Nature | 萬字綜述腫瘤微環(huán)境隨著癌癥進展的動態(tài)演變過程 - 概普生信的文章 - 知乎
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文章：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36917948/
一、腫瘤微環(huán)境構成及影響因素
- 腫瘤微環(huán)境包括細胞和非細胞成分
- 細胞成分：適應性免疫細胞：CD8+T、CD4+T、Tregs、B細胞
- 髓系免疫細胞：巨噬細胞、中性粒細胞、單核細胞、樹突狀細胞、肥大細胞、嗜酸性粒細胞、髓系來源骨髓抑制細胞（MDSC）、血小板
- 先天免疫和適應性免疫交界免疫細胞：NK、iNKT、γδT、先天淋巴樣細胞（ILCs）
- 腫瘤間質細胞和基質成分：CAF（癌癥相關成纖維細胞）、脂肪細胞、細胞外基質（ECM）、神經(jīng)元和神經(jīng)纖維
- 血管細胞：血管內皮細胞（ECs）、淋巴管內皮細胞（LECs）、壁細胞
- 細胞互作主要通過直接接觸和旁分泌的形式進行
- 同種癌癥不同病人之間TME存在差異，不同癌癥類型中也存在不同的TME
- 腫瘤細胞的內在特征，包括遺傳改變、表觀遺傳改變、代謝重編程和信號釋放，是腫瘤塑造其微環(huán)境的關鍵決定因素。
二、癌癥發(fā)展過程中TME演變概覽
- 起始階段：免疫細胞識別惡性細胞
- 進展：T細胞耗竭、Treg等免疫抑制細胞到達腫瘤部位
癌細胞重塑TME、腫瘤擴大、EMT、向血管遷移 -
轉移：CTC外滲到繼發(fā)器官，實現(xiàn)定植
癌癥發(fā)生、進展、侵襲、轉移過程中腫瘤微環(huán)境代表性細胞類型
三、癌癥發(fā)生：組織內穩(wěn)態(tài)被破壞
- 癌癥的發(fā)生是一個長期積累的過程
- 正常細胞突變轉變?yōu)閻盒约毎?/li>
- 惡性細胞形成腫瘤：逃避免疫攻擊，將周圍基質轉化為支持腫瘤的TME，獲得足夠的氧氣和營養(yǎng)供應以滿足其高代謝需求
- 免疫監(jiān)視→免疫逃避早期發(fā)生（一個潛在的免疫抑制微環(huán)境的早期建立，免疫抑制的基因的上調）→ TME免疫抑制
- 慢性炎癥也會導致腫瘤發(fā)生：慢性炎癥組織通常以Th2型免疫反應和骨髓細胞向免疫抑制功能狀態(tài)極化積累為特征
四、癌癥進展：炎癥催化
- 腫瘤生長，TME的變化：
- 細胞毒性CD8+ T細胞和NK細胞減少
- 功能失調的CD8+ T細胞、免疫抑制性CD4+ FOXP3+ Tregs和調節(jié)性B細胞增加
- CD4+ T細胞傾向于促炎Th2表型
- 腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)和中性粒細胞(TANs)為最豐富的骨髓細胞
- CAF組成和功能改變以及ECM重塑
- CAF起源：
局部組織駐留成纖維細胞的擴張
不同組織擁有不同的成纖維細胞譜系：
由其他細胞類型轉化而來 - CAFs由多種亞型組成：胰腺癌中，肌成纖維細胞(myCAFs)、炎性CAFs (iCAFs)和抗原呈遞CAFs (apCAFs)
- CAFs被多種機制激活：暴露于炎癥介質、ECM硬度和組成的變化以及代謝物的改變
- CAFs在TME中同樣發(fā)揮著多效性和功能相反的功能, 在不同的TMEs中存在功能相反的CAF亞群
- CAFs通過幾種機制幫助腫瘤逃避免疫控制
