王微,袁偉,齊軍#,馬潔
國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院1檢驗(yàn)科,2分子腫瘤學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100021
3北京醫(yī)院生物治療中心/國家老年醫(yī)學(xué)中心,北京100005
粒細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte colony-stimulating factor,G-CSF)是一種多肽鏈的粒細(xì)胞生長因子,目前研究發(fā)現(xiàn)G-CSF主要通過與粒細(xì)胞集落刺激因子受體(granulocyte colony-stimulating factor receptor,G-CSFR)結(jié)合動(dòng)員多種骨髓前體細(xì)胞,促進(jìn)粒系細(xì)胞的增殖、分化與遷移,增強(qiáng)成熟粒細(xì)胞的功能[1-3]。G-CSFR主要表達(dá)于造血干細(xì)胞、髓祖細(xì)胞和成熟粒細(xì)胞等造血細(xì)胞的表面[2]。近年來的研究顯示,G-CSF和G-CSFR在肺癌、胃癌、結(jié)腸癌、膀胱癌、食管肉瘤、腦膠質(zhì)瘤等多種實(shí)體瘤中也均有一定的表達(dá)[4-7]。G-CSF與G-CSFR結(jié)合可發(fā)揮促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、抑制腫瘤細(xì)胞凋亡或誘導(dǎo)血管形成等作用,參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。由于目前臨床上將GCSF作為腫瘤治療過程中的重要輔助用藥,因此,有必要對G-CSF/G-CSFR信號通路及其發(fā)揮作用的具體機(jī)制進(jìn)行綜合性探討。本文就G-CSF/G-CSFR在實(shí)體腫瘤中的研究進(jìn)展作一綜述。
G-CSF是一種由174個(gè)氨基酸殘基組成的糖蛋白,基因全長2.5 kb,包括5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子。G-CSF包含5個(gè)半胱氨酸,Cys36與Cys42、Cys74與Cys64之間形成兩對二硫鍵,Cys17為不配對半胱氨酸,二硫鍵是維持G-CSF生物學(xué)功能的重要因素。天然形成的G-CSF由4個(gè)單環(huán)通過氨基酸環(huán)相連,在人體健康狀態(tài)下含量較低,當(dāng)發(fā)生病原體感染時(shí),其在血漿中的濃度明顯升高。
G-CSFR是一種由813個(gè)氨基酸殘基組成的單跨膜蛋白,是Ⅰ類細(xì)胞因子受體超家族成員之一,由胞外區(qū)、胞質(zhì)區(qū)和跨膜區(qū)組成。其細(xì)胞外區(qū)域較大,包括免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域和細(xì)胞因子受體同源結(jié)構(gòu)域,以及3個(gè)纖連蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域。胞內(nèi)段含有4個(gè)酪氨酸殘基,在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮著重要的作用,并與STAT3信號通路的激活密切相關(guān)[8]。G-CSFR激活時(shí),位于胞內(nèi)羧基端的酪氨酸被磷酸化,可以結(jié)合多種含SH2信號的蛋白分子,使STAT3發(fā)生磷酸化,從而發(fā)揮信號傳遞的作用。小鼠與人的G-CSF氨基酸序列同源性高達(dá)72.5%,與G-CSFR氨基酸序列的同源性也達(dá)到62.5%。
G-CSF主要由內(nèi)毒素、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和γ干擾素(interferon-γ,IFN-γ)活化的單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生,可以促進(jìn)粒系造血細(xì)胞的增殖、分化和活化。研究發(fā)現(xiàn),GCSF在結(jié)腸癌組織中的表達(dá)較癌旁正常組織高約30%,淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移陽性患者結(jié)腸癌組織中G-CSF和G-CSFR的mRNA水平也高于無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移者[4]。G-CSFR表達(dá)于一系列的造血細(xì)胞表面,包括造血干細(xì)胞、髓系祖細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等;同時(shí)也表達(dá)于一些非造血細(xì)胞的表面,如血管內(nèi)皮細(xì)胞、間皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和神經(jīng)元前體細(xì)胞等[2,9]。