造血微環境在前列腺癌骨轉移中的作用

陳浩棟 趙玉婉 柳建軍

廣東醫科大學附屬醫院泌尿外科（廣東湛江524001）

前列腺癌是目前世界上最常見的男性惡性腫瘤之一，在歐美國家男性惡性腫瘤發病率常年位居第一［1］。在我國前列腺癌發病率在惡性腫瘤中位居第二，僅次于肺癌，并且呈明顯上升趨勢［2］。前列腺癌具有明顯的嗜骨性轉移，其轉移機制目前尚不明確，超過80%的晚期前列腺癌患者出現骨轉移［3］，常見轉移至骨盆，股骨和椎體。由前列腺癌骨轉移引起的骨骼相關事件（skeletal-related events，SREs），如病理性骨折、脊髓壓迫及劇烈的疼痛，嚴重影響患者的生存質量并增加病死率［4］。因此，闡明前列腺癌骨轉移的機制，對前列腺癌骨轉移的預防及治療尤為重要。目前已知前列腺癌骨轉移過程分為定植、休眠、再活化和增殖4 個階段［5］。造血微環境（hematopoietic microenvironment）是由SCHOFIELD［6］在1978年首次提出用來描述參與造血干細胞維持、自我更新和定向分化的微環境。造血微環境主要由骨內膜、成骨細胞、破骨細胞及微血管系統等構成，其微血管系統中血竇內徑長且容量大，血流速度慢，有利于前列腺癌細胞定植［7］。造血微環境中富含成骨細胞及破骨細胞，生理條件下，骨沉積和吸收受到成骨細胞及破骨細胞之間嚴格的控制，維持新骨合成的動態平衡并保持骨的完整性。然而，在骨轉移過程中，成骨細胞與破骨細胞保持的平衡被打破，腫瘤細胞分泌多種細胞因子刺激成骨細胞及破骨細胞活化，活化的成骨細胞及破骨細胞又進一步促進腫瘤細胞的生長，形成了骨轉移的“惡性循環”。

1 造血微環境為前列腺癌發生轉移提供適宜環境

早在1889年，英國學者PAGET［8］提出的“種子-土壤”學說，是解釋前列腺癌細胞發生骨轉移的主流學說。骨骼是前列腺癌細胞轉移的適宜“土壤”，主要是因為骨髓中造血微環境中富含多種生長因子及趨化因子，如：血管內皮生長因子（VEGF）、轉化生長因子-β（TGF-β）、胰島素樣生長因子（IGF）、骨形成蛋白（BMPs）、趨化因子SDF-1，促進癌細胞定植、休眠、再活化和增殖［9-10］。造血微環境是一種極其活躍的微環境，其內富含成骨細胞及破骨細胞。成骨細胞來源于骨髓基質中的間充質干細胞，占骨細胞總數的4%～6%［11］。在骨重塑過程中，成骨細胞主要負責合成新的骨基質，骨基質主要由I 型膠原蛋白組成，但也含有少量的蛋白多糖和其他細胞外基質蛋白［12］。成骨細胞還通過表達RANK-L 和巨噬細胞集落刺激因子（M-CSF）在破骨細胞分化過程中起到關鍵作用。破骨細胞來源于骨髓中的單核細胞，約占骨細胞總數的1%～4%［11］，主要負責骨的重吸收。前列腺癌細胞轉移至骨，骨微環境中負責骨重塑的成骨細胞和破骨細胞釋放多種細胞因子，為腫瘤細胞的生長提供有力的支持。

2 前列腺癌細胞向骨內定植

2.1 前列腺癌細胞骨內定植前的準備 前列腺癌細胞向骨內定植主要涉及6 個步驟，包括細胞粘附減少、上皮-間質轉化、局部遷移及侵襲、血管內循環、“歸巢”和定植［13］。正常的前列腺上皮中，細胞與細胞粘附是由整聯蛋白和細胞黏附分子（如鈣黏蛋白）緊密相連。鈣黏蛋白有兩種主要類型，E-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白，分別由上皮細胞和間充質細胞表達。在前列腺癌早期轉化中，前列腺上皮細胞表現出細胞黏附因子的改變，包括E-鈣黏蛋白的下調和N-鈣黏蛋白的上調［14］，這一過程稱為鈣黏蛋白轉換，同時也是上皮-間質轉化的主要特征。整合蛋白表達下降也在上皮-間質轉化中發揮重要作用。經歷上皮-間質轉化的前列腺上皮細胞具有分泌蛋白酶的能力，例如基質金屬蛋白酶和絲氨酸蛋白酶，其中基質金屬蛋白酶-2（MMP-2）可降解細胞外基質，有利于細胞遷移、侵入周圍組織及血管內［15］。LIU 等［16］發現miR-195 可抑制前列腺癌細胞上皮-間質轉化，miR-195 修復可能為治療轉移性前列腺癌提供新的治療方法。

