腫瘤外泌體在癌癥中的功能相關性研究進展*

段慧明

廣西中醫藥大學科學實驗中心·廣西中醫基礎研究重點實驗室，廣西 南寧 530200

1 引言

外泌體是由所有細胞釋放地來源于內吞的膜囊泡，大小從30～120 nm 并具有一些特定蛋白。外泌體的生物學功能依賴于其生物活性物質，如脂類、代謝產物、蛋白質和核酸等，這些物質可被運送到體內的局部或遠端位置，從而提供了一種細胞間通訊的手段［1］。

大多數細胞分泌外泌體，但在疾病狀態下分泌加強，例如在癌癥中，隨著腫瘤向更具侵襲性的表型轉變，外泌體的分泌通常會增加［1］。越來越多的證據表明，來源于腫瘤的外泌體在癌癥中起著關鍵作用［2］，已經成為腫瘤生長、侵襲、腫瘤相關血管生成、組織炎癥以及免疫重構的新角色［3］。

2 外泌體在癌癥中的功能相關性

2.1 促進癌細胞的增殖及參與腫瘤耐藥

癌細胞可以通過外泌體將其致癌特性轉移到其他癌細胞，外泌體可轉移腫瘤生長所需的RNA和蛋白質。癌細胞可以將mRNA和miRNA轉移到周圍的細胞中，這對于腫瘤的發生是非常重要的。例如，上皮生長因子受體（EGFR）截短突變體EGFR 變異體III（EGFRvIII）與膠質母細胞瘤（GBM）的癌癥進展和患者預后不良密切相關。膠質母細胞瘤來源的外泌體可將具有翻譯功能的mRNA 傳遞給受體細胞，并可促進膠質瘤細胞的增殖和腫瘤的生長。受體細胞的增殖指數更高，對凋亡的抵抗力更強［4］；腫瘤來源外泌體也可能轉運凋亡抑制蛋白，例如，與正常細胞相比，生存素（Survivin），在乳腺癌細胞中過表達，并以外泌體的形式分泌到細胞外，然后被成纖維細胞內化。乳腺癌細胞衍生的Survivin 上調成纖維細胞中SOD1 的表達，然后將其轉化為肌成纖維細胞，反過來在體外和體內誘導乳腺癌增殖［5］。

腫瘤細胞產生耐藥性可能是由于基因或表型改變（內在耐藥性）引起的，也可能是腫瘤微環境保護腫瘤細胞免受治療（外在耐藥性）的結果。因此，外源性耐藥性來自腫瘤細胞與其周圍環境的相互作用［6］。

首先，外泌體可以通過多種方式影響腫瘤細胞耐藥性。第一種方法是外泌體向細胞外運出化療藥物，例如，由于人卵巢癌細胞釋放出去的富含鉑和鉑輸出轉運蛋白的外泌體的增加，從而對順鉑產生了耐藥性［7］。其次，外泌體還可將藥物外排泵，例如，P糖蛋白（P-gp）、多藥耐藥蛋白-1（MRP-1）、ABCA-3 和ABCG-2 等轉移至鄰近細胞，通過阻止抗癌藥物在細胞內的充分積累而產生耐藥性［8］。第三，人ATP 結合盒（ABC）轉運蛋白超家族與藥物的過度外排密切相關。在ABC轉運蛋白超家族中，有幾種ATP 驅動的外排轉運蛋白是藥物外排的經典調控因子：ABCB1（Pgp/MDR1）、ABCC1 （MRP1）、ABCG2 （BCRP）等。在耐藥腫瘤細胞中，這些ABC轉運體的過表達將抗癌藥物泵出細胞，降低藥物濃度［9］。第四，腫瘤來源的外泌體可將miRNAs 或長鏈非編碼RNAs 運送至受體細胞，并賦予這些受體細胞耐藥性。例如，在卵巢癌細胞中，紫杉醇誘導miR-443 表達，當通過外泌體轉移時，miR-443 表達誘導鄰近細胞的衰老，從而導致耐藥［10］。第五，外泌體可以將支持生存和抗凋亡信號的分子傳遞給周圍細胞，例如，乳腺癌產生的外泌體富含細胞存活蛋白Survivin，并產生對紫杉醇的耐藥性［11］。最后，腫瘤來源外泌體與基質細胞相互作用，增加腫瘤細胞的耐藥性。腫瘤的耐藥性不僅由癌細胞決定，而且由腫瘤微環境中的非腫瘤細胞支持，例如，通過分泌含有Snail和miR-146的誘導耐藥性的外泌體，胰腺癌相關成纖維細胞（CAFs）對化療藥物吉西他濱具有內在的抗藥性，已被證明在暴露于該藥物時介導了對胰腺癌上皮細胞的耐藥性轉移，從而增加它們的增殖和存活［12］。

