Nature | 万字综述肿瘤微环境随着癌症进展的动态演变过程 - 概普生信的文章 - 知乎
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文章：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36917948/

一、肿瘤微环境构成及影响因素

1. 肿瘤微环境包括细胞和非细胞成分

• 细胞成分：适应性免疫细胞：CD8+T、CD4+T、Tregs、B细胞
• 髓系免疫细胞：巨噬细胞、中性粒细胞、单核细胞、树突状细胞、肥大细胞、嗜酸性粒细胞、髓系来源骨髓抑制细胞（MDSC）、血小板
• 先天免疫和适应性免疫交界免疫细胞：NK、iNKT、γδT、先天淋巴样细胞（ILCs）
• 肿瘤间质细胞和基质成分：CAF（癌症相关成纤维细胞）、脂肪细胞、细胞外基质（ECM）、神经元和神经纤维
• 血管细胞：血管内皮细胞（ECs）、淋巴管内皮细胞（LECs）、壁细胞

2. 细胞互作主要通过直接接触和旁分泌的形式进行
3. 同种癌症不同病人之间TME存在差异，不同癌症类型中也存在不同的TME
4. 肿瘤细胞的内在特征，包括遗传改变、表观遗传改变、代谢重编程和信号释放，是肿瘤塑造其微环境的关键决定因素。

二、癌症发展过程中TME演变概览

• 起始阶段：免疫细胞识别恶性细胞
• 进展：T细胞耗竭、Treg等免疫抑制细胞到达肿瘤部位
  癌细胞重塑TME、肿瘤扩大、EMT、向血管迁移

• 转移：CTC外渗到继发器官，实现定植

  
  
  癌症发生、进展、侵袭、转移过程中肿瘤微环境代表性细胞类型

三、癌症发生：组织内稳态被破坏

1. 癌症的发生是一个长期积累的过程

• 正常细胞突变转变为恶性细胞
• 恶性细胞形成肿瘤：逃避免疫攻击，将周围基质转化为支持肿瘤的TME，获得足够的氧气和营养供应以满足其高代谢需求

2. 免疫监视→免疫逃避早期发生（一个潜在的免疫抑制微环境的早期建立，免疫抑制的基因的上调）→ TME免疫抑制
3. 慢性炎症也会导致肿瘤发生：慢性炎症组织通常以Th2型免疫反应和骨髓细胞向免疫抑制功能状态极化积累为特征

四、癌症进展：炎症催化

1. 肿瘤生长，TME的变化：

• 细胞毒性CD8+ T细胞和NK细胞减少
• 功能失调的CD8+ T细胞、免疫抑制性CD4+ FOXP3+ Tregs和调节性B细胞增加
• CD4+ T细胞倾向于促炎Th2表型
• 肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和中性粒细胞(TANs)为最丰富的骨髓细胞

2. CAF组成和功能改变以及ECM重塑

• CAF起源：
  局部组织驻留成纤维细胞的扩张
  不同组织拥有不同的成纤维细胞谱系：
  由其他细胞类型转化而来
• CAFs由多种亚型组成：胰腺癌中，肌成纤维细胞(myCAFs)、炎性CAFs (iCAFs)和抗原呈递CAFs (apCAFs)
• CAFs被多种机制激活：暴露于炎症介质、ECM硬度和组成的变化以及代谢物的改变
• CAFs在TME中同样发挥着多效性和功能相反的功能, 在不同的TMEs中存在功能相反的CAF亚群
• CAFs通过几种机制帮助肿瘤逃避免疫控制

3. 新生血管对肿瘤发生发展至关重要

• 一旦肿瘤生长达到1-2mm，它就需要建立运送氧气和营养物质的血管系统。
• 肿瘤诱导的血管生成有助于免疫抑制和免疫逃避，癌细胞可以沿着宿主血管的腔面迁移
• 血管拟态：黑色素瘤和胶质母细胞瘤
• 组织中缺氧，是血管生成的主要诱因，VEGF
• FGF2、PIGF、炎症介质TNF、BV8、G-CSF同样可以促进血管生成
• 肿瘤淋巴管也具有重要的免疫调节特性，VEGF-C是淋巴管生成的主要驱动因子，高水平的VEGF-C与转移增加和生存率降低有关
• CAFs也是肿瘤血管生成的关键协调者，CAFs产生几种促血管生成介质

