恶性肿瘤的侵袭性和转移性是其具有的最为关键的生物学特性之一,也是恶性肿瘤的重要标志。据临床统计,80%以上的肿瘤患者死于侵袭和转移。因此,肿瘤转移对癌症的治疗是一种严重的挑战。早在1889年Peget就提出了 “种子-土壤”学说,即认为肿瘤的转移是特殊的肿瘤细胞(种子)在适宜的环境(土壤)中生长发展的结果。这个学说强调了组织学特点。1929年Ewing又提出了肿瘤转移的 “机械和解剖”学说,以器官和解剖、血流分布来解释转移的发生。1977年Fidler等首先发现并提出了肿瘤的异质性概念,认为原发的肿瘤细胞群体是未经过选择的,异质性强,且存在具有转移潜能的亚群。当转移发生时,转移过程就给予肿瘤细胞提供了自身选择机会。自20世纪80年代以来,对肿瘤侵袭转移的研究很为重视,现已发现,原发肿瘤并不是由单一类型的细胞所构成,而是含有多个不同的肿瘤细胞亚群。在肿瘤发生发展过程中,这些细胞亚群的侵袭转移能力并不一致,也并非所有肿瘤细胞都具有侵袭和转移能力。侵袭性、转移性肿瘤细胞是肿瘤细胞与宿主组织或细胞间相互作用,不断消长和选择过程中最具有侵袭和转移性肿瘤细胞竞争性存活与发展的结果。转移的形成并不仅是肿瘤细胞对某些器官环境的适应性,还包括原发肿瘤中具有不同转移潜能的肿瘤细胞亚群存在。因此,转移的形成应是那些具有高转移能力的细胞亚群与相应的微环境相互作用的结果。

什么叫癌细胞侵袭?简单地说,癌细胞离开其原瘤灶组织而侵犯了邻近组织,并在该处继续生长,这个过程称之为侵袭。肿瘤侵袭是肿瘤细胞黏附、酶降解、移动、基质内增殖等一系列过程的表现。

癌细胞由原发肿瘤部位脱离,侵犯周围组织,进而侵入淋巴管、血管或体腔,部分肿瘤细胞被淋巴流、血流带到另一远离部位或器官,在该处与宿主组织相互作用后,继续存活和繁殖生长,形成与原发肿瘤同样类型的继发肿瘤,这全过程称为转移。肿瘤的转移是一个多步骤、多因素参与的极其复杂的过程,受控于癌基因、抗癌基因以及影响肿瘤转移过程各步骤的相关基因。因此肿瘤转移的发生不仅取决于肿瘤细胞的生物学特性,而且取决于细胞外基质和宿主细胞的相互作用,同时宿主免疫因素也对肿瘤转移有着至关重要的影响。

肿瘤细胞侵入血管和淋巴管是其脱离原发肿瘤到转移的开始阶段。通过侵袭方式进入血管、淋巴管的肿瘤细胞绝大多数在短期内死亡。导致肿瘤细胞死亡的原因来自两方面的因素:①肿瘤本身的因素:可以是细胞自身缺乏变形性以至于不能顺利通过循环系统,也可能是细胞缺乏形成癌栓的能力,或是肿瘤细胞表面缺乏黏附因子;②宿主因素包括:机体的免疫系统如NK细胞、巨噬细胞等在清除肿瘤细胞时功能的低下。此外,细胞素可激活内皮细胞产生一氧化氮,其被认为是非特异杀伤进入循环系统中的肿瘤细胞的重要因素。由此看来,肿瘤细胞在循环中运行也是一个自身筛选及淘汰过程,最终留下少数具有活力强和高转移性的肿瘤细胞可与脉管内的内皮细胞黏附,而后逸出循环系统,进而增殖形成转移灶。

少数在循环中运行并存活下来的肿瘤细胞常相互集聚形成微小肿瘤栓子,当到达特定继发脏器时肿瘤牢固地附着在脉管内皮层。有实验发现肿瘤细胞结合到内皮层上后可使其收缩,从而暴露出其下的基底膜。另有人发现毛细血管内皮细胞周期性频繁脱落更新,可在磨损或撕裂的内皮处形成暂时裂隙,使基底膜暴露在外。当脉管内皮损伤时有助于血小板的黏附,内皮细胞修复早期形成的纤维蛋白原可增强血小板的黏附能力,由此产生的肿瘤细胞、血小板和纤维蛋白构成的栓子可与损伤内皮黏附并锚定在内皮表面。

