骨微环境的变化对乳腺癌骨转移的作用研究进展.docx

骨微环境的变化对乳腺癌骨转移的作用研究进展 R737.9A1672-5085（2012）7-0131-04【摘要】乳腺癌骨转移的过程复杂，乳腺癌细胞和骨之间有着密切的相互关系，骨微环境及乳腺癌细胞间相互作用是形成骨转移的共同因素，骨微环境对骨转移的过程有着非常重要的影响。骨髓及骨基质中的诸多细胞因子之间的相互作用导致了骨微环境的改变，从而促进了骨转移的发生、发展；骨微环境中的Ca2+浓度、氧环境、PH值等物理因素在乳腺癌骨转移的过程中也发挥着重要的作用，高Ca2+浓度、低氧、低PH值也会促进骨转移的进展。【关键词】乳腺癌骨转移骨微环境细胞因子物理环境乳腺癌骨转移的机制至今仍未完全清楚，特别在分子生物学及基因方面。目前得到公认的有两种学说，即“种子和土壤”学说和“归巢学说”，但都存在一定片面性。乳腺癌骨转移的过程复杂，乳腺癌细胞和骨之间有着密切的相互关系，骨微环境对骨转移的过程有着非常重要的影响。骨髓内各类细胞、细胞因子和趋化因子及骨微环境中的Ca2+浓度、氧环境、PH值等物理因素在乳腺癌骨转移的过程中都发挥着重要的作用。尽管癌细胞和骨髓微环境之间存在着复杂的相互作用和影响，但是它们的机制仍然是不清楚的，下面我们就从几种重要的细胞因子及物理因素导致的骨髓微环境变化对其的影响方面的研究进展进行阐述。一、骨微环境中几种重要细胞因子及其作用1.破骨细胞(osteoclasts，OCL)与成骨细胞(osteoblasts，OBL)破骨细胞为有丰富的胞质、高尔基体和线粒体的多核大细胞，具有2-5个核。破骨前体细胞即CD14单核细胞是由髓样干细胞分化成的，由前体细胞到破骨细胞需要5-8d，该过程需要依靠激素和局部刺激因子等活性物质。成骨细胞是含有丰富的内质网和高尔基体的单核立方形或多角形的大细胞。成骨前体细胞外形与其相似，并通过转录因子、结合因子等的表达而转化为成骨细胞，一些生长因子也可促进成骨细胞的生长和分化。成骨细胞可分泌碱性磷酸酶、胶原蛋白酶、甲状旁腺激素受体，而胶原蛋白酶可以促进骨质破坏，因此成骨细胞在一定程度上也是溶骨性破坏的间接原因。可见，成骨细胞生成新骨，同时刺激前体破骨细胞的成熟分化，生成具有骨吸收作用的破骨细胞。破骨细胞分泌的蛋白酶和酸性物质可降解吸收骨基质和钙化骨，从而得以维持新骨生成的平衡。成骨细胞和破骨细胞间相互调控使骨内环境的整体性得以保持，一旦乳腺癌细胞侵入打破了正常的相互作用，就会出现骨质破坏。2.胰岛素样生长因子(insulin-likegrowthfactors，IGFs)IGFs分为两种,即IGF-I和IGF-2。在正常骨基质中，IGF-2含量最多，IGF-1次之，而与骨转移关系较大的是IGF-1。有研究发现在成神经瘤细胞中发现IGF-1受体高表达，在乳腺癌细胞MDA-MB-231细胞株中IGF-1能明显促进癌细胞的锚定生长1，2，但是最近有学者在前列腺骨转移研究中发现，IGF-l高表达并未使溶骨性骨转移的概率增加3。IGFs在乳腺癌中是否因骨转移被激活而起作用尚未得到确定，需进一步研究。3.肿瘤坏死因子（tumornecrosisfactor，TNF)家族主要包括可溶性骨保护素（osteoprotegerin，OPG),核转录因子B受体激动因子(receptoractivatorofnuclearfaxtor-B，RANK),受体激活的核转录因子B配体(receptoractivatorofNF-Bligand，RANKL)系统，它们是调节骨稳态的主要机制之一。OPG、RANKL在成骨细胞和骨基质细胞表达，RANK在破骨细胞前体表面表达，也可在癌变和正常组织中表达。RANKL是一种激动因子，通过与破骨细胞前体表面的RANK结合，诱导破骨细胞的成熟、活化和骨重塑，促进骨吸收。OPG是一种可溶性抑制蛋白，与RANKL作用相对，其与RANKL结合后，可抑制RANKL与RANK的结合，从而抑制破骨细胞前体的分化和成熟，RANKL过多将增加骨吸收，OPG过多则抑制骨吸收。