外泌體在腫瘤微環境中的調控作用及其在腫瘤進展中的作用

徐敏　戈偉　尹竺晟

武漢大學人民醫院腫瘤Ⅱ科,湖北武漢430060

外泌體在腫瘤微環境中的調控作用及其在腫瘤進展中的作用

徐敏戈偉尹竺晟

武漢大學人民醫院腫瘤Ⅱ科,湖北武漢430060

腫瘤微環境是影響腫瘤生長與轉移的關鍵因素,外泌體可以通過多種途徑參與腫瘤微環境的調控。外泌體是由多種類型活細胞分泌的納米級囊泡小體,廣泛地分布于外周血、唾液、尿液、腹水、胸水、乳汁等多種體液中。外泌體中含有大量功能性蛋白質、mRNA、miRNA、DNA片段等多種生物活性物質,這些生物活性物質可在細胞之間穿梭并介導細胞間的物質轉運與信息交流,進而影響細胞的生理功能。越來越多的證據證明了腫瘤細胞分泌的外泌體在腫瘤微環境的調控中發揮了重要作用。腫瘤細胞分泌的外泌體可以促進腫瘤血管生成、誘導腫瘤相關纖維細胞的分化、參與腫瘤微環境的免疫調控以及腫瘤轉移前微環境的調控,進而在腫瘤的進展中發揮重要作用。此外,外泌體在腫瘤缺氧微環境中也發揮重要作用,本文就腫瘤細胞分泌的外泌體在腫瘤微環境中的調控及其在腫瘤進展中的作用加以綜述。

腫瘤微環境的調控;外泌體;血管生成;轉移前微環境;腫瘤進展;

腫瘤微環境是腫瘤一個重要的特征,其在腫瘤的發生、進展中發揮著至關重要的作用,很多因素都參與了腫瘤微環境的調控。近年來,外泌體在腫瘤微環境中的作用受到越來越多的關注,已有很多學者致力于這方面的研究。外泌體是一類由多種類型活細胞分泌的,直徑為30～100 nm的囊泡小體,其廣泛分布于外周血、唾液、尿液、腦脊液、乳汁等體液中。外泌體中含有許多生物活性物質,如蛋白質、mRNA、microRNA、DNA片段等,這些生物活性物質可在細胞間相互傳遞,進而調節細胞的生理功能。腫瘤細胞來源的外泌體可以通過多種途徑調控腫瘤環境,進而促進腫瘤的進展。

1　外泌體的概述

外泌體來源于多種類型活細胞內吞途徑中的多囊泡小體（multivesicular body,MVB)[1]。細胞內的MVB以鈣離子依賴的方式與細胞膜融合,并將其內部所包含的多個膜性囊泡結構釋放至細胞外基質中,即形成外泌體[1-2]。外泌體的直徑為30～100 nm,密度為1.13～1.21 g/mL,其一般組成結構為脂質雙分子膜包裹少量胞質,胞質中含有源細胞的各種成分,包括蛋白質、mRNA、miRNA、DNA片段等多種生物活性成分,但不含細胞器[3-4],并且廣泛地分布于外周血、唾液、尿液、腹水、胸水、腦脊液、乳汁等多種體液中[5]。外泌體最初是由Johnstone等[6]在網織紅細胞轉變為成熟紅細胞的過程中發現的一種膜性囊泡小體,至今已有30多年的歷史,其作用最初被誤認為是清除細胞在成熟過程中產生的“垃圾”[7]。此后研究發現,外泌體是具有功能活性并可通過多種途徑介導細胞間物質與信息傳遞的囊泡小體[8]。目前發現多種類型的活細胞可以分泌外泌體,如淋巴細胞、肥大細胞、間質干細胞以及多種腫瘤細胞株等[9-11]。

體外實驗證明,腫瘤細胞分泌的外泌體量遠遠高于非腫瘤細胞的分泌量[12],它們攜帶腫瘤細胞產生的蛋白質、miRNA等多種物質,提示腫瘤細胞來源的外泌體（tumor cells derived exosome,Texo)在腫瘤的發生、發展中發揮重要作用。腫瘤細胞來源的外泌體由于其本身的特性和功能特點,可通過多種方式改變腫瘤微環境,參與腫瘤生長、轉移的調控。