脉管系统内皮细胞下面的细胞外基质是肿瘤细胞逸出的一道屏障,它是由各种蛋白质和碳水化合物分子所构成的致密网。通过损伤的血管内皮,肿瘤细胞与基底膜接触,并通过特殊膜受体与基质蛋白、肿瘤细胞与基底膜黏附后可分泌释放多种蛋白水解酶,降解局部基质,肿瘤细胞的足伸入被降解的区域内,接着整个细胞随之进入。

肿瘤细胞穿出血管壁后能否形成转移灶,取决于肿瘤细胞与靶器官实质细胞的黏附作用和肿瘤细胞本身增殖能力的强弱。而且,这种肿瘤细胞与靶器官实质细胞的黏附作用的强弱也与器官特异性有关。多数肿瘤细胞穿出脉管系统后被宿主防御系统所杀死或抑制,只有增殖力和侵袭能力强的肿瘤细胞方能存活并形成转移灶。

无论动物肿瘤研究或人的肿瘤研究均已证明不同来源的肿瘤细胞有其容易发生转移的特定脏器。此外,相同性质的肿瘤细胞在宿主的不同部位生长、侵袭和形成转移灶也并非完全相同。因此,肿瘤转移的器官选择性、特异性,肿瘤细胞与宿主微环境之间的关系引起人们极大的兴趣。

恶性肿瘤细胞通过血路和淋巴路或者通过宿主腔隙到继发器官,在此成长为新的肿瘤。但许多肿瘤的转移有其特定的器官选择性,而这种特定器官的定位转移却不能单纯用解剖学或血流动力学来解释。

目前已知在不同的器官和部位,内皮细胞具有不同的生物学功能。这些功能涉及内皮细胞表面特殊的结构和化学位点。其中有些位点是永久性的,而有的则是暂时的,这种差异受功能需要所调节。例如,肺组织的内皮下基质富含Ⅳ型胶原、LN及弹性蛋白,这些成分在肝细胞外基质中却含量较少,肝细胞外基质中则含有大量硫酸肝素蛋白多糖。因此,表达胶原/LN/弹性蛋白受体增强的肿瘤细胞,易与肺内皮下基质结合,从而形成肺转移,而表达蛋白多糖受体的肿瘤细胞将易于转移到肝。还有一些实验表明,亲和器官的内皮下基质还可诱导肿瘤细胞产生特异的整合素受体,而表达特异受体的肿瘤细胞同样可使细胞外基质发生相应的改变。不难看出肿瘤细胞与宿主细胞内皮下基质的相互作用对于器官特异性转移过程也具有重要意义。

近来,有研究发现器官微环境对肿瘤细胞的转移过程的完成具有特定影响。将人结肠癌肿瘤细胞移植到裸小鼠皮下,再行部分肝切除后,再生肝脏可明显刺激皮下移植的人结肠癌细胞生长,而施行肾部分切除却对人结肠癌细胞的生长无刺激作用,这说明转移的肿瘤细胞可受其原发组织器官或有转移特异性器官内正常细胞产生的某些生长因子调节。

20世纪80年代后,随着分子生物学技术的进步,提出了肿瘤转移机制的全新理论:肿瘤的转移是癌基因与抑癌基因参与调节的复杂过程,通过肿瘤转移相关基因的过度表达,以及一系列基因产物的参与,对肿瘤转移整个过程进行调控。这是基因调控下的多元体系。它涉及肿瘤细胞遗传密码、表面结构、抗原性、侵袭力、黏附能力、产生局部血凝因子或血管生成的能力、分泌代谢功能以及肿瘤细胞与宿主、肿瘤细胞与间质之间相互关系的多步骤、多因素的过程。这种多元调控体系理论的建立是经典医学与当代分子生物学相互融合的结果。