五、癌症转移扩散前的准备工作

1. 癌细胞的侵袭（invasion）和转移（migration）

• 侵袭过程：癌细胞彼此分离，从原发肿瘤块移开，并侵入周围的基质
• 单细胞侵入或成束或成簇侵入，必须转换表型
• 上皮到间充质(EMT)转化样的过渡状态（与邻近癌细胞分离），上皮细胞间粘附蛋白E-钙粘蛋白的缺失是这一过程的核心
• 并非所有肿瘤都经历了EMT，CAFs通过其重塑特性和施加物理拉力在ECM中产生物理轨迹，从而使癌细胞集体侵袭。
• 神经周围浸润(PNI)是癌细胞沿神经局部延伸的过程（不良预后）
• 癌细胞侵入正常组织，CAFs是重塑基底膜和ECM网络的关键角色，通过分泌蛋白酶，也通过施加收缩力在基底膜上产生间隙，然后癌细胞可以利用这些间隙穿过基底膜。

2. 进入血管（内渗，intravasation）

• 含有表达血管内皮生长因子VEGF的TIE2+巨噬细胞、癌细胞和内皮细胞的三方结构，也被称为转移的TME(TMEM)“门口”，以一种接触依赖的方式促进血管内扩散。
• 淋巴管内渗：肿瘤内淋巴管经常被压缩

3. 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癌症发展的影响而获得促肿瘤功能

• 肿瘤相关巨噬细胞(TAM)分泌生长因子、细胞因子和蛋白酶来支持血管生成和侵袭
• CAFs可以被激活分泌ECM蛋白和血管生成因子，包括VEGF-A

六、原发肿瘤的远距离传播：转移前生态位（niche）的形成

• 通过旁分泌效应，在转移扩散发生之前，它们在远处器官中产生有利于癌细胞的微环境
• 原发肿瘤为未来播散性癌细胞的到来提前准备的远超肿瘤边界的远距离部位，称为转移前生态位。
• 原发性肿瘤使宿主为转移性疾病做好准备的另一个机制是通过诱导肿瘤诱导的全身性炎症和免疫抑制，有利于播散性癌细胞的免疫逃逸。
• 远处器官中产生的许可生态位的关键特征包括血管通透性增加、ECM 重塑、成纤维细胞和上皮细胞等常驻细胞改变、骨髓来源免疫细胞的调动和免疫抑制。

七、CTC及其在循环系统中的生存之战

1.大多数CTC死亡

• 细胞分离引起的失巢凋亡（anoikis）
• 血液循环中的高剪切力（血流与血管内皮间的摩擦所用于血管壁单位面积的力）- - 免疫介导的攻击

2. CTC通过多种机制避免被破坏：CTC聚类，它通过粒细胞和血小板等特定免疫细胞诱导NANOG、SOX2和OCT42来促进干性；逃避包括NK细胞在内的其他类型的细胞毒性免疫细胞的作用。

• 循环中中性粒细胞与淋巴细胞的高比率与多种癌症的不良预后相关
• 血小板被认为是CTC存活的关键促进因子，其机制包括增强CTC的粘附和聚集，导致CTCs周围有一层“血小板保护罩”，可以保护它们免受身体压力和免疫系统的监视。
• 抵消中性粒细胞和血小板的CTC保护作用是NK细胞、细胞毒性T细胞、DC和其他细胞免疫监视的破坏性力量

3. 通过液体活检对患者CTC进行询问可以作为一种微创手段来跟踪疾病的演变，包括治疗反应和适应性耐药性的出现。

八、 器官趋向性（tropism）和外渗（extravasation）

1. 存活的CTC外渗到继发器官

• 每一种原发癌症的潜在器官趋向性（organ tropism）决定的：乳腺癌主要扩散到肺、肝、骨和脑，前列腺癌显示出高度扩散到骨的倾向
• 这种器官倾向性受多种机制的影响，包括趋化因子、代谢物和EV等因素的信号传导，有助于CTC定向迁移到特定器官。

2. 外渗

• 肿瘤细胞必须首先滞留并附着在内皮细胞的管腔（lumen）上，血小板和中性粒细胞可仍与CTC一起移动，它们可以分别通过选择素或GPCR或通过产生中性粒细胞胞外陷阱(NETs)进一步增强肿瘤细胞对脉管系统的粘附。
• 粘附后，CTC接着穿过EC连接处，也可能穿过额外的血管细胞层(如周细胞、平滑肌细胞)和ECM，进入器官实质部位。
• 癌细胞还可以通过产生NETs来触发非癌细胞(包括血小板、单核细胞和中性粒细胞)释放这些酶，通过 “免疫模仿”产生通常富集于免疫细胞中的因子，包括趋化因子、蛋白酶和细胞粘附分子。
• 聚焦国自然热点之中性粒细胞胞外诱捕网（NETs），原来中性粒细胞也会叛变！ - 科研显微镜的文章 - 知乎
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• CTC还可以通过非蛋白水解机制外渗，这涉及机械变形，一次挤压一个细胞通过EC连接处，这种外渗模式在从淋巴管进入淋巴结的CTC中也更为典型。

