癌病變（4）：淺談腫瘤微環境與抗癌藥物的療效

文：張國柱（Chang，KC）

        台大退休教授

 

日期：2023/03/29

 

固態腫瘤（solid tumor）是個非常複雜的組織，含有癌細胞及各式各樣的基質細胞（stromal cells），如纖維母細胞、免疫細胞、炎症細胞。胞外基質（extracellular matrix，ECM）瀰漫整個腫瘤組織，提供腫瘤架構的支撐和完整性，並具有生化訊息傳遞（signal transduction）的功能。腫瘤不受約束地成長能夠在其內部及周邊組織累積足夠的壓縮力（compressive forces），壓縮腫瘤內部的血管及淋巴管，並誘發結締組織增生性反應（desmoplastic reaction），導致ECM 的過度生成。當直接作用於癌細胞，這些壓縮力可抑制癌細胞的增殖、誘發細胞凋亡（apoptosis）和增加癌細胞的侵襲性。因此腫瘤微環境（tumor microenvironment，TME）的物性（physical property）對癌細胞的行為及抗癌藥物的療效，影響巨大。

 

腫瘤微環境的物理特性

TME的重要物性包括：固態腫瘤所具有的高血管滲透性、高固態應力（solid stress）/血管壓縮、高 ECM 密度，及由此所導致的高組織間隙壓（interstitial fluid pressure，IFP）和低灌流（hypoperfusion）。

 

腫瘤含有異常、高滲透性的血管床，使得血漿從血管滲出進入腫瘤組織間隙，但卻無法經由失能的淋巴系統移除，這將導致滲液累積在組織間隙。此外密集的 ECM 阻止了組織間隙液從腫瘤滲入周邊的正常組織，因此累積在組織間隙的液體將增加腫瘤內之血管外靜水壓，也就是IFP。血漿的滲出伴隨腫瘤固態應力（附錄一）和腫瘤流體應力（附錄二）對血管的壓縮，降低了血管內的血流，造成腫瘤低灌流。高 IFP 及低灌流是阻礙抗癌藥物經由血管系統或組織間隙送達標的腫瘤，造成抗癌藥物阻性的原因。因此藉由腫瘤血管及微環境的正常化，降低流體壓、固態應力所造成的抗藥屏障，改善藥物傳遞，可為抗癌療效帶來更好的成果。

 

TME 阻礙藥物傳遞的途徑

能夠達到臨床要求的抗癌藥物，在培養盤實驗都有足夠的能力殺死癌細胞。然而臨床試驗的失敗幾乎都可歸因於異常的 TME 限制了足夠量的抗癌藥物傳遞至固態腫瘤細胞。TME阻礙藥物傳遞的途徑包括：（1）腫瘤血管因壓縮、高滲透性、異常的形態學和組織結構而有不良的灌流，限制了藥物經由血管的運送；（2）血管的高滲透性、緻密的 ECM、失能的淋巴管所產生均勻的、高的IFP，抑制了跨血管和間隙的對流運送；（3）緻密的 ECM 阻礙了巨分子和奈米粒子的擴散，限制了它們穿透腫瘤組織間隙而無法達成均勻的藥物分布；（4）腫瘤周圍的 IFP 梯度能夠將藥物從腫瘤沖走。因此 TME 阻礙了抗癌藥物經由血管系統送達腫瘤位置、經由腫瘤血管移到組織間隙、經由穿透腫瘤間質到達癌細胞，造成失敗的治療結果。

 

TME 的改造與藥物療效的提升

鑑於腫瘤內固態應力及流體應力阻礙了藥物運送而削弱其效力，那麼改造 TME 使之正常化的策略應可增進抗癌藥物的療效。抗癌藥物療效的提升可透過如下之方法達成：（1）正常化腫瘤血管的策略，修復腫瘤血管異常的滲透性和形態結構，改善血管網絡的功能。（2）削減腫瘤應力的策略，攻擊基質的組成（如腫瘤 ECM、膠原蛋白、HA、CAFs），去除對腫瘤血管的壓縮。（3）以上兩個策略的組合。換句話說就是藉由改善腫瘤灌流、減低 IFP以增加跨血管和組織間隙的藥物傳遞、降低藥物從腫瘤沖刷到鄰近的正常組織，達到提高抗癌藥物的療效。

 

註：HA（hyaluronan）= 組織透明質酸；CAFs（cancer-associated fibroblasts）= 癌相關纖維母細胞

  

