第1篇 循环肿瘤细胞（CTC）
第1章 肿瘤细胞释放到循环系统中的病理生理学和循环肿瘤细胞的特征
Tilman Todenh?fer，Klaus Pantel，Arnulf Stenzl，Stefan Werner
传统的转移进展模型假设形成远处转移的能力是由原发肿瘤中细胞的随机突变所驱动的。在克隆性扩增及在第二转移部位被选择之前，这些突变一直很少见（Fidler & Kripke，1977）。然而新的模型提出，转移是原发肿瘤发展的一种延伸，并不是一个具有特征性突变决定因素的独*步骤（Vanharanta & Massague，2013）。原发肿瘤内部的克隆异质性依然是选择转移性肿瘤细胞的一个来源，来自于原发及第二转移部位的循环肿瘤细胞（circulating tumor cell，CTC）自身会携带与肿瘤进展和癌症治疗相关的分子特征的重要信息。因此，在癌症患者的血液中分析CTC的液体活检概念具有非常重要的价值，因为这些细胞是在转移的形成中具有生物学功能的生物标志物，对其进行分析将有可能揭示癌症进展和癌症治疗相关的关键机制（Alix-Panabieres & Pantel，2016）。转移的形成是一个生物级联过程，在不同的癌症类型之间具有高度的动态和动力学差异。这个转移级联过程由几个随机事件组成，包括活化细胞的迁移、局部侵袭、肿瘤细胞内渗进入血管、散播、在第二转移部位和原发部位被捕获、外渗到远端部位、定殖、植入远端部位，*终形成临床可检测到的转移（Vanharanta & Massague，2013）。在多数情况下，上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）被认为是肿瘤细胞释放入血流并在其中散播的重要步骤。此外，具有干细胞样特征的肿瘤细胞也被认为是肿瘤进展和远端部位定殖的重要推动力。由于EMT和干细胞特征都被认为是与转移进展相关，研究人员提出了CTC分析的各种标志物用于评价这些特征（Werner et al.，2017）。CTC的相应特征不仅有助于对晚期肿瘤分子改变的认识，也有助于对转移风险的预测（Alix-Panabieres & Pantel，2016）。
1.1 上皮间质转化在肿瘤细胞释放中的作用
应用临床前模型的不同研究均显示，EMT是实体瘤发展过程中的一个核心步骤（De Craene & Berx，2013）。肿瘤细胞从原发灶的散播包括细胞侵袭进入血管并且需要细胞分化表型的改变，如能动性增强和细胞骨架的改变（Thiery，2002）。这些改变使得肿瘤细胞能够侵入小的血管壁并进入血液循环。这一过程是肿瘤细胞散播和转移进程的第一步，也是必不可少的步骤（Joosse et al.，2015；Schilling et al.，2012）。一旦肿瘤细胞进入血流之中，它们就能够移动到远端的器官，如骨髓（Mohme et al.，2017；Todenhofer et al.，2015）。在远端部位渗出血管之后，肿瘤细胞可以直接形成转移灶，或者转换为一种被称为“肿瘤细胞休眠”的潜伏状态，这被认为是延时转移增殖的基础（Uhr & Pantel，2011）。但是，肿瘤细胞休眠和转移形成的内在分子机制目前并未被充分阐明，仍处在有待深入研究之中。然而，在这个关键点上采取治疗干预将会有巨大的潜力，可以用于抑制肿瘤细胞的进展并且更为有效地治疗患者（Uhr & Pantel，2011）。在肿瘤细胞起始散播时，研究人员已经证明了一些环境因素及几种相关蛋白显著促进了原发实体肿瘤中细胞的EMT。这些环境因素包含生理应力[LC2]和机械应力，如缺氧和辐射（Cannito et al.，2008）。在缺氧条件下，肿瘤细胞上调转录因子如缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1 alpha，HIF1α），这是细胞应对低氧水平的一种重要蛋白（Ye et al.