癌症是严重威胁人类健康的重大疾病，尽管近年来癌症治疗取得了显著进展，但耐药性和肿瘤复发等问题仍然是临床治疗的难题。细胞外基质（ECM）作为肿瘤微环境的关键组成部分，与癌症治疗之间存在着复杂而紧密的相互作用。深入研究ECM重塑与癌症治疗之间的相互作用，对于揭示肿瘤生物学机制、开发更有效的治疗策略具有重要意义。2024年8月，《Cancer Discovery》杂志发表了一篇名为《The Interplay between Extracellular Matrix Remodeling and Cancer Therapeutics》的综述。深入探讨了ECM重塑在癌症发展中的作用，其对化疗、放疗和免疫治疗等多种癌症治疗手段疗效的影响，以及治疗引发的ECM变化如何进一步影响肿瘤进程。同时，详细介绍了针对ECM的治疗策略及其在临床应用中面临的挑战，旨在为癌症治疗的优化提供全面而深入的理论依据。
细胞外基质（ECM）的结构与功能
ECM是一个由约300种不同分子构成的复杂动态网络，为器官内的细胞和组织提供结构支持。它还调节多种细胞过程，包括迁移、增殖、极性分化和凋亡。根据功能、组成和位置的不同，ECM主要以两种形式存在：间质基质和基底膜。间质基质包含胶原蛋白、纤连蛋白和弹性蛋白等，负责连接细胞与基质；基底膜则由IV型胶原蛋白、层粘连蛋白等组成，起着分隔组织的作用 。这些成分通过桥接蛋白相互连接，形成稳定的结构。其中，胶原蛋白是ECM的主要成分之一，赋予组织强度和韧性；纤连蛋白参与细胞黏附、迁移等过程；弹性蛋白则使组织具有弹性。基底膜中的IV型胶原蛋白和层粘连蛋白通过巢蛋白、基底膜聚糖等桥接蛋白相连，构建起一个致密的结构，对维持细胞极性和组织完整性至关重要。
图1.肿瘤ECM重塑
ECM不仅为细胞和组织提供结构支持，还参与调节多种细胞过程。它能调控细胞的迁移、增殖、极性分化和凋亡，通过与细胞表面受体结合，传递信号影响细胞行为。例如，ECM中的成分与整合素受体结合，激活细胞内的信号通路，影响细胞的黏附、迁移和增殖。同时，ECM也是生长因子、细胞因子等生物活性分子的储存库，对维持组织稳态至关重要。生长因子如FGFs、PDGF等与ECM中的蛋白聚糖结合，在特定条件下释放，调节细胞的生长和分化。此外，ECM还能影响免疫细胞的功能，参与免疫反应的调节。
肿瘤中ECM重塑的机制与细胞参与者
ECM重塑是肿瘤微环境（TME）中各种细胞之间动态相互作用的结果。癌细胞招募大量免疫细胞和其他基质细胞来支持自身的生存、生长和迁移。癌细胞、免疫细胞和癌症相关成纤维细胞（CAF）之间的相互作用在肿瘤发展过程中协调ECM的重塑。细胞-细胞相互作用，如癌细胞-CAF、癌细胞-髓样细胞、CAF-免疫细胞相互作用以及细胞-ECM相互作用，形成了一个前馈循环，以维持肿瘤ECM（图2）。
图2.细胞互易性和细胞-ECM相互作用
2.1 肿瘤相关细胞对ECM重塑的影响
癌症相关成纤维细胞（CAFs）是ECM重塑的主要推动者。癌细胞分泌的生长因子和细胞因子可激活成纤维细胞转化为CAFs。这些生长因子和细胞因子包括TGF-β、PDGF等，它们通过与成纤维细胞表面的受体结合，激活细胞内的信号通路，促使成纤维细胞发生表型转变。CAFs能产生大量间质ECM，如胶原蛋白、纤连蛋白等。不同亚型的CAFs功能各异，myCAFs在TGF-β作用下大量分泌ECM成分，支持肿瘤生长；iCAFs则可通过分泌特定蛋白酶促进癌细胞侵袭。在胰腺癌中，myCAFs分泌的大量胶原蛋白使肿瘤组织硬度增加，为癌细胞的存活和转移提供了有利环境；而在乳腺癌中，iCAFs分泌的MMP1和MMP9等蛋白酶可降解ECM，帮助癌细胞突破基底膜，向周围组织侵袭。
