肿瘤外泌体在癌症中的功能相关性研究进展*

段慧明

广西中医药大学科学实验中心·广西中医基础研究重点实验室，广西 南宁 530200

1 引言

外泌体是由所有细胞释放地来源于内吞的膜囊泡，大小从30～120 nm 并具有一些特定蛋白。外泌体的生物学功能依赖于其生物活性物质，如脂类、代谢产物、蛋白质和核酸等，这些物质可被运送到体内的局部或远端位置，从而提供了一种细胞间通讯的手段［1］。

大多数细胞分泌外泌体，但在疾病状态下分泌加强，例如在癌症中，随着肿瘤向更具侵袭性的表型转变，外泌体的分泌通常会增加［1］。越来越多的证据表明，来源于肿瘤的外泌体在癌症中起着关键作用［2］，已经成为肿瘤生长、侵袭、肿瘤相关血管生成、组织炎症以及免疫重构的新角色［3］。

2 外泌体在癌症中的功能相关性

2.1 促进癌细胞的增殖及参与肿瘤耐药

癌细胞可以通过外泌体将其致癌特性转移到其他癌细胞，外泌体可转移肿瘤生长所需的RNA和蛋白质。癌细胞可以将mRNA和miRNA转移到周围的细胞中，这对于肿瘤的发生是非常重要的。例如，上皮生长因子受体（EGFR）截短突变体EGFR 变异体III（EGFRvIII）与胶质母细胞瘤（GBM）的癌症进展和患者预后不良密切相关。胶质母细胞瘤来源的外泌体可将具有翻译功能的mRNA 传递给受体细胞，并可促进胶质瘤细胞的增殖和肿瘤的生长。受体细胞的增殖指数更高，对凋亡的抵抗力更强［4］；肿瘤来源外泌体也可能转运凋亡抑制蛋白，例如，与正常细胞相比，生存素（Survivin），在乳腺癌细胞中过表达，并以外泌体的形式分泌到细胞外，然后被成纤维细胞内化。乳腺癌细胞衍生的Survivin 上调成纤维细胞中SOD1 的表达，然后将其转化为肌成纤维细胞，反过来在体外和体内诱导乳腺癌增殖［5］。

肿瘤细胞产生耐药性可能是由于基因或表型改变（内在耐药性）引起的，也可能是肿瘤微环境保护肿瘤细胞免受治疗（外在耐药性）的结果。因此，外源性耐药性来自肿瘤细胞与其周围环境的相互作用［6］。

首先，外泌体可以通过多种方式影响肿瘤细胞耐药性。第一种方法是外泌体向细胞外运出化疗药物，例如，由于人卵巢癌细胞释放出去的富含铂和铂输出转运蛋白的外泌体的增加，从而对顺铂产生了耐药性［7］。其次，外泌体还可将药物外排泵，例如，P糖蛋白（P-gp）、多药耐药蛋白-1（MRP-1）、ABCA-3 和ABCG-2 等转移至邻近细胞，通过阻止抗癌药物在细胞内的充分积累而产生耐药性［8］。第三，人ATP 结合盒（ABC）转运蛋白超家族与药物的过度外排密切相关。在ABC转运蛋白超家族中，有几种ATP 驱动的外排转运蛋白是药物外排的经典调控因子：ABCB1（Pgp/MDR1）、ABCC1 （MRP1）、ABCG2 （BCRP）等。在耐药肿瘤细胞中，这些ABC转运体的过表达将抗癌药物泵出细胞，降低药物浓度［9］。第四，肿瘤来源的外泌体可将miRNAs 或长链非编码RNAs 运送至受体细胞，并赋予这些受体细胞耐药性。例如，在卵巢癌细胞中，紫杉醇诱导miR-443 表达，当通过外泌体转移时，miR-443 表达诱导邻近细胞的衰老，从而导致耐药［10］。第五，外泌体可以将支持生存和抗凋亡信号的分子传递给周围细胞，例如，乳腺癌产生的外泌体富含细胞存活蛋白Survivin，并产生对紫杉醇的耐药性［11］。最后，肿瘤来源外泌体与基质细胞相互作用，增加肿瘤细胞的耐药性。肿瘤的耐药性不仅由癌细胞决定，而且由肿瘤微环境中的非肿瘤细胞支持，例如，通过分泌含有Snail和miR-146的诱导耐药性的外泌体，胰腺癌相关成纤维细胞（CAFs）对化疗药物吉西他滨具有内在的抗药性，已被证明在暴露于该药物时介导了对胰腺癌上皮细胞的耐药性转移，从而增加它们的增殖和存活［12］。

