第四节 肿瘤的生长与扩散

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具有局部浸润和远处转移能力是恶性肿瘤细胞特有的性质。并且是恶性肿瘤威胁病人健康与生命的主要原因。因此对肿瘤生长与扩散的研究已成为肿瘤病理学的重要内容。

一、肿瘤生长的生物学

典型的恶性肿瘤的自然生长史可以分成几个阶段:细胞的恶性转化→转化细胞的克隆性增生→局部浸润→远处转移。在此过程中,恶性转化细胞的内在特点(如肿瘤细胞倍增时间)和宿主对肿瘤细胞或其产物的反应(如肿瘤血管形成)共同影响肿瘤的生长与演进。

1.肿瘤生长动力学肿瘤的生长速度取决于三个因素:

(1)肿瘤细胞倍增时间:恶性转化细胞的生长周期与正常细胞一样,分为G0、G1、S、G2和M期。多数恶性肿瘤细胞的培增时间并不是想象的那样比正常细胞更快,而是与正常细胞相似或者长于正常细胞。

(2)生长分数(growth fraction);生长分数指肿瘤细胞群体中处于复制阶段(S+G2期)的细胞的比例。在细胞恶性转化的初期,绝大多数的细胞处于复制期,所以生长分数很高。但是随着肿瘤的持续生长,不断有瘤细胞发生分化,离开复制阶段的细胞越来越多,使得大多数肿瘤细胞处于G0期。即使是生长迅速的肿瘤其生长分数也只在20%左右。

(3)瘤细胞的生成与丢失:肿瘤的进行性生长及其生长速度决定于其细胞的生成大于丢失的程度。由于营养供应不足,坏死脱落以及机体抗肿瘤反应等因素的影响,在肿瘤生长过程中,有相当一部分瘤细胞失去生命力。肿瘤细胞的生成与丢失的程度共同影响着肿瘤的生长。在生长分数相对较高的肿瘤,瘤细胞的生成远大于丢失,因此其生长速度比那些细胞生成稍超过丢失的肿瘤要快得多。

肿瘤的细胞动力学概念在肿瘤的化学治疗上有重要的意义。目前几乎所有的化学抗癌药物均针对处于复制期的细胞。因此高生长分数的肿瘤(如高恶性的淋巴瘤)对于化疗特别敏感;常见的实体瘤(如结肠癌)生长分数低,故对治疗出现相对耐药性。临床治疗这些肿瘤的战略是先用放射或手术治疗将肿瘤缩小,使残存的瘤细胞从G0期进入复制期后再用化疗。

2.肿瘤的血管形成 临床与动物实验都证明,如果没有新生的血管供应营养,肿瘤在达到1~2mm的直径或厚度后,即107个细胞左右将不再增大。因此诱导血管的生成能力是恶性肿瘤能生长、浸润与转移的前提之一。现已发现,由肿瘤细胞本身和浸润到肿瘤组织内及其周围的炎细胞(主要是巨噬细胞)能产生一类血管生成因子(angiogenesis factor),如纤维母细胞生长因子(fibroblastic growth factor,FGF)、血小板衍生的内皮细胞生长因子(platelet-derived endothelial cell growth factor,PD-ECGF)、转化生长因子α(transforming growth factor-α,TGF-α)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)、血管内皮细胞生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)等。其中最具有特征性血管生成作用的是由肿瘤细胞产生的FGF,它能通过其受体与相应的靶细胞结合。有增加内皮细胞的化学趋向性、促进血管内皮细胞分裂、毛细血管出芽生长、诱导蛋白溶解酶生成和有利于内皮细胞芽穿透基质等功能。此外,巨噬细胞产生的TNF-α也有促进内皮细胞分裂和刺激其游走的作用。新生的毛细血管既为肿瘤的生长提供了营养,又为肿瘤的转移准备了条件。因此对抑制肿瘤血管生成的研究是当前的研究热点之一。

