细胞外基质重塑在肿瘤进展转移中的作用研究进展

刘婷婷，申复进

武汉大学人民医院妇产科，武汉430060

细胞外基质（ECM）是细胞分泌至胞外的物质所组成的网架结构，是所有多细胞生物的重要组成部分，也是肿瘤微环境的重要组成部分，并参与肿瘤多种表型的调控。ECM重塑可分为ECM沉积、翻译后水平的化学修饰、蛋白降解、强制物理重构四个主要过程，重塑过程涉及700多个蛋白。ECM单个组分的总体丰富度、浓度、结构和组织的改变也会引起重塑，这个过程会改变细胞周围基质的三维空间拓扑结构、生化和生物物理特性，进而影响细胞命运［1］。转移和扩散是肿瘤的典型特征，这种扩散需要恶性细胞通过ECM蛋白网在结缔组织中移动。在淋巴和血行播散过程中，肿瘤细胞的附着、分离和移动需要肿瘤细胞与不同的ECM蛋白接触，此外ECM还决定了肿瘤细胞沉积和转移的具体部位［2］。近年研究发现，即使在原发肿瘤中，ECM也会受到肿瘤细胞的调控，肿瘤细胞可以通过分泌蛋白酶的方式促进ECM降解，也可以通过分泌促进ECM交联的胶原蛋白增加ECM的丰度，而ECM的改变进一步促进肿瘤进展和转移［3］。现将ECM在肿瘤进展和转移过程中的作用研究进展综述如下。

1 ECM重塑促进肿瘤细胞迁移和侵袭

在原位癌阶段，基底膜将肿瘤细胞与周围的基质细胞分离，形成一个物理屏障，阻止肿瘤细胞扩散。当肿瘤细胞突破基底膜进入间质并侵入周围组织时，肿瘤就会变成恶性肿瘤，这一过程伴随着各种ECM重塑。肿瘤细胞通过基底膜入侵的过程涉及蛋白水解依赖和不依赖两种途径。研究显示，肿瘤细胞与肿瘤相关成纤维细胞通过基底膜层连接，利用其收缩特性在基底膜上施加物理力，并扩大现有的孔，从而以一种不依赖于基质金属蛋白酶（MMP）的方式促进肿瘤细胞侵袭［4］。CASTRO-CASTRO等［5］研究发现，在乳腺癌患者体内，膜型金属蛋白酶1（MT1-MMP）这种膜锚定蛋白酶介导肿瘤细胞突破基底膜，从而促进肿瘤侵袭。而研究表明，蛋白水解依赖机制对于肿瘤细胞突破基膜更重要，蛋白水解依赖机制介导的ECM重塑所引起的肿瘤细胞迁移和侵袭或许更具有研究意义，这为今后的研究方向指明了重点。

KAI等［6］发现，肿瘤ECM物理特性的改变促进了肿瘤细胞迁移及其对间质组织的侵袭。在乳腺癌小鼠中，过表达赖氨酰氧化酶（LOX）使乳腺肿瘤组织中的ECM的硬度、胶原蛋白交联程度以及胶原蛋白含量增加，LOX介导的胶原交联使乳腺肿瘤组织对周围组织的侵犯程度和局灶黏附增加［7］。PANKOVA等［8］从KrasLA1小鼠肺腺癌组织中分离出肿瘤相关成纤维细胞，然后在野生型小鼠皮下单独注射肺腺癌细胞或与肿瘤相关成纤维细胞联合注射来产生异位异种移植肿瘤，结果显示，与肿瘤相关成纤维细胞共同注射所产生的肿瘤组织ECM胶原交联程度、组织硬度以及纤维化程度更强；将肺腺癌细胞与肿瘤相关成纤维细胞进行体外共培养后，肿瘤细胞伪足增多，侵袭和迁移能力均显著增强。ECM的组成成分也是肿瘤细胞运动和肿瘤进展的关键。分别在含有胶原Ⅳ和胶原Ⅰ的基质中培养非侵袭性乳腺肿瘤细胞，后者较前者细胞侵袭力增强。这可能是因为，在富含胶原Ⅳ的基质中，肿瘤细胞通过其黏附受体与基质成分的相互作用将其固定在富含胶原Ⅳ的基底膜上，从而减弱肿瘤细胞的侵袭力［9］。