肿瘤转移是涉及许多基因变化的一系列复杂过程,包括肿瘤细胞从原发肿瘤脱离,进入血管和淋巴管,通过黏附于内皮细胞,在适宜部位驻留,诱导血管生成,对抗宿主抗肿瘤免疫,最终在远隔部位形成转移灶。肿瘤转移整个过程受许多特殊基因的调控,它们或被激活,或被抑制,相互协同或拮抗,从而影响着肿瘤转移的各个环节。

目前对相关基因的研究资料表明,至少有十余种癌基因被证实可诱发或促进癌细胞的转移潜能,如 ras、 myc、 mos、 raf、 fes、 fms、 ser、 fos和 p53(突变型)等。

Thorgeirsson最早报告了激活的 ras基因转染NIH3T3细胞,在裸鼠体内具有成瘤性和转移性。进一步实验表明 ras原癌基因转染也能诱发转移表型,而且 ras转染不仅可使NIH3T3细胞具有转移性,而且可使大鼠胚胎成纤维细胞、大鼠皮肤细胞、永生性支气管上皮细胞和不具有转移性的肿瘤细胞具有转移能力。因此,目前比较明确地认为 ras不但是癌基因,而且往往与细胞获得侵袭与转移特性有关。因此也有人把它看作是肿瘤细胞的 “侵袭基因”与 “转移基因”。由于 ras转染细胞常表现侵袭能力的增强、Ⅳ型胶原酶分泌增多,同时也有报道说明组织蛋白酶L和组织蛋白酶B产生增多,因此推测 ras基因可以影响肿瘤侵袭和转移表型。

在对神经母细胞瘤的研究中发现高转移性神经母细胞瘤 N-myc扩增可高达300倍。在临床Ⅲ、Ⅳ期的儿童神经母细胞瘤较早期(Ⅰ、Ⅱ期),其肿瘤细胞的 myc基因呈明显扩增。此外,体外实验证明单纯 myc基因转染不能使NIH3T3细胞获得转移性,而只有 ras、 neu基因的协同作用,才可使NIH3T3有效地转化并获得转移能力。

CD44基因所编码的是相应的CD44黏附性细胞表面糖蛋白。由于黏附性糖蛋白与转移密切相关,所以 CD44被认为是一种肿瘤转移基因。 CD44在肿瘤转移中的作用与其对HA的亲和力有关。HA介导的CD44信号转导途径影响细胞骨架的完整性并且能够刺激细胞因子的释放。

1993年由Pencil等发现的 mtal基因被证实为一种新的肿瘤转移相关基因。Pencil发现在具有转移能力的鼠乳腺癌细胞株MTL3中, mtal的表达水平是没有转移能力的MTC4细胞株的4倍。另有人证实不同乳腺癌细胞株中 mtal基因的表达水平与其在裸鼠体内的转移潜能相关。 mtal基因过度表达的结直肠癌患者,其Dukes分期较晚且淋巴结受累较多见。 mtal基因过度表达的胃癌患者更多出现浆膜浸润,更多发生淋巴结转移及血管受累。 mtal基因的发现及相关的研究已经为肿瘤转移机制的研究提供了新的信息,然而Mtal蛋白的确切生化特性和生理功能尚未可知, mtal基因与其他转移相关基因的相互作用尚在研究之中。

将转移性肿瘤细胞与非转移性或低转移性的肿瘤细胞融合所形成的杂交瘤虽具有致瘤性却并无转移能力;皮肤乳头状瘤中, ras基因的表达很高,却始终不会发生转移。上述这些事实提示人们,正如细胞中存在有肿瘤抑制基因那样,还存在有转移抑制基因。

nm23是1988年由Steeg首次在黑色素瘤细胞系中分离鉴别的一种与肿瘤转移有关的抑制基因,被称为肿瘤转移抑制基因。在人乳腺癌的研究中表明,乳腺良性肿瘤和不伴有淋巴结转移的乳腺导管癌 nm23H1表达水平高。在结肠癌、非小细胞癌及胃癌中证实有 nm23H1等位基因的缺失。关于 nm23如何抑制肿瘤细胞转移能力的机制尚不清楚。

1997年几乎同时由三个实验室分离、鉴定的 PTEN基因已被归入抑癌基因的行列。目前发现 PTEN的氨基酸读码框架中,有一段和参与细胞与细胞外基质黏附的细胞骨架蛋白tensin同源,因而能影响细胞移动。反义 PTEN则增强细胞移动。据此,PTEN又是抑制侵袭、转移的基因。