近年來,隨著G-CSF的廣泛應(yīng)用,對G-CSFR的研究也逐漸深入。有研究發(fā)現(xiàn),實(shí)體腫瘤細(xì)胞也表達(dá)G-CSFR,Morris等[4]發(fā)現(xiàn)G-CSFR在結(jié)腸癌上皮細(xì)胞的表達(dá)約占90%,而在正常結(jié)腸上皮細(xì)胞的表達(dá)僅占20%。Wojtukiewicz等[10]對28例乳腺癌患者的組織樣本進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,有20例乳腺癌患者的組織樣本表達(dá)GCSFR。這些研究均表明G-CSF及其受體G-CSFR的表達(dá)與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。
腫瘤的發(fā)生、生長及轉(zhuǎn)移與腫瘤細(xì)胞所處的內(nèi)外微環(huán)境密切相關(guān),腫瘤微環(huán)境不僅包括腫瘤所在組織的結(jié)構(gòu)、功能和代謝,而且也包括腫瘤細(xì)胞自身(細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì))的內(nèi)在環(huán)境和腫瘤細(xì)胞周圍的免疫細(xì)胞和免疫調(diào)節(jié)因子所形成的外環(huán)境等。免疫細(xì)胞釋放化學(xué)趨化因子、血管生長因子、基質(zhì)降解酶等,形成有利于腫瘤生長和侵襲的微環(huán)境。有研究發(fā)現(xiàn)G-CSF和GM-CSF是廣泛存在于各種腫瘤中的造血生長因子,不但可以募集中性粒細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞等到達(dá)腫瘤鄰近的部位,從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)展,還可以募集正常的內(nèi)皮祖細(xì)胞到達(dá)腫瘤組織,誘導(dǎo)腫瘤血管形成[11]。
炎性浸潤的免疫細(xì)胞是腫瘤微環(huán)境免疫再編程的關(guān)鍵因子。Li等[12]采用小鼠結(jié)直腸癌模型檢測骨髓來源抑制細(xì)胞(myeloid-derived suppressor cell,MDSC)、巨噬細(xì)胞等細(xì)胞的浸潤情況,發(fā)現(xiàn)其浸潤程度與G-CSF升高有關(guān),進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)G-CSF能夠動(dòng)員MDSC從骨髓向結(jié)腸部位聚集,促進(jìn)MDSC增殖同時(shí)抑制其凋亡,從而促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生、發(fā)展。Wang等[13]利用雄性CD-1(ICR)小鼠誘導(dǎo)結(jié)直腸癌發(fā)生的研究發(fā)現(xiàn),腹腔M1型巨噬細(xì)胞僅在炎性相關(guān)結(jié)直腸癌的轉(zhuǎn)移階段高表達(dá)G-CSF,腹腔M2型巨噬細(xì)胞在整個(gè)炎性相關(guān)結(jié)直腸癌過程中,尤其是在腫瘤形成階段,高表達(dá)G-CSF。以上研究均表明,G-CSF可能通過炎性浸潤的免疫細(xì)胞從而改變實(shí)體腫瘤的微環(huán)境,進(jìn)一步影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。
骨髓細(xì)胞的擴(kuò)增與實(shí)體瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),尤其對腫瘤的形成至關(guān)重要。在乳腺癌動(dòng)物模型中,有研究發(fā)現(xiàn),在早期腫瘤的形成過程中會出現(xiàn)非典型抑制T細(xì)胞的中性粒細(xì)胞,特別是在腫瘤惡性轉(zhuǎn)化的早期會在腫瘤組織周邊蓄積,產(chǎn)生抑制性的腫瘤免疫微環(huán)境,使自身免疫系統(tǒng)無法正常發(fā)揮免疫監(jiān)視作用。這些非典型抑制性細(xì)胞的產(chǎn)生依賴于腫瘤來源的G-CSF。持續(xù)的G-CSF表達(dá)可激活骨髓髓系分化,滿足腫瘤形成過程中對中性粒細(xì)胞的需求,對腫瘤免疫抑制性白細(xì)胞的產(chǎn)生和激活具有重要作用[14]。因此,G-CSF可能通過影響相應(yīng)免疫細(xì)胞表達(dá)以及骨髓髓系細(xì)胞分化,從而對腫瘤微環(huán)境產(chǎn)生影響。
