综述：癌症中anoikis抵抗的机制

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Reviews on Cancer》：The mechanics of anoikis resistance in cancer

本文系统综述了机械转导在癌症转移中的核心机制，包括整合素-FAK-PI3K/AKT信号轴、YAP/TAZ通路、机械敏感离子通道（如Piezo1）及肌动蛋白-肌球蛋白收缩力在维持细胞锚定依赖性生存中的作用，并探讨了可溶性介质如白藜芦醇通过模拟机械信号激活生存通路的新机制。同时分析了不同肿瘤组织在机械异质性（如ECM硬度、流体剪切应力）下的适应性策略，并批判了现有实验模型在模拟动态机械微环境方面的局限性，提出了整合机械、代谢与免疫调控的联合治疗新思路。

　　在癌症转移过程中，癌细胞展现出了对机械和生化挑战的显著适应能力。这些挑战包括从细胞外基质（ECM）脱离、在循环系统中经历湍流以及最终在远端器官中定植。其中，抵抗“anoikis”（一种由细胞失去与ECM接触而触发的细胞凋亡形式）是这一过程中的关键适应机制之一。在正常情况下，anoikis起到保护作用，消除那些失去适当附着点的细胞，防止其在非原生环境中增殖。然而，恶性细胞通过主动调节的方式规避这一机制，从而得以存活并扩散。尽管已有研究揭示了多个信号通路与机械感应及细胞存活之间的关系，例如整合素介导的PI3K/AKT通路、Hippo-YAP/TAZ通路以及机械敏感离子通道如Piezo1，但这些通路如何在不同癌症类型中相互作用、补偿或分化仍不完全清楚。

癌症细胞对机械刺激的适应性不仅涉及物理环境的改变，还与细胞内部的信号传导和代谢调节密切相关。例如，Hippo-YAP/TAZ通路能够将物理信号转化为基因表达程序，从而调控组织稳态和肿瘤进展。当机械应力或接触抑制发生时，MST1/2和LATS1/2激酶会磷酸化YAP和TAZ，导致其滞留于细胞质并被降解。然而，在机械应力较高的环境中，Hippo信号被抑制，YAP/TAZ能够进入细胞核并与TEAD分子相互作用，驱动与细胞骨架重塑、ECM合成和抗凋亡途径相关的基因表达。这一现象在乳腺癌模型中尤为显著，当细胞生长在刚度≥30 kPa的基质上时，YAP与β-catenin/TCF4协同作用，诱导连接组织生长因子（CTGF）和半胱氨酸丰富的促血管生成诱导蛋白61（CYR61）的表达，从而促进细胞的存活和迁移。这表明整合素信号与致癌信号之间存在协同作用，共同维持癌细胞的生存能力。

YAP/TAZ通路的调控不仅依赖于整合素，还受到上游信号的影响，包括Rho GTPases、PI3K/AKT以及FAK信号。这些信号能够精细调节YAP/TAZ在细胞核中的积累及其转录输出。此外，代谢压力也对YAP的功能产生影响。YAP能够促进抗氧化反应和糖酵解重编程，从而在细胞脱离时维持氧化还原稳态。最近的研究发现，实体瘤的转移可能更多依赖于粘附到悬浮转变因子的表观遗传激活，这些因子通过抑制整合素和ECM基因表达，以及诱导血红蛋白基因表达，使细胞获得对anoikis的抗性，从而实现细胞状态的转换，而不发生细胞系的分化。针对YAP/TAZ的治疗策略仍面临挑战，因为直接抑制YAP-TEAD相互作用可能引发反馈环路和冗余通路，限制其长期疗效。因此，间接策略如靶向上游调控因子（如FAK、Src或染色质修饰蛋白如BRD4）正在被研究，以破坏癌细胞对机械脱离的转录可塑性，从而增强其对凋亡的敏感性。

细胞对机械刺激的反应需要多个相互关联的信号通路的协调作用，包括整合素介导的粘附、机械敏感离子通道、细胞骨架收缩力以及细胞器层面的机械感应。其中，整合素信号在抵抗anoikis中扮演重要角色。整合素是一类由α和β亚基组成的异二聚体跨膜受体，它们通过物理连接ECM与细胞骨架，使细胞能够感知和响应机械信号。整合素不仅促进焦粘连（FA）的组装和细胞骨架的重排，还通过动态招募蛋白，调节FA的成熟和信号活性。例如，质谱分析发现超过200种实验验证的蛋白参与“整合素-粘附复合体”，而超过2400种蛋白则构成“meta-粘附复合体”。这些蛋白包括结构支架蛋白、激酶、磷酸酶、适配蛋白和细胞骨架调节因子，它们的动态招募决定了FA的成熟和信号传导能力。空间和时间上的调控则反映了细胞对机械环境变化的适应性。

