研究腫瘤的“土壤”—

麻辣燙不要麻醬

一導讀

一百多年前，Paget提出腫瘤“種子與土壤”的假說：腫瘤細胞作為“種子”，其發生和轉移依賴於周圍的微環境“土壤”。腫瘤細胞是核心，其周圍的細胞及非細胞組份構成“腫瘤微環境”，因其特殊的理化性質及與炎症和免疫系統的內在關係，從而成為腫瘤治療研究的關鍵靶點。在過去的幾十年裡，科學家們對實體腫瘤中間質的研究和認識呈指數級增長。下面的這篇綜述中，小編

詳細介紹了各種間質元素及其在癌症中的作用的的最新進展

。此外，小編總結了關於不同間質成分的研究文獻，並闡述了基於腫瘤間質的科研文章思路。

二背景知識

現在人們普遍認為腫瘤的微環境（TME）構成了腫瘤組織周圍的直接生態位，並且TME與腫瘤的發生有關。作為TME的重要組成部分，腫瘤間質影響腫瘤生物學，促進腫瘤的發生、發展、轉移和治療耐藥。

腫瘤間質的特徵為高度的動態變化性、異質性、腫瘤特異性。

它主要由非細胞成分組成，如細胞外基質（ECM）和獨特的癌症相關血管系統，以及各種細胞成分，包括癌症相關成纖維細胞（CAFs）、間充質基質細胞（MSCs）、周細胞等。這些豐富的間質成分塑造出了癌症變化的動態環境。重要的是，科研人員已經證明低腫瘤間質比（TSR）與較差的生存結果相關，TSR甚至可作為評估癌症患者預後和治療結果的預測指標。

腫瘤的間質其實是一把“雙刃劍”。除了促進腫瘤的作用外，間質成分還可以抑制腫瘤的生長

，特別是在胰腺導管腺癌中，完全切除間質會導致腫瘤出現更具侵襲性的腫瘤表型，從而降低總體生存率。一般來講，在腫瘤形成或轉移擴散的早期階段，間質可以被認為是腫瘤抑制。但是，腫瘤間質是不斷變化的，而不是一個靜態的實體1。所以小編認為我們的研究應該集中在間質元素如何促進腫瘤的發生發展上。這樣就可以為腫瘤間質的靶向治療提供理論依據和臨床前證據。

腫瘤間質的成分

腫瘤組織是癌細胞和各種間質成分的異質混合物。在實體瘤中，間質成分會與腫瘤細胞相互作用，影響腫瘤行為。反過來，腫瘤細胞也可以改變它們周圍的基質，形成一個可以支援腫瘤細胞生長的微環境。腫瘤細胞也可以透過不同的訊號轉導途徑轉化為間質樣細胞，從而促進腫瘤血管生成，促進腫瘤發展。

腫瘤間質也會參與腫瘤的發生、發展和治療耐藥，並影響癌症的許多特徵

。具體來講，腫瘤間質元素包括細胞外基質、血管系統和各種細胞成分，如啟用的CAFs、MSCs、周細胞。這些成分影響抗腫瘤免疫並決定腫瘤進展（圖1）。例如，成骨細胞負責將癌細胞吸引到骨髓並驅動惡性細胞的骨轉移。脂肪細胞則作為一些高效的催化劑，影響癌症的代謝，並參與腫瘤的發生、進展和治療耐藥。近年來，腫瘤學家研究了成骨細胞和脂肪細胞在癌症中的功能，但它們的詳細描述超出了本綜述的範圍。在這裡，我們主要關注腫瘤相關內皮細胞、CAF、MSCs和周細胞的功能1（圖1）。

相關生信思路連結*

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老生常談的細胞外基質（ECM）如何以“舊”翻新

圖1 腫瘤間質的主要成分及其促癌作用

腫瘤相關成纖維細胞（Cancer-associated fibroblasts，CAFs）

在所有間質細胞成分中，CAFs是一種重要且豐富的細胞群。在原發或轉移性腫瘤中發現的活化的成纖維細胞稱為CAFs。CAFs作為TME的主要成分在腫瘤的發生發展及轉移過程中發揮著重要功能。CAFs不僅可透過分泌多種細胞因子或代謝產物抑制免疫細胞的功能，促進腫瘤發展、侵襲、轉移；CAFs 還能夠塑造腫瘤外基質，阻止藥物與免疫細胞向腫瘤組織的深層滲透，從而降低腫瘤治療效果。因此，透過調控 CAFs抑制腫瘤是腫瘤治療的新手段。CAFs在腫瘤進展的不同階段發揮促癌或抑癌作用（以器官或環境特異性的方式），這給靶向CAFs的癌症治療領域帶來了挑戰。CAFs具有異質性和複雜性，這是因為CAFs具有不同的起源、細胞狀態和功能。與正常的成纖維細胞不同，CAFs往往是高增殖性、遷移和高度分泌的細胞。雖然科研人員普遍認為CAsF可能起源於區域性組織內成纖維細胞的啟用，但研究人員也確認了CAFs的其他細胞來源，包括內皮細胞、脂肪細胞、骨髓來源的間充質幹細胞以及胰腺或肝臟星狀細胞。因此，現在很難準確定義這些細胞的來源（圖2）。

