趋化因子及趋化因子受体在骨肉瘤中的研究进展

陈泉池 华莹奇 左冬青 曾辉 蔡郑东

. 综述 Review .

趋化因子及趋化因子受体在骨肉瘤中的研究进展

陈泉池 华莹奇 左冬青 曾辉 蔡郑东

骨肉瘤，又称成骨肉瘤，是最常见的恶性成骨性肿瘤之一，占恶性骨肿瘤总数的20%～45%，多数起源于骨间叶细胞。发病年龄多在15～25 岁之间，男性多于女性。好发部位为长骨干骺端，其中以股骨远端和胫骨近端较多见，其次是肱骨和腓骨近端，随血液运行转移率高且早，发展迅速。骨肉瘤侵袭性强，约20% 的患者发生转移，肺转移最为常见[1]。随着新辅助化疗、保肢手术等的开展，骨肉瘤患者5 年生存率提高到 60%～70%[2]。但由于化疗耐药性、转移率高等问题的存在，患者仍面临着复发及肺转移的困扰。基因治疗、免疫治疗和分子靶向治疗等生物治疗技术的发展也为骨肉瘤的治疗开辟了新的道路，为骨肉瘤患者带来新的希望[3]。

趋化因子及趋化因子受体

趋化因子 ( chemokines；chemokines cytokines ) 是一类结合在 G 蛋白偶联受体上的免疫调节因子，分子量大小8～17 kD。最早在趋化白细胞如中性粒细胞和单核细胞中被发现，被认为是慢性炎症和急性炎症的调节因子[4]。研究发现趋化因子具有广泛的生物活性，对机体免疫系统的功能反应和许多疾病发生及发展的病理过程起着重要的调节作用。根据其 N 端起始2 个保守的半胱氨酸残基之间是否插入其它氨基酸，可将趋化因子分为4 个亚家族：(1) CXC 类趋化因子 ( 插入1 个氨基酸残基 ) 含17 个成员；(2) CC 类趋化因子 ( 不插入其它氨基酸残基 ) 含28 个成员；(3) XC 类趋化因子 ( N 端仅含1 个半胱氨酸残基 )；(4) CX3C 类趋化因子 ( 插入3 个其它氨基酸残基 ) 含1 个成员。

趋化因子受体是一类以结合趋化因子为功能形式的GTP-蛋白偶联跨膜受体 ( GPCR )。根据趋化因子的分类，趋化因子受体共分为四类：(1) CXCR；(2) CCR；(3) CR；(4) CX3CR。在配体－受体结合试验中，可以看出趋化因子与受体间结合的冗余现象，即一个趋化因子可以与多个趋化因子受体结合，如 CCL2 的受体为 CCR2，CCR4，DARC，D6，而一个趋化因子受体也可由多个配体，如 CCR2 的配体为 CCL2，CCL7，CCL8，CCL12，CCL13。这一现象也使趋化因子及其受体可以在体内发挥精细调控作用[4]。

趋化因子系统在许多生物学活动中发挥重要作用，如胚胎发育、伤口愈合、血管生成、Th1 / Th2 细胞的生成、白细胞稳态的维持、淋巴器官的发育、炎症的产生及肿瘤的进程。近年，趋化因子及其受体作为慢性炎症调节因子被发现在肺癌、乳腺癌、肝癌、前列腺癌、皮肤癌、食管癌、淋巴癌、膀胱癌、宫颈癌、直肠癌的发生过程中发挥重要作用[5-8]。目前已经有许多趋化因子及其受体在骨肉瘤中的研究。许多研究结果显示趋化因子及其受体与骨肉瘤的生长，转移和血管生成有重要的关系，但是它们到底如何促进骨肉瘤生长，迁移等一系列生物学作用的还不是很清楚。并且，趋化因子及其受体在骨肉瘤中与其它肿瘤中的作用并不完全相同。