总之,侵袭和转移是互有关系的不同病理过程,两者密切相关,但又有各自的特点。侵袭是转移的前奏,但侵袭并非必然导致转移,例如皮肤的基底细胞癌虽具有明显的侵袭表型,却极少发生转移。颅内恶性肿瘤在局部有较强的侵袭能力,却很少发生颅外脏器转移。转移是侵袭的结果,在肿瘤转移的过程中同样离不开肿瘤细胞的黏附、降解和移动。

肿瘤细胞的黏附性在肿瘤侵袭和转移中起着极为重要的作用。首先,肿瘤细胞从原发肿瘤的母体分离,就与肿瘤细胞同质黏附降低有关,肿瘤细胞与肿瘤间质细胞和基质黏附的改变也是有利于转移的重要因素;其次,在血管内同质和异质癌栓形成,也是黏附的结果;最后,肿瘤细胞游出血管过程中,与血管内皮及其下的基底膜基质黏附是转移过程的重要步骤。在肿瘤转移的全过程中包含众多的黏附因子及其促进黏附或分离的因素,充分了解这些因子的功效有助于我们深入探索肿瘤转移的机制。

细胞黏附可分为同源性细胞间黏附和异源性细胞间黏附两大类:

这种相同细胞之间的黏附取决于同类邻近细胞间相同黏附因子的存在,钙连接素系列是此类细胞内黏附的基本物质。这种黏附连接对原发肿瘤的早期生长、循环内肿瘤黏附聚集以及继发肿瘤的增殖生长起到重要作用。

这种不同细胞间的黏附是肿瘤细胞表面的黏附分子与其他种类细胞表面不同黏附分子之间的连接。这涉及不同MHC来源细胞间配子与受体之间识别和结合,正是这种结合的存在使不同细胞间的相互效应得以实现。

细胞外基质是由邻近细胞局部分泌组成的大分子复合物,形成一种网状结构,充填细胞间隙,协助细胞相互连接并参与调节细胞的多种功能如增殖、移行和分化等。

黏附分子代表一组参与细胞间或细胞与基质间作用的细胞表面结构。其作用在于:①增强细胞间的黏附(缺失则可使细胞转变为运动或侵袭状态);②赋予细胞与基质相互作用的能力,使肿瘤细胞易于黏附在基质上。黏附分子由四个超家族组成,即整合素、钙黏连素、免疫球蛋白黏附因子和选择素超家族。

整合素是连接各种细胞外基质包括层黏连蛋白,纤维连接蛋白,vitronectin和胶原的跨膜受体,是一组二价阳离子依赖性的细胞表面糖蛋白。整合素与相应底物的连接刺激了细胞内信号转导,也刺激了与细胞移动、增殖分化有关的基因表达。另外,整合素的表达影响了金属蛋白酶在细胞表面的定位,并促进了血管的生成,因而,目前一致认为细胞表面整合素的表达与恶性肿瘤细胞的转移明确相关。

钙连接素是钙依赖的跨膜蛋白,其主要是通过同源细胞的相互作用作为细胞与细胞黏附的媒介。

免疫球蛋白(Igs)家族至少有16个分子与黏附有关。其中与肿瘤的侵袭转移关系密切的有以下几种:①ICAM-1;②VCAM-1;③神经细胞黏附分子;④CEA。

选择素是以糖基为其识别配体的黏附分子,它们都具有一个独特的类似植物凝集素(PHA)样的细胞外结构,在白细胞,血小板和内皮细胞的表面均有表达。根据其最初发现所在细胞的不同而分别将其称为L-选择素、P-选择素和E-选择素。肿瘤转移的一些关键步骤,如进入循环系统内肿瘤细胞聚集,以及肿瘤细胞与特定脏器血管内皮的锚定黏附都有选择素的参与,故认为选择素在肿瘤转移器官选择倾向中发挥重要作用。

