前列腺癌（PCa）作为全球男性第二大常见肿瘤，一旦发展为骨转移死亡率便迅速攀升，难以治愈且预后极差。针对这一现状，本文围绕骨转移微环境这一"土壤"作用，就微环境中成骨细胞与破骨细胞、骨细胞、内皮细胞、脂肪细胞、免疫细胞等促进PCa骨转移的作用机制进行了阐述。
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前列腺癌（PCa）是全球严重危害男性健康的疾病，位居美国男性恶性肿瘤发病率第一位，死亡率居第二位[1]。尽管PCa的发病率很高，但是仅有一小部分发生转移并死亡。局限性PCa的5年存活率接近100%，但是转移性去势抵抗性PCa（mCRPC）有着很高的死亡率。根据美国癌症协会的数据，即使在使用新批准的化疗、内分泌疗法和放射性同位素疗法的情况下，2018年仍有3万人死于mCRPC[2]。国外一项针对19 316例PCa患者的尸检报告表明，90%的mCRPC发生骨转移，即骨转移性去势抵抗性PCa（bmCRPC）[3]会部分出现疼痛骨折、脊髓压迫、骨髓抑制等严重并发症甚至死亡，死亡率高达70%[4]。因此，越来越多的学者将目光集中于PCa骨转移的机制研究，其中"土壤-种子"学说很好地诠释了PCa骨转移的复杂动态演变过程，"种子"即PCa细胞，"土壤"即PCa骨转移微环境。1889年，Paget最早描述了骨的复杂性，并提出某些肿瘤对一定器官有着特殊的嗜好性，这些器官为肿瘤打造了良好的定植环境，最终形成了转移性病变。Paget教授继续指出，尽管许多人研究"种子"，但了解"土壤"也至关重要。因此，我们总结了近些年来国内外有关骨转移骨微环境的研究进展，现介绍如下。
骨骼是一种功能组织，在结构支撑和运动中起着至关重要的作用，它不仅含有造血功能的骨髓，也蕴含着丰富的矿物质以及大量的能量。这些功能是由组成骨组织的多种细胞所形成复杂结构共同实现的。这些细胞中最为人所知的是维持结构完整和骨骼健康的成骨细胞和破骨细胞，以及通过信号通路和激素水平调节骨重塑过程的骨细胞。最近的研究表明，骨髓内皮细胞、脂肪细胞和免疫环境也参与了骨内环境的稳定，但其机制尚不明确。骨骼生理受到严格调控，以满足宿主的各种需求，但疾病和衰老会破坏骨骼内部的微妙平衡，造成结构缺陷，改变骨骼的"土壤"。虽然骨转移在许多实体肿瘤中很常见，但并不是所有的骨都有转移，这说明肿瘤细胞的播散是不明确的，或者不同骨内的"土壤"环境对肿瘤生长的影响是不一样的。例如，转移通常发生在具有丰富的红色骨髓和骨小梁的骨中，如椎骨、肋骨、骨盆和长骨末端，但是很少在手或脚的骨头中发现转移病灶[5]。这种选择性转移的原因目前并不清楚，但是猜测骨小梁的存在、较高的骨周转率和骨转移部位的血管化有助于肿瘤细胞的增殖和生长。
