胰腺癌细胞外基质及其靶向治疗策略

张思睿

胰腺癌是全球范围内第12 常见的恶性肿瘤,也是癌症死亡的第7 大原因［1］,其中约90%的胰腺癌为起源于腺管上皮的胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma,PDAC)。在过去10 年中,其发病率和死亡率总体呈上升趋势,特别是在妇女和老年人中［2］。美国2021 年统计数据显示,在美国所有恶性肿瘤中,胰腺癌发病率在男性中位列第10 位,女性中位列第8 位,占恶性肿瘤相关死亡率的第4,且5 年生存率仅11%［3］。胰腺癌进展快,易发生转移,是预后最差的恶性肿瘤之一,大多数胰腺癌患者在诊断时处于晚期,切除率低；而全身治疗中仅有一小部分患者获得较理想的效果,显然是由于胰腺癌对化疗、分子靶向治疗和免疫治疗存在明显的耐药性。近年来,针对胰腺癌肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)的研究已成为全球研究热点,胰腺癌TME 包括细胞成分如免疫细胞、肿瘤相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs) 等及非细胞成分。细胞外基质(extracellular matrix,ECM)是非细胞成分的主要构成部分,ECM 作为各种细胞行为的调节器和细胞通信的介质,基质结构中的扰动会高度影响细胞的增殖和迁移［4］,在研究过程中逐渐被证实与胰腺癌的发生发展、肿瘤转移和耐药机制存在密切联系。目前,越来越多的证据表明,靶向TME 中的各种ECM 成分和途径可能是胰腺癌治疗中值得展望的方向。

1 ECM 成分及其在肿瘤进展中的作用

胰腺癌具有非常密集的纤维化基质,可增加组织间质液压和基质的刚性机械性能,从而损害肿瘤灌注,损害抗肿瘤药物的递送,这种效应因肿瘤血管密度降低而进一步加剧［5］,使靶向治疗更富挑战性。除机械影响外,ECM 还提供重要的生化作用,提供营养来源,或参与细胞信号传导,促进肿瘤细胞的生存、增殖和转移。

1.1 胶原蛋白 胶原蛋白是迄今为止PDAC 肿瘤中ECM 中最丰富和最有特征的成分。胶原Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ位于间质间隙,而胶原Ⅳ、ⅩⅤ和层粘连蛋白则参与构成基底膜,两者之间的相互作用,在胰腺癌的恶性转化阶段起重要作用［6］。

ECM 胶原蛋白与胰腺肿瘤细胞表面表达的信号整合素相互作用,整合素α2β1 对胶原Ⅰ和Ⅴ具有高亲和力,整合素α1β1 对胶原Ⅳ具有高亲和力,以上胶原蛋白与整合素结合介导的粘附斑激酶(FAK)通路激活会诱导β-连环蛋白磷酸化,从而导致E-钙粘蛋白复合物的破坏；胶原还与盘状结构域受体1(DDR1)结合,激活FAK 相关蛋白酪氨酸激酶(PYK2),导致N-钙粘蛋白表达增加［7］。E-钙粘蛋白的破坏和N-钙粘蛋白的增加使细胞间粘附减少,是上皮-间质转化(EMT)的重要步骤,促进肿瘤细胞的增殖和迁移。此外,有研究显示,胶原蛋白衍生的脯氨酸,在其他营养来源有限时,可为肿瘤细胞提供营养,促进其在营养有限的条件下存活［8］。

另一方面,基底膜型胶原ⅩⅤ会阻碍侵袭和EMT,且基底膜中层粘连蛋白含量＜25%与长期生存率下降相关,但与之相反的,胶原蛋白Ⅳ在PDAC 基质中显示出高表达水平,并促进PDAC 细胞的增殖和迁移［9］。在结缔组织增生过程中,基底膜的正常结构遭到破坏,PDAC 细胞更多地暴露于间质胶原中,这可能具有促肿瘤作用［10］。

1.2 蛋白聚糖与HA 蛋白聚糖在胰腺癌中也起着重要作用,而且可能同时存在促肿瘤和抗肿瘤两种作用,如蛋白聚糖-I 与PDAC 患者的预后呈负相关,硫酸肝素蛋白聚糖中Glypican-1(GPC1)和硫酸肝素蛋白聚糖2(HSPG2)等表达的提高和胰腺癌负荷成正相关等；另一方面,Li 等［11］研究发现,ECM 中的光蛋白聚糖(lumican,一种富含亮氨酸的小蛋白聚糖)通过诱导G0/G1细胞周期停滞可以使PDAC 细胞进入静止状态,使基质表达光蛋白聚糖的患者生存率得到了显著的改善。