免疫细胞在ECM重塑中也扮演着重要角色。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）和肿瘤相关中性粒细胞（TAN）与CAFs相互作用，TAM分泌的蛋白酶如MMP2、MMP9等可降解ECM，促进肿瘤细胞迁移和血管生成；TAN释放的中性粒细胞胞外陷阱（NET）含有多种蛋白酶，参与ECM重塑和肿瘤发展。此外，活化的CD4+ T细胞可刺激肺成纤维细胞介导的ECM降解，但T淋巴细胞在ECM重塑中的具体作用仍有待进一步明确。TAM在肿瘤微环境中可极化为M1和M2两种表型，M2型TAM分泌的MMPs较多，对ECM的降解作用更强，促进肿瘤的进展。TAN释放的NET中的蛋白酶，如NE、MMP9等，可切割ECM成分，改变其结构，为癌细胞的迁移创造条件。
癌细胞自身也积极参与ECM重塑。在不同肿瘤中，癌细胞分泌特定的ECM成分，如转移性黑色素瘤细胞分泌透明质酸和蛋白聚糖蛋白连接蛋白- 1，非小细胞肺癌细胞和食管鳞状癌细胞产生I型胶原蛋白。在缺氧条件下，癌细胞产生的LOX可促进白细胞黏附和侵袭。癌细胞还可通过上皮 - 间质转化（EMT）获得间质细胞表型，分泌更多的MMPs，降解基底膜，促进自身的侵袭和转移。在乳腺癌中，经历EMT的癌细胞能够分泌MMP3、MMP9等，破坏基底膜的完整性，使癌细胞更容易进入血液循环，发生远处转移。
2.2 ECM重塑在肿瘤转移中的作用
肿瘤转移是癌症患者预后不良的主要原因，ECM重塑在其中起着关键作用。癌细胞在转移过程中，会在转移部位产生特定的ECM成分，与基质细胞共同营造适合肿瘤生长的微环境。例如，在乳腺肿瘤中，高转移性肿瘤的癌细胞和基质细胞均分泌骨膜蛋白（POSTN），而低转移性肿瘤仅癌细胞分泌 。POSTN在肿瘤转移中可促进癌细胞的黏附、迁移和增殖，它能与癌细胞表面的整合素结合，激活细胞内的信号通路，增强癌细胞的侵袭能力。
癌细胞还通过分泌细胞外囊泡（EV）来诱导ECM重塑，为转移做准备。p53突变的非小细胞肺癌细胞释放的EV可影响成纤维细胞中α5β1整合素的转运，改变ECM的组织和黏附特性，促进癌细胞在肺部的转移定植 。前列腺癌细胞在缺氧条件下分泌的EV中，MMP活性增加，有助于肺转移中的ECM重塑。EV中还可能含有各种生长因子、细胞因子和RNA等，它们可被靶细胞摄取，调节靶细胞的功能，促进ECM重塑和肿瘤转移。例如，EV中的miRNA可调控靶细胞中ECM相关基因的表达，影响ECM的合成和降解。
图3.转移中的ECM重塑
ECM重塑对癌症进展的影响
肿瘤组织中的ECM重塑可以通过引发生化信号来调节细胞间相互作用，这些信号可以进一步支持癌症进展、转移和休眠。ECM的物理调节会导致肿瘤硬度和肿瘤内间质液压力（IFP）增加，这可能会限制肿瘤药物灌注和肿瘤内分布，从而影响药物疗效。
图4.ECM重塑影响治疗的机制