2　外泌體在腫瘤微環境中的調控作用

腫瘤微環境即為腫瘤細胞所處的外部環境。腫瘤微環境是影響腫瘤生長與轉移的關鍵因素。腫瘤細胞與腫瘤微環境之間相互作用,進而促進腫瘤細胞的生長及轉移[13],外泌體可以通過多種途徑參與此過程。

2.1外泌體介導的腫瘤血管的生成

腫瘤血管生成是腫瘤微環境一個重要的特征,在腫瘤的進展中發揮著關鍵作用。目前已有很多研究證實,外泌體能通過不同的途徑參與腫瘤血管的生成。惡性黑色素瘤細胞來源的外泌體內含有miRNA-9,其被內皮細胞攝取后可以通過激活JAK-STAT通路來促進血管生成[14]。Umezu等[15]報道,來源于人類白血病腫瘤細胞的外泌體傳遞的miRNA被臍靜脈內皮細胞攝取后,可導致腫瘤細胞遷移的增多和血管管腔的形成。Yuk-Kit等[16]研究發現人鼻咽癌C666-1細胞分泌的外泌體可以促進血管生成,該外泌體被人臍靜脈內皮細胞內吞后,改變了內皮細胞內相應的蛋白質,提示外泌體可能通過改變內皮細胞蛋白質的表達水平來促進血管生成。由此可見,腫瘤細胞來源的外泌體可以通過多種途徑促進腫瘤血管的生成,進而調控腫瘤微環境,促進腫瘤的進展。

2.2外泌體誘導的腫瘤相關成纖維細胞的分化

腫瘤相關成纖維細胞是腫瘤微環境的重要組成成分。在腫瘤的生長、進展方面發揮了重要作用。腫瘤微環境中的外泌體可以誘導產生腫瘤相關成纖維細胞[17]。腫瘤細胞來源的外泌體能夠誘導間質干細胞向腫瘤相關成纖維細胞表型分化,進而重塑腫瘤微環境[18-19]。Gu等[20]研究發現,胃癌細胞來源的外泌體能通過激活轉化生長因子-β（transforming growth factorβ,TGF-β)/Smad蛋白通路誘導間質干細胞向腫瘤相關成纖維細胞表型分化。Chowdhury等[21]報道了前列腺癌來源的外泌體能夠誘導間質干細胞分化成促血管生成和侵襲性的肌成纖維細胞表型。另有研究證實,被激活的腫瘤相關成纖維細胞能夠通過釋放富含代謝酶的外泌體影響腫瘤的進展[22]。外泌體誘導的腫瘤相關成纖維細胞是腫瘤微環境不可或缺的一部分,其參與了腫瘤微環境的調控,進而在腫瘤的進展中發揮了重要作用。

2.3外泌體在腫瘤微環境免疫調控中的作用

腫瘤微環境中的免疫細胞及相關細胞因子在腫瘤發生、進展中發揮著重要的作用[23]。目前為止,已有大量研究表明,腫瘤細胞來源的外泌體有抗腫瘤免疫的作用,其主要是通過直接抑制免疫細胞或調節相關細胞因子的表達等途徑,促進腫瘤的免疫逃逸,進而在腫瘤的發生、進展中發揮關鍵作用。Mrizak等[24]研究證實了鼻咽癌細胞來源的外泌體可以募集CD4 T,并誘導其分化為調節性T細胞,參與腫瘤的外周免疫耐受,進而促進鼻咽癌的免疫逃逸。Lundholm等[25]研究證實,前列腺癌細胞釋放的外泌體可以通過下調NK細胞和CD8+T細胞的活化受體-NKG2D的表達,來抑制NKG2D介導的細胞毒性反應,從而促進腫瘤免疫的逃逸。黃邵洪等[26]研究證實,非小細胞肺癌（NSCLC)細胞產生的外泌體中含有大量EGFR,這些外泌體能夠誘導調節性T細胞的生成,后者對腫瘤特異性CD8+T細胞有強大抑制作用。外泌體在腫瘤微環境免疫調控方面作用可以成為腫瘤免疫治療的新靶點,為腫瘤的免疫治療提供新思路。

