微精选

1.摘要

在过去的50年里，我们对癌症发生机制的理解取得了非凡的进展，这些理解被概括为癌症的基本特征。尽管我们建立了这样一个逻辑框架，但对癌症系统性表现的分子基础以及癌症相关死亡的根本原因的理解仍然不完整。展望未来，阐明肿瘤如何与远处器官互动，以及多方面的环境和生理参数如何影响肿瘤及其宿主，将对预防和更有效治疗人类癌症至关重要。在这篇论述中，我们讨论了癌症作为一种系统性疾病的复杂性，包括肿瘤的发生与促进、肿瘤微环境和免疫宏观环境、衰老、代谢与肥胖、癌症恶病质、昼夜节律、神经系统交互、肿瘤相关的血栓形成和微生物组。采用融入人类遗传变异的模型系统将是解码这些现象的机制基础以及揭示基因-环境相互作用的关键。本文为现代分子肿瘤学提供了一种新的综合视角，旨在预防癌症并改善患者的生活质量和癌症治疗结果。

2.引言

回顾50年前，《细胞》杂志创刊之时，显然癌症研究的格局已经发生了翻天覆地的变化。在此期间，利用简洁而精致的模型系统的还原主义细胞生物学成为科学发现的主流，带来了关于细胞周期调控、细胞凋亡、细胞运动、侵袭及免疫失调的非凡见解，这些成就推动了癌症诊断和治疗的重大进步；自1950年代以来，5年生存率从35%增长到了2017年