而关于骨微环境的具体组成，我们需提及一个名词—基本多细胞单位（BMUs）。BMUs由成骨细胞、破骨细胞、骨细胞及骨衬细胞（骨内膜细胞）组成，是骨内重要解剖结构，有助于骨内环境稳定。成骨细胞和破骨细胞分别产生骨和吸收骨，在骨恶性循环中起重要作用[6]。骨细胞存在于矿化骨的骨陷窝内，是控制骨重建的机械感觉器[7]。骨衬细胞占所有覆盖骨内膜表面细胞的70%，其功能作用尚未研究透彻。骨微环境还包括脂肪细胞、成纤维细胞、趋化因子配体12（CXCL12）、丰富的网状细胞、软骨细胞、内皮细胞、周细胞和神经细胞，以及造血和间充质干细胞[8]。最后，由无机盐和有机基质组成的骨基质亦是骨的重要组成部分。骨基质不仅为骨驻留细胞提供结构支持，其内还存在大量生长因子，这些生长因子在正常骨转换过程中被释放，并在维持骨功能中发挥作用。这些因素都可以影响转移肿瘤在骨的进展。我们应重视骨微环境中多细胞在PCa骨转移的研究，并就有关研究内容阐述如下。
骨转移的"恶性循环"理论最早由Mundy[9]在1997年提出。在PCa中可以大致地概括为转移性PCa细胞破坏骨中的正常细胞，导致如转化生长因子β（TGF-β）、激活素、成纤维细胞生长因子（FGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）等生长因子释放。这种循环关系增加了骨转移病灶，并最终导致骨折和高钙血症等[6]。
破骨细胞和成骨细胞在骨转移的"恶性循环"中起重要作用。成骨细胞与破骨细胞在正常骨重塑过程中达成一种平衡，一旦这种平衡被破坏易导致骨质疏松症（过多的骨质流失）和骨硬化病（过多的骨质形成）等疾病。破骨细胞是由骨髓来源的单核/巨噬细胞融合形成的大型多核合胞体细胞，其活化需要核因子κ-B配体（RANKL）和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）的受体激活剂，它们主要来源于附近的成骨细胞、骨细胞和免疫细胞[10]。在这需要说明，尽管成骨细胞可以通过RANKL和M-CSF体外刺激成为破骨细胞，但单核细胞和其他髓样前体被认为是更有效的破骨细胞前体[11]。其他因素也可直接或通过邻近细胞间接对RANKL产生激活，来诱导破骨细胞产生和活化。这些因素包括白细胞介素-6（IL-6），可溶性细胞间黏附分子1（ICAM-1），notch配体，IL-11，甲状旁腺激素相关肽（PTHrP）和巨噬细胞刺激蛋白（MSP）[12]。一方面，PCa细胞本身也可以分泌许多这些因子直接促进破骨细胞的产生和骨吸收；另一方面，PCa细胞分泌的RANKL、IL-1、TGF-β等细胞因子可促进成骨细胞的分化成熟，由成骨细胞分泌的RANKL、骨保护素（OPG）进一步间接促进破骨细胞前体分化为成熟的破骨细胞。同时，PCa细胞可分泌RANKL直接促进破骨细胞前体分化为成熟的破骨细胞。而反过来，破骨细胞可分泌OPG、TGF-β促进PCa细胞在骨内的增殖[6]。
成骨细胞起源于骨骼的骨髓基质细胞，先分化为成骨前细胞（成骨细胞前体），分泌包括RANKL这种直接影响破骨细胞形成的因子。在成骨性骨转移中，最重要的因素是骨形态生成蛋白（BMPs）和内皮素-1（ET-1）[13]。BMPs是TGF-β超家族的一种多功能细胞因子，诱导成骨细胞的分化成熟。ET-1主要由内皮细胞分泌，一方面通过G蛋白偶联机制与成骨细胞表面的内皮素受体结合，促进骨形成；另一方面，通过抑制成骨细胞负性调节因子Dickkopf-1（DDK-1）促进成骨细胞分化[14]。最终，骨前细胞分化成成熟的成骨细胞，使骨骼矿化。成骨细胞前体和成骨细胞可以通过表达OPG和肝细胞生长因子（HGF）来促进肿瘤细胞的生长[15]。