在肿瘤侵袭转移过程中,由于肿瘤细胞要多次穿越基底膜并侵入周围组织,因此对基底膜和细胞外基质(ECM)的降解是肿瘤侵袭转移的关键步骤之一。

丝氨酸蛋白酶类包括血浆纤溶酶原激活因子(PA)、白细胞弹性蛋白酶及组织蛋白酶G等,其中对PA研究较多。PA的生理功能是将纤溶酶原激活成纤溶酶,后者除降解血凝块中的纤维蛋白外,还能降解ECM中的LN、FN和蛋白多糖中的蛋白核心,但不降解胶原和弹性蛋白。PA有尿激酶型和组织型两种形式。

降解ECM的MMP是迄今为止发现的与肿瘤侵袭转移关系最为密切的一类蛋白水解酶。具有以下几个特点:①酶活性部位含有一个锌离子,去除锌离子会明显抑制酶的活性;②各种MMP之间具有序列同源性;③均以无活性的酶原形式产生,经有限的蛋白水解而被激活;④可被特异的金属蛋白酶组织抑制因子(TIMP)所抑制。

无论是原发肿瘤还是继发肿瘤在生长扩散过程中都依赖血管生成。有大量证据表明肿瘤的生长和扩散转移与血管生成密切相关。肿瘤血管生成的一系列过程与正常生理过程的血管生成具有相似性:由肿瘤细胞或间质细胞释放血管生成因子,微血管的形成过程同时伴随着基质降解酶的释放以破坏基底膜。在内皮细胞迁徙之前,细胞不断增殖和分化,而紧接其后,内皮细胞则改变形状形成新的管腔结构,然后它们融合并联成管状。可以看出,肿瘤血管生成的整个过程包括内皮移行、基质降解和内皮增殖等多步骤序贯过程。

与正常组织相比,肿瘤内的血管极少分化成熟且形态学上表现出很大差异:如结构粗糙、走行紊乱,常呈不规则的狭窄,扩张及扭曲,多数血管壁薄,仅有一层内皮细胞,细胞间裂隙较大,基底膜不完整或缺如。这些异常的结构非常有利于肿瘤细胞进入血管腔,进而向远处播散。

目前已证实有多种活性物可调节肿瘤血管生成。肿瘤的浸润和转移是一个多阶段过程,肿瘤细胞的脱落、侵袭并进入循环只是这一过程的最初阶段,也就是说并非检出的所有肿瘤细胞都一定能形成转移,但有肿瘤细胞的检出毕竟增加了转移的危险性。相信随着长期随访的建立及检测方法学的不断改进,微转移检测的意义及其在临床应用的价值会得到进一步证实。

肿瘤干细胞(cancer stem cells,CSC)是肿瘤群体中具有自我更新、分化和稳态控制能力的细胞亚群。只有这部分细胞在移植到免疫缺陷动物体内后具有成瘤的能力。目前认为,肿瘤群体中只有干细胞具有很强的自我更新、增殖能力,是维持肿瘤群体生存的关键细胞群。Wnt、Notch和Hedgehog等信号转导通路是调节肿瘤干细胞自我更新增殖的主要通路。当然,即使肿瘤干细胞也是一个异质性的群体,可以进一步划分,有实验证实其中部分肿瘤干细胞的主要功能是维持肿瘤群体的不断更新生长,部分肿瘤干细胞具有迁徙运动以及在陌生环境中生存的能力。

因此目前认为(至少在部分肿瘤中)转移瘤的形成应当由肿瘤干细胞来完成,这是可能是由于干细胞具有无限增殖的潜能。在实验中发现,有时少至一个肿瘤干细胞即可在转移部位形成转移瘤,但分化的肿瘤细胞无法完成这一过程。其次,肿瘤干细胞通常处于静止非增殖状态,一方面对外界环境耐受性强于分化细胞,从而更容易在陌生环境中生存;另一方面,它们对机体免疫功能耐受,对各种放化疗措施不敏感,可以逃逸这种杀伤。在合适条件下,它们即可活化启动增殖分化过程,进一步发展成为转移瘤。这也是转移细胞常常在靶器官呈长时间潜伏状态,在几年甚至十几年后才发展形成临床可见转移瘤的原因之一。此外,由于肿瘤干细胞保持了分化成为原发肿瘤各亚群的能力,因此在到达转移靶器官形成转移瘤的过程中,可显现出与原发瘤基本相同的形态学及其他特性,这就可以解释绝大多数肿瘤的原发瘤及转移瘤非常相似的现象。