- 新生血管對腫瘤發(fā)生發(fā)展至關重要
- 一旦腫瘤生長達到1-2mm，它就需要建立運送氧氣和營養(yǎng)物質的血管系統(tǒng)。
- 腫瘤誘導的血管生成有助于免疫抑制和免疫逃避，癌細胞可以沿著宿主血管的腔面遷移
- 血管擬態(tài)：黑色素瘤和膠質母細胞瘤
- 組織中缺氧，是血管生成的主要誘因，VEGF
- FGF2、PIGF、炎癥介質TNF、BV8、G-CSF同樣可以促進血管生成
- 腫瘤淋巴管也具有重要的免疫調節(jié)特性，VEGF-C是淋巴管生成的主要驅動因子，高水平的VEGF-C與轉移增加和生存率降低有關
- CAFs也是腫瘤血管生成的關鍵協(xié)調者，CAFs產(chǎn)生幾種促血管生成介質
五、癌癥轉移擴散前的準備工作
- 癌細胞的侵襲（invasion）和轉移（migration）
- 侵襲過程：癌細胞彼此分離，從原發(fā)腫瘤塊移開，并侵入周圍的基質
- 單細胞侵入或成束或成簇侵入，必須轉換表型
- 上皮到間充質(EMT)轉化樣的過渡狀態(tài)（與鄰近癌細胞分離），上皮細胞間粘附蛋白E-鈣粘蛋白的缺失是這一過程的核心
- 并非所有腫瘤都經(jīng)歷了EMT，CAFs通過其重塑特性和施加物理拉力在ECM中產(chǎn)生物理軌跡，從而使癌細胞集體侵襲。
- 神經(jīng)周圍浸潤(PNI)是癌細胞沿神經(jīng)局部延伸的過程（不良預后）
- 癌細胞侵入正常組織，CAFs是重塑基底膜和ECM網(wǎng)絡的關鍵角色，通過分泌蛋白酶，也通過施加收縮力在基底膜上產(chǎn)生間隙，然后癌細胞可以利用這些間隙穿過基底膜。
- 進入血管（內滲，intravasation）
- 含有表達血管內皮生長因子VEGF的TIE2+巨噬細胞、癌細胞和內皮細胞的三方結構，也被稱為轉移的TME(TMEM)“門口”，以一種接觸依賴的方式促進血管內擴散。
- 淋巴管內滲：腫瘤內淋巴管經(jīng)常被壓縮
- 成纖維細胞和巨噬細胞最初也可以幫助抑制腫瘤生長，但它們最終可能受到癌癥發(fā)展的影響而獲得促腫瘤功能
- 腫瘤相關巨噬細胞(TAM)分泌生長因子、細胞因子和蛋白酶來支持血管生成和侵襲
- CAFs可以被激活分泌ECM蛋白和血管生成因子，包括VEGF-A
六、原發(fā)腫瘤的遠距離傳播：轉移前生態(tài)位（niche）的形成
- 通過旁分泌效應，在轉移擴散發(fā)生之前，它們在遠處器官中產(chǎn)生有利于癌細胞的微環(huán)境
- 原發(fā)腫瘤為未來播散性癌細胞的到來提前準備的遠超腫瘤邊界的遠距離部位，稱為轉移前生態(tài)位。
- 原發(fā)性腫瘤使宿主為轉移性疾病做好準備的另一個機制是通過誘導腫瘤誘導的全身性炎癥和免疫抑制，有利于播散性癌細胞的免疫逃逸。
- 遠處器官中產(chǎn)生的許可生態(tài)位的關鍵特征包括血管通透性增加、ECM 重塑、成纖維細胞和上皮細胞等常駐細胞改變、骨髓來源免疫細胞的調動和免疫抑制。
七、CTC及其在循環(huán)系統(tǒng)中的生存之戰(zhàn)
1.大多數(shù)CTC死亡
- 細胞分離引起的失巢凋亡（anoikis）
- 血液循環(huán)中的高剪切力（血流與血管內皮間的摩擦所用于血管壁單位面積的力）- - 免疫介導的攻擊
- CTC通過多種機制避免被破壞：CTC聚類，它通過粒細胞和血小板等特定免疫細胞誘導NANOG、SOX2和OCT42來促進干性；逃避包括NK細胞在內的其他類型的細胞毒性免疫細胞的作用。