从生化信号角度来看，ECM 可通过与整合素、盘状结构域受体等多种受体相结合，将信号直接传导至癌细胞内部，从而启动一系列与癌细胞增殖、存活和迁移相关的信号通路。这些受体诱导的信号可能取决于ECM的类型和结构。例如，DDR1可以通过STAT1途径与“卷曲”的III型胶原蛋白结合，控制头颈部鳞状癌细胞在转移微环境中的休眠，而通过STAT3途径与“直链”的I型胶原蛋白相互作用，则会唤醒癌细胞的增殖。同时，ECM 经蛋白水解切割后，会产生基质隐肽和基质因子，这些物质能够间接调控癌细胞行为。基质隐肽和基质因子具有广泛的功能，如组织修复、血管生成和炎症。基质因子通过多种受体发挥作用，如整合素、生长因子受体（如VEGFR2、EGFR）、趋化因子受体（CXCR2）、硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（Glypican -1、- 4、Syndecans）和CD44受体。此外，弹性蛋白衍生肽（VGVAPG）等基质因子通过占据弹性蛋白受体，增强pro-MMP2的激活，进一步促进癌细胞的侵袭。相反，如源自IV型胶原蛋白NC1结构域的四聚体素和源自XVIII型胶原蛋白的内皮抑素等基质因子，已被证明具有抗肿瘤和抗血管生成功能。此外，ECM 还具备生长因子和细胞因子的储存功能，当肿瘤微环境发生变化时，它会释放这些因子，像血小板衍生生长因子、转化生长因子等，激活癌细胞内相应的信号通路，促进癌细胞的增殖与侵袭。
在生物物理影响方面，ECM 的粘弹性和硬化形式对癌细胞的生物学行为有着重要影响。粘弹性改变会影响癌细胞的形态和迁移能力，而硬化的 ECM 不仅为癌细胞的增殖提供更为有利的机械支撑，还会促进癌细胞的迁移和侵袭，成为癌症转移的 “帮凶”。例如，通过增加乳腺癌细胞中ZNF217等癌基因的表达，并激活AKT途径诱导乳腺细胞增殖。同样，与软ECM（1 kPa）相比，硬化的ECM（12 kPa）可以通过PKB/AKT和STAT3途径诱导肝细胞癌（HCC）增殖。值得注意的是，ECM 中的胶原蛋白会与免疫细胞表面的受体相互作用，阻碍 CD8 + T 淋巴细胞向肿瘤组织的浸润，削弱机体的抗肿瘤免疫反应。另外，ECM 的过度沉积会导致肿瘤组织内流体静压（IFP）升高，进而使肿瘤血管受压，减少药物向肿瘤组织的输送，降低药物治疗的效果。
ECM重塑与治疗耐药
4.1对化疗和放疗的影响
ECM通过多种机制影响化疗和放疗的疗效。作为物理屏障，ECM阻碍药物向肿瘤组织的渗透，降低药物在肿瘤内的有效浓度。肿瘤组织中密集的ECM纤维和高间质液压力，使得药物难以扩散到肿瘤细胞周围。ECM与癌细胞表面的整合素相互作用，激活下游信号通路，促进癌细胞的存活和增殖，增强其对化疗和放疗的耐药性。硬化的ECM与β1-整合素结合，激活ILK/PI3K/AKT通路，诱导癌细胞的干细胞特性，使其更具耐药性。在乳腺癌中，高表达β1-整合素的癌细胞对化疗药物的敏感性明显降低，更容易在化疗后复发。
研究表明，抑制与耐药相关的整合素，如使用中和抗体抑制β1-整合素，可增强放疗在乳腺癌小鼠模型中的疗效 。然而，目前针对这些整合素的抑制剂因临床疗效不佳，尚未获得批准用于临床。这可能是由于肿瘤的异质性以及体内复杂的信号调节网络，使得单一的整合素抑制难以达到理想的治疗效果。此外，抑制整合素可能会产生一些副作用，影响正常组织的功能，限制了其临床应用。
4.2对免疫治疗的影响
ECM对免疫治疗的疗效也有显著影响。在许多纤维化肿瘤中，密集的ECM沉积和高硬度阻碍T细胞浸润到肿瘤组织内部，降低免疫治疗的效果。在胰腺癌中，ECM的屏障作用使得T细胞难以到达肿瘤细胞，限制了免疫检查点抑制剂（ICI）的疗效。ECM的高硬度还会影响T细胞的迁移和活化，使其难以发挥抗肿瘤作用。
