细胞自噬与微环境的关系及其在肿瘤发生、发展中的作用

吴晓莉，田亚，张宝玺，赵晓庆，马夫天，刘娜

(河北医科大学第二医院，石家庄050000)

细胞自噬与微环境的关系及其在肿瘤发生、发展中的作用

吴晓莉，田亚，张宝玺，赵晓庆，马夫天，刘娜

(河北医科大学第二医院，石家庄050000)

细胞自噬是所有真核生物共有的分解代谢途径，其与溶酶体共同完成细胞内代谢废物的降解，从而为生物大分子的合成提供物质基础。细胞自噬参与肿瘤的发生、发展过程，对肿瘤的生物学作用是一把双刃剑，其活性降低或增强可导致正常细胞发生恶性转化或促进肿瘤进展。肿瘤微环境是肿瘤细胞赖以生存和发展的环境。自噬活性改变可影响肿瘤微环境，而肿瘤微环境变化又可影响细胞自噬活性，两者相互影响，互为因果，在肿瘤的发生、发展及细胞耐药机制中具有重要作用。

肿瘤；细胞自噬；微环境

细胞自噬是一种溶酶体介导的清除衰老或受损细胞器及老化蛋白的过程，由自噬相关基因调控。细胞自噬活性改变与肿瘤的发生密切相关，而诱导细胞自噬又是肿瘤细胞重要的生存机制，故细胞自噬与肿瘤的关系成为肿瘤领域的研究热点。肿瘤微环境是肿瘤细胞赖以生存的复杂环境，由一系列的细胞和非细胞物质组成。肿瘤微环境不仅为肿瘤细胞的生存提供营养物质，在抑制或增强免疫应答过程中亦有重要作用，可直接影响肿瘤细胞的侵袭、转移和耐药。细胞自噬作为细胞重要的分解代谢途径，可影响细胞及其周围组织微环境的组成，而微环境变化又可调控细胞自噬的活性。细胞自噬和微环境相互影响，互为因果，在肿瘤的发生、发展及细胞耐药机制中具有重要作用。本文结合文献就细胞自噬与微环境的关系及其在肿瘤发生、发展中的作用作一综述。

1 细胞自噬及微环境

1.1 细胞自噬 细胞自噬是指细胞通过单层或双层膜结构包裹待降解的底物，形成自噬体，然后运送至溶酶体并与之结合形成自噬溶酶体，从而将底物降解的过程。根据降解底物进入溶酶体的方式不同，细胞自噬可分为巨自噬、微自噬及分子伴侣介导的自噬三大类。通常人们所指的细胞自噬为巨自噬，其过程可分为自噬体形成、自噬体与溶酶体融合及底物降解三个步骤。细胞自噬是生物进化过程中比较保守的分解途径，对维持细胞内环境的稳定具有重要作用[1]。细胞通过自噬作用降解自身的代谢产物、折叠错误的蛋白及亚细胞成分等，并重新利用，为细胞提供部分合成底物；当细胞能量供应不足时，细胞自噬还能为细胞再生提供一定能量[2]。细胞自噬可促进细胞生长、增殖，维持细胞代谢平衡和细胞内环境的稳定。在某些特殊情况下，细胞可通过诱导自噬发生程序性死亡，因该过程并不依赖半胱氨酰天冬氨酸特异性蛋白酶，又被称为Ⅱ型程序性细胞死亡。此外，细胞自噬过程依赖于溶酶体，需要一系列自噬相关蛋白(如Atg蛋白)的参与[3]。

1.2 微环境 微环境是指信息物质同细胞间相互作用的微小环境，包括细胞间质及其中的体液成分，参与构成了细胞的生存环境。组织微环境由一系列细胞和非细胞物质组成，包括细胞外基质(ECM)、纤维母细胞、免疫细胞、脂肪细胞及生物活性物质(如细胞因子、生长因子和激素等)，它们共同维持组织内环境的稳定[4]。微环境可为细胞提供能量支持并保持组织的完整性，传递信号给细胞表面受体，并可作为细胞因子的储存器，同时在细胞的生长、分化和血管形成过程中起重要作用。微环境的稳定是保持细胞正常增殖、分化、代谢和功能活动的重要条件，微环境成分的异常变化可使细胞发生变化，甚至癌变。

2 细胞自噬与微环境在肿瘤发生、发展中的作用

2.1 细胞自噬与肿瘤的关系 近年研究发现，细胞自噬与肿瘤发生密切相关。细胞自噬既可抑制肿瘤的形成，又可对肿瘤细胞起到保护作用，对肿瘤细胞来说是一把双刃剑。

在结肠癌HCT116细胞中，自噬相关基因UVRAG表达上调可提高细胞自噬活性，抑制肿瘤的形成[5]。在黑色素瘤细胞中可见自噬相关基因ATG5表达下调[6]。Atg5基因敲除小鼠由于自噬相关基因缺失，更易诱发肝癌[7]。皮内注射致癌剂甲基胆蒽，Atg4C缺乏的小鼠诱发纤维肉瘤的风险明显升高[8]。这些证据表明细胞自噬具有抑癌作用。细胞通过增强氧化应激和诱导DNA受损及基因表达改变而发生恶变，自噬活性低的细胞异常线粒体累积，氧化应激反应增强，受损DNA和异常染色体不能被降解，细胞自噬通过降解异常线粒体、降低氧化应激反应及限制基因组不稳定性而降低肿瘤的发生。因此，自噬活性降低可促进肿瘤的形成。

