随着肿瘤细胞异质性的研究不断深入，近年来该领域的研究成果呈现爆发式增长。《自然》杂志近期刊登了对于肿瘤细胞异质性的专题报道，在肿瘤细胞可塑性、肿瘤微环境及细胞异质性的临床应用等若干方面做了总结。

肿瘤异质性是 恶性肿瘤的特征之一，是指肿瘤在生长过程中，经过多次分裂增殖，其子细胞呈现出分子生物学或基因方面的改变，从而使肿瘤的生长速度、侵袭能力、对药物的敏 感性、预后等各方面产生差异。简单点说就是同一肿瘤中可以存在有很多不同的基因型或者亚型的细胞。因此同一种肿瘤在不同的个体身上可表现出不一样的治疗效 果及预后，甚至同一个体身上的肿瘤细胞也存在不同的特性和差异。

早在1976年，宾夕法尼亚大学的Peter Nowell就提出了肿瘤异质性起源的“克隆演化”理论，他认为连续多轮克隆选择是导致肿瘤基因及其他分子变异的根本原因。

肿瘤异质性包括两个方面，肿瘤间异质性和肿瘤内异质性，前者系同一种肿瘤在不同病人之间的基因与表型不同，后者则是同一个患者同一肿瘤内的基因与表型不同。就肿瘤内异质性而言，细胞所在的不同区域，及生长阶段的不同，也会导致空间异质性和时间异质性。

肿瘤异质性的基因结构与形态表现取决于遗传与环境的相互作用，肿瘤异质性的本质在于“外因”（环境）对“内因”（基因）的定型与重塑。

尽管大多数肿 瘤是单克隆起源，但维持正常祖细胞克隆进化的机制在肿瘤中似乎并没有完全发挥作用。在大量肿瘤的内部可以观察到增殖能力的差异、细胞凋亡的失衡、肿瘤形态 学的不同及基因组不稳定性等现象，这都提示肿瘤演进过程中瘤内异质性的存在。针对同一肿瘤的更多的部位进行活检及深度测序，结果显示出越来越多的基因水平 异质性。而瘤内异质性所产生的临床问题在于，如何选择预后或治疗相关的分子指标，后者可能因为取材位置的不同出现不同的结果。遗传异质性是决定表型差异的 重要因素，它所强调的多样性对研究个体肿瘤发展史、降低抗药性及实现真正意义上的个体化治疗有着重要的意义。

与利用几个特 定的遗传学事件诱导形成的实验性肿瘤不同，自发性肿瘤的产生类似于达尔文式的复杂进化过程。经过无数次的增殖， 初始的转化细胞才能形成镜下可见的肿瘤， 而这一过程中的突变率也随之增加， 肿瘤随即获得基因组不稳定性，产生不同分化的亚克隆。关于肿瘤异质性目前至少有两种模型来解释：克隆进化模型和肿瘤干细胞模型。克隆进化模式认为，肿瘤细 胞在增殖能力和表型上存在异质性，起源于单个细胞的肿瘤细胞群在发展的过程中继续发生突变， 造成肿瘤细胞遗传水平和表型上的多样性和异质性。而肿瘤干细胞模型则认为，肿瘤实际上是由一小群具有无限自我更新能力的干细胞样细胞及其产生的分化程度不 均的细胞团组成，这群干细胞样的细胞被称为肿瘤干细胞(Cancer stem cell，CSC)。癌症干细胞模式一直以来被认为是导致表型与功能异质性、产生肿瘤多样性的重要机制。近来的研究者们已经开始注意到了其中的复杂性：同 一类型肿瘤的不同个体之间 CSC 的表型存在巨大的差异，或者一个肿瘤内部可能携带多个表型或基因型明显不同的CSC。

克隆进化模型 与肿瘤干细胞模式并不互相排斥，二者可能同时存在于癌症发生过程中， 例如白血病干细胞， 通过克隆进化产生许多遗传背景不一的肿瘤细胞；另一方面， 当突变赋予了肿瘤细胞更强的侵袭和增殖能力时， 新的肿瘤干细胞就会产生。因此肿瘤在演进过程中，可能包含了多个 CSC 群体，只有针对所有 CSC 亚群进行治疗才可能预防肿瘤的复发。

