摘要
癌症是一个复杂的生态系统，包括肿瘤细胞和许多非癌细胞，它们嵌入在变化了的细胞外基质中。肿瘤微环境(TME)包括多种不同类型的免疫细胞、癌相关成纤维细胞、内皮细胞、周细胞和其他组织细胞类型。这些宿主细胞曾经被认为是肿瘤发生的旁观者，但现在已经知道它们在癌症发病机制中扮演着重要角色。TME的细胞组成和功能状态因肿瘤发生器官、癌细胞的内在特征、肿瘤阶段和患者特征等因素而有很大差异。本文回顾了TME在癌症发展的各个阶段中的重要性，从肿瘤的初始化、进展、侵袭、血管内侵以及到转移和生长。了解肿瘤细胞本质、细胞外因素和系统性因素之间复杂的相互作用对于合理开发有效的抗癌治疗方法至关重要。
引言
近几十年来，我们对癌症的理解发生了根本性的变化。现在我们认识到，癌症不仅仅是一种基因病，而是一个包括癌细胞和大量非癌细胞以及它们在肿瘤内相互作用的复杂生态系统。我们意识到，基因变异虽然是癌症发生和进展的必要条件，但并不足以导致癌症。当我们通过显微镜观察实体肿瘤时，癌症的复杂性变得显而易见。我们发现，肿瘤微环境（TME）是一个高度结构化的生态系统，包含癌细胞、不同类型的非恶性细胞和血管化的细胞外基质（图1）。TME包括丰富多样的免疫细胞、癌相关成纤维细胞（CAFs）、内皮细胞（ECs）、外周细胞等各种细胞类型。最初，这些宿主细胞被视为肿瘤发生的旁观者。但是，通过机制研究（包括在临床前肿瘤模型中的研究），TME细胞及其分泌的分子现在被认为在癌症发病中起着关键作用，并因此成为有吸引力的治疗靶点。根据肿瘤发生的器官、癌细胞的内在特征、肿瘤阶段和患者特征的不同，TME的细胞组成和功能状态也会有所不同，TME中的各种细胞既可以是肿瘤抑制性的也可以是肿瘤支持性的。在讨论TME特有的交错和相互对抗的过程之前，我们将概述一些关于TME在不同阶段的形成和动态演化的基本原则（图1），这些原则包括异种细胞间的交流以及依赖上下文的重要性。
图1.肿瘤进展与转移中的微环境
肿瘤微环境形成原则
癌细胞与宿主细胞之间的相互通讯
癌细胞通过招募和重编程非癌性宿主细胞以及重塑血管和细胞外基质（ECM）来编织一个支持肿瘤的环境。这个动态过程取决于肿瘤微环境（TME）中癌细胞和定居或招募的非癌性细胞之间的异种细胞相互作用。最近，利用单细胞转录组数据、肿瘤组织表达谱和空间转录组学的计算分析和建模取得了进展，揭示了TME中多样化的细胞间信号网络。这些地图作为有力的假设生成数据集，指导随后的功能研究，揭示了复杂的细胞间相互作用是如何被整合的，从而导致了TME的形成和演化。这种细胞间对话的多种机制，包括通过细胞-细胞接触和旁分泌信号进行调节。通过粘附分子，包括整合素、粘附素、选择素和免疫球蛋白超家族成员，以及通过间隙连接和微管道介导的接触依赖性通讯。一个例子是，癌细胞上异常的糖基化唾液酸会调节多种相互作用，包括与表达Siglec的免疫细胞的相互作用，促进免疫逃逸和肿瘤进展。TME中另一个著名的接触依赖性细胞间信号通路是PD-L1/PD-1途径。癌细胞以及肿瘤相关髓样细胞经常过度表达免疫检查点蛋白PD-L1，它与适应性免疫细胞上的PD-1受体结合以抑制免疫监视。这说明了对TME通讯的分子洞见可以具有重要的治疗价值，因为通过免疫检查点阻断（ICB）抑制PD-L1/PD-1轴已成为越来越多癌症的标准治疗。