由于肿瘤相关成纤维细胞具有较强的重塑ECM的能力，因此可作为肿瘤细胞迁移的先导细胞，其游走于入侵的肿瘤细胞的前方，通过蛋白水解和机械力介导的重塑过程清除ECM。肿瘤相关成纤维细胞通过整合素α3、α5以及Rho介导的肌球蛋白轻链活性的调节与富含胶原蛋白的ECM相互作用，这些相互作用对ECM施加机械力，使胶原纤维对齐［10］。机械力介导的纤维连接蛋白组装能够产生有助于肿瘤细胞运动的各个方向的线性胶原纤维，并可以在ECM中打开间隙，允许细胞迁移［11］。胶原线性化也可以由肿瘤分泌因子介导，例如由转化生长因子β（TGF-β）触发的Wnt1诱导信号通路基因（WISP1）［12］。这些过程产生了稳定的迁移轨迹，用于有效、非蛋白水解的肿瘤细胞集体侵袭。此外有研究认为，肿瘤相关成纤维细胞还可通过机械力触发的E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白黏附引导肿瘤细胞迁移［4］。由此可见，适当干预以上ECM重塑过程可能减缓或抑制肿瘤细胞的迁移和侵袭。

2 ECM重塑影响肿瘤血管生成

不同的ECM成分能够促进或抑制血管生成，从而改变肿瘤血管系统。例如骨膜素具有促血管生成功能，纤维连接蛋白具有抗血管生成功能，而血栓反应蛋白1能够通过抑制MMP-9活化来抑制血管生成［12］。肿瘤中致密的胶原蛋白结构可触发肿瘤细胞相互连接网络的形成，这些肿瘤细胞形成富含ECM的血管样结构，这一过程被称为血管生成模拟，在不诱导血管生成的情况下为肿瘤提供血液。具有小孔和短纤维的特定致密胶原结构导致整合素β1上调，肿瘤细胞向内皮表型分化，其特征是具有抗凝特性的Ⅳ型胶原α1链和丝氨酸肽酶抑制剂E2的表达，它们具有抗凝血特性，并且能够促进红细胞进入肿瘤，增强肿瘤组织的血液灌流［13］。黑色素瘤细胞的血管生成模拟需要通过MMP-2、MT1-MMP的表达以及特定层黏连蛋白链的沉积和裂解进行基质重塑［14］。ECM成分对肿瘤组织血管生成的影响表明ECM重塑对肿瘤进展的影响是多方面的，可多方面联合找到靶向ECM成分从而治疗肿瘤的方法。

3 ECM重塑抑制肿瘤免疫

在免疫监测过程中，免疫细胞在趋化因子的作用下向肿瘤组织运动。然而，肿瘤微环境使先天和适应性免疫系统的大部分细胞处于免疫抑制状态，免疫细胞与ECM中的一些成分相互作用，加重了这种免疫抑制的程度，进一步促进肿瘤进展。

在肿瘤ECM中，单核细胞来源的巨噬细胞优先获得M2表型。这些肿瘤相关巨噬细胞分泌各种细胞因子和白细胞介素（IL），尤其是免疫抑制因子如IL-10和TGF-β。TGF-β将调节性T细胞亚类和其他适应性免疫细胞吸引到肿瘤组织中，与髓系抑制细胞一起抑制CD8+T淋巴细胞和自然杀伤细胞对癌细胞的攻击［15］。这种抑制作用是通过细胞膜结合受体和其配体直接相互作用来实现的，如免疫检查点受体PD-1及其配体PD-L1［16］。调节性T细胞也分泌TGF-β，并帮助激活ECM的TGF-β，从而增强该因子的促肿瘤作用。TGF-β也可使ECM某些成分因子的基因表达失调，这使肿瘤微环境的免疫抑制作用加强［17］。此外，特异性免疫细胞向肿瘤ECM的选择性募集加强了促纤维增生过程，而免疫细胞分泌的IL加强了肿瘤微环境的免疫抑制倾向，有助于对肿瘤细胞的免疫耐受。虽然通过免疫检查点抑制剂对调节性T细胞进行重编程已经被批准用于针对重新激活肿瘤细胞的免疫反应，但免疫细胞亚群选择性迁移到肿瘤组织可能取决于肿瘤组织的ECM，并可能成为抑制肿瘤进展的另一种策略。