（一）正常化腫瘤血管的策略：抗血管新生藥物的作用

臨床研究顯示抗血管新生的藥物能夠正常化腫瘤血管，使病人得到較好的療效。所用的藥物包括阻斷 VEGF-A 的 bevacizumab（Avastin），可用於治療大腸直腸癌；抑制三種 VEGF 受體（VEGFR-1、-2、-3）的 cediranib，可用於治療復發或新近診斷的膠質母細胞瘤（glioblastma）。這個策略主要的挑戰在於如何對每位病人調整所需的劑量，使其能夠增加腫瘤灌流和氧量。

 

註：VEGF (vascular endothelial growth factor) = 血管内皮生長因子

 

（二）減輕腫瘤應力的策略：抗高血壓藥物的作用

藉由降低緻密基質纖維而減緩應力的策略有多重好處，包括：灌流塌陷的血管以恢復腫瘤血流、降低 IFP 以改善藥物進入腫瘤血管外的空間。有趣的是用於治療高血壓藥物的losartan，一種血管收縮素受體阻斷劑（angiotensin receptor blockers，ARBs），能夠藉由降低TGF-β 和其他纖維化訊息分子的基質表現而降低膠原蛋白，改善奈米醫藥的效力。Losartan 能夠降低膠原蛋白、HA、和基質母纖維的含量，顯著改善鼠科乳癌、胰臟癌的腫瘤灌流。隨後發現其他的 ARBs 和血管收縮素轉換酶抑制劑（angiotensin-converting enzyme inhibitors，ACEIs）也能夠緩解腫瘤應力。此外某些抗纖維的藥物（antifibrotic drugs），如 tranilast 和pirfenidone，亦有類似 losartan 緩解腫瘤應力的效果。

 

此外腫瘤流體剪應力（shear stress）和固態應力能夠上調上皮細胞間質轉化（epithelial–mesenchymal transition，EMT）和自噬（autophagy)，誘發免疫脱逃（immune evasion）。因此以腫瘤力學應力為治療標的，應可降低 EMT 和自噬，增強免疫療法之效力。

 

（三）增強腫瘤灌流的策略：運動的作用

許多前置臨床的報告指出：持續性運動能夠增加腫瘤的灌流和血管的成熟發育，這些結果與改善藥物運送和化療響應相關聯。運動過程中，管壁剪應力的增加伴隨增加的血流速率可活化TSP1 訊息路徑。TSP1 與 VEGF 結合可限制 VEGF 的生體利用率（bioavailability）；此外 TSP1 與 CD36 受體結合可抑制内皮細胞的增殖。VEGF 活性的下降結合運動所調控剪應力的增加，可導致更成熟的血管系統和較高的全面性灌流。運動的優勢是它對灌流的效果屬於長期、持續性，相反地，抗血管新生藥物的時效卻是短暫且受限制而難以斷定。

 

註：TSP1 = NFATC1-thrombospondin 1；NFATC1 = calcineurin-nuclear factor of activated T cells，cytoplasmic 1

 

結語

固態腫瘤成長過程所形成的物理特性能夠導致 TME 的異常。腫瘤的物理特性包括：高血管滲透性、高固態應力/血管壓縮、高 ECM 密度。腫瘤的高血管滲透性、高固態應力/血管壓縮可降低腫瘤的灌流和提高 IFP；此外高密度的 ECM 所導致腫瘤硬度的提高亦可增加 IFP。腫瘤低灌流和高 IFP 形成了抗癌藥物運送的主要屏障，降低了抗癌藥物送達癌細胞的劑量與效力。因此藉由改造腫瘤物理力學的微環境（正常化腫瘤血管系統、減量 ECM 以減輕腫瘤應力），可為癌病治療帶來新的改善機會。臨床研究顯示：阻斷 VEGF-A 的 bevacizumab 和抑制三種 VEGFR 的 cediranib，除了可降低血管新生，亦可正常化腫瘤血管，增加腫瘤灌流和氧量。有趣的是持續性的運動能夠限制 VEGF 的生體利用率和抑制内皮細胞的增殖，增加腫瘤灌流與血管的成熟發育，改善藥物運送和化療響應。此外用於治療高血壓的 ARBs 和 ACEIs 能夠降低膠原蛋白、HA、和基質母纖維，緩解腫瘤應力。腫瘤應力的緩解亦可降低 EMT 和自噬，抑制免疫脱逃、增強免疫療法之效力。然而運用這些策略以強化藥物送達原發性腫瘤（primary tumor）所帶來改善抗癌療效的方法，是否可以延伸到轉移性腫瘤（metastatic tumor），依然是有待進一步的觀察與驗證。

 

附錄（一）

腫瘤固態力學（The solid mechanics of tumor）

固態應力是腫瘤固態相（solid phase）的力學應力，可分為次細胞層面、細胞層面和組織層面。以組織層面來說，固態應力取決於：

 