根据传统的肿瘤进化模式， 组织构型所形成的屏障是癌症演进过程中最大的进化瓶颈; 因此获得转移能力被认为是肿瘤进展的最后一步， 在这一模式下，转移灶肿瘤细胞应该与原发灶细胞的基因大致相似。很多研究也支持二者之间肿瘤细胞的遗传组成是比较接近的。与之相似的是，基因表达谱分析也 提示两者之间密切相关，原发灶和转移灶肿瘤细胞产生高度遗传差异的可能性并不大。从肿瘤进化的线性模式预测也提示，不同转移灶之间可能具有很近的克隆相关 性。

近来一项有关前列腺癌不同转移灶克隆关系的研究也支持上述推 论，即同一患者的不同转移灶都显示了很近的克隆关系， 即肿瘤的单克隆性。该研究的组织标本来自于29例前列腺癌患者。与转移灶的单克隆性相比，前列腺癌的原发灶存在大量的瘤内异质性。虽然原发灶与转移灶的肿 瘤细胞之间具有相近的遗传学关联， 但转移灶中还是存在一些额外的突变。原发灶与转移灶肿瘤细胞不同的突变， 提示两者之间存在一定的遗传多样性，且这种多样性还会随着时间的推移而进化。最近一项针对乳腺浸润性小叶癌原发灶与转移灶的单核苷酸水平的研究提示，在转 移灶中存在的突变，转移位点越多突变量越大。

转移灶肿瘤细胞的来源除了原发灶与转移灶之间的克隆相关性之 外，仍有待解决的是在进展过程中肿瘤何时获得转移特性。目前有两种假设模型：一种是传统的逐步演进模式，也就是说转移发生在肿瘤进展的后期，一般是指在临 床上可以诊断肿瘤进展的阶段。例如， 胰腺癌的发生可能需要20 年，而初始肿瘤细胞的遗传学改变是一致的， 转移则一般出现在后 3 年中。另一种是平行演进模式， 肿瘤细胞播散发生在进展的早期， 二者之间存在平行的进化关系。循环肿瘤细胞(Circulating tumor cells， CTCs)为研究肿瘤的克隆进化以及肿瘤原发灶、转移灶之间的关系提供了重要的材料。正常情况下，外周血、骨髓以及淋巴结中不含有上皮来源的细胞， 因此可以通过上皮特异性标记物角蛋白和上皮细胞粘附因子检测循环肿瘤细胞。基于 PCR 的基因组扩增的单个肿瘤细胞分析技术， Klein 及其同事证实，乳腺癌发生的早期阶段患者循环系统中就存在 CTCs。淋巴结转移灶及循环肿瘤细胞与原发灶之间的遗传多样性提示，微环境特异性的选择压力产生了平行进化关系。虽然肿瘤细胞早期可以获得转移潜能，但 只有积累足够数量的癌性突变后才能真正在转移部位形成二次肿瘤。

一般来说，肿瘤的发生过程与实质细胞本身的多重遗传改变有关， 并被视为一个多步骤的过程。实质细胞在经历特定的遗传改变后才具有致癌性和转移性，除去基因组改变的影响以外，肿瘤间质微环境与肿瘤发生，发展及转移的过 程也密切相关。瘤间质（Tumor stroma）包括：细胞外基质（extracellular matrix，ECM）、不同类型的细胞如炎症细胞、血管平滑肌细胞、内皮细胞周细胞和成纤维细胞等。

在实体肿瘤的微环境中，成纤维细胞是最丰富的一类细胞，尤其是 在乳腺癌、胰腺癌、结肠癌和前列腺癌中。在肿瘤微环境中，成纤维细胞获得一种活化表型，表现为丧失原有的长梭形，并能分泌大量生长因子如血管内皮生长因子 VEGF、转化生长因子TGF、肝细胞生长因子HGF等。这种活化的成纤维细胞也被称为癌相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblast，CAF），后者可以促进肿瘤的生长和扩散，并通过其产生的多种生长因子和趋化因子影响肿瘤细胞的各个方面。