3.肿瘤的演进与异质化 恶性肿瘤在生长过程中变得越来越富有侵袭性的现象称为肿瘤的演进(progression),包括生长加快、浸润周围组织和远处转移等。这些生物学现象的出现与肿瘤细胞的不同亚克隆在侵袭能力、生长速度、对激素的反应、对抗癌药的敏感性等方面的差异—肿瘤的异质性(heterogeneity)有关。产生这种现象的原因是在肿瘤的生长过程中,可能有附加的基因突变(详见第十五节)作用于不同的瘤细胞,使得瘤细胞的亚克隆获得不同的特性。例如需要较多生长因子的亚克隆可因生长因子缺乏而不能生长,而有些需要较少生长因子的亚克隆在此时即可生长;机体的抗肿瘤反应可杀死那些具有较高的抗原性的亚克隆,而抗原性低的亚克隆则可以躲过机体的免疫监视。由于这些选择,肿瘤在生长过程中能保留那些适应存活、生长、浸润与转移的亚克隆。这就是肿瘤的异质化。

二、肿瘤的生长方式和扩散

1.肿瘤的生长速度 各种肿瘤的生长速度有极大的差异,主要决定于肿瘤细胞的分化成熟程度。一般来讲,成熟程度高、分化好的良性肿瘤生长较缓慢,几年甚至几十年。如果其生长速度突然加快,就要考虑发生恶性转变的可能。成熟程度低、分化差的恶性肿瘤生长较快,短期内即可形成明显的肿块,并且由于血管形成及营养供应相对不足,易发生坏死,出血等继发改变。

2.肿瘤的生长方式 肿瘤可以呈膨胀性、外生性和浸润性生长:

(1)膨胀性生长:这是大多数良性肿瘤所表现的生长方式。由于这种瘤细胞生长缓慢,不侵袭周围正常组织,随着肿瘤体积的逐渐增大,有如逐渐膨胀的气球,向四周组织推挤。因此肿瘤往往呈结节状,周围常有完整的包膜,与周围组织分界清楚(图7-3)。位于皮下者临床触诊时可以推动,容易手术摘除,摘除后也不易复发。虽这种生长方式的肿瘤对局部器官、组织的影响主要为挤压或阻塞,一般均不明显破坏器官的结构和功能。

良性肿瘤的膨胀性生长(肾上腺皮质腺瘤)

图7-3 良性肿瘤的膨胀性生长(肾上腺皮质腺瘤)

肿瘤呈卵圆形,有包膜,与周围肾上腺组织分界清楚

(2)外生性生长:发生在体表、体腔表面或管道器官(如消化道,泌尿生殖道等)表面的肿瘤,常向表面生长,形成突起的乳头状、息肉状、蕈状或菜花状的肿物。这种生长方式称为外生性生长。良性肿瘤和恶性肿瘤都可呈外生性生长。但恶性肿瘤在外生性生长的同时,其基底部往往也呈浸润性生长,又由于其生长迅速,血液供应不足,这种外生性肿物容易发生坏死脱落而形成底部高低不平、边缘隆起的癌性溃疡

(3)浸润性生长:为大多数恶性肿瘤的生长方式。瘤细胞分裂增生,侵入周围组织间隙、淋巴管或血管内,如树根之长入泥土,浸润并破坏周围组织。因而此类肿瘤没有包膜,与邻近的正常组织紧密连接在一起而无明显界限(图7-4)。临床触诊时,肿瘤固定不活动。手术切除这种肿瘤时,切除范围比肉眼所见肿瘤范围为大,因为这些部位也可能有肿瘤细胞的浸润。

恶性肿瘤的浸润性生长(食管鳞状细胞癌)

