作者，Evil Genius
感谢伸出援手的朋友们
今天分享的文章在The evolving tumor microenvironment: From cancer initiation to metastatic outgrowth，2023年3月发表于Cancer Cell。
一些专业词汇
1.TME：肿瘤微环境，指肿瘤细胞产生和生活的内环境，且具有异质性，由多种细胞类型组成。
2.TAM：肿瘤相关巨噬细胞，指浸润或邻近肿瘤组织区域内，从属巨噬细胞系的一类肿瘤相关免疫细胞。
3. CAF：肿瘤相关成纤维细胞，肿瘤微环境中最丰富的细胞类型，是肿瘤间质中各种细胞之间交叉通讯的中心。
4. ECM：细胞外基质，细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞表面或者细胞之间的大分子构成的结构精细而错综复杂的网络。
癌症拥有复杂的生态系统，包括肿瘤细胞和大量非癌细胞嵌入在改变的细胞外基质中。肿瘤微环境(TME)包括不同的免疫细胞类型、癌症相关的成纤维细胞、内皮细胞、周细胞和各种附加的组织驻留细胞类型。这些宿主细胞曾经被认为是肿瘤发生的旁观者，但现在已知在癌症的发病机制中起着关键作用。TME的细胞组成和功能状态可能因肿瘤发生的器官、癌细胞的内在特征、肿瘤分期和患者特征而有很大差异。
介绍
在过去的几十年里，对癌症的认识有了根本性的发展。现在认识到，癌症不仅仅是一种genetic disease，而是一个复杂的生态系统，涉及广泛的非癌细胞及其在肿瘤内复杂的相互作用。现在认识到基因改变对于癌症的发生和发展是必要的，但不是充分的。通过对实体肿瘤的显微镜检查，认识到癌症的异质性，揭示肿瘤微环境(TME)是一个高度结构化的生态系统，其中包含由多种非恶性细胞类型包围的癌细胞，共同嵌入改变的、血管化的细胞外基质中。TME包括丰富的免疫细胞、癌症相关成纤维细胞(CAFs)、内皮细胞(ECs)、周细胞、以及其他因组织而异的细胞类型，如脂肪细胞和神经元。最初，这些宿主细胞被视为肿瘤发生的旁观者。然而，由于机制研究的结果，包括在临床前肿瘤模型中，TME细胞及其分泌分子现在被认为在癌症的发病机制中发挥关键作用，因此是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、肿瘤分期和患者特征的不同，TME的细胞组成和功能状态会有所不同，TME中的各种细胞可以抑制肿瘤，也可以支持肿瘤。
Principles underlying the formation of the TME
TME（肿瘤微环境）形成的基本原理：癌症细胞与宿主细胞之间的相互通讯
癌细胞通过招募和重新编程非癌宿主细胞以及重塑血管和细胞外基质(ECM)来协调肿瘤支持环境。这一动态过程依赖于癌细胞与TME的常驻或招募的非癌细胞之间的异型相互作用。利用单细胞转录组数据、肿瘤整体表达谱和空间转录组数据进行计算分析和建模的最新进展揭示了TME中细胞间信号网络的多样性。这些图谱可以作为强大的假设生成数据集来指导后续的功能研究，这些研究揭示了复杂的细胞间相互作用是如何整合的，从而导致TME的形成和进化。调节细胞间通讯的机制有多种，包括细胞间接触和旁分泌信号。
接触依赖的通讯是由粘附分子介导的，包括整合素、钙粘蛋白、选择素和免疫球蛋白超家族成员，也通过间隙连接和隧道纳米管。例如，癌细胞上的异常糖基唾液化调节了许多相互作用，包括与表达siglec的免疫细胞的相互作用，促进了免疫逃避和肿瘤进展。TME中另一个著名的接触依赖细胞间信号的例子是PD-L1/PD-1通路。癌细胞，以及肿瘤相关的骨髓细胞，经常过度表达免疫检查点蛋白PD-L1，它与适应性免疫细胞上的PD-1受体结合，抑制免疫监视。这说明了对TME通讯的分子洞察如何具有关键的治疗价值，因为通过免疫检查点封锁(ICB)抑制PD-L1/PD-1已成为越来越多癌症的标准护理治疗方法。
除了细胞与细胞的直接接触外，通过释放细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶的旁分泌信号对TME内的细胞间通信至关重要。这些分子的分泌是为了响应癌症的内在特征和细胞应激，它们可以来源于TME中的多种细胞类型，并通过与受体结合或ECM重塑对靶细胞产生直接或间接的作用。细胞外囊泡(EVs)的释放，包括外泌体，是另一种旁分泌机制，可以改变局部环境，甚至在原发肿瘤部位以外产生深远影响。例如，临床前研究显示，黑色素瘤来源的EVs教育骨髓(BM)祖细胞向促血管发生表型发展，促进转移形成癌症来源的表达pd - l1的ev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ICB耐药。改变代谢需求和伴随的代谢物分泌在创造支持性TME中的重要性也日益得到认识。单细胞代谢组学和空间多组学的进展，结合体内实验，有望提高对代谢产物串扰和TME竞争的理解。
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来促进细胞间的通讯。蛋白酶的ECM重塑释放了被束缚的分子，从而产生局部高浓度的释放介质。此外，癌症和TME细胞通过受体(包括整合素和CD44)直接接触周围的ECM，导致在癌症中发挥复杂的信号网络功能。
总的来说，肿瘤细胞和非肿瘤细胞之间的通讯可以通过不同的机制在多个层面上发生
环境很重要
TME的组成和功能状态在不同的患者之间可能有很大的差异，即使在同一种癌症类型中也是如此。患者特定的因素，包括年龄、性别、生活方式、体重指数和微生物组都会影响TME，肿瘤发生的器官也会影响TME。不同器官具有独特的组织常驻免疫细胞和基质细胞类型，组织类型可以决定这些细胞的功能状态。说明性的例子包括在不同器官中发现的功能不同的巨噬细胞群例如，肝脏中的巨噬细胞，称为Kupffer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。技术进步也揭示了细胞表型、激活状态和发育对其他免疫和基质细胞类型的组织环境的适应，包括中性粒细胞、成纤维细胞、T细胞、ECs和脂肪细胞。这些细胞的器官特异性转录程序可能是由它们到达组织时的环境所激发的，或者可能已经在组织发育过程中被表观遗传表型了，就像在长寿命的成纤维细胞的情况下一样。
越来越多的人认识到，细胞在稳态条件下的器官特异性表型可以部分解释这些细胞在不同肿瘤类型中的不同表型和功能。例如，在人和小鼠非小细胞肺癌(NSCLC)中，与单核细胞来源的巨噬细胞相比，组织驻留巨噬细胞具有不同的时间和空间分布和功能随着器官间细胞编程的不同，ECM中母质蛋白的组成也不同鉴于ECM在调节细胞表型和行为方面的重要性，这种组织依赖的ECM特性有助于产生器官特异性TMEs。