九、继发部位转移性播种以及肿瘤休眠和生长之间的复杂相互作用

• 播散性肿瘤细胞（DTC)，绝大多数肿瘤细胞再次被宿主防御机制杀死，包括免疫监视
• 来自PVN（血管周围生态位）的分子信号，以及组织特异性的生态位，最初似乎使DTC处于休眠（dormant）状态，这可能保护它们免受免疫系统的识别和杀伤。
• 休眠细胞停止增殖，可以在静止状态下存活，有时会持续几年到几十年。
• 从休眠中重新出现以及与微环境的关键相互作用等精细的器官特异性转移调节
• 独特的组织驻留细胞类型和募集的免疫细胞组成的不同器官微环境对DTC命运调节很重要。

1. 骨头

• 骨是DTC生物学研究最多的器官之一，部分原因是该部位发现有很大比例的患者存在微转移，尤其是乳腺癌和前列腺癌。
• 骨微环境中存在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，以及丰富的骨髓和ECM。
• 在DTC定植的早期阶段，这些细胞可以在骨骼中占据不同的生态位，大多数DTC位于BM（骨髓），通常在诊断为明显转移之前很久就存在。

2. 肺

• 肺部是转移性传播的主要部位
• 肺的广泛血管化和大表面积，使CTC有很多机会停止、外渗和定植在这个器官上
• IVM（活体显微成像）：肿瘤细胞已经在原发部位获得了由转录调节因子NR2F1控制的增殖和休眠表型，并在巨噬细胞附近进一步富集，这种状态最初在DTC到达肺部后维持，随后在生长过程中消失
• 来自PVN的信号在决定DTC的命运中是至关重要的
• 间质调节对肺DTC休眠的重要性也很明显

3. 肝脏

• 肝脏是一个非常频繁发生转移的器官，部分原因是肝脏血管广泛分布，也因为肝血管高度开窗，从而促进了CTC的外渗漏
• 间质和ECM的改变在调节肝脏转移性生长方面也很重要
• 肝星状细胞，也在调节乳腺癌细胞在该器官中的命运中发挥重要作用。

4. 脑转移

• 在大脑中，组织驻留星形胶质细胞是血脑屏障(BBB-blood-brain barrier)的关键组成部分，已发现静止的DTC驻留在被星形细胞末端包围的PVN中。

  
  
  骨、肺、肝脏和脑等组织环境中转移细胞DTC的生存调节

总结

• ME的巨大复杂性和相互关联性，以及它在不同器官和患者中的多样性。TME中的细胞、生物学过程和信号通路的靶向治疗被视为一种有前途的策略
• 适应性和内在耐药性可能是TME定向治疗的障碍
• 扩大以TME为靶点的治疗策略方面也有很大的希望，其中包括耗尽或“重编程”TME中促癌宿主细胞；修改ECM、基质成分和EVs的干预措施；基于细胞的治疗和疫苗；以及免疫检查点抑制剂。

附录.TME中不同细胞和基质成分的功能详述

1. CD8+T细胞

• 强大的效应细胞，通过TCR与pMHC结合激活后，释放颗粒酶和穿孔素让肿瘤细胞凋亡，或者通过FASL-FAS介导细胞死亡
• 免疫检查点抑制剂（ICIs）作用机制就是解除T细胞该耗竭状态，重新激活CD8+ T细胞功能。

2. CD4+T细胞
   -辅助T细胞影响和调节其它免疫细胞，具有抗肿瘤和促肿瘤双重作用。Th1型有助于CD8+T细胞和B细胞以及通过分泌IFNγ和TNFa直接杀死肿瘤细胞，而Th2型通过分泌抗炎介质促进肿瘤生长

• CD4+T细胞在ICI的疗效中发挥重要作用

3. Treg

• 高度免疫抑制CD4+T亚群，机体免疫稳态的守门人
• 可进一步细分为胸腺来源Treg和外周血诱导Treg，通过不同的机制来抑制肿瘤免疫反应
• 鉴于Treg在预防自身免疫中的关键作用，靶向Treg治疗具有挑战性。