此外，成骨细胞表达IL-6，可以增加破骨细胞的产生，并驱动肿瘤细胞增殖。成骨细胞还能分泌结缔组织生长因子（CTGF）和TGF-β[16]，两者都能促进PCa细胞生长。除了上述细胞因子直接对PCa细胞转移产生影响外，肿瘤细胞与成骨细胞之间的贴壁连接形成也是肿瘤细胞增殖所必需的，这增加了骨形成过程中细胞因子产生的可能性，从而间接对肿瘤细胞的增殖产生了重要的作用[17]。PCa细胞则是通过直接作用于成骨细胞和通过作用于成骨细胞前体两方面影响成骨细胞的成熟分化[6]。上文已述PTHrP可由PCa细胞产生，其诱导成骨细胞前体分化为成熟的成骨细胞，并与成骨细胞和其他基质细胞表面的甲状腺旁激素受体1结合，诱导成骨细胞和骨基质细胞表达RANKL，降低OPG蛋白表达。除此之外，PCa细胞可分泌IL-6、BMPs、ET-1、FGFs、前列腺酸性磷酸酶（PAP）直接或间接作用于成骨细胞，促进成骨细胞的产生和激活。值得一提的是，PAP在溶骨阶段中起着抑制破骨细胞激活作用[6]。
虽然成骨细胞和破骨细胞在PCa骨转移方面是最具特征性的骨骼细胞，但骨细胞是骨中最丰富的细胞，骨细胞的作用不容忽视，是骨代谢和稳态的主要调节因子，主要通过调节成骨细胞和破骨细胞来调节骨转换。在骨吸收的情况下，骨细胞通过分泌DDK-1抑制成骨细胞的分化[14]。骨细胞还可通过分泌M-CSF和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）来招募破骨细胞前体，这些是骨内RANKL的主要来源[10]。除了上述骨细胞正常生理作用外，有关其在PCa骨转移的贡献仍知之甚少。目前认为，骨细胞可能影响骨转移PCa肿瘤细胞的生长、运动性和存活性。国外一项体外试验通过模拟与骨转移相关的骨内压力升高表明当骨细胞受到静水压力刺激时，骨细胞产生趋化因子（C-C motif）配体-5（CCL-5/RANTES）和基质金属蛋白酶（MMPs），从而提高PCa细胞系的活力和侵袭能力[18]。剪切应力激活的骨细胞同样增加了癌细胞的存活和迁移，尽管这种情况在破骨细胞或内皮细胞存在时发生了逆转，这也表明了骨微环境中所有细胞在肿瘤进展中的作用的重要性[19]。在PCa多发性骨转移中，溶骨性损伤与骨细胞凋亡的增加有关，这可能是由于骨转移瘤细胞与骨细胞之间的紧密相互作用，导致骨细胞凋亡增加以及RANKL和硬化蛋白的表达。关于骨细胞在PCa骨转移相关方面的体内研究并无突破性进展，亟待解决的问题是与肿瘤进展相关的骨骼环境的物理变化如何影响骨细胞功能。骨细胞功能的改变是直接由于机械刺激导致，或是间接受某种信号通路的控制等。
内皮细胞是血液中迁移的肿瘤细胞在特定的靶器官定植的基础。在PCa中，它与肿瘤细胞在骨的归巢息息相关。