除了解剖部位依赖的机制外，可以说TME最重要的调节因子是癌细胞本身。这一发现得到了支持，即发生在大脑中的胶质瘤与起源于颅外肿瘤的脑转移具有不同的免疫环境。越来越清楚的是，癌细胞的内在特征，包括改变的(epi)genetics，代谢重编程，和解除调控的信号，是肿瘤如何形成其微环境的关键决定因素。临床前研究表明，操纵癌细胞的内在连接改变了分泌组，改变了细胞表面受体或配体，影响了EVs的数量和丰度，并改变了营养物质的使用，导致肿瘤免疫结构的广泛变化和ICB反应受损。例如，在krasg12驱动的肺腺瘤中，Myc激活导致上皮细胞分泌CCL9和白细胞介素-23 (IL-23)。这就产生了炎症、血管生成和免疫抑制的TME，从而增强了肿瘤的发生在黑色素瘤中，肿瘤固有的β-catenin信号通路诱导转录抑制因子ATF3的表达，从而抑制CCL4的分泌。这损害了CD103+树突状细胞(DC)的招募，导致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一个富含髓细胞的免疫抑制环境，这促进了肿瘤进展、转移和ICB耐药。随着高分辨率分析技术的快速发展，癌症内在特征和TME之间的更多联系将被揭示，这可能会为针对单个肿瘤的TME靶向策略的合理设计奠定基础。
Tumor initiation: Disruption of tissue homeostasis
恶性细胞要成功形成肿瘤必须克服多个瓶颈，其中许多瓶颈依赖于破坏周围组织的正常化监督，其次是改变微环境过程来支持肿瘤的发展。
肿瘤起始：从免疫粘附到免疫逃避的平衡
我们的免疫系统对于抵御威胁生命的病原体、伤口愈合和消灭受损细胞至关重要。为了执行这些功能，免疫系统具有令人难以置信的多样性和适应性，具有严格控制的机制来限制组织损伤和恢复内稳态。然而，尽管适应性免疫细胞有能力识别和消除病原体和表达非自身抗原的细胞，但癌细胞可以逃避破坏，发展成成熟的肿瘤。研究发现，癌细胞表达的(新)抗原特异性T细胞可以在已建立的肿瘤中检测到，并且高T细胞密度和T细胞激活特征与提高癌症类型的生存率相关，这表明适应性免疫系统具有识别癌细胞的潜力。事实上，使用高免疫原性肿瘤模型的临床前研究为癌症免疫监测理论提供了早期的实验证据，假设适应性免疫系统可以约束和塑造肿瘤。尽管如此，在肿瘤发生的早期，许多发展中的癌症已经成功地预防或抵消了免疫攻击。例如，虽然适应性免疫系统受到抑制的患者，如艾滋病患者或接受过器官移植的患者，患病毒相关恶性肿瘤的风险较高，但许多非病毒相关上皮性癌症的发病率并没有增加。同样，在各种转基因小鼠模型中，在遗传消除适应性免疫细胞成分后，肿瘤发病率并不总是增加，有时甚至会降低。这些发现强调了更好地理解癌症免疫逃避机制的必要性。
最近利用单细胞技术和多重空间分析的研究揭示了癌前进展的最早步骤以及免疫环境中共同进化的空间、分子、结构和功能变化。对肺癌演变的分析显示，最初的低级别病变的特征是原始T细胞的涌入，这表明免疫系统在其早期阶段就能感知到转化。然而，随着病变的进展，观察到活化T细胞和髓系细胞的聚集，以及参与免疫抑制的基因的上调。类似地，原位乳腺导管癌(DCIS)与正常乳腺组织的免疫细胞组成比较显示，DCIS中白细胞总数更多，中性粒细胞更多，CD8/CD4比率降低。DCIS向浸润性导管癌的进展伴随着向抑制免疫环境的过渡，其特征是活化CD8+ T细胞减少，PD-L1和CTLA4表达增加，调节性T细胞(treg)增多，T细胞受体(TCR)克隆型多样性减少。在头颈癌患者中，早期疾病与引流淋巴结中的免疫刺激中性粒细胞有关，在肿瘤晚期，引流淋巴结转变为免疫抑制中性粒细胞总之，这些患者样本的分析表明，早期肿瘤病变是由适应性和先天免疫系统感知的，随着这些病变的进展，向免疫抑制TME的过渡随之而来。
一些癌症发生在慢性炎症之后，因此利用了已经被破坏的有利于免疫抑制的骨髓适应性免疫细胞串扰。慢性炎症组织通常以th2型免疫反应和髓系细胞的积累为特征，这些细胞极化为免疫抑制的功能状态，分泌活性氧(ROS)、促炎细胞因子、趋化因子、生长因子和促血管生成介质。这些共同作用可能导致组织损伤、上皮细胞突变、内皮功能障碍和血管生成。
炎症：肿瘤进展的催化剂
癌症引起的炎症已与在伤口中观察到的炎症反应进行了比较。然而，虽然伤口愈合的特点是适应性免疫细胞和先天免疫细胞之间的精心编排的动态相互作用，导致炎症消退和恢复组织稳态，但肿瘤发展背景下的炎症的特点是破坏适应性-先天免疫细胞的相互作用，这种相互作用无法消退。在长时间的炎症信号、缺氧、低pH值和代谢产物水平改变的影响下，这种炎症变成慢性和破坏性的。因此，德沃夏克假设肿瘤就像无法愈合的伤口。由于控制肿瘤相关免疫细胞的组成、空间组织和激活状态的机制是多种多样的，并且在不同的肿瘤之间差异很大，因此重要的是要考虑炎症的类型及其对癌症进展的影响将因肿瘤类型和患者而异。
随着肿瘤的生长，由于细胞毒性CD8+ T细胞和NK细胞的减少，功能失调的CD8+ T细胞、免疫抑制CD4+FoxP3+ Tregs和调节性B细胞的增加，共同进化的免疫环境发生了深刻的变化，而CD4+ T细胞则倾向于促炎Th2表型，而DCs则表现出成熟和功能缺陷。与此同时，骨髓细胞越来越多地被动员到TME，在那里它们适应其表型以适应局部炎症环境。肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和中性粒细胞(TANs)通常是不同TMEs中最丰富的髓系细胞，已被广泛研究。驱动这些细胞动员和激活的关键肿瘤源性介质包括CSF-1、CCL2、VEGF-A、肿瘤坏死因子α (TNF-α)和巨噬细胞的信号素3A，中性粒细胞的IL-6、CXCL1、CXCL2、IL-1β和IL-8。它们在人类肿瘤中的存在通常与较差的预后和较差的治疗反应有关，尽管在某些情况下，它们的丰富程度与良好的结果相关。最近的研究揭示了肿瘤相关骨髓细胞的多样性和可塑性。从最初的分类到经典激活和替代激活的简单二元状态，即M1和M2巨噬细胞或N1和N2中性粒细胞，(单细胞)转录组分析研究和功能分析提供了重要的新见解。例如，单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析表明，单个肿瘤中存在多个巨噬细胞和中性粒细胞亚群，表明TAMs同时共同表达典型的M1和M2标记基因。目前尚不清楚这些子集是否代表不同的人群或同一人群的不同状态。然而，越来越多的研究支持这一观点，即这些不同的髓系细胞clusters显示出不同的，有时相反的功能。例如，TAN经常发挥免疫抑制功能，但在早期人类肺肿瘤中，一个独特的TAN子集被证明具有抗原呈递能力。在TAM人群中，具有免疫抑制或促血管生成特征的亚群也已被确定。最近的一项泛癌症分析显示，巨噬细胞亚群在肿瘤类型之间表现出不同的转录组模式，支持肿瘤相关髓系细胞的器官和癌症类型特异性表型的概念。了解肿瘤内和全身骨髓细胞亚群的全谱，对于设计具有抗癌特性的骨髓免疫亚群治疗策略，同时抑制或耗尽具有肿瘤支持作用的骨髓免疫亚群至关重要。
关于进化肿瘤中巨噬细胞多样性的另一层复杂性是，组织巨噬细胞最初是由胚胎来源的巨噬细胞在许多器官中驻留的，在功能上与招募的单核细胞来源的巨噬细胞不同。虽然中性粒细胞在个体发生方面的类似差异尚未被描述，但临床前研究显示，来自发展中的肿瘤的炎症介质重新编程骨髓造血，使其向髓系倾斜，并改变骨髓的中性粒细胞输出。随后，以组织和肿瘤特异性的方式对其命运和行为进行额外的转录和表观遗传适应。最有可能的是，其他髓系细胞，包括嗜酸性粒细胞、肥大细胞、嗜碱性粒细胞和树突状细胞，也经历了类似的多层肿瘤诱导转变过程，其程度可能由不同髓系细胞亚群的不同寿命和更替所决定。
与TAMs和TANs的丰度与患者不良预后之间的显著相关性一致，小鼠模型中这些细胞的消耗、抑制或重编程会损害许多癌症类型的发展或进展，也会提高化疗、放疗和免疫治疗的疗效。然而，在一些临床前环境中，巨噬细胞或中性粒细胞的净作用是抗肿瘤的。这些肿瘤抑制特性是否由某些癌症(亚)类型、阶段或其他与肿瘤或宿主相关的特征引起，需要详细的研究。肿瘤相关髓系细胞具有较高的功能可塑性，可以影响许多致瘤过程，包括:(1)通过癌细胞的增殖、存活和侵袭能力直接调节癌细胞的命运和行为，(2)产生免疫抑制的TME，(3)激活肿瘤血管生成，(4)重塑ECM。