- 循環(huán)中中性粒細胞與淋巴細胞的高比率與多種癌癥的不良預后相關
- 血小板被認為是CTC存活的關鍵促進因子，其機制包括增強CTC的粘附和聚集，導致CTCs周圍有一層“血小板保護罩”，可以保護它們免受身體壓力和免疫系統(tǒng)的監(jiān)視。
- 抵消中性粒細胞和血小板的CTC保護作用是NK細胞、細胞毒性T細胞、DC和其他細胞免疫監(jiān)視的破壞性力量
- 通過液體活檢對患者CTC進行詢問可以作為一種微創(chuàng)手段來跟蹤疾病的演變，包括治療反應和適應性耐藥性的出現(xiàn)。
八、 器官趨向性（tropism）和外滲（extravasation）
- 存活的CTC外滲到繼發(fā)器官
- 每一種原發(fā)癌癥的潛在器官趨向性（organ tropism）決定的：乳腺癌主要擴散到肺、肝、骨和腦，前列腺癌顯示出高度擴散到骨的傾向
- 這種器官傾向性受多種機制的影響，包括趨化因子、代謝物和EV等因素的信號傳導，有助于CTC定向遷移到特定器官。
- 外滲
- 腫瘤細胞必須首先滯留并附著在內皮細胞的管腔（lumen）上，血小板和中性粒細胞可仍與CTC一起移動，它們可以分別通過選擇素或GPCR或通過產(chǎn)生中性粒細胞胞外陷阱(NETs)進一步增強腫瘤細胞對脈管系統(tǒng)的粘附。
- 粘附后，CTC接著穿過EC連接處，也可能穿過額外的血管細胞層(如周細胞、平滑肌細胞)和ECM，進入器官實質部位。
- 癌細胞還可以通過產(chǎn)生NETs來觸發(fā)非癌細胞(包括血小板、單核細胞和中性粒細胞)釋放這些酶，通過 “免疫模仿”產(chǎn)生通常富集于免疫細胞中的因子，包括趨化因子、蛋白酶和細胞粘附分子。
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/602753296 - CTC還可以通過非蛋白水解機制外滲，這涉及機械變形，一次擠壓一個細胞通過EC連接處，這種外滲模式在從淋巴管進入淋巴結的CTC中也更為典型。
九、繼發(fā)部位轉移性播種以及腫瘤休眠和生長之間的復雜相互作用
- 播散性腫瘤細胞（DTC)，絕大多數(shù)腫瘤細胞再次被宿主防御機制殺死，包括免疫監(jiān)視
- 來自PVN（血管周圍生態(tài)位）的分子信號，以及組織特異性的生態(tài)位，最初似乎使DTC處于休眠（dormant）狀態(tài)，這可能保護它們免受免疫系統(tǒng)的識別和殺傷。
- 休眠細胞停止增殖，可以在靜止狀態(tài)下存活，有時會持續(xù)幾年到幾十年。
- 從休眠中重新出現(xiàn)以及與微環(huán)境的關鍵相互作用等精細的器官特異性轉移調節(jié)
- 獨特的組織駐留細胞類型和募集的免疫細胞組成的不同器官微環(huán)境對DTC命運調節(jié)很重要。
- 骨頭
- 骨是DTC生物學研究最多的器官之一，部分原因是該部位發(fā)現(xiàn)有很大比例的患者存在微轉移，尤其是乳腺癌和前列腺癌。
- 骨微環(huán)境中存在大量不同類型的細胞，包括組織駐留的成骨細胞、破骨細胞和骨細胞，以及脂肪細胞、豐富的血管和免疫細胞，以及豐富的骨髓和ECM。
- 在DTC定植的早期階段，這些細胞可以在骨骼中占據(jù)不同的生態(tài)位，大多數(shù)DTC位于BM（骨髓），通常在診斷為明顯轉移之前很久就存在。
- 肺
- 肺部是轉移性傳播的主要部位
- 肺的廣泛血管化和大表面積，使CTC有很多機會停止、外滲和定植在這個器官上