除了直接的细胞-细胞接触，通过释放细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶的旁分泌信号对于TME内部细胞间的通讯至关重要。这些分子是对癌症内在特征和细胞压力的反应而分泌的，它们可以来自于TME中的多种细胞类型，通过结合它们的受体或通过ECM重塑对目标细胞产生直接和间接作用。释放细胞外囊泡（EVs），包括外泌体，是另一种能够修改局部环境并产生远程影响的旁分泌机制。例如，前期研究揭示黑色素瘤来源的EVs可以将骨髓（BM）祖细胞教育为促血管形成的表型，促进转移形成。癌症来源的PD-L1表达EVs可以抑制淋巴结中T细胞的激活，从而促进肿瘤进展和ICB抗药性。改变代谢需求和相关代谢物分泌在创造支持性TME方面的重要性也越来越被认识到。单细胞代谢组学和空间多组学的进步，结合体内实验，有望改善我们对TME中代谢物交流和竞争的理解。ECM通过作为分泌分子的贮存库和作为细胞粘附和迁移的基质，促进了细胞间的通讯。通过蛋白酶对ECM的重塑，可以释放被束缚的分子，从而生成局部高浓度的释放介质。此外，癌症和TME细胞通过受体（包括整合素和CD44）直接接触周围的ECM，有助于癌症中复杂的信号网络的功能。总之，肿瘤细胞与非肿瘤细胞之间的对话可以在多个层面和通过不同机制进行。在本综述中，将讨论沿着肿瘤发生轨迹的细胞间TME交流机制的代表性例子。
图2.原发性肿瘤进展与肿瘤微环境内复杂的相互作用
器官趋向性与血管溢出
在血液循环中存活下来的少数CTCs，下一个限制其转移的步骤是要穿过血管壁进入次要器官。这在一定程度上由每种原发癌的潜在器官热点决定，这被称为Paget于1880年代首次提出的“种子和土壤”假说。转移热点可以高度刻板化；例如，乳腺癌主要转移到肺、肝、骨骼和大脑，前列腺癌则显示了高度传播骨骼的倾向。这种器官特异性受多种机制的影响，包括多种因子的信号传导，如趋化因子、代谢产物和EVs，这些因子促进CTCs到特定器官的有向迁移。此外，CTCs采取的具体循环路线以及癌细胞必须跨越的不同血管屏障范围，以便进入给定的器官，进一步影响它们最终的目的地。关于 extravasation 的过程本身，肿瘤细胞必须先停留并附着在内皮细胞的腔内，同时不断受到快速流动的血液周围的高剪切力的作用（见图3）。这一步骤由细胞黏附分子及其配体，整合素和表达在肿瘤细胞和内皮细胞上的 ECM 成分促进，与涉及血液白细胞滚动、黏附和越过血管壁的分子机制有一些相似之处。可能仍然与CTCs一起旅行的血小板和中性粒细胞，可以通过选择素或GPCRs或通过产生中性粒细胞外膜陷阱（NETs）进一步增强肿瘤细胞与血管的黏附。
对于那些在循环中存活下来的CTCs，它们的转移旅程的下一个瓶颈是渗透到次要器官中。这在一定程度上取决于每种原发癌的基础器官热带病，被称为“种子和土壤”假说，最早由Paget于1880年代首次创造。转移热带病可以高度典型化。例如，乳腺癌主要转移到肺部，肝脏，骨骼和大脑，而前列腺癌则具有在骨骼中传播的高倾向。这种器官热带病受多种机制的影响，包括化学因子，代谢产物和EVs的信号作用，它们有助于CTCs定向迁移到特定的器官。此外，CTCs所采取的特定循环路线以及癌细胞必须跨越的不同血管屏障的范围，以便进入给定的器官，进一步影响其最终目的地。对于渗出过程本身，肿瘤细胞必须首先停留并附着于内皮细胞腔的内侧，同时不断地受到快速流动的血流对它们的高剪切力的作用。此步骤由细胞粘附分子及其配体，整合素和ECs表达的ECM成分等因素促进，并与涉及血液白细胞滚动，粘附和渗出的分子机制存在某些相似之处。通过选择素或GPCR或通过通过NETs产生增强肿瘤细胞与血管的粘附力的血小板和中性粒细胞，可以进一步增强与CTCs一起旅行的血小板和中性粒细胞。
