![]()
综述
不断演化的肿瘤微环境：从癌症起始到转移性生长
摘要
癌症代表着复杂的生态系统，由肿瘤细胞和大量非癌细胞组成，嵌入在一个被改变的细胞外基质中。肿瘤微环境（TME）包括多种免疫细胞类型、与癌症相关的成纤维细胞、内皮细胞、周细胞以及各种其他驻留组织细胞类型。过去这些宿主细胞被认为是肿瘤发生的旁观者，但现在已知它们在癌症发病机制中起着关键作用。TME的细胞组成和功能状态会根据肿瘤发生的器官、癌细胞的内在特征、肿瘤的阶段以及患者的个体特征而显著不同。在这里，我们综述了TME在癌症进展每个阶段中的重要性，从肿瘤的起始、进展、侵袭、进入血液（intravasation），到转移性扩散和生长。理解肿瘤细胞内在、外在及系统性因素之间的复杂相互作用，对于合理开发有效的抗癌治疗至关重要。引言
在过去的几十年里，我们对癌症的理解发生了根本性的变化。我们现在认识到，癌症不仅仅是一种遗传疾病，而是一个复杂的生态系统，涉及范围广泛的非癌细胞及其在肿瘤中的无数相互作用。我们意识到，基因改变虽然是癌症发生和进展的必要条件，但并不足够。通过对实体瘤的显微镜检查，这种癌症的复杂性变得显而易见，肿瘤微环境（TME）是一个高度结构化的生态系统，癌细胞被多种不同的非恶性细胞类型包围，共同嵌入一个改变的、血管化的细胞外基质中（图1）。TME包含多种多样的免疫细胞、与癌症相关的成纤维细胞（CAFs）、内皮细胞（ECs）、周细胞，以及其他根据组织类型不同的细胞，例如脂肪细胞和神经元（表1）。起初，这些宿主细胞被视为肿瘤发生的旁观者。然而，随着机制性研究（包括临床前肿瘤模型）的发展，TME细胞及其分泌的分子现在被认为在癌症的发病机制中起着关键作用，因此被认为是具有吸引力的治疗靶点。
根据肿瘤发生的器官、癌细胞的内在特征、肿瘤的阶段以及患者的个体特征，TME的细胞组成和功能状态会有所不同，并且TME中的不同细胞可以起到抑制肿瘤或支持肿瘤的作用。在讨论TME中常常交织在一起的相互对立的过程之前，我们将概述一些基本原理，这些原理是肿瘤发生不同阶段中TME形成和动态演化的基础（图1），其中包括异质性的细胞-细胞通讯以及情境依赖性的重要性。![]()
图1. 原发性肿瘤进展和转移的微环境调控
症进展各个阶段中不断演化的肿瘤微环境（TME）展示了关键的代表性细胞类型。TME包括多种免疫细胞、与癌症相关的成纤维细胞（CAFs）、内皮细胞以及细胞外基质（ECM）等。这些成分可能因组织类型而异，并随着肿瘤的进展共同演化。正常组织的微环境可以通过免疫细胞、成纤维细胞和ECM的抑制功能来限制癌症的生长。然而，为了使癌症进展，肿瘤必须逃避这些抑制功能，并影响TME中的细胞转变为促进肿瘤生长的状态，从而导致原发部位的增殖、侵袭和进入血管（intravasation）增加。TME中的细胞和因子还在准备前转移性微环境（premetastatic niche）、调控循环中的癌细胞存活以及促进其穿出血管（extravasation）方面起重要作用。在转移阶段，TME帮助控制转移细胞的休眠状态、从休眠中恢复以及随后的转移性生长。更多分子细节可见图2、图3和表1。![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
TME形成的基本原则
癌细胞与宿主细胞之间的相互交流癌细胞通过招募和重新编程非癌性宿主细胞，并重塑血管和细胞外基质（ECM），来协调肿瘤支持性环境。这个动态过程依赖于癌细胞与肿瘤微环境（TME）中驻留或招募的非癌性细胞之间的异质性相互作用。最近，利用单细胞转录组数据、肿瘤整体表达谱和空间转录组学的计算分析和建模进展揭示了TME中细胞间信号网络的多样性。这些图谱作为强大的假设生成数据集，引导后续功能研究，这些研究揭示了复杂的细胞间相互作用如何整合，导致TME的形成和演变。细胞间对话的调控机制有多种，包括细胞-细胞接触和旁分泌信号。
接触依赖性通信通过粘附分子介导，包括整合素、钙黏蛋白、选择素和免疫球蛋白超家族成员，同时也通过间隙连接和通道纳米管进行。例如，癌细胞上异常的糖基化唾液酸调节多种相互作用，包括与表达Siglec的免疫细胞的相互作用，从而促进免疫逃逸和肿瘤进展。另一个众所周知的TME中接触依赖性细胞间信号的例子是PD-L1/PD-1通路。癌细胞以及肿瘤相关的髓系细胞常常过表达免疫检查点蛋白PD-L1，该蛋白与适应性免疫细胞上的PD-1受体结合，从而抑制免疫监视。这说明TME通信的分子见解在治疗上具有重要价值，因为通过免疫检查点阻断（ICB）抑制PD-L1/PD-1轴已成为越来越多癌症的标准治疗。![]()
图2. 原发性肿瘤进展及其在肿瘤微环境（TME）中的复杂相互作用
原发性肿瘤的微环境受到各种间质细胞和免疫细胞的支持。在肿瘤启动的早期阶段，癌细胞可能成为免疫系统破坏的目标。成纤维细胞和巨噬细胞最初也可以帮助抑制肿瘤生长，但它们最终可能受到正在发展的癌症的影响，从而获得促肿瘤功能。例如，肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）通过分泌生长因子、细胞因子和蛋白酶来支持血管生成和侵袭。癌相关成纤维细胞（CAFs）可以被激活，分泌细胞外基质（ECM）蛋白和包括VEGF-A在内的血管生成因子，从而进一步促进复杂的相互交织的原发性TME。在肿瘤细胞入血过程中，巨噬细胞定位于血管周围的微环境中，帮助癌细胞通过转移性肿瘤微环境（TMEM）通道穿越血管屏障。除了直接的细胞间接触外，通过细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶的释放进行的旁分泌信号传导对肿瘤微环境（TME）内的细胞间通讯至关重要。这些分子是对癌症内在特征和细胞应激的反应而分泌的，可以来源于TME中的多种细胞类型，并通过与其受体结合或通过细胞外基质（ECM）重塑，对靶细胞产生直接或间接的作用。细胞外囊泡（EVs），包括外泌体的释放，是另一种旁分泌机制，可以改变局部环境，甚至对原发肿瘤部位以外产生深远影响。例如，临床前研究表明，黑色素瘤来源的EVs可以教育骨髓（BM）前体细胞朝向促血管生成表型，从而促进转移形成。癌细胞衍生的表达PD-L1的EVs可以抑制引流淋巴结中的T细胞活化，从而促进肿瘤进展和免疫检查点阻断（ICB）耐药。改变的代谢需求及其伴随的代谢产物分泌在创造支持性TME中的重要性也越来越受到认可。单细胞代谢组学和空间多组学的进展，加上体内实验，预计将提高我们对TME中代谢物交叉对话和竞争的理解。ECM通过作为分泌分子的储存库以及作为细胞粘附和迁移的基质，促进细胞间通讯。蛋白酶对ECM的重塑释放了束缚的分子，从而在局部产生释放介质的高浓度。此外，癌细胞和TME细胞通过包括整合素和CD44在内的受体直接接触周围的ECM，参与癌症中复杂的信号网络。总体而言，肿瘤细胞与非肿瘤细胞之间的对话可以在多个层面和通过多种机制发生。在本综述中，将讨论沿着肿瘤发生轨迹的细胞间TME交互机制的代表性例子。肿瘤微环境（TME）的组成和功能状态在不同患者之间可能有显著差异，甚至在相同癌症类型内也是如此。患者特异性因素包括年龄、性别、生活方式、身体质量指数和微生物组等，这些因素都可以影响TME，而肿瘤发生的器官也会有所影响。不同器官具有独特的组织常驻免疫和基质细胞类型，而组织类型则可以决定这些细胞的功能状态。一个说明性的例子是，不同器官中的巨噬细胞群体在功能上是不同的。例如，肝脏中的常驻巨噬细胞（称为库普弗细胞）在转录组和生理功能上与肺中的肺泡巨噬细胞或大脑中的小胶质细胞不同。技术进步还揭示了其他免疫和基质细胞类型（包括中性粒细胞、成纤维细胞、T细胞、内皮细胞和脂肪细胞）在组织背景下的细胞表型、活化状态和命运的适应性。这些细胞的器官特异性转录程序可能在它们到达组织时受到局部信号的启动，也可能在组织发育过程中就已经被表观遗传学印记，例如长寿命的成纤维细胞。越来越多的认识表明，在稳态条件下细胞的器官特异性印记可以部分解释这些细胞在不同肿瘤类型中的多样表型和功能。