- IVM（活體顯微成像）：腫瘤細胞已經(jīng)在原發(fā)部位獲得了由轉錄調節(jié)因子NR2F1控制的增殖和休眠表型，并在巨噬細胞附近進一步富集，這種狀態(tài)最初在DTC到達肺部后維持，隨后在生長過程中消失
- 來自PVN的信號在決定DTC的命運中是至關重要的
- 間質調節(jié)對肺DTC休眠的重要性也很明顯
- 肝臟
- 肝臟是一個非常頻繁發(fā)生轉移的器官，部分原因是肝臟血管廣泛分布，也因為肝血管高度開窗，從而促進了CTC的外滲漏
- 間質和ECM的改變在調節(jié)肝臟轉移性生長方面也很重要
- 肝星狀細胞，也在調節(jié)乳腺癌細胞在該器官中的命運中發(fā)揮重要作用。
- 腦轉移
-
在大腦中，組織駐留星形膠質細胞是血腦屏障(BBB-blood-brain barrier)的關鍵組成部分，已發(fā)現(xiàn)靜止的DTC駐留在被星形細胞末端包圍的PVN中。
骨、肺、肝臟和腦等組織環(huán)境中轉移細胞DTC的生存調節(jié)
總結
- ME的巨大復雜性和相互關聯(lián)性，以及它在不同器官和患者中的多樣性。TME中的細胞、生物學過程和信號通路的靶向治療被視為一種有前途的策略
- 適應性和內在耐藥性可能是TME定向治療的障礙
- 擴大以TME為靶點的治療策略方面也有很大的希望，其中包括耗盡或“重編程”TME中促癌宿主細胞；修改ECM、基質成分和EVs的干預措施；基于細胞的治療和疫苗；以及免疫檢查點抑制劑。
附錄.TME中不同細胞和基質成分的功能詳述
- CD8+T細胞
- 強大的效應細胞，通過TCR與pMHC結合激活后，釋放顆粒酶和穿孔素讓腫瘤細胞凋亡，或者通過FASL-FAS介導細胞死亡
- 免疫檢查點抑制劑（ICIs）作用機制就是解除T細胞該耗竭狀態(tài)，重新激活CD8+ T細胞功能。
- CD4+T細胞
-輔助T細胞影響和調節(jié)其它免疫細胞，具有抗腫瘤和促腫瘤雙重作用。Th1型有助于CD8+T細胞和B細胞以及通過分泌IFNγ和TNFa直接殺死腫瘤細胞，而Th2型通過分泌抗炎介質促進腫瘤生長
- CD4+T細胞在ICI的療效中發(fā)揮重要作用
- Treg
- 高度免疫抑制CD4+T亞群，機體免疫穩(wěn)態(tài)的守門人
- 可進一步細分為胸腺來源Treg和外周血誘導Treg，通過不同的機制來抑制腫瘤免疫反應
- 鑒于Treg在預防自身免疫中的關鍵作用，靶向Treg治療具有挑戰(zhàn)性。
- B細胞
- 體液免疫的關鍵介質，同時具有抗腫瘤和促腫瘤功能
- 通過抗體依賴性細胞毒性（ADCC）和補體活化（CA）發(fā)揮抗腫瘤作用。
- B細胞還可以通過分泌抗炎和促血管生成介質、免疫復合物和補體激活來促進炎癥和免疫抑制，從而支持腫瘤生長
- 免疫抑制B細胞的一個亞群，Bregs，參與免疫耐受。
- 巨噬細胞
- 具有促腫瘤和抗腫瘤功能
- TAM（腫瘤相關巨噬細胞）的促腫瘤功能包括促進血管生成、免疫抑制、轉移形成和治療抵抗，同時TAM還可以通過直接吞噬癌細胞或激活抗腫瘤免疫反應來對抗癌癥進展
- 粒細胞
- 除了向原發(fā)腫瘤募集外，中性粒細胞還經(jīng)常積聚在腫瘤宿主的血液和遠端器官中。
- 中性粒細胞可以發(fā)揮抗或促腫瘤功能。
- 它們的系統(tǒng)性積累有助于遠處器官的免疫抑制和細胞外基質(ECM)重塑，從而促進(預)轉移性生態(tài)位的形成。
- 單核細胞