2.2 癌癥外泌體觸發成纖維細胞向肌成纖維細胞分化

理想的腫瘤生長代謝和生理環境需要基質的支持。在腫瘤微環境中，具有不同或重疊功能的異質性細胞群有助于腫瘤發生，而成纖維細胞起著關鍵作用。成纖維細胞是大多數實體組織中最豐富的細胞，參與對環境信號的響應，并成為腫瘤源性信號的常見靶點。在這些信號中，腫瘤細胞產生的外泌體是成纖維細胞激活狀態的重要調節器，并在建立腫瘤微環境中發揮重要作用。

癌相關的成纖維細胞（CAFs）通過與外泌體相關的不同機制起源于鄰近的多種細胞，其中最常見的來源是正常成纖維細胞（NFs）和間充質干細胞（MSCs），它們經歷了腫瘤細胞誘導的分化過程，并具有侵襲和遷移能力。

2.2.1 正常成纖維細胞（NFs）CAFs 存在于各種癌癥的腫瘤基質中，是具有細長胞質突起的紡錘形細胞。與NFs相比，CAFs過表達標記物α-平滑肌動蛋白（α-SMA）、成纖維細胞活化蛋白（FAP）和半乳凝素［13］。另外，CAFs的IL-6/STAT3、FGF-2/FGFR1、NF-kB、TGF-β1/SMAD等多個信號軸具有異常激活活性。

外泌體遞送的蛋白質能誘導NFs-CAFs 轉化。例如轉化生長因子-β（TGF-β）可以通過外泌體進入細胞外環境，激活CAFs，誘導CAFs的分化［14］。

除了蛋白外，miRNA也能誘導NFs-CAFs轉變，例如，當乳腺癌細胞的外泌體與NFs 共同培養時，miR-9 可以將NFs轉化為CAFs［13］。

2.2.2 間充質干細胞（MSCs）它們是類似成纖維細胞的細胞，可以從不同的組織中分離出來。在胃癌小鼠模型中，至少20%的CAFs來源于骨髓和MSCs［15］。來自乳腺癌和卵巢癌細胞的外泌體可以在MSCs 上誘導支持腫瘤的肌成纖維細胞的表型［16-17］。不同的miRNA，如miR-21 和miR -146a，被認為是CAFs 誘導、MSCs 增殖和血管生成活性的關鍵調控因子［18-19］。另外，蛋白質也參與這一過程，例如，四跨膜蛋白可以通過外泌體進入MSCs，從而促進MSCs 的激活、生長和運動［20］。與NFs-CAFs 轉化類似，TGF-β 通路也參與這一過程，TGF-β/TGF-βR1 相互作用介導Smad2/3 激活，增加MSCs 中FAP 和α-SMA 的表達，這些都被認為是CAFs的特征［21］。

CAFs 也可能源自其它細胞，包括通過上皮-間質轉化（EMT）的上皮細胞；通過內皮-間質轉化（EndMT）的內皮細胞；脂肪細胞的轉分化；某些癌癥間質細胞（如星狀細胞）缺乏維生素會導致平滑肌肌動蛋白（SMA）的上調，進而誘導細胞向CAFs轉化［22］。

CAFs 可以通過多種機制促進癌癥進展，包括促進增殖、增強侵襲、轉移和血管化，以及抗腫瘤作用。CAFs分泌大量的間質細胞生長因子，如成纖維細胞生長因子（FGF）、間質細胞衍生因子（SDF）、肝素結合表皮生長因子（HB-EGF）等促進癌細胞增殖。此外，通過CAFs 的Yes 相關蛋白、細胞外間質基質金屬蛋白酶2（MMP-2）、基質金屬蛋白酶3（MMP-3）的胞外基質重塑被認為是促進癌癥的主要策略之一。CAFs 還通過產生細胞因子和蛋白酶（例如IL-6、IL-8和MMP3）來促進侵襲［22］。