腫瘤的發(fā)生與慢性炎性反應(yīng)密切相關(guān)。前期有研究發(fā)現(xiàn)腸炎導(dǎo)致腸組織中大量Th17細(xì)胞浸潤,Th17細(xì)胞分泌的IL-17A能夠作用于小鼠結(jié)直腸上皮細(xì)胞,促進(jìn)其分泌G-CSF,G-CSF進(jìn)一步動(dòng)員MDSC從骨髓向結(jié)腸部位聚集,促進(jìn)MDSC的增殖,誘導(dǎo)MDSC分泌促炎性反應(yīng)細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-6(interleukin 6,IL-6)和一氧化氮合酶(inducible nitric oxidesynthase,iNOS),從而促進(jìn)結(jié)直腸炎癥向癌癥轉(zhuǎn)化。研究表明,G-CSF在炎癥向癌癥的轉(zhuǎn)化過程中起著重要的作用[12],詳見圖1。然而,目前關(guān)于G-CSF/G-CSFR促炎癌轉(zhuǎn)化的機(jī)制研究相對較少,有待進(jìn)一步探索。
圖1 1G-CSF/G-CSFR-CSFR在實(shí)體腫瘤免疫中的作用
腫瘤細(xì)胞表面的G-CSFR通過與其配體G-CSF相結(jié)合,可以激活多個(gè)細(xì)胞內(nèi)信號通路,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲與轉(zhuǎn)移,并且還可以促進(jìn)腫瘤血管的形成。使用抗體中和G-CSFR可降低G-CSF的激活作用,從而阻止腫瘤細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移。研究發(fā)現(xiàn),G-CSF可激活JAK酪氨酸途徑、Ras/MAP激酶途徑,以及Rac1、MKK3/6、p38MAPK、ERK1/2和AKT等細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[2]。Kumar等[9]發(fā)現(xiàn)卵巢漿液性上皮腫瘤細(xì)胞表達(dá)G-CSFR,采用G-CSF刺激卵巢上皮癌細(xì)胞系,G-CSF通過結(jié)合G-CSFR激活JAK2/STAT3信號通路,從而促進(jìn)腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移,增加腫瘤細(xì)胞對化療誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡作用的抵抗。一般認(rèn)為,JAK/STAT是G-CSF信號傳遞的主要途徑。G-CSF與其受體G-CSFR結(jié)合后激活JAK,活化的JAK能夠使G-CSFR胞內(nèi)段的酪氨酸殘基磷酸化,從而召集STAT家族,STAT家族被JAK磷酸化后,進(jìn)入細(xì)胞核,與目的基因的啟動(dòng)區(qū)結(jié)合,啟動(dòng)效應(yīng)蛋白的表達(dá)。Wang等[5]發(fā)現(xiàn)G-CSF可通過促進(jìn)STAT3的磷酸化,增加其下游Bax、Bcl-2、MMP-2、MMP-9基因的表達(dá)來促進(jìn)腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移。在膀胱癌中,GCSF可促進(jìn)G-CSFR陽性腫瘤細(xì)胞的STAT3磷酸化,增加凋亡抑制蛋白survivin的表達(dá),抑制細(xì)胞凋亡,通過裸鼠接種的G-CSFR陽性腫瘤細(xì)胞成瘤體積明顯大于G-CSFR陰性腫瘤細(xì)胞[4,15-16]。另外,G-CSF還可通過激活其他的蛋白酪氨酸激酶發(fā)揮作用。當(dāng)ERK的活性受到抑制后,G-CSF誘導(dǎo)的增殖反應(yīng)受到嚴(yán)重影響。STAT缺陷細(xì)胞在受到G-CSF刺激后仍能增殖,而ERK抑制劑可以抑制其增殖[4]。
腫瘤中具有自我更新能力并能夠分化為異質(zhì)性腫瘤細(xì)胞的一類細(xì)胞被稱為腫瘤干細(xì)胞(tumor stem cell,TSC),其存在賦予了腫瘤不可控生長、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的特點(diǎn)。Jiang等[17]曾提出假設(shè):腫瘤是由干細(xì)胞引起和維持的。原發(fā)腫瘤中異質(zhì)性表型的增加僅僅依賴于一小部分的腫瘤細(xì)胞亞群,極其稀少,但成瘤能力較普通腫瘤細(xì)胞高數(shù)百倍以上,是腫瘤發(fā)生、發(fā)展與維持的基礎(chǔ)[18-19]。在腫瘤發(fā)生的初期,甚至在不典型增生的初期,過激的炎性反應(yīng)形成體細(xì)胞促生長效應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞具有過度增殖的干細(xì)胞特征[20]。