研究对不同肿瘤中起作用的机制的理解仍然有限，不同的机制可能共存于同一肿瘤中，可能局限于肿瘤内的特定空间区域，或者可能随着癌症的进展而依次被激活。慢性激活的巨噬细胞和中性粒细胞直接促进上皮细胞恶性转化的一个重要机制是通过产生可以直接诱导上皮细胞DNA损伤的活性氧和氮。肿瘤相关的髓细胞也分泌丰富的生长因子和细胞因子，改变癌细胞的命运和行为，包括表皮生长因子(EGF)，它维持癌细胞的增殖和迁移;肝细胞生长因子(HGF)，增加癌细胞的转移潜力;转化生长因子β (TGF-β)、IL-6和il - 10以及GPNMB维持癌细胞干性。然而，在某些条件下，例如在一些早期肿瘤或基于抗体的治疗期间，髓系细胞也可以杀死或吞噬癌细胞，或促进抗体依赖性细胞的细胞毒性，突出了这些细胞在TME中的相反作用。
除了直接影响癌细胞外，TAMs、它们的单核细胞祖细胞、中性粒细胞和研究较少的肥大细胞可以通过在TME中协调肿瘤支持过程间接促进肿瘤的发生。髓系细胞具有有效免疫抑制作用的证据来自临床前研究，这些研究表明TAMs或TANs的衰竭或功能重编程减少了肿瘤浸润T细胞的免疫衰竭程序，恢复抗肿瘤免疫反应，并与ICB疗法协同作用。此外，TAM和TAN丰度通常与患者ICB反应差相关。
髓细胞采用多种机制来支持肿瘤的免疫逃避。它们能分泌T细胞和NK细胞的抑制介质，包括IL-10、ROS、iNOS、精氨酸酶1、TGF-β，表达免疫检查点分子如PD-L1，产生炎症介质IL-1β、TNF-α、IL-6，放大炎症反应。例如，在早期人类肺癌中，与健康肺中的巨噬细胞相比，具有高水平PPARγ、CD86减少和PD-L1增加的浸润性巨噬细胞亚群与T和NK细胞减少有关泛癌scRNA-seq分析发现IL-4l1+ PD-L1+ IDO1+ TAM亚群与T细胞衰竭、色氨酸降解和Treg积累有关。临床前研究一致表明，巨噬细胞通过促进肿瘤内抑制性treg细胞的扩张和常规CD4+ T细胞在瘤内转化为treg细胞，从而促进肿瘤内抑制性treg细胞池的形成。由于其低RNA含量，TANs在scRNA-seq数据集中通常代表性不足。然而，有充分的临床和实验证据表明，它们在瘤内和全身具有强大的免疫抑制能力。事实上，由于这种功能，这些中性粒细胞和单核细胞通常被归为髓源性抑制细胞(MDSCs)。
骨髓细胞促进癌症中的免疫逃避和血管生成的一个新兴机制是通过它们在TME中的代谢适应和营养物质和必需氨基酸的消耗。肿瘤相关的髓系细胞通常改变糖酵解活性，增加谷氨酰胺和脂肪酸的消耗，这可以通过营养和免疫支持肿瘤生长。
CAFs（肿瘤相关成纤维细胞）和ECM（细胞外基质）重塑在TME演变中的多重作用
与免疫细胞一起，CAFs形成了许多肿瘤的主要成分。一些肿瘤，如肝细胞癌，是异常激活成纤维细胞的结果，特别是在纤维化或肝硬化的肝脏中。其他类型的癌症在起始和发展阶段也可以诱导纤维化，通常被称为粘连增生。单细胞技术的最新进展揭示了以前不被重视的CAFs表型和功能多样性。例如，人胰腺腺癌(PDAC)前体病变的scRNA-seq揭示了肿瘤起始过程中CAF亚群的组成和转录组的动态变化。Barrett食管癌前病变发展为食管腺癌的特征是间质和成纤维细胞炎症相关基因表达增加同样，在多个小鼠模型中，CAF组成和转录组的改变是肿瘤发展的早期事件，这些变化随着肿瘤的进展而演变。
肿瘤中CAFs的起源仍有争议，可能因肿瘤分期和癌症类型而异。局部组织驻留成纤维细胞的扩张可能是早期肿瘤CAFs的来源之一。其他研究表明，一些组织具有不同的成纤维细胞谱系，这可能导致不同的细胞状态或功能不同的CAF亚群。CAFs也可能来自于其他细胞类型的转化，包括肌成纤维细胞、脑转移源性间充质干细胞(MSCs)、星状细胞和脂肪细胞源性CAFs。这些不同来源的CAFs导致了它们的表型和功能异质性。
CAFs在响应TME动态变化的线索时也表现出可塑性。这种可塑性的程度尚不完全清楚，但最近的研究表明，CAFs由多种亚型组成，这些亚型在肿瘤进展过程中发生变化，并受到空间调控。在胰腺癌中，三种不同的CAF亚型共存:肌成纤维细胞(myCAFs)、炎性CAFs (iCAFs)和抗原呈递CAFs (apCAFs)，具有不同的功能特性和转录组可塑性。在其他癌症类型中，也发现了类似的CAF亚型。有趣的是，CAF的簇分布可以随着机械传导中断或免疫治疗而改变，这为调节CAF亚群组成提供了策略。
CAFs由TME中的各种机制激活，包括暴露于炎症介质、ECM硬度和成分的变化以及代谢产物的改变。关键的可溶性激活因子包括TGFβ、IL-1、IL-6和TNFα，它们也在肿瘤发生和发展过程中驱动慢性炎症，强调了肿瘤发生和发展过程中炎症和CAFs之间的联系。基质硬度通过刺激CAFs中的YAP和MRTF-SRF调节网络来促进转录重编程，从而驱动促纤维化反应、ECM蛋白的产生、血管生成和癌细胞侵袭。肿瘤衍生信号也可以调节CAFs中复杂的信号网络。例如，在PDAC中，癌细胞以旁分泌的方式激活CAFs中的Hedgehog信号。早期临床前研究表明，靶向Hedgehog途径可使PDAC肿瘤对gemcitabine增敏。然而，Hedgehog途径抑制剂联合化疗的临床试验并没有显示出任何治疗效果，在某些情况下甚至加速了肿瘤的进展。现在已经认识到，在myCAFs和iCAFs中，Hedgehog信号的激活是不同的。因此，Hedgehog途径抑制降低了myCAFs，增加了iCAFs，导致更受免疫抑制的TME。
作为肿瘤相关免疫细胞的镜像，CAFs同样在TME中发挥多效性和功能相反的功能。关于CAFs促进肿瘤功能的早期证据来自于将癌细胞与CAFs共同注射到小鼠体内的实验。在进一步的临床前研究中，内源性CAFs被基因或治疗靶向，进一步揭示了CAFs强大的促肿瘤作用。然而，在某些小鼠模型中，特定CAF亚群(包括肌成纤维细胞)的消耗或靶向加速了肿瘤的生长，这意味着不同TMEs中功能相反的CAF亚群。
CAFs主要负责ECM在TME内的沉积和重塑。例如，TME中的纤维化导致组织僵硬，这与胰腺癌和乳腺癌患者的生存率差有显著相关性。ECM的力学特性直接影响癌细胞的信号和行为，此外还影响免疫细胞的募集和激活，并减少药物进入肿瘤。此外，在这种情况下，CAFs和免疫细胞一起工作。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、基质金属蛋白酶(MMPs)和组织蛋白酶以及胶原交联酶(包括赖氨酸氧化酶(LOX))的重要来源。在多个临床前模型中，这些已被证明能促进肿瘤发生、侵袭和治疗耐药性。
最近的研究表明，CAFs可以通过几种机制帮助肿瘤逃避免疫控制。在人类癌症中，CAFs与T细胞功能障碍和排斥有关，临床前研究表明，CAFs通过分泌CXCL12和TGF-β或通过ECM沉积形成物理屏障直接阻止T细胞招募或激活。在患者中，CAFs诱导的T细胞排斥可能是肿瘤发生过程中的早期事件，因为在一些早期NSCLC病变中，MYH11+ αSMA+ CAFs在肿瘤巢周围形成单层，这与肿瘤巢内T细胞密度降低相关。有趣的是，在PDAC中，主要组织相容性复合体(MHC) ii类表达CAFs的子集显示出与CD4+ T细胞类似的抗原提呈能力，但缺乏共刺激分子，这可能导致T细胞活化缺陷，从而赋予CAFs另一层免疫调节功能。