蛋白聚糖通常与HA 非共价结合,HA 是一种以二糖为重复单元的直链高分子多糖,由于其极强的亲水性,HA 保留水分,并在组织稳态和生物力学完整性中充当缓冲剂。在胰腺癌中,HA 是TME 的主要成分,其保留水分的特性是超生理肿瘤内压力的主要驱动因素之一,这种压力可以超过在正常胰腺中观察到的10 倍,从而导致胰腺癌中血管的塌陷［12］,循环量减少而损害了抗肿瘤药物的输送。在动物模型中,用透明质酸酶分解HA 基质可降低肿瘤内压力,恢复循环,从而促进药物输送,改善了对化疗的反应［13］。此外,细胞外HA与特定的细胞表面受体结合并相互作用,包括CD44 和HA 介导的运动性受体(RHAMM),刺激胰腺肿瘤细胞的运动,促进细胞存活、增殖和侵袭的能力,与胰腺癌的低生存率相关［14］。

1.3 Fn Fn 是ECM 中一种高分子量糖蛋白,在细胞粘附中起中心作用,可调节细胞极性、分化和生长。除了作为屏障增强肿瘤的耐药能力外,Fn 本身还诱导对癌细胞生长和存活很重要的细胞内信号通路的激活,包括适度增加ROS 提高肿瘤细胞存活率,以及由激活FAK 依赖性的PI3K/Akt/mTOR 通路阻断线粒体中细胞色素c 的释放,从而导致细胞凋亡减少［15］。Fn 与细胞表面整合素结合启动了许多重要的动态细胞过程,如迁移、粘附、增殖。例如,α5β1 和αVβ3 整合素在血管生成过程中至关重要,它们与Fn 结合为内皮细胞的增殖和迁移提供路径和引导；此外,整合素被Fn激活后,激活下游信号通路Rho 家族GTP 酶,其支持细胞骨架变化并促进细胞运动［16］。

2 靶向ECM 的治疗策略

随着胰腺癌TME 中ECM 的研究逐渐深入,其构成肿瘤耐药屏障的机制和促进肿瘤细胞存活、转移的相关通路逐渐清晰,以ECM 为靶点靶向治疗的可能性在实验中逐渐明朗。

2.1 靶向HA TME 中高含量的HA 增加间质压力,导致血管塌陷和肿瘤灌注减少,聚乙二醇化重组人透明质酸酶20(PEGPH20)可以降解HA 逆转该作用,为肿瘤内药物递送创造有利条件,因此PEGPH20 联合化学治疗或免疫治疗或许会有所突破。关于PEGPH20与吉西他滨和紫杉醇联合用于胰腺癌治疗,其随机、安慰剂对照Ⅱ期研究结果显示,在HA 水平高的胰腺癌患者中,吉西他滨、紫杉醇治疗联合PEGPH20 使用相较于单纯化学治疗,无进展生存期由5.2 个月提升至9.2 个月,总生存期也由8.5 个月延长至11.5 个月［17］；但在其随机Ⅲ期研究中联合PEGPF20 的治疗并未能显著改善患者生存结果,PEGPH20 加化疗组的总生存期为11.2 个月,而化疗组为11.5 个月(P=0.9692)［18］。此外,在另一项Ⅰb/Ⅱ期研究(SWOG S1313) 中,PEGPH20 与改良的FOLFIRINOX 方案联合用于治疗幼稚的PDAC 患者,但结果显示联合PEGPH20 组中患者生存期明显更差,且PEGPH20 组的不良结局与胃肠道反应、血栓栓塞等不良反应增加有关［19］。PEGPH20与化疗在晚期PDAC 患者中的联合治疗的随机对照试验失败,导致目前PEGPH20 开发计划的中断。不过近来Blair 等［20］实验发现,HA 降解与FAK 抑制剂和抗PD-1 抗体联合使用可增加T 细胞浸润并改变T 细胞表型,使其向效应记忆T 细胞发展,或许提示透明质酸酶在联合免疫治疗方向仍值得展望。