例如，在人类和小鼠非小细胞肺癌（NSCLC）中，组织常驻巨噬细胞具有与单核细胞来源的巨噬细胞不同的时间和空间分布及功能。除了器官间细胞编程的差异外，ECM中的基质蛋白组成也各不相同。考虑到ECM在调节细胞表型和行为中的重要性，这种组织依赖的ECM特性有助于生成器官特异性的TME。除了与解剖位置相关的机制外，TME最重要的调节因素无疑是癌细胞本身。支持这一观点的是，胶质瘤（发生在大脑中的肿瘤）与源自颅外肿瘤的大脑转移肿瘤具有不同的免疫景观。显然，癌细胞内在特征，包括改变的（表观）遗传学、代谢重编程和失调的信号传导，是肿瘤如何塑造其微环境的关键决定因素。临床前研究表明，操控癌细胞的内在连线可以改变分泌组，改变细胞表面受体或配体，影响EVs的载荷和丰度，修改营养物质的使用，从而导致肿瘤免疫环境的广泛变化和ICB反应的受损。例如，KRasG12驱动的肺腺瘤中Myc的激活导致上皮细胞分泌CCL9和白介素-23（IL-23），这创造了一个炎症、血管生成和免疫抑制的TME，从而增强肿瘤发生。在黑色素瘤中，肿瘤内在的β-连环蛋白信号传导诱导转录抑制因子ATF3的表达，这抑制了CCL4的分泌，导致CD103+树突状细胞（DC）的招募受损，进而造成T细胞排斥和ICB耐药。最后，癌细胞中Trp53的突变或缺失导致了富含髓系的免疫抑制环境，促进了肿瘤进展、转移和ICB耐药。随着高分辨率剖析技术的迅速发展，癌细胞内在特征与TME之间的更多关联将被揭示，而这些关联在经过实验验证因果关系后，可能为个体肿瘤的TME靶向策略的合理设计奠定基础。肿瘤发起：组织稳态的破坏
恶性细胞在成功形成肿瘤的过程中必须克服多个瓶颈，其中许多瓶颈依赖于颠覆来自周围组织的正常信号，随后劫持微环境过程以支持正在发育的肿瘤。在这一部分，我们将更深入地探讨新生肿瘤如何逃避免疫攻击，如何将周围基质转变为支持肿瘤的微环境，以及它们如何获得足够的氧气和营养以满足其高代谢需求。肿瘤发起：从免疫攻击到免疫逃逸的平衡倾斜
我们的免疫系统对抗致命病原体、促进伤口愈合和消灭受损细胞至关重要。为了执行这些功能，免疫系统具有极大的多样性和适应性，具备严格控制机制以限制组织损伤并恢复稳态。然而，尽管适应性免疫细胞能够识别并消灭病原体和表达非自身抗原的细胞，癌细胞依然能够逃避破坏并发展为完全肿瘤。研究发现，特异性识别癌细胞表达的（新）抗原的T细胞可以在已建立的肿瘤中被检测到，高密度的T细胞和T细胞激活特征与各种癌症类型的改善生存率相关，这表明适应性免疫系统具有识别癌细胞的潜力。实际上，使用高度免疫原性的肿瘤模型的临床前研究为癌症免疫监视理论提供了早期实验证明，该理论假设适应性免疫系统可能限制和塑造肿瘤。然而，许多正在发展的癌症成功地防止或对抗免疫攻击，甚至在肿瘤发起的早期阶段就是如此。例如，尽管具有抑制适应性免疫系统的患者（如艾滋病患者或接受器官移植者）发展与病毒相关的恶性肿瘤的风险增加，但许多与病毒无关的上皮癌的发生率并没有增加。类似地，在多种转基因小鼠模型中，遗传性去除适应性免疫细胞成分并不总是增加肿瘤发生率，有时甚至会减少。这些发现强调了更好地理解癌症中免疫逃逸机制的必要性。最近的研究利用单细胞技术和多重空间分析揭示了癌前进展的最早步骤以及免疫环境中的空间、分子、结构和功能变化的共同演变。对肺癌进化的分析表明，最初的低级病变特征是初始的幼稚T细胞的涌入，表明免疫系统在最早阶段就感知到了转变。然而，随着病变的进展，观察到了向激活的T细胞和髓系细胞的积累以及参与免疫抑制的基因上调的过渡。类似地，对乳腺导管原位癌（DCIS）与正常乳腺组织的免疫细胞组成比较显示，在DCIS中总白细胞数量更多、中性粒细胞增多且CD8/CD4比率降低。DCIS向浸润性导管癌的进展伴随着向一种免疫抑制的微环境的转变，该微环境特征是激活的CD8+ T细胞减少、PD-L1和CTLA4表达增加、调节性T细胞（Tregs）增多以及T细胞受体（TCR）克隆型的多样性减少。在头颈癌患者中，早期疾病与引流淋巴结中的免疫刺激性中性粒细胞相关，而后期肿瘤阶段则转变为免疫抑制性中性粒细胞。这些对患者样本的分析表明，早期肿瘤病变被适应性和先天免疫系统感知，随着这些病变的进展，向免疫抑制的微环境的转变随之而来。在临床前肿瘤模型中的研究进一步支持了在肿瘤进展早期免疫逃逸的发生。对由转基因乳腺癌模型中Brca1和p53功能丧失驱动的癌前阶段进行时间分辨的单细胞分析显示，潜在免疫抑制环境的早期建立特征是调节性T细胞和组织驻留巨噬细胞的积累。同样，在具有Kras突变的小鼠中，癌前进展的早期因通过alarmin细胞因子IL-33引发的组织损伤而加速。重组IL-33的给药足以导致染色质失调，并加速Kras突变胰腺内上皮肿瘤（Pan-IN）的发展，说明基因-环境相互作用如何触发癌症基础的基因调控程序。肿瘤发起过程中免疫逃逸的时机和机制可能依赖于组织背景、肿瘤启动的基因改变和宿主特征。一些癌症在慢性炎症后出现，因此利用已经被颠覆的髓系-适应性免疫细胞之间的交互作用来促进免疫抑制。慢性炎症的组织通常特征是Th2型免疫反应和朝向免疫抑制功能状态极化的髓系细胞的积累，这些细胞分泌反应性氧种（ROS）、促炎细胞因子、趋化因子、生长因子和促血管生成介质。这些因素共同导致组织损伤、上皮突变、内皮功能障碍和血管生成、免疫抑制以及基质重塑，最终导致肿瘤的发起和进展。推动肿瘤发起的炎症状态的著名实例包括慢性炎症性肠病（增加结直肠癌风险）、慢性肝炎和非酒精性脂肪肝病（导致肝癌）、以及石棉诱导的炎症（可导致间皮瘤）。肥胖引起的慢性炎症也与多种癌症类型（包括乳腺癌和子宫癌）风险增加有关。无论癌症是作为长期慢性炎症的结果发展，还是初始肿瘤在肿瘤发起的早期阶段调动肿瘤支持性炎症环境，几乎所有正在进展的肿瘤都引起不同程度的T细胞、自然杀伤细胞（NK细胞）和树突状细胞（DC）的排斥或触发CD8+ T细胞功能障碍的程序。与此同时，肿瘤同时刺激髓系细胞（特别是巨噬细胞和中性粒细胞）的招募和激活，这些细胞共同形成肿瘤支持性炎症微环境。肿瘤进展的催化剂：炎症
癌症引起的炎症常常被比作伤口中的炎症反应。然而，尽管伤口愈合特征为适应性和先天免疫细胞之间的良好协调动态相互作用，导致炎症消退和恢复组织稳态，但在肿瘤发展的背景下，炎症则表现为一种被颠覆的适应性-先天免疫细胞间的相互作用，并未得到解决。在持续的炎症信号、缺氧、低pH值和代谢物水平变化的影响下，这种炎症变为慢性且具破坏性。因此，Dvorak提出肿瘤就像不愈合的伤口。在本节中，我们讨论癌症相关炎症的几个关键特征。由于决定肿瘤相关免疫细胞组成、空间组织和激活状态的机制多种多样，且在不同肿瘤间差异显著，考虑到炎症的类型及其对癌症进展的影响因肿瘤类型和患者不同而异非常重要。随着肿瘤的生长，伴随细胞毒性CD8+ T细胞和自然杀伤（NK）细胞的逐渐减少，功能失调的CD8+ T细胞、免疫抑制的CD4+FoxP3+ T细胞及调节性B细胞逐渐增加，CD4+ T细胞倾向于亲炎症的Th2表型，树突状细胞（DC）则显示出成熟和功能缺陷。同时，髓系细胞逐渐被动员至肿瘤微环境（TME），并适应局部炎症信号。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）和中性粒细胞（TAN）往往是不同TME中最丰富的髓系细胞，且被广泛研究。肿瘤来源的关键介质驱动这些细胞的动员和激活，包括CSF-1、CCL2、VEGF-A、肿瘤坏死因子α（TNF-α）和类神经素3A用于巨噬细胞，G-CSF、GM-CSF、IL-6、CXCL1、CXCL2、IL-1β和IL-8用于中性粒细胞。它们在人体肿瘤中的存在通常与不良预后和治疗反应差相关，尽管在某些情况下，它们的丰度与良好结果相关。最近的研究揭示了肿瘤相关髓系细胞的巨大多样性和可塑性。从最初将其简单分类为经典激活与替代激活，即M1和M2巨噬细胞或N1和N2中性粒细胞，单细胞转录组分析和功能分析提供了重要的新见解。