前列腺癌骨轉移機制和骨靶向藥物研究進展

韓焱崧 綜述 任明華 審校

前列腺癌在全球男性癌癥發病率中排名第二,是造成世界男性死亡排名第五的惡性腫瘤[1]。骨是前列腺癌最常見的轉移部位,骨轉移引起的骨相關事件如病理性骨折、脊髓壓迫和疼痛等造成前列腺癌患者預后不良[2]。前列腺癌骨轉移包括定植、休眠、再激活和重建四個過程,目前許多針對前列腺癌骨轉移機制的研究聚焦于癌細胞與腫瘤微環境(Tumor microenvironment,TME)的相互作用[3]。骨微環境中成骨細胞和破骨細胞的相對平衡維持了骨結構完整性。骨細胞、骨髓內皮細胞和骨內免疫環境不同程度參與了骨穩態的調節[4]。研究表明多種細胞因子參與了前列腺癌骨轉移過程。盡管二磷酸鹽、地諾單抗、鐳-223等藥物相繼被批準用于前列腺癌骨轉移的預防和治療,但相關機制和特異性骨靶向治療藥物仍有待繼續探索[5]。

1 前列腺癌骨轉移的機制

1.1 定植

癌細胞通過循環系統進入骨髓腔內的過程稱為定植。骨基質釋放和骨轉換過程中合成的細胞因子促進了前列腺癌細胞在骨中的定植[6]。趨化因子和受體相互作用已被證明在前列腺癌骨轉移中發揮重要作用。骨組織中趨化因子配體12(C-X-C motif chemokine ligand 12,CXCL12)升高和腫瘤轉移有關,CXCL12與趨化因子受體4(C-X-C motif chemokine receptor 4,CXCR4)結合促進前列腺癌細胞的黏附、侵襲和遷移能力[7],CXCR4由前列腺癌細胞表達,與CXCL12結合促進前列腺癌細胞在骨組織定植和沉積[8]。研究發現,在腫瘤相關成纖維細胞(Cancer-associated fibroblasts,CAFs)中敲除雄激素受體(Androgen receptor,AR)信號后,趨化因子配體2(Chemokine ligand 2,CCL2)表達顯著增加,前列腺癌細胞遷移能力得到提升[9]。生長分化因子15通過成骨細胞生成的CCL2和核因子-κB受體活化因子配體(Receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)激活破骨細胞生成,增加成骨細胞功能,促進前列腺癌骨轉移和定植[10]。趨化因子受體CXCR2刺激血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)分泌,促進骨組織中轉移前生態位形成,增強前列腺癌細胞向骨的歸巢效應[11]。整合素受多種細胞因子調節,在改變細胞骨架,增加前列腺癌轉移能力中發揮作用,CXCL16與其特異性受體CXCR6結合后使整合素αvβ3在胞膜前緣聚集,驅使腫瘤細胞骨架動力學發生改變,增加內皮細胞的遷移、侵襲和黏附能力[12]。整合素αv在前列腺癌骨轉移組織中明顯富集,整合素α5在骨轉移腫瘤基質和內皮細胞中特異性表達,而不出現在原發腫瘤中,兩者在原發與骨轉移組織中的異常表達與骨定植表型一致[13]。

1.2 休眠

骨的繼發性腫瘤常來源于進入休眠狀態的彌散性腫瘤細胞,由于細胞處于休眠狀態,往往導致骨轉移癌對常規化療藥物存在耐藥性,阻礙藥物對腫瘤細胞的清除[14]。前列腺癌骨轉移后,成骨細胞附近聚集著休眠狀態的癌細胞,能夠表達高水平的酪氨酸激酶受體,參與調控轉化生長因子β(Transforming growth factor,TGF-β)和其受體的表達[15]。骨髓基質細胞分泌的TGF-β2能上調生長抑制特異性蛋白6(Growth arrest specific protein,GAS protein)表達水平,GAS蛋白通過與AXL特異性結合參與前列腺癌細胞休眠調控,因此特異性阻斷TGF-β信號通路能限制成骨細胞誘導的前列腺癌細胞休眠[15]。骨形態蛋白7(Bone morphogenetic protein 7,BMP7)能激活p38絲裂原活化蛋白激酶和增加細胞周期抑制劑p21以及轉移抑制基因NDRG1的表達,誘導前列腺癌干細胞樣細胞衰老,在前列腺癌休眠和復發中發揮重要作用[16]。研究還發現成骨細胞分泌的RANKL能夠與前列腺癌中高表達的核因子-κB受體活化因子(Receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)特異性結合促進前列腺癌細胞的EMT并且能上調前列腺癌中Wnt信號通路的表達[17]。Wnt/β連環蛋白信號通路與前列腺癌休眠有關,Wnt5α作為該通路中重要一員通過Wnt5α/ROR2/SIAH2信號軸發揮誘導和維持骨內前列腺癌細胞休眠的作用[18]。