，2016）。HIF1α可上调各种基因的表达，包括涉及EMT的基因，如N-钙黏蛋白和波形蛋白的基因。研究推测，缺氧诱发EMT从而导致了肿瘤细胞对治疗的抵抗（Marie-Egyptienne et al.，2013）。有意思的是，针对肿瘤细胞的机械应力如穿刺活检，也有可能会诱导EMT，因为EMT标志物显示上调，这些标志物可能参与了肿瘤细胞散播的过程（Mathenge et al.，2014）。然而，CTC中EMT的生物学功能仍然没有被充分阐释。截至目前，研究认为所有从原发肿瘤散播的肿瘤细胞在侵袭血管或血液循环移动的过程中确实都必须经历EMT过程的证据还是比较滞后。而且，还没有临床前模型可以令人信服地证实，EMT是上皮肿瘤细胞开始散播和转变为CTC的必要步骤。此外，对CTC间质特征的临床相关性也不清楚，尽管近期有证据提示具有间质特征的CTC的出现与侵袭性疾病有关（Krawczyk et al.，2014）。EMT的生物学进程与干细胞特征的检测密切相关（Barriere et al.，2014）。癌症干细胞（cancer stem cell，CSC）是一个独*的肿瘤细胞亚群，具有自我更新和增殖的潜能，因此被认为是肿瘤生长的主要推动力（Pardal et al.，2003）。特异靶向干细胞样肿瘤细胞的概念已经成为癌症治疗的一个重要目标（Yoshida & Saya，2016）。此概念进一步提示，具有无限潜能进行自我更新和复制的肿瘤干细胞组成了CTC中有能力形成远处转移的唯一亚群（Kreso & Dick，2014）。因此，在阐述CTC的临床作用时，鉴别具有干细胞样特征的CTC被认为与其临床作用具有高度相关性（Yang et al.，2015）。迄今为止，这些细胞的确切分子特征仍未被充分了解。有必要研发新的技术平台对干细胞样CTC进行富集和分子分析。这些平台应该包括体外检测及CTC的培养，用以评价肿瘤干细胞的关键特征。截至目前，很多研究所采用的多数分析方法并不能够评价所培养的CTC的复制和自我更新情况，这限制了对干细胞主要特征的评估（Alix-Panabieres et al.，2016）。
1.2 癌症干细胞在转移进程中的作用
如前所述，CTC的EMT特征与干细胞特征密切相关，被认为是转移进程中的重要步骤。在良性组织中，干细胞是一种罕见的、增殖缓慢的细胞类型，具有特殊的生物学特征，其中它们能够自我更新和分化成不同细胞类型的能力尤为重要。总的来讲，这些特征使得干细胞能够*终经历大量的增殖，同时保持一种未分化的、具有可塑性的细胞状态，这可以帮助维持组织的动态平衡（Clevers，2011）。恶性转化和肿瘤进展的传统多重步骤模型都假设有一个长寿的前体细胞参与了癌症的形成，其中基础遗传改变的累积推动了向恶性的转化（Fearon & Vogelstein，1990）。癌症干细胞（CSC）模型的核心点是肿瘤可能只是由一个具有干细胞样特征的肿瘤细胞亚群推动的。换言之，实体肿瘤可能包含具有功能异质性的细胞，只由其中的一个细胞亚群负责肿瘤的维持和进展（Clevers，2011）。由于实体瘤中表达间质标志物的细胞也经常被归类为CSC，因此有学者提出，在肿瘤的进展过程中可以通过EMT而获得高度相关的干细胞样表型，尤其是那些与转移进程有关的特征，如侵袭和移动能力的增强，这也是CSC的特征（Singh & Settleman，2010）。因此，转移性癌细胞（它们可能已经获得了上皮-间质的可塑性）可能会拥有CSC的表型。CSC的概念认为，将CSC作为CTC中具有生物学和治疗相关性的亚群进行检测和分类具有重要的意义。首先，关于严重临床问题的评估（如治疗耐受和肿瘤复发），CSC模型可以提示重要的结果。化疗和放疗被广泛应用于各种类型癌症患者的治疗，这些治疗手段的主要目的是消除快速细胞周期循环和增殖的细胞。作为肿瘤形成和转移进程的潜在关键因素，CSC被认为具有较低的增殖活性。