图7-4 恶性肿瘤的浸润性生长(食管鳞状细胞癌

癌细胞形成大小、形状不一的细胞巢,浸润于管壁组织(包括肌层)间隙内

3.肿瘤的扩散 具有浸润性生长的恶性肿瘤,不仅可以在原发部位继续生长、蔓延(直接蔓延)而且还可以通过多种途径扩散至身体其他部位(转移)。

(1)直接蔓延:随着肿瘤的不断长大,瘤细胞常常连续不断地沿着组织间隙、淋巴管、血管或神经束衣侵入并破坏邻近正常器官或组织,并继续生长,称为直接蔓延。例如晚期子宫颈癌可蔓延至直肠和膀胱;晚期乳腺癌可穿过胸肌和胸腔甚至达肺。

(2)转移(metastasis):瘤细胞从原发部位侵入淋巴管、血管或体腔,被带到他处而继续生长,形成与原发瘤同样类型的肿瘤,这个过程称为转移。所形成的肿瘤称为转移瘤或继发瘤。良性肿瘤不转移,只有恶性肿瘤才可能发生转移。常见的转移途径有以下几种:

1)淋巴道转移:瘤细胞侵入淋巴管(图7-5)后,随淋巴流首先到达局部淋巴结。例如乳腺外上象限发生的乳腺癌首先到达同侧腋窝淋巴结;肺癌首先到达肺门淋巴结。瘤细胞到达局部淋巴结后,先聚集于边缘窦,以后生长繁殖而累及整个淋巴结(图7-6),使淋巴结肿大,质地变硬,切面常呈灰白色。有时有转移的淋巴结由于瘤组织侵出被膜而互相融合成团块。局部淋巴结发生转移后,可继续转移至下一站的其他淋巴结,最后可经胸导管进入血流再继发血道转移。

肿瘤的淋巴道转移

图7-5 肿瘤的淋巴道转移

肺内血管周围淋巴管扩张,充满瘤细胞团(瘤细胞栓子)

癌的淋巴道转移模式图

图7-6癌的淋巴道转移模式图

—→淋巴流向 ……→癌细胞流向

2)血道转移:瘤细胞侵入血管后可随血流到达远隔器官继续生长,形成转移瘤。由于动脉壁较厚,同时管内压力较高,故瘤细胞多经小静脉入血。少数亦可经过淋巴管入血。血道转移的运行途径与血栓栓塞过程相同,即侵入体循环静脉的肿瘤细胞经右心到肺,在肺内形成转移瘤,例如骨肉瘤等的肺转移;侵入门静脉系统的肿瘤细胞,首先形成肝内转移,例如胃、肠癌的肝转移等;侵入肺静脉的肿瘤细胞或肺内转移瘤通过肺毛细血管而进入肺静脉的瘤细胞,可经左心随主动脉血流到达全身各器官,常见转移脑、骨、肾及肾上腺等处。因此,这些器官的转移瘤常发生在肺已有转移之后。此外,侵入胸、腰、骨盆静脉的肿瘤细胞,也可以通过吻合支进入脊椎静脉丛(Batson脊椎静脉系统),例如前列腺癌就可通过此途径转移到脊椎,进而转移到脑,这时可不伴有肺的转移。

血道转移虽然可见于许多器官,但最常见的是肺,其次是肝。故临床上判断有无血道转移,以确定患者的临床分期和治疗方案时,作肺部的X线检查及肝的超声等影像学探查是非常必要的。转移瘤在形态上的特点是边界清楚并常为多个散在分布的结节,且多接近器官的表面(图7-7)。位于器官表面的转移瘤,由于瘤结节中央出血、坏死而下陷,可形成“癌脐”。

3)种植性转移:体腔内器官的肿瘤蔓延而于器官表面时,瘤细胞可以脱落并象播种一样,种植在体腔和体腔内各器官的表面,形成多数的转移瘤。这种转移的方式称为种植性转移或播种。种植性转移常见于腹腔器官的癌瘤。如胃癌破坏胃壁侵及浆膜后,可种植到大网膜、腹膜、腹腔内器官表面甚至卵巢等处。肺癌也常在胸腔内形成广泛的种植性转移。浆膜腔的种植性转移每伴有浆液性血性积液。这是由于浆膜下淋巴管或毛细血管被癌栓阻塞,或浆膜受癌的刺激,使其内毛细血管的通透性增加而致渗出增多,并由于血管被癌细胞破坏而引起出血这故。抽吸积液作细胞学检查常可查见癌细胞。脑部的恶性肿瘤,如小脑的髓母细胞瘤(medulloblastoma)亦可经脑脊液转移到脑的其他部位或脊髓,形成种植性转移。值得注意的是,手术也可能造成种植转移,应注意尽量避免。