1.3 再激活

休眠的前列腺癌細胞由特定的因素激活轉變為活躍增殖狀態。細胞黏附分子、骨微環境中缺氧、血管生成等因素與休眠前列腺癌細胞的重新激活有關[19]。CXCL8能被腫瘤壞死因子α(TNF-α)和IL-1β快速誘導,通過CXCL8/CXCR1和CXCL8/CXCR2軸分別促進腫瘤細胞增殖和血管生成[20]。VEGF與內皮細胞表達的酪氨酸激酶受體VEGFR2結合刺激血管生成,整合素αvβ3能增強此信號通路的表達,進一步刺激下游FAK/SrC/Paxillin信號激活,促進ERK1/2和PI3K通路參與血管形成[21]。此外,研究發現去甲腎上腺素(Norepinephrine,NE)在休眠前列腺癌細胞的重新激活中發揮重要作用。NE通過β2腎上腺素能受體直接刺激前列腺癌細胞增殖,同時還能間接下調GAS6的分泌達到抑制細胞休眠的作用[22]。

1.4 重建

前列腺癌發生骨轉移后重建原有骨骼結構和功能,這一過程改變了破骨細胞吸收和成骨細胞形成之間的平衡,主要表現為成骨細胞病變,在轉移末期加速原始骨損傷,形成膠原纖維隨機排列的編織骨。編織骨基質細胞和骨細胞分泌相關細胞因子進一步促進前列腺癌細胞生長[23]。前列腺癌細胞分泌骨形態發生蛋白4促進骨髓中內皮細胞到成骨細胞的轉化,前列腺特異性抗原(Prostate-specific antigen,PSA)通過裂解甲狀旁腺素相關肽,也能參與成骨細胞形成[24]。成骨細胞中RANKL與破骨細胞前體細胞上的RANK受體結合后促進破骨細胞生成,而成熟的成骨細胞會產生骨保護素(Osteoprotegerin,OPG),與破骨細胞的RANK受體競爭結合RANKL,抑制破骨細胞的成熟[25]。因此,破骨細胞的形成受RANKL和OPG的表達水平共同調節,破骨細胞降解骨基質后釋放TGF-β,TGF-β又通過誘導轉錄因子KLF5(Kruppel like factor)乙?；?激活CXCR4刺激破骨細胞生成引發相關骨轉移病變[26]。整合素αvβ3在前列腺癌細胞和破骨細胞上表達,誘導RANKL表達參與前列腺癌骨轉移和骨吸收。研究發現骨膜蛋白同時在成骨細胞和前列腺癌細胞高表達,成骨細胞來源的骨膜蛋白促進前列腺癌細胞增殖,前列腺癌細胞來源的骨膜蛋白也促進成骨細胞增殖,并且骨膜蛋白通過整合素受體調節前列腺癌和成骨細胞功能[27]。

2 前列腺癌骨轉移的靶向治療

2.1 二磷酸鹽

二磷酸鹽與骨組織具有很高的親和性,唑來膦酸(Zoledronic acid,ZA)是目前最有效的含氮二磷酸鹽,2002年首次被美國食品藥監局批準用于去勢抵抗性前列腺癌(Castration-resistant prostate cancer,CRPC)骨骼相關事件(Skeletal-related events,SREs)的治療[28]。ZA可以減少破骨細胞的數量,也可以抑制更成熟的破骨細胞前體細胞在骨表面的融合,而對成骨細胞的影響很小。在體內外模型中,ZA通過影響細胞凋亡,抑制腫瘤細胞生長、粘附、侵襲和血管生成方面發揮抗腫瘤活性[29]。在Landgraf所在團隊[30]的研究中,對小鼠骨進行人源化處理模擬人體骨微環境后,向小鼠左心室注射前列腺癌細胞模擬骨轉移過程,在第13至14周,ZA對破骨細胞表現出明顯的抑制作用,將初始腫瘤負荷分別降低至0.78和0.87,表現出明顯的治療效果。

2.2 RANKL抑制劑

地諾單抗是一種全人源單克隆抗體,于2011年獲得歐洲和美國批準用于因實體腫瘤如前列腺癌骨轉移引起的高骨折風險病人的骨保護治療[31]。作為一種RANKL抑制劑,地諾單抗能夠在細胞外間隙與RANKL特異性結合,達到抑制RANKL-RANK結合的目的,阻礙破骨細胞功能激活并減少因破骨細胞介導的骨吸收[32]。一項對比地諾單抗和ZA治療前列腺癌骨轉移效果的Meta分析顯示[33],地諾單抗對骨轉移患者疼痛的緩解作用較ZA組更強,并且出現腎損傷的比例低于ZA組,遺憾的是地諾單抗對患者總體生存率無顯著影響。在一項隨機雙盲實驗中[34],對950例和951例CRPC骨轉移患者分別進行地諾單抗(120 mg/4周,皮下注射)和ZA(4 mg/4周,靜脈注射)治療。接受地諾單抗治療患者首次出現SREs的中位時間較ZA組患者平均高出3.6個月,然而地諾單抗組患者發生低鈣血癥的比例(121例,13%)較ZA組(55例,6%)更高,醫務工作者在治療時可以合理使用鈣劑預防相關并發癥的發生。