CAF專題連結*：

國自然熱點：腫瘤相關成纖維細胞（CAF）

圖2 CAFs在腫瘤發生和發展中的功能及其相關機制

CAFs是腫瘤微環境中的關鍵分子。在下文2中，作者描述了乳腺癌中的四個CAFs亞群（CAF-S1到CAF-S4），它們具有不同的特性和啟用水平。在三陰性乳腺癌（TNBC）中，主要有兩個成纖維細胞亞群（CAF-S1、CAF-S4）。CAF-S1成纖維細胞透過多種方式塑造免疫抑制環境。接下來，作者鑑定了CAF-S1的轉錄圖譜，並將其與另一個活化的CAFs亞集CAF-S4進行了比較。作者對CAF-S1和CAF-S4的成纖維細胞進行了RNA測序。並對CAF-S1和CAF-S4亞群中的易變基因進行非監督分析，結果表明這兩個亞群表現出截然不同的轉錄圖譜。主成分分析（PCA）顯示出了CAF-S1和CAF-S4、腫瘤和癌旁樣本之間的差異。CAF-S1亞群上調的基因主要參與細胞黏附、ECM組織和免疫反應，而CAF-S4的主要參與了肌肉收縮、肌動蛋白細胞骨架調節和氧化代謝（所有BC亞型中的通路都是相似的）。作者還構建了一個全面的分子相互作用圖。該圖譜進一步用於顯示CAF-S1和CAF-S4細胞的轉錄圖譜（圖3）。可以關注我們的公眾號，查閱更多的CAFs科研思路。

圖3 CAF亞群的分子特徵及其與免疫訊號通路的關係

腫瘤相關內皮細胞（Tumor-associated endothelial cells，TECs）

TECs位於血漿與血管組織之間，它不僅

能完成血漿和組織液的代謝交換，並且能合成和分泌多種生物活性物質，

以保證血管正常的收縮和舒張，起到維持血管張力，調節血壓以及凝血與抗凝平衡等特殊功能，進而保持血液的正常流動和血管的長期通暢。抗凝血材料表面內皮細胞化，可以減少血栓的形成和血小板啟用。血管內皮細胞是血管形成的主要細胞，與腫瘤血管與正常血管相比，腫瘤血管內皮細胞的分佈也有所不同。與正常內皮細胞（NECs）相比，TECs在基因組成、蛋白表達和功能輸出等方面存在差異3（圖4）。

圖4 TECs的異常性

最近的研究已經確定了TECs在腫瘤的發生和發展中的中心作用。TEC通常表現出與正常內皮細胞不同的表型。在功能上，

TECs促進癌細胞的增殖和侵襲能力，並誘導癌細胞對抗腫瘤藥物的耐藥性。TECs還可以透過旁分泌方式分泌可溶性因子，從而使腫瘤細胞獲得高增殖性和侵襲能力，加速腫瘤細胞生長。

腫瘤血管是遠處轉移的通道。最近的研究表明， TECs表現出不同於正常的表型。科研人員已經證明，不同惡性程度的腫瘤，TECs的特徵是不同的，這表明TECs可以與周圍的腫瘤細胞進行相互作用。然而，TECs在腫瘤轉移中的作用尚未闡明。在下文中4，作者發現TECs與腫瘤細胞之間的相互作用（雙向）可以促進腫瘤轉移。從高轉移性腫瘤分離出的TECs共植入可加速低轉移性腫瘤的肺轉移。Biglycan是TECs分泌的一種小分子亮氨酸重複序列蛋白多糖，透過核因子κB和細胞外訊號因子可以啟用腫瘤細胞的遷移。總而言之，作者的結果表明，TECs在腫瘤微環境中會發生了變化，進而引發了腫瘤細胞的轉移，這是腫瘤轉移的一種新機制（圖5）。除了促進血管生成外，TECs還在參與惡性轉化的各個步驟中發揮關鍵作用，這是一個相對未被探索的領域，可能會為腫瘤的進展提供新的見解。