整合素信号还能通过激活FAK和PI3K/AKT通路，抑制促凋亡信号，如Bcl-2相关死亡促进蛋白（BAD）。此外，整合素信号通过FOXO和mTOR通路促进细胞存活，调节细胞机械信号。最近的研究发现，GSK3β-FTO-mTORC1轴将FA-整合素信号与代谢适应联系起来，在机械刚度较高的微环境中，β1整合素的结合会抑制GSK3β，从而稳定m6A去甲基酶FTO。FTO通过去甲基化关键mRNA，增强mTORC1通路，从而促进自噬和代谢灵活性。这些通路使癌细胞在脱离时维持ATP生成和氧化还原稳态，特别是在营养缺乏或缺氧条件下。整合素-相关信号中的关键效应因子，如整合素连接激酶（ILK），通过与β1和β3整合素相互作用，将其锚定到细胞骨架中，形成ILK-PINCH-Parvin（IPP）复合体，连接F-actin并协调下游信号，包括AKT、GSK3β和NF-κB。ILK还能通过Snail和Twist的表达调节细胞骨架重排，建立整合素信号与转录可塑性之间的机械联系。在多种肿瘤中，如乳腺癌、结直肠癌和胰腺癌，ILK的高表达与对anoikis的抗性、增强的细胞迁移以及更高的转移潜能相关。

此外，机械敏感离子通道（MSCs）也在癌细胞的机械适应中发挥重要作用。这些通道将机械刺激转化为生物化学信号，调节细胞的存活和迁移能力。在癌细胞转移过程中，MSCs能够感知来自肿瘤微环境（TME）的机械力，如张力或剪切应力，并通过钙离子信号激活生存通路。例如，Piezo1是一种大型三聚体离子通道，它通过钙依赖性途径调节细胞骨架重塑，从而增强癌细胞对anoikis的抗性。在乳腺癌中，Piezo1的激活通过下调E-cadherin和细胞骨架重塑，增强侵袭性。同样，在胃癌、结直肠癌、前列腺癌和黑色素瘤中，Piezo1的高表达与转移潜能相关，并通过激活PI3K-AKT-mTOR通路促进锚定独立的生存能力。此外，Piezo1还能调节细胞内钙离子流动，直接影响线粒体功能和细胞迁移。例如，Piezo1介导的钙离子内流激活钙蛋白酶，该酶能够切割FAK和其他FA组分，促进其周转并增强细胞运动性。钙蛋白酶的激活还能通过切割Bcl2家族成员和调节线粒体外膜通透性，促进对anoikis的抗性。

除了Piezo1，TRPV4、TRPM7和P2X7等机械敏感通道也被发现能够调节癌细胞的机械适应性。TRPV4促进肌动蛋白收缩和跨内皮迁移，而P2X7则通过促进基质降解和内化支持癌细胞的扩散。这些通道的共同作用表明，机械敏感离子通道在癌细胞转移过程中扮演了关键角色。通过这些通道，癌细胞能够感知并响应机械刺激，从而维持其生存能力。

细胞骨架的收缩力和肌动蛋白-肌球蛋白收缩力的重塑也是癌细胞适应机械应力的重要机制。这些收缩力不仅调节细胞的刚度，还影响其对环境机械信号的响应。细胞骨架重排通过ERM蛋白（如Ezrin、Radixin、Moesin）增加膜张力，使细胞能够动态调整形态，迁移并适应环境中的机械信号。膜张力的产生与细胞表面积、粘附或细胞内压力的变化相关，进而重塑细胞膜下的F-actin并调节细胞的突起、粘附和扩散动态。这种双向耦合定义了所谓的“细胞膜张力”，成为机械转导和细胞脱离时生存的关键决定因素。 durotactic迁移依赖于细胞骨架的收缩力和焦粘连的强化，使癌细胞能够感知并响应局部ECM刚度的变化，从而向更硬的微环境迁移，这一现象被称为“机械趋性”。这种生物力学匹配不仅增强了癌细胞在次级位点的生存能力，还促进了其逃离anoikis的能力。

细胞在转移过程中还面临多种非粘附机械力，如剪切应力、压缩力和物理限制。在血液或淋巴系统中，癌细胞暴露于流体剪切应力，这会引发膜变形、细胞骨架张力增加以及氧化应激。机械敏感离子通道，如Piezo1，将这些机械输入转化为钙离子流动，从而激活生存通路并调节细胞骨架动态。剪切应力的激活还与细胞膜下的钙蛋白酶活化有关，后者通过切割FAK和其他FA组分，促进其周转并增强细胞运动性。此外，钙蛋白酶的激活还能通过切割Bcl2家族成员和调节线粒体外膜通透性，促进对anoikis的抗性。这种适应性在转移过程中尤为关键，使癌细胞能够在缺乏经典粘附信号的情况下维持生存。

