肿瘤微环境（TME）是癌症的关键组成部分，与恶性细胞共同塑造癌症特性。TME中的非恶性细胞，特别是成纤维细胞、免疫细胞和内皮细胞，发挥着重要作用。
TME涉及肿瘤进展的多个方面，包括治疗耐药、血管生成和转移。其中，肿瘤相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts，CAFs）扮演核心角色，与恶性细胞互动，影响血管生成、免疫功能和髓系细胞招募，对癌症进程产生深远影响。然而，CAFs的异质性和可塑性增加了研究的复杂性，对其功能的理解仍存模糊。因此需进一步深入探索CAFs的作用机制，以发现更有效的治疗策略。
CAFs的定义
CAFs原本是成纤维细胞，但在肿瘤微环境的刺激下，它们会发生一系列变化，“黑化”成恶势力，影响癌症的进展。
它们不仅能够促进癌细胞的增殖和迁移，还能够调节肿瘤微环境的结构和功能，为癌症的生长和扩散提供有利条件。
此外，CAFs还能够与免疫细胞相互作用，影响癌症的免疫逃逸机制。
本篇内容，我们将一起深入探索CAFs的奥秘，了解它们在癌症中的角色和潜在的治疗价值。
▲正常成纤维细胞和CAFs的发现时间
CAFs起源与亚型
CAFs的来源包括先前存在的静止的星状细胞和正常的成纤维细胞（通过激活成为CAFs）、骨髓来源的纤维细胞和间充质干细胞（通过重新招募）、内皮细胞（通过内皮向间充质转化(EndMT））、上皮细胞（通过上皮到间质转化(EMT)）以及周细胞、平滑肌细胞和脂肪细胞（通过转分化）。
炎症CAF（iCAFs）
肌成纤维细胞CAF（myCAFs）
抗原呈递CAF（apCAFs）
TGF-β被视为触发myCAFs表型的核心细胞因子，而促炎细胞因子如IL-1、IL-6和TNF-α则诱导产生iCAFs。
myCAFs的功能主要依赖于细胞外基质的分泌，而iCAFs则侧重于免疫调节因子的释放。尽管已有研究提出IL-1和TGF-β的组合作用，但引发apCAFs形成的特异性刺激因素尚未明确。
总体而言，myCAFs、iCAFs和apCAFs通过不同的机制影响TME，从而发挥促进或抑制肿瘤的作用。
CAFs在TME中的免疫抑制功能
CAFs的职能是通过与TME的其他组成部分直接和间接相互作用而发挥的。这些作用涵盖了多个方面，从抑制细胞毒性免疫细胞的功能、募集促进肿瘤的免疫细胞，到影响细胞外基质（ECM）的沉积和重塑，再到促进血管生成和增强癌细胞的侵袭特性。
不同的CAFs亚型分泌多种趋化因子和细胞因子，如TGF-β、IL-6、IL-8、IL-13、CXCL12、CXCL14和VEGFA，从而抑制固有和适应性抗肿瘤免疫反应。值得注意的是，一些亚群表达PD-L1/2，这是免疫检查点抑制剂的靶标。
CAFs某些亚型产生的代谢物或代谢酶，例如IDO、Arg、腺苷和胰蛋白酶，有利于Treg、肥大细胞和TAM的募集和分化。最后，CAFs可以合成细胞外基质 (ECM) 成分，例如胶原蛋白、纤连蛋白和MMP。多种CAFs亚型会导致ECM硬度增加，从而减少效应T细胞的浸润。
成纤维细胞在TME中的 “黑化”
肿瘤的多步进展需要间质支持，以维持肿瘤的持续生长、转移和异位定植。然而，已有研究表明，正常成纤维细胞在体外对肿瘤细胞的细胞增殖和运动有抑制作用，对体内的上皮性肿瘤的发生也有抑制作用。因此，癌细胞需要将正常的成纤维细胞重新编程为促肿瘤的CAFs。
旁分泌信号和机械刺激共同导致CAFs的产生。一旦激活，CAFs可以反过来产生一个正反馈环路，以维持TME内的这些信号通路，并促进CAFs种群的扩大。
上皮来源的旁分泌信号分子在CAFs重编程过程中起到了关键作用，其中包括TGF-β、IL-1α和PDGF等分子。特别是，TGF-β和IL-1α轴已被证实分别主导myCAFs和iCAFs的分化过程。