例如，单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析显示个别肿瘤中存在多个巨噬细胞和中性粒细胞亚群，揭示了TAM同时共表达典型的M1和M2标志基因。目前尚不清楚这些亚群是代表不同种群还是同一种群的不同状态。然而，越来越多的研究支持这些不同的髓系细胞簇展示出独特且有时相反的功能性。例如，尽管TAN通常表现出免疫抑制功能，但在早期人类肺肿瘤中，发现一个独特的TAN亚群具备抗原呈递能力。在TAM群体中，也发现具有免疫抑制或促血管生成特征的亚群。最近的全癌症分析揭示，不同肿瘤类型之间的巨噬细胞亚群表现出不同的转录组模式，支持了器官和癌症类型特异性印记肿瘤相关髓系细胞的概念。了解癌症中髓系细胞亚群的完整谱系，包括肿瘤内外，是设计策略以治疗性利用具有抗癌特性的髓系免疫亚群，同时抑制或消耗那些支持肿瘤的细胞的关键。在不断发展的肿瘤中，巨噬细胞多样性中的另一个复杂层面是，组织常驻巨噬细胞（最初由胚胎来源的巨噬细胞在许多器官中播种）与招募的单核细胞来源的巨噬细胞在功能上是不同的。尽管尚未描述中性粒细胞在起源上的相似差异，但前临床研究揭示，肿瘤引发的炎症介质会重新编程骨髓造血，偏向髓系谱系并改变骨髓中中性粒细胞的输出。这之后，随着它们在特定组织和肿瘤中的命运和行为的转录组和表观遗传适应，这一过程进一步发展。与TAM和TAN丰度与患者预后不良之间的显著关联一致，消耗、抑制或重新编程这些细胞在小鼠模型中损害了许多癌症类型的发展或进展，并改善了化疗、放疗和免疫疗法的疗效。然而，在某些前临床环境中，巨噬细胞或中性粒细胞的总体效果则是抗肿瘤的。是否这些抗肿瘤特性是由某些癌症（亚）类型、阶段或其他与肿瘤或宿主相关的特征引发，需要详细调查。肿瘤相关的髓系细胞显示出高度的功能可塑性（注：细胞的可塑性），并能影响许多肿瘤发生过程，包括（1）通过调节癌细胞的增殖、生存和侵袭能力直接影响癌细胞的命运和行为；（2）创建免疫抑制的TME；（3）激活肿瘤血管生成；以及（4）重塑细胞外基质（ECM）。我们对不同肿瘤中发生机制的理解仍然有限，且不同机制可能在同一肿瘤中共存，可能限于肿瘤内的特定空间区域，或可能在癌症进展过程中依次激活。在此我们强调几个例子，展示了TME中髓系细胞效应机制的丰富多样性，并建议读者参阅最近的综述以获取详细讨论。一种重要的机制是，慢性激活的巨噬细胞和中性粒细胞如何通过产生反应性氧和氮物种直接促进上皮细胞的恶性转化。这些肿瘤相关的髓系细胞还分泌丰富的生长因子和细胞因子，修饰癌细胞的命运和行为，包括表皮生长因子（EGF），可维持癌细胞增殖和迁移；肝细胞生长因子（HGF），可增加癌细胞的转移潜力；以及转化生长因子β（TGF-β）、IL-6和IL-10以及GPNMB，这些因子支持癌细胞干性（注：这些因子保持了癌细胞的干性）。然而，在某些条件下，例如在一些早期肿瘤或抗体治疗期间，髓系细胞也可以杀死或吞噬癌细胞，或有助于抗体依赖的细胞毒性，突显这些细胞在TME中的相对作用。除了直接影响癌细胞外，TAM、它们的单核细胞前体、中性粒细胞和较少研究的肥大细胞还可以通过协调TME中的肿瘤支持过程间接促进肿瘤发生。预临床研究的证据表明，消耗或功能重编程TAM或TAN可减少肿瘤浸润T细胞中的免疫耗竭程序，恢复抗肿瘤免疫反应，并与免疫检查点抑制（ICB）疗法产生协同效应。髓系细胞采用多种机制来支持肿瘤的免疫逃逸。它们可以分泌抑制性介质来抑制T细胞和NK细胞，包括IL-10、反应性氧种（ROS）、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、精氨酸酶1和TGF-β，表达免疫检查点分子如PD-L1，并产生炎性介质IL-1β、TNF-α和IL-6以增强炎症反应。例如，在早期人类肺癌中，一类渗透的巨噬细胞高水平表达PPARγ、降低CD86并增加PD-L1，与较健康肺组织中的巨噬细胞相比，T细胞和NK细胞的存在减少。全癌症scRNA-seq分析识别到一种IL-4l1+ PD-L1+ IDO1+ TAM亚群，与T细胞耗竭、色氨酸降解和Treg积累相关。与此一致，预临床研究表明，巨噬细胞通过促进Treg的扩增和常规CD4+ T细胞转化为Treg，促进了肿瘤内抑制性Treg的内源性池。由于其RNA含量低，TAN在scRNA-seq数据集中往往被低估。然而，有充分的临床和实验证据证明它们在肿瘤内和系统性地具有强大的免疫抑制能力。实际上，由于这种功能，这些中性粒细胞和单核细胞常常被统一称为髓系来源的抑制细胞（MDSCs）。由于这些细胞的免疫抑制能力只是它们能够施加的多种肿瘤支持功能的一个方面，本文将遵循传统命名法。一种新兴机制是，髓系细胞通过其在TME中的代谢适应以及营养物质和必需氨基酸的耗竭，促进癌症中的免疫逃逸和血管生成。肿瘤相关的髓系细胞通常具有改变的糖酵解活性和对谷氨酰胺和脂肪酸的增加消耗，这可以通过营养和免疫机制支持肿瘤生长。例如，肿瘤诱导的中性粒细胞中脂肪酸转运蛋白2（FATP2）上调，促进花生四烯酸转化为前列腺素E2，从而增强其促肿瘤的免疫抑制特性。髓系细胞也可以通过耗竭TME中的半胱氨酸和半胱氨酸抑制T细胞激活。有关髓系细胞在TME中代谢可塑性的详细概述，请参阅最近的综述。除了调节免疫抑制外，髓系细胞还在肿瘤发生和进展期间协调细胞外基质（ECM）重塑和血管生成。这些过程以及肿瘤相关免疫细胞如何促进这些过程将在下面讨论。CAF和ECM重塑在不断发展的TME中的多面角色
除了免疫细胞外，癌相关成纤维细胞（CAFs）是许多肿瘤的主要组成部分。一些肿瘤，如肝细胞癌，的发展是由于异常激活的成纤维细胞，尤其是在纤维化或肝硬化的肝脏中。其他类型的癌症也可以诱导纤维化，通常称为肿瘤性纤维化，在其发生和进展过程中。最近的单细胞技术的进步揭示了CAFs在表型和功能上的多样性。例如，人类胰腺腺癌（PDAC）前体病变的scRNA-seq揭示了肿瘤发生过程中CAFs亚群的组成和转录组的动态变化。早期的巴雷特食道向食管腺癌的进展以基质和成纤维细胞的炎症相关基因表达增加为特征。同样，在多个小鼠模型中，CAFs的组成和转录组的改变是肿瘤发生早期的事件，这些变化随着肿瘤的进展而演变。CAFs在肿瘤中的起源仍存在争议，可能因肿瘤阶段和癌症类型的不同而有所变化。早期阶段肿瘤中局部组织常驻成纤维细胞的扩增可以成为CAFs的来源。其他研究揭示，一些组织具有不同的成纤维细胞谱系，这些谱系可以导致不同的细胞状态或功能多样的CAFs亚群。CAFs也可以通过其他细胞类型的转化而产生，包括肌成纤维细胞、骨髓来源的间充质干细胞（MSCs）、星状细胞和脂肪细胞来源的CAFs。这些不同的CAFs起源增加了它们的表型和功能异质性。CAFs还对TME中动态变化的信号表现出可塑性。这种可塑性的程度尚不完全清楚，但最近的研究表明，CAFs由多个亚型组成，这些亚型在肿瘤进展中发生变化，并且在空间上受到调控。在胰腺癌中，存在三种不同的CAFs亚型共存：肌成纤维细胞（myCAFs）、炎症CAFs（iCAFs）和抗原呈递CAFs（apCAFs），它们具有功能上不同的特性和转录组可塑性。在其他类型的癌症中，也发现了类似但更多的CAFs亚群。有趣的是，CAFs簇的分布可以随机械转导的中断或免疫治疗后变化，这表明了调节CAFs亚群组成的策略。CAFs通过多种机制在TME中被激活，包括暴露于炎症介质、ECM的刚度和组成变化以及代谢物的改变。关键的可溶性激活因子包括TGFβ、IL-1、IL-6和TNFα，这些因子也驱动正在发展中的肿瘤的慢性炎症，强调了炎症与CAFs之间在肿瘤发生和进展中的联系，如下文所述。基质刚度通过刺激CAFs中的YAP和MRTF-SRF调控网络，促进转录重编程，驱动纤维化反应、ECM蛋白的生成、血管生成和癌细胞的侵袭。肿瘤来源的信号也可以调节CAFs中的复杂信号网络。例如，在PDAC中，癌细胞通过旁分泌方式激活CAFs中的Hedgehog信号通路。早期的前临床研究表明，靶向Hedgehog通路可以提高PDAC肿瘤对吉西他滨的敏感性。