因此，调节成骨细胞分泌RANKL、OPG的比例可对破骨细胞活性进行正、反两方面的调控，从而调节破骨细胞的形成和活性。乳腺癌骨转移时，由于癌细胞与骨细胞间的相互作用形成恶性循环，抑制成骨细胞OPG的表达，促进了破骨细胞的骨吸收作用。RANKL作为恶性循环的中心，被证实为OCL形成及分化的先决条件。阻断其中任何一个步骤均有可能降低骨转移的发生4，5。破骨细胞调节途径中的核心成分RANKL，RANK和OPG为抗乳腺癌骨转移的分子治疗提供了新的靶点。4.甲状旁腺素相关蛋白(parathyroidhormone-relatedprotein,PTHrP)PTHrP是Philbrick等61987年从与高钙血症相关的恶性肿瘤组织中分离出一种具有全身作用的体液因子，在生命过程中广泛表达，具有分泌性，其基因结构与甲状旁腺激素（parathyroidhormone，PTH）相似，且具有与PTH相似的生物活性。在人乳腺癌细胞转移中，PTHrP是主要的破骨细胞活性的介导因子，其并非直接作用于破骨细胞，而是通过RANKL、RANK和OPG系统发挥作用。其刺激成骨细胞或基质细胞合成RANKL，通过破骨细胞前体表面的RANK信号系统，刺激转录因子起始转录，诱导破骨细胞前体分化为成熟的破骨细胞，从而具有骨吸收活性，同时减少了OPG的合成，使OPG对RANKL促进破骨细胞活化的抑制作用减弱，促进骨吸收，从而形成有利于肿瘤细胞生存的微环境7。近年来大量研究表明，PTH-rP不一定能作为预测转移的判定指标，但PTH-rP在介导乳腺癌细胞和骨基质的反应中起重要作用，PTH-rP可作为治疗肿瘤性骨吸收的合适靶点。5.转化生长因子(transforminggrowthfactor，TGF)骨基质中储存的大量生长因子，特别是TGF-，在正常骨基质中含量占第三，虽然不是最多,但对骨转移进程起到关键性作用,可在破骨过程中释放。在利用人乳腺癌细胞株MDA-MB-231制备的乳腺癌骨转移模型中，实验研究表明TGF-是PTHrP最重要的调节因子，PTHrP的表达是TGF-主要的作用靶点。TGF-可刺激肿瘤细胞PTHrP的产生，PTHrP继而刺激破骨细胞，介导骨破坏，阻断TGF的作用可以明显降低乳腺癌的骨转移率8。这样，肿瘤细胞产生的PTHrP、OCL及骨衍生的TGF-形成了一个溶骨性骨转移启动及进展的恶性循环。6.粒细胞-单核细胞集落刺激因子(granulocyte-monocytecolonystimulatingfactor，GM-CSF)GM-CSF可刺激造血前体细胞的增殖和分化，升高白细胞的数量，因而临床上常作为恶性肿瘤放化疗的辅助药物。Park等9用基因芯片技术对NF-KB受抑制后细胞基因表达谱的改变进行比较，发现基因编码的CM-CSF是表达下降最明显的基因：NF-B上调CM-CSF的表达，而GM-CSF能扩充破骨前体细胞池，大量的破骨前体细胞在多种因子的刺激下，诱导破骨细胞成熟与分化，启动并促进骨转移。GM-CSF结合间质细胞表达的RANKL，能够在没有细胞和其他因子参与的情况下诱导造血干细胞产生破骨细胞10。7.骨形态发生蛋白(honemorphogeneticprotein，BMP)BMP除BMP-1外均属于转化生长因子家族，其包括3个区：信号肽部分、前结构域和羧基末端区。BMP作用的靶细胞是未分化的且有活性的间充质细胞，可诱导特定的间充质细胞，不可逆地分化为软骨和骨细胞，BMP诱导成骨与周围环境的关系密切。Cheng等11用重组腺病毒转染间充质前体细胞和成骨细胞以分析BMP(BMP2-15)在此两种细胞中的活性，证明了BMP有很强的骨诱导能力。到目前为止发现的约20多种BMP成员中，BMP-2、BMP-4、BMP-6、BMP-7和BMP-9在成骨作用方面比较重要。8.成纤维细胞生长因子(fibroblastgrowthfactorsFGFs)FGFs是一种血管生长因子，通过酪氨酸激酶受体信号途径来参与骨骼的生长与发育，并且有强烈的促进细胞分裂和血管生长的功能，而肿瘤的转移与组织中微血管的生成关系密切，而新生血管又使肿瘤细胞的黏附表面相对增加，提供了肿瘤生长所需的营养，促进了骨转移的发生。