Study of collagen in the pathogenesis of tumor progressionZHANG Li-Jie，HOU Wei-Qin，ZHOU Xiu-Min，et al.North China University of Science and Technology；General Hospital of JizhongEnergy Fengfeng Group；Department of Gynecology and Obstetrics，Tangshan Worker＇s Hospital，Tangshan 063000，Hebei，China.
【Abstract】Past research focused on tumor gene mutation of the tumor cells themselves，abnormal proliferation，change and otheraspects of the signal path，with further research，the tumor microenvironment is to protect and support the development of tumorigenesis，metastasis necessary structure and function of recurrence unit get more and more support.Tumor extracellular matrix (Extra-cellular matrix，ECM) collagen fibers are important components of the tumor microenvironment.Collagen traditionally be regarded as merely a physical barrierto prevent tumor invasion and metastasis，is more evidence that collagen degradation through its remodeling alter tumor cell adhesion，promote tumor angiogenesis and basement membrane damage and other positive active participation in tumor progression.This paper do areview on the study of collagen in recent years in tumor pathogenesis.
【Key words】Collagen；Extracellular matrix remodeling；Tumor progress
【摘 要】过去对肿瘤的研究重点放在肿瘤细胞本身的基因突变、异常增殖、信号通路的改变等方面，随着研究的深入，肿瘤的微环境是保护和支持肿瘤发生发展、转移复发的必要结构与功能单元得到越来越多的支持。肿瘤细胞外基质（Extra-cellularmatrix，ECM）的胶原纤维是肿瘤微环境的重要组成成分。胶原传统上仅被认为是一种物理屏障阻止肿瘤的浸润、转移，现更多的证据表明胶原通过其降解、重塑改变肿瘤细胞的粘附性，促进肿瘤新生血管生成和基底膜破坏等机制积极主动的参与肿瘤的进展。本文就胶原蛋白近十年在肿瘤发病机制中的研究做一综述。
【关键词】胶原；细胞外基质重塑；肿瘤进展
【中图分类号】S891+.1【文献标识码】A【文章编号】2096-0867（2015）-09-004-03
恶性肿瘤是全世界最严重的健康威胁之一，据估计每年有1270 万新发患者、760 万死亡患者［1］。侵袭和转移是肿瘤最基本的生物学行为，并最终导致死亡。过去一个多世纪，恶性肿瘤的研究重点在肿瘤细胞异常增殖的机制研究，因此许多与癌细胞生长代谢的相关基因和通路已被阐明。一种新兴的理论---肿瘤的发展过程是肿瘤细胞与其微环境相互作用的动态过程(种子一土壤学说)得到更多的支持［2-4］。已有文献报道，肿瘤微环境通过参与肿瘤细胞及ECM 的重新分化在肿瘤的进展过程中发挥重要作用［5］。这一研究为探索肿瘤进展的复杂机制开扩了新的视野。胶原是ECM 的主要成分，作为细胞生长的依附与支架，能诱导上皮细胞的增殖分化和移行，对维持细胞间粘附，组织完整性及修复、支撑器官及保护肌体发挥重要作用。差减杂交及基因芯片筛查结果显示多种胶原在肿瘤组织中的表达异常(增高或降低)。
胶原蛋白的结构和一般特征