圖5 TECs促進腫瘤細胞血管內皮細胞侵襲和轉移

間充質基質細胞（Mesenchymal stromal cells，MSCs）

間充質基質細胞（MSCs）最早發現於1970年，具有克隆形成能力。

該細胞在維持造血功能方面有非常重要的作用，同時具有成骨、成脂、成軟骨的分化能力。

腫瘤間充質基質細胞不只存在於骨髓，其在機體絕大部分組織中均存在。由於其具有免疫調節的特性，腫瘤間充質基質細胞是微環境的重要組分。在炎症微環境條件下，MSCs還具有旁分泌功能和調節細胞外基質的特性。值得注意的是，當MSCs可以遷移到腫瘤組織時，它們會進一步進化為腫瘤相關MSCs（TA-MSCs），與正常組織MSCs不同，TA-MSCs具有促腫瘤表型（圖6）。

圖6 MSCs和TA-MSCs的促瘤作用及相關機制

晚期的卵巢癌會迅速侵襲腹膜腔，形成複雜的 TME，這種TME可以支援卵巢癌的生存、生長和擴散。TME是由腫瘤細胞、免疫細胞和基質細胞組成的複雜生物網路。在下文中5，為了確定是什麼驅動了卵巢癌TME的形成和功能，科研人員發現了一種重要的MSCs，即CA-MSCs。卵巢癌中的MSCs會發生間充質轉化（EMT），這些重新程式設計的MSCs被稱為腫瘤相關MSCs（CA-MSCs），CA-MSCs會促腫瘤生長並直接驅動腫瘤發生轉移。癌細胞還會誘導這種表觀MET，其特徵是：增強子豐富的DNA超甲基化、染色質可及性的改變，以及差異性的組蛋白修飾。這一現象與臨床相關，因為CA-MSC MET與患者的生存高度相關。從機制上講，CA-MSCs中的MET是由WT1和EZH2介導的。所以在動物實驗中（小鼠卵巢癌轉移模型），就可以用的EZH2抑制劑來抑制CA-MSC介導的卵巢癌轉移（圖7）。

圖7 與正常組織MSCs相比，CA-MSCs具有獨特的DNA甲基化特徵

周細胞（pericyte）

周細胞（pericyte）別名Rouget細胞和壁細胞，是一種包圍全身毛細血管和靜脈中的內皮細胞的細胞，可以收縮。周細胞嵌入毛細血管內皮細胞的基膜中，透過物理接觸和旁分泌訊號與內皮細胞進行細胞通訊，監視和穩定內皮細胞的成熟過程。在大腦中周細胞幫助維持血腦屏障，周細胞是大腦神經血管單位的重要組成部分。此外，周細胞還具有調控毛細血管血流量、細胞碎屑清除和吞噬以及血腦屏障滲透性的作用。長期以來，科研人員認為周細胞是血管形態發生和功能的調節者。已有研究發現周細胞參與多種病理過程，特別是惡性腫瘤。

周細胞可以與腫瘤細胞或基質細胞相互作用、改變TME併發揮免疫調節功能，從而促進腫瘤的發生和轉移

（圖8）。

圖8 周細胞在腫瘤微環境中的免疫調節作用。

結直腸癌（Colorectal cancer， CRC）是全球第三大最常見的惡性腫瘤，而結直腸癌的肝轉移（colorectal cancer liver metastasis， CRCLM）又是其主要的致死因素。血液散播是CRCLM形成的重要途徑，腫瘤細胞滲入血管並經由迴圈系統運送到其他部位，再滲透出血管在異位完成腫瘤轉移。在這個過程中，周細胞是細胞在血管滲透中的守門員，但是腫瘤周細胞（tumour pericytes， TPC）在CRCLM中執行的具體分子機制依然未知。下面的研究6使用scRNA-seq方法鑑定了13個TPC亞群。一種新的TCF21高表達TPC亞群，被稱為“基質-周細胞”，與結直腸癌患者的肝轉移有關。TPC中的TCF21會增加血管周圍ECM硬度、膠原重排和基底膜降解，建立血管周圍轉移微環境，從而啟動結直腸癌肝轉移（CRCLM）。TPC中TCF21缺失可減輕血管周圍ECM重塑和CRCLM，而TCF21高表達的TPC和CRC細胞共同注射可顯著促進CRCLM。總之，作者的研究揭示了結直腸癌患者TPC的異質性，並確定了與CRCLM相關的TPC的新亞群（TCF21高表達）。這些結果揭示了TPC透過重塑血管周圍ECM促進結直腸癌轉移的作用和機制，併為血源性轉移提供了潛在的診斷標誌（圖9）。