癌症相干成纤维细胞的生物标志物
题目
Biomarkers for cancer-associated fibroblasts
单位
- 1Department of Thoracic Surgery, The Affiliated Cancer Hospital of Nanjing Medical University & Jiangsu Cancer Hospital & Jiangsu Institute of Cancer Research, Jiangsu Key Laboratory of Molecular and Translational Cancer Research, Nanjing, China.
- 2Department of Science and technology, The Affiliated Cancer Hospital of Nanjing Medical University & Jiangsu Cancer Hospital & Jiangsu Institute of Cancer Research, Jiangsu Key Laboratory of Molecular and Translational Cancer Research, Nanjing, China.
Keywords: Biomarker, Cancer-associated fibroblasts, Heterogeneity
摘要
癌症相干成纤维细胞 (CAF) 是肿瘤基质的要害组成部分。CAFs 的高度异质性反映在它们的起源、表型和性能上。不同 CAF 亚群的生物标志物所提醒的生物学性能可能不同，甚至相同，就像水和火一样。辨认表白不同生物标志物的 CAF 亚群并和谐不同 CAF 亚群之间“水火”的关系可能是肿瘤医治的一个冲破。在此，咱们简要总结了不同 CAF 罕用或新发现的生物标志物的特色和潜在临床好处。
注释
作为肿瘤微环境 (TME) 中最丰盛和次要的成分，癌症相干成纤维细胞 (CAF) 通常被认为是在肿瘤组织外部和四周发现的所有成纤维细胞，它们由失常驻留组织成纤维细胞 激活 或从非成纤维细胞 转分化 而来。比方因为 TME 的刺激，上皮细胞和脂肪细胞起源。CAF 被认为通过建设和重塑细胞外基质 (ECM) 来促成肿瘤。然而，最新钻研揭示了成纤维细胞在生理环境下存在宽泛的器官间和器官内异质性，并且一些试图间接在小鼠模型中靶向 CAF 的临床前钻研也失败了。这些证据表明，==CAFs 具备显著的异质性，可能同时具备促成肿瘤和抗肿瘤的个性 ==。
传统的 CAF 生物标志物，例如 α- 平滑肌肌动蛋白 (α-SMA)、成纤维细胞活化蛋白 (FAP)、S100A4、血小板衍生生长因子受体 (PDGFRα/β) 或波形蛋白，只管它们都没有特异性 CAF（表 1）。此外，最近曾经确定了具备不同生物标志物表白和不同细胞性能的减少的 CAF 子集。咱们在这里简要概述了用于辨认 CAF 异质性和潜在医治靶点的生物标志物。
表 1 CAFs 罕用生物标志物列表
| 标记 | 细胞起源 | 生物效应 | 生物效应 | 临床利用 |
|---|---|---|---|---|
| 具备双重性能的中性生物标志物 | ||||
| α-SMA | 失常成纤维细胞、静止星状细胞、平滑肌细胞 | 细胞膨胀性、构造和完整性、结缔组织增生 | 肿瘤增殖，免疫抑制；爱护机制，妨碍药物输送 | 间接靶向 α -SMA 的临床前试验失败；预后指标 |
| S100A4 | 失常成纤维细胞、上皮细胞、内皮细胞 | 细胞静止、组织纤维化 | 促成转移、免疫回避；免疫监视和反馈 | Unknown |
| 共犯：促肿瘤发生生物标志物 | ||||
| FAP | 失常成纤维细胞、静止星状细胞、CD45+ 免疫细胞 | ECM 重塑、纤维化、丝氨酸蛋白酶活性 | 肿瘤停顿和转移，塑造免疫抑制性 TME | 临床前试验（抗体、抑制剂、DNA 疫苗接种、溶瘤腺病毒、CAR-T）；II 期临床试验（PT-100，sibrotuzumab）失败；预后指标 |