当这些信号通路被激活后，我们可以在下游观察到CAFs重编程的标志，比如从氧化磷酸化向有氧糖酵解的代谢转变。因此，在响应TGF-β刺激的CAFs中，氧化应激程序被激活，从而为癌细胞提供能量来源。除此之外，巨噬细胞衍生因子如EGF、TNF-α、IL-6，以及CAFs产生的自分泌分泌因子如TGF-β、IL-1α、IL-6和SDF-1，也构成CAFs分化的另一条途径。这些因子在维持CAFs表型的自我维持反馈循环中发挥着重要作用。
鉴定CAFs的方法
流式细胞术：使用流式细胞术对肿瘤中不同的CAFs亚群进行注释和分类，也使CAFs亚群能够分离，以便进一步实验CAFs表型和功能。
免疫荧光和RNA原位杂交实验：揭示了来自组织样本的CAFs亚型，基于表面和细胞内蛋白标记物和转录本的离散表达。这些方法还揭示了关于TME中CAFs亚型定位的重要空间信息。
scRNA-seq：通过在单细胞水平上对整个转录本的高分辨率表征，提供了关于罕见的CAFs亚型的信息和关于CAFs谱系的潜在信息，从而在许多新的CAFs亚型的分层方面取得了突破。
CAFs 标志物
激活的CAFs展现出的表型异质性，可以通过其在特定TME环境下选择性表达的一系列广泛生物标记来鲜明地体现。
α-SMA：不仅是识别myCAFs的关键，这种形态普遍存在于多数癌症类型中（尽管在胰腺癌和前列腺癌的间质中表达减少），而且还常被用作间充质细胞的通用标记，如血管平滑肌细胞和周细胞。
S100A4：在成纤维细胞上表现出相对特异性。表达S100A4的成纤维细胞通过产生胶原蛋白，在免疫监视中发挥着独特的肿瘤保护作用。此外，CAFs标记物FAP通过其丝氨酸蛋白酶活性参与细胞外基质（ECM）的重塑和纤维化形成，进而加剧激活的肝星状细胞（HSCs）的恶性行为。
PDGFRs：是CAFs的重要标记物。PDGF途径中的信号分子，无论是通过PDGFFRα还是PDGFFRβ，都已成为潜在的药理靶点。尽管CAFs标记物多种多样，但使用细胞表面标记来精确界定CAFs的功能亚群仍是一个具有挑战性的任务。
α-SMA、FAP、S100A4和PDGFR-β可作为CAFs的标志物。然而，这些细胞表面标志物都不是CAFs所独有的，这也突显了成纤维细胞的异质性。虽然这些标记物是非特异性的，但它们结合在一起可能有助于识别CAFs，并且其中一些还具有生物学功能。
▲ 细胞骨架成分和其他细胞质蛋白
α-SMA
表达该marker的其他细胞：正常成纤维细胞、周细胞、平滑肌细胞、内脏平滑肌细胞和心肌细胞；
CAFs中表达水平：上调(前列腺癌中下调)；
生物功能：细胞的收缩性、运动性、结构和完整性；
免疫功能：巨噬细胞募集和M2极化，MDSCs和Tregs募集和分化，T细胞失能，NK细胞失活，DCs耐受和未成熟，TH2和N2极化；
致瘤功能：免疫抑制、ECM重塑、肿瘤细胞增殖、代谢重编程、肿瘤干细胞；
marker表达的肿瘤模型：胰腺癌、肝癌和乳腺癌。
S100A4
表达该marker的其他细胞：正常成纤维细胞、经受EMT 的上皮细胞和巨噬细胞；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：细胞运动、胶原诱导与组织纤维化；
免疫功能：巨噬细胞募集与M2极化；
致瘤功能：免疫抑制、ECM重塑、癌变；
marker表达的肿瘤模型：乳腺癌和致癌媒介的恶性肿瘤。
Vimentin
表达该marker的其他细胞：内皮细胞、经受EMT的上皮细胞和神经元；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：细胞运动、结构和完整性；
marker表达的肿瘤模型：乳腺癌和前列腺癌。
Desmin
表达该marker的其他细胞：皮肤成纤维细胞、周细胞和肌肉细胞；
CAFs中表达水平：下调；
生物功能：细胞的收缩性、运动性、结构和完整性。
▲ 受体和其他膜结合蛋白
FAP
表达该marker的其他细胞：反应性基质成纤维细胞、静止中胚层细胞和 CD45+免疫细胞；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：ECM重塑和纤维生成；
免疫功能：T细胞失能、NK细胞失活、TH2 极化、MDSCs和Tregs 募集；
