G-CSF/G-CSFR在實體腫瘤中的研究進展

王微，袁偉，齊軍#，馬潔

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫學研究中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院1檢驗科，2分子腫瘤學國家重點實驗室，北京100021

3北京醫院生物治療中心/國家老年醫學中心，北京100005

粒細胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor，G-CSF）是一種多肽鏈的粒細胞生長因子，目前研究發現G-CSF主要通過與粒細胞集落刺激因子受體（granulocyte colony-stimulating factor receptor，G-CSFR）結合動員多種骨髓前體細胞，促進粒系細胞的增殖、分化與遷移，增強成熟粒細胞的功能[1-3]。G-CSFR主要表達于造血干細胞、髓祖細胞和成熟粒細胞等造血細胞的表面[2]。近年來的研究顯示，G-CSF和G-CSFR在肺癌、胃癌、結腸癌、膀胱癌、食管肉瘤、腦膠質瘤等多種實體瘤中也均有一定的表達[4-7]。G-CSF與G-CSFR結合可發揮促進腫瘤細胞增殖、抑制腫瘤細胞凋亡或誘導血管形成等作用，參與腫瘤的發生、發展。由于目前臨床上將GCSF作為腫瘤治療過程中的重要輔助用藥，因此，有必要對G-CSF/G-CSFR信號通路及其發揮作用的具體機制進行綜合性探討。本文就G-CSF/G-CSFR在實體腫瘤中的研究進展作一綜述。

1 G-CSF/G-CSFR的結構和分布

1.1 G-CSF/G-CSFR的結構

G-CSF是一種由174個氨基酸殘基組成的糖蛋白，基因全長2.5 kb，包括5個外顯子和4個內含子。G-CSF包含5個半胱氨酸，Cys36與Cys42、Cys74與Cys64之間形成兩對二硫鍵，Cys17為不配對半胱氨酸，二硫鍵是維持G-CSF生物學功能的重要因素。天然形成的G-CSF由4個單環通過氨基酸環相連，在人體健康狀態下含量較低，當發生病原體感染時，其在血漿中的濃度明顯升高。

G-CSFR是一種由813個氨基酸殘基組成的單跨膜蛋白，是Ⅰ類細胞因子受體超家族成員之一，由胞外區、胞質區和跨膜區組成。其細胞外區域較大，包括免疫球蛋白樣結構域和細胞因子受體同源結構域，以及3個纖連蛋白Ⅲ型結構域。胞內段含有4個酪氨酸殘基，在信號轉導過程中發揮著重要的作用，并與STAT3信號通路的激活密切相關[8]。G-CSFR激活時，位于胞內羧基端的酪氨酸被磷酸化，可以結合多種含SH2信號的蛋白分子，使STAT3發生磷酸化，從而發揮信號傳遞的作用。小鼠與人的G-CSF氨基酸序列同源性高達72.5%，與G-CSFR氨基酸序列的同源性也達到62.5%。

1.2 G-CSF/G-CSFR的分布

G-CSF主要由內毒素、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）活化的單核細胞和巨噬細胞產生，可以促進粒系造血細胞的增殖、分化和活化。研究發現，GCSF在結腸癌組織中的表達較癌旁正常組織高約30%，淋巴結轉移陽性患者結腸癌組織中G-CSF和G-CSFR的mRNA水平也高于無淋巴結轉移者[4]。G-CSFR表達于一系列的造血細胞表面，包括造血干細胞、髓系祖細胞、巨噬細胞、單核細胞和淋巴細胞等；同時也表達于一些非造血細胞的表面，如血管內皮細胞、間皮細胞、心肌細胞、成纖維細胞和神經元前體細胞等[2,9]。近年來，隨著G-CSF的廣泛應用，對G-CSFR的研究也逐漸深入。有研究發現，實體腫瘤細胞也表達G-CSFR，Morris等[4]發現G-CSFR在結腸癌上皮細胞的表達約占90%，而在正常結腸上皮細胞的表達僅占20%。Wojtukiewicz等[10]對28例乳腺癌患者的組織樣本進行分析，結果顯示，有20例乳腺癌患者的組織樣本表達GCSFR。這些研究均表明G-CSF及其受體G-CSFR的表達與腫瘤的發生、發展密切相關。

2 G-CSFG-CSF在腫瘤微環境中的作用

腫瘤的發生、生長及轉移與腫瘤細胞所處的內外微環境密切相關，腫瘤微環境不僅包括腫瘤所在組織的結構、功能和代謝，而且也包括腫瘤細胞自身（細胞核和細胞質）的內在環境和腫瘤細胞周圍的免疫細胞和免疫調節因子所形成的外環境等。免疫細胞釋放化學趨化因子、血管生長因子、基質降解酶等，形成有利于腫瘤生長和侵襲的微環境。有研究發現G-CSF和GM-CSF是廣泛存在于各種腫瘤中的造血生長因子，不但可以募集中性粒細胞、單核巨噬細胞等到達腫瘤鄰近的部位，從而促進腫瘤的發展，還可以募集正常的內皮祖細胞到達腫瘤組織，誘導腫瘤血管形成[11]。