ECM还影响肿瘤髓样细胞的功能，使其具有免疫抑制性。高胶原蛋白密度可调节巨噬细胞成为免疫抑制表型，抑制T细胞活性。肿瘤中过度表达的腱生蛋白-C可抑制免疫细胞的招募和活性，进一步削弱免疫治疗的效果。在肿瘤微环境中，高胶原蛋白密度会促使巨噬细胞极化为M2型，分泌IL-10等免疫抑制因子，抑制T细胞的增殖和细胞毒性。腱生蛋白-C可与免疫细胞表面的受体结合，阻断免疫细胞的活化信号，减少免疫细胞向肿瘤组织的浸润。
癌症治疗对ECM重塑的诱导作用
5.1 手术、放疗和化疗诱导的ECM变化
图5.治疗诱导的ECM重塑机制
手术会引发炎症反应，导致ECM重塑。例如，椎板切除术后可能出现硬膜外纤维化，这是由于手术激活了附近的成纤维细胞，使其产生大量ECM。手术还会激活中性粒细胞，释放蛋白酶改变ECM结构，并且手术造成的缺氧环境可诱导LOX表达，促进远处转移前部位的ECM重塑。在乳腺癌手术中，手术创伤会引起局部炎症反应，吸引巨噬细胞和中性粒细胞浸润。这些免疫细胞释放的细胞因子和蛋白酶会刺激成纤维细胞活化，转化为CAFs，分泌大量ECM成分，导致手术部位及周围组织的ECM重塑。同时，手术造成的缺氧环境会诱导癌细胞和基质细胞表达LOX，促进胶原蛋白交联，增加ECM的硬度，为肿瘤的复发和转移创造条件。
放疗会促使巨噬细胞浸润肿瘤并分泌TGF-β，引发ECM重塑和纤维化。同时，放疗使CAFs过度表达粘着斑接触，增强其活性和存活能力。在脑肿瘤放疗后，会分泌多种ECM相关因子，如MMPs、LOX等，进一步促进癌细胞的侵袭性。放疗还会导致肿瘤组织缺氧，激活HIF-1α等转录因子，上调ECM相关基因的表达，促进ECM的合成和重塑。在胶质母细胞瘤放疗过程中，巨噬细胞分泌的TGF-β可激活CAFs，使其分泌更多的胶原蛋白和纤连蛋白，导致ECM纤维化。同时，放疗诱导的缺氧会使癌细胞和CAFs表达更多的MMPs，虽然MMPs在一定程度上可降解ECM，但也会促进癌细胞的迁移和侵袭，增加肿瘤复发的风险。
化疗对肿瘤组织的损伤会引发纤维化反应，导致ECM重塑。铂类化疗可引起ECM修饰、纤维化信号传导和免疫细胞活性改变。化疗激活免疫细胞的过程与免疫原性细胞死亡有关，同时化疗诱导的ROS和DNA损伤也会促进ECM重塑。在胰腺癌和乳腺癌的化疗研究中，均发现化疗会导致ECM成分的改变，影响肿瘤的发展。化疗药物如紫杉醇、阿霉素等会损伤肿瘤细胞和基质细胞，释放出损伤相关分子模式（DAMPs），激活免疫细胞和基质细胞中的信号通路。免疫细胞分泌的细胞因子和趋化因子会刺激CAFs活化，增加ECM的合成。同时，化疗诱导的ROS会氧化ECM成分，改变其结构和功能，促进肿瘤的进展和转移。
5.2 抗血管生成疗法和免疫检查点抑制剂对ECM的影响
抗血管生成疗法如使用贝伐单抗治疗转移性结直肠癌肝转移患者，会使转移部位的HA和糖胺聚糖表达增加，导致ECM硬度上升。这可能是由于抗血管生成疗法诱导的缺氧环境促进了ECM重塑。使用透明质酸酶靶向HA可降低ECM硬度，提高治疗效果。抗血管生成疗法抑制了肿瘤血管的生成，导致肿瘤组织缺氧，缺氧会激活癌细胞和基质细胞中的缺氧诱导因子（HIF），上调HA合成酶的表达，使HA合成增加。HA的大量积累会吸收水分，增加ECM的体积和硬度，进一步阻碍药物的渗透和免疫细胞的浸润。