致瘤功能：免疫抑制、ECM重塑、肿瘤进展和转移；
marker表达的肿瘤模型：超过 90%的人类癌症。
PDGFRα/β
表达该marker的其他细胞：正常成纤维细胞、BMSCs、周细胞、血管平滑肌细胞、骨骼肌和心肌；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：受体酪氨酸激酶活性；
免疫功能：T细胞失能和凋亡；
致瘤功能：免疫抑制、肿瘤生长；
marker表达的肿瘤模型：宫颈癌和结直肠癌。
Podoplanin (PDPN)
表达该marker的其他细胞：主要表达于淋巴管内皮细胞，起源于上皮细胞，肺泡细胞和肾小球足细胞也有表达；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：增殖、收缩、迁移、定植；
免疫功能：T细胞失能、巨噬细胞募集和M2 极化、Tregs 募集；
致瘤功能：免疫抑制、肿瘤生长；
marker表达的肿瘤模型：黑色素瘤、肺癌、乳腺癌等。
CD10
表达该marker的其他细胞：BMSCs，尤其是pre-B淋巴细胞；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：金属内切蛋白酶；
致瘤功能：肿瘤生长和免疫抑制；
marker表达的肿瘤模型：乳腺癌。
CAV1
表达该marker的其他细胞：脂肪细胞、内皮细胞、正常成纤维细胞和I型肺泡细胞；
CAFs中表达水平：上调或下调；
生物功能：支架蛋白；
致瘤功能：肿瘤生长和免疫抑制；
marker表达的肿瘤模型：乳腺癌、胃肠道癌和前列腺癌。
GPR77
表达该marker的其他细胞：多形核中性粒细胞；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：补体激活和促炎信号；
免疫功能：促进巨噬细胞的迁移和吞噬作用；
致瘤功能：化疗耐受和肿瘤形成。
CD90
表达该marker的其他细胞：细胞粘附、迁移、增殖以及信号转导；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：细胞粘附、迁移、增殖以及信号转导；
免疫功能：T细胞耗竭；
致瘤功能：免疫抑制、肿瘤细胞迁移。
▲ ECM成分
Tenascin C
表达该marker的其他细胞：癌细胞；
CAFs中表达水平：上调；
生物功能：细胞粘附；
marker表达的肿瘤模型：乳腺癌和恶性神经胶质瘤。
Collagen I
表达该marker的其他细胞：成纤维细胞、血管平滑肌细胞；
CAFs中表达水平：上调；
免疫功能：巨噬细胞募集和M2 极化；
致瘤功能：免疫抑制、ECM 重塑、血管生成。
以上CAFs标志物已汇总到以下表格，有需要可收藏：
CAFs导向抗癌治疗的主要策略
靶向CAFs的关键信号和效应分子，如趋化因子和生长因子通路，可以用来抑制CAFs的激活或者功能。 通过使用ATRA或calcipotriol等分子，CAFs可以正常化并采用不活跃的表型。 基于CAFs或间充质干细胞(MSC)的细胞疗法可用于输送抗癌药物(如溶瘤腺病毒、TRAIL或IFN)。 CAFs来源的ECM蛋白和相关的信号转导可被靶向诱导基质耗竭。 CAFs可以通过转基因技术或免疫疗法直接耗尽。
小结
几十年来，成纤维细胞在肿瘤间质中丰富但一直被忽视。CAFs在肿瘤生物学中的关键作用已显现并受关注。靶向CAFs或其分泌体为治疗肿瘤提供新方法，减少免疫抑制并重塑TME。
然而，CAFs研究到临床应用仍面临挑战，如CAFs来源、亚型、免疫功能及体内模型等问题。未来需加强遗传命运图谱和单细胞转录分析，以更好理解CAFs的异质性、层次性和可塑性，并准确表征CAF释放因子在肿瘤免疫中的作用。最后，我们也总结了不同器官的主要CAFs亚群和功能，大家可以扫码留资获取。
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