内皮细胞作为骨髓基质细胞的一员，它对骨髓造血干细胞起着调节和控制作用。在临床上，我们发现PCa骨转移通常发生在具有丰富的红色骨髓和骨小梁的骨头中，如椎骨、肋骨、骨盆和长骨末端，但是很少在手或脚的骨头中发现转移病灶。以往这些骨血管内的血流动力学和物理属性被认为是肿瘤细胞倾向于这些位置转移的驱动力。然而肿瘤细胞很容易从这些区域的骨血管中释放出来，这并不能完全解释这些区域骨转移发生率增加的原因。国外一项试验[20]发现：在小鼠中，肿瘤细胞在注入动脉循环后不久就在骨骼中聚集，但此后下降，这表明在骨骼微环境中最初定位后，还需要其他因素来维持肿瘤细胞的存活，而骨髓内皮细胞在其中扮演着重要的角色。一项体外实验[21]表明在PCa中，与从真皮或脐静脉中分离出的内皮细胞相比，PCa细胞更容易黏附于骨髓内皮细胞。随后，这项体外试验得出结论：肿瘤细胞在骨骼中的持续滞留涉及肿瘤细胞与骨髓内皮之间的特异性相互作用，如细胞黏附，细胞休眠和血管生成。骨髓内皮细胞表达造血干细胞（HSC）归巢所必需的多种细胞黏附因子，包括选择素（selectins）、半乳糖凝集素-3（galectin-3）、细胞间黏附分子（ICAM）和血管细胞黏附分子（VCAM），这些细胞因子均有利于PCa细胞定植于骨髓。除此之外，骨髓内皮细胞通过增加血管内皮生长因子（VEGF）产生的下游低氧诱导因子-1α（HIF-1α）和PTHrP信号通路，有助于骨转移肿瘤相关血管的生成[22]。除了有助于血管生成，最新研究表明，骨髓内皮细胞是PCa骨病变中成骨细胞的可能前体[23]。在这项研究中，敲除内皮细胞中成骨细胞成熟因子OSX可显著减少肿瘤相关的骨形成。PCa细胞则可通过外泌体分泌特殊物质作用于内皮细胞，从而促进肿瘤转移前微环境的形成[24]。
脂肪细胞是骨骼微环境的重要组成部分，占成年早期骨髓间隙的15%至40%，并随年龄增长高达60%[20]。在成人中，我们把骨髓脂肪细胞分为组成型和调节型。组成型骨髓脂肪细胞是指发育早期，在如手、脚、胫骨远端等部位形成的脂肪细胞，它们构成了被称为黄骨髓的脂肪含量高的骨髓部分。相反，调节脂肪细胞被发现散布在骨髓造血的地区，亦称为红髓，其含量随着年龄的增长和增加。调节型脂肪细胞是PCa骨转移最常发生的部位[20]。目前少有关于骨微环境中骨髓脂肪细胞对PCa骨转移发生发展影响的报导，2010年[25]报道花生四烯酸（AA）可通过诱导骨髓脂肪细胞形成，从而促进PCa的骨转移。但是有关其如何影响转移PCa细胞的定植和生长，我们尚不清楚。据有关乳腺癌等其他易倾向于骨转移的肿瘤来说，脂肪细胞对肿瘤转移的影响往往是通过各种方式改变肿瘤细胞生长的环境。第一点，骨髓脂肪细胞分泌激素、细胞因子、脂肪酸形成适合癌细胞生存的环境[26]；其次，癌细胞可被骨髓脂肪细胞吸引，导致运动性增强[26]；此外，癌细胞与脂肪细胞能够形成更加适合肿瘤生长的慢性炎症环境[20]；最后，脂肪细胞可以干扰局部转移环境中的骨代谢，比如骨髓脂肪细胞通过脂肪细胞来源的RANKL、CXCL1和CXCL2促进破骨细胞的分化和活性，并通过抑制BMP信号通路反过来抑制成骨细胞的分化[20]。最新研究发现[27]，与组成型脂肪细胞相比，聚合酶I和转录释放因子（Ptrf）是调节骨髓脂肪细胞的驱动因素，这同样可能为研究这种特定脂肪细胞群在PCa转移性骨肿瘤生长中的作用打开新的研究思路。
