结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是仅次于肺癌和胃癌之后的、最常见的原发肿瘤,其病死率高达9%^[1]。在上个世纪,对CRC的研究主要集中在肿瘤细胞本身,基因和表观遗传学的改变导致肿瘤的发生发展已被大家广泛接受。然而,越来越多的证据表明,肿瘤微环境在肿瘤发生、浸润和转移过程中扮演着重要角色^{[2, 3]}。肿瘤间质是肿瘤微环境的重要组成部分,它包括间质的非细胞成分和细胞成分两部分。结直肠癌组织中的癌相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs)是肿瘤间质中最主要的细胞,它与CRC的发生、发展密切相关^[4]。

正常结直肠组织中的成纤维细胞(normal fibroblasts,NF)是组织间质的主要细胞成分,由胚胎时期的间充质细胞分化而来,而CAFs的来源目前尚不明确。和正常成纤维细胞一样,CAFs也能表达波形蛋白(vimentin),甚至还表达α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA),而后者主要是由活化的成纤维细胞,即肌成纤维细胞(myofibroblast)分泌的。因此有人认为CAFs可能源自于正常成纤维细胞或成纤维细胞的前体,两者经过肿瘤细胞的刺激演变成CAFs^[5]。

骨髓间充质干细胞(bone marrow-derivedmesenchymal stem cells,MSCs)是骨髓基质干细胞,对骨髓中的造血干细胞不仅有机械支持作用,还能分泌多种生长因子(如IL-6、IL-11、LIF、M-CSF及SCF等)来支持造血^[6]。有研究^[7]表明MSCs可能是CAFs的来源,通过MSCs与肿瘤细胞条件培养液共培养后,这些细胞表现出CAF的功能性质,包括基质细胞衍生因子-1(SDF-1)的持续表达,以及肌成纤维细胞标志物的表达,如α-平滑肌肌动蛋白和成纤维细胞表面蛋白。Quante等^[8]通过标记骨髓来源的MSCs,发现肿瘤中至少有20%的CAFs是由来源于骨髓的MSCs衍化而来。

上皮来源的细胞是另一个可能的CAFs来源,而上皮间质转化(epithelial-to-mesenchymaltransition,EMT)过程则是这一假说的主要理论支持。上皮来源的细胞包括正常的上皮细胞和上皮来源的肿瘤细胞。Mink等^[9]用荧光标记的方法发现,肿瘤基质中24%的CAFs是EMT源性的肿瘤细胞。近来有人提出,CAFs表型的不同及特异性差异或许表明CAFs的来源是多源头的,即肿瘤组织中的CAFs是不同亚型共存的细胞群^[8]。

肿瘤细胞和CAFs之间的相互作用体现在CRC发展的全程,两者之间既有抑制作用,也有诱导作用,而且诱导作用主要体现在肿瘤进展阶段,而作用方式则是双向复杂的细胞接触和旁分泌^[10]。结直肠癌细胞可通过旁分泌机制,产生转化生长因子β(TGF-β)、表皮生长因子(EGF)和血小板衍生生长因子(PDGF)等重要的细胞因子,诱导CAFs的活化^[11]。Mishra认为,在CRC的发展中,先是肿瘤细胞旁分泌促使CAFs分泌多种促肿瘤的趋化因子(主要是CXCL12,还有CCL2、CCL5、CCL7、CXCL8和CXCL14),然后这些趋化因子又反过来作用于肿瘤细胞,促进其增殖、迁移和侵袭^[12]。肿瘤细胞还可通过缺氧、坏死等介导炎性细胞,如肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages,TAMs),分泌相关炎性因子,以及肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)和IL-6等因子,进而促进CAFs的活化^{[13, 14]}。活化后的CAFs可上调基质金属蛋白酶(MMPs)、纤溶酶原激活物抑制剂(PAI)-1,最终为肿瘤细胞突破基底膜、浸润和转移发挥作用^{[15, 16]}。

细胞外基质(extracellular matrix,ECM)由细胞分泌到细胞外间质中的大分子构成,主要包括基底膜和细胞间基质。ECM具有活跃的生物学功能,决定细胞的黏附与迁移,因此与肿瘤的浸润、转移有密切联系。而CAFs作为细胞基质的主要成分,也是细胞外基质和各类的蛋白水解酶成分的主要来源^[17]。

CRC原位癌时基底膜仍然保持完整,如继续发展到浸润癌,癌细胞往往先发生E M T,细胞间失去黏附、上皮标志物[如E-钙黏蛋白(E-cadherin)]表达减少、间质标志物(如波形蛋白)表达增加,最终细胞骨架发生变化,使得细胞变形成梭形,基底膜被降解,癌细胞发生侵袭^[18]。在此过程中,生长因子、细胞因子和细胞外基质蛋白均可通过相应受体诱导癌细胞EMT,其中CAFs释放的信号(如TGF-β)发挥了重要作用^[19]。实验证明,CAFs与结肠癌细胞共培养的癌细胞明显变成梭形,增强了细胞的转移能力,同时,CAFs还能分泌基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinase,MMP)而特异性降解ECM,为癌细胞的迁移做准备^[20]。Brentnall通过肿瘤细胞与CAFs三维共培养发现,CAFs能促使癌细胞形成伪足,帮助其突破基底膜^[21]。这些都表明CAFs能直接提高肿瘤细胞的侵袭能力并促进其转移,CAFs在CRC发展过程中是直接参与者。