胶原蛋白广泛存在于动物骨、脚、软骨和皮肤及其他结缔组织中，约占哺乳动物总蛋白的1/3，是人体重要的细胞外基质成份。目前已经发现的胶原至少有28种，由不同的结构基因编码，具有不同的化学结构及免疫学特性。典型的胶原分子是长且坚韧的三螺旋结构，由2条α1链和1条2α2多肽链组成，3条α肽链交互缠绕形成了绳索状的超螺旋结构，每种胶原蛋白至少含有一段三螺旋结构区域。在胶原蛋白中，脯氨酸(Pro)与赖氨酸(Lys)含量尤为丰富，而这正是α肽链能形成三螺旋的关键组分。胶原蛋白形成前经历广泛的翻译后修饰，在内质网折叠交联形成三重螺旋结构。羟基化酶、糖基化酶、顺反异构酶、二硫化物异构酶参与胶原蛋白的正确折叠。胶原蛋白普遍分布于细胞外基质(ECM)中，成熟的胶原分子之间能够自发地组装成一种超分子的高级结构—胶原纤维。除了三螺旋结构以外，胶原蛋白还含有非三螺旋结构的结构域，这些非三螺旋的结构域可成为细胞外基质构建的模块。根据细胞外基质的结构属性，胶原蛋白可分为经典纤维性胶原、网状胶原、三螺旋区不连续的纤维相关性胶原和三螺旋区不连续的膜相关性胶原等［6］。胶原蛋白在生物体内不仅仅发挥生物力学的功能，还在截留、贮存、运送生长因子与细胞因子及生物体细胞信号转导过程中发挥重要作用。研究表明胶原与动脉粥样硬化、器官纤维化、椎间盘突出症、胃癌浸润转移、皮肤恶性素瘤等疾病密切相关。在不同疾病中各种胶原蛋白的含量、分布、表达、生理代谢及其动态变化各有其独特性。Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅹ型等胶原在胃癌［7-8］组织中表达较正常胃组织明显上调，而Ⅰ、Ⅳ型胶原在喉癌、膀胱癌组织中则表达下调，这些结果均提示胶原蛋白参与了肿瘤的发生发展过程。
1．胶原蛋白的重塑
1.1 肿瘤侵袭过程中细胞外基质的重建
细胞外基质作为连接细胞和组织的生物支撑骨架，还可以引起生物化学和物理信号，影响细胞的粘附、迁移、组织形态发生和修复，血管生成。胶原蛋白作为细胞外基质的主要组成部分，不管沉积增加、减少都与肿瘤的恶性度增加相关。传统研究胶原蛋白仅作为阻止癌细胞移动的屏障，沉积增多可抑制肿瘤侵袭、转移。但随着肿瘤ECM 胶原纤维重构理论的建立，研究者开始重新审视胶原纤维在肿瘤中的作用。在肿瘤的进展过程中，肿瘤ECM 内胶原纤维的成分和形态发生了很大的变化，主要表现为胶原降解、沉积，交联模式的改变、硬度增加。癌灶周边胶原纤维由卷曲性形态变为线性形态，影响肿瘤细胞生物学行为如基因表达、细胞分化、增殖、迁移及对药物治疗的反应。胶原纤维还可以调节肿瘤细胞内信号传导，改变细胞-ECM 黏附作用或影响基质结构所造成的ECM 成分的改变，对于肿瘤进展机制相关研究有着深远的影响。已有研究证明了乳腺密度与乳腺癌发生风险之间的联系［9-10］。正常乳腺周围的胶原纤维是卷曲、光滑的。然而，随着肿瘤的进展，胶原逐渐变粗、变硬，呈直线化，肿瘤细胞可在此重构的胶原纤维上快速移动，有研究者将此线性胶原纤维称为肿瘤侵袭“高速公路”［11-12］。在肝癌的研究中同样发现了此现象。
1.2 蛋白酶依赖-ECM重塑主要通过赖氨酸羟化酶（LOX）的催化。LOX是一种铜依赖性单胺氧化酶，胶原纤维可在LOX的作用下形成共价交联，交织成稳定的网状结构，抵抗非特异性蛋白水解酶所引起的胶原溶解，使肿瘤细胞外基质僵化变硬，阻止肿瘤细胞向周围组织的侵袭和远处转移。LOX高表达的情况下，ECM高度交联，诱导整合素的聚集，促使FAK397位的酪氨酸自磷酸化，进一步激活下游的Rho-ROCK、rac、PI3K-Akt等信号通路，从而调节细胞的增殖、存活、迁移和侵袭等［13-14］。.LOX的高表达是乳腺癌早期肿瘤间质反应，分泌的LOX作用于胶原，刺激肿瘤细胞伸展伪足突起增加肌动蛋白聚合、粘连，提高肌球-肌动蛋白交联，促进肌丝收缩，从而作为肿瘤细胞迁移的“高速公路”［15］。在低分化肿瘤中，LOX还可以诱导上皮间质转化促进肿瘤细胞的血管转移。在肿瘤的进展过程中，转化生长因子β和低氧均能刺激LOX的表达。
1.3 增加胶原蛋白的降解
肿瘤的侵袭与播散首先涉及到起限制作用的基底膜的降解及穿透，破坏ECM降解的动态平衡，促使癌细胞突破ECM和基底膜构成的屏障侵袭周围组织和转移到远处组织，为此基质金属蛋白酶在肿瘤生长、侵袭和血管生成发挥重要作用。MMPs的表达和生物活性受到多种因素的调控，这些精确地调控机制，保证了机体内正常生理状态下的细胞迁移和ECM重构，IV型胶原不但构成BMs（Basement membranes）骨架，而且还能与细胞膜上的受体相互作用，参与细胞黏附、迁移、生长、增殖和分化等重要生理过程，能与癌细胞的整合素结合，激活癌细胞内信号转导通路，促进癌细胞的增殖、生长及迁移，抑制癌细胞的凋亡［16］