肿瘤细胞处于高代谢状态时，营养供应相对不足，细胞自噬活性增强可为肿瘤细胞的生长补充原料及营养，又可增强肿瘤细胞对应激的适应性，对肿瘤细胞产生保护作用。此外，细胞自噬还可诱导肿瘤细胞对化疗药物耐受。肿瘤细胞通过激活自噬而适应代谢性应激(如缺氧、炎症、原料不足等)[9]，从而使其适应快速生长和抗癌治疗环境。在接受不同的化疗药，如顺铂、依托泊苷、5- 氟尿嘧啶及多柔比星等治疗时，肿瘤细胞的自噬被激活。在这种情况下，通过自噬抑制剂(如氯喹、3- 甲基腺嘌呤或巴弗洛霉素A1等)抑制细胞自噬，可增强细胞毒性，促进肿瘤细胞凋亡[10,11]。在细胞凋亡过程中，线粒体通过释放促凋亡因子(如细胞色素C等)到细胞质中，形成凋亡小体，从而诱导细胞凋亡。Ravikumar等[12]研究发现，雷帕霉素作为一种自噬激活剂可抑制细胞色素C的释放，从而阻止依托泊苷利用线粒体的通透性诱导的细胞凋亡，促进肿瘤耐药的发生，进一步证实自噬活性增强可促进肿瘤细胞耐药的发生。

在正常细胞中，细胞自噬的激活具有抑癌作用；而在肿瘤组织中细胞自噬的激活能增强肿瘤细胞对恶劣环境的适应能力，从而促进肿瘤的生长及对化疗的耐受性。因此，了解细胞自噬通路的具体机制对于新药开发或药物改进至关重要。研究发现，mTOR信号通路与p53家族成员均为复杂的自噬网络关键节点，可通过ATP耗竭诱导DNA损伤和AMPK活化[13]，利于上述发现开发的自噬调节剂与现有的抗癌药物联合应用能促进肿瘤细胞凋亡，减轻化疗耐药。

3.2 微环境与肿瘤的关系 肿瘤的发生、发展需要微环境的保护与支持，适宜的微环境能促进肿瘤细胞增殖，故可通过改变肿瘤微环境调控恶性程度高的肿瘤细胞增殖[13]。生理状态下，ECM的生理特点(如带电特性、通透性等)使其相当于一道物理屏障，可阻止异常细胞入侵邻近器官；但随着肿瘤的形成及微环境成分改变，其可促进细胞恶变、肿瘤生长、转移瘤形成及肿瘤耐药[14]。有研究表明，单独将人肿瘤细胞注入小鼠体内只能形成微小休眠灶，但肿瘤微环境中注入血管内皮生长因子后，肿瘤细胞开始获得生成血管的能力，并迅速大量增殖[15]。Aguirre- Ghiso等[16]研究发现，通过单克隆抗体封闭使尿激酶受体下调即可激活p38，同时使ERK失活，进而引起肿瘤细胞增殖暂停；而刺激uPAR高表达则可引起ERK活性明显升高，从而使肿瘤细胞迅速增殖。

研究发现，肿瘤微环境不仅参与肿瘤细胞的直接蔓延，还能影响肿瘤的血道转移及种植转移。肿瘤的“种子土壤学说”表明，种植转移所选择的远离器官不是随机的，是由原始肿瘤细胞与将要定植的器官微环境所控制的[17]。此外，缺氧微环境亦对肿瘤细胞具有筛选作用，可使肿瘤的恶性程度进一步提高，导致肿瘤细胞对化疗药物或放射治疗不敏感[18]，继而产生耐药性。

3.3 细胞自噬与微环境的相互作用及其对肿瘤的影响 微环境可调控诱导细胞自噬；反之，细胞自噬也可对微环境进行重塑。在肿瘤发生、发展的不同阶段，细胞自噬的信号传导是由微环境完成的。肿瘤细胞所处的微环境与正常组织有明显差异，肿瘤恶劣的微环境包括缺氧、营养不足、酸中毒、炎症和ECM脱离等[19]，而在正常组织微环境中并不存在这些情况。在这些不良的微环境状态下，细胞自噬被激活，通过调节肿瘤细胞与细胞间质及细胞器之间的相互作用，使得肿瘤细胞得以存活。