免疫检查点抑制剂治疗非小细胞肺癌时，部分患者会出现肺纤维化，表明ECM发生了重塑。虽然目前免疫治疗对ECM的具体影响机制尚不完全清楚，但已有研究提示，化疗后CD8+ T细胞表达的LOX参与了肺部ECM重塑，免疫治疗可能通过类似机制影响ECM。免疫检查点抑制剂阻断了免疫细胞表面的抑制性信号通路，激活了T细胞的抗肿瘤活性。然而，在这个过程中，活化的T细胞可能会分泌一些细胞因子和蛋白酶，影响ECM的代谢和重塑。例如，T细胞分泌的IFN-γ可能会调节CAFs的功能，改变ECM的合成和降解平衡，导致肺纤维化的发生。
针对ECM的治疗策略与临床应用挑战
虽然已经提出了几种针对ECM成分和重塑的方法，并在临床前模型中得到了验证，但只有少数方法进入了临床试验阶段。综合讨论在患者中进行过测试或在临床前体内模型中得到验证的方法，ECM靶向策略包括酶促降解ECM成分、抑制CAFs产生ECM，以及降低ECM硬度和密度以提高治疗效果（见表1）。
表1.在临床环境中靶向ECM重塑
6.1 靶向ECM的治疗方法
使用酶降解ECM成分是一种常见的治疗策略。透明质酸酶可降低肿瘤内的HA含量，减少间质液压力，提高药物的肿瘤摄取效率。在人骨肉瘤异种移植小鼠模型中，瘤内注射透明质酸酶可降低IFP，增强脂质体阿霉素的治疗效果。PEGPp0作为透明质酸酶的聚乙二醇化版本，在临床试验中与化疗联合使用，虽前期试验效果不佳，但在特定患者群体中与ICI联合使用，显示出对总生存期的改善。透明质酸酶通过水解HA，破坏ECM的结构，降低其硬度和间质液压力，使药物更容易扩散到肿瘤细胞周围。PEGPp0由于其聚乙二醇化修饰，具有更长的半衰期和更好的稳定性，能够更有效地发挥降解HA的作用。在临床试验中，PEGPp0与化疗药物联合使用，可提高药物在肿瘤组织中的浓度，增强治疗效果。与ICI联合使用时，PEGPp0可改善肿瘤微环境，促进免疫细胞的浸润，增强免疫治疗的疗效。
抑制CAFs的活性也是重要的治疗方向。通过抑制TGF-β、刺猬通路等信号通路，可减少CAFs的激活和ECM的产生。在小鼠肿瘤模型中，阻断TGF-β可增强CD8+ T细胞的浸润，提高免疫治疗效果。此外，将CAFs转化为正常成纤维细胞，如使用全反式维甲酸抑制胰腺星状细胞的激活，可减少ECM沉积，提高化疗药物在肿瘤内的浓度。抑制TGF-β信号通路可以阻止成纤维细胞向CAFs的转化，减少ECM的合成。全反式维甲酸通过激活维生素D受体，抑制胰腺星状细胞的活化，减少胶原蛋白等ECM成分的分泌，降低肿瘤组织的硬度，改善药物的渗透和免疫细胞的浸润。在胰腺癌小鼠模型中，使用全反式维甲酸联合化疗药物，可显著提高化疗药物在肿瘤组织中的浓度，增强抗肿瘤效果。
抑制ECM交联酶如LOX家族蛋白，可改变ECM的机械性能，促进T细胞浸润。在三阴乳腺癌小鼠模型中，抑制LOX可使肿瘤对化疗重新敏感。然而，在临床试验中，LOXL2抑制剂西木单抗与吉西他滨联合使用，未能改善转移性胰腺癌患者的临床结局，可能是由于存在其他补偿机制。LOX家族蛋白在ECM交联过程中起关键作用，抑制LOX可减少胶原蛋白的交联，降低ECM的硬度，有利于T细胞的浸润和药物的渗透。但在临床应用中，肿瘤细胞可能会通过激活其他信号通路或上调其他交联酶的表达来补偿LOX的抑制，导致治疗效果不佳。此外，肿瘤的异质性也可能影响LOX抑制剂的疗效，不同患者的肿瘤对LOX抑制剂的反应存在差异。
6.2 临床应用面临的挑战