3　腫瘤轉移前微環境的形成與腫瘤的進展

轉移是腫瘤區別于非腫瘤性疾病一個重要的特征。有研究表明,原發腫瘤在發生遠處轉移前,能分泌一些因子作用于未來轉移靶器官的微環境,進而改造靶器官微環境[27]。Castellana等[28]研究發現來源于前列腺癌細胞的外泌體與其他可溶性因子共同作用,通過CD44v6依賴的途徑促進了轉移前微環境的形成。Wahlgren等[29]研究發現,來源于黑色素瘤的外泌體能直接調節遠處淋巴結的微環境,為黑色素瘤的淋巴結轉移及生長提供適宜的微環境,從而促進腫瘤向該位置的靶向轉移。腫瘤細胞來源的外泌體也可以通過傳遞miRNA調節轉移前微環境的形成。Rana等[30]在鼠轉移胰腺癌模型的研究中發現,腫瘤細胞外泌體傳遞的miRNA可以調節細胞周期基因、黏附分子、趨化因子配體、血管形成等基因mRNA的表達,其中,這些miRNAs中的miR-494和miR-542-3p能夠抑制淋巴結中基質細胞的鈣黏蛋白17,上調基質金屬蛋白酶類的表達,來調控淋巴結轉移前微環境,進而促進腫瘤淋巴結的轉移。這項研究表明,腫瘤細胞釋放的外泌體可以向轉移前組織細胞傳遞miRNAs,從而影響相關基因的表達,調節轉移前微環境。

4　腫瘤缺氧微環境中外泌體的作用

缺氧是腫瘤微環境一個重要的組成部分。在缺氧的情況下,癌細胞可以通過多種細胞機制適應所處的環境,因此缺氧可以導致腫瘤的適應性更強、惡性程度更高以及耐藥性,從而降低了腫瘤的治療效果[31],外泌體在其中發揮了重要作用。缺氧可以通過影響外泌體中某些miRNAs的分泌促進不同腫瘤的血管生成。Umezu等[32]發現,在急性和慢性缺氧條件下,多發性骨髓瘤細胞分泌的外泌體中的miR-210和miR-135b增多,并且miR-135b可以被有效地傳遞到人臍靜脈內皮細胞中,抑制缺氧誘導因子抑制因子（FIH-1)的表達,而FIH-1可以抑制乏氧誘導因子（HIF-1)的轉錄活性,從而促進血管生成[32]。Kucharzewska等[33]研究發現,來源于缺氧多形性成膠質（GBM)細胞的外泌體可以通過激活血管內皮細胞,增加周細胞和基底膜細胞的旁分泌刺激,進而促進血管生成。因此,缺氧狀態下,腫瘤細胞分泌的外泌體可以通過不同的機制對腫瘤微環境產生調控作用,進而促進腫瘤的進展及轉移。

5　未來與展望

腫瘤微環境與腫瘤的發生、發展以及轉移密切相關,而外泌體能夠通過多種途徑參與腫瘤微環境的調控,從而在腫瘤的進展中發揮著重要的作用,因而外泌體有望成為腫瘤預后評估的一項重要生物學指標。除此之外,腫瘤細胞來源的外泌體可以通過其特定的內容物,如蛋白質、miRNA等影響信號轉導通路,并參與腫瘤微環境的調控,這為腫瘤的診斷、治療提供了新的思路。利用外泌體在腫瘤微環境免疫調控中的作用及其腫瘤抗原呈遞的功能制備安全有效的腫瘤疫苗,這為腫瘤的免疫治療提供新思路。此外,腫瘤外泌體中含有的miRNAs在腫瘤微環境調控中也發揮著重要的作用,因此,外泌體中的miRNAs有望成為腫瘤早期診斷的新標志物及腫瘤特異性治療的新靶點。

目前,已有很多研究集中于腫瘤外泌體在腫瘤微環境中的調控作用。隨著研究的深入,其臨床應用價值可能會展現出一個良好的前景,外泌體及外泌體中的內容物可能為腫瘤提供早期診斷的生物標志物,針對外泌體的腫瘤靶向治療可能為腫瘤患者帶來一種新的治療方法等。

[1]Beach A,Zhang HG,Ratajczak MZ,et al.Exosomes:an overview of biogenesis,composition and role in ovarian cancer[J].Journal of Ovarian Research,2014,7（1):14-23.

[2]Kowal J,Tkach M,Thery C,et al.Biogenesis and secretion of exosomes[J].Curr Opin Cell Biol,2014,29:116-125.

