肿瘤不可忽视的研究方向：衰老微环境

外科黄文斌 2021-09-16

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大多数癌症发生在60岁以上的人身上，而随着世界人口寿命的延长和老龄化，癌症正在成为一个重大的公共卫生问题。据估计，到2050年，超过20%的世界人口将超过60岁--这可能给社会带来巨大的经济、医疗和财政负担。然而，在临床前的研究中，衰老微环境（ageing microenvironment）对治疗反应的贡献在很大程度上被忽视了，大多数研究是在8周大的小鼠中设计的，而不是反映与所建模疾病相适应的年龄的老年小鼠。这也可能在部分上解释了许多成功的临床前治疗在转化为临床治疗时的失败(Ref: 31836838)。

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衰老微环境生信挖掘

衰老hallmarks

在了解衰老微环境之前，我们需要先了解一下衰老（aging）。因为虽然细胞衰老是衰老hallmarks之一，但衰老如何区分和受细胞衰老的影响仍然是一个未解决的问题（图1，Ref: 31731770）。

图1.当前决定因素和相关的开放问题

衰老，我们广义地定义为影响大多数生物的依赖时间的功能衰退，在人类历史上一直吸引着人们的好奇心和激发着人们的想象力。然而，从秀丽隐杆线虫中分离出第一批长寿菌株后，开启衰老研究的新时代，到现在仅仅三十多年(Ref: 6632998)。

衰老研究的现状与过去几十年的癌症研究有许多相似之处，当前癌症的hallmarks已经扩展到十个(Ref: 21376230)。初看之下，癌症和衰老似乎是相反的过程：癌症是细胞适应性异常增强的结果，而衰老的特征是适应性的丧失。然而，在更深层次上，癌症和衰老可能有共同的起源。细胞损伤的时间依赖性积累被广泛认为是衰老的一般原因(Ref: 23190075)。同时，细胞损伤偶尔会给某些细胞带来异常的好处，最终导致癌症。因此，癌症和衰老可以被认为是同一个潜在过程的两种不同表现，即细胞损伤的积累。此外，一些与衰老相关的疾病，如动脉粥样硬化和炎症，涉及不受控制的细胞过度生长或过度活跃(Ref: 18971624)。在这个概念框架的基础上，衰老领域出现了一系列关键问题，涉及导致衰老的损伤的生理来源，试图重新建立稳态的补偿反应，不同类型的损伤和补偿反应之间的联系，以及通过外部干预来延缓衰老的可能性。13年Cell一项研究对衰老的细胞和分子特征进行了识别和分类，提出了九个通常被认为有助于衰老过程，并共同决定了衰老表型的特征（图2，Ref: 23746838）。九个特征分别是：基因组不稳定性、端粒磨损、表观遗传改变、蛋白质稳态缺失、营养感应失调、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞耗竭、细胞间通讯改变。

图2.衰老hallmarks

衰老微环境如何影响肿瘤进展

来自NATURE REVIEWS CANCER的一篇综述，强调了衰老微环境在驱动肿瘤进展中的作用。文章主要讨论癌症细胞和衰老TME之间的相互作用，重点是衰老如何重新编程间质成纤维细胞群体，细胞外基质(ECM)和免疫浸润，以驱动癌症的起始和进展。最后，文章总结了衰老的TME如何控制肿瘤细胞对化疗、靶向治疗和免疫治疗的反应。

虽然许多参与衰老组织进化的因素可能导致自我更新组织最终转化为恶性和增生性生长，但这些过程也会导致生长停滞（细胞衰老）、凋亡和其他细胞和组织结构成分的降解。有充分的证据表明，随着年龄的增长，癌症风险以及组织和细胞中许多这些退化特征呈指数级增长(Ref: 23140366)。作者感叹到，现在的研究终于开始从机制上联系衰老的局部和系统微环境之间的复杂相互关系，以及对肿瘤的起始和进展的贡献。此外，在已建立的TME中，年龄诱导的这些基质群体的重编程似乎也在驱动有效的转移进展中发挥了重要作用。有趣的是，在不同类型的癌症中，关于年龄和疾病结果的统计数据相互矛盾（BOX 1）；这一现象可能表明，在衰老过程中，全身不同的基质组织环境可能会发生不同的重编程，从而影响肿瘤的生长和进展。

衰老的基质

基质稳态：

组织内的基质微环境由各种成分组成，包括成纤维细胞、内皮细胞、周细胞、脂肪细胞、ECM 和免疫细胞，在组织稳态中起着重要作用。成纤维细胞是全身组织中最常见的基质成分。衰老过程中成纤维细胞发生的变化也可能因器官部位而异，并且通常涉及衰老。