2.2 前列腺癌細胞向骨髓造血微環境“歸巢”和定植 盡管前列腺癌細胞向骨髓造血微環境“歸巢”和定植的機制尚不明確，但越來越多的證據表明前列腺癌細胞利用類似造血干細胞“歸巢”的機制進入骨髓［17-18］。在造血干細胞“歸巢”機制中，SDF-1 是一種常見的趨化因子，其主要功能是調節造血干細胞的運輸，造血干細胞表達的趨化因子受體CXCR4 與趨化因子SDF-1 結合，使造血干細胞沿SDF-1 濃度梯度遷移［19］。SHIOZAWA 等［20］證明增加造血微環境的數量可促進骨髓腫瘤細胞數量的增加，這也表明造血微環境有利于前列腺癌細胞定植。造血微環境富含成骨細胞，成骨細胞可大量分泌趨化因子SDF-1，而前列腺癌細胞中CXCR4 表達上調，高表達CXCR4 的前列腺癌細胞在SDF-1 的趨化牽引作用下，“歸巢”至SDF-1 濃度最高的骨髓造血微環境中。此外，SDF-1 還可以瞬時調節αvβ3 整合素的表達，這也可能在前列腺癌細胞定位到骨髓轉移灶中發揮作用［21］。WANG 等［22］證明CXCR4 抑制劑AMD3100可抑制前列腺癌細胞定位到富含SDF-1 區域，這也證明SDF-1∕CXCR4 信號軸是前列腺癌骨轉移的關鍵信號通路。前列腺癌細胞“歸巢”到骨髓后，腫瘤細胞通過表達整合素、N-鈣黏蛋白等多種分子定植于骨髓中。前列腺癌細胞可表達整合素α2β1，通過膠原蛋白I ∕α2β1 信號轉導激活RhoC GTP 酶，有利于腫瘤細胞定植于骨髓［23］。

3 前列腺癌細胞在骨髓中休眠與再活化

3.1 前列腺癌細胞在骨髓中休眠 當前列腺癌細胞在骨髓定植后，腫瘤細胞不會立即生長，而是進入休眠期，推測這可能與免疫逃逸及腫瘤周圍血管形成有關［24］。這一階段時間較長，可達數年之久［5］。YUMOTO 等［25］發現MC3T3-E1 成骨細胞與PC-3 或DU145 前列腺癌細胞的共同培養導致前列腺癌細胞增殖受到抑制，證明成骨細胞可能與調節腫瘤細胞休眠有關。生長停滯特異性蛋白-6（GAS6）是一種由造血微環境中的成骨細胞分泌的酪氨酸激酶受體的配體，GAS6 可促進前列腺癌細胞休眠、增加腫瘤細胞存活率并抑制腫瘤細胞增殖［26］。前列腺癌細胞高表達酪氨酸激酶受體AXL，能與成骨細胞分泌的GAS6 特異性結合，增加TGF-β 的表達。YUMOTO 等［25］還發現與成骨細胞共培養的PC-3 細胞中TGF-β1 和TGF-β2 表達的顯著增加，同時，PC-3 細胞中TGF-βII 型受體（TGFBR2）和TGF-βIII 型受體（TGFBR3）的表達也上調。TGF-β2 與TGFBR3 特異性結合后可通過增加P38 磷酸化，促進內源性細胞周期抑制劑P27 的表達，從而促進腫瘤細胞在骨髓中休眠［27］。成骨細胞和間質細胞衍生的BMP-7 也被證明可通過p38-MAPK 通路誘導前列腺癌細胞的休眠［28］。而TGF-β1 在腫瘤骨轉移早期可抑制腫瘤細胞增殖，晚期可促進腫瘤細胞進展［25］。