2.2 靶向胶原蛋白 Madsen 等［21］研究提示,当胶原Ⅰ的C 端pro 结构域被前胶原蛋白酶活性切割时,胶原Ⅰ可以抑制肿瘤生长,胶原蛋白Ⅲ在切割时也有此效应,如何在保证减少抑制肿瘤的胶原Ⅳ、ⅩⅤ消耗的情况下靶向切割胶原Ⅰ、Ⅲ,可能是转化这一实验结果的未来研究方向。另外,ECM 中胶原蛋白Ⅰ的ECM可以为肿瘤细胞提供脯氨酸作为能量来源,脯氨酸在肿瘤细胞线粒体内经脯氨酸脱氢酶1(PRODH1)转化为谷氨酸,进入柠檬酸循环提供腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)生产所需能量［8］,在此基础上,试验证明PRODH1竞争性抑制剂可以导致肿瘤细胞增殖和存活率的降低且敲除PRODH1 实验发现有利于体内肿瘤体积的减少［22］,PRODH1 有望成为限制胰腺肿瘤细胞的治疗靶点。

2.3 靶向相关信号通路 整合素是细胞表面受体,与ECM 成分包括胶原蛋白、Fn 等结合后招募相关激酶进一步激活相关下游信号通路从而促进肿瘤的发展转移。西仑吉肽(Cilengtitde)是由默克公司开发的整合素抑制剂,可阻断整合素与ECM 的结合,阻断整合素引导的下游信号通路,抑制肿瘤细胞增殖、生存和迁移,发挥抗肿瘤作用。

FAKs 是由ECM 受体(包括整合素)激活的非受体酪氨酸激酶(RTKs),FAK 的激活是多个ECM 促肿瘤通路的枢纽,在PDAC 细胞中也观察到FAK 表达和激活的增加［23］。研究证明,FAK 抑制剂地法替尼(Defactinib)可以有效减少FAK 磷酸化,且与紫杉醇合用时对抑制体外细胞增殖具有协同作用,并可以减少体内肿瘤生长［24］。更有进一步研究显示,低剂量放射治疗(LDRT)联合FAK 抑制剂,增加了免疫细胞浸润以及对胰腺癌放射治疗的敏感性。以上研究似乎提示了FAK 抑制剂在联合化疗及免疫治疗方面的潜力。此外,胶原还与DDR1 结合激活PYK2,导致N-钙粘蛋白表达增加,是EMT 的重要步骤,其小分子抑制剂可以降低PYK2 信号传导,降低癌细胞在体外的迁移能力［25］,阻断DDR1 可能作为一种潜在的靶向治疗策略。

Fn 可以通过Rho 通路的激活促进肿瘤细胞运动迁移,Rho 相关蛋白激酶(ROCKs)的表达已被证明在人类PDAC 疾病进展过程中增加［26］。ROCK 抑制剂法舒地尔(fasudil)联合吉西他滨和紫杉醇处理种植PDAC细胞小鼠的实验发现,小鼠中转移瘤的数量减少,肿瘤微血管密度增加提高药物输送,小鼠的存活率得到提高［27］。虽然目前还没有美国食品药品监督管理局(FDA)批准的ROCK 抑制剂治疗PDAC 的临床试验,但就目前来看,它不失为一个有研究价值的靶点。

另外,CAF 在TME 中与ECM 沉积密切相关,为了抑制基质致密纤维化的形成,靶向CAF 的治疗也值得探究。目前研究表明,Shh 信号通路及维生素D/维生素D 受体对CAF 的分化、转录等活动有调节作用,已有与化疗、免疫治疗联合治疗的临床研究正在进行中。

3 讨论

ECM 在胰腺癌肿瘤生长、转移和治疗耐药性中起重要作用,基于相关临床前研究,ECM 具有许多有吸引力的治疗靶点。然而,在临床试验中,有部分曾被寄予厚望的靶向治疗策略未能获得期望的结果,这提醒ECM 是一个复杂的分子网络,可能同时具有促肿瘤和抗肿瘤作用,单纯将ECM 的消耗作为治疗策略很可能产生负面作用,或许调节恢复ECM 的稳态平衡更有望成为改善胰腺癌结果的可行策略；另一方面,更好地了解基质ECM 的可塑性,比如结合对CAF 的理解及通过调节相关通路下调其活动以改善TME 中的基质纤维化和免疫抑制环境等。尽管目前尚没有批准的ECM 靶向治疗,但是有很多药物正处于基础实验研究或临床试验阶段,如果这些药物能够面世,对协同提高目前可用的细胞毒性和免疫治疗的疗效必然有重要作用。