基质衰老环境中的拮抗多效性：

在衰老背景下的拮抗多效性被定义为一种单一的基因性状，该基因性状在生命早期引起一种有益的和增强健康的表型，但在年老的生物体中，后来就变得有害了。细胞衰老是拮抗多向性的典型例子，而衰老细胞的积累是与衰老相关的关键病理特征之一。

细胞衰老的关键特征之一是表观遗传基因表达的广泛改变，细胞显著增加促炎细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶的分泌；这个分泌组被定义为与衰老相关的分泌表型（SASP，Ref: 20078217）。SASP 被认为由大约 75 种分泌因子组成，许多这些分泌因子是在使用致癌基因诱导衰老模型的研究中发现的，可能不一定反映真正的年龄诱导衰老。SASP 可能是有益的，提醒免疫系统注意组织损伤或需要清除衰老细胞，但也可能是有害的，因为它在驱动肿瘤细胞侵袭和进展方面发挥作用。

SASP在癌症进展中的作用：

细胞衰老在癌细胞的调节中起着重要作用，其中正常细胞的致癌转化可导致其衰老，最初阻止其生长。尽管基质细胞程序性衰老具有稳态的重要性，但随着时间的推移，与年龄相关的SASP细胞积累可以通过重新编程原发和转移性微环境，使其处于更有利于恶性细胞生长的状态，从而促进癌症进展（图3）。

图3.衰老微环境中的基质失调驱动肿瘤的发生和进展。

衰老对其他TME组分的影响：

由于成纤维细胞是组织中最常见的基质成分，许多关于衰老的文献集中在SASP相关的影响和由这些人群驱动的潜在癌症病理。然而，其他衰老群体，如内皮细胞、上皮细胞、免疫细胞、干细胞甚至某些肿瘤细胞，通过获得SASP来调节TME的作用也很明显(Ref: 31235879)。

非细胞衰老的衰老基质与肿瘤生长：

虽然衰老的成纤维细胞和其他细胞的积累与年龄有关，但关于这些SASP相关的肿瘤发展影响是否真正归因于衰老过程，仍有很多争论(Ref: 25787341)。对龙虾和虹鳟鱼等寿命较长的慢衰老动物的研究表明，它们能保持端粒酶活性，使细胞具有长期增殖能力(Ref: 9849895)。据推测，这些物种的衰老细胞积累速度明显较慢。然而，值得注意的是，现在许多研究表明，细胞衰老启动模式(由致癌基因、复制、应激或治疗诱导)显著改变了这些细胞分泌的SASP因子，因此，并非所有的细胞衰老都是平等的，也不可能真正表明衰老(Ref: 27288264)。

结构和衰老

ECM：

除了分泌因子外，成纤维细胞也在形成ECM中发挥作用。ECM主要负责大多数组织的结构完整性，并控制蛋白质和细胞特异性在体内的运输。ECM的组成部分作为细胞表面受体(如整合素)的配体，并控制中心的稳态过程，包括粘附、凋亡、增殖、迁移、存活和分化。ECM是高度动态的，在降解和沉积之间微妙的平衡控制下不断进行重塑。组织ECM完整性的丧失包含了癌症的标志之一，其失调与肿瘤进展和转移密切相关(Ref: 21376230)。

不同器官ECM组成差异：

不同器官间的ECM微环境差异很大，这是由于特定器官结构和功能所需要的复杂变化。虽然在ECM微环境中有许多生物化学线索的多样性，但在刚度和弹性的异质性也在整个身体中观察到，这些因素随着我们年龄的增长而发生显著变化。病理上，配体表达和刚度的多样性在癌症进展中发挥了重要作用（图4）。

图4.年龄诱导的肿瘤微环境中细胞外基质结构和功能的上下变化

ECM刚度对衰老TME影响：

与年龄相关的具有SASP的衰老基质成分的增加可导致可溶性因子的分泌，这些因子有助于局部微环境中的ECM重塑和基质硬化(Ref: 29066153)。这似乎是软组织相关TME的一个关键因素，它需要增加交联和硬化以允许肿瘤扩散和进展。这种现象可以解释这样一个事实：虽然ECM结构的全身破坏随着年龄的增长而迅速发生，但SASP细胞的局部年龄相关基质积累可能会促进进展所需的肿瘤特异性生态位。

肿瘤免疫微环境与衰老

炎症--癌症进展的年龄相关驱动因素：

免疫系统在识别和抑制恶性组织生长中起着至关重要的作用。因此，逃避免疫监视是肿瘤启动、生长和转移的关键步骤(Ref: 21376230)。衰老的标志之一是全身低度慢性炎症的增加，这一过程被称为“炎症”。这种持续的炎症反应会导致组织变性和急性炎症的破坏，并且与癌症的诱发和进展密切相关（图5，Ref: 29387133）。