趋化因子及趋化因子受体与肿瘤的关系

最新研究发现，趋化因子和趋化因子受体在肿瘤中的作用主要体现在4 个方面：

1. 对肿瘤生长，细胞存活，衰老的影响：CXCL12 / CXCR4 轴在口腔鳞状细胞癌、尤文肉瘤、肾癌中被证实可以促进肿瘤细胞的生长[9-11]。CXCR7，CXCL12 和CXCL11 的受体表达在上皮肿瘤细胞和内皮肿瘤细胞表面，并不激活细胞内信号通路，也不增加细胞恶性度，但是可以促进乳腺癌细胞的存活和刺激细胞黏附[12]。CXCR7在乳腺癌细胞和肺癌细胞中被沉默后，可以降低肿瘤细胞的生长，骨转移和肺转移。在乳腺癌细胞中稳定高表达CXCR7，可以增加乳腺癌细胞体外生存能力[13]。此外，CXCR7 在乳腺癌细胞和肺癌细胞中被抑制后，肿瘤细胞的生长和肺转移减少[14]。使用 CXCR7 受体拮抗剂 CCX754可以降低小鼠模型中肺癌细胞的生长[13]。在前列腺上皮内瘤变，前列腺癌和乳腺癌组织中检测出 CXCR2 表达高于正常组织。因此，CXCR2 被认为在肿瘤的血管生成，增殖和侵袭方面可能发挥重要作用[15]。在血清饥饿条件下，CCL2 可以通过延缓生存素的衰退保护前列腺癌细胞免受自噬死亡[16]。

2. 对肿瘤血管生成的作用：有研究发现，在大肠癌中 CXCL1 可以促进肿瘤组织的血管生成，促进肿瘤的生长[17]。CXCR2 是主要的促进肿瘤血管形成的趋化因子受体，其配体 CXCL1、CXCL2、CXCL8 发挥着重要作用[18]。CXCR3 配体抑制人微血管内皮细胞的移行和再生，起到抑制肿瘤血管生成的作用[19]。DARC 被认为在乳腺癌和前列腺癌中调节血管生成。DARC 的表达与微血管密度，淋巴结转移和远处转移成反相关。在乳腺癌细胞中稳定高表达 DARC，可以抑制肿瘤血管生成并且抑制肿瘤的生长[20]。敲除 DARC 基因的转基因前列腺癌小鼠模型相比于正常前列腺癌小鼠模型，肿瘤生长和肿瘤血管生成速度明显增加[21]。

3. 对肿瘤转移的作用：胰腺导管腺癌相对于正常胰腺导管细胞高表达 CX3CR1，并且表达 CX3CR1 的胰腺导管腺癌细胞趋向移动至分泌 CX3CL1 的神经元和神经纤维周围，从而形成神经周围散布[22]。黑色素瘤细胞可以定向转移至小肠黏膜下层，CCR9-CCL25 轴与这一现象有关[23]。有研究发现，趋化因子受体 CXCR4 和 CCR7 可以选择性抑制促凋亡蛋白 Bmf 和促进抗凋亡蛋白 Bcl-xL 表达，减少乳腺癌细胞的失巢凋亡现象，最后可以促进乳腺癌细胞的转移[24]。癌症患者通常死于肿瘤的转移扩散，而并非是原发肿瘤。因此，对肿瘤转移的机理认识是非常重要的。趋化因子及其受体的作用，并不只是简单促进肿瘤细胞的侵袭和转移，更重要的是在于促进肿瘤细胞向靶器官的定向转移。这些被发现的趋化因子及其受体可以作为未来肿瘤治疗的重点。