（1）腫瘤及宿主組織的力學特性，如彈性模數（elastic modulus）或硬度（stiffness）。腫瘤及宿主組織的力學特性決定了正在成長的腫瘤如何取代宿主的組織，以及相反地，宿主組織如何限制腫瘤的成長。

 

（2）基質細胞的活化狀態，如纖維母細胞轉變成癌相關纖維母細胞（cancer-associated fibroblasts，CAFs）。CAFs 能夠產生大量的 ECM，並可重塑 ECM 纖維，使得腫瘤變得更為僵硬。此外膠原蛋白纖維強烈地限制了伸展負荷（tensile loads），限制結節腫瘤的擴大。

 

（3）組織透明質酸（hyaluronan，HA）和硫酸醣胺聚醣（sulfated glycosaminoglycans，sGAGs）之含量。HA 是一種凝膠狀的基質，可阻止結節腫瘤的陷縮。由於具有高度的負電荷，HA 和 sGAGs 可羅致水分造成水腫，並對周遭的細胞和基質施加額外的力，使得腫瘤更加硬化。

 

固態應力可直接壓縮癌細胞和基質細胞、間接壓縮血管和淋巴管，影響腫瘤生物學。直接壓縮癌細胞可改變特定基因的表現，增加癌細胞的侵襲和轉移的潛能；亦可降低癌細胞的增殖率和誘發細胞凋亡。壓縮纖維母細胞可造成它們的變形而轉變成 CAFs，製造更多的基質而導致腫瘤硬度的增加。證據顯示 CAFs 亦有調控癌細胞侵襲周邊正常組織的能力。除了這些直接效應之外，固態應力間接壓縮血管和淋巴管可造成 IFP 的增加，降低腫瘤灌流，產生缺氧和酸化的TME，有利於腫瘤的進展（tumor progression）。

 

由於固態應力和血管壓縮造成的低灌流和高 IFP 能夠導致抗癌藥物的阻性，那麼基於血管壓縮是可逆的假說，減輕固態應力有助於改善腫瘤灌流與供氧，為癌病藥物治療帶來新的改善機會。因此消除癌細胞、CAFs、膠原蛋白和 HA 等腫瘤結構組成，應足以降低固態應力，改善腫瘤灌流。有趣的是腫瘤灌流的改善，可減少腫瘤發展過程中累積固態應力所導致腫瘤體積的增加。再者，利用藥物將 CAFs 消除或去活化對血管内徑及腫瘤灌流也能得到相似的結果。由此可知：固態應力與腫瘤灌流的改善、HA 和 ECM 含量的降低、膠原蛋白對血管壓縮的移除，呈負相關。

 

附錄（二）

腫瘤流體力學（The fluid mechanics of tumor）

流體壓（fluid pressure）是流體的等向性應力（isotropic stress）；間隙流（interstitial flow）則由腫瘤間隙之壓力梯度所驅動。腫瘤血管系統的異常可以改變血壓和血流的型態，使血流從血管內腔改道至組織間隙，造成低灌流和缺氧。腫瘤的成長曾經歷最初的無血管期，此時氧的供應不足以持續癌細胞的增殖。TME 的缺氧可以刺激癌細胞高度表現促血管生成因子（proangiogenic factors），例如血管内皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、血小板衍生生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF）和血管生成素-2（angiopoietin-2，Ang-2）。腫瘤之内、腫瘤與宿主組織之間的血管生成因子梯度能夠形成新而結構異常的血管，其特徵是大的跨内皮（transendothelial）和内皮間（interedothelial）孔洞、鬆散的基底膜、減低的外被細胞覆蓋。這些特徵使得腫瘤血管具高滲透性，增強血漿從血管流失進入組織間隙。

 

腫瘤内淋巴管因失落或塌陷而失去引流的功能，使得累積的組織滲液均勻地提升了腫瘤内間隙的流體壓，創造了另一個藥物傳遞的屏障。此外血漿的流失增加了血管內紅血球的濃度，導致黏滯度的增加而阻礙血液的流動，降低腫瘤血管的壓力梯度而造成低灌流。另一方面，腫瘤血管系統亦有大尺度的異常結構：這些新生的血管缺乏階層構造，容易被壓縮、甚或塌陷，形成血管分流，造成血流的幾何阻性，排除了下游血管的血液供應，產生腫瘤的無血管區或低灌流區。有趣的是整個血管網路結構取決於癌細胞生長的微環境。對腫瘤血流而言，黏滯阻性和幾何阻性造成這些微小血管的流速通常都 < 1 mm s^-1，低於正常組織細動脈和細靜脈的流速約一個量級的尺度，而且跟血管内徑的大小無關。