2.2 癌症外泌体触发成纤维细胞向肌成纤维细胞分化

理想的肿瘤生长代谢和生理环境需要基质的支持。在肿瘤微环境中，具有不同或重叠功能的异质性细胞群有助于肿瘤发生，而成纤维细胞起着关键作用。成纤维细胞是大多数实体组织中最丰富的细胞，参与对环境信号的响应，并成为肿瘤源性信号的常见靶点。在这些信号中，肿瘤细胞产生的外泌体是成纤维细胞激活状态的重要调节器，并在建立肿瘤微环境中发挥重要作用。

癌相关的成纤维细胞（CAFs）通过与外泌体相关的不同机制起源于邻近的多种细胞，其中最常见的来源是正常成纤维细胞（NFs）和间充质干细胞（MSCs），它们经历了肿瘤细胞诱导的分化过程，并具有侵袭和迁移能力。

2.2.1 正常成纤维细胞（NFs）CAFs 存在于各种癌症的肿瘤基质中，是具有细长胞质突起的纺锤形细胞。与NFs相比，CAFs过表达标记物α-平滑肌动蛋白（α-SMA）、成纤维细胞活化蛋白（FAP）和半乳凝素［13］。另外，CAFs的IL-6/STAT3、FGF-2/FGFR1、NF-kB、TGF-β1/SMAD等多个信号轴具有异常激活活性。

外泌体递送的蛋白质能诱导NFs-CAFs 转化。例如转化生长因子-β（TGF-β）可以通过外泌体进入细胞外环境，激活CAFs，诱导CAFs的分化［14］。

除了蛋白外，miRNA也能诱导NFs-CAFs转变，例如，当乳腺癌细胞的外泌体与NFs 共同培养时，miR-9 可以将NFs转化为CAFs［13］。

2.2.2 间充质干细胞（MSCs）它们是类似成纤维细胞的细胞，可以从不同的组织中分离出来。在胃癌小鼠模型中，至少20%的CAFs来源于骨髓和MSCs［15］。来自乳腺癌和卵巢癌细胞的外泌体可以在MSCs 上诱导支持肿瘤的肌成纤维细胞的表型［16-17］。不同的miRNA，如miR-21 和miR -146a，被认为是CAFs 诱导、MSCs 增殖和血管生成活性的关键调控因子［18-19］。另外，蛋白质也参与这一过程，例如，四跨膜蛋白可以通过外泌体进入MSCs，从而促进MSCs 的激活、生长和运动［20］。与NFs-CAFs 转化类似，TGF-β 通路也参与这一过程，TGF-β/TGF-βR1 相互作用介导Smad2/3 激活，增加MSCs 中FAP 和α-SMA 的表达，这些都被认为是CAFs的特征［21］。

CAFs 也可能源自其它细胞，包括通过上皮-间质转化（EMT）的上皮细胞；通过内皮-间质转化（EndMT）的内皮细胞；脂肪细胞的转分化；某些癌症间质细胞（如星状细胞）缺乏维生素会导致平滑肌肌动蛋白（SMA）的上调，进而诱导细胞向CAFs转化［22］。

CAFs 可以通过多种机制促进癌症进展，包括促进增殖、增强侵袭、转移和血管化，以及抗肿瘤作用。CAFs分泌大量的间质细胞生长因子，如成纤维细胞生长因子（FGF）、间质细胞衍生因子（SDF）、肝素结合表皮生长因子（HB-EGF）等促进癌细胞增殖。此外，通过CAFs 的Yes 相关蛋白、细胞外间质基质金属蛋白酶2（MMP-2）、基质金属蛋白酶3（MMP-3）的胞外基质重塑被认为是促进癌症的主要策略之一。CAFs 还通过产生细胞因子和蛋白酶（例如IL-6、IL-8和MMP3）来促进侵袭［22］。