炎性浸潤的免疫細胞是腫瘤微環境免疫再編程的關鍵因子。Li等[12]采用小鼠結直腸癌模型檢測骨髓來源抑制細胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）、巨噬細胞等細胞的浸潤情況，發現其浸潤程度與G-CSF升高有關，進一步的研究發現G-CSF能夠動員MDSC從骨髓向結腸部位聚集，促進MDSC增殖同時抑制其凋亡，從而促進結直腸癌的發生、發展。Wang等[13]利用雄性CD-1（ICR）小鼠誘導結直腸癌發生的研究發現，腹腔M1型巨噬細胞僅在炎性相關結直腸癌的轉移階段高表達G-CSF，腹腔M2型巨噬細胞在整個炎性相關結直腸癌過程中，尤其是在腫瘤形成階段，高表達G-CSF。以上研究均表明，G-CSF可能通過炎性浸潤的免疫細胞從而改變實體腫瘤的微環境，進一步影響腫瘤的發生、發展。

骨髓細胞的擴增與實體瘤的發生、發展密切相關，尤其對腫瘤的形成至關重要。在乳腺癌動物模型中，有研究發現，在早期腫瘤的形成過程中會出現非典型抑制T細胞的中性粒細胞，特別是在腫瘤惡性轉化的早期會在腫瘤組織周邊蓄積，產生抑制性的腫瘤免疫微環境，使自身免疫系統無法正常發揮免疫監視作用。這些非典型抑制性細胞的產生依賴于腫瘤來源的G-CSF。持續的G-CSF表達可激活骨髓髓系分化，滿足腫瘤形成過程中對中性粒細胞的需求，對腫瘤免疫抑制性白細胞的產生和激活具有重要作用[14]。因此，G-CSF可能通過影響相應免疫細胞表達以及骨髓髓系細胞分化，從而對腫瘤微環境產生影響。

3 G-G-CSF/G-CSFR-CSFR促進炎癥向癌癥轉化

腫瘤的發生與慢性炎性反應密切相關。前期有研究發現腸炎導致腸組織中大量Th17細胞浸潤，Th17細胞分泌的IL-17A能夠作用于小鼠結直腸上皮細胞，促進其分泌G-CSF，G-CSF進一步動員MDSC從骨髓向結腸部位聚集，促進MDSC的增殖，誘導MDSC分泌促炎性反應細胞因子白細胞介素-6（interleukin 6，IL-6）和一氧化氮合酶（inducible nitric oxidesynthase，iNOS），從而促進結直腸炎癥向癌癥轉化。研究表明，G-CSF在炎癥向癌癥的轉化過程中起著重要的作用[12]，詳見圖1。然而，目前關于G-CSF/G-CSFR促炎癌轉化的機制研究相對較少，有待進一步探索。

4 G-CSF/G-CSFR-CSFR促進腫瘤生長和轉移的機制

圖1 1G-CSF/G-CSFR-CSFR在實體腫瘤免疫中的作用

腫瘤細胞表面的G-CSFR通過與其配體G-CSF相結合，可以激活多個細胞內信號通路，促進腫瘤細胞的增殖、侵襲與轉移，并且還可以促進腫瘤血管的形成。使用抗體中和G-CSFR可降低G-CSF的激活作用，從而阻止腫瘤細胞的增殖和轉移。研究發現，G-CSF可激活JAK酪氨酸途徑、Ras/MAP激酶途徑，以及Rac1、MKK3/6、p38MAPK、ERK1/2和AKT等細胞信號轉導通路[2]。Kumar等[9]發現卵巢漿液性上皮腫瘤細胞表達G-CSFR，采用G-CSF刺激卵巢上皮癌細胞系，G-CSF通過結合G-CSFR激活JAK2/STAT3信號通路，從而促進腫瘤的生長和轉移，增加腫瘤細胞對化療誘導細胞凋亡作用的抵抗。一般認為，JAK/STAT是G-CSF信號傳遞的主要途徑。G-CSF與其受體G-CSFR結合后激活JAK，活化的JAK能夠使G-CSFR胞內段的酪氨酸殘基磷酸化，從而召集STAT家族，STAT家族被JAK磷酸化后，進入細胞核，與目的基因的啟動區結合，啟動效應蛋白的表達。Wang等[5]發現G-CSF可通過促進STAT3的磷酸化，增加其下游Bax、Bcl-2、MMP-2、MMP-9基因的表達來促進腦膠質瘤細胞的增殖、侵襲和轉移。在膀胱癌中，GCSF可促進G-CSFR陽性腫瘤細胞的STAT3磷酸化，增加凋亡抑制蛋白survivin的表達，抑制細胞凋亡，通過裸鼠接種的G-CSFR陽性腫瘤細胞成瘤體積明顯大于G-CSFR陰性腫瘤細胞[4,15-16]。另外，G-CSF還可通過激活其他的蛋白酪氨酸激酶發揮作用。當ERK的活性受到抑制后，G-CSF誘導的增殖反應受到嚴重影響。STAT缺陷細胞在受到G-CSF刺激后仍能增殖，而ERK抑制劑可以抑制其增殖[4]。