4. 对肿瘤微环境的作用：肿瘤细胞，间质细胞和被趋化至肿瘤周围的各类细胞形成适合肿瘤生长的微环境。这些间质细胞包括：肿瘤相关巨噬细胞、肿瘤相关中性粒细胞、淋巴细胞、肿瘤相关成纤维细胞、间充质干细胞和内皮细胞。肿瘤相关成纤维细胞起源于成纤维细胞和间充质干细胞，受肿瘤细胞影响，有促进肿瘤细胞生长，迁移，转移的作用[25]。Orimo 等从乳腺癌组织中提取出肿瘤相关成纤维细胞，发现其可以分泌一些细胞因子作用于乳腺癌细胞表面 CXCR4 受体上，促进肿瘤的生长和血管生成[26]。并且肿瘤相关成纤维细胞与正常乳腺组织中成纤维细胞比较可以分泌大量趋化因子，包括 CXCL12，CXCL12可以促进乳腺癌细胞的增殖。肿瘤相关成纤维细胞也可以直接招募内皮细胞促进肿瘤内血管生成[26]。乳腺癌组织中间充质干细胞分泌 CCL5，作用于乳腺癌细胞膜表面受体CCR5，促进乳腺癌细胞肺转移[27]。

趋化因子及趋化因子受体与骨肉瘤的关系

在骨肉瘤研究中，趋化因子及其受体也受到了广泛的关注。Yiting 等通过分析 83 例小儿骨肉瘤患者的肿瘤标本发现，CXCL4，CXCL6，CXCL12 在肿瘤中的表达量明显高于同一患者正常组织，并且 CXCL4，CXCL6 在肿瘤组织中广泛表达，且在血液中的高表达也与患者的不良预后有关[28]。趋化因子受体在骨肉瘤组织上的表达也受到很多关注，RT-PCR，组织免疫荧光是主要的实验方法，目前研究表明 CCR1 表达于肿瘤组织的浸润单核细胞和多核巨细胞表面；CCR4 表达于瘤内血管表面；CCR5 表达于浸润单核细胞和肿瘤细胞表面；CCR7 表达于浸润单核细胞表面；CCR10 仅被发现表达于肿瘤内零星的浸润细胞表面；CXCR3 表达于肿瘤浸润免疫细胞表面[29-30]。CXCR4 被认为在骨肉瘤肺转移中发挥重要作用。Namlos等通过对23 例骨肉瘤原发灶和转移灶进行全基因组分析，发现最后发生转移的患者，肿瘤转移灶相对于原发灶高表达 CXCR4[31-32]。并且有研究通过分子拮抗剂和小分子 RNA 抑制实验发现人基质细胞衍生因子-1a ( SDF-1a )作用于 CXCR4，激活 MEK 和 ERK 通路，促进蛋白复合体 ( IKKa / b ) 和细胞核因子 B ( NF-kB ) 的活性，最后激活蛋白 avb3，增加骨肉瘤细胞的恶性程度[33]。但在犬类四肢骨肉瘤原发灶中检测出 CXCR4，而其肺转移灶并不表达 CXCR4[34]。这也说明 CXCR4 在骨肉瘤中的作用机制没有完全阐明。其余，例如 CCL5-CCR5 轴通过激活 MEK，ERK，NF-kB，最终激活整合素 avb3，促进了人骨肉瘤细胞的迁移能力。这一通路也与 CXCR4 的激活通路相似，说明趋化因子对肿瘤细胞作用的相似性[35]。利用 CXCR3拮抗剂 AMG487 对小鼠肺转移模型的处理，Pradelli 等发现抑制 CXCR3 与其配体结合可以调节肿瘤细胞的肺转移及晚期肺转移结节的生长与侵袭[36]。