4. B细胞

• 体液免疫的关键介质，同时具有抗肿瘤和促肿瘤功能
• 通过抗体依赖性细胞毒性（ADCC）和补体活化（CA）发挥抗肿瘤作用。
• B细胞还可以通过分泌抗炎和促血管生成介质、免疫复合物和补体激活来促进炎症和免疫抑制，从而支持肿瘤生长
• 免疫抑制B细胞的一个亚群，Bregs，参与免疫耐受。

5. 巨噬细胞

• 具有促肿瘤和抗肿瘤功能
• TAM（肿瘤相关巨噬细胞）的促肿瘤功能包括促进血管生成、免疫抑制、转移形成和治疗抵抗，同时TAM还可以通过直接吞噬癌细胞或激活抗肿瘤免疫反应来对抗癌症进展

6. 粒细胞

• 除了向原发肿瘤募集外，中性粒细胞还经常积聚在肿瘤宿主的血液和远端器官中。
• 中性粒细胞可以发挥抗或促肿瘤功能。
• 它们的系统性积累有助于远处器官的免疫抑制和细胞外基质(ECM)重塑，从而促进(预)转移性生态位的形成。

7. 单核细胞

• 单核细胞在血液中循环并迁移到组织中，在那里它们分化成巨噬细胞和树突状细胞(DC)
• 存在几种亚型的单核细胞，包括经典、非经典和中间类型的单核细胞。
• 在癌症中，单核细胞发挥促肿瘤和抗肿瘤的功能。
• 单核细胞可以产生杀肿瘤介质和刺激自然杀伤(NK)细胞。然而，在TME中，它们有助于免疫抑制、ECM重塑、血管生成和癌细胞内渗，分化为肿瘤支持TAM。

8. 树突状细胞

• 树突状细胞是一组多样化的抗原呈递细胞，对启动和调节适应性免疫反应至关重要
• 通过整合来自TME的信息并将其传递给其他免疫细胞，尤其是T细胞，DC具有形成抗肿瘤免疫的潜力。然而，肿瘤反过来采用各种策略来限制和操纵DC活性以逃避免疫控制。

9. 肥大细胞

• 肥大细胞是一种粒细胞，通过快速脱颗粒组胺、细胞因子和趋化因子介导宿主防御和维持体内平衡。
• 肥大细胞在微环境刺激下发挥促肿瘤活性和抗肿瘤活性。它们可以直接靶向肿瘤细胞，但主要调控其他免疫群体和内皮细胞的募集和活性。

10. 嗜酸性粒细胞

• 嗜酸性粒细胞具有通过释放细胞毒性分子直接杀死肿瘤细胞的能力，但嗜酸性粒细胞也可以调节肿瘤血管系统和调节TME的免疫组成，因此，它们可以根据接收到的激活信号具有促肿瘤和抗肿瘤的功能。

11. MDSC

• 骨髓来源免疫抑制细胞(MDSCs)是一种异质性的骨髓细胞群，由(未成熟的)单核细胞和嗜中性细胞组成，具有强大的免疫抑制能力
• MDSCs通过旁分泌和细胞-细胞接触机制抑制T细胞、NK细胞、B细胞和DC细胞。

12. 血小板

• 血小板，是骨髓中巨核细胞产生的细胞质碎片。
• 血小板通过一系列不同的机制促进肿瘤的进展和转移。它们与循环肿瘤细胞(CTC)结合，通过保护CTC免受物理压力和免疫攻击来促进CTC的存活。
• 血小板也释放促血管生成和抗血管生成介质，它们与内皮细胞结合，通过内皮细胞调节血管生成和血管完整性。
• 血小板通过激活髓细胞参与肿瘤相关炎症和免疫逃避。

13. NK

• NK细胞是具有细胞毒性的先天淋巴样细胞。它们识别并杀死缺乏MHC I类表达的应激细胞。循环和肿瘤内NK细胞水平可预测癌症患者生存率的提高。
• NK细胞具有强大的抗癌能力;然而，进展性肿瘤通过几种机制逃避NK细胞的消除，如抑制受体的上调，降低NK细胞的细胞毒性，动员免疫抑制性骨髓细胞和Tregs。

14. iNKT

• 不变NKT (iNKT)细胞是一种CD1限制性脂质特异性T淋巴细胞，可介导先天免疫和适应性免疫，并可根据组织分布介导多种免疫功能。
• iNKT细胞通过直接杀死肿瘤细胞或通过协调促肿瘤或抗肿瘤免疫细胞的活性来发挥癌症免疫监视作用。
• 癌症相关的免疫抑制可以使iNKT细胞的活性向更多的调节功能倾斜。