3.2 腫瘤細胞在骨髓中再活化 進入休眠期的腫瘤細胞僅有少部分被再活化［5］。腫瘤細胞休眠再活化的分子機制目前尚不明確，其可能與多種因素相關，如：破骨細胞活化、腫瘤細胞分泌信號因子相關。LAWSON 等［29］發現當用破骨樣RAW264.7 細胞的條件培養基培養時，原先處于休眠狀態的5T33MM 骨髓瘤細胞表現出增殖與生長，為了進一步確定這種作用是否由破骨細胞活化增多引起，作者將可溶性RANK-L 注射到帶有骨髓瘤病的小鼠體內，RANKL 由成骨細胞分泌，可與破骨細胞前體的RANK 受體結合，誘導破骨細胞活化［30］。LAWSON 等［29］觀察到骨吸收增加后骨中休眠的骨髓瘤細胞數量減少。這些結果表明，骨髓瘤細胞再活化與骨微環境中破骨細胞活性增加有關?？梢酝茰y前列腺癌細胞在骨髓中休眠再活化可能也與破骨細胞活性相關。YUMOTO 等［25］發現阻斷GAS6∕AXL 信號軸可抑制腫瘤細胞分泌TGF-β，由TGF-β 介導的腫瘤細胞休眠也受到抑制，導致PC-3 和DU145 前列腺癌細胞的再活化。SHARMA 等［31］研究發現，BMP-7 表達下調可導致PC-3 細胞休眠受抑制。因此，破骨細胞活化、TGF-β、GAS6、BMP-7 在調節腫瘤細胞休眠再活化中起到關鍵作用。

4 腫瘤細胞在骨髓中增殖與“惡性循環”

再活化的腫瘤細胞可進入增殖期，在增殖期中，腫瘤細胞可釋放多種細胞因子激活成骨細胞和破骨細胞，被激活的成骨細胞和破骨細胞又進一步促進腫瘤細胞增殖，從而啟動骨轉移的“惡性循環”。前列腺癌細胞通過釋放甲狀旁腺激素相關蛋白（PTHrP）與成骨細胞上的PTH-1R 受體結合，刺激成骨細胞增殖和分化［32-33］，活化的成骨細胞一方面產生大量生長因子，包括VEGF、IGF-1、TGF-β，支持前列腺癌細胞增殖，另一方面通過分泌RANK-L 與破骨細胞前體上的RANK 受體結合，誘導破骨細胞活化［34］。活化的破骨細胞分泌組織蛋白酶K 和其他半胱氨酸蛋白酶到骨基質中，促使骨基質中I 型膠原蛋白降解，導致骨基質破壞。同時，活化的破骨細胞及被破壞的骨基質均可釋放TGF-β、IGF-1，進一步刺激腫瘤細胞生長和增殖［35］。此外，前列腺癌細胞產生大量內皮素-1、BMPs，其導致持續的成骨細胞活化，活化的成骨細胞以無序的形式進行成骨活動，導致骨骼發育不良［36］。

狄諾塞麥（Denosumab）是一種抗RANK-L 人單克隆抗體，其通過抑制RANK-L∕RANK 信號通路來阻斷破骨細胞活化。Ⅲ期臨床試驗表明，與唑來膦酸相比，狄諾塞麥可明顯延長前列腺癌患者無骨轉移的生存時間，并推遲骨骼相關事件出現時間，同時也明顯減少低鈣血癥的發生率。HUANG 等［37］證明通過下調miR-133b 可抑制TGF-β 的活性，能抑制前列腺癌骨轉移，從而提高前列腺癌患者無骨轉移的生存時間，預測miR-133b 可以作為治療前列腺癌骨轉移的新靶點。

5 小結與展望

前列腺癌易發生骨轉移，超過90%骨轉移患者晚期將出現骨骼相關事件，如病理性骨折、脊髓壓迫及劇烈的疼痛，嚴重影響患者的生活質量并增加死亡率。然而前列腺癌骨轉移的確切機制尚不明確，了解前列腺癌骨轉移確切機制及治療方法是目前亟待解決的問題。前列腺癌細胞向造血微環境“歸巢”和定植的機制尚不明確，若充分認識其分子機制，選擇性對其信號通路進行阻斷，將有望在前列腺癌發生骨轉移早期進行防治。此外，骨轉移過程中癌細胞的休眠及再活化機制也值得深入研究，了解其機制可針對其作用蛋白靶向抑制癌細胞再活化的過程，從而抑制癌細胞在造血微環境中增殖。