然而，Hedgehog通路抑制剂与化疗联合的临床试验未显示任何治疗益处，在某些情况下甚至加速了肿瘤进展。现在认识到Hedgehog信号在myCAFs和iCAFs中有不同的激活。因此，Hedgehog通路的抑制减少myCAFs而增加iCAFs，导致TME更加免疫抑制。类似于肿瘤相关免疫细胞，CAFs在TME中同样发挥着多样化和功能相对的作用。CAFs促进肿瘤发展的早期证据来自于癌细胞与CAFs共注射的小鼠实验。进一步的前临床研究中，通过基因或治疗性靶向内源性CAFs，揭示了CAFs强大的促肿瘤作用。然而，消耗或靶向特定CAFs亚群，包括肌成纤维细胞，在某些小鼠模型中加速了肿瘤生长，暗示在不同的TME中存在功能相对的CAFs亚群。CAFs主要负责在TME中进行ECM沉积和重塑。例如，TME中的纤维化导致组织刚度，这与胰腺癌和乳腺癌患者的预后不良显著相关。ECM的机械特性直接影响癌细胞的信号传导和行为，此外还影响免疫细胞的招募和激活，并减少药物对肿瘤的渗透。此外，在这个背景下，CAFs和免疫细胞协同作用。纤维化肿瘤具有炎症表型，炎症促进纤维化。髓系细胞是ECM重塑酶的一个重要来源，包括基质金属蛋白酶（MMPs）和半胱天冬酶，以及交联胶原蛋白的酶，包括赖氨酸氧化酶（LOX）。在多个前临床模型中，这些已被证明促进肿瘤发生、侵袭和耐药性。最近的研究揭示，CAFs可以通过多种机制帮助肿瘤逃避免疫控制。在人类癌症中，CAFs与T细胞功能失调和排斥相关，前临床研究表明，CAFs通过分泌CXCL12和TGF-β直接防止T细胞的招募或激活，或通过ECM沉积形成物理屏障。在患者中，CAFs诱导的T细胞排斥可能是肿瘤发生早期的事件，因为MYH11+ αSMA+ CAFs在一些早期NSCLC病变中形成肿瘤巢周围的单层，且与肿瘤巢内T细胞密度的减少相关。有趣的是，在PDAC中，一部分表达主要组织相容性复合体（MHC）II类的CAFs表现出类似于CD4+ T细胞的抗原呈递能力，但缺乏共刺激分子，这可能导致T细胞激活缺陷，从而为CAFs提供了另一层免疫调节功能。CAFs还通过分泌介质（如IL-6、IL-1β、VEGF、CSF-1、CCL2和几丁质酶3类1）动员和编程免疫抑制性髓系细胞，间接干扰抗肿瘤免疫，并促进Treg的积累和免疫抑制活性。这些CAFs的免疫调节特性为逆转免疫抑制和改善免疫检查点抑制治疗提供了有趣的机会。实际上，多项前临床研究表明，经过CAFs调节后，T细胞的涌入和免疫检查点抑制的疗效增强。进一步对CAFs与免疫细胞之间相互作用的机制理解，以及不同患者和癌症类型之间的异质性，可能会激发新型组合疗法的开发，旨在逆转CAFs诱导的免疫抑制，同时刺激T细胞功能。CAFs还直接影响癌细胞。在人类乳腺癌和肺肿瘤样本中，一个CD10+GPR77+ CAF亚群通过分泌IL-6和IL-8为癌干细胞提供生存生态位，从而促进肿瘤形成和耐药性。在结直肠癌中，CAFs通过TGF-β驱动分泌IL-11，促进转化生长因子130/STAT3依赖的扩散癌细胞生存程序。胰腺肿瘤发生诱导的胰腺星状细胞脂质代谢转变导致溶血磷脂酰胆碱的分泌，支持PDAC细胞增殖和迁移以及AKT的激活。这些代表性例子表明CAFs改变癌细胞信号和行为的机制既多样又依赖于组织。总之，CAFs功能的星座高度多样且依赖于上下文。最近在单细胞测序、多组学方法、精细谱系追踪模型的进展，以及对特定CAFs亚群的功能特性的上下文理解，将促进针对肿瘤促进CAFs亚群的精细靶向策略的发展。血管生成促进癌症进展
血管生成，即新血管的形成，是肿瘤发生的关键过程（图1）。一旦肿瘤生长超过1-2毫米，它必须建立自己的氧气和营养供应。尸检研究显示，在一些看似健康的个体中，多个器官（包括乳腺、前列腺和甲状腺）中发现了微小的静止肿瘤，其出现频率远高于这些组织报告的癌症发病率。缺乏血管生成被认为是一些微小病变未发展为侵袭性癌症的原因，使其保持在休眠状态。在健康组织中，血管是稳定的，内皮细胞（ECs）作为血管的主要构建块并不积极分裂。相比之下，肿瘤发生期间血管生成的开始，也称为血管生成开关，是一个复杂的过程，涉及内皮细胞、周细胞、壁细胞、癌细胞、肿瘤相关免疫细胞和癌相关成纤维细胞（CAFs）之间广泛的相互作用。新毛细血管从现有血管中发芽时，血管的物理变化以及内皮细胞的显著异质性和可塑性已被详细描述。肿瘤血管不断暴露于促血管生成的信号中，导致血管组织无序、漏出和扭曲，周细胞覆盖缺陷和内皮细胞的不连续衬里。这影响肿瘤的氧合，改变免疫细胞的动态，并减少药物进入肿瘤的能力。一种替代的血管化过程涉及血管搭便车，即肿瘤扩展现有血管，而无需刺激新的血管生成。癌细胞可以沿宿主血管的外侧迁移，这些血管可能会被纳入正在发展的肿瘤。血管仿生代表了另一个肿瘤获得循环系统进入的策略，在黑色素瘤和胶质母细胞瘤中有报道。这涉及形成以癌细胞为内衬的通道，伴随或不伴随基质蛋白沉积，与现有血管相连。这些过程背后的机制尚未完全理解，但它们可能使肿瘤抵抗抗血管生成疗法。
缺氧，即组织中的氧气缺乏，是血管生成的主要触发因素。许多对缺氧作出反应的分子可以促进血管生成开关，其中血管内皮生长因子（VEGF）及其下游信号通路是主要驱动因子。在患者中，高肿瘤内和全身VEGF水平与各种癌症类型的预后不良相关。抑制VEGF信号可以阻止小鼠中的血管生成和肿瘤生长，表明血管生成是肿瘤发生的关键步骤。促进血管生成的其他分子，如基本成纤维生长因子（FGF2）和胎盘生长因子（PIGF），也存在于肿瘤中，以及包括肿瘤坏死因子（TNF）、BV8和粒细胞集落刺激因子（G-CSF）等炎症介质。肿瘤演化过程中血管网络的形成和持续适应是由癌细胞和宿主细胞以上下文依赖的方式调节的。在这一部分，我们强调髓系细胞和CAFs作为肿瘤血管生成的典型驱动因素。如需进一步讨论其他肿瘤相关宿主细胞如何调节血管生成，我们建议读者参考全面的综述。肿瘤相关髓系细胞通过促血管生成介质（包括VEGF-A、FGF2、PIGF、TNF和BV8）促进肿瘤血管生成和增加血管通透性。这些细胞还产生如基质金属蛋白酶（MMPs）和半胱天冬酶等蛋白酶，分解细胞外基质（ECM），释放被隔离的促血管生成分子，使其生物可用性提高。越来越多的证据表明，特定亚群的髓系细胞具有促血管生成功能。例如，产生MMP-9和BV8的中性粒细胞在胰腺岛细胞癌模型中驱动血管生成。表达TIE-2的巨噬细胞在肿瘤的血管周围小环境中驱动不同小鼠肿瘤模型中的血管生成。经历代谢变化的缺氧肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）还通过与内皮细胞争夺葡萄糖，促进无序和不稳定肿瘤血管的形成。对多种人类癌症中肿瘤相关髓系细胞的单细胞谱系分析已识别出具有突出的血管生成基因特征的亚群，尽管这些细胞的统一分子注释尚未建立。重要的是，血管与免疫细胞之间的相互作用是双向的。越来越多的证据表明，肿瘤诱导的血管生成有助于免疫抑制和免疫逃逸。例如，调节免疫细胞归巢和迁移的血管黏附分子可以被下调。肿瘤相关内皮细胞表达较低水平的ICAM-1、VCAM-1、E-选择素和P-选择素，导致免疫细胞浸润肿瘤的屏障。相反，抑制性免疫检查点分子（包括IDO、TIM3和PD-L1）可以在肿瘤血管上上调。此外，有报道显示，内皮细胞诱导的FasL表达会选择性地杀死效应CD8+ T细胞，从而导致免疫逃逸。单细胞研究揭示了不同内皮细胞亚群在健康和疾病中的免疫调节表型的新见解。促血管生成介质还可以直接影响免疫细胞。例如，VEGF-A抑制树突状细胞的成熟，增加调节性T细胞（Tregs）数量，增强肿瘤相关髓系细胞的免疫抑制状态。最后，肿瘤血管、细胞外基质（ECM）和缺氧小环境的物理特性改变也影响免疫细胞的浸润和功能。同样，肿瘤淋巴管也具有重要的免疫调节特性。与血管内皮细胞相似，淋巴管内皮细胞可以通过多种机制抑制T细胞反应，包括免疫检查点分子的表达和在缺乏共刺激分子的情况下进行抗原呈递。高水平的VEGF-C，淋巴生成的主要驱动因子，与转移增加和生存率降低相关。然而，矛盾的是，在黑色素瘤中，免疫治疗在VEGF-C水平高和明显淋巴生成的肿瘤中效果更好。理解血管生成与免疫抑制之间的肿瘤支持性双向反馈可能有助于利用抗血管生成疗法来逆转免疫抑制并恢复抗肿瘤免疫。实际上，在前临床研究中，破坏血管生成可以提高多种免疫疗法的有效性。强调肿瘤微环境（TME）的复杂互联性，CAFs也是肿瘤血管生成的重要协调者。与免疫细胞类似，CAFs产生多种促血管生成介质，包括VEGF-A、FGF2和CXCL12等。此外，CAFs通过在TME中招募和激活具有促血管生成能力的内皮祖细胞和髓系细胞，间接促进肿瘤血管生成。此外，CAFs介导的纤维化反应影响正在发展的肿瘤的血管化。CAFs产生胶原交联酶，包括赖氨酸氧化酶（LOXs）和羟化酶，以及降解细胞外基质的蛋白酶，改变肿瘤的机械特性并影响血管生成。然而，细胞外基质蛋白水解后释放的一些胶原碎片，如内皮抑制因子和肿瘤抑制因子，能够抑制血管生成，这表明在TME中，CAFs依赖的促血管生成和抗血管生成过程同时存在。为转移性扩散奠定基础