肺内的血道转移性癌

图7-7 肺内的血道转移性癌

肺的切面上可见多数大小不等的图形癌结节,边界清楚

4.恶性肿瘤的浸润和转移机制

(1)局部浸润:恶性肿瘤局部浸润的机制目前尚未十分明了,但已知是一个由一系列步骤组成的复杂过程。前面提到的浸润能力强的瘤细胞亚克隆的出现和肿瘤血管形成对此都起着重要的作用。局部浸润发生时,由细胞粘附分子(cell adhesion molecules)介导的肿瘤细胞彼此之间的粘附力减弱和瘤细胞与基质的附着力增加是近年来关于侵润机制研究的重点。已有资料显示,在动物高浸润性的肿瘤细胞株,其瘤细胞表面的一种粘附分子——上皮粘连素(E—cadherin)的表达减少,而如将编码上皮粘连素DNA插入到瘤细胞基因组中,则可使其丧失转移和浸润能力。瘤细胞彼此分散才能侵入细胞外基质(extracellular matrix,ECM)。细胞外基质在机体内分隔上皮组织和结缔组织,包括基底膜和间质性结缔组织,主要是由胶原、糖蛋白和蛋白多糖组成。正常上皮细胞与基质的结合是通过存在于上皮细胞膜表面的整合素(integrin)的粘附分子与存在于基质中的其配体的结合来实现的。

癌细胞的ECM主要成成分——基底膜的侵袭是一主动过程,可分为三个步骤:①癌细胞附着于基底膜(attachment):正常上皮细胞具有的一种整合素——层粘连蛋白(laminin,LN)的受体,只分布在细胞的基底面,能与基底膜的LN分子结合而使上皮细胞附着。而癌细胞则有更多的LN受体,分布于癌细胞的整个表面,使癌细胞更容易与基底膜粘附。例如已发现,人的侵润性乳腺癌细胞与LN的结合能力为正常或良性乳腺上皮细胞的50倍,这类病人发生淋巴结转移的机会大大高于LN受体较少的乳腺癌病人。纤维粘连蛋白(fibronectin,FN)也是基底膜的成分,可与上皮细胞表面的一种整合素——FN受体结合而使细胞附着于基底膜。癌细胞FN受体表达增加和其侵袭性之间也存在于与LN类似的关系;②细胞外基质的降解(degradation);在癌细胞与基底膜紧密接触4~8小时后,ECM的成分,如LN、FN、蛋白多糖和胶原纤维(Ⅳ型)可被癌细胞直接分泌的蛋白溶解酶(包括Ⅳ型胶原酶、尿激酶型胞浆素原活化物、组织蛋白酶D等)溶解,使基底膜产生局部的缺损。癌细胞也可诱导宿主细胞(如纤维母细胞)产生蛋白酶,使ECM溶解。Ⅳ型胶原酶是一种金属蛋白酶,能分解上皮和血管基底膜的Ⅳ型胶原纤维,已有报告指出在乳腺癌和胃癌细胞有这种酶的过度表达。动物实验还发现Ⅳ型胶原酶的抑制剂可以大大减少转移的发生;③癌细胞的移出(migration);癌细胞通过被溶解的基底膜缺损处游出是借助于自身的阿米巴运动。近来发现肿瘤细胞的衍生的细胞激肽,如自分泌移动因子(autocrine motility factor)可介导瘤细胞的移动。基质成分(如胶原、LN)的降解产物和某些生长因子(如胰岛素样生长因子Ⅰ和Ⅱ)对癌细胞有化学趋向性。癌细胞穿过基底膜后,重复上述步骤进一步溶解间质性的结缔组织,在间质中移动。到达血管壁时,可以以同样方式穿过血管的基底膜进入血管(图7-8)。