恶性肿瘤细胞的增殖速度快、侵袭性强，但肿瘤内部的新生血管不能满足肿瘤生长需要，造成肿瘤内部供血不足，使肿瘤细胞处于一种相对缺氧和营养物质匮乏的微环境中。在肿瘤相关的血管内皮细胞中，细胞自噬同时具有诱导和阻止血管生成的作用[18]。因此，细胞自噬对肿瘤的生长具有双重作用。这取决于Beclin1蛋白和高迁移率族蛋白1的相互作用[20]。当肿瘤直径>2 mm时，50%～60%的肿瘤组织在缺氧条件下生长[21,22]，此时肿瘤细胞能够通过AMPK、PERK和HIF- 1α/FOXO3信号途径增强细胞自噬，调节缺氧和营养不足诱发的血管生成，继而促进其存活。营养损耗是最强的自噬生理诱导剂。当营养缺乏时，细胞自噬为肿瘤细胞提供了另一种代谢途径。氨基酸特别是支链氨基酸，能通过激活mTORC1抑制细胞自噬。因此，在氨基酸缺乏的情况下，细胞通过调节mTOR活性诱导细胞自噬。当肿瘤细胞缺乏葡萄糖时，将通过氧化应激诱导自噬维持能量平衡，这与mTOR活性密切相关。此外，与肿瘤进展密切相关的炎症还能通过NF- κB激活细胞自噬[19]。

研究发现，酸性环境亦可促进细胞自噬的发生。在酸性(pH 6.7)条件下人乳腺癌细胞Atg5、BNIP3表达升高[23]。提示细胞暴露在低pH值环境中，细胞自噬活性明显增强，从而适应不利环境得以生存；该研究还发现，在大约3个月的低pH值环境中，细胞逐渐恢复了增殖能力，说明细胞自噬是短暂的，长期在低pH条件下细胞可通过增加自噬而生存[23]。

Martinez- Outschoorn等[24,25]研究表明，与肿瘤相关的成纤维细胞可激活NF- κB信号通路并诱导细胞因子风暴，包括IL- 6、IL- 8、IL- 10、巨噬细胞炎性蛋白1α、干扰素γ、RANTES和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子，而这些细胞因子均可驱动细胞自噬。肿瘤组织不仅能通过刺激T淋巴细胞、树突状细胞和B淋巴细胞介导的特异性免疫反应发生，还可通过刺激巨噬细胞增强机体的非特异性免疫。而细胞自噬能通过调节癌细胞分泌蛋白和表面蛋白质组，控制抗肿瘤的免疫应答[20]。

4 细胞自噬与微环境在肿瘤治疗中的作用

目前许多临床前期研究和临床试验都将细胞自噬或微环境作为抗肿瘤治疗的靶点。细胞自噬增强是肿瘤细胞对传统抗肿瘤治疗的一种共同反应，可增加肿瘤细胞的存活概率和耐受性。在已知的自噬抑制剂中，氯喹及其衍生物羟氯喹作为抗疟药物已用于临床几十年。氯喹作用于溶酶体，通过抑制自噬-溶酶体融合而抑制细胞自噬，故氯喹可通过抑制细胞自噬与放化疗发挥很好的协同作用，如氯喹通过影响细胞对阿霉素的敏感性，与阿霉素发挥协同作用[26]。但也有研究认为，氯喹和羟氯喹的这种协同作用可能并不是由他们引起细胞自噬所导致的[15]。

研究发现，只有在缺氧、炎症等微环境下，更具侵略性和抵抗力的肿瘤细胞才能够生存下来。这些细胞具有低增殖率，往往对标准的化疗药物耐药。相对于肿瘤组织中，正常组织中很少存在缺氧区域，故缺氧微环境也为肿瘤的靶向治疗提供了有利条件[18]。生物还原化合物替拉扎明可在低氧环境中代谢，其活性前体药物在缺氧环境中能抑制肿瘤细胞增殖，但其在临床试验中效果并不明显[27]。炎症是肿瘤微环境的重要组成部分之一，环氧化酶2作为抗炎蛋白是经典的抗癌作用靶点，但非特异性环氧化酶2抑制剂非甾体抗炎药用于预防和治疗肿瘤仍存在争议。整合蛋白可通过调控细胞对ECM的黏附，调节细胞的存活和增殖状态，故许多整合素家族成员亦可作为潜在的治疗靶点。在靶向ECM降解的药物中，基质金属蛋白酶抑制剂作用较为突出，并在临床前期研究中效果较好，预计可能有较好的临床前景。

总之，细胞自噬与微环境的关系极为复杂，针对其作用靶点的药物仍需进一步研究。对细胞自噬与微环境及其在不同组织细胞中的相互作用进一步深入研究是准确掌握肿瘤治疗靶点关键。

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河北省科技计划项目(152777206)。

张宝玺(E- mail： zhangbaoxi2008@sina.com)

10.3969/j.issn.1002- 266X.2017.36.036

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2016- 10- 26)