CRC的生长与转移依赖于新生血管,在无新生血管阶段,肿瘤团块体积很少超过1~2 mm³,一旦有新生血管与其相连,肿瘤获得营养,就会以几何级数迅速生长,同时,新生血管的孔径也利于肿瘤转移。而肿瘤中新生血管生成涉及广泛的细胞因子的协同调控,包括VEGF、IL-8、TNF-α及MMP等各种血管生成因子。

有研究表明^[22],CAFs可以促进结直肠癌组织中的血管发生和生成,进而促进其侵袭和转移。实验证明,CAFs可能是通过白细胞介素-6(IL-6)。诱导激活内皮细胞Akt和ERK通路,从而上调VEGF的表达,最终诱导肿瘤血管生成^{[23, 24]}。肿瘤基质中的CAFs还能通过NF-κB途径上调IL-8和肿瘤坏死因子-α(TNF-α),影响结直肠癌肝转移灶的微环境,最终促进转移灶的浸润和血管形成^[25]。

间质细胞源性因子(stromal cell derived factor1,SDF-1)是CAFs分泌的一种趋化因子,其受体CXCR4在肿瘤细胞和血管内皮祖细胞(endothelialprogenitor cells,EPCs)中表达,CAFs能通过分泌CXCL12(即SDF-1)趋化EPCs到肿瘤组织中,最终促进肿瘤组织中血管生成,这种情况可见于乳腺癌^[26]。另外,研究表明缺氧是肿瘤组织血管生成的主要诱因,乏氧诱导因子1(hypoxia-induciblefactor 1,HIF-1)在CRC中表达,HIF-1可诱导肿瘤细胞和CAFs表达VEGF和SDF-1,从而上调CXCR4的表达并趋化EPCs,最终生成肿瘤血管^{[27, 28]}。

在肿瘤发展过程中,肿瘤间质不仅提供支持与营养,更重要的是提供了适宜的微环境,甚至这种微环境的改变是发生在肿瘤恶变之前,因此,针对肿瘤基质的改变或可逆转肿瘤的恶变,同时针对基质中的细胞,尤其是CAFs的改变或可用于抗肿瘤治疗^[29]。同时,CAFs的相关标志蛋白或可作为判断预后的指标,而CAFs自身也可以作为抗肿瘤的靶点。

研究表明成纤维细胞活化蛋白(FAP)在结肠癌肿瘤内高表达,且其高表达与患者预后较差相关^[30]。有人对CAFs的表型与CRC患者无病生存期和总生存时间进行了相关性分析,表明CAF的相关标志物α-SMA、FSP1(fibroblast secreted protein1)和FAP与CRC的预后相关,可能是抗肿瘤治疗的潜在靶点^{[31, 32]}。Eiro等^[33]研究表明,肿瘤相关成纤维细胞TLR4(Toll-like receptor-4)的显著表达与CRC的高复发率相关,并与患者总生存期的缩短独立相关,表明TLR4在CAFs的表达可能是判断CRC预后的一个有用指标。

CD133是结肠癌的干细胞标志物,体外研究表明,在CAFs的CD10和结肠癌细胞的CD133分子双阳性的情况下,CRC细胞有更强的侵袭力,提示这些特定的细胞群之间的相互作用,将有希望成为治疗结肠直肠癌的新方法^[34]。抗原缺失和抗原调变是肿瘤细胞发生免疫逃逸的机制之一,而作为肿瘤基质细胞的CAFs却可以作为免疫治疗的靶点,诱导机体对CAFs和肿瘤细胞产生交叉自身免疫反应。Li等^[35]用bFGF活化的成纤维细胞来诱导小鼠对肿瘤细胞和CAFs自身交叉免疫反应,表明此举的确可以提高小鼠抗瘤能力,并延长荷瘤小鼠的生存期。

CAFs是肿瘤间质的主要组分,在CRC的进展中发挥关键作用,癌细胞与CAFs之间相互作用,逐步"营造"适宜于肿瘤生长和转移的微环境。肿瘤细胞与CAFs细胞之间通过细胞接触和旁分泌等方式,促使双方分泌各种细胞因子和生长因子,最终使得CAFs活化,肿瘤细胞发生EMT而变成梭形,而两者分泌的基质金属酶、蛋白水解酶等又促进基底膜的水解,为癌细胞的浸润、转移做准备。同时,两者共同分泌促进血管生成的细胞因子和趋化因子,促进结直肠癌组织中的血管生成,为肿瘤生长提供营养并促进其血管转移。总之,CRC中的CAFs是CRC发展过程中的同谋。

利用CAFs在CRC中的作用来开展抗瘤诊治才刚起步,进一步开展对CAFs的深入研究有助于阐明肿瘤发生和演进的机制,为肿瘤的早期诊断提供新的特异标记,并为肿瘤的治疗提供新的靶点。目前对于CAFs与CRC发展关系的研究虽然已有一定进步,但仍有许多问题尚需解决:(1)CAFs活化的具体机制仍不明确;(2) CAFs与CRC细胞相互作用的具体信号分子介导机制有待进一步研究;(3) CAFs与CRC相关的诊治特异标记尚未明确。