骨髓除了作为人体造血的主要场所，其在全身免疫中亦起着核心作用，而全身免疫与癌症的发展密切相关。不仅如此，骨髓内部存在着独特的局部免疫环境，对肿瘤的骨转移具有重要的意义。相比外周血循环，骨髓中细胞毒性T细胞和自然杀伤（NK）细胞比例低，调节性T细胞（Treg）和骨髓衍生抑制细胞比例高[28]。这种局部免疫抑制环境被认为是维持HSC正常功能的重要环境。但有关骨髓免疫细胞对PCa骨转移的影响研究尚少，多局限于与正常骨骼细胞的相互作用。目前的研究多聚焦于骨巨噬细胞对bmCRPC的影响。
巨噬细胞因其在各种组织的不同形态和功能而命名不同，骨髓中的巨噬细胞可称为骨巨噬细胞，上文提到破骨细胞就是由骨髓来源的单核/巨噬细胞融合形成的大型多核合胞体细胞。巨噬细胞以其可塑性而闻名，并且根据信号调节，可以极化为促炎或抗炎表型。促炎和抗炎巨噬细胞在控制和协调破骨细胞和成骨细胞骨重塑中起着重要作用。例如干扰素-γ（IFN-γ）和IL-12激活的一氧化氮合酶-2（NOS2）和肿瘤坏死因子（TNF）阳性的促炎性巨噬细胞可以促进破骨细胞形成和骨吸收[29]。相反，抗炎巨噬细胞被认为有助于骨骼形成[30]。在bmCRPC患者活检中的最新观察确定了骨巨噬细胞在骨转移中的作用[30]。在肿瘤内高密度检测到CD68阳性巨噬细胞，而在转移性骨肿瘤与骨的交界处发现破骨细胞和骨转移瘤细胞。研究还确定了骨巨噬细胞在bmCRPC肿瘤生长中的因果作用。例如，将PCa细胞接种到巨噬细胞耗竭的MAFIA（巨噬细胞诱导凋亡）小鼠骨髓中，可减少病理性骨溶解。此外，在接种肿瘤之前，使用氯膦酸脂质体消耗巨噬细胞可显著抑制骨转移瘤的生长。骨转移瘤在骨微环境中的作用也被描述，其中CD169阳性肿瘤相关骨转移瘤被发现促进肿瘤诱导的病理骨形成。有趣的是，CD169阴性巨噬细胞已被证明可以促进肿瘤生长[31]，其表型与原发性PCa中发现的CD206阳性抗炎巨噬细胞相似。综上所述，这些研究表明巨噬细胞有助于PCa在骨微环境中的转移和生长。然而，深入研究促炎巨噬细胞和骨转移瘤在这一过程中的确切作用是有必要的。
近年来针对bmCRPC的研究，国内外学者们在骨恶性循环上投入了大量的研究，也取得了卓越的成就。可似乎都停留在如何防治bmCRPC患者出现的一系列骨骼改变的临床症状。我们希望本文能够给出更多的研究思路，使得更加切合患者和医生的利益。内皮细胞通过细胞黏附、细胞休眠和血管生成促成了PCa肿瘤细胞在骨骼中的定植，如果我们能够调节其中的关键因子及通路，是否能够减少bmCRPC的发生发展？免疫细胞中的骨髓巨噬细胞作为破骨细胞的前体，能否给因长期双膦酸盐治疗而产生严重副作用的患者带来新的治疗方式？基于目前对骨髓脂肪细胞的研究甚少，在与PCa骨转移的研究仍是一项空白，探究脂肪细胞因子与bmCRPC的发生发展就显得尤为重要。
综上所述，骨微环境使肿瘤细胞建立了持久的恶性循环条件，但不是单个细胞而是一个多细胞网络在PCa骨转移的发生发展中起着作用。它们与PCa细胞之间有着错综复杂的关系，其中的关系与机制仍具有广泛的研究前景。了解并探究bmCRPC转移机制，对减少或者预防PCa骨转移的发生发展起着重大的作用。目前针对PCa骨转移的治疗标准包括双膦酸盐和RANKL抑制剂，均以阻断破骨细胞功能为主。但是，在PCa骨转移中起着各种作用的细胞及细胞因子，都有可能成为治疗PCa骨转移的潜在靶点，进而为骨转移患者提供新的有效治疗手段。
所有作者均声明不存在利益冲突