[3]Akers JC,Gonda D,Kim R,et al.Biogenesis of extracellular Vesicles（EV):exosomes,microvesicles,retroviruslike vesicles,and apoptotic Bodies[J].Neurooncol,2013, 113（1):1-11.

[4]Van den Boorn JG,Dassler J,Coch C,et al.Exosomes as nucleic acid nanocarriers[J].Adv Drug Deliv Rev,2013, 65（3):331-335.

[5]Vlassov AV,Magdaleno S,Setterquist R,et al.Exosomes: current knowledge of their composition,biological functions,and diagnostic and therapeutic potentials[J].Biochim Biophys Acta,2012,1820（7):940-948.

[6]Johnstone RM,Adam M,Hammond JR,et al.Vesicle formationduringreticulocytematuration.Associationof plasma membrane activities with released vesicles（exosomes)[J].J Biol Chem,1987,262（19):9412-9420.

[7]Corrado C,Raimondo S,Chiesi A,et al.Exosomes as intercellular signaling organelles involved in health and disease:basic science and clinical applications[J].Int J Mol Sci,2013,14（3):5338-5366.

[8]D'Souza-Schorey C,Clancy JW.Tumor-derived microvesicles:sheddinglightonnovelmicroenvironment modulators and prospective cancer biomarkers[J].Genes Dev,2012,26（12):1287-1299.

[9]Hui Xiao,Cecilia L?sser,Ganesh Vilas Shelke,et al.Mast cell exosomes promote lung adenocarcinoma cell proliferation-role of KIT-stem cell factor Signaling[J].Cell Communication and Signaling,2014,12（1):64-73.

[10]Runbi J,Bin Z,Xu Z,et al.Exosomes derived from human mesenchymal stem cells confer drug resistance in gastric cancer[J].Cell Cycle,2015,14（15):2473-2483.

[11]Paggetti,Jerome,Haderk,et al.Exosomes released by chronic lymphocytic leukemia cells induce the transition of stromal cells into cancer-associated fibroblasts[J]. Blood,2015,126（9):1106-1117.

[12]Hannafon BN,Ding WQ.Intercellular communication by Exosome-Derived microRNAs in cancer[J].Int J Mol Sci, 2013,14（7):14240-14269.

[13]Kahlert C,Kalluri R.Exosomes in tumor microenvironment influence cancer progression and metastasis[J].J Mol Med（Berl),2013,91（4):431-437.

[14]A.Gajos-Michniewicz M.Duechler,and M.Czyz.MiRNA in melanoma-derivedexosomes[J].CancerLetters,2014, 347（1):29-37.

[15]Umezu T,Ohyashiki K,Kuroda M,et al.Leukemia cell to endothelial cell communication via exosomal miRNAs[J]. Oncogene,2013,32（22):2747-2755.

[16]Yuk-Kit C,Huoming Z,Pei L,et al.Proteomic analysis of exosomes from nasopharyngeal carcinoma cell identifies intercellular transfer of angiogenic proteins[J].International Journal of Cancer,2015,137（8):1830-1841.

[17]崔鶴清,楊躍驊.腫瘤缺氧微環境中外泌體的研究進展[J].中國醫藥導報,2015,12（21):26-30.

[18]Farah Fatima.Stem cell-derived exosomes:roles In stromal remodeling,tumorprogression,andcancerimmunotherapy[J].Chin J Cancer,2015,34（3):46-58.

[19]Haga H,Yan IK,Takahashi K,et al.Tumour cell-derived extracellular vesicles interact with mesenchymal stem cells to modulate the microenvironment and enhance cholangiocarcinoma growth[J].Extracell Vesicles, 2015,4:24900-24912.

[20]Gu J,Qian H,Shen L,et al.Gastric cancer exosomes trigger differentiation of umbilical cord derived mesenchymal stemcellstocarcinoma-associatedfibroblasts through TGF-β/Smad pathway[J].PLoS One,2012,7（12):e52465.

[21]Chowdhury R,Webber JP,Gurney M,et al.Cancer exosomes trigger mesenchymal stem cell differentiation into pro-angiogenic and pro-invasive myofibroblasts[J].Oncotarget,2015,6（2):715-731.

[22]Shimoda M,Principe S,Jackson HW,et al.Loss of the Timp gene family is sufficient for the acquisition of the CAF-like cell state[J].Nat Cell Biol,2014,16（9):889-901.