骨肉瘤是一类最常见的骨恶性骨肿瘤，不仅局部侵袭能力强，而且容易复发和转移。其中肺转移是最常见的转移方式，也是最主要的死亡原因。随着新辅助化疗，保肢手术，肺转移瘤清扫术的开展，患者的生存率和生存时间有了明显提高。但是，我们对骨肉瘤发生、发展及其转移的分子机制尚有许多未知。通过趋化因子及其受体在骨肉瘤中的研究进展，也为我们对骨肉瘤预后的分子指标及研究新型的治疗策略提供了好的思路。Baumhoer 等[37]通过对 223 例骨肉瘤病例分析发现 CXCL12-CXCR4 轴与患者的更好的长期生存率和较少的远处转移有关。并且有研究通过对 56 例骨肉瘤组织进行组织芯片分析，并进行为期2 年的随访发现，肿瘤组织中表达 CXCR4 的患者，生存率较低，且与年龄，性别，血清碱性磷酸酶的浓度无关[38]。Kim 等[39]利用 CXCR4 的拮抗剂，一种小分子氨基酸 CTCE-9908 对尾静脉注射骨肉瘤细胞的小鼠进行治疗，发现小鼠肺转移结节下降了 50%。这也说明 CXCR4在骨肉瘤预后的分子指标和治疗上发挥着重要作用。

随着基因芯片和组织芯片高通量检测技术的广泛使用，人们已经筛选出许多骨肉瘤中特异性高表达 / 低表达的趋化因子及其受体。并且通过一系列分子细胞学实验，验证并研究了这些趋化因子及其受体在骨肉瘤细胞中的作用。这些发现也为骨肉瘤的临床预后及分子靶向治疗提供了新的想法，具有巨大的临床应用前景。但仍有一些问题需要解决：(1) 在骨肉瘤中是否还有其它趋化因子和趋化因子受体未被发现？(2) 在循环肿瘤细胞中趋化因子和趋化因子受体发挥什么作用？(3) 在骨肉瘤组织中，趋化因子对一些特殊的肿瘤细胞：肿瘤干细胞，基质干细胞发挥什么作用？(4) 上游哪些基因控制趋化因子和趋化因子受体的表达？哪些患者可以从趋化因子相关治疗中获益？(5) 是否有特异性结合趋化因子和趋化因子受体的药物可以治疗肿瘤？相信这些问题的解决，将会进一步促进趋化因子及其受体在肿瘤预防、诊断及治疗中的应用。

[1]Heare T, Hensley MA, Orfano SD, et al. Bone tumors: osteosarcoma and Ewing’s sarcoma. Curr Opin Pediatr, 2009,21(3):365-372.

[2]Picci P. Osteosarcoma (osteogenic sarcoma). Orphanet J Rare Dis, 2007,2:6.

[3]Geller DS, Gorlick R. Osteosarcoma: a review of diagnosis, management, and treatment strategies. Clin Adv Hematol Oncol, 2010,8(10):705-718.

[4]Lazennec G, Richmond A. Chemokines and chemokine receptors: new insights into cancer-related inflammation. Trends Mol Med, 2010,16(3):133-144.

[5]Ali S, Lazennec G. Chemokines: novel targets for breast cancer metastasis. Cancer Metastasis Rev, 2007,26(3-4):401-420.

[6]Balkwill F, Charles KA, Mantovani A, et al. Smoldering and polarized inflammation in the initiation and promotion of malignant disease. Cancer Cell, 2005,7(3):211-217.

[7]Mantovani A. Cancer: Inflaming metastasis. Nature, 2009, 457(7225):36-37.

[8]Vindrieux D, Escobar P, Lazennec G, et al. Emerging roles of chemokines in prostate cancer. Endocr Relat Cancer, 2009,16(3):663-673.

[9]Berghuis D, Schilham MW, Santos SJ, et al. The CXCR4-CXCL12 axis in Ewing sarcoma: promotion of tumor growth rather than metastatic disease. Clin Sarcoma Res, 2012,2(1):24.

[10]Wang L, Huang T, Chen W, et al. Silencing of CXCR4 by RNA interference inhibits cell growth and metastasis in human renal cancer cells. Oncol Rep, 2012,28(6):2043-2048.

[11]Yin D, Zhang Z, Gao S, et al. The role of chemokine receptor CXCR4 and its ligand CXCL12 in the process of proliferation and migration of oral squamous cell carcinoma. Hua Xi Kou Qiang Yi Xue Za Zhi, 2013, 31(1):8-12.