- 單核細胞在血液中循環(huán)并遷移到組織中，在那里它們分化成巨噬細胞和樹突狀細胞(DC)
- 存在幾種亞型的單核細胞，包括經(jīng)典、非經(jīng)典和中間類型的單核細胞。
- 在癌癥中，單核細胞發(fā)揮促腫瘤和抗腫瘤的功能。
- 單核細胞可以產(chǎn)生殺腫瘤介質和刺激自然殺傷(NK)細胞。然而，在TME中，它們有助于免疫抑制、ECM重塑、血管生成和癌細胞內滲，分化為腫瘤支持TAM。
- 樹突狀細胞
- 樹突狀細胞是一組多樣化的抗原呈遞細胞，對啟動和調節(jié)適應性免疫反應至關重要
- 通過整合來自TME的信息并將其傳遞給其他免疫細胞，尤其是T細胞，DC具有形成抗腫瘤免疫的潛力。然而，腫瘤反過來采用各種策略來限制和操縱DC活性以逃避免疫控制。
- 肥大細胞
- 肥大細胞是一種粒細胞，通過快速脫顆粒組胺、細胞因子和趨化因子介導宿主防御和維持體內平衡。
- 肥大細胞在微環(huán)境刺激下發(fā)揮促腫瘤活性和抗腫瘤活性。它們可以直接靶向腫瘤細胞，但主要調控其他免疫群體和內皮細胞的募集和活性。
- 嗜酸性粒細胞
- 嗜酸性粒細胞具有通過釋放細胞毒性分子直接殺死腫瘤細胞的能力，但嗜酸性粒細胞也可以調節(jié)腫瘤血管系統(tǒng)和調節(jié)TME的免疫組成，因此，它們可以根據(jù)接收到的激活信號具有促腫瘤和抗腫瘤的功能。
- MDSC
- 骨髓來源免疫抑制細胞(MDSCs)是一種異質性的骨髓細胞群，由(未成熟的)單核細胞和嗜中性細胞組成，具有強大的免疫抑制能力
- MDSCs通過旁分泌和細胞-細胞接觸機制抑制T細胞、NK細胞、B細胞和DC細胞。
- 血小板
- 血小板，是骨髓中巨核細胞產(chǎn)生的細胞質碎片。
- 血小板通過一系列不同的機制促進腫瘤的進展和轉移。它們與循環(huán)腫瘤細胞(CTC)結合，通過保護CTC免受物理壓力和免疫攻擊來促進CTC的存活。
- 血小板也釋放促血管生成和抗血管生成介質，它們與內皮細胞結合，通過內皮細胞調節(jié)血管生成和血管完整性。
- 血小板通過激活髓細胞參與腫瘤相關炎癥和免疫逃避。
- NK
- NK細胞是具有細胞毒性的先天淋巴樣細胞。它們識別并殺死缺乏MHC I類表達的應激細胞。循環(huán)和腫瘤內NK細胞水平可預測癌癥患者生存率的提高。
- NK細胞具有強大的抗癌能力;然而，進展性腫瘤通過幾種機制逃避NK細胞的消除，如抑制受體的上調，降低NK細胞的細胞毒性，動員免疫抑制性骨髓細胞和Tregs。
- iNKT
- 不變NKT (iNKT)細胞是一種CD1限制性脂質特異性T淋巴細胞，可介導先天免疫和適應性免疫，并可根據(jù)組織分布介導多種免疫功能。
- iNKT細胞通過直接殺死腫瘤細胞或通過協(xié)調促腫瘤或抗腫瘤免疫細胞的活性來發(fā)揮癌癥免疫監(jiān)視作用。
- 癌癥相關的免疫抑制可以使iNKT細胞的活性向更多的調節(jié)功能傾斜。
- γδT
- γδT系胞形成一種非常規(guī)的T細胞群，表達γδ TCRs，但不表達aβ TCRs，以不依賴MHC的方式識別靶抗原。
- 根據(jù)亞群的不同，γδ T細胞發(fā)揮效應或調節(jié)功能。
- 在癌癥中，γδ T細胞可能通過產(chǎn)生包括IL-17在內的細胞因子來抑制抗腫瘤免疫反應，從而促進疾病進展。
- 抗腫瘤免疫也可以由γδ T細胞通過TCR-或NK受體相互作用或產(chǎn)生效應分子介導的直接細胞毒性誘導。
- ILC類先天淋巴細胞