有研究表明乳腺癌细胞较正常乳腺上皮细胞能更高地表达成纤维细胞生长因子受体（FGFR-1），MCF-7乳腺癌细胞高表达的FGF-1和FGF-4，加快了血流速度和肿瘤细胞生长，因而促进骨转移。FGFs还可以通过调节MMPs的分泌来增加乳腺癌细胞的侵袭12。9.Rho家族Rho家族主要包括三个亚家族：Rho(包括RhoA、RhoB和RhoC)、Rac和cdc42，人类RhoA、RhoB、RhoC基因分别位于不同的染色体上，Rho通过其下游的Rho相关卷曲螺旋形成蛋白激酶(Rhoassociatedcoiledcoilformingproteinkinase，ROCK)而起作用。癌细胞的转移须依靠大量细胞骨架动力装置，ROCK介导这些细胞骨架动力装置的形成，而ROCK抑制剂和shRNA可使癌细胞的细胞骨架动力装置失去效应，从而大大减少了乳腺癌的骨转移，表明了ROCK可能是又一个抑制乳腺癌转移的新靶点。二、物理因素在骨微环境中的作用1.Ca2+浓度：骨基质正常代谢需要细胞外适宜的Ca2+浓度，破骨细胞的作用增强可致细胞外Ca2+浓度升高，Ca2+可通过细胞外Ca2+敏感受体(calcium-sensingreceptor，CaSR)起作用。乳腺癌细胞可在高Ca2+或CaSR拮抗剂作用下促进PTHrP水平升高，进一步激活破骨细胞的活性，从而加速破骨细胞的恶性循环。目前已有2种靶向CaSR药物用于试验及临床研究，这些药物可使Ca2+与CaSR的亲和力增强，从而使PTH或PTHrP的释放受到抑制，从而使破骨细胞的激活及臂转移的进展受到抑制13。2.氧环境：骨组织是一个低氧的微环境，而癌细胞能够在低氧环境下生存和增殖，因此恶性肿瘤会在骨组织中生长并转移。低氧信号机制主要是由低氧诱导因子l（hypoxiainduciblefactor-l，HIF-1）介导14。在持续性高表达HIF的乳腺癌动物模型中，骨破坏增强明显，并且CD31阳性动物的血管增多，成骨细胞的分化受到抑制，而HIF阴性组骨转移降低15，这说明了肿瘤相关的低氧状态和HIF的表达可使乳腺癌骨转移的进展启动，低氧信号机制在骨转移的发生中发挥重要的作用。3.PH值：细胞外的PH值对破骨细胞及成骨细胞的功能有非常重要的影响，破骨细胞在酸性环境中的骨吸收作用加强，而在酸性环境也影响成骨细胞的矿化作用。在酸性环境中正常细胞会凋亡，并且会释放蛋白水解酶，降解细胞外基质，而肿瘤细胞能在极低PH环境下生存和繁殖，并且不受酸性诱导凋亡的影响。而低氧环境也会加剧细胞外的酸性环境，两者共同促进乳腺癌的转移16。近年来许多研究提示抑制或是阻断其中某一点都可能阻止乳腺癌骨转移的发展，一些预防和治疗的新方法也因此被开发出来。但是，乳腺癌骨转移是一种复杂的过程，其中每个阶段都是互相影响的，不能用某种单一机制来解释，其作用机制尤其是骨环境的研究还需更进一步。Reference1MitsiadesCS,MitsiadesNS,McMullanCJ,etal.Inhibitionoftheinsulin-likegrowthfactorreceptor-ltyrosinekinaseactivityasatherapeuticstrategyformultipLemyeloma.otherhematologicmalignancies,andsolidtumorJ.CancerCell2004,5:221-230.2GoyaM,MiyamotoS,NagaiK,etal.Growthinhibitionofhumanprostatecancercellsinhumanadultboneimplantedintononobesediabetic/severecombinedimmunodeficientmicebyaIi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