細胞自噬與微環境的關系及其在腫瘤發生、發展中的作用

吳曉莉，田亞，張寶璽，趙曉慶，馬夫天，劉娜

(河北醫科大學第二醫院，石家莊050000)

細胞自噬與微環境的關系及其在腫瘤發生、發展中的作用

吳曉莉，田亞，張寶璽，趙曉慶，馬夫天，劉娜

(河北醫科大學第二醫院，石家莊050000)

細胞自噬是所有真核生物共有的分解代謝途徑，其與溶酶體共同完成細胞內代謝廢物的降解，從而為生物大分子的合成提供物質基礎。細胞自噬參與腫瘤的發生、發展過程，對腫瘤的生物學作用是一把雙刃劍，其活性降低或增強可導致正常細胞發生惡性轉化或促進腫瘤進展。腫瘤微環境是腫瘤細胞賴以生存和發展的環境。自噬活性改變可影響腫瘤微環境，而腫瘤微環境變化又可影響細胞自噬活性，兩者相互影響，互為因果，在腫瘤的發生、發展及細胞耐藥機制中具有重要作用。

腫瘤；細胞自噬；微環境

細胞自噬是一種溶酶體介導的清除衰老或受損細胞器及老化蛋白的過程，由自噬相關基因調控。細胞自噬活性改變與腫瘤的發生密切相關，而誘導細胞自噬又是腫瘤細胞重要的生存機制，故細胞自噬與腫瘤的關系成為腫瘤領域的研究熱點。腫瘤微環境是腫瘤細胞賴以生存的復雜環境，由一系列的細胞和非細胞物質組成。腫瘤微環境不僅為腫瘤細胞的生存提供營養物質，在抑制或增強免疫應答過程中亦有重要作用，可直接影響腫瘤細胞的侵襲、轉移和耐藥。細胞自噬作為細胞重要的分解代謝途徑，可影響細胞及其周圍組織微環境的組成，而微環境變化又可調控細胞自噬的活性。細胞自噬和微環境相互影響，互為因果，在腫瘤的發生、發展及細胞耐藥機制中具有重要作用。本文結合文獻就細胞自噬與微環境的關系及其在腫瘤發生、發展中的作用作一綜述。

1 細胞自噬及微環境

1.1 細胞自噬 細胞自噬是指細胞通過單層或雙層膜結構包裹待降解的底物，形成自噬體，然后運送至溶酶體并與之結合形成自噬溶酶體，從而將底物降解的過程。根據降解底物進入溶酶體的方式不同，細胞自噬可分為巨自噬、微自噬及分子伴侶介導的自噬三大類。通常人們所指的細胞自噬為巨自噬，其過程可分為自噬體形成、自噬體與溶酶體融合及底物降解三個步驟。細胞自噬是生物進化過程中比較保守的分解途徑，對維持細胞內環境的穩定具有重要作用[1]。細胞通過自噬作用降解自身的代謝產物、折疊錯誤的蛋白及亞細胞成分等，并重新利用，為細胞提供部分合成底物；當細胞能量供應不足時，細胞自噬還能為細胞再生提供一定能量[2]。細胞自噬可促進細胞生長、增殖，維持細胞代謝平衡和細胞內環境的穩定。在某些特殊情況下，細胞可通過誘導自噬發生程序性死亡，因該過程并不依賴半胱氨酰天冬氨酸特異性蛋白酶，又被稱為Ⅱ型程序性細胞死亡。此外，細胞自噬過程依賴于溶酶體，需要一系列自噬相關蛋白(如Atg蛋白)的參與[3]。

1.2 微環境 微環境是指信息物質同細胞間相互作用的微小環境，包括細胞間質及其中的體液成分，參與構成了細胞的生存環境。組織微環境由一系列細胞和非細胞物質組成，包括細胞外基質(ECM)、纖維母細胞、免疫細胞、脂肪細胞及生物活性物質(如細胞因子、生長因子和激素等)，它們共同維持組織內環境的穩定[4]。微環境可為細胞提供能量支持并保持組織的完整性，傳遞信號給細胞表面受體，并可作為細胞因子的儲存器，同時在細胞的生長、分化和血管形成過程中起重要作用。微環境的穩定是保持細胞正常增殖、分化、代謝和功能活動的重要條件，微環境成分的異常變化可使細胞發生變化，甚至癌變。

2 細胞自噬與微環境在腫瘤發生、發展中的作用

2.1 細胞自噬與腫瘤的關系 近年研究發現，細胞自噬與腫瘤發生密切相關。細胞自噬既可抑制腫瘤的形成，又可對腫瘤細胞起到保護作用，對腫瘤細胞來說是一把雙刃劍。

在結腸癌HCT116細胞中，自噬相關基因UVRAG表達上調可提高細胞自噬活性，抑制腫瘤的形成[5]。在黑色素瘤細胞中可見自噬相關基因ATG5表達下調[6]。Atg5基因敲除小鼠由于自噬相關基因缺失，更易誘發肝癌[7]。皮內注射致癌劑甲基膽蒽，Atg4C缺乏的小鼠誘發纖維肉瘤的風險明顯升高[8]。這些證據表明細胞自噬具有抑癌作用。細胞通過增強氧化應激和誘導DNA受損及基因表達改變而發生惡變，自噬活性低的細胞異常線粒體累積，氧化應激反應增強，受損DNA和異常染色體不能被降解，細胞自噬通過降解異常線粒體、降低氧化應激反應及限制基因組不穩定性而降低腫瘤的發生。因此，自噬活性降低可促進腫瘤的形成。