EMT是胚胎发育及器官形成过程中的重要环节。在EMT过程中,上皮的表型逐渐被间质细胞表型所取代,上皮标记物表达丢失如E-钙黏素(E-cadherin)下调,β-连环素(β-catenin)的表达部位从细胞膜转向细胞核,而间质细胞标记物如波形蛋白(vimentin)、N-钙黏素等表达上调。目前认为EMT也是肿瘤细胞发生侵袭的关键环节之一。通过EMT表型转换,肿瘤细胞获得更强的运动迁徙能力,更易于在细胞外基质中侵袭及穿越脉管壁。目前已经发现一组称之为E-钙黏素抑制因子的分子,包括Snail家族(SNAI1,SNAI2)、ZEB家族(ZEB1,ZEB2)、bHLH家族(E47,TCF4,TWIST)家族等,它们通过抑制E-钙黏素的表达而促进EMT,其中许多已被证实直接与肿瘤的侵袭转移表型相关。

EMT现象在肿瘤侵袭前沿表现更为明显,病理形态学上往往描述为去分化(dedifferentiation)现象,而越靠近肿瘤中心则分化越明显。由于肿瘤侵袭前沿也是肿瘤干细胞富集区域,Wnt、Hedgehog等信号转导通路也是肿瘤干细胞调节的重要通路,再加上前面提到的肿瘤干细胞是肿瘤侵袭转移主要承担者的假说,因此有人提出EMT也是肿瘤干细胞的一个重要特征。

EMT实际上是一个可逆的过程,发生EMT的细胞在一定条件下可以通过称之为MET(间质-上皮转换)的相反过程从间质表型转换成为上皮表型。即肿瘤细胞在运动及侵袭过程中可表现为间质表型,一旦到达靶器官后就会恢复上皮表型,进一步增殖形成转移瘤。我们经常看到转移瘤和原发瘤之间形态结构非常相似,即是肿瘤细胞经历了EMT和MET后的结果。

肿瘤细胞从原发肿瘤的增殖生长到远处转移瘤灶的形成要经过漫长的行程和诸多生物学应变阶段。只要在某个阶段受到阻碍,肿瘤转移将不能形成。随着对肿瘤转移过程和调控机制的不断深入了解,在分子水平上探索阻断肿瘤转移的新治疗方法,正在成为肿瘤治疗研究的新热点。例如,用肿瘤转移抑制基因 nm23去转染 nm23低表达且具有高转移潜能的肿瘤细胞株,而后接种于动物体内,即发现原高转移潜能的肿瘤细胞转移倾向大大改善,动物存活时间明显延长。

黏附分子的调控对肿瘤细胞的侵袭和转移起重要作用,阻止肿瘤细胞与细胞外基质的结合及肿瘤细胞在基质的移动,也是抗肿瘤转移的一条有益途径。

肿瘤干细胞对常规治疗不敏感,而目前临床治疗方法不是针对肿瘤干细胞。尽管在一定时间内大部分肿瘤细胞会被杀死,但肿瘤干细胞仍然存在,一旦条件合适,这些细胞重新复苏,造成肿瘤的复发转移。因此认识肿瘤干细胞在侵袭转移中的作用,并寻找针对肿瘤干细胞的治疗方法,可能会改变目前对肿瘤转移束手无策的现状,可提供抗转移治疗的新思路。

目前已知肿瘤细胞之间与基质细胞之间的 “沟通”是通过包括各种生长因子、细胞因子、蛋白水解酶系统在内的复杂网络来实现的,这一过程的实现则是紧紧依赖于组织的微环境。所以抑制肿瘤微血管生成进而控制肿瘤转移的治疗方法将具有更重要的意义。

综上所述,肿瘤转移是个复杂的多阶梯级联过程,肿瘤细胞从原发肿瘤的增殖生长到远处转移瘤灶的形成是个受到多种生物学因素影响的漫长过程。随着人类对肿瘤转移过程和调控机制的日益深入的了解,针对肿瘤转移各阶段的生物学特性进行早期诊断,针对肿瘤转移的关键环节如基因突变、血管生成、粘连等专门设计调节阻断手段,有效遏止肿瘤转移终将成为可能。