图5.免疫细胞转换、炎症和免疫衰老是年龄诱导的肿瘤进展的驱动因素

年龄引起的免疫衰老和癌症：

免疫衰老是导致许多与年龄相关的疾病（包括癌症）的另一个因素。它被定义为与年龄相关的免疫系统失调，即效应免疫细胞亚群和整体免疫功能下降。该过程包含了多种因素，包括胸腺萎缩、naive T细胞减少、memory T细胞功能降低和T细胞识别抗原多样性降低(Ref: 29375577, 18332179, 16352331, 14657384, 24109481)。炎症似乎在加速许多这些过程中起着关键作用，因为与该过程相关的慢性炎症信号和反应通常是抑制性的。

TME和转移前生态位中免疫细胞开关：

年龄诱导的免疫衰老主要发生在效应T细胞和其他对肿瘤免疫至关重要的免疫细胞类型中。据推测，这些变化可能导致老年人中更多免疫抑制细胞群的激活和浸润，这可能是他们增加癌症和转移易感性的关键。研究表明，M2肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)具有免疫抑制表型，在老年(> 24-28个月)小鼠的脾脏和骨髓中显著较高(Ref: 23442123)。虽然巨噬细胞的M1-M2二元分类存在很大争议，但有大量证据表明，这些M2样免疫抑制巨噬细胞是衰老背景下肿瘤进展的关键驱动因素(Ref: 29065107)。TAMs 也被证明通过分泌 CXCL1 和诱导 MDSCs 的募集在肝脏中建立转移前生态位发挥作用，这是有效形成结直肠癌肝转移所必需的。

衰老与治疗反应

在老年癌症患者的治疗中，有许多具有挑战性的方面。通常，与年龄相关的健康问题使临床医生陷入两难境地，即是否可以以标准剂量安全地使用可能有益的治疗并提高生存率，或者潜在的副作用是否可能影响患者的生活质量。

大约 50% 的癌症发生在 65 岁以上的患者身上，随着预期寿命的不断增加，这一数字估计会上升到 70%；然而，这个年龄以上患者的临床试验数据非常有限。参加癌症临床试验的患者中只有 40% 超过 65 岁，不到 10% 超过 75 岁。此外，大多数临床前研究都是在 6-8 周大的小鼠中设计的，这极大地歪曲了大多数癌症发生时的真实临床年龄。

老年患者化疗反应：

靶向化疗诱导的年龄相关性肿瘤事件加速可能有潜在的临床益处，从而降低细胞毒性和提高生存率。在许多情况下，不管肿瘤的位置如何，老年患者的化疗耐受性良好，并延长了生存期(Ref: 27847881)。考虑到决定老年人化疗方案的一个很大的临床因素是治疗的好处是否大于副作用，需要进一步的研究来更好地了解分子水平上的细胞毒性作用。

老年患者的靶向治疗反应：

靶向治疗代表了个性化护理的标准，旨在针对癌细胞或TME，以特定的驱动该肿瘤类型的个体生长和进展。虽然有许多患者的肿瘤最初对靶向治疗有反应，但有很大一部分患者变得有耐药性。有许多研究表明，内在信号通路的直接变化与靶向治疗的耐药性有关(Ref: 30686761)；然而，这些变化与微环境之间的直接关系并没有很好地定义，特别是与年龄有关。与化疗和放疗相比，靶向治疗往往有更少的脱靶效应，因此，细胞似乎经历了更多的内在变化，基于基因突变、表观遗传改变和基因组不稳定性，以诱导耐药性TME。

老年患者的免疫治疗反应：

在过去的十年中，调节免疫微环境以靶向和消除肿瘤细胞的免疫疗法已经彻底改变了癌症治疗;然而，对这些治疗产生耐药性的患者有很大一部分(Ref: 28187290)。这种耐药性突出了癌细胞在不同组织中对免疫反应的复杂性和适应性。随着年龄的增长，免疫谱和功能发生了巨大的变化，针对老年人免疫系统的治疗具有相当大的临床意义。尽管如此，仍然很少有直接的研究评估免疫疗法在老年癌症模型中的疗效。对已发表数据集的深入审查揭示，目前可用的免疫检查点抑制剂在老年人中非常有效(Ref: 30539714)。然而，有许多相互矛盾的报告，加上在试验中缺少登记的老年患者，无法适当地确定毒性是否在老年人中增加。