图3.不同组织环境中转移细胞命运的调控
在二次部位的转移种植和肿瘤休眠与生长之间的复杂相互作用
在到达次要部位并通过毛细血管外渗后，广泛转移的肿瘤细胞(DTCs) 面临着来自异质组织环境的新一系列挑战，再次，大部分肿瘤细胞被宿主防御机制，包括免疫监视所杀死。那些幸存并在新器官中定植的DTCs通常会停留在血管附近，表明它们接收到来自血管的调控信号。实际上，来自PVN以及组织特异性微环境，例如骨的骨内基质，最初似乎将DTCs保持在休眠状态，这可能会保护它们免受免疫系统的识别和杀伤（图3）。休眠阶段代表了转移级联中最难理解的阶段之一，部分原因是由于研究这些罕见的细胞的固有挑战，这些细胞停止增殖，可以处于静止状态，有时持续数年甚至数十年。然而，最近的研究，包括利用活体成像技术的研究，正在开始揭示有关控制休眠启动、休眠期间的维持以及休眠的重新出现的机制的重要见解，尤其是与微环境的关键相互作用，以实现器官特异性转移的这种精细调控。
骨转移
骨骼是与DTC生物学关系最为研究的器官之一，部分原因是由于此处往往可以检测到乳腺癌和前列腺癌的微小转移灶。骨骼微环境包括组织驻留的成骨细胞、破骨细胞、骨细胞以及脂肪细胞、丰富的血管和免疫细胞、以及富含骨髓和ECM，形成动态的相互作用，在维持体内稳态下调节造血干细胞（HSC）的发育，但最终会被利用在骨转移的“恶性循环”中，伴随着骨破坏和骨折。在DTC的早期定植阶段，这些细胞可以占据骨骼的不同生态位，大部分DTC位于骨髓中，通常在明显的转移病灶诊断之前就已经存在。例如，在HSC的生态位中，NG2+/Nestin+的MSCs会产生TGF-b2和BMP7，通过p38激酶信号和p27诱导的途径，激活DTC的静止状态。在乳腺癌患者中，ER+且没有系统性复发的患者在骨髓血浆中显示出更高水平的TGF-b2和BMP7。因此，无论是MSC去除还是MSC特异性删除TGF-b2都会导致小鼠中沉睡的骨DTC的转移增长。骨内生态位还促进了DTC与骨内细胞之间的双向相互作用，这可能最终促进疾病进展。骨细胞和破骨细胞可被癌细胞诱导分泌因子，包括RANKL、IL-6、IGFs和基质降解酶，共同促进转移生长、骨吸收和晚期骨转移的许多临床表现。
有趣的是，预临床实验中的基因组追踪技术显示，骨微环境中来源于成骨细胞的细胞因子可以通过EZH2介导的表观遗传调控促进乳腺癌或前列腺癌的DTC干细胞特性。这加强了它们到其他器官的进一步扩散，被称为多器官转移扩散。这可以通过EZH2抑制在小鼠中显著减少。这些结果也与临床观察一致，即骨通常是首次检测到乳腺癌和前列腺癌转移的部位。此外，骨微环境可以通过表观遗传学调节DTC中的ER表达，从而使这些细胞对内分泌治疗产生耐药性，再次成为临床的主要挑战。类似地，患者中经常遇到DTC对全身化疗产生的抗性。这被归因于静止的DTC，这些细胞没有增殖，因此不会受到这些治疗的靶向作用，可能稍后从休眠中恢复活动。然而，最近的预临床研究发现，骨微血管网可以独立于DTC的细胞周期状态，通过包括整合素b1、avb3和VCAM-1在内的血管黏附分子保护DTC免受化疗损害。因此，阻断PVN和DTC之间的整合素介导的相互作用可以使这些细胞对化疗敏感，并显著增强生存率。