4 ECM重塑促进肿瘤远处转移

肿瘤转移灶形成包括肿瘤细胞在循环中存活、形成转移前微环境以及最后的转移灶形成这三个阶段，ECM重塑在此过程中均发挥重要作用。

4.1 循环中的基质重塑 各种ECM重塑事件支持肿瘤细胞迁移和侵袭，使肿瘤细胞最终能够进入循环。研究发现，血液中的胰腺循环肿瘤细胞（CTC）能够上调ECM蛋白表达，如胶原蛋白、蛋白聚糖核心蛋白聚糖、糖蛋白、骨连蛋白和纤维连接蛋白［18］。原发肿瘤部位的血管生成和高MMP活性导致脉管系统中断，从而使肿瘤细胞进入血液循环，而CTC分泌的ECM可以增加CTC的自分泌生存信号，保护它们免受免疫细胞清除，以实现有效的转移定植［19］。最近的一项研究表明，CTC可以通过在CTC和中性粒细胞上均表达的整合素β1与中性粒细胞相互作用，从而被中性粒细胞胞外陷阱捕获，使CTC更容易转移［20］。内皮细胞沉积和聚集纤维连接蛋白促使CTC附着到远处器官的内皮壁上，MMP活性增加造成血管渗漏，使CTC外渗到周围组织以及远处器官组织，有助于建立转移前微环境。

4.2 转移前微环境中的ECM重塑 转移前微环境的ECM改变主要由纤维连接蛋白与糖蛋白和蛋白多糖共同参与。原发性肿瘤衍生因子激活转移前微环境中的基质细胞，分泌新的ECM分子或直接重塑和修饰ECM。瓜氨酸化通过影响纤维连接蛋白和胶原蛋白的静电荷和折叠构象，从而影响细胞黏附性能。瓜氨酸化由蛋白精氨酸脱亚胺酶（PAD）介导，在炎症以及转移前微环境建立期间，PAD可能释放到中性粒细胞细胞外空间，也可能在转移前微环境建立期间释放。研究显示，结直肠癌细胞分泌的PAD4可诱导肝脏中Ⅰ型胶原瓜氨酸化，从而促进播散性肿瘤细胞黏附到肝组织，为结直肠癌细胞转移到肝组织做准备［21］。

来自原发肿瘤的信号也刺激特定骨髓源性细胞如巨噬细胞、中性粒细胞和髓系祖细胞募集和黏附到转移前微环境中。在乳腺癌中，原发肿瘤表达的低氧诱导的LOX作用于转移部位，与Ⅳ型胶原交联，Ⅳ型胶原可为骨髓源性细胞提供黏附，而骨髓源性细胞具有强大的ECM重塑能力，能够促进转移性肿瘤细胞的定植［22］。

肿瘤细胞衍生的MMP-3和MMP-10在转移前微环境中诱导血管破裂，导致CTC外渗，并使ECM的某些成分被降解，这为肿瘤细胞的浸润创造了条件。GHAJAR等［23］报道，MMP介导的转移前微环境中血管系统的破坏可以使内皮细胞得到新生，新生的内皮细胞又会产生TGF-β1和参与转移前微环境形成的ECM分子，如骨膜蛋白、versican和纤维连接蛋白，有助于进一步ECM重塑，并为CTC的到来做准备。这些研究将不同肿瘤建立转移前微环境的方式与肿瘤的具体特性联系起来，有助于进一步阐明不同肿瘤转移到不同部位的具体机制。

4.3 转移灶中的ECM重塑 为了形成转移灶，CTC需要从循环中渗出到新组织中，这一过程依赖于ECM的重塑。研究显示，结直肠癌患者肝脏中的内皮细胞沉积并组装纤维状纤维连接蛋白，使结缔组织细胞附着到血管腔，诱导整合素依赖性局灶黏附，并最终外渗到肝组织中。在CTC定植后，基质细胞和转移细胞都有助于创造转移灶，并积极改变ECM以促进转移的肿瘤细胞的生长。同一肿瘤在不同部位的转移灶的ECM重塑不同，这表明ECM具有组织趋向性。在乳腺癌小鼠的脑、肺、肝和骨转移灶处，肿瘤细胞和基质细胞分别沉积不同的ECM相关蛋白，浸润肿瘤细胞或转移部位的基质细胞会沉积骨桥蛋白、骨膜蛋白和tenascin C，并会激活干细胞样信号通路，这对肿瘤细胞定植起重要作用；肺部的乳腺肿瘤细胞产生tenascin C，触发Notch和Wnt信号通路，活化的肺成纤维细胞沉积骨膜蛋白也会增加转移性乳腺肿瘤细胞中的Wnt信号，而骨桥蛋白和tenascin C的表达取决于C-Jun转录因子［24］。我们需要更详细的研究来揭示不同转移灶中ECM重塑的内在因素，这可能为预防和消除肿瘤转移提供有前途的治疗干预措施。

ECM的丰度、组成、结构和由此产生的ECM相互作用对细胞和组织功能具有根本性影响。ECM重塑在肿瘤进展和转移中起重要作用，由于其在特定的病理组织中表达，这些ECM改变可作为治疗靶点，为开发靶向异常ECM及其重塑的肿瘤治疗策略提供帮助。