1.4 促进肿瘤上皮细胞间质的转化
EMT是指上皮细胞失去细胞与细胞之间的连接，获得间质细胞特性的过程。肿瘤细胞发生EMT后可以获得侵袭和迁移的特性，促进肿瘤的发展。近来研究发现肿瘤上皮细胞及毗邻的正常上皮细胞可通过EMT诱导转化为CAFs（Tumor-associatedfibroblasts）。激活的CAFs可以通过分泌胶原蛋白、糖腱蛋白等细胞外基质成分促进迁移；通过上调丝氨酸蛋白酶和金属蛋白酶的表达促进肿瘤的发展；通过表达一系列生长因子和细胞因子(如胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1，IGF1)、VEGF和单核细胞趋化蛋白1(monocyte chemotactic protein1，MCP1)等，进一步激活肿瘤基质，促进肿瘤发展所需微环境的形成［17］。
2．胶原蛋白与免疫反应
近来的研究表明胶原蛋白在肿瘤的发生、发展中扮演非常复杂的角色。最近的研究发现经重塑的胶原蛋白的周边聚集大量的免疫细胞。降解的胶原蛋白可作为趋化因子促进巨噬细胞浸润并分化为肿瘤相关巨噬细胞（ Tumor associatedmacrophages，TAMs）。肿瘤的早期阶段，TAMs通过吞噬、杀伤肿瘤细胞以及递呈肿瘤相关抗原发挥免疫监视和抗肿瘤作用；晚期阶段，TAMs通过释放许多趋化因子和细胞因子促进肿瘤生长和血管生成，并且可以降解基质促进肿瘤侵袭和转移。胶原在TAMs不同细胞表型间（M1/M2）转换发挥关键作用。有文献报道［18］，以I型胶原蛋白为基质培养巨噬细胞减弱了巨噬细胞杀伤肿瘤细胞的能力，表明I型胶原蛋白抑制肿瘤巨噬细胞向M1表型的分化。Amold等［19］的研究中发现异常胶原蛋白骨架上发现M2型巨噬细胞的存在。肿瘤间质中的胶原蛋白可以通过分泌白介素-6 （ IL-6）和集落刺激因子-1（CSE-1）抑制肿瘤巨噬细胞向M1型的分化，还可以通过分泌趋化因子募集免疫细胞浸润。胶原蛋白影响免疫细胞浸润，免疫细胞反过来影响胶原蛋白结构。在乳腺上皮细胞癌中巨噬细胞可以通过修饰和重塑癌巢周边胶原蛋白、分泌基质金属蛋白酶促进肿瘤的浸润和转移。
3．胶原蛋白与肿瘤血管生成
新血管的形成（angiogenesis）是肿瘤生长转移和传播过程中的基本活动。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆血管生成可为肿瘤细胞提供氧气、营养物质、生长因子、荷尔蒙及蛋白水解酶等，对于肿瘤细胞播散是有影响的。基底膜胶原蛋白(尤其是IV型)的合成和沉积是肿瘤血管形成必不可少的，抑制胶原蛋白代谢已被证实有抗肿瘤血管生成作用［20］。体外研究表明IV型胶原蛋白不仅可以调节（促进或抑制）血管内皮细胞生长和增殖，还可以刺激血管内皮细胞的粘附和迁移［21-23］。IV-C 的合成增多时，抑制IV-C合成的小分子也会分泌增多，如GPA1734、D609和顺式羟脯氨酸等，反馈性抑制血管生成。胶原蛋白基因的非胶原区域（NC1区域如endostatin、arrestin等）通过与内皮细胞表面整合素结合，抑制内皮细胞的增殖、迁移和诱导内皮细胞凋亡，从而抑制血管生成。
4.其它
慢性炎症反应是多种上皮性肿瘤的重要高危因素。炎性细胞因子TNF-α、TNF-γ可通过NF-ΚB信号通路等途径参与胶原的转录调控［24］，据此推测炎症背景环境下，胶原蛋白的表达受影响。目前尚未有胶原蛋白、炎症及肿瘤之间相互关系的研究报道。
总结和展望
过去十多年，对癌症的研究不仅仅局限于癌细胞本身，其所生存的微环境日益受到关注。当前对肿瘤ECM的研究集中在生物信号（ECMto）介导的细胞内信号转导途径和蛋白酶介导的级联胞外信号转导途径，对肿瘤ECM生物力学改变和动态变化的研究较少。进一步阐明胶原结构和生物力学的变化如何调节肿瘤的侵袭和转移，破译癌症发展过程中的“胶原蛋白代码”，是一个巨大的工程。胶原蛋白不但构成ECM，而且构成大分子的滤过屏障，参与细胞信号的转导和调控血管生成。大量基础和临床研究表明，胶原蛋白与诸多疾病的病理生理过程密切相关，如肿瘤、肾炎、纤维化等。尤其在肿瘤研究领域，胶原蛋白基础研究的进步将有助于肿瘤转移和侵袭机制的深入阐明，为攻克肿瘤难题提供理论依据。
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论文作者:1 张丽杰 2 侯伟庆 3 周秀敏 3 李鸥
论文发表刊物:《系统医学》2015年第1卷第9期
论文发表时间:2016/2/18
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