腫瘤細胞處于高代謝狀態時，營養供應相對不足，細胞自噬活性增強可為腫瘤細胞的生長補充原料及營養，又可增強腫瘤細胞對應激的適應性，對腫瘤細胞產生保護作用。此外，細胞自噬還可誘導腫瘤細胞對化療藥物耐受。腫瘤細胞通過激活自噬而適應代謝性應激(如缺氧、炎癥、原料不足等)[9]，從而使其適應快速生長和抗癌治療環境。在接受不同的化療藥，如順鉑、依托泊苷、5- 氟尿嘧啶及多柔比星等治療時，腫瘤細胞的自噬被激活。在這種情況下，通過自噬抑制劑(如氯喹、3- 甲基腺嘌呤或巴弗洛霉素A1等)抑制細胞自噬，可增強細胞毒性，促進腫瘤細胞凋亡[10,11]。在細胞凋亡過程中，線粒體通過釋放促凋亡因子(如細胞色素C等)到細胞質中，形成凋亡小體，從而誘導細胞凋亡。Ravikumar等[12]研究發現，雷帕霉素作為一種自噬激活劑可抑制細胞色素C的釋放，從而阻止依托泊苷利用線粒體的通透性誘導的細胞凋亡，促進腫瘤耐藥的發生，進一步證實自噬活性增強可促進腫瘤細胞耐藥的發生。

在正常細胞中，細胞自噬的激活具有抑癌作用；而在腫瘤組織中細胞自噬的激活能增強腫瘤細胞對惡劣環境的適應能力，從而促進腫瘤的生長及對化療的耐受性。因此，了解細胞自噬通路的具體機制對于新藥開發或藥物改進至關重要。研究發現，mTOR信號通路與p53家族成員均為復雜的自噬網絡關鍵節點，可通過ATP耗竭誘導DNA損傷和AMPK活化[13]，利于上述發現開發的自噬調節劑與現有的抗癌藥物聯合應用能促進腫瘤細胞凋亡，減輕化療耐藥。

3.2 微環境與腫瘤的關系 腫瘤的發生、發展需要微環境的保護與支持，適宜的微環境能促進腫瘤細胞增殖，故可通過改變腫瘤微環境調控惡性程度高的腫瘤細胞增殖[13]。生理狀態下，ECM的生理特點(如帶電特性、通透性等)使其相當于一道物理屏障，可阻止異常細胞入侵鄰近器官；但隨著腫瘤的形成及微環境成分改變，其可促進細胞惡變、腫瘤生長、轉移瘤形成及腫瘤耐藥[14]。有研究表明，單獨將人腫瘤細胞注入小鼠體內只能形成微小休眠灶，但腫瘤微環境中注入血管內皮生長因子后，腫瘤細胞開始獲得生成血管的能力，并迅速大量增殖[15]。Aguirre- Ghiso等[16]研究發現，通過單克隆抗體封閉使尿激酶受體下調即可激活p38，同時使ERK失活，進而引起腫瘤細胞增殖暫停；而刺激uPAR高表達則可引起ERK活性明顯升高，從而使腫瘤細胞迅速增殖。

研究發現，腫瘤微環境不僅參與腫瘤細胞的直接蔓延，還能影響腫瘤的血道轉移及種植轉移。腫瘤的“種子土壤學說”表明，種植轉移所選擇的遠離器官不是隨機的，是由原始腫瘤細胞與將要定植的器官微環境所控制的[17]。此外，缺氧微環境亦對腫瘤細胞具有篩選作用，可使腫瘤的惡性程度進一步提高，導致腫瘤細胞對化療藥物或放射治療不敏感[18]，繼而產生耐藥性。

3.3 細胞自噬與微環境的相互作用及其對腫瘤的影響 微環境可調控誘導細胞自噬；反之，細胞自噬也可對微環境進行重塑。在腫瘤發生、發展的不同階段，細胞自噬的信號傳導是由微環境完成的。腫瘤細胞所處的微環境與正常組織有明顯差異，腫瘤惡劣的微環境包括缺氧、營養不足、酸中毒、炎癥和ECM脫離等[19]，而在正常組織微環境中并不存在這些情況。在這些不良的微環境狀態下，細胞自噬被激活，通過調節腫瘤細胞與細胞間質及細胞器之間的相互作用，使得腫瘤細胞得以存活。