15. γδT

• γδT系胞形成一种非常规的T细胞群，表达γδ TCRs，但不表达aβ TCRs，以不依赖MHC的方式识别靶抗原。
• 根据亚群的不同，γδ T细胞发挥效应或调节功能。
• 在癌症中，γδ T细胞可能通过产生包括IL-17在内的细胞因子来抑制抗肿瘤免疫反应，从而促进疾病进展。
• 抗肿瘤免疫也可以由γδ T细胞通过TCR-或NK受体相互作用或产生效应分子介导的直接细胞毒性诱导。

16. ILC类先天淋巴细胞

• 先天样淋巴细胞(ILCs)是一种高度多样化的免疫细胞群，存在于组织中，在适应性免疫和先天免疫的交叉点起作用。
• 除NK细胞外，ILCs还包括ILC1s、ILC2s和ILC3s。
• ILC缺乏抗原特异性受体，并通过分泌多种细胞因子和其他炎症介质发挥其免疫调节功能。

17. CAF

• 癌症相关成纤维细胞(CAFs)是肿瘤基质的重要组成部分。
• CAFs合成并改造了ECM，改变了ECM的力学性质，改变了癌细胞和免疫细胞的行为。
• CAFs影响血管生成，具有很强的免疫调节能力，有助于癌症的免疫逃避。

18. ECM（细胞外基质）

• ECM是TME的非细胞结构成分，由纤维蛋白网络组成，如胶原蛋白、糖蛋白和蛋白聚糖。
• ECM是一种动态结构，由TME中各种细胞产生的蛋白酶不断重塑。
• ECM通过作为隔离分泌分子的储存库和作为细胞粘附和迁移的底物，促进TME中的细胞间通信。
• 蛋白酶对ECM的重塑会释放束缚分子，从而产生局部高浓度的释放介质。
• 癌症和TME细胞通过包括整合素和CD44在内的受体直接与周围的ECM接触，这些受体构成了癌症中激活的多种信号网络的一部分。

19. 脂肪细胞

• 癌症相关脂肪细胞是癌症类型的关键因素。它们释放游离脂肪酸、激素、细胞因子、脂肪因子和生长因子，影响癌细胞和TME中的宿主细胞。
• 脂肪细胞和癌细胞之间存在着代谢物和氨基酸的活跃交换。
• 癌症相关脂肪细胞具有很强的免疫调节能力。它们通过产生骨髓细胞的化学引诱剂，促进致瘤性低度慢性炎症。

20. 神经元和神经纤维

• 神经元和神经纤维存在于TME中。
• 神经周围浸润(PNI)是癌细胞沿神经局部延伸的过程，在几种实体癌类型中观察到，并与不良预后相关。
• 在TME中，神经元和癌细胞之间通过相互的旁分泌信号存在活跃的串扰。神经元释放神经递质、神经营养因子和趋化因子，刺激肿瘤发生、抵抗细胞凋亡和增强细胞增殖。
• 此外，神经调节TME、中枢神经系统和颅外器官的炎症和免疫反应，是癌症研究的一个活跃领域。

21. 血管内皮细胞

• 血管内皮细胞内皮细胞(ECs)形成覆盖所有血管的单一细胞层
• 肿瘤内皮细胞表现出显著的异质性和可塑性，它们控制着蛋白质、细胞、氧气和液体进入周围组织的通道。
• 排列在肿瘤血管上的内皮细胞不同于正常的内皮细胞。肿瘤上皮细胞表达较低水平的粘附分子，这导致屏障功能受损，而它们表达较高水平的抑制性免疫检查点分子，这有助于免疫抑制。

22. 淋巴管内皮细胞

• 淋巴内皮细胞(LECs)形成淋巴管的壁。在TME中，淋巴管为癌细胞提供了除血管外的传播途径。
• LECs最近也被认为是抗肿瘤免疫和免疫治疗反应的直接调节因子。LECs可以呈递肿瘤抗原，也可以呈递免疫检查点分子。

23. 壁细胞

• 周细胞，也称为壁细胞，围绕血管，嵌入血管基底膜，毗邻内皮细胞。它们支持血管的成熟和通透性。
• 在肿瘤中，周细胞和内皮细胞之间的相互作用受损导致肿瘤血管渗漏和功能失调。
• 周细胞还通过旁分泌机制与其他基质细胞和癌细胞相互作用，导致TME的调节。