CAFs还通过IL-6、IL-1β、VEGF、CSF-1、CCL2和几丁质酶3-like1等介质的分泌动员和编程免疫抑制髓系细胞，并通过促进Treg的积累和免疫抑制活性，间接干扰抗肿瘤免疫。CAFs的这些免疫调节特性为逆转免疫抑制和改善ICB治疗提供了机会。事实上，多项临床前研究表明，CAF调制后T细胞流入增强，ICB疗效增强。进一步了解CAFs和免疫细胞之间的相互作用机制，以及患者和癌症类型之间的异质性，可以激发新的联合疗法，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。在人类乳腺和肺部肿瘤样本中，CD10+GPR77+ CAF亚群通过IL-6和IL-8分泌为癌症干细胞提供了一个生存niche，从而促进肿瘤形成和化疗耐药。在结直肠癌中，TGF-β驱动的CAFs分泌IL-11促进了癌细胞扩散中GP130/ stat3依赖的生存程序。在胰腺星状细胞中，胰腺肿瘤诱导的脂质代谢转移导致溶血磷脂酰胆碱分泌，从而支持PDAC细胞增殖和迁移以及AKT激活。这些代表性的例子说明，CAFs改变癌细胞信号和行为的机制是多种多样的，并依赖于组织。
总之，CAF细胞群是高度多样化的，并且依赖于空间环境。单细胞测序和多组学方法的最新进展，以及复杂的谱系追踪模型和对已定义CAF亚群微环境功能特性的更好理解，将促进针对促进肿瘤的CAF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，即新血管的形成过程，是肿瘤发生的必要条件。一旦肿瘤生长超过1-2毫米，它必须建立自己的血管供氧和营养。在对看似健康的个体的尸检研究中，在包括乳腺、前列腺和甲状腺在内的几个器官中检测到显微镜下的静止肿瘤，其患病率远高于基于这些组织中报告的癌症发病率的预期。血管生成的缺乏被认为是为什么一些显微病变没有发展成侵袭性癌症，而是保持在休眠状态。
在健康的组织中，血管系统是稳定的，而血管的主要组成部分ECs并没有主动分裂。相比之下，肿瘤起始阶段血管生成的发生，也被称为血管生成开关，是一个复杂的过程，涉及ECs、周细胞、壁细胞、癌细胞、肿瘤相关免疫细胞和CAFs之间广泛的相互对话。 The physical changes to the vasculature during the sprouting of new capillaries from existing vessels, and the remarkable heterogeneity and plasticity of ECs have been described in detail。肿瘤血管不断暴露于促血管生成信号，导致血管系统紊乱、渗漏和弯曲，周细胞覆盖缺陷，ECs不连续。这会影响肿瘤的氧合，改变免疫细胞动力学，并减少药物渗入肿瘤。另一种可供选择的血管化过程涉及血管征用，其中肿瘤扩张先前存在的血管，而不需要刺激新的血管生成。癌细胞可以沿着宿主血管的管腔表面迁移，这些血管可能并入发展中的肿瘤。血管拟态是进展肿瘤进入循环的另一种策略，已在黑色素瘤和胶质母细胞瘤中报道过。这涉及到癌细胞通道的形成，有或没有基质蛋白沉积，连接到现有的血管。这些过程背后的机制还不完全清楚，但它们可能会使肿瘤抵抗抗血管生成疗法。
缺氧，即组织中缺乏氧气，是血管生成的主要触发因素。许多响应缺氧的分子可以促进血管生成转换，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素。在患者中，高肿瘤内和全身VEGF水平与各种癌症类型的不良疾病结局相关。抑制VEGF信号通路可以阻止小鼠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。其他促进血管生成的分子，如碱性成纤维细胞生长因子(FGF2)和胎盘生长因子(PIGF)，也在肿瘤中发现，以及炎症介质，包括TNF, BV8和G-CSF。肿瘤进化过程中血管网络的形成和持续适应受肿瘤细胞和宿主细胞的环境依赖性调节。
肿瘤相关髓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。这些细胞也产生蛋白酶，如基质金属蛋白酶和组织蛋白酶，它们分解ECM并释放隔离的促血管生成分子，使它们具有生物可利用性。越来越多的证据表明，特定的骨髓细胞亚群具有促血管生成功能。例如，在胰岛癌发生模型中，产生MMP-9和BV8的中性粒细胞驱动血管生成。表达TIE-2的巨噬细胞存在于肿瘤的血管周围生态位(PVN)，在不同的小鼠肿瘤模型中驱动血管生成。发生代谢变化的低氧TAMs通过与ECs竞争葡萄糖，也有助于形成紊乱、不稳定的肿瘤血管。多种人类癌症中肿瘤相关髓系细胞的单细胞分析已经确定了具有显著血管生成基因特征的亚群，尽管尚未建立这些细胞的统一分子注释。
重要的是，血管和免疫细胞之间的作用是相互的。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避。例如，血管粘附分子，调节免疫细胞的归巢和运输，can be downregulated。肿瘤相关ECs表达较低水平的ICAM-1, VCAM-1, e -选择素和p -选择素，这导致了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，据报道，ECs肿瘤诱导的FasL表达可选择性地杀死效应细胞CD8+ T细胞，导致免疫逃避。单细胞研究揭示了健康和疾病中不同EC亚群的免疫调节表型的新见解。促血管生成介质也可以直接影响免疫细胞。例如，VEGF-A抑制dc的成熟，增加Treg，增强肿瘤相关髓系细胞的免疫抑制状态。最后，肿瘤血管、ECM和缺氧niche物理性质的改变也会影响免疫细胞的浸润和功能。
同样，肿瘤淋巴也具有重要的免疫调节特性。与blood ECs一样，淋巴ECs可以通过多种机制抑制T细胞反应，包括在缺乏共刺激分子的情况下表达免疫检查点分子和抗原提呈。VEGF-C是淋巴管生成的主要驱动因素，高水平的VEGF-C与转移增加和生存率降低有关。然而，矛盾的是，在黑色素瘤中，免疫治疗在VEGF-C水平高和淋巴管生成明显的肿瘤中更有效。了解血管生成和免疫抑制之间的肿瘤支持相互反馈可能有助于开发抗血管生成治疗作为逆转免疫抑制和恢复抗肿瘤免疫的手段。事实上，在临床前研究中，干扰血管生成可以提高各种免疫疗法的有效性。
CAFs也是肿瘤血管生成的关键协调者，这强调了TME复杂的相互联系。像免疫细胞一样，CAFs产生几种促血管生成介质，包括VEGF-A、FGF2和CXCL12等。此外，通过招募和激活在TME中具有促血管生成能力的EC祖细胞和髓系细胞，CAFs间接促进了肿瘤血管生成。此外，caff介导的结缔组织形成反应影响肿瘤的血管化。CAFs产生胶原交联酶，包括LOXs和羟化酶，以及ecm降解蛋白酶，这些酶改变肿瘤的力学特性并影响血管生成。然而，ECM蛋白水解后释放的一些胶原蛋白片段，如内皮抑素(endostatin)和肿瘤抑素(tumstatin)，可以抑制血管生成，这表明caff依赖性的促血管生成和抗血管生成过程都在TME中起作用。
Setting the stage for metastatic spread