2.3 外泌体刺激血管生成

在肿瘤发展过程中，快速生长的癌细胞会缺乏营养和氧气，为了维持生存和进一步生长，一定大小的肿瘤必须激活内皮细胞（ECs）以形成新血管，这一过程称为血管生成开关。血管生成主要由缺氧引起，由缺氧诱导因子-1和缺氧诱导因子- 2 感知。在缺氧时，这些转录因子进入细胞核，激活缺氧依赖性靶基因的表达。其中一个基因是血管内皮生长因子（VEGF），它通过与VEGF 受体结合，刺激骨髓中的内皮前体细胞，通过化学反应将内皮细胞吸引到肿瘤上，并激活其生长。VEGF/VEGFR 信号通路是最有希望的血管生成靶点，它在肿瘤血管生成和肿瘤生长中起着关键作用。因此，ECs 是肿瘤微环境中的关键细胞，它们对来自外泌体的信号作出反应［23］。

肿瘤细胞释放的外泌体是诱导血管形成的主要机制之一。VEGF、成纤维细胞生长因子（FGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、转化生长因子β（TGF-β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素8（IL-8）是外泌体携带的主要血管生成刺激因子［24］。此外，最近发现，基质相互作用分子（STIM1）可通过减少乳腺癌MDA-MB-231 细胞中的外泌体miR-145促进血管生成［25］。其次，结直肠癌（CRC）细胞通过外泌体将miR-21-5p 输送到内皮细胞，直接抑制受体内皮细胞中的KRIT1 表达，随后从VE 钙粘蛋白（一种介导内皮细胞粘附连接的蛋白质）向细胞核释放β-连环蛋白，进行TCF/LEF 依赖性转录，从而促进结直肠癌中的血管生成和血管通透性［26］。再有，耐药肿瘤细胞也可以促进血管生成，例如，5-FU 抗性结肠癌细胞的外泌体促进血管生成，其中，外泌体二肽基肽酶IV（DPP4）是这种血管生成的有效诱导剂［27］。最后宫颈癌来源的外泌体可以通过向巨噬细胞传递TIE2蛋白，以促进血管生成［28］。

2.4 转移前生态位的形成

转移前的生态位（PMN）形成是肿瘤细胞植入远处器官所必需的。这种PMN 是在骨髓源性细胞（BMDCs），例如造血细胞、内皮祖细胞和间充质细胞的帮助下形成的。肿瘤分泌的外泌体可促进不同类型的细胞，如成纤维细胞、内皮细胞、巨噬细胞和各种BMDCs向PMN募集。

肿瘤来源的外泌体通过促进血管系统破坏而促进转移。外泌体含有特定的miRNA，可导致内皮细胞减少重要紧密连接蛋白（如ZO-1、钙粘蛋白和P120）的表达。外泌体会渗入血液，然后转移到转移部位，被内皮细胞吸收，下调紧密连接蛋白的表达，从而破坏血管的完整性。血管完整性地破坏有利于转移［29］。原发性肿瘤来源的外泌体可通过血管或淋巴管将蛋白质（如整合素、EGFR）和核酸（如miRNA、癌基因）转移到特定器官并与常驻细胞结合，从而启动远处器官作为转移前的生态位［30］。不同类型癌细胞的外泌体可以在其表面显示不同的整合素蛋白，这些整合素决定了哪些组织内皮细胞可以优先识别它们，并在特定器官中发展出前转移生态位［29］。例如，整合素可促进肺上皮细胞和肝Kupffer细胞吸收外泌体，建立转移前生态位，含有ITGαvβ5的外泌体特异性地与Kupffer细胞结合，从而促进了向肝脏的趋向性；而表达ITGα6β4的和ITG 的α6β1 的外泌体则有利于与肺内的成纤维细胞和上皮细胞结合，介导肺的趋向性［31］；再比如，乳腺癌细胞来源的外泌体在促进乳腺癌骨转移中发挥重要作用，其通过将miR-21 转移到破骨细胞，与转移前生态位的形成有关。miR-21 可作为乳腺癌骨转移临床诊断和治疗的潜在靶点［32］。另外，源自胰腺导管腺癌（PDAC）外泌体的CD44v6/C1QBP 复合物对于纤维化肝微环境的形成和PDAC肝转移至关重要。高表达的外泌体CD44v6和C1QBP是预测PDAC 患者预后和肝转移的有希望的生物标志物［33］。