| PDGFRα/β | 失常成纤维细胞、血管平滑肌细胞、周细胞 | 受体酪氨酸激酶活性 | 免疫调节、M2 极化、血管生成 | 达沙替尼使 CAF 正常化；靶向 PDGFRα+ CAF 中的 Saa3；预后指标 |
| PDPN | 内皮细胞 | 细胞静止和粘附 | 免疫抑制 | Unknown |
| CD70 | T 和 B 淋巴细胞，成熟树突状细胞 | T 细胞性能调节 | 免疫抑制、肿瘤细胞迁徙、T 细胞耗竭 | 预后指标 |
| Vimentin | 上皮细胞、内皮细胞 | 细胞静止、构造和完整性 | 肿瘤侵袭 | Unknown |
| GPR77 | 多形核中性粒细胞 | 补体激活，促炎信号 | 维持癌症干性、癌症造成、化学抗性 | 中和抗 GPR77 抗体可打消 PDX 模型中的肿瘤造成 |
| CD10 | 骨髓间充质干细胞、前 B 淋巴细胞 | 金属内切蛋白酶 | 维持癌症干性、癌症造成、化学抗性 | Unknown |
| CD74 | 失常成纤维细胞、单核细胞 / 巨噬细胞、上皮细胞 | MHC II 伴侣，蛋白质运输 | 免疫调节 | Unknown |
| 捍卫者：肿瘤克制生物标志物 | ||||
| CD146 | 内皮细胞 | 细胞粘附 | 维持 ER 表白，对他莫昔芬敏感 | 预后指标；被认为是药物？ |
| CAV1 | 失常成纤维细胞、内皮细胞、脂肪细胞 | 构造成分、细胞信号和运输 | CAV1^low^ 与预后不良相干 | 预后指标 |
| Saa3− | 平滑肌细胞、脂肪细胞 | 胶原酶生产 | PDGFRα+Saa3− CAF 克制肿瘤增殖 | 靶向 PDGFRα+ CAF 中的 Saa3；预后指标 |
CAFs 拆散和特色
CAFs 能够很容易地在塑料瓶上消化和造就，而其余类型的细胞则不然，这是 CAFs 拆散的根底。简而言之，将取得的肿瘤组织切成约 1 mm 的小块，而后在 37 °C 下振荡消化。应用温和的组织分离器能够进步拆散效率。对于消化，能够独自或组合应用不同的胶原酶、胰蛋白酶、透明质酸酶和分散酶。取得的细胞通过细胞过滤器过滤，而后种植在造就板中。乳腺肿瘤组织通常在室温下孵育 5 分钟，消化后不要电击。红细胞裂解缓冲液是可选的。
== 原发性 CAF 的上皮细胞 (EpCAM)、内皮细胞 (CD31) 和白细胞 (CD45) 应为阴性，具备修长的纺锤体样状态 ==。在实践中，传统的 CAF 生物标志物通常与谱系排除相结合来辨认 CAF。值得注意的是, 1 到 6 代之间的造就 CAFs 适宜试验。
具备双重性能的中性生物标志物
α-SMA：CAF 异质性的快照
作为激活的成纤维细胞的标志物，α-SMA 是一种与 TGF-β 产生和高度膨胀表型相干的细胞骨架蛋白，是第一个被发现和最常见的 CAF 生物标志物。钻研证实，α-SMA+ CAFs 能够通过多种形式促成肿瘤停顿，赋予医治抵抗力并介导免疫抑制性 TME，例如旁分泌和 ECM 重塑。
然而，间接敲除 α -SMA+ CAF 未能医治小鼠模型中的胰腺导管腺癌 (PDAC)，可能是因为免疫监视克制 [4]。由表白胶原蛋白 I 和 CAF 标志物（包含 α-SMA）定义的高结缔组织增生患者在 PDAC、乳腺癌和肺癌患者中具备更好的预后。这些结果表明 α -SMA+CAFs 的纤维化反馈可能是一种宿主反抗肿瘤停顿的爱护机制，须要进一步钻研。
上述互相矛盾的论断表明 α-SMA+CAF 异质性，这已在最近对 α-SMA+CAF 不同亚型进行分类的钻研中失去证实。通常，α-SMA^low^IL-6^high^ 的炎性 CAFs (iCAFs) 在 PDAC 中被鉴定，并且比 α-SMA^high^IL-6~low~ 肌成纤维细胞 CAFs (myCAFs) 离肿瘤细胞更远（图 1a）。iCAF 通过产生趋化因子和细胞因子，仿佛比 myCAF 更能促成肿瘤，并表明胰腺肿瘤发生的恶性水平更高。另一方面，myCAFs 可能会大量沉积 ECM 以妨碍药物递送，只管其致癌作用较少。思考到 myCAFs 和 iCAFs 的生物学效应，==TME 中 myCAFs 和 iCAFs 的组成可能对医治有不同的影响。iCAF 含量高可能表明恶性程度较高，而 myCAF 含量高可能表明对医治的反馈较差。==
