一种酪氨酸激酶抑制剂,通过抑制人体破骨细胞分化和破骨细胞介导的骨吸收,并促进成骨细胞在体外产生OPG,调节破骨和成骨细胞功能[41]。一项Ⅱ期临床随机试验[42]在多个类型肿瘤并发骨转移的患者中验证卡博替尼对骨转移瘤的治疗效果,发现接受卡博替尼治疗的患者中,前列腺癌骨转移患者的疾病无进展生存(Progression free survival,PFS)在所有类型骨转移瘤中表现出最大的获益率。在一项包含22例接受卡博替尼治疗的mCRPC骨转移患者的临床试验[43]中,超过三分之一的患者骨扫描结果发生明显变化,取得了积极的治疗效果。目前尚未有研究证明卡博替尼能够对前列腺癌骨转移患者OS有明显改善,但卡博替尼在前列腺癌骨转移骨重建中表现出显著的治疗效果,提示其仍具有积极的治疗前景。

2.5 整合素靶向药物

整合素家族在前列腺癌骨转移过程中发挥重要作用,为前列腺癌骨转移提供了治疗思路。Paindelli团队[44]在最近的研究发现,在前列腺癌PC3细胞系中,靶向抑制整合素β1联合223Ra能够降低PC3细胞有丝分裂指数。在前列腺癌骨转移小鼠模型中,靶向抑制整合素β1联合223Ra治疗降低了小鼠骨组织中PC3细胞的生长,显著提高了小鼠总生存率。研究发现,树枝状雷帕霉素聚合物通过靶向结合整合素αvβ3,有效减少前列腺癌细胞的转移能力[45]。目前整合素抑制剂和靶向结合整合素的药物给前列腺癌骨转移的治疗提供了思路,然而需要更多的试验验证其有效性。

3 小结与展望

骨微环境和前列腺癌中多种细胞因子和通路通过复杂的作用机制在前列腺癌骨转移相关的定植、休眠、再激活以及骨结构重建过程发挥作用。抑制破骨细胞活性的二磷酸盐,RANKL抑制剂地诺单抗,放射性核素治疗的使用为前列腺癌骨转移的治疗提供了选择。此外,酪氨酸激酶抑制剂,整合素靶向药物在临床前实验表现出良好的治疗前景。针对相关机制中有效的生物标记物探索特异性强、靶向性高的骨靶向药物为前列腺癌骨转移的治疗提供了新的思路。