ECM靶向治疗在临床应用中面临诸多挑战。由于肿瘤ECM与正常ECM存在相似性，治疗可能会对正常组织的ECM产生脱靶效应。使用胶原酶降解肿瘤ECM时，可能会导致其他部位的胶原蛋白被降解，导致组织损伤和功能障碍，引发严重的副作用。例如，在使用胶原酶治疗肝癌时，可能会影响肝脏周围组织的正常结构和功能，引发出血、感染等并发症。
肿瘤的异质性也是一个关键问题。不同肿瘤以及同一肿瘤内部的ECM组成、密度和结构存在很大差异，这使得针对特定ECM靶点的治疗效果难以预测。患者体内目标ECM成分、受体或酶表达水平较低时，对靶向治疗的反应往往不佳，容易导致治疗失败。在乳腺癌中，不同亚型的肿瘤其ECM组成不同， Luminal型乳腺癌的ECM中胶原蛋白含量较高，而三阴乳腺癌的ECM中纤连蛋白和HA的表达更为丰富。因此，针对不同亚型的乳腺癌，需要选择不同的ECM靶向治疗策略，以提高治疗效果。
此外，治疗过程中可能会出现补偿机制，导致治疗耐药。抑制FAK通路可能会诱导STAT3信号传导，从而产生耐药性。目前的临床前肿瘤模型大多基于小鼠，其ECM与人类ECM存在差异，不能完全反映患者的真实情况，这也限制了研究成果向临床应用的转化。当使用FAK抑制剂治疗肿瘤时，肿瘤细胞可能会通过激活STAT3信号通路来维持细胞的存活和增殖，导致治疗耐药。小鼠模型中的ECM在组成和结构上与人类ECM存在差异，无法准确模拟人类肿瘤微环境中ECM与肿瘤细胞、免疫细胞之间的相互作用，使得在小鼠模型中有效的治疗策略在人体试验中可能效果不佳。
小结
ECM重塑与癌症治疗之间存在着复杂的相互作用。ECM在肿瘤的发展、转移以及对治疗的反应中发挥着重要作用，同时癌症治疗也会反过来影响ECM的结构和功能。尽管大多数研究聚焦于ECM的促肿瘤作用及其对转移的促进作用，但也有研究表明，ECM重塑有时具有抗肿瘤作用，可改善治疗效果。在免疫治疗方面，ECM重塑和ECM硬度会导致肿瘤呈现“冷”状态，进而阻止抗肿瘤免疫细胞浸润到肿瘤微环境中。这些效应或许能解释患者对免疫检查点阻断的原发性耐药。通过改变CAF或TAM活性的方法，可以改变ECM的结构，促进T细胞浸润到肿瘤中，从而增强癌症治疗效果。此外，利用肿瘤ECM，临床前研究已证明，将免疫治疗药物与对ECM成分具有高亲和力结合的药物结合，可通过增强药物在肿瘤部位的保留，减少与治疗相关的全身不良反应，降低药物的细胞毒性。将免疫检查点抑制剂与源自血管性血友病因子A3结构域的胶原蛋白结合结构域结合，就是这种方法的一个例子。
二十多年前，首批ECM抑制药物就已进入临床评估，但由于后期临床研究失败而被放弃。具体而言，曾研究过使用MMP抑制剂治疗癌症，但在随机临床研究中评估失败，部分原因是缺乏疗效。在这些试验中，MMP抑制剂与标准治疗联合使用，但患者已处于晚期转移性疾病阶段。基于本综述，重新评估MMP抑制剂与免疫治疗等其他治疗方式联合使用或许是有益的。在这种情况下，硬ECM结构的降解可能会改善T细胞浸润并克服耐药性。
总体而言，这篇综述总结了ECM重塑在肿瘤发展和治疗结果方面的一些独特之处。越来越多的研究探索正常和疾病状态下的ECM及其结构，表明这种大分子蛋白质结构在组织生长和稳态中至关重要。研究癌症治疗与ECM之间的相互作用，可为开发更好的治疗方法铺平道路。未来，需要进一步深入研究ECM重塑的分子机制，尤其是不同肿瘤类型和个体之间的差异，以开发更具针对性的治疗方法。同时，应加强对肿瘤异质性的研究，通过生物标志物检测等手段实现患者分层，提高治疗的精准性。