癌细胞的侵袭与迁移
一旦肿瘤成功建立了血管生成、炎症和纤维化之间的相互强化连接，它们就可以进入疾病进展的下一个阶段：局部侵袭。侵袭性生长是癌症的一个关键特征，为转移性扩散奠定了基础（图1和图2）。侵袭是一个复杂的多步骤过程，涉及癌细胞相互脱离、从原发肿瘤团块迁移并侵入周围基质。癌细胞可以作为单个细胞或以链条或簇的形式集体侵袭。在侵袭过程中，癌细胞暴露于肿瘤微环境（TME）的变化的细胞和分子组分中，必须改变表型以完成这一过程。为了与邻近癌细胞脱离，必须破坏上皮细胞间的粘附。细胞间粘附蛋白E-钙黏素的丧失是这一过程的核心，通常伴随着类似上皮—间质转变的状态。癌细胞失去上皮特征并获得促进干细胞特性和迁移的间质特征。TME中的信号促进癌细胞的表型切换，从而使其能够局部侵袭（图2）。例如，在HER2+乳腺肿瘤发生的小鼠模型中，来自上皮和髓系细胞的CCL2招募了CD206+Tie2+巨噬细胞，这些巨噬细胞下调E-钙黏素连接并刺激Wnt信号通路。这导致了一种类似上皮—间质转变的反应，促进了早期扩散。通过CSF1R抑制去除巨噬细胞可逆转这一过程，导致超增生导管中E-钙黏素表达增加和癌细胞扩散减少。在非小细胞肺癌（NSCLC）的早期阶段，癌细胞位于靠近组织常驻肺泡巨噬细胞的位置。对早期小鼠NSCLC病变中分离的肺泡巨噬细胞进行转录组分析显示，抗原呈递和组织重塑基因（包括蛋白酶）表达增加。机制性体外和体内研究表明，组织常驻巨噬细胞在邻近癌细胞中诱导了上皮—间质转变和侵袭表型。癌细胞表型塑性的强大诱导因子是TGF-β，它可以由癌细胞本身或TME中的宿主细胞分泌。例如，与CAF相关的TGF-β信号增强了癌细胞在体外和体内条件下的侵袭。此外，基质金属蛋白酶（MMPs）和猫肽酶的催化活性通过从上皮细胞上切割E-钙黏素以及调节整合素来改变癌细胞的生物物理特性，这使得癌细胞能够适应不同硬度的基质。虽然E-钙黏素的丧失和表型塑性促进了癌细胞的侵袭，但并非所有肿瘤在转移扩散过程中都会经历类似上皮—间质转变的切换。保持上皮特征的癌细胞的侵袭机制尚不完全清楚，但越来越多的证据表明，CAF通过其重塑特性在基质中物理生成通道，并施加拉力，促进集体癌细胞的侵袭。CAF与癌细胞通过E-钙黏素/N-钙黏素连接的异质性粘附触发了癌细胞的机械转导反应，使集体侵袭成为可能。其他TME细胞也可以促进癌细胞的侵袭（图2）。例如，神经周围侵袭（PNI）是一种癌细胞沿神经局部扩展的过程，在多种实体瘤类型中观察到，并与不良预后相关。在PDAC相关PNI的小鼠模型中，PNI部位的施旺细胞释放CCL2，吸引了炎性单核细胞。随后，这些细胞分化为产生猫肽酶B的巨噬细胞，增强了神经侵袭。小鼠乳腺癌模型中的活体显微成像（IVM）研究表明，EGFR+癌细胞的侵袭和迁移依赖于EGF-producing TAM的共同迁移。这些发现共同表明，CAF、免疫细胞和组织常驻细胞的共适应促进了癌细胞的侵袭性行为。在健康组织中，基底膜在上皮和下方基质之间形成物理屏障。为了使癌细胞能够侵袭周围组织（图1），必须突破这一屏障。癌细胞能够做到这一点依赖于多种因素，包括它们的内部编程、基质的结构以及TME中的信号线索。CAF在通过分泌蛋白酶和施加收缩力来重塑基底膜和基质网络方面是关键角色，从而在基底膜中产生间隙，供癌细胞穿越。随后，癌细胞受到基质成分和机械特性的影响，以及间质流体压力，这些都会影响它们的迁移和侵袭能力。它们可以通过整合素和其他跨膜受体感知重塑和交联的基质分子，从而影响癌细胞内源性信号并增强侵袭和迁移。例如，坚硬的基质会促使癌细胞上的整合素聚集，这刺激了FAK/Src复合体的组装及下游PI3K/Akt和ERK信号的激活，促进癌细胞的侵袭、迁移和存活。在各种小鼠肿瘤模型中，抑制基质重塑和基质交联的药理或遗传方法、抑制FAK以及其他降低基质硬化或癌细胞对坚硬基质反应的策略都减缓了肿瘤发生。进入血管内
转移级联反应中的下一个限制性步骤是癌细胞进入血液或淋巴循环（图1）的内皮细胞内侵。癌细胞跨越内皮层进入循环的机制复杂，依赖于具体情况，并受到癌细胞内在特征、基质的物理特性、血管类型、微环境线索和缺氧程度的影响（图2）。如前所述，肿瘤中血管的完整性通常受到损害。血管基底膜和内皮屏障可能会受到破坏，这增加了血管的渗透性并促进了癌细胞的内侵。小鼠活体显微镜（IVM）研究为内侵过程提供了重要见解。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）常常与内侵的癌细胞相关联。小鼠中植入PyMT乳腺肿瘤的IVM和机制实验显示，位于血管近端的CXCL12分泌的CAF可以吸引TAM和伴随的癌细胞向血管周围区域移动，在那里发生内侵。由TIE2+血管周围TAM诱导的VEGF-A信号导致血管连接的局部丧失，导致血管通透性暂时增加，从而促进癌细胞的内侵。因此，巨噬细胞的去除可以减少血管通透性和循环肿瘤细胞（CTCs）的数量。除了创建进入血管的通道外，TAM还直接重编程癌细胞以进行内侵过程。巨噬细胞激活癌细胞中的RhoA信号，这在体外诱导癌细胞形成侵袭足并随后的内侵。此外，TAM通过Notch-Jagged信号促进癌细胞中的干细胞特性编程，导致迁移缓慢、富含侵袭足的癌细胞表型，从而增强其内侵能力。包含VEGF表达的TIE2+巨噬细胞、癌细胞和内皮细胞（ECs）的三元结构，亦称为转移微环境（TMEM）“入口”，以接触依赖的方式促进内侵（图2）。TMEM在人的乳腺肿瘤中被观察到，其密度预测远处转移的高风险。在接受新辅助化疗的乳腺癌患者和小鼠乳腺癌模型中，通过促进Tie2+/VEGFhi巨噬细胞向肿瘤的动员，增加了TMEM部位的密度和活性，与增加的CTCs和化疗治疗的实验模型中的转移灶相关。TIE2抑制逆转了化疗介导的促转移效应。TMEM入口在内侵中的相关性主要来源于乳腺癌的研究。是否其他癌症类型的内侵也基于类似机制尚待确定。此外，除了巨噬细胞和内皮细胞外，中性粒细胞、周细胞、CAF、脂肪细胞以及TME的机械特征，包括基质结构和间质流体压力，也通过直接或间接机制影响癌细胞的内侵。淋巴内侵是癌细胞传播的另一条途径，尽管其潜在机制尚不完全清楚。肿瘤内的淋巴血管常常受到压迫，淋巴血管的结构与血管不同，因此可能需要不同的内侵模式。关于淋巴途径在远处转移形成中的重要性存在争议，可能依赖于器官。原发肿瘤的远距离影响：转移前微环境的形成