Fig1 癌症相干成纤维细胞 (CAF) 的“双面”作用。由不同生物标志物鉴定的 CAF 亚群在肿瘤微环境中施展着不同的作用。
a，几项钻研表明，表白 α-SMA 或 S100A4 的 CAFs 也具备潜在的抗肿瘤作用，这些以前被认为是致瘤性的。在 α -SMA+ CAFs 中辨认 myCAFs 和 iCAFs 可能代表了 CAF 异质性的一个方面，认为两个子集能够互相转化。
b，大多数生物标志物代表促成肿瘤的 CAF，包含传统的 CAF 生物标志物（FAP、PDGFR、波形蛋白、PDPN 和 CD70）以及一些新发现的标志物（CD49e、CD10/GRP77 和 MHCII/CD74）。
c、CD146+ CAFs、CAV1^high^ CAFs 和 PDGFRα+Saa3− 已被鉴定为肿瘤抑制性 CAF 亚群
因而，缩小 iCAFs 的上游造成与克制源自 myCAFs 的上游结缔组织造成的组合能够设计医治策略。此外，已发现 IL-1/JAK/STAT 信号级联和 TGF-β 参加这两种 CAF 亚型的造成和互相转化。JAK 抑制剂能够克制肿瘤成长以及将 iCAF 转变为 myCAF，而 TGFBR 克制能够局部削弱 myCAF 的性能而不影响肿瘤成长。患者可能受害于这两种药物的联结医治。总之，α-SMA+CAFs 的分类加深了咱们对 CAF 异质性的了解，并为 CAF 靶向医治提供了新的思路，有待进一步钻研。
S100A4 的双向角色
S100A4，也称为成纤维细胞特异性蛋白 -1，通常在从上皮细胞或内皮细胞转运而来的 CAF 上表白。然而，S100A4+ CAFs 的生物学效应是有争议的。==S100A4+ CAFs 通过分泌 VEGF-A 和 Tenascin-C 促成肿瘤转移。== 源自 S100A4+ CAF 的趋化因子配体 2 (CCL2) 通过维持巨噬细胞浸润 == 促成免疫回避 ==。另一方面，== 表白 S100A4 的成纤维细胞能够产生胶原蛋白并包裹致癌物以加强免疫监视能力 ==。α-SMA+S100A4+ CAFs 能够通过与树突状细胞融合促成 CD8+ T 细胞活化来激活肿瘤免疫反馈。这些发现证实了 CAF 的异质性，S100A4+ CAF 仍有进一步的表征。
共犯：促肿瘤发生生物标志物
FAP：一个有心愿的医治靶点
FAP 是 CAF 的另一种宽泛生物标志物，也是一种参加 ECM 重塑和纤维化的丝氨酸蛋白酶，从而减速肿瘤停顿 [22]。FAP+CAFs 能够 == 通过分泌不同的趋化因子和细胞因子来塑造免疫抑制性 TME==。最近一项对于卵巢癌的钻研发现 FAP 高 CAF 与患者预后不良相干。
到目前为止，FAP 可能是 CAF 最有心愿的医治靶点之一。在不同的小鼠肿瘤模型中，针对 FAP 的多种策略体现出医治成果，包含基因敲除、药理学克制（PT630、PT-100）、新型单克隆抗体 (mAb) FAP5-DM1、应用白喉毒素或 αFAP-PE38 条件性融化 FAP+ CAF，甚至新型 FAP 靶向免疫疗法，如 DNA 疫苗接种、嵌合抗原受体 (CAR) T 细胞或溶瘤腺病毒。
然而，sibrotuzumab 是一种 FAP 特异性抗体，在早期癌症的 I 期试验中被发现临床平安无效，但在转移性结直肠癌的 II 期试验中没有显示出无益成果。另一项在转移性结直肠癌中应用 PT-100 的 II 期试验也失败了。值得注意的是，参加这两项 II 期试验的患者都通过了大量的预处理，代表了难治性患者群体，这可能是失败的起因。FAP 可能对晚期肿瘤而非早期转移的奉献更大。尽管如此，FAP 依然是最有心愿的 CAF 医治靶点，须要更多的摸索。
其余传统生物标志物：PDGFR、Vimentin、PDPN 和 CD70
PDGFRα/β 在多种肿瘤中均上调，而 PDGFRβ 与乳腺癌的不良生存相干。PDGFRα/β+CAF 通过诱导巨噬细胞迁徙和 M2 极化参加免疫调节。阻断 PDGFR 信号能够克制人宫颈癌的血管生成和肿瘤成长。此外，作为 PDGFR 抑制剂，达沙替尼能够将肺腺癌 (LUAD) 的促肿瘤 CAF 局部逆转为静止状态，这可能是 LUAD 的潜在医治策略。