[12]Raman D, Baugher PJ, Thu YM, et al. Role of chemokines in tumor growth. Cancer Lett, 2007, 256(2):137-165.

[13]Burns JM, Summers BC, Wang Y, et al. A novel chemokine receptor for SDF-1 and I-TAC involved in cell survival, cell adhesion, and tumor development. J Exp Med, 2006, 203(9):2201-2213.

[14]Miao Z, Luker KE, Summers BC, et al. CXCR7 (RDC1) promotes breast and lung tumor growth in vivo and is expressed on tumor-associated vasculature. Proc Natl Acad Sci U S A, 2007, 104(40):15735-15740.

[15]Acosta JC, O’Loghlen A, Banito A, et al. Chemokine signaling via the CXCR2 receptor reinforces senescence. Cell, 2008, 133(6):1006-1018.

[16]Roca H, Varsos Z, Pienta KJ, et al. CCL2 protects prostate cancer PC3 cells from autophagic death via phosphatidylinositol3-kinase/AKT-dependent survivin up-regulation. J Biol Chem,2008, 283(36):25057-25073.

[17]Wang D, Wang H, Brown J, et al. CXCL1 induced by prostaglandin E2 promotes angiogenesis in colorectal cancer. J Exp Med, 2006, 203(4):941-951.

[18]Borna M, Michael PK, Robert MS. Chemokines as mediators of angiogenesis. NIH-PA, 2007, 97(5):755-762.

[19]Salcedo R, Resau JH, Halverson D, et al. Differential expression and responsiveness of chemokine receptors (CXCR1-3) by human microvascular endothelial cells and umbilical vein endothelial cells. FASEB J, 2000,14(13): 2055-2064.

[20]Wang J, Ou ZL, Hou YF, et al. Enhanced expression of Duffy antigen receptor for chemokines by breast cancer cells attenuates growth and metastasis potential. Oncogene, 2006,25(54):7201-7211.

[21]Shen H, Schuster R, Stringer KF, et al. The Duffy antigen/ receptor for chemokines (DARC) regulates prostate tumor growth. FASEB J, 2006,20(1):59-64.

[22]Marchesi F, Piemonti L, Fedele G, et al. The chemokine receptor CX3CR1 is involved in the neural tropism and malignant behavior of pancreatic ductal adenocarcinoma. Cancer Res, 2008, 68(21):9060-9069.

[23]Amersi FF, Terando AM, Goto Y, et al. Activation of CCR9/ CCL25 in cutaneous melanoma mediates preferential metastasis to the small intestine. Clin Cancer Res, 2008,14(3):638-645.

[24]Kochetkova M, Kumar S, McColl SR, et al. Chemokine receptors CXCR4 and CCR7 promote metastasis by preventing anoikis in cancer cells. Cell Death Differ, 2009,16(5):664-673.

[25]Ostman A, Augsten M. Cancer-associated fibroblasts and tumor growth--bystanders turning into key players. Curr Opin Genet Dev, 2009,19(1):67-73.

[26]Akira O, Piyush BG, Dennis CS, et al. Stromal fibroblasts present in invasive human breast carcinomas promote tumor growth and angiogenesis through elevated SDF1 CXCL12 secretion. Cell, 2005, 121:335-348.

[27]Karnoub AE, Dash AB, Vo AP, et al. Mesenchymal stem cells within tumour stroma promote breast cancer metastasis. Nature, 2007, 449(7162):557-563.

[28]Li Y, Flores R, Yu A, et al. Elevated expression of CXC chemokines in pediatric osteosarcoma patients. Cancer, 2011, 117(1):207-217.

[29]Luettichau IV, Nathrath M, Burdach S, et al. Mononuclear infiltrates in osteosarcoma and chemokine receptor expression. Clin Cancer Res, 2006,12(17): 5253-5254.