Cancer cell invasion and migration
一旦肿瘤成功地在血管生成、炎症和纤维化之间建立了相互加强的联系，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主要特征之一，为转移性传播奠定了基础。侵袭是一个复杂的、多步骤的过程，包括癌细胞彼此分离，从原发肿瘤块迁移，并侵袭周围的基质。癌细胞可以以单细胞形式入侵，也可以以束状或簇状集体入侵。在侵袭过程中，癌细胞暴露在不断变化的TME细胞和分子成分中，必须切换表型来完成这一过程。
上皮细胞-细胞黏附必须被破坏才能与邻近的癌细胞分离。细胞间粘附蛋白E-cadherin的丢失是这一过程的核心，通常伴有上皮细胞-间充质(EMT)样过渡状态。癌细胞失去上皮细胞特征，获得间充质特征，促进干细胞样特性和迁移。来自TME的线索促进癌细胞的表型转换，使局部侵袭成为可能。例如，在HER2+乳腺肿瘤发生的小鼠模型中，癌前病变中上皮细胞和髓细胞产生的CCL2招募CD206+Tie2+巨噬细胞，下调E-cadherin连接并刺激Wnt信号通路。这导致类似急救的反应，有助于早期传播通过抑制CSF1R的巨噬细胞消耗逆转了这一过程，导致增生性导管中E-cadherin表达增加，癌细胞扩散减少。在NSCLC的早期阶段，癌细胞定位于近端组织驻留的肺泡巨噬细胞。从早期小鼠NSCLC病变中分离的肺泡巨噬细胞的转录组分析显示，抗原呈递和组织重塑基因(包括蛋白酶)的表达增加。体外和体内机制研究表明，巨噬细胞在邻近癌细胞中引发EMT和侵袭表型。肿瘤细胞中这种表型可塑性的强大诱导剂是TGF-β，它可以由癌细胞自身或TME中的宿主细胞分泌。例如，在体外和体内条件下，cafa相关的TGF-β信号通路增强了癌细胞的侵袭。此外，基质金属蛋白酶和组织蛋白酶的催化活性改变了癌细胞的生物物理性质，例如通过从上皮细胞中切割e -钙粘蛋白和通过调节整合素，使癌细胞能够对不同硬度的基质进行机械适应。
虽然e -钙粘蛋白丢失和表型可塑性促进了癌症侵袭，但并非所有肿瘤在转移传播过程中都会发生EMT切换。保留上皮细胞特征的癌细胞入侵的确切机制尚不清楚，但越来越多的证据表明，CAFs通过其重塑特性和施加物理拉力在ECM中物理生成轨迹，从而使癌细胞集体入侵。CAFs与癌细胞之间的异型粘附通过E-cadherin/N-cadherin连接触发了癌细胞的机械传导反应，使集体入侵成为可能。其他TME细胞也能促进癌细胞侵袭。例如，神经周围浸润(PNI)是癌细胞沿神经局部延伸的过程，在几种实体癌症类型中观察到，并与不良预后相关。在pdac相关PNI的小鼠模型中，PNI部位的雪旺细胞释放CCL2，吸引炎性单核细胞。这些细胞随后分化为产生组织蛋白酶b的巨噬细胞，增强神经侵袭。在小鼠乳腺癌模型中的活体显微镜(IVM)研究显示，EGFR+癌细胞的侵袭和迁移依赖于产生egf的TAMs的共同迁移。总之，这些发现表明，CAFs、免疫细胞和组织驻留细胞的吸收促进了癌细胞的侵袭行为。
在健康组织中，基底膜在上皮细胞和基质之间形成物理屏障。只有突破这一屏障，癌细胞才能侵入周围组织。癌细胞做到这一点的能力取决于多种因素的组合，包括它们的内部编程、ECM的结构和来自TME的信号引导。CAFs是通过分泌蛋白酶重塑基底膜和ECM网络的关键角色，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。癌细胞随后受到ECM的组成和机械特性以及间质液压力的影响，这影响了癌细胞的迁移和侵袭能力。它们可以通过整合素和其他跨膜受体感知重构和交联的ECM分子，从而影响癌细胞的固有信号，增强癌细胞的侵袭和迁移。例如，刚性ECM触发整合素在癌细胞上的聚集，从而刺激FAK/Src复合物组装和PI3K/Akt和ERK信号通路的下游激活，促进癌细胞侵袭、迁移和存活。在各种小鼠肿瘤模型中，ECM重塑和ECM交联的药理学或遗传抑制、FAK抑制和其他减少基质硬化或癌细胞对僵硬ECM的反应的策略减弱了肿瘤的发生。
Intravasation
转移的下一个限制速度的步骤是癌细胞进入血液或淋巴循环。癌细胞穿过内皮层进入循环的机制是复杂的、环境依赖的，并受癌细胞的内在特征、ECM的物理特性和血管类型、微环境和缺氧程度的影响。如上所述，肿瘤血管的完整性经常受到损害。血管基膜和内皮屏障可能被破坏，增加血管渗漏，促进癌细胞的内渗。小鼠IVM研究为静脉注射过程提供了关键的见解。通常，TAMs与体内的癌细胞有关。在移植了PyMT乳腺肿瘤的小鼠中进行的IVM和机制实验显示，位于血管近端、分泌cxcl12的CAFs可以吸引TAMs和伴随的癌细胞向血管周围区域移动，在那里发生血管内灌注。TIE2+血管周围TAMs诱导的VEGF-A信号通路导致血管连接的局部性丧失，导致血管通透性的短暂增加，促进癌细胞的内渗。因此，巨噬细胞减少可降低血管通透性和循环肿瘤细胞(CTC)的数量。除了创建进入血管的通道外，TAMs还直接重新编程癌细胞，使其经历静脉灌注过程。巨噬细胞在癌细胞中激活RhoA信号，诱导癌细胞胞内形成并随后在体外灌注。此外，TAMs通过Notch-Jagged信号在癌细胞中促进癌症干性编程，导致一种缓慢迁移的、富含入侵物的癌细胞表型，增强了它们的体内注射。包含表达vegf的TIE2+巨噬细胞、癌细胞和ECs的三方结构，也被称为TME转移(TMEM)“门道”，以接触依赖的方式促进静脉内循环。TMEMs已在人类乳腺肿瘤中被观察到，其密度预示着远处转移的风险升高。乳腺癌患者和小鼠乳腺癌模型的新辅助化疗通过促进Tie2+/VEGFhi巨噬细胞向肿瘤的动员，增加了TMEM位点的密度和活性，这与化疗处理的实验模型中ctc和转移灶的增加有关。TIE2抑制逆转了化疗介导的促转移作用。TMEM门道在静脉注射中的相关性主要来自对乳腺癌的研究。在其他类型的癌症中是否存在类似的机制仍有待建立。此外，除了巨噬细胞和ECs外，中性粒细胞、周细胞、CAFs、脂肪细胞以及TME的力学特征，包括ECM结构和间质液压力，也通过直接或间接的机制影响癌细胞的内渗。
淋巴灌注是癌细胞扩散的另一种途径，尽管其潜在机制尚不完全清楚。瘤内淋巴管常被压缩，淋巴管的结构与血管的结构不同，因此可能需要不同的静脉注射方式。淋巴途径对形成远处转移的重要性仍有争议，可能是器官依赖的。
The long-distance reach of primary tumors: Formation of the premetastatic niche
重要的是，肿瘤发展对宿主的影响不仅限于局部TME。通过旁分泌作用，原发肿瘤在转移扩散之前在远处器官中产生有利于癌细胞生长的微环境，从而触发一系列事件认识到原发肿瘤通过为未来扩散的癌细胞准备远处的位置(称为转移前niche)而远远超出其边界，导致对转移的理解发生了转变。转移前小位的存在最初是在使用LLC肺和B16黑色素瘤模型的研究中报道的。研究表明，这些原发肿瘤在远端肺ec和巨噬细胞中触发VEGF和pigf介导的MMP9诱导，从而促进肺转移的形成。MMP9在癌伴其他器官原发肿瘤患者的肺ec中也上调，而在非癌患者中未观察到这一现象。另一项研究，使用相同的小鼠肿瘤模型，报道了纤维连接蛋白，一种VLA-4配体，在转移前远处器官的成纤维细胞中被诱导，这指导了转移前VEGFR1+VLA-4+ bm来源的造血祖细胞的积累。重要的是，VEFGR1+细胞簇也在癌症患者的常见转移部位观察到，但在非癌症患者中没有。自从这项开创性的研究以来，目前对支持转移前niche的分子和细胞机制的认识已经取得了实质性进展，这些壁龛为播散性癌细胞形成了肥沃的土壤。