5 G-CSF/G-CSFR-CSFR對腫瘤細胞干性特征的影響

腫瘤中具有自我更新能力并能夠分化為異質性腫瘤細胞的一類細胞被稱為腫瘤干細胞（tumor stem cell，TSC），其存在賦予了腫瘤不可控生長、轉移和復發的特點。Jiang等[17]曾提出假設：腫瘤是由干細胞引起和維持的。原發腫瘤中異質性表型的增加僅僅依賴于一小部分的腫瘤細胞亞群，極其稀少，但成瘤能力較普通腫瘤細胞高數百倍以上，是腫瘤發生、發展與維持的基礎[18-19]。在腫瘤發生的初期，甚至在不典型增生的初期，過激的炎性反應形成體細胞促生長效應，導致細胞具有過度增殖的干細胞特征[20]。

由于G-CSF是一個促炎性反應的細胞因子，可以動員骨髓間質干細胞[1]，因此，研究者探討了G-CSF與TSC的相關性。Ma等[21]采用G-CSF刺激前列腺癌細胞系PC-3和DU145后，檢測到表達干性特征的標志物CD117、ABCG2和CD44的細胞占比增加。Morris等[4]發現G-CSF可以使具有干性特征標志物的細胞維持在一個較高的水平上。這些研究均表明G-CSF對腫瘤細胞的干性特征維持具有一定的作用。研究證實G-CSF與其受體G-CSFR結合對造血干細胞、心肌間質干細胞、神經干細胞、骨骼肌細胞均具有一定的促增殖作用，但是對于腫瘤干細胞的作用是否通過G-CSFR產生，目前相關的研究相對較少，具體的機制有待進一步闡明。有研究報道，在G-CSF刺激下，表達干性特征的細胞亞群增多，可促進胃腸道腫瘤的形成，這個過程主要依賴于ERK1/2和RSK的磷酸化[22]。神經母細胞瘤中腫瘤干細胞樣亞群同樣也表達G-CSFR，此類細胞類似胚胎細胞和誘導多能干細胞，具有高度的致瘤性和自我更新（即分化成不同子代細胞）的能力，與其配體G-CSF結合可以激活STAT3，在體內和體外促進神經母細胞瘤中腫瘤干細胞樣亞群的擴增。在人類的異種移植和鼠神經母細胞瘤模型中，外源性的G-CSF可以增強腫瘤細胞的增殖和轉移能力。在G-CSF的作用下，STAT3信號通路被激活，維持神經母細胞瘤中腫瘤干細胞樣亞群的存活。采用抗G-CSF抗體或者STAT3抑制劑阻斷G-CSF-STAT3信號通路，神經母細胞瘤中腫瘤干細胞樣細胞減少，導致相關的腫瘤生長受到抑制，腫瘤轉移減少[21]。

6 G-CSF/G--CCSSFFRR在腫瘤中的相關臨床研究

臨床上G-CSF主要用于腫瘤放化療后引起的粒細胞減少，放化療導致的白細胞計數減少延長了放化療間期，影響了放化療療效，嚴重時可危及患者的生命。使用G-CSF后，短時間內可使白細胞計數升至正常，為及時進行放化療贏得了寶貴時間。然而近年來的研究發現，G-CSF還可以調節實體腫瘤的病情進展。有些腫瘤細胞可以分泌GCSF，雖然不是很常見，但是由于細胞因子介導的免疫抑制和血管生成作用導致患者的病情發展很快，在此情況下使用重組人G-CSF后新生成的血管可能發生惡化，最終導致腫瘤復發[17]。Morales-Arias等[23]發現，無論在體內還是在體外，尤文氏肉瘤細胞均表達G-CSF和G-CSFR，使用重組人GCSF后可以促進腫瘤細胞在體內的生長。目前，關于G-CSF在腫瘤患者中應用對于患者疾病復發及預后影響的臨床研究相對較少，因此有必要對GCSF/G-CSFR在實體腫瘤中的作用機制以及G-CSF的臨床應用對腫瘤患者產生的影響進行深入探索。

7 小結與展望

G-CSF已經被廣泛應用于腫瘤患者放化療后中性粒細胞減少的預防和治療，可以縮短骨髓抑制期，降低中性粒細胞減少的程度。然而，近年來，G-CSF和G-CSFR具有促進腫瘤生長和轉移的作用，因此，以下關鍵的問題需要進一步探索：①開展G-CSF/G-CSFR調節腫瘤細胞轉移和存活的具體細胞信號通路以及主要參與分子的研究；②探討G-CSF/G-CSFR通過炎性的免疫細胞參與腫瘤發生、發展的具體機制；③明確G-CSF/G-CSFR對腫瘤細胞干性特征的影響，從而更好地了解腫瘤發生機制；④考查腫瘤患者G-CSFR的表達是否應該作為G-CSF治療的禁忌證。

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