2.3 外泌體刺激血管生成

在腫瘤發展過程中，快速生長的癌細胞會缺乏營養和氧氣，為了維持生存和進一步生長，一定大小的腫瘤必須激活內皮細胞（ECs）以形成新血管，這一過程稱為血管生成開關。血管生成主要由缺氧引起，由缺氧誘導因子-1和缺氧誘導因子- 2 感知。在缺氧時，這些轉錄因子進入細胞核，激活缺氧依賴性靶基因的表達。其中一個基因是血管內皮生長因子（VEGF），它通過與VEGF 受體結合，刺激骨髓中的內皮前體細胞，通過化學反應將內皮細胞吸引到腫瘤上，并激活其生長。VEGF/VEGFR 信號通路是最有希望的血管生成靶點，它在腫瘤血管生成和腫瘤生長中起著關鍵作用。因此，ECs 是腫瘤微環境中的關鍵細胞，它們對來自外泌體的信號作出反應［23］。

腫瘤細胞釋放的外泌體是誘導血管形成的主要機制之一。VEGF、成纖維細胞生長因子（FGF）、血小板衍生生長因子（PDGF）、堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）、轉化生長因子β（TGF-β）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素8（IL-8）是外泌體攜帶的主要血管生成刺激因子［24］。此外，最近發現，基質相互作用分子（STIM1）可通過減少乳腺癌MDA-MB-231 細胞中的外泌體miR-145促進血管生成［25］。其次，結直腸癌（CRC）細胞通過外泌體將miR-21-5p 輸送到內皮細胞，直接抑制受體內皮細胞中的KRIT1 表達，隨后從VE 鈣粘蛋白（一種介導內皮細胞粘附連接的蛋白質）向細胞核釋放β-連環蛋白，進行TCF/LEF 依賴性轉錄，從而促進結直腸癌中的血管生成和血管通透性［26］。再有，耐藥腫瘤細胞也可以促進血管生成，例如，5-FU 抗性結腸癌細胞的外泌體促進血管生成，其中，外泌體二肽基肽酶IV（DPP4）是這種血管生成的有效誘導劑［27］。最后宮頸癌來源的外泌體可以通過向巨噬細胞傳遞TIE2蛋白，以促進血管生成［28］。

2.4 轉移前生態位的形成

轉移前的生態位（PMN）形成是腫瘤細胞植入遠處器官所必需的。這種PMN 是在骨髓源性細胞（BMDCs），例如造血細胞、內皮祖細胞和間充質細胞的幫助下形成的。腫瘤分泌的外泌體可促進不同類型的細胞，如成纖維細胞、內皮細胞、巨噬細胞和各種BMDCs向PMN募集。

腫瘤來源的外泌體通過促進血管系統破壞而促進轉移。外泌體含有特定的miRNA，可導致內皮細胞減少重要緊密連接蛋白（如ZO-1、鈣粘蛋白和P120）的表達。外泌體會滲入血液，然后轉移到轉移部位，被內皮細胞吸收，下調緊密連接蛋白的表達，從而破壞血管的完整性。血管完整性地破壞有利于轉移［29］。原發性腫瘤來源的外泌體可通過血管或淋巴管將蛋白質（如整合素、EGFR）和核酸（如miRNA、癌基因）轉移到特定器官并與常駐細胞結合，從而啟動遠處器官作為轉移前的生態位［30］。不同類型癌細胞的外泌體可以在其表面顯示不同的整合素蛋白，這些整合素決定了哪些組織內皮細胞可以優先識別它們，并在特定器官中發展出前轉移生態位［29］。例如，整合素可促進肺上皮細胞和肝Kupffer細胞吸收外泌體，建立轉移前生態位，含有ITGαvβ5的外泌體特異性地與Kupffer細胞結合，從而促進了向肝臟的趨向性；而表達ITGα6β4的和ITG 的α6β1 的外泌體則有利于與肺內的成纖維細胞和上皮細胞結合，介導肺的趨向性［31］；再比如，乳腺癌細胞來源的外泌體在促進乳腺癌骨轉移中發揮重要作用，其通過將miR-21 轉移到破骨細胞，與轉移前生態位的形成有關。miR-21 可作為乳腺癌骨轉移臨床診斷和治療的潛在靶點［32］。另外，源自胰腺導管腺癌（PDAC）外泌體的CD44v6/C1QBP 復合物對于纖維化肝微環境的形成和PDAC肝轉移至關重要。高表達的外泌體CD44v6和C1QBP是預測PDAC 患者預后和肝轉移的有希望的生物標志物［33］。