触发导致转移前小位生成的一系列系统性变化的起始信号包括肿瘤来源的可溶性介质，最显著的是G-CSF、VEGF-A、PLGF、TGFβ、S100蛋白和TNF，以及装载肿瘤“需求”的EV，这些肿瘤货物可以转移到BM细胞和远处器官的居住细胞。这些介质中的一些影响骨髓基，在那里他们激活和编程免疫细胞及其祖细胞动员到未来的转移位点其他肿瘤分泌介质直接修饰远处的器官。例如，缺氧的4T1乳腺癌细胞分泌的LOX通过诱导破骨细胞形成破坏了正常的骨稳态，这促进了ctcs的归巢和定植在LLC和B16荷瘤小鼠中，负载小核rna的肿瘤源性ev激活肺上皮细胞中的toll样受体3 (TLR3)，刺激中性粒细胞化学吸引介质的释放，最终通过中性粒细胞募集形成肺转移前小位。这些和其他最近的研究表明，原发肿瘤破坏了远处器官中不同组织驻留细胞和新动员的脑转移源性免疫细胞之间的对话，从而有助于转移前小生境的形成。组织驻留细胞的关键参与奠定了转移前小生境形成的器官特异性差异，部分解释了转移的器官向性。另一个导致转移性扩散的器官特异性的因素是由肿瘤分泌ev上粘附分子的表达决定的。在小鼠模型中，观察到根据整合素表达谱，肿瘤来源的ev返回到不同的远处器官，并且根据器官，不同的驻留细胞显示出对肿瘤ev的摄取。因此，接种肿瘤分泌EV可以重定向癌细胞的有机行为。此外，在癌症患者中，发现了具有特定整合素表达模式的EV，这与转移的位置相关。
原发肿瘤使宿主为转移性疾病做好准备的另一种机制是通过诱导肿瘤诱导的全身炎症和免疫抑制，有利于扩散的癌细胞的免疫逃逸。例如，原发性trp53缺陷小鼠乳腺肿瘤中分泌il -1β的TAMs诱导IL-17和g - csf依赖的免疫抑制中性粒细胞从BM转移到远处的器官，通过抑制CD8+ T细胞促进转移到肺和淋巴结。原发肿瘤诱导的全身免疫抑制并不只影响未来的转移位点，但确实影响整个宿主，因此在形式上不属于转移前小生境形成的概念。然而，系统动员免疫抑制骨髓细胞可能触发组织环境特异性程序，以实现器官特异性转移。例如，在乳腺癌小鼠模型中，全身动员分泌il -1β的中性粒细胞增强了肺外成纤维细胞前列腺素E3的分泌，导致抗肿瘤免疫降低和肺转移增强。
总的来说，虽然确切的旁分泌介质、细胞参与者和转移前小生境形成的级联事件可能因肿瘤类型而异，但在远处器官中产生的允许性小生境的关键特征包括血管渗透性增加、ECM重塑、包括成纤维细胞和上皮细胞在内的居住细胞的改变、脑转移源性细胞的动员和免疫抑制。
CTCs and the battle for survival in the circulation
在一个通常漫长的进化和适应过程中，在原发部位逐渐塑造TME，一旦肿瘤细胞进入循环(血液或淋巴)，它们立即在这个外来微环境中受到一系列不同的环境和挑战。在更常见的血行播散情况下，这些包括由细胞脱离引起的anoikis;血液循环中的高剪切力;和免疫介导的攻击，共同导致大多数ctc死亡。根据临床和临床前分析，根据所分析的肿瘤类型，估计每天每克组织从实体肿瘤中脱落的ctc在2万到70万之间。使用多种基因工程小鼠模型(GEMMs)进行详细的血液交换分析，估计内源性、自然脱落的ctc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的释放有昼夜节律性。然而，绝大多数ctc都会死亡，这强调了扩散过程的高度低效性质，这是入侵-转移级联中的关键限速步骤之一。
尽管如此，对于一小部分通过循环存活下来的ctc，它们可以通过各种机制避免被破坏。其中包括CTC聚集，通过诱导NANOG、SOX2和OCT4促进干性;与特定的免疫细胞如中性粒细胞或血小板有关;反过来，也可以避免其他类型的细胞毒性免疫细胞(包括NK细胞)的影响。事实上，CTC与中性粒细胞以vcam -1依赖的方式聚集，导致循环中CTC增殖增加，从而促进更有效的转移定殖。与这些机制见解一致，CTC群集的富集相对于单个CTC通常与较差的患者预后相关，并且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。
血液中另一种高度丰富的细胞类型，血小板，长期以来一直被认为是CTC存活的关键促进剂，通过多种机制，包括增强CTC的粘附和聚集，在ctc周围形成一层“血小板斗篷”，可以保护它们免受物理压力和免疫系统的监视。反过来，ctc可以激活血小板，例如通过G蛋白偶联受体(GPCR) CD97。这导致肿瘤细胞通过CD97-LPAR信号增强侵袭，ATP释放促进血管舒张，从而导致CTC从循环中外渗。
NK细胞、细胞毒性T细胞、DC和其他免疫监视的破坏性力量抵消了中性粒细胞和血小板的CTC保护作用。鉴于这些多样而快速的细胞相互作用发生在快速移动的循环中，这仍然是一个开放而值得研究的问题，即这些仅仅是以随机方式发生的——基于哪种类型的免疫细胞首先与CTC相互作用，或者是否存在一场动态的免疫“战斗”，最终决定CTC的命运。通过液体活检检查患者CTC可以作为一种微创手段来跟踪疾病演变，包括治疗反应和适应性耐药性的出现，并可能有助于回答这一问题。这些分析揭示了除了CTC和各种免疫细胞外，还有大量的因素，包括EV和非编码rna，这些因素也可能影响CTC的生存能力，因此具有预后相关性。然而，事实证明，在癌症早期阶段从外周血样本中检测和分离CTC非常具有挑战性，而从介入的角度来看，这正是这些类型的分析最有益的时候。
Organ tropism and extravasation
对于一小部分通过循环存活下来的CTC，其转移过程中的下一个限制速度的步骤是外渗出到次要器官。这在一定程度上是由每种原发癌症的潜在器官趋向性决定的，经典的说法是“种子和土壤”假说，由佩吉特在19世纪80年代首次提出。转移性取向可以高度定型;例如，乳腺癌主要向肺、肝、骨和脑扩散，而前列腺癌则表现出向骨扩散的高度倾向。这种向器官性受到多种机制的影响，包括趋化因子、代谢物和ev等因素的信号传递，这些因素有助于ctc定向迁移到特定器官。此外，ctc所采取的特定循环路线以及癌细胞为了进入特定器官而必须跨越的不同血管屏障的范围进一步影响了它们的最终目的地。这种血管的多样性可以通过比较CTC通过大开窗毛细血管进入脑膜的相对容易程度，以及穿越多个紧密整合的血脑屏障细胞层的巨大挑战来证明。
对于外渗过程本身，肿瘤细胞必须首先阻滞并附着在内皮细胞的管腔上，同时持续受到来自周围快速流动的血流的高剪切力。这一步骤由细胞黏附分子及其配体、整合素和肿瘤细胞和ECM表达的ECM组分促进，并与血液白细胞滚动、黏附和外渗的分子机制有一些相似之处。血小板和中性粒细胞可能仍随ctc移动，分别通过选择素或GPCRs或中性粒细胞细胞外陷阱(NETs)的产生进一步增强肿瘤细胞对血管的粘附。
粘附后，CTC接下来穿过EC，也可能穿过额外的血管细胞层(如周细胞、平滑肌细胞)和ECM，进入新的器官实质。这通常需要活性蛋白水解和/或细胞黏附分子的降解，包括连接黏附分子、钙粘蛋白和其他分子，特别是多细胞CTC簇穿过血管系统。癌细胞不仅依赖于它们在这一步骤中产生的蛋白酶和降解酶，而且它们还可以通过net的产生从非癌细胞(包括血小板、单核细胞和中性粒细胞)中触发这些酶的释放。鉴于免疫细胞善于通过身体的不同器官来执行它们的生理功能，癌细胞可能经历一种“免疫拟态”，通过这种拟态，它们产生通常富集在免疫细胞中的因子，包括趋化因子、蛋白酶和细胞粘附分子，这也许并不奇怪。此外，未来转移部位的居住免疫细胞可进一步促进CTC通过门道外渗，如肺内IVM所示，与原发部位的静脉内渗类似，如上所述。在大脑中也发现了类似的小胶质细胞外渗转移细胞的增强。