波形蛋白是细胞迁徙过程中上皮间质转化 (EMT) 维持构造和静止的生物标志物，参加 CAF 静止以导致 LUAD 中的细胞侵袭。据报道，LUAD 中的足蛋白 (PDPN)+ CAF 是免疫抑制微环境的诱导剂。此外，表白 CD70 的 CAFs 富集了侵袭性结直肠癌的调节性 T 细胞，CD70 的表白与结直肠癌患者的存活率呈负相关。PDPN 仿佛是一个潜在的医治靶点，而 CD70 和波形蛋白可能更适宜作为预后指标，须要更多证据。
捍卫者：肿瘤克制生物标志物
当咱们试图克制已被证实激活成纤维细胞的 hedgehog 通路时，CAF 的潜在抗肿瘤性能就会显现出来，表明存在克制肿瘤的 CAF 亚群。对 CAF 异质性的钻研曾经确定了几个潜在的抗肿瘤 CAF 亚群和生物标志物。
CD146 表白在 ER+ 乳腺癌中可辨别至多两个 CAF 亚群，其中 CD146+ CAF 能够通过继续表白 ER 来促成他莫昔芬敏感性，而 CD146- CAF 则相同。乳腺肿瘤的另一个基质衍生基因表白特色表明，CAV1^low^ CAFs 与不良预后相干。血清淀粉样蛋白 A3 (Saa3) 也被确定为 PDAC 中小鼠 PDGFRα+ CAF 的新生物标志物，因为 PDGFRα+Saa3+ CAF 能够促成肿瘤成长，而 ==PDGFRα+Saa3− CAF 会侵害肿瘤增殖 ==。总之，减少 ER+ 乳腺癌中 CD146+ CAF 的比例和在 PDAC 中特异性靶向 Saa3 可能是将 TME 复原到抗肿瘤环境的有心愿的策略。到目前为止，将防御性 CAF 用作细胞医治策略可能还为时过早，但至多这些生物标志物可能有益于预后诊断。
新发现的 CAF 亚群和生物标志物
表 2 新发现的 CAF 亚群和生物标志物列表
| CAF subsets | Biomarkers | Tumor tissues | Signatures/functions |
|---|---|---|---|
| pan-CAF | CD49e | Ovarian cancer | |
| myCAF | α-SMA^high^IL-6^low^; RGS5 | PDAC; TNBC; 膀胱癌 | 肌成纤维细胞样; 基质沉积； |
| iCAF | α-SMA^low^IL-6^high^; PDGFR; CXCL12; Ly6c1^high^; FBLN1 | PDAC; TNBC; 膀胱癌; ICC | 炎症浸润；趋化因子和细胞因子的分泌；促肿瘤 |
| apCAF | MHC-II 基因; CD74 | PDAC; TNBC; ICC | 抗原呈递；免疫调节 |
| vCAF | MCAM; IL-6 | ICC | 对缺氧的反馈；间充质细胞增殖 |
| mCAF | POSTN; COL5A1 | ECM；胶原纤维组织 | |
| EMT-like CAF | KRT19 | 上皮样 | |
| vCAF | Nidogen-2 | 乳腺癌 | 血管发育; 血管生成 |
| mCAF | Fibulin-1; PDGFRα | ECM and EMT | |
| 发育性 CAF | SCRG1 | 细胞分化；组织的发育和状态产生 | |
| CAF-A | MMP2; DCN; COL1A2 | 结直肠癌 | ECM 重塑 |
| CAF-B | α-SMA; TAGCN; PDGFA | 肌成纤维细胞样 | |
| CAF-cluster2 | CDK1 | TNBC | Cell cycling |
| CAF-cluster3 | CD53 | 肌肉的构造完整性和性能 | |
| CAF-cluster4 | CRABP1 | 基底膜蛋白酶相干 | |
| 免疫调节 CAF | IL-6; IL-10; C1QA/B/C; CFB; CXCL1/2/10/12 | HGSOC | 免疫调节 |
| CAF-S1/S4 | CD29; FAP; α-SMA; FSP1; PDGFRβ; CAV1 | 乳腺癌; 卵巢癌 | 免疫调节；myCAF 和 iCAF |
| CAF-S2/S3 | 非激活 | ||
| CD10+GPR77+ CAFs | CD10; GPR77 | 乳腺癌；肺癌 | 促成癌症造成和化学抗性 |
GPR77 和 CD10 是潜在的靶向生物标志物，因为 CD10+GPR77+ CAF 的浸润表明化疗耐药和生存率低，尤其是在 ER-HER2- 亚型和高级别乳腺肿瘤中。在患者起源的异种移植模型中，阻断 GPR77 能够显着克制肿瘤发生并加强化学敏感性。
只管鉴定的生物标志物不同，但通过 scRNA-seq 在三阴性乳腺癌 (TNBC) 和膀胱尿路上皮癌中证实了 iCAFs 和 myCAFs 的存在。具体而言，CX- 趋化因子配体 12 (CXCL12) 是 TNBC的 iCAFs 的生物标志物。RGS5 和 PDGFR 别离是膀胱肿瘤中 myCAFs 和 iCAFs 的生物标志物。
次要组织相容性复合体 (MHC) II 类家族基因和 CD74 已被鉴定为除 myCAFs 和 iCAFs 之外的另一个 PDAC的 CAF 亚群的生物标志物，称为抗原呈递 CAFs (apCAFs)。ApCAF 通过与 CD4+ T 细胞相互作用施展免疫调节作用 [57]。所有这三个 CAF 亚群和另外三个都在 TNBC 中失去验证。值得注意的是，在失常组织中也发现了 apCAF，表明该表型不是 TME 诱导的。此外，发现 PDGFRα 在 iCAFs 中高表白，而 PDGFRβ 在 myCAFs 中高表白。
最近在人肝内胆管癌 (ICC) 中进行的 scRNA-seq 钻研发现了 五个 CAF 亚群 ：由表白高水平 IL-6 的 MCAM 定义的血管 CAF (vCAF)、由 POSTN 定义的基质 CAF (mCAF)、由 FBLN1 定义的 iCAF、apCAF 由 CD74 定义和由 KRT19 [59] 定义的 EMT 样 CAF。另一项钻研确定了乳腺癌中具备不同生物标志物的三个 CAF 亚群：具备标记物 Nidogen-2 的 vCAF、具备标记物 PDGFRα 的 mCAF 和具备标记物 SCRG-1 的 发育性 CAF。此外，在结直肠肿瘤中检测到两种 CAF 亚群：==CAF-A 表白 ECM 重塑基因 ==，如 MMP2、DCN、COL1A2；==CAF-B，表白肌成纤维细胞标志物 ==，如 α-SMA、TAGLN、PDGFA。PDPN、DCN 和 THY1 是另一组生物标志物，用于对高级别浆液性卵巢癌 (HGSOC) 中的四个 CAF 亚群进行分类。鉴定出高度表白 IL-6/CXCL12 的 免疫调节 CAFs 能够激活肿瘤细胞中的 JAK/STAT 信号传导，就像 iCAFs 一样。
Mechta-Grigoriou 等人通过剖析六种成纤维细胞生物标志物（FAP、α-SMA、β1/CD29、S100A4、PDGFRβ 和 CAV1），表征了乳腺癌、卵巢癌和乳腺癌转移性淋巴结中具备不同个性的 四个 CAF 亚群。鉴定出的 ==CAF-S1 亚群能够促成免疫抑制环境并刺激癌细胞的迁徙 ==。进一步钻研通过 scRNA-seq 将 CAF-S1 子集分为 8 个不同的簇，其中 3 个簇属于 iCAF，另外 5 个簇属于 myCAF [66]。
正如咱们下面总结的那样，曾经发现具备不同生物标志物的 CAF 子集越来越多，它们共存于肿瘤组织中并施展不同的生物学性能。然而，因为不同实验室抉择的组织异质性、不同的分类规范、生物标志物和命名法，== 目前 CAF 亚群的鉴定有些凌乱和穿插 ==。在鉴定的 CAF 亚群中，只管鉴定的生物标志物不同，myCAFs 和 iCAFs 仿佛都在跨器官中普遍存在，这可能是因为组织异质性。此外，已宽泛证实 iCAF 通过分泌趋化因子和细胞因子（如 IL-6 和 CXCL12）促成肿瘤停顿。另一方面，从不同组织中鉴定出的几个 CAF 亚组已被不同的钻研命名为雷同的，例如 vCAFs 和 mCAFs。然而，鉴于它们的生物学性能和生物标志物不同，它们是否属于同一亚组值得进一步探讨。咱们置信，随着对 CAF 异质性的进一步钻研，CAF 生物标志物的抉择和 CAF 亚群的命名将会有一个对立的规范。
随着技术的进一步倒退，咱们置信咱们对 CAF 子集和生物标志物的了解会更加粗浅。CAF 生物标志物可用作临床获益的预后指标和医治靶点。心愿咱们能够通过针对适当的分子将共犯 CAF 逆转为防御者。