因此，CSC通常可以在这些治疗之中存活下来，在撤去化疗之后重新开始细胞周期循环，从而在某个临床条件下造成肿瘤的复发（Mitra et al.，2015）。在这个背景下，CSC模型可以令人信服地解释为何少数非细胞周期循环的肿瘤细胞能够在治疗结束之后导致肿瘤的复发，这几乎是实体瘤不可避免的治疗结局。出于该原因，在整个CTC群体之中对潜在的CSC亚群进行检测和分类将会提供有关治疗效果和出现治疗耐受的有用信息，这可以提供更具信息量的方法[LC3]，以便更有效地治疗癌症患者。CSC模型的第二个意义是指干细胞样的细胞在转移形成中的作用。在远端部位的转移增殖是导致实体肿瘤癌症相关死亡的*主要原因。从原发灶释放出来的单个肿瘤细胞是在远端部位形成第二病灶的潜在“新种子”（Braun et al.，2005；Werner & Pantel，2017）。相反，转移的进程是一个非常低效的步骤，在血液样本中检测到CTC并不能够肯定地提示患者正在遭受二次转移。然而，简单的CTC计数是实体肿瘤（如乳腺癌）患者复发的良好预测因子（Rack et al.，2014）。这提示患者血液中CTC的检测确实与微小转移的临床症状有关，或者至少与第二器官中散播的肿瘤细胞有关。然而，转移增殖的能力是癌症进展的瓶颈。相应的，在整个CTC群体之中只有一小部分肿瘤细胞能够在远端部位成功地形成明显的转移灶（Coumans et al.，2013）。因此，有学者推测转移起源于一个少见的CTC亚群，它们可能具有干细胞样的特征。这些所谓的转移起始细胞（metastasis-initiating cell，MIC）被认为是整个CTC群体之中*为危险的亚群，它们具有自我更新、多潜能和起始转移的能力（Celia-Terrassa & Kang，2016）。因此，在患者血样的整个CTC群体中对推测的MIC进行检测和后续的分型将有助于预测哪些患者*有可能发生远处转移，也能够分析转移形成背后的生物学机制。*后，肿瘤休眠是与CSC假说有关的另外一个难于处理的临床现象，它被定义为癌症患者从原发肿瘤切除到后续出现远处复发的一段非常长的潜伏期，如果不是因为复发，该患者会被认为不再患癌（Uhr & Pantel，2011）。例如，在乳腺癌中，临床观察发现有很大比例的癌症幸存者会携带残余癌细胞生存很多年，但是在其一生中都保持着临床无癌的状态，因为这些残余的细胞一直保持休眠的状态（Karrison et al.，1999）。有学者进一步假设，在这里也有缓慢细胞周期循环甚或休眠的CSC作为延迟转移增殖的“种子”（Uhr & Pantel，2011）。因此，释放到血液循环系统中的CTC可能含有一个干细胞样细胞的小亚群，它们被困在第二器官并且很多年都会维持一种休眠的状态。之后，根据相应的环境因素，这些前体细胞或只是它们其中的一小部分可以重启细胞周期，在第二器官部位形成微转移或宏转移（Uhr & Pantel，2011）。有意思的是，在临床前模型中已经证实，在癌症进展过程中，到达第二器官的单个CTC能够占据已有的干细胞龛，这是一个特殊的微环境，能够在生理条件下调节其内干细胞的细胞分化和细胞周期的启动。在干细胞龛中，散播的肿瘤细胞必须保存起来，经受住有害的环境而存活下来。越来越多来自功能研究的证据提示，为了能够在干细胞龛中持续存在，这些散播的肿瘤细胞必须形成干细胞样的特征（Lander et al.，2012）。一旦它们在干细胞龛中定居下来，它们就不会只是依赖细胞的内在事件，而是依赖微环境来控制其休眠状态，以及维持增殖的活性和细胞的适应性。因此，有学者认为维持CSC表型的信号通路是新型治疗策略的诱人靶点。能够抑制休眠细胞与干细胞龛之间进行相互作用的物质，可以使这些细胞对化疗敏感（Lander et al.，2012）。总的来说，这些CSC的假说为癌症治疗和肿瘤诊断提供了重要的建议
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