[23]劉修莉,郝婷婷.Th1/Th2細胞與腫瘤微環境[J].實用癌癥雜志,2015,30（9):1415-1417.

[24]Dhafer Mrizak,Nathalie Martin,Clément Barjon,et al.Effect of Nasopharyngeal Carcinoma-Derived Exosomes on Human Regulatory T Cells[J].JNCI J Natl Cancer Inst, 2015,107（1):dju363-dju363.

[25]Marie Lundholm,Mona Schro der,Olga Nagaeva,et al. ProstateTumor-DerivedExosomesDown-Regulate NKG2D Expression on Natural Killer Cells and CD8+T Cells:Mechanism of Immune Evasion[J].Plos One,2014, 9（9):e108925.

[26]黃邵洪,覃杰.含表皮生長因子受體的外泌體誘導腫瘤特異性調節T細胞[J].中國藥理學通報,2014,30（8): 1090-1095.

[27]Psailab,Lydend.The metastatic niche:adapting the foreign soil[J].Nat Rev Cancer,2009,9（4):285-293.

[28]Castellanad,Zobairi,Martinezmc,et al.Membrane microvesicles as actors in the establishment of a favorable prostatic tumoral niche:a role for activated fibroblasts and CX3CL1-CX3CR1 axis[J].Cancer Res,2009,69（3):785-793.

[29]Wahlgren J,Karlson T D L,Brisslert M,et al.Plasma exosomes Can deliver exogenous short interfering RNA to monocytes and lymphocytes[J].Nucleic acids research, 2012,40（17):e130.

[30]Rana S,Malinowska K,Z?ller M.Exosomal tumor microRNA modulates premetastatic organ cells[J].Neoplasia,2013,15（3):281-295.

[31]Dhani N,Fyles A,Hedley D,et al.The clinical significance of hypoxia in human cancers[J].Semin Nucl Med,2015,45（2):110-121.

[32]Umezu T,Tadokoro H,Azuma K,et al.Exosomal miR-135b shed from hypoxic multiple myeloma cells enhances angiogenesisbytargetingfactor-inhibitingHIF-1[J]. Blood,2014,124（25):3748-3757.

[33]Kucharzewska P,Christianson HC,Welch JE,et al.Exosomes reflect the hypoxic status of glioma cells and mediate hypoxia-dependent activation of vascular cells during tumor development[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2013,110（18):7312-7317.

Regulation role of exosomes in tumor microenvironment and its role in tumor progression

XU MinGE WeiYIN Zhucheng
Cancer Center,Renmin Hospital of Wuhan University,Hubei Province,Wuhan430060,China

Tumor microenvironment is a key factor of the process of tumor growth and metastasis,exosomes are able to be involved in the regulation of tumor microenvironment through a variety of ways.Exosomes are nanoscale vesicles bodies,released by a diverse range of living cells,and widely distributed in the peripheral blood,saliva,urine,ascites, pleural effusion,milk,and other body fluids.Exosomes contain a broad array of biologically active materials including functional protein,mRNA,miRNA,DNA fragments,etc.These bioactives can be shuttled between cells and mediate the materials transport and information exchange between cells,thereby affecting the physiological function of cells.E-merging evidence indicates that tumor cell-derived exosomes play a key role in the regulation of tumor microenvironment tumor cell-derived exosomes can promote tumor angiogenesis,induce the differentiation of tumor-associated fibroblasts and participate in the immune regulation of tumor microenvironment and the regulation of tumor premetastasis microenvironment,thereby playing an important role in tumor progression.In addition,exosomes also play an important role in tumor hypoxic microenvironment.This article reviews the role of tumor cell-derived exosomes in the regulation of tumor microenvironment and tumor progression.

Regulation of tumor microenvironment;Exosomes;Angiogenesis;Tumor progression;Regulation of tumor premetastasis microenvironment

R730.22

A

1673-7210(2016)06(b)-0029-04

國家自然科學基金資助項目（30970860)。

徐敏（1990.2-),女,武漢大學人民醫院2015級放射腫瘤學專業在讀碩士研究生；研究方向:肺癌的放射治療、綜合治療及靶向治療。

戈偉（1960.5-),男,博士,教授,主任醫師；研究方向:肺癌的放射治療、綜合治療及靶向治療。

（2016-01-10本文編輯:趙魯楓)