- 先天樣淋巴細胞(ILCs)是一種高度多樣化的免疫細胞群，存在于組織中，在適應性免疫和先天免疫的交叉點起作用。
- 除NK細胞外，ILCs還包括ILC1s、ILC2s和ILC3s。
- ILC缺乏抗原特異性受體，并通過分泌多種細胞因子和其他炎癥介質發(fā)揮其免疫調節(jié)功能。
- CAF
- 癌癥相關成纖維細胞(CAFs)是腫瘤基質的重要組成部分。
- CAFs合成并改造了ECM，改變了ECM的力學性質，改變了癌細胞和免疫細胞的行為。
- CAFs影響血管生成，具有很強的免疫調節(jié)能力，有助于癌癥的免疫逃避。
- ECM（細胞外基質）
- ECM是TME的非細胞結構成分，由纖維蛋白網(wǎng)絡組成，如膠原蛋白、糖蛋白和蛋白聚糖。
- ECM是一種動態(tài)結構，由TME中各種細胞產(chǎn)生的蛋白酶不斷重塑。
- ECM通過作為隔離分泌分子的儲存庫和作為細胞粘附和遷移的底物，促進TME中的細胞間通信。
- 蛋白酶對ECM的重塑會釋放束縛分子，從而產(chǎn)生局部高濃度的釋放介質。
- 癌癥和TME細胞通過包括整合素和CD44在內的受體直接與周圍的ECM接觸，這些受體構成了癌癥中激活的多種信號網(wǎng)絡的一部分。
- 脂肪細胞
- 癌癥相關脂肪細胞是癌癥類型的關鍵因素。它們釋放游離脂肪酸、激素、細胞因子、脂肪因子和生長因子，影響癌細胞和TME中的宿主細胞。
- 脂肪細胞和癌細胞之間存在著代謝物和氨基酸的活躍交換。
- 癌癥相關脂肪細胞具有很強的免疫調節(jié)能力。它們通過產(chǎn)生骨髓細胞的化學引誘劑，促進致瘤性低度慢性炎癥。
- 神經(jīng)元和神經(jīng)纖維
- 神經(jīng)元和神經(jīng)纖維存在于TME中。
- 神經(jīng)周圍浸潤(PNI)是癌細胞沿神經(jīng)局部延伸的過程，在幾種實體癌類型中觀察到，并與不良預后相關。
- 在TME中，神經(jīng)元和癌細胞之間通過相互的旁分泌信號存在活躍的串擾。神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質、神經(jīng)營養(yǎng)因子和趨化因子，刺激腫瘤發(fā)生、抵抗細胞凋亡和增強細胞增殖。
- 此外，神經(jīng)調節(jié)TME、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和顱外器官的炎癥和免疫反應，是癌癥研究的一個活躍領域。
- 血管內皮細胞
- 血管內皮細胞內皮細胞(ECs)形成覆蓋所有血管的單一細胞層
- 腫瘤內皮細胞表現(xiàn)出顯著的異質性和可塑性，它們控制著蛋白質、細胞、氧氣和液體進入周圍組織的通道。
- 排列在腫瘤血管上的內皮細胞不同于正常的內皮細胞。腫瘤上皮細胞表達較低水平的粘附分子，這導致屏障功能受損，而它們表達較高水平的抑制性免疫檢查點分子，這有助于免疫抑制。
- 淋巴管內皮細胞
- 淋巴內皮細胞(LECs)形成淋巴管的壁。在TME中，淋巴管為癌細胞提供了除血管外的傳播途徑。
- LECs最近也被認為是抗腫瘤免疫和免疫治療反應的直接調節(jié)因子。LECs可以呈遞腫瘤抗原，也可以呈遞免疫檢查點分子。
- 壁細胞
- 周細胞，也稱為壁細胞，圍繞血管，嵌入血管基底膜，毗鄰內皮細胞。它們支持血管的成熟和通透性。
- 在腫瘤中，周細胞和內皮細胞之間的相互作用受損導致腫瘤血管滲漏和功能失調。
- 周細胞還通過旁分泌機制與其他基質細胞和癌細胞相互作用，導致TME的調節(jié)。