肺转移
肿瘤细胞的种植、休眠和生长也在肺部进行了研究，肺部是转移扩散的主要部位。事实上，由于肺部血管丰富，表面积大，这对于正常的肺部功能至关重要，因此癌细胞有许多机会在肺部停滞、越过血管壁并殖入该器官（图3）。通过内窥镜显微镜的技术，研究者们发现，肿瘤细胞在原发部位就已经获得了一个由转录调节因子NR2F1控制的促转移和休眠表型，这一表型在与巨噬细胞接触后进一步得到了增强。这种状态最初在DTCs在到达肺部后保持，并在生长期间被丧失。与其他器官类似，来自PVN的信号在决定DTC的命运方面起着至关重要的作用，ECM分子包括III型胶原和tenascin C在其中发挥着重要的作用。通过成像分析，包括二次谐波产生来评估胶原纤维方向，发现孤立的休眠DTCs被非线性波浪形III型胶原所包围。相反，在微小转移灶的增殖诱导下，胶原组织呈现向更加有序的方向排列，与相关的ECM重塑有关。因此，通过针对鉴定出的COL3A1-DDR1-STAT1途径的靶向，操纵这些不同的ECM小环境被提出作为一种维持DTC休眠的策略。另一个在肺部调节DTC命运的分泌ECM分子是tenascin C，它通过TLR4信号逐步激活邻近的间质巨噬细胞，诱导ECs分泌一氧化氮（NO）和TNF，从而产生促转移的PVN环境。有趣的是，在老化环境中的临床前研究中，肺部DTC休眠的基质调控的重要性也变得明显。尽管老化皮肤的皮肤成纤维细胞可以抑制黑色素瘤细胞的生长，但它们可以通过可溶性WNT拮抗剂sFRP2驱动黑色素瘤表型转换和传播。当这些DTC到达肺部时，它们会遇到相关的sFRP1拮抗剂，它是由老化的肺成纤维细胞分泌的更高水平的。这导致PROS1-AXL依赖性地抑制了黑色素瘤细胞中的WNT5A，克服了休眠，并最终导致随后的黑色素瘤生长。因此，对该旁分泌信号通路的不同组分进行基因操纵会导致肺转移的改变，这可能对老年人群的癌症特异性治疗具有重要的影响。另一个可能唤醒休眠癌细胞的因素是炎症。事实上，持续的炎症，例如烟草烟雾暴露，会诱导NETs的形成。NETs充满蛋白酶，包括MMP9和中性粒细胞弹性蛋白酶。这些蛋白酶的释放重构了肺部的层粘连素，从而以依赖于整合素a3b1的方式促进了休眠癌细胞的增殖。
肝转移
肝脏是转移癌最常见的器官之一，部分原因是由于它有来自门静脉和肝动脉的双重血液供应，并且肝脏血管高度有窗孔，有助于循环肿瘤细胞渗出（图3）。与上面讨论的器官一样，肝脏的基质和细胞外基质的变化对调节转移性肿瘤的增长也很重要。例如，在一项针对结直肠癌患者的大型研究中，肝纤维化评分高的患者在肝转移和复发方面的结果明显更差。组织内驻留的肝细胞还通过形成亲转移性微环境，在临床前模型中显示出促进肝转移的作用。在胰腺肿瘤早期，肝细胞通过激活IL-6-STAT3信号和随后增加血清淀粉样蛋白（SAA）蛋白的产生来协调炎症反应。对具有肝转移的患者的分析也显示了类似的改变。这导致肝脏中纤维化和免疫微环境发生改变，与小鼠中增强的转移种植有关。有趣的是，通过肝细胞特异性删除SAA蛋白或Stat3中的任一一个都会阻断亲转移性微环境。