(2)血行播散:进入血管的癌细胞形成新的转移灶的可能性小于千分之一,因单个癌细胞进入血管后绝大多数为机体的免疫细胞消灭。但被血小板凝集成团的癌细胞形成的瘤栓则不易被消灭,并可与形成栓塞处的血管内皮细胞粘附,然后以前述机制穿过血管内皮和基底膜,形成新的转移灶(图7-8)。由于肿瘤的异质化而选择出的高侵袭性的瘤细胞亚克隆,尤其容易形成广泛的血行播散。

转移的发生不是随机的。早在1889年Paget在对700多侧乳腺癌的转移进行分析后,就发现有明显的器官倾向性,并提出有名的“种子和土壤”学说。血行转移的位置和器官分布,在某些肿瘤具有特殊的亲和性,如肺癌易转移到肾上腺和脑;甲状腺癌肾癌和前列腺癌易转移到骨;乳腺癌常转移到肺、肝、骨、卵巢和肾上腺等。产生这种现象的原因还不清楚,可能是由于这些器官的血管内皮上有能与进入血循环的癌细胞表面的粘附分子特异性结合的配体(如血管细胞粘附分子),或者由于靶器官能够释放某些吸引癌细胞的化学吸引物质(如胰岛素样生长因子Ⅰ和Ⅱ)。此外,转移瘤在某些组织或器官中不易形成,也可能与这些器官或组织的环境不适合肿瘤的生长有关。如脾虽然血液循环丰富但转移癌少见,可能是因为脾是免疫器官;横纹肌转移瘤很少,可能是因为肌肉经常收缩使瘤细胞不易停留或肌肉内乳酸含量过高,不利于肿瘤生长。

(3)肿瘤转移的分子遗传学:目前尚发现一个单独的转移基因,但已发现一种肿瘤抑制基因——nm23的表达水平与肿瘤的侵袭和转移能力之间存在有意义的关系。在小鼠模型中,nm23的表达高者具有低转移性;nm23表达低10倍者伴有高转移。人类的nm23基因定位于第17位号染色体。在侵袭性强的肿瘤中nm23基因丢失。临床上对人乳腺癌的观察发现,淋巴结转移少于三个者,nm23蛋白表达水平高;而有广泛转移者nm23蛋白表达的水平一般均低。如能将nm23蛋白作为标记物来预测转移并且在治疗上用于抑制转移,将是肿瘤治疗的一个突破。现此问题正在积极研究中。

三、肿瘤的分级与分期

肿瘤的分级(grading)和分期(staging)一般都用于恶性肿瘤。恶性肿瘤是根据其分化程度的高低、异型性的大小及核分裂像的多少来确定恶性程度的级别。近年来较多的人倾向于用简明的、较易掌握的三级分级法,即Ⅰ级为分化良好的,属低度恶性;Ⅱ级为分化中等的,属中度恶性;Ⅲ级为分化低的,属高度恶性。这种分级法虽有其优点,对临床治疗和判断预后也有一定意义。但缺乏定量标准,也不能排除主观因素的影响。因此,如何建立精确的分级标准还待进一步研究。

肿瘤的分期目前有不同的方案,其主要原则是根据原发肿瘤的大小、浸润的深度、范围以及是否累及邻近器官、有无局部和远处淋巴结的转移、有无血源性或其他远处转移等来确定肿瘤发展的程期或早晚。

恶性肿瘤浸润和转移机制

图7-8 恶性肿瘤浸润和转移机制

恶性肿瘤细胞侵出基底膜进入细胞外间质,侵入血管并形成新的转移灶(采自Basic Pathology)

肿瘤的分级和分期对临床上制定治疗方案和估计预后有参考价值,特别是肿瘤的分期更为重要,但是必须结合各种恶性肿瘤的生物学特性以及病人的全身情况等综合考虑。

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