重要的是，正在发展的肿瘤对宿主的影响不仅限于局部的肿瘤微环境（图1）。通过旁分泌效应，原发肿瘤触发一系列事件，从而在转移扩散发生之前，在远处器官中生成有利于癌细胞的微环境。原发肿瘤通过为扩散的癌细胞的未来到来准备远端部位，称为转移前微环境的这一认识，导致了我们对转移理解的范式转变。转移前微环境的存在最初是在使用LLC肺癌和B16黑色素瘤肿瘤模型的研究中报告的。研究显示，这些原发肿瘤触发VEGF和PIGF介导的MMP9在远处肺部内皮细胞和巨噬细胞中的诱导，促进了肺转移的形成。在其他器官有原发肿瘤的癌症患者的肺部内皮细胞中，MMP9也被上调，而在没有癌症的患者中则未观察到。另一项使用相同小鼠肿瘤模型的研究报道，纤维连接蛋白（fibronectin），一种VLA-4配体，在转移前的远处器官中的成纤维细胞中被诱导，促使了促进转移的VEGFR1+VLA-4+骨髓来源的造血祖细胞的积累。重要的是，在癌症患者的常见转移部位也观察到了VEGFR1+细胞团，而在没有癌症的患者中则未观察到。自这项开创性研究以来，我们对构成转移前微环境的分子和细胞机制的认识有了显著进展，为扩散的癌细胞提供了肥沃的土壤。触发导致转移前微环境生成的一系列系统变化的启动信号包括肿瘤衍生的可溶性介质，最显著的是G-CSF、VEGF-A、PLGF、TGFβ、S100蛋白和TNF，以及载有肿瘤货物的外泌体（EVs），可以转移到骨髓细胞和远处器官的常驻细胞中。这些介质中的一些影响骨髓微环境，在那里激活和编程免疫细胞及其祖细胞以动员到未来的转移位点。其他肿瘤分泌的介质直接修改远处器官。例如，缺氧的4T1乳腺癌细胞分泌的LOX通过诱导破骨细胞生成破坏正常骨稳态，从而促进CTCs的归巢和定殖。在LLC和B16肿瘤小鼠中，肿瘤衍生的载有小核RNA的外泌体激活了肺上皮细胞中的Toll样受体3（TLR3），刺激中性粒细胞趋化介质的释放，最终通过中性粒细胞招募形成肺转移前微环境。这些和其他最近的研究表明，原发肿瘤颠覆了不同组织常驻细胞与新动员的骨髓来源免疫细胞之间的相互作用，从而有助于转移前微环境的形成。组织常驻细胞的关键参与解释了转移前微环境形成中器官特异性的差异，部分解释了转移的器官嗜好性。另一个影响转移扩散器官特异性的因素是由肿瘤分泌的外泌体上粘附分子的表达决定的。在小鼠模型中，观察到肿瘤衍生的外泌体根据整合素表达特征定位到不同的远处器官，并且根据器官的不同，显示出不同常驻细胞对肿瘤外泌体的摄取。因此，注射肿瘤分泌的外泌体可以重新定向癌细胞的器官特异性行为。此外，在癌症患者中，识别出具有特定整合素表达模式的外泌体，这与转移的部位相关。原发肿瘤通过诱导肿瘤引起的系统性炎症和免疫抑制为转移性疾病做好宿主准备的另一个机制，有利于扩散癌细胞的免疫逃逸。例如，在缺乏Trp53的小鼠乳腺肿瘤中，分泌IL-1β的TAM诱导IL-17和G-CSF依赖的免疫抑制中性粒细胞从骨髓动员到远处器官，抑制CD8+ T细胞，促进向肺和淋巴结的转移扩散。原发肿瘤诱导的系统性免疫抑制不仅仅影响未来的转移位点，还影响整个宿主，因此正式不属于转移前微环境形成的概念。然而，系统动员的免疫抑制骨髓细胞可能触发组织特定的程序以实现器官特异性的转移。例如，在乳腺癌小鼠模型中，系统动员分泌IL-1β的中性粒细胞增强了肺常驻外膜成纤维细胞中前列腺素E3的分泌，导致抗肿瘤免疫减少和肺转移增强。总体而言，虽然转移前微环境形成中确切的旁分泌介质、细胞参与者和事件级联可能因肿瘤类型而异，但在远处器官中形成的宽松微环境的关键特征包括增加的血管通透性、基质重塑、常驻细胞（包括成纤维细胞和上皮细胞）的改变、骨髓来源细胞的动员和免疫抑制。在接下来的部分中，将进一步讨论不同器官微环境对转移细胞命运的影响。循环中的CTCs及其生存斗争
经过一个通常漫长的演变和适应过程，逐步塑造了原发部位的肿瘤微环境（TME），一旦肿瘤细胞进入循环（血液或淋巴），它们立即面临这一异质微环境中的各种不同攻击和挑战（图3）。在更常见的血行传播情况下，这些挑战包括由细胞脱落引起的凋亡、血液循环中的高剪切力，以及免疫介导的攻击，综合导致大多数循环肿瘤细胞（CTCs）的死亡。从临床和临床前分析来看，估计每克组织每天会从实体肿瘤中释放20,000到700,000个CTCs，具体取决于分析的肿瘤类型。使用多种基因工程小鼠模型（GEMMs）的详细血液交换分析估计，内源性自然释放的CTCs在循环中的半衰期为几分钟。有趣的是，最近的一项研究还发现CTC释放存在昼夜节律性。尽管如此，绝大多数CTCs将会死亡，突显了传播过程的低效性，这是入侵-转移级联反应中的一个关键限速步骤（图1）。![]()
图3. 不同组织环境中转移细胞命运的调控
循环中转移细胞的命运可以被视为不同类型免疫细胞之间的“斗争”，如图中心所示，中性粒细胞和血小板促进循环肿瘤细胞（CTCs）的生存，而自然杀伤（NK）细胞和其他适应性免疫细胞则可以消除CTCs。一旦癌细胞渗出到次级组织，微环境必须允许它们的定植和扩展，以便显性疾病得以发展。参与调控此过程的TME细胞类型包括间充质干细胞（MSCs）和与转移相关的巨噬细胞（MAMs）。这里展示了四个主要的次级器官：骨、脑、肝和肺，它们在控制扩散肿瘤细胞（DTCs）命运方面具有共同的以及组织特异的机制，具体表现为每个转移部位的特征。尽管只有小部分循环肿瘤细胞（CTCs）在循环中存活下来，但它们可以通过多种机制逃避破坏。这些机制包括CTC聚集，促进干性特征的诱导，如NANOG、SOX2和OCT4的表达；与特定免疫细胞（如中性粒细胞或血小板）的结合；以及相反地，逃避其他类型细胞毒性免疫细胞（包括NK细胞）的作用（图3）。实际上，CTCs与中性粒细胞的聚集（依赖于VCAM-1）导致CTCs在循环中增殖增加，从而促进更高效的转移定植。与这些机制见解一致的是，CTC聚集体的富集与单个CTCs的比例通常与较差的患者预后相关，且循环中的高中性粒细胞与淋巴细胞比率与多种癌症的不良结果相关。血液中另一种丰富的细胞类型——血小板，长期以来被认为是CTC生存的关键促进因子，通过多种机制，包括增强CTCs的粘附和聚集，形成一个“血小板披风”环绕CTCs，能够保护它们免受物理压力和免疫系统的监视（图3）。一种有趣的逃避免疫攻击的机制涉及分子模拟，其中血小板将含有MHC I类的囊泡转移到肿瘤细胞表面，从而保护CTCs不被NK细胞识别。反过来，CTCs可以激活血小板，例如通过G蛋白偶联受体（GPCR）CD97。这导致通过CD97-LPAR信号增强肿瘤细胞入侵以及促进血管扩张的ATP释放，从而促进CTCs从循环中渗出，如下一节所述。与中性粒细胞和血小板保护CTCs的作用相对抗的是NK细胞、细胞毒性T细胞、树突状细胞（DCs）等的免疫监视的破坏性力量。考虑到这些多样而快速的细胞相互作用发生在快速流动的循环中，关于这些交互作用是否仅仅以随机方式发生（取决于哪种类型的免疫细胞首先与CTCs相互作用），或是否存在动态的免疫“斗争”最终决定CTC命运，仍然是一个开放而有趣的问题。通过液体活检对患者CTCs的调查可以作为一种微创手段，跟踪疾病演变，包括治疗反应和适应性抵抗的出现，这可能有助于回答这个问题。这类分析揭示了许多因素，除了CTCs和各种免疫细胞外，还包括外泌体（EVs）和非编码RNA，这些也可能影响CTC的存活，因此具有预后相关性。然而，在癌症早期阶段，从外周血样本中检测和分离CTCs已证明非常具有挑战性，而这时这些类型的分析从干预的角度来看当然最有益。对于那些在循环中存活的小部分CTCs，转移旅程中的下一个限速步骤是渗透到次级器官。这在一定程度上取决于每种原发癌症的器官趋向，经典上被称为“种子与土壤”假说，最早由Paget在1880年代提出。转移趋向可能高度刻板；例如，乳腺癌主要扩散到肺、肝、骨和脑，而前列腺癌则显示出高度倾向于扩散到骨骼。这种器官特异性受多种机制的影响，包括趋化因子、代谢物和外泌体（EVs）等因子的信号传导，促进CTCs向特定器官的定向迁移。此外，CTCs所采取的特定循环路径和癌细胞必须穿越的各种不同血管屏障进一步影响其最终目的地。通过对比CTCs进入大多数有窗孔的毛细血管的相对容易性与穿越多层紧密整合细胞层的血脑屏障的巨大挑战，可以体现这种血管多样性。在渗透过程中，肿瘤细胞首先必须在持续受到快速流动的血流的高剪切力影响下，停留并附着在内皮的腔内。这个步骤通过细胞黏附分子及其配体、整合素和肿瘤细胞及内皮细胞（ECs）所表达的ECM成分来促进，并与血液白细胞的滚动、黏附和渗透所涉及的分子机制有一些相似之处。