2.5 免疫抑制

外泌體是癌癥中免疫調節的重要媒介，因為它們提供了大量信號，可以支持或抑制腫瘤中淋巴和髓系細胞群的免疫抑制［34］。腫瘤來源外泌體促進腫瘤免疫反應可通過兩個方面：一方面，抑制樹突狀細胞（DCs）、T 細胞和NK 細胞的功能。樹突狀細胞作為先天性免疫反應和適應性免疫反應之間的介導者，在誘導T 細胞抗腫瘤活性方面起著至關重要的作用。DCs 在免疫應答的激活中發揮著重要作用。例如小鼠乳腺癌細胞產生的外泌體在體內靶向骨髓中的CD11b+髓樣前體細胞，抑制其向樹突狀細胞分化［23，35］。胰腺癌來源的外泌體通過miR-203 下調TLR4 的表達來抑制DC 細胞因子。肺癌來源的外泌體通過下調CD80、MHC-II 和CD86 等表面標記物但上調CD11B 和PD-L1 的表達來阻斷DC 分化［35］。此外，外泌體也可以通過將細胞外ATP 轉化為腺苷來抑制T 細胞的增殖。腺苷可抑制多種免疫細胞和基質細胞，因此，腫瘤中較高的腺苷水平有助于免疫抑制微環境。腫瘤來源的外泌體表面攜帶外核苷酶CD39 和CD73，將ATP 轉化為胞外腺苷，從而抑制T 細胞增殖［36］。最近發現，食管癌干細胞（ECSCs）外泌體中的O-GlcNAc 轉移酶（OGT）通過上調PD-1 可保護ECSCs 免受CD8+T 細胞的損傷［37］。NKG2D（NK 細胞激活受體NK 組2，成員D）是NK、NKT、CD8（+）和gammadelta（+）T 細胞的激活受體，其在癌癥中的異常丟失是免疫逃避的關鍵機制，NKG2D 可能是外泌體介導的癌癥免疫逃避的生理靶點［38］。NK 細胞的NKG2D 受體是癌癥免疫監測的重要組成部分，因為癌細胞通常不同程度地表達NKG2D配體，這標志著它們對NK細胞介導的破壞?。攜帶NKG2D 配體的外泌體可以減少NK 細胞上NKG2D 受體的表達，使它們處于無活性狀態，從而降低NK 細胞識別和殺死惡性細胞的能力［39］，例如，癌細胞來源的外泌體表達TGFβ 和NKG2D 的配體，下調NK 細胞和CD8+T 細胞表面NKG2D 的表達，從而阻斷其活性［40］。另一方面，腫瘤來源外泌體可通過各種信號通路擴增骨髓源性抑制細胞（MDSCs）和調節性T 細胞（Treg）的數量，并刺激巨噬細胞向促癌的M2 期的極化［41］。例如，腫瘤外泌體通過分泌PGE2、TGFβ 或IL6、TNFα 和CCL2 將髓系細胞轉化為MDSCs；腫瘤外泌體中的TGFβ 上調Foxp3+ T 調節細胞的生成［35］；乳腺癌來源的外泌體通過糖蛋白130/STAT3信號改變巨噬細胞極化至M2 期。具體來說，糖蛋白130 在癌源性外泌體中富集，激活骨髓源性巨噬細胞的STAT3通路，導致IL6 分泌并極化至M2 期［41］。最后，腫瘤來源的外泌體還可能通過在原發腫瘤旁邊發展異種衛星腫瘤而推進癌癥進展，這叫區域性癌變，即腫瘤周圍的形態學和分子發生異常，雖然沒有明顯的組織學改變。它是幾種癌癥發生的基礎，其分子病因目前仍不清楚。

3 結論

外泌體是細胞間通訊的關鍵介質。外泌體內的物質，具有改變自身或其他細胞命運的作用，例如，外泌體對腫瘤的影響表現在可以促進腫瘤的增殖及耐藥、觸發肌成纖維細胞的形成、刺激血管生成、建立轉移前生態位以及免疫抑制。為了更好地了解外泌體的功能和生物學意義，還需要有新的技術和方法來跟蹤外泌體的起源和體內物質的選擇和釋放，這有助于將外泌體用于診斷目的以及用作藥物運載工具和治療靶點。