肝脏的另一种细胞群体——肝星状细胞，在调节乳腺癌细胞在该器官内的命运方面也发挥着重要作用。肝星状细胞可以通过分泌抑制免疫的CXCL12趋化因子来引起纤维性损伤，使自然杀伤细胞（NK细胞）处于不活跃状态。这会抑制NK细胞的关键免疫监视功能，导致来自休眠状态的DTC重新出现。3一项同样有趣的研究发现，肝转移的存在可以通过从全身循环中流失活化的CD8+T细胞来负面影响免疫疗法的疗效。在肝转移瘤与巨噬细胞的相互作用中发现，以一种Fas依赖性的方式推动T细胞杀伤。有趣的是，通过肝定向放疗在临床前模型中克服了这种影响，消除了这些免疫抑制性巨噬细胞，从而减少了T细胞的流失。考虑到具有肝转移瘤的患者也发现其T细胞数量、多样性和功能减少，这些结果可能对改善这些患者的免疫疗法疗效具有重要的启示作用。
脑转移
在大脑中，组织驻留的星形胶质细胞是血脑屏障（BBB）的一个关键组成部分，而静止的DTCs被发现寄居在由星形胶质细胞末梢（图3）包围的PVN中。星形胶质细胞衍生的基底膜蛋白laminin-211可以通过诱导DTCs的dystroglycan受体与YAP的结合来实现这种静止状态。这阻止了YAP进入细胞核，从而阻止了它的促转移功能。相反，增殖的DTCs只在被剥夺了星形胶质细胞及其末梢的血管结构周围出现。因此，这些不同的分子组分在体内的调节会影响到大脑转移的发生。有趣的是，YAP的激活也被认为与DTCs自身获得周细胞样特征有关，这通过细胞粘附分子L1CAM在大脑和其他转移部位促进其伸长和转移。在DTCs可塑性的另一个引人注目的例子中，这些细胞甚至可以整合到大脑的神经网络中。在这种情况下，DTCs位于两个谷氨酸能神经元之间的现有突触附近，形成一个“伪三分”突触。这导致神经元释放谷氨酸，从而引起N-甲基-D-天门冬氨酸受体（NMDAR）信号传导和随后的转移发生。有趣的是，NMDAR通路也可以促进胰腺神经内分泌肿瘤侵袭，并且癌症神经科学领域代表了肿瘤对宿主微环境的特别阴险的利用。
展望未来
图4.许多细胞内和系统性因素都会影响患者和肿瘤微环境。
我们对于在接下来的几年中针对TME的治疗方法会取得重大进展充满乐观。我们预计这个领域将采用全面系统化的方法来分析和整合TME的各个层面，以识别并治疗关键节点，而非单独研究TME的每个细胞类型。整合多种模式数据和先进的计算分析技术，包括人工智能的应用，将是实现这一目标的关键。我们也预计生物工程学会有重大进展，可以开发大规模测试平台，例如能准确再现特定器官TME的体外器官和组织片。理解肿瘤本身以外的额外复杂性层面也至关重要，包括系统性影响和外部环境（图4）。例如，微生物组、饮食、运动和新陈代谢如何影响TME和治疗反应？此外，个体患者的基础生理，例如肥胖、消瘦、昼夜节律、炎症和衰老对TME的贡献是什么？最后，我们可以预计会对污染和致癌物暴露对炎症和 TME 的影响有新的认识，这应该促进迫切需要的公共卫生应对。通过整合和利用这些关键视角，我们对于在不久的将来能够通过治疗 TME 造福更多患者感到乐观。
文章来源于：https://doi.org/10.1016/j.ccell.2023.02.016 | 