因此，肿瘤细胞在表型和物理水平上的可塑性是赋予生存所需的适应性的关键特征。事实上，CTC还可以通过非蛋白水解机制外渗，如渗滤，这涉及机械变形，一次挤压一个细胞通过EC连接。这种外渗方式在CTCs从淋巴管进入淋巴结时也更为典型。虽然淋巴扩散、神经周围迁移和胸膜腔或其他身体空间的生长在一些癌症中已被报道，但这些其他途径的CTC运输远不如血行扩散频繁。有趣的是，最近的一项研究发现，淋巴结的转移定植本身并不是转移克隆后续进化的枢纽，而是导致由免疫抑制treg介导的系统性肿瘤特异性免疫耐受。这使得远处的组织更适合通过血液循环进行转移。在外渗后，ctc通常停留在血管附近，这对于决定它们的命运至关重要。
Metastatic seeding at secondary sites, and the complex interplay between tumor dormancy and outgrowth
弥散性肿瘤细胞(dtc)在外渗到继发部位后，又面临着来自外源组织环境的一系列新的挑战，绝大多数肿瘤细胞再次被包括免疫监视在内的宿主防御机制杀死。幸存下来的少数dtc通常留在血管系统附近，这表明它们接受来自血管的调节信号。事实上，来自PVN的分子信号，以及组织特异性的生态位，如骨内膜生态位，最初似乎使dtc处于休眠状态，这可能保护它们不被免疫系统识别和杀死。休眠是转移级联中最不为人所知的阶段，部分原因是研究这些罕见的细胞存在固有的挑战，它们停止增殖，可以在静止状态下存活，有时长达数年至数十年。然而，最近的研究，包括那些利用活体成像的力量的研究，开始揭示控制休眠起始、潜伏期维持和从休眠中重新出现的机制的重要见解，特别是与微环境的关键相互作用，以调节器官特异性转移。
Bone metastasis
骨是与DTC生物学相关的研究最多的器官之一，部分原因是在该部位发现有微转移的患者比例很大，特别是乳腺癌和前列腺癌。骨微环境是大量不同类型细胞的家园，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、丰富的血管系统和免疫细胞，以及丰富的骨髓和ECM。这导致了动态相互作用，调节造血干细胞(HSC)在稳态下的发育，但最终可能被纳入骨转移伴随骨破坏和骨折的“恶性循环”。
在DTC定植的早期阶段，这些细胞可以在骨中占据不同的位置，大多数DTC位于骨髓中，通常在诊断明显转移之前很久。例如，在HSC生态位中，NG2+/Nestin+ MSCs产生TGF-β2和BMP7，通过p38激酶信号通路和p27诱导激活dtc中的静态通路。在雌激素受体(ER)+乳腺癌患者中，无全身复发证据的患者在BM血浆中TGF-β2和BMP7水平较高。因此，MSC缺失或TGF-β2的MSC特异性缺失导致小鼠休眠骨dtc转移生长。291骨内膜小生境还促进了dtc和骨居住细胞之间的双向相互作用，这可能最终促进疾病进展。成骨细胞和破骨细胞可被癌细胞诱导分泌包括RANKL、IL-6、igf和基质降解酶在内的因子，这些因子共同促进转移性生长、骨溶解和导致许多晚期骨转移临床表现的骨骼变化
结合体内系统发育条形码追踪的临床前实验表明，骨微环境中的成骨细胞源性细胞因子可以通过ezh2依赖的表观遗传调控促进乳腺或前列腺dtc的干性。这增强了它们向其他器官的进一步扩散，称为多器官转移-转移扩散，在小鼠中通过EZH2抑制可大大减少这种扩散这些结果也与临床观察相一致，即骨骼通常是乳腺癌和前列腺癌转移最先被检测到的部位。此外，骨微环境可以表观遗传地调节dtc中的ER表达，从而使细胞对内分泌治疗产生抗性，293再次成为临床建模的主要挑战。同样，患者对全身化疗也经常遇到DTC耐药。这归因于静止的dtc，它们不增殖，因此不会被此类疗法靶向，并且可能稍后从休眠状态中出现。然而，最近的临床前研究发现，骨PVN可以通过血管粘附分子(包括整合素β1、αvβ3和VCAM-1.294)保护dtc免受化疗的影响，而与它们的细胞周期状态无关。因此，阻断整合素介导的PVN和dtc之间的相互作用可使这些细胞对化疗敏感，并显著提高生存期。
Lung metastasis
肺是转移性扩散的主要部位，也研究了DTC播散、休眠和生长。事实上，考虑到肺的广泛血管化和大表面积，这对正常肺功能至关重要，ctc有许多机会阻滞、外渗和定植该器官。通过IVM已经揭示了对这一过程的关键见解，表明在原发部位，肿瘤细胞获得了由转录调节因子NR2F1控制的促传播和休眠表型，并且在接近巨噬细胞时进一步富集。这种状态最初在dtc到达肺部后保持，随后在生长过程中消失。与其他器官类似，来自PVN的线索在决定DTC命运方面至关重要，包括III型胶原蛋白和腱蛋白C在内的ECM分子起着重要作用。利用二次谐波成像来评估胶原纤维取向的成像分析显示，孤立的休眠dtc被非线性波浪形的III型胶原包围。相比之下，与微转移的增殖诱导相一致的是，向更整齐的胶原组织和相关的ECM重塑的转变。因此，通过靶向已识别的COL3A1-DDR1-STAT1通路来操纵这些不同的ECM生态位，被认为是维持DTC休眠的一种策略。另一种在肺中调节DTC命运的分泌ECM分子是腱素C，它通过TLR4信号通路依次激活邻近的间质巨噬细胞，诱导ECs分泌一氧化氮(NO)和TNF，从而产生促转移的PVN niche。
在衰老背景下的临床前研究中，肺DTC休眠的基质调节的重要性也很明显。虽然衰老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驱动黑色素瘤表型的转换和传播。当这些dtc到达肺部时，它们会遇到相关的sFRP1拮抗剂，该拮抗剂由衰老的肺成纤维细胞以较高水平分泌。这导致了WNT5A在黑色素瘤细胞中的抑制，以pros1 - axl依赖的方式，克服了休眠，最终导致随后的黑色素瘤生长。因此，对这种旁分泌信号通路的不同组成部分的遗传操作导致了肺转移的改变，这可能对老年人群的癌症靶向治疗具有重要意义。另一个可以唤醒休眠癌细胞的刺激因素是炎症。事实上，持续的炎症，例如暴露在烟草烟雾中，会诱导NETs的形成。NETs充满蛋白酶，包括MMP9和中性粒细胞弹性蛋白酶。这些蛋白酶的释放重塑了肺中的层粘连蛋白，导致休眠癌细胞以整合素α3β1依赖的方式增殖
Liver metastasis
肝脏是一个非常常见的转移器官，部分原因是它广泛的血管化，有来自肝门静脉和肝动脉的双重血液供应，也因为肝血管有高度的开窗，从而便于CTC外渗。基质和ECM的改变在调节肝脏和上述器官的转移性生长方面也很重要。例如，在一项针对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明显较差。此外，在临床前模型中，组织驻留肝细胞通过形成促转移小生境促进肝转移。在胰腺肿瘤发生的早期，肝脏中的肝细胞通过IL-6-STAT3信号通路的激活和随后血清淀粉样蛋白(SAA)蛋白的增加来协调炎症反应。对肝转移患者的分析显示类似的改变这导致肝脏中纤维化和免疫微环境的改变，这与小鼠转移性种子的增强有关。有趣的是，通过肝细胞特异性缺失去除SAA蛋白或Stat3蛋白，可以阻断促转移小位。