为了研究癌细胞对机械刺激的反应，科学家们开发了多种实验模型。然而，大多数现有模型在再现肿瘤微环境的复杂性和动态性方面存在局限。许多研究仍然依赖于二维塑料基质或静态三维基质，这些模型未能准确模拟癌细胞在转移过程中经历的异质性机械信号。这些简化模型往往无法再现关键特征，如ECM刚度梯度、限制或流体剪切应力，导致我们对细胞如何整合机械信息以逃避anoikis的理解仍不完整且过于简化。

二维培养系统虽然广泛用于研究细胞脱离，但它们对机械参数的控制有限，无法模拟真实环境中的复杂情况。例如，二维培养通常缺乏对剪切应力或基质张力的精确控制，且会导致细胞异常扩张、过度粘附和失去组织极性，掩盖了关键的机械依赖性反应。相比之下，基于胶原蛋白、Matrigel或合成水凝胶的三维基质模型更接近组织结构，允许对细胞-ECM相互作用进行更现实的评估。然而，这些模型在基质刚度调节、孔隙率或配体密度方面缺乏精确控制。为了解决这一问题，先进的模型采用可调刚度水凝胶或光交联基质，实现ECM刚度的实时调控。这些平台揭示了基质刚度增加如何增强整合素聚集、YAP激活和对anoikis的抗性。尽管这些进展提高了模型的准确性，但大多数系统仍缺乏动态特性，如基质重塑、主动力或方向性剪切，这些特性在体内转移过程中至关重要。

为了更全面地模拟体内环境，研究者们正在转向整合模型，这些模型结合了机械控制、基质复杂性和代谢梯度。共培养系统、器官芯片平台和可调节机械的类器官模型代表了这一方向的重要进展。这些工具不仅有助于研究癌细胞如何抵抗anoikis，还能揭示它们在转移过程中如何在特定生理约束下进行适应性反应。通过这些模型，科学家可以更精确地理解机械信号在不同肿瘤类型中的作用，并探索潜在的治疗策略。

除了机械因素，癌细胞的转移还受到代谢状态的影响。例如，癌细胞在脱离后会经历代谢重编程，以维持能量生产和氧化还原平衡。这一过程部分由YAP/TAZ通路介导，该通路驱动抗氧化酶如SOD2和GCLC的表达，以及代谢调节因子如PGC-1α的表达。此外，自噬，特别是线粒体自噬（mitophagy），在这一适应过程中也发挥重要作用。当基质刚度增加或粘附丧失时，机械调控的自噬有助于维持线粒体质量、蛋白质稳态和能量平衡。这一过程通常依赖于mTORC1信号，而mTORC1本身又受到整合素介导的机械感应和基质刚度的影响。

细胞器层面的机械转导在癌细胞的生存和转移中同样重要。例如，细胞核和线粒体都具有感知机械应力的能力。细胞核通过连接核骨架和细胞骨架的LINC复合体与细胞骨架相连，使外部机械力能够直接传递到核膜和染色质。除了结构上的连接，机械应力还能通过细胞质中的磷脂酶A2（cPLA2）激活脂质信号，例如在细胞核拉伸或肿胀时，cPLA2转移到内核膜并水解磷脂，释放花生四烯酸，从而将核机械与脂质信号和促炎性二十烷酸类物质的产生联系起来。机械变形导致的细胞核变化，如染色质凝聚、核膜破裂、DNA损伤和转录谱改变，是癌细胞在转移过程中维持生存的关键因素。这些机械扰动激活DNA损伤反应（DDR）通路和应激反应转录因子，如ATF3、c-Jun和NRF2，共同协调细胞保护性程序。

线粒体同样对机械刺激敏感。在基质脱离或缺乏时，线粒体稳态受到破坏，表现为能量信号紊乱、活性氧（ROS）增加和细胞骨架锚定的丧失。响应这些变化，脱离的细胞表现出显著的适应性：线粒体网络延长，膜电位变得超极化，氧化磷酸化增强，从而维持ATP生成和缓冲ROS。这一代谢重编程部分由YAP/TAZ通路介导，该通路驱动抗氧化酶的表达，如SOD2和GCLC，以及代谢调节因子如PGC-1α。此外，线粒体自噬在这一适应过程中也起到重要作用，通过清除受损线粒体，维持细胞的代谢稳态。

与此同时，内质网（ER）应激反应也在机械或脱离诱导的适应中发挥作用。激活的未折叠蛋白反应（UPR），包括ATF6和PERK通路，通过诱导分子伴侣和调节氧化应激反应，促进细胞存活。这种应激反应与线粒体和细胞骨架信号传导整合，形成多层级的适应机制。