血小板和中性粒细胞（可能仍与CTCs一起旅行）可以通过选择素或GPCR，或通过产生中性粒细胞外陷阱（NETs）进一步增强肿瘤细胞对血管的黏附。在附着之后，CTCs接下来需要穿越EC连接，可能还需要穿过其他血管细胞层（如周细胞、平滑肌细胞）和ECM，以进入新的器官实质。这通常需要活性蛋白酶解和/或细胞黏附分子的降解，特别是对于多细胞CTC聚集体穿越血管。癌细胞不仅依赖它们自身产生的蛋白酶和降解酶来完成这一步骤，还可以通过产生NETs触发非癌细胞（如血小板、单核细胞和中性粒细胞）释放这些酶。鉴于免疫细胞能够熟练地穿越身体的不同器官以执行其生理功能，癌细胞可能会经历一种“免疫模拟”，通过产生通常在免疫细胞中丰富的因子（包括趋化因子、蛋白酶和细胞黏附分子）来实现。此外，未来转移部位的驻留免疫细胞可以进一步通过IVM显示的门道促进CTCs的渗透，就像在原发部位的内浸透一样。脑中的驻留小胶质细胞也显示出类似的对转移细胞渗透的增强作用。肿瘤细胞在表型和物理层面的可塑性因此是赋予生存所需适应能力的关键特征。实际上，CTCs还可以通过非蛋白酶解机制，如细胞变形的渗透，逐个细胞地挤过EC连接，这种渗透方式在CTCs从淋巴管进入淋巴结时也更为典型。
虽然淋巴转移、神经周围迁移以及在胸腔或其他体腔内生长在几种癌症中已有报道，但这些其他CTC运输路径与血液传播相比显著较少。有趣的是，最近一项研究发现，淋巴结的转移性定植并未成为后续转移克隆演化的中心，而是导致由免疫抑制性Tregs介导的系统性肿瘤特异性免疫耐受，这使得远处组织更适合通过血液循环进行转移播种。在渗透之后，CTCs通常保持在血管附近，这对于决定其命运至关重要，如下一节所述。转移种植于次级部位，以及肿瘤休眠与生长之间的复杂相互作用
在渗透到次级部位后，分散肿瘤细胞（DTCs）面临来自异物组织环境的新一系列挑战，一旦再次，大多数肿瘤细胞会被宿主防御机制（包括免疫监视）杀死。幸存下来的少数DTCs往往靠近血管，这表明它们从血管中获得调节信号。事实上，来自PVN的分子信号，以及骨中的组织特异性巢（如内膜巢），最初似乎使DTCs保持在休眠状态，这可能保护它们免受免疫系统的识别和杀灭。休眠是转移级联反应中最难理解的阶段，部分原因在于研究这些停止增殖并可以在静息状态下存活的稀有细胞的固有挑战，有时可持续数年甚至数十年。然而，最近的研究，包括利用体内成像技术，开始揭示控制休眠启动、在潜伏期内的维持以及从休眠状态重新出现的机制，尤其是与微环境的关键相互作用，这对于精细调控器官特异性转移至关重要。骨转移
骨是与DTC生物学相关的最研究透彻的器官之一，部分原因是发现大量患者在此处存在微转移，尤其是乳腺癌和前列腺癌。骨微环境中居住着大量不同类型的细胞，包括组织驻留的成骨细胞、破骨细胞和骨细胞，以及脂肪细胞、丰富的血管和免疫细胞，还有丰富的骨髓和ECM。这种动态相互作用共同调节在稳态下的造血干细胞（HSC）发育，但最终可能被“恶性循环”所利用，导致伴随骨破坏和骨折的骨转移。在DTCs定植的最早阶段，这些细胞可以占据骨中的不同巢穴，大多数DTCs位于骨髓中，往往在明显转移的诊断之前很久就存在。例如，在HSC巢中，NG2+/Nestin+ MSCs产生TGF-β2和BMP7，通过p38-激酶信号传导和p27诱导激活DTCs的静息通路。在ER+乳腺癌患者中，那些没有全身复发证据的患者在骨髓浆中显示出更高水平的TGF-β2和BMP7。因此，MSC的耗竭或MSC特异性删除TGF-β2导致小鼠中静息骨DTCs的转移生长。内膜巢还促进DTCs与骨驻留细胞之间的双向相互作用，这最终可能促进疾病进展。成骨细胞和破骨细胞可以被癌细胞诱导分泌包括RANKL、IL-6、IGFs和基质降解酶在内的因子，这些因子共同促进转移生长、骨吸收以及许多晚期骨转移临床表现所依赖的骨骼变化。有趣的是，包含系统发育条形码追踪的前临床实验显示，骨微环境中的成骨细胞来源细胞因子可以通过EZH2依赖的表观遗传调节促进乳腺癌或前列腺癌DTCs的干性。这增强了它们向其他器官的进一步传播，称为多器官转移到转移的传播，这可以通过在小鼠中抑制EZH2显著减少。这些结果与临床观察一致，即骨通常是乳腺癌和前列腺癌转移最早被检测到的部位。此外，骨微环境可以表观遗传地调节DTCs中的ER表达，从而使细胞对内分泌治疗产生抵抗，再次成为临床中的主要挑战。同样，DTC对系统性化疗的抵抗在患者中也经常遇到。这被归因于静息的DTCs，它们不增殖，因此不会被这些疗法靶向，可能随后从休眠中重新出现。然而，最近的前临床研究发现，骨PVN可以通过血管黏附分子（包括整合素β1、αvβ3和VCAM-1）保护DTCs免受化疗影响，与它们的细胞周期状态无关。因此，阻断PVN与DTCs之间的整合素介导的相互作用使这些细胞对化疗敏感，并显著增强了生存率。肺转移
DTC的种植、休眠和生长也在肺部进行了研究，肺是转移传播的主要部位。实际上，由于肺部血管丰富且表面积大，这对正常肺功能至关重要，因此CTCs在此处停留、渗透和定植的机会很多。通过体内成像（IVM）揭示了这一过程的关键见解，表明在原发部位，肿瘤细胞已经获得了由转录调节因子NR2F1控制的促进传播和休眠表型，并且这种表型在靠近巨噬细胞的地方进一步增强。这种状态在DTC到达肺部后最初得以维持，但在生长过程中会丧失。与其他器官类似，PVN的线索对确定DTC的命运至关重要，ECM分子（包括III型胶原蛋白和tenascin C）发挥着重要作用。影像分析显示，单独的休眠DTC被III型胶原蛋白以非线性波浪状的方式包围。相比之下，在微转移中诱导增殖时，胶原蛋白的排列组织会转变为更为对齐的组织，并伴随ECM重塑。通过靶向已识别的COL3A1-DDR1-STAT1通路来操控这些不同的ECM巢穴，被提出作为维持DTC休眠的策略。另一种调节肺中DTC命运的分泌ECM分子是tenascin C，它通过TLR4信号序列逐步激活邻近的间质巨噬细胞，诱导内皮细胞分泌一氧化氮（NO）和TNF，从而生成促转移的PVN巢。有趣的是，肺部DTC休眠的基质调节的重要性在老龄化的背景下也得到了前临床研究的证明。尽管老化皮肤中的真皮成纤维细胞抑制黑色素瘤细胞的生长，但它们可以通过可溶性WNT拮抗剂sFRP2驱动黑色素瘤表型转换和传播。当这些DTC到达肺部时，它们会遇到相关的sFRP1拮抗剂，后者在老化肺成纤维细胞中分泌水平更高。这导致WNT5A在黑色素瘤细胞中的抑制，这种作用是PROS1-AXL依赖的，克服了休眠并最终导致后续的黑色素瘤生长。因此，这一旁分泌信号通路不同成分的基因操控导致肺转移的变化，这可能对特定于老年人群的癌症治疗策略具有重要影响。另一个可能唤醒休眠癌细胞的因素是炎症。事实上，持续的炎症，例如来自烟草烟雾的暴露，会诱导NET的形成。NET中充满了包括MMP9和中性粒细胞弹性蛋白酶在内的蛋白酶。这些蛋白酶的释放重塑了肺部的层粘连蛋白，导致休眠癌细胞以整合素α3β1依赖的方式增殖。肝转移
肝脏是转移非常频繁的器官，部分原因在于其血管丰富，具有来自肝门静脉和肝动脉的双重血供，并且肝血管高度开孔，这促进了CTC的渗透。基质和ECM的变化在调节肝脏的转移生长方面也很重要，正如上述器官所讨论的。例如，在一项关于结直肠癌患者的大型研究中，肝纤维化评分高的患者在肝转移和复发方面的预后显著较差。组织驻留的肝细胞在预临床模型中已显示通过形成促转移的巢来促进肝转移。在胰腺肿瘤发生的早期，肝脏中的肝细胞通过激活IL-6-STAT3信号通路和随后的血清淀粉样A（SAA）蛋白的增加来协调炎症反应。对肝转移患者的分析显示出类似的变化。这导致肝脏中出现改变的纤维化和免疫微环境，这与小鼠中增强的转移种植相关。有趣的是，通过肝细胞特异性删除去除SAA蛋白或Stat3可以阻止促转移巢的形成。另一种驻留于肝脏的细胞群体，肝星状细胞，在调节该器官中乳腺癌细胞的命运方面也发挥重要作用。星状细胞可以通过分泌免疫抑制性CXCL12趋化因子驱动纤维化损伤，使NK细胞处于静息状态。这抑制了NK细胞的关键免疫监视功能，从而导致DTCs从休眠状态中重新出现。另一个有趣的研究发现，肝转移的存在会对免疫疗法的疗效产生负面影响，因为它从全身循环中抽取激活的CD8+ T细胞。与肝转移中的巨噬细胞的相互作用被发现以Fas依赖的方式驱动T细胞杀伤。有趣的是，这种影响在预临床模型中通过肝定向放射治疗得以克服——这消除了这些免疫抑制巨噬细胞，从而减少了T细胞的抽取。鉴于发现肝转移患者的T细胞数量、多样性和功能降低，这些结果可能对改善该患者群体免疫疗法的疗效具有重要影响。脑转移