由于G-CSF是一個(gè)促炎性反應(yīng)的細(xì)胞因子,可以動(dòng)員骨髓間質(zhì)干細(xì)胞[1],因此,研究者探討了G-CSF與TSC的相關(guān)性。Ma等[21]采用G-CSF刺激前列腺癌細(xì)胞系PC-3和DU145后,檢測到表達(dá)干性特征的標(biāo)志物CD117、ABCG2和CD44的細(xì)胞占比增加。Morris等[4]發(fā)現(xiàn)G-CSF可以使具有干性特征標(biāo)志物的細(xì)胞維持在一個(gè)較高的水平上。這些研究均表明G-CSF對腫瘤細(xì)胞的干性特征維持具有一定的作用。研究證實(shí)G-CSF與其受體G-CSFR結(jié)合對造血干細(xì)胞、心肌間質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞均具有一定的促增殖作用,但是對于腫瘤干細(xì)胞的作用是否通過G-CSFR產(chǎn)生,目前相關(guān)的研究相對較少,具體的機(jī)制有待進(jìn)一步闡明。有研究報(bào)道,在G-CSF刺激下,表達(dá)干性特征的細(xì)胞亞群增多,可促進(jìn)胃腸道腫瘤的形成,這個(gè)過程主要依賴于ERK1/2和RSK的磷酸化[22]。神經(jīng)母細(xì)胞瘤中腫瘤干細(xì)胞樣亞群同樣也表達(dá)G-CSFR,此類細(xì)胞類似胚胎細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞,具有高度的致瘤性和自我更新(即分化成不同子代細(xì)胞)的能力,與其配體G-CSF結(jié)合可以激活STAT3,在體內(nèi)和體外促進(jìn)神經(jīng)母細(xì)胞瘤中腫瘤干細(xì)胞樣亞群的擴(kuò)增。在人類的異種移植和鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤模型中,外源性的G-CSF可以增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移能力。在G-CSF的作用下,STAT3信號通路被激活,維持神經(jīng)母細(xì)胞瘤中腫瘤干細(xì)胞樣亞群的存活。采用抗G-CSF抗體或者STAT3抑制劑阻斷G-CSF-STAT3信號通路,神經(jīng)母細(xì)胞瘤中腫瘤干細(xì)胞樣細(xì)胞減少,導(dǎo)致相關(guān)的腫瘤生長受到抑制,腫瘤轉(zhuǎn)移減少[21]。
臨床上G-CSF主要用于腫瘤放化療后引起的粒細(xì)胞減少,放化療導(dǎo)致的白細(xì)胞計(jì)數(shù)減少延長了放化療間期,影響了放化療療效,嚴(yán)重時(shí)可危及患者的生命。使用G-CSF后,短時(shí)間內(nèi)可使白細(xì)胞計(jì)數(shù)升至正常,為及時(shí)進(jìn)行放化療贏得了寶貴時(shí)間。然而近年來的研究發(fā)現(xiàn),G-CSF還可以調(diào)節(jié)實(shí)體腫瘤的病情進(jìn)展。有些腫瘤細(xì)胞可以分泌GCSF,雖然不是很常見,但是由于細(xì)胞因子介導(dǎo)的免疫抑制和血管生成作用導(dǎo)致患者的病情發(fā)展很快,在此情況下使用重組人G-CSF后新生成的血管可能發(fā)生惡化,最終導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)[17]。Morales-Arias等[23]發(fā)現(xiàn),無論在體內(nèi)還是在體外,尤文氏肉瘤細(xì)胞均表達(dá)G-CSF和G-CSFR,使用重組人GCSF后可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)的生長。目前,關(guān)于G-CSF在腫瘤患者中應(yīng)用對于患者疾病復(fù)發(fā)及預(yù)后影響的臨床研究相對較少,因此有必要對GCSF/G-CSFR在實(shí)體腫瘤中的作用機(jī)制以及G-CSF的臨床應(yīng)用對腫瘤患者產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入探索。
G-CSF已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于腫瘤患者放化療后中性粒細(xì)胞減少的預(yù)防和治療,可以縮短骨髓抑制期,降低中性粒細(xì)胞減少的程度。然而,近年來,G-CSF和G-CSFR具有促進(jìn)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移的作用,因此,以下關(guān)鍵的問題需要進(jìn)一步探索:①開展G-CSF/G-CSFR調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移和存活的具體細(xì)胞信號通路以及主要參與分子的研究;②探討G-CSF/G-CSFR通過炎性的免疫細(xì)胞參與腫瘤發(fā)生、發(fā)展的具體機(jī)制;③明確G-CSF/G-CSFR對腫瘤細(xì)胞干性特征的影響,從而更好地了解腫瘤發(fā)生機(jī)制;④考查腫瘤患者G-CSFR的表達(dá)是否應(yīng)該作為G-CSF治療的禁忌證。
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