随着研究的深入，科学家们发现机械微环境在不同肿瘤类型中具有显著的异质性。这种异质性可能成为选择性压力，促进机械适应能力较强的克隆。例如，高度收缩的癌细胞更倾向于定植于较硬的组织，如肺或肝脏，而适应能力较低的细胞则多局限于较软的组织。这种机械记忆的获得使癌细胞能够在脱离刚性基质后仍维持机械激活表型。这一现象最初在干细胞和上皮细胞中被观察到，涉及YAP/TAZ和RUNX2依赖的转录程序以及表观遗传重塑，这些机制调节基因表达，即使在机械刺激消失后仍发挥作用。这种机械记忆的获得，使癌细胞在转移过程中具备更高的生存能力。

此外，机械微环境中的其他因素，如剪切应力、压缩力和物理限制，也对癌细胞的转移能力产生影响。例如，在血液或淋巴系统中，癌细胞暴露于流体剪切应力，这会诱导膜变形、细胞骨架张力增加以及氧化应激。机械敏感离子通道如Piezo1将这些机械输入转化为钙离子流动，从而激活生存通路并调节细胞骨架动态。这种机械转导对于循环肿瘤细胞（CTCs）尤为重要，因为它们必须同时避免anoikis和免疫监视。在实体组织中，癌细胞在密集的基质、基底膜孔隙和内皮连接处经历极端的机械变形，这些变形会诱导细胞骨架机械应力、细胞核变形以及DNA损伤，进而触发凋亡抑制蛋白（如XIAP、cIAP1和cIAP2）的表达，增强对anoikis的抗性。这些机械变形还通过增强RhoA/ROCK信号和NF-kB激活，提高细胞对凋亡的抵抗能力。例如，使用小分子抑制剂JP153抑制FAK-Src轴可以减少细胞骨架张力并增强细胞对凋亡的敏感性，支持靶向这一机械转导通路的治疗潜力。此外，SMAC（第二线粒体衍生的凋亡激活因子）模拟分子（如SMAC/DIABLO）通过结合并中和凋亡抑制蛋白（IAPs），恢复机械应力下的凋亡能力。

在转移过程中，癌细胞不仅要应对机械环境的变化，还需与宿主微环境相互作用。这种相互作用包括与基质成分、免疫细胞和代谢调节因子的交流。例如，癌细胞通过整合素信号和机械敏感离子通道的激活，不仅增强了自身对机械应力的适应性，还可能影响微环境中的其他细胞，如成纤维细胞和内皮细胞，这些细胞在转移过程中也起到重要作用。癌相关成纤维细胞（CAFs）通过重塑ECM，增强其刚度并引导机械信号的传递。巨噬细胞和中性粒细胞释放基质重塑酶，如基质金属蛋白酶（MMPs）、组织金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）以及解整合素金属蛋白酶（ADAMs和ADAMTs），这些酶影响整合素信号和细胞存活。然而，当前的体外模型往往缺乏这些关键的细胞成分，导致对机械转导和细胞存活机制的理解不够全面。

为了克服这些局限，研究领域正朝向更综合的模型发展，这些模型结合了机械控制、基质复杂性和代谢梯度。例如，共培养系统、器官芯片平台和机械调控的类器官模型能够更真实地再现体内环境，为研究癌细胞在转移过程中的适应机制提供新的工具。这些模型不仅有助于研究癌细胞如何机械地抵抗anoikis，还能揭示它们在特定生理条件下如何实现这一过程。通过这些模型，科学家可以更精确地分析机械信号在不同肿瘤类型中的作用，并探索潜在的治疗策略。

综上所述，机械转导和anoikis抵抗不仅是肿瘤进展的副产物，更是癌细胞适应转移过程中机械挑战的核心机制。整合素、Hippo-YAP/TAZ通路、机械敏感离子通道和细胞骨架动态在将机械信号转化为生存信号方面具有密切的关联。此外，一些新兴因子，如Irisin，可能通过连接代谢适应与机械适应，为研究提供了新的视角。理解这些通路在不同肿瘤类型中的相互作用和具体上下文依赖性，对于设计有效的治疗策略至关重要。同时，机械信号在肿瘤免疫逃逸中的作用也日益受到重视。增加的基质刚度和细胞骨架张力能够创造一个免疫抑制性的微环境，限制细胞毒性T细胞的浸润，促进巨噬细胞向M2表型极化，并增强促炎性细胞因子如IL6的释放，进一步强化生存和机械适应性程序。因此，整合生物力学、代谢和免疫调节的干预措施，可能有助于重新编程肿瘤细胞及其微环境，使其对转移的生长更加不友好。