在脑中，组织驻留的星形胶质细胞是血脑屏障（BBB）的关键组成部分，静息的DTCs被发现栖息在被星形胶质细胞足突包围的PVN中。星形胶质细胞来源的基底膜蛋白层粘连蛋白-211可以通过诱导Dystroglycan受体与DTCs中的YAP结合来维持这种休眠状态。这防止了YAP转运到细胞核，从而阻止其促转移功能。相反，增殖的DTCs仅与去除星形胶质细胞及其足突的血管结构相关。因此，对这些不同分子成分的体内调节导致了脑转移的生长。有趣的是，YAP激活还与DTCs自身获得类周细胞特征有关，这促进了它们的延长和通过细胞黏附分子L1CAM的转移生长，无论是在脑中还是其他转移部位。在另一个关于DTCs可塑性的有趣例子中，这些细胞甚至可以融入脑中的神经网络。在这种情况下，DTCs将自身放置在两个兴奋性谷氨酸能神经元之间的现有突触附近，形成“伪三分突触”。这导致神经元释放谷氨酸，进而引发N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）信号，并随后导致转移生长。有趣的是，NMDAR通路也可以促进胰腺神经内分泌肿瘤的侵袭，癌症神经科学这一新兴领域代表了肿瘤对宿主微环境的特别阴险的利用。总的来说，这些生动的例子强调了不同器官微环境的重要性，这些微环境由独特的组织驻留细胞类型和招募的免疫细胞组成，对调节DTC的命运至关重要。鉴于DTC可以休眠数年甚至数十年，而它们的激活代表着一个重大的临床挑战，全面理解其潜在机制将至关重要，因为这一关键阶段在癌症领域仍然是一个“黑箱”。同样，与原发肿瘤相比，治疗性靶向休眠DTC的努力本质上具有挑战性，因此操控TME可能对其成功至关重要。结论性评论：挑战与机遇
从肿瘤微环境（TME）研究领域的最初阶段开始，针对TME中细胞、过程和信号通路的治疗靶向被视为一种有前景的策略，原则上可以广泛应用于所有癌症类型。TME中共谋的免疫和基质细胞数量庞大且具有遗传稳定性，因此与基因不稳定的癌细胞相比，更易于靶向。此外，由于相似原因，获得的抗药性发展，至少通过基于突变的选择机制在癌细胞定向治疗中观察到，被认为不太可能发生。最后，人们也希望TME疗法可能代表一种普遍的方法，可以应用于任何类型的肿瘤，无论其发生在何种器官。然而，随着该领域在最近几年的范围和理解的演变，我们逐渐意识到这些早期预测过于简单。如本综述所讨论的，我们现在认识到TME的巨大复杂性和互联性，以及在不同器官和患者之间的多样性。我们也意识到适应性和内在抗药性可能成为TME靶向疗法的障碍。此外，显然，标准治疗方法，包括化疗和放疗，会引发对TME的变化，这会以癌细胞外源性方式调节其治疗效果，既可能增强也可能干扰反应。例如，放疗和某些化疗可以引发免疫原性细胞死亡，通过激活适应性免疫系统来增强其疗效。然而，在其他情况下，许多相同的治疗可以引发炎症反应，包括通过肿瘤相关巨噬细胞（TAMs），从而干扰治疗反应，甚至可能驱动转移。尽管面临这些挑战，针对TME的治疗性靶向策略也显示出显著的潜力，正如最近的综述所述。这些策略包括耗竭或“重新编程”TME中的促癌宿主细胞的疗法；修改ECM、基质组和外泌体的干预措施；基于细胞的疗法和疫苗；以及免疫检查点抑制剂。现在的关键问题是如何以合理和最佳的方式结合这些不同的策略。实际上，在临床上，开放的联合试验数量远远超过合格患者的数量，这构成了巨大的障碍。使用可靠的前临床模型首先系统评估所有逻辑组合是一种方法。确实，最近对免疫疗法临床试验的元分析强调了在评估新疗法时，整合准确的前临床模型的必要性，这项分析发现，>70%的此类疗法是在没有之前显著前临床证据支持所评估组合的试验中进行的。此外，大多数试验是在没有任何生物标志物选择的群体中进行的。这突显了另一个挑战：如何优化患者的TME疗法分层，特别是对于那些不易进行活检的癌症。确定循环免疫细胞或外泌体的相对丰度和/或表型的分析是否可以代表肿瘤分析的替代方法，将非常重要。另一个关键问题是如何靶向那些已扩散并进入休眠状态的癌细胞，因为它们从休眠状态中再次出现的调节无疑涉及TME的调控。我们将通过简要突出一些最近的例子来结束，以提供如何治疗性靶向TME的“路线图”，包括努力将免疫疗法的疗效扩大到更广泛的患者群体。确实，有越来越多的证据表明，TME在调节免疫疗法疗效方面也发挥了关键作用（如同化疗和放疗），正如本综述所强调的。这种作用可能从细胞毒性T细胞的物理排斥（导致免疫排斥的TME）到生成免疫抑制的TME，其中T细胞存在但因与免疫抑制细胞的相互作用而失去功能。因而，正在积极探索将免疫检查点抑制（ICB）或基于细胞的免疫疗法与TME调节结合的策略，这些策略在前临床模型中已经开始进行，或已处于临床评估中。这些策略包括使用免疫刺激细胞因子（如IL-12和IL-15）激活NK细胞；通过工程化的间充质干细胞（MSCs）将IL-2（T细胞的关键细胞因子）局部递送到TME中；以及开发改良的IL-2变体，以增强T细胞的丰度和细胞毒性功能，同时避免对免疫抑制性调节性T细胞（Tregs）的类似影响。其他组合策略利用了抗血管生成抑制剂，这些抑制剂是最早的TME靶向治疗之一，并且随后发现具有强效的血管调节效果。例如，抗VEGF疗法可以促进免疫刺激细胞的浸润，阻断TME中的免疫抑制效应，并改善药物递送。血管和免疫系统之间的复杂相互作用也可以通过干预来增强高内皮微静脉（HEVs）的形成来利用，因为肿瘤相关HEVs与淋巴细胞浸润和某些癌症的良好预后之间存在关联。这些和其他血管定向疗法现在被广泛纳入与ICB和基于细胞的疗法的组合策略，以增强肿瘤中的免疫细胞浸润和细胞毒性。同样，以不同剂量方案或新组合重新利用临床批准的治疗，转化“冷”TME为“热”TME也是一种策略，能够迅速将前临床模型的发现转化为临床应用。展望未来，我们对在未来几年充分实现靶向TME的潜力抱有乐观态度。我们预计该领域将采用全面的系统级方法，分析并整合TME的复杂性，以识别并治疗性靶向关键节点。多模态数据和先进计算分析的整合，包括人工智能的应用，将对实现这一目标至关重要。我们还预期在生物工程方面将取得重大进展，这将使大规模测试的平台得以建立，如能够准确重现特定器官TME的体外类器官和组织切片。此外，了解肿瘤自身之外的额外复杂性层面，包括系统性影响和外部环境，也将是该领域的重点。例如，微生物组、饮食、锻炼和代谢如何影响TME和治疗反应？此外，个体患者的基础生理状态（如肥胖、恶病质、昼夜节律、炎症和衰老）会产生何种影响？最后，我们期待获得关于外部环境（如污染和致癌物暴露）对炎症和TME影响的新见解，这应促使迫切需要的公共卫生反应。总之，通过整合和利用这些关键视角，我们乐观地认为，能够为更多患者治疗性靶向TME。![]()
图4. 多种细胞内在和系统性因素影响患者及其肿瘤微环境（TME）
该图描绘了在全面理解和治疗癌症时必须考虑的多层复杂性。这包括肿瘤细胞内在和外在因素，以及疾病进展的系统性介导因素，如潜在感染、炎症和慢性病理。环境因素也正在成为癌症进展的重要调节因子，包括污染和其他致癌物。最后，治疗干预措施，包括手术和化疗、放疗及免疫疗法，可以影响TME，反之亦然，也会受到TME和患者系统性变化的影响。因此，合理组合有效靶向这些多种因素，对于开发有效的长期疾病控制至关重要。文章原文：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1535610823000442