2.5 免疫抑制

外泌体是癌症中免疫调节的重要媒介，因为它们提供了大量信号，可以支持或抑制肿瘤中淋巴和髓系细胞群的免疫抑制［34］。肿瘤来源外泌体促进肿瘤免疫反应可通过两个方面：一方面，抑制树突状细胞（DCs）、T 细胞和NK 细胞的功能。树突状细胞作为先天性免疫反应和适应性免疫反应之间的介导者，在诱导T 细胞抗肿瘤活性方面起着至关重要的作用。DCs 在免疫应答的激活中发挥着重要作用。例如小鼠乳腺癌细胞产生的外泌体在体内靶向骨髓中的CD11b+髓样前体细胞，抑制其向树突状细胞分化［23，35］。胰腺癌来源的外泌体通过miR-203 下调TLR4 的表达来抑制DC 细胞因子。肺癌来源的外泌体通过下调CD80、MHC-II 和CD86 等表面标记物但上调CD11B 和PD-L1 的表达来阻断DC 分化［35］。此外，外泌体也可以通过将细胞外ATP 转化为腺苷来抑制T 细胞的增殖。腺苷可抑制多种免疫细胞和基质细胞，因此，肿瘤中较高的腺苷水平有助于免疫抑制微环境。肿瘤来源的外泌体表面携带外核苷酶CD39 和CD73，将ATP 转化为胞外腺苷，从而抑制T 细胞增殖［36］。最近发现，食管癌干细胞（ECSCs）外泌体中的O-GlcNAc 转移酶（OGT）通过上调PD-1 可保护ECSCs 免受CD8+T 细胞的损伤［37］。NKG2D（NK 细胞激活受体NK 组2，成员D）是NK、NKT、CD8（+）和gammadelta（+）T 细胞的激活受体，其在癌症中的异常丢失是免疫逃避的关键机制，NKG2D 可能是外泌体介导的癌症免疫逃避的生理靶点［38］。NK 细胞的NKG2D 受体是癌症免疫监测的重要组成部分，因为癌细胞通常不同程度地表达NKG2D配体，这标志着它们对NK细胞介导的破坏?。携带NKG2D 配体的外泌体可以减少NK 细胞上NKG2D 受体的表达，使它们处于无活性状态，从而降低NK 细胞识别和杀死恶性细胞的能力［39］，例如，癌细胞来源的外泌体表达TGFβ 和NKG2D 的配体，下调NK 细胞和CD8+T 细胞表面NKG2D 的表达，从而阻断其活性［40］。另一方面，肿瘤来源外泌体可通过各种信号通路扩增骨髓源性抑制细胞（MDSCs）和调节性T 细胞（Treg）的数量，并刺激巨噬细胞向促癌的M2 期的极化［41］。例如，肿瘤外泌体通过分泌PGE2、TGFβ 或IL6、TNFα 和CCL2 将髓系细胞转化为MDSCs；肿瘤外泌体中的TGFβ 上调Foxp3+ T 调节细胞的生成［35］；乳腺癌来源的外泌体通过糖蛋白130/STAT3信号改变巨噬细胞极化至M2 期。具体来说，糖蛋白130 在癌源性外泌体中富集，激活骨髓源性巨噬细胞的STAT3通路，导致IL6 分泌并极化至M2 期［41］。最后，肿瘤来源的外泌体还可能通过在原发肿瘤旁边发展异种卫星肿瘤而推进癌症进展，这叫区域性癌变，即肿瘤周围的形态学和分子发生异常，虽然没有明显的组织学改变。它是几种癌症发生的基础，其分子病因目前仍不清楚。

3 结论

外泌体是细胞间通讯的关键介质。外泌体内的物质，具有改变自身或其他细胞命运的作用，例如，外泌体对肿瘤的影响表现在可以促进肿瘤的增殖及耐药、触发肌成纤维细胞的形成、刺激血管生成、建立转移前生态位以及免疫抑制。为了更好地了解外泌体的功能和生物学意义，还需要有新的技术和方法来跟踪外泌体的起源和体内物质的选择和释放，这有助于将外泌体用于诊断目的以及用作药物运载工具和治疗靶点。