惡性腫瘤細胞的增殖速度快、侵襲性強，但腫瘤內部的新生血管不能滿足腫瘤生長需要，造成腫瘤內部供血不足，使腫瘤細胞處于一種相對缺氧和營養物質匱乏的微環境中。在腫瘤相關的血管內皮細胞中，細胞自噬同時具有誘導和阻止血管生成的作用[18]。因此，細胞自噬對腫瘤的生長具有雙重作用。這取決于Beclin1蛋白和高遷移率族蛋白1的相互作用[20]。當腫瘤直徑>2 mm時，50%～60%的腫瘤組織在缺氧條件下生長[21,22]，此時腫瘤細胞能夠通過AMPK、PERK和HIF- 1α/FOXO3信號途徑增強細胞自噬，調節缺氧和營養不足誘發的血管生成，繼而促進其存活。營養損耗是最強的自噬生理誘導劑。當營養缺乏時，細胞自噬為腫瘤細胞提供了另一種代謝途徑。氨基酸特別是支鏈氨基酸，能通過激活mTORC1抑制細胞自噬。因此，在氨基酸缺乏的情況下，細胞通過調節mTOR活性誘導細胞自噬。當腫瘤細胞缺乏葡萄糖時，將通過氧化應激誘導自噬維持能量平衡，這與mTOR活性密切相關。此外，與腫瘤進展密切相關的炎癥還能通過NF- κB激活細胞自噬[19]。

研究發現，酸性環境亦可促進細胞自噬的發生。在酸性(pH 6.7)條件下人乳腺癌細胞Atg5、BNIP3表達升高[23]。提示細胞暴露在低pH值環境中，細胞自噬活性明顯增強，從而適應不利環境得以生存；該研究還發現，在大約3個月的低pH值環境中，細胞逐漸恢復了增殖能力，說明細胞自噬是短暫的，長期在低pH條件下細胞可通過增加自噬而生存[23]。

Martinez- Outschoorn等[24,25]研究表明，與腫瘤相關的成纖維細胞可激活NF- κB信號通路并誘導細胞因子風暴，包括IL- 6、IL- 8、IL- 10、巨噬細胞炎性蛋白1α、干擾素γ、RANTES和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子，而這些細胞因子均可驅動細胞自噬。腫瘤組織不僅能通過刺激T淋巴細胞、樹突狀細胞和B淋巴細胞介導的特異性免疫反應發生，還可通過刺激巨噬細胞增強機體的非特異性免疫。而細胞自噬能通過調節癌細胞分泌蛋白和表面蛋白質組，控制抗腫瘤的免疫應答[20]。

4 細胞自噬與微環境在腫瘤治療中的作用

目前許多臨床前期研究和臨床試驗都將細胞自噬或微環境作為抗腫瘤治療的靶點。細胞自噬增強是腫瘤細胞對傳統抗腫瘤治療的一種共同反應，可增加腫瘤細胞的存活概率和耐受性。在已知的自噬抑制劑中，氯喹及其衍生物羥氯喹作為抗瘧藥物已用于臨床幾十年。氯喹作用于溶酶體，通過抑制自噬-溶酶體融合而抑制細胞自噬，故氯喹可通過抑制細胞自噬與放化療發揮很好的協同作用，如氯喹通過影響細胞對阿霉素的敏感性，與阿霉素發揮協同作用[26]。但也有研究認為，氯喹和羥氯喹的這種協同作用可能并不是由他們引起細胞自噬所導致的[15]。

研究發現，只有在缺氧、炎癥等微環境下，更具侵略性和抵抗力的腫瘤細胞才能夠生存下來。這些細胞具有低增殖率，往往對標準的化療藥物耐藥。相對于腫瘤組織中，正常組織中很少存在缺氧區域，故缺氧微環境也為腫瘤的靶向治療提供了有利條件[18]。生物還原化合物替拉扎明可在低氧環境中代謝，其活性前體藥物在缺氧環境中能抑制腫瘤細胞增殖，但其在臨床試驗中效果并不明顯[27]。炎癥是腫瘤微環境的重要組成部分之一，環氧化酶2作為抗炎蛋白是經典的抗癌作用靶點，但非特異性環氧化酶2抑制劑非甾體抗炎藥用于預防和治療腫瘤仍存在爭議。整合蛋白可通過調控細胞對ECM的黏附，調節細胞的存活和增殖狀態，故許多整合素家族成員亦可作為潛在的治療靶點。在靶向ECM降解的藥物中，基質金屬蛋白酶抑制劑作用較為突出，并在臨床前期研究中效果較好，預計可能有較好的臨床前景。

總之，細胞自噬與微環境的關系極為復雜，針對其作用靶點的藥物仍需進一步研究。對細胞自噬與微環境及其在不同組織細胞中的相互作用進一步深入研究是準確掌握腫瘤治療靶點關鍵。

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河北省科技計劃項目(152777206)。

張寶璽(E- mail： zhangbaoxi2008@sina.com)

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2016- 10- 26)