成纤维细胞与肿瘤微环境中其他部分间的多种交联表明，该类细胞 在介导直接促癌作用、调节肿瘤发展，以及促血管生成和调控免疫信号等方面起核心作用。以成纤维细胞为靶向的肿瘤治疗旨在对成纤维细胞进行特异性生物学干 预，抑制其在肿瘤发生发展各方面的介导作用。但是，鉴于成纤维细胞的多样性和异质性，这种靶向治疗的实施异常困难。成纤维细胞靶向的抗肿瘤方法，除了具有 干扰肿瘤进展和转移的潜力外，还可用以克服CAF介导的抗VEGF型肿瘤细胞的耐药性。如，在肿瘤模型中表达IL-12的间充质干细胞（Mesenchymal stem cells，MSCs）能够抑制肾细胞癌和黑色素瘤的生长；抗FAP的DNA疫苗能抑制鼠结肠癌和乳腺癌细胞的生长及转移。此外，CAF的减少能增加化疗药物的摄取，因此能提高肿瘤化疗的效果。

在肿瘤微环境中，免疫细胞及相关细胞因子在肿瘤发生和发展过程中同样发挥着重要作用。CD4+T细胞是效应T细胞的重要成分，在免疫调节中发挥关键作用。根据所产生的细胞因子和效应细胞的生物功能特征，可将CD4+T细胞分为Th1、Th2、Treg和Th17等亚群。其中，Th17细胞以分泌浸润性细胞因子IL-17为主要特征，并通过IL-17上调其他相关因子来调控浸润性的微环境，介导炎症、自身免疫和肿瘤等多种疾病的发生。肿瘤细胞、纤维母细胞和抗原提呈细胞等分泌的一系列细胞因子TGF-β、IL-6、IL-23、IL-1β、IL-21，可形成一个效应因子网络系统，调节Th17细胞的分化与增殖，进而影响肿瘤的发生、发展和转移。

受肿瘤微环境的影响，外周血单核细胞穿过血管内皮浸润到肿瘤组织，在肿瘤细胞及其微环境的影响下分化成为肿瘤相关巨噬细胞TAMs。体外实验发现，肿瘤细胞培养上清液可以诱导健康志愿者的单核细胞成熟并分化为倾向于M2表型的TAMs。TAMs在肿瘤间质细胞中占有相当大的比例，它们大部分由外周血单核细胞迁移、分化，并在肿瘤细胞及其微环境的影响下发育而成。TAMs可以分泌多种生长因子、细胞因子、免疫抑制介质和蛋白水解酶以促进肿瘤的进展和转移。

应当指出的是，现有的诊疗标准由少数几个成功案例所形成，患者经一次肿瘤组织活检以后再次进行活检基本不属于常规做法，无论是否存在疾病进展，目前非小细胞肺癌患者进行两次以上活检代表着未来治疗的目标。

以肾癌为例，在《新英格兰医学》杂志发表的文章中，Gerlinger及其同事首先获得了4 例治疗前后的肾癌患者原发灶及转移灶中多个位点的样本。在同一患者的不同取材位点中，有2/3 以上的突变是不一致的。“预后良好”基因谱与“预后不良”基因谱可以出现在同一肿瘤的不同位点。根据这些针对同一患者的多个肿瘤位点进行基因组水平的独立测序结果，可构建肿瘤的进化分支。该研究另一个重要的发现在于，不同位点的肿瘤携带了相同基因的不同突变（所谓的趋同进化)，包括SETD2、PTEN和KDM5C基因。发生在同一基因中不同的突变可能产生不同的生物学效应，在表观遗传学水平和信号传导水平的变化可能对肿瘤生存起到关键性作用，而发生在初始肿瘤细胞中的“驱动性”基因改变，在肿瘤演进的各个阶段均表达(例如肾癌中的von Hippel–Lindau基因)。此外，在肿瘤发展过程中，一些基因会被激活，同时也会灭活一些基因，这些基因受趋同进化的影响可能为肿瘤细胞的演进提供有力的功能支持。

（作者：李秋实、刘荣军）

参考文献：《Nature》2013;501:328-337

《Nature》2013;501:346-454

《Nature》2013;501:355-364