[30]Luettichau IV, Segerer S, Wechselberger S, et al. A complex pattern of chemokine receptor expression is seen in osteosarcoma. BMC Cancer, 2008,8:23.

[31]Nigris FD, Rossiello R, Schiano C, et al. Deletion of Yin Yang1 protein in osteosarcoma cells on cell invasion and CXCR4/ angiogenesis and metastasis. Cancer Res, 2008, 68(6): 1797-1808.

[32]Namlos HM, Kresse SH, Muller CR, et al. Global gene expression profiling of human osteosarcomas reveals metastasis-associated chemokine pattern. Sarcoma, 2012, 2012: 639038.

[33]Huang CY, Lee CY, Chen MY, et al. Stromal cell-derived factor-1/CXCR4 enhanced motility of human osteosarcoma cells involves MEK1/2, ERK and NF-kappa B-dependent pathways. J Cell Physiol, 2009, 221(1):204-212.

[34]Fan TM, Barger AM, Fredrickson RL, et al. Investigating CXCR4 expression in canine appendicular osteosarcoma. J Vet Intern Med, 2008,22:602-608.

[35]Wang SW, Wu HH, Liu SC, et al. CCL5 and CCR5 interaction promotes cell motility in human osteosarcoma. PLoS One, 2012,7(4):35101.

[36]Pradelli E, Karimdjee BS, Michiels JF, et al. Antagonism of chemokine receptor CXCR3 inhibits osteosarcoma metastasis to lungs. Int J Cancer, 2009, 125(11):2586-2594.

[37]Baumhoer D, Smida J, Zillmer S, et al. Strong expression of CXCL12 is associated with a favorable outcome in osteosarcoma. Mod Pathol, 2012,25(4):522-528.

[38]Lin F, Zheng SE, Shen Z, et al. Relationships between levels of CXCR4 and VEGF and blood-borne metastasis and survival in patients with osteosarcoma. Med Oncol, 2011,28(2):649-653.

[39]Kim SY, Lee CH, Midura BV, et al. Inhibition of the CXCR4/ CXCL12 chemokine pathway reduces the development of murine pulmonary metastases. Clin Exp Metastasis, 2008,25(3):201-211.

( 本文编辑：王永刚 )

Research progress of chemokines and chemokine receptors in osteosarcoma

CHEN Quan-chi, HUA Ying-qi,ZUO Dong-qing, ZENG Hui, CAI Zheng-dong. Department of Orthopedics, Shanghai tenth People’s Hospital, Tongji University, Shanghai, 200072, PRC

Osteosarcoma is the most common primary malignant tumors in childhood and adolescence, and easily develops metastasis, especially in the lung. Patients with primary and metastatic tumors have a poor prognosis. Therefore, it is necessary to do some research on the genes associated with the malignancy of osteosarcoma and to fnd the targeted genes in the treatment of osteosarcoma. In recent years, more and more research on chemokines and chemokine receptors has been performed in oncology, which has gained increasing attention of investigators. The chemokines and chemokine receptors have been found to be important regulators in the occurrence, development and metastasis of osteosarcoma. They are thought to be active participants in the biology of osteosarcoma. Firstly, this study aims to introduce the structure, classifcation and biological function of chemokines and chemokine receptors. Secondly, the research progress of chemokines and chemokine receptors in oncology will be presented in4 aspects, including the effects of chemokines and chemokine receptors on tumor growth and tumor cell survival and senescence, their effects on tumor angiogenesis, on tumor metastasis and on tumor microenvironment. At last, the research progress of chemokines and chemokine receptors in osteosarcoma will be introduced, aimed at the study of their specific targeted drugs. The current problems and future prospects of chemokines and chemokine receptors in osteosarcoma will also be clarifed.

Chemotactic factors; Receptors, chemokine; Osteosarcoma; Neoplasms

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.07.014

R738.1

200072 上海，同济大学附属第十人民医院骨科

蔡郑东，Email: czd856@vip.Sohu.com

2013-05-14 )