另一个肝脏常驻种群，肝星状细胞，也在调节乳腺癌细胞在该器官的命运中发挥重要作用。星状细胞可以通过分泌免疫抑制性CXCL12趋化因子来驱动纤维化损伤，使NK细胞处于静止状态。这抑制了NK细胞的关键免疫监视功能，导致dtc从休眠中重新出现。一项类似有趣的研究发现，肝转移的存在可以通过从体循环中虹吸活化的CD8+ T细胞对免疫治疗的疗效产生负面影响。在肝转移中与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，这种效应在临床前模型中通过肝脏定向放射治疗被克服——消除了这些免疫抑制巨噬细胞，从而减少了T细胞虹吸。考虑到肝转移患者也被发现T细胞数量、多样性和功能降低，这些结果可能对提高该患者群体免疫治疗疗效的策略具有重要意义
Brain metastasis
在大脑中，组织驻留的星形胶质细胞构成了血脑屏障(BBB)的关键组成部分，静止的dtc已被发现驻留在被星形细胞终足包围的PVN中。星形胶质细胞来源的基底膜蛋白层蛋白-211可以通过诱导dystroglycan受体与dtc中的YAP接合来加强这种休眠。这可以防止YAP转移到细胞核，从而阻止其促转移功能。相反，增殖的dtc只与被剥离了星形胶质细胞及其端足的血管结构有关。因此，在体内调节这些不同的分子成分导致脑转移生长。有趣的是，YAP激活也与dtc自身获得周细胞样特征有关，dtc通过细胞粘附分子L1CAM促进其延伸和转移性生长，无论是在大脑还是在其他转移位点。在dtc可塑性的另一个有趣的例子中，这些细胞甚至可以将自己整合到大脑的神经网络中。在这种情况下，dtc将自己定位于两个谷氨酸神经元之间的现有突触的近端，以形成“伪三方”突触。这导致神经元释放谷氨酸，从而导致n -甲基- d -天冬氨酸受体(NMDAR)信号通路和随后的转移性生长。有趣的是，NMDAR通路也可以促进胰腺神经内分泌肿瘤的侵袭，而新兴的癌症神经科学领域代表了肿瘤对宿主微环境的一种特别隐蔽的拉拢。
总的来说，这些说明性的例子强调了由独特的组织驻留细胞类型以及招募的免疫细胞填充的不同器官微环境在调节DTC命运中的重要性。鉴于dtc可以保持休眠数年至数十年，而它们的激活代表着一项重大的临床挑战，因此必须充分了解其潜在机制，因为这一关键阶段仍然代表着癌症领域的“黑匣子”。同样，与原发肿瘤相比，针对休眠dtc的治疗工作本身就具有挑战性，而TME的操作可能是成功的关键。
Concluding remarks: Challenges and opportunities
从TME研究领域的一开始，TME中的细胞、过程和信号通路的治疗靶向被视为一种有前途的策略，原则上可以推广到所有癌症类型。在TME中发现的过多的增选免疫细胞和基质细胞在遗传上是稳定的，因此与基因组不稳定的癌细胞相比，更直接的靶向。此外，由于类似的原因，获得性耐药的发展，至少通过在癌细胞定向治疗中观察到的基于突变的选择机制，被认为不太可能发生。最后，人们还希望TME疗法甚至可以代表一种通用的方法，可以应用于任何类型的肿瘤，而不管它发生在哪个器官。
然而，随着近年来该领域在范围和理解上的发展，开始意识到这些早期的预测过于简单。正如本文所讨论的，现在认识到TME的巨大复杂性和相互联系，以及它在不同器官和患者之间的多样性。也认识到适应性和内在抵抗可能是tme定向治疗的障碍。此外，很明显，包括化疗和放疗在内的标准护理治疗会引起TME的变化，从而以癌细胞外在的方式调节其治疗效果，或增强或干扰反应例如，放射治疗和某些化疗可以引起免疫原性细胞死亡，这通过参与适应性免疫系统来增强其疗效。然而，在其他情况下，许多相同的治疗方法可以引发炎症反应，包括通过TAMs，然后干扰治疗反应，甚至可能导致转移性扩散。
尽管存在这些挑战，但正如最近所回顾的，针对TME的治疗策略的扩展也有很大的希望这些疗法包括在TME中消耗或“重新编程”促癌宿主细胞;改变ECM、母体和ev的干预;细胞疗法和疫苗;和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方法。事实上，在临床中，开放的联合试验比有资格参加试验的病人要多得多这是一个巨大的障碍。使用可靠的临床前模型提供了一种方法，首先评估所有的逻辑组合系统。事实上，最近对免疫治疗临床试验的荟萃分析强调了在新疗法的评估中纳入准确的临床前虚拟形象的必要性，该分析发现，70%的此类疗法在试验中没有显著的临床前证据支持所评估的组合。此外，大多数试验是在没有任何生物标志物选择的人群中进行的。这凸显了另一个挑战:如何对TME治疗的患者进行最佳分层，特别是对于那些不能直接为此目的进行活检的癌症。确定循环免疫细胞或ev的相对丰度和/或表型分析是否可以代表肿瘤分析的替代方法将是重要的。另一个关键问题是如何靶向已经扩散并进入休眠状态的癌细胞，因为对它们后来从休眠状态中恢复的调节无疑涉及TME的调节。
事实上，越来越多的证据表明，TME在调节免疫治疗疗效(如化疗和放疗)方面也起着至关重要的作用，这一点在本综述中得到了强调。这可以从细胞毒性T细胞的物理排斥，导致免疫排斥的TME，到产生免疫抑制的TME，其中T细胞存在，但由于与免疫抑制细胞的相互作用而功能失调因此，将ICB或基于细胞的免疫疗法与TME调节相结合的策略正在临床前模型中积极探索或已经在临床评估中。其中包括免疫刺激细胞因子，如IL-12和IL-15，激活NK细胞;通过工程MSCs将IL-2 (T细胞的关键细胞因子)局部递送到TME;以及IL-2变体的开发，旨在提高T细胞丰度和细胞毒功能，同时避免对免疫抑制treg的类似影响。
额外的组合策略利用抗血管生成抑制剂，这是第一批tme靶向治疗，随后发现具有强大的血管调节作用。例如，抗vegf疗法可以促进免疫刺激细胞的浸润，阻断TME中的免疫抑制作用，并改善药物输送血管和免疫系统之间复杂的相互作用还可以通过干预来增强高内皮小静脉(hev)的形成，因为肿瘤相关的hev、增加的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治疗现在正被广泛纳入与ICB和基于细胞的治疗的联合策略，以增强肿瘤中的免疫细胞浸润和细胞毒性。同样，正如最近的代表性研究所揭示的那样，以新颖的组合或通过不同的给药方案将临床批准的治疗方法转换为“冷”至“热”TMEs，是另一种将临床前模型的发现快速转化为临床的策略。
展望未来，希望该领域采用全面的系统级方法，分析和集成TME的所有复杂性，以识别和治疗靶向关键节点，而不是一次研究一种TME细胞类型。集成多模态数据和先进的计算分析，包括人工智能的使用，将是实现这一目标的关键。还预计生物工程的重大进展将为大规模测试提供平台，例如精确概括器官特异性tme的离体类器官和组织切片。对于该领域来说，了解肿瘤本身之外的其他层次的复杂性也是至关重要的，包括系统性影响和外部环境。例如，微生物组、饮食、运动和代谢如何影响TME和治疗反应?此外，个体患者的潜在生理机能(如肥胖、恶病质、昼夜节律周期、炎症和衰老)的贡献是什么?最后，可以期待外部环境(如污染和致癌物暴露)对炎症和TME的影响的新见解，这应该会激发迫切需要的公共卫生应对措施。总的来说，通过整合和利用这些关键观点，可以认为，在不久的将来，将能够在治疗上针对TME，使更多的患者受益。
生活很好，有你更好
网友评论