2.3 放射性核素

2.3.1 鐳-223(Radium-223,223Ra) 223Ra是一種鈣類似物,被成骨細胞通過與鈣相同的途徑吸收到骨中,與骨結合后衰變產生α粒子,使鄰近的腫瘤細胞發生細胞毒性雙鏈斷裂(Cytotoxic double-strand breaks,DSBs),誘導細胞凋亡[35]。在Ⅲ期臨床試驗ALSYMPCA中[36],接受223Ra治療的患者總生存期(Overall survival,OS)較使用安慰劑組患者平均高出3.6個月,此外,223Ra治療組患者SREs顯著減少,表現出更高的生活質量。223Ra是目前發現的唯一能夠提高轉移性去勢抵抗性前列腺癌(metastatic castration-resistant prostate cancer,mCRPC)骨轉移患者OS的骨靶向治療藥物,被美國FDA批準用于治療有骨相關癥狀或局限性骨轉移的mCRPC患者,歐洲藥品管理局EMA也批準了這一治療方案,同意將223Ra用于治療有過兩次mCRPC骨治療或無法接受其他治療方案的骨轉移患者[37]。

2.3.2 鍶-89(Strontium-89,89Sr) 89Sr與223Ra同屬鈣類似物,89Sr吸收入骨后衰變產生的β粒子比α粒子能量更低且輻射范圍更大,這可能使得89Sr對轉移骨腫瘤的破壞作用較223Ra更低,也更易造成正常骨組織的損害[36]。89Sr和ZA聯合治療目前已被廣泛用于肺癌的骨轉移。研究發現兩藥聯合能提高患者一年生存率,延緩SREs發生[38]。近年也有研究發現89Sr和ZA合用對前列腺癌骨轉移引起的疼痛能起到姑息治療的效果[39]。然而所有結論均不能證明單獨使用89Sr能使腫瘤晚期骨轉移患者OS和SREs獲益,89Sr在CRPC骨轉移的研究仍然不多,需要研究者進一步探索。

2.3.3 釤-153(Samarium-153,153Sm) 153Sm產生β粒子,常與乙二胺四甲基磷酸偶聯,融入骨腔后照射在骨內定植的前列腺癌細胞上,可以迅速緩解疼痛,半衰期為1.9天,但單獨使用時不影響患者OS[40]。

2.4 酪氨酸激酶抑制劑

卡博替尼是一種酪氨酸激酶抑制劑,通過抑制人體破骨細胞分化和破骨細胞介導的骨吸收,并促進成骨細胞在體外產生OPG,調節破骨和成骨細胞功能[41]。一項Ⅱ期臨床隨機試驗[42]在多個類型腫瘤并發骨轉移的患者中驗證卡博替尼對骨轉移瘤的治療效果,發現接受卡博替尼治療的患者中,前列腺癌骨轉移患者的疾病無進展生存(Progression free survival,PFS)在所有類型骨轉移瘤中表現出最大的獲益率。在一項包含22例接受卡博替尼治療的mCRPC骨轉移患者的臨床試驗[43]中,超過三分之一的患者骨掃描結果發生明顯變化,取得了積極的治療效果。目前尚未有研究證明卡博替尼能夠對前列腺癌骨轉移患者OS有明顯改善,但卡博替尼在前列腺癌骨轉移骨重建中表現出顯著的治療效果,提示其仍具有積極的治療前景。

2.5 整合素靶向藥物

整合素家族在前列腺癌骨轉移過程中發揮重要作用,為前列腺癌骨轉移提供了治療思路。Paindelli團隊[44]在最近的研究發現,在前列腺癌PC3細胞系中,靶向抑制整合素β1聯合223Ra能夠降低PC3細胞有絲分裂指數。在前列腺癌骨轉移小鼠模型中,靶向抑制整合素β1聯合223Ra治療降低了小鼠骨組織中PC3細胞的生長,顯著提高了小鼠總生存率。研究發現,樹枝狀雷帕霉素聚合物通過靶向結合整合素αvβ3,有效減少前列腺癌細胞的轉移能力[45]。目前整合素抑制劑和靶向結合整合素的藥物給前列腺癌骨轉移的治療提供了思路,然而需要更多的試驗驗證其有效性。

3 小結與展望

骨微環境和前列腺癌中多種細胞因子和通路通過復雜的作用機制在前列腺癌骨轉移相關的定植、休眠、再激活以及骨結構重建過程發揮作用。抑制破骨細胞活性的二磷酸鹽,RANKL抑制劑地諾單抗,放射性核素治療的使用為前列腺癌骨轉移的治療提供了選擇。此外,酪氨酸激酶抑制劑,整合素靶向藥物在臨床前實驗表現出良好的治療前景。針對相關機制中有效的生物標記物探索特異性強、靶向性高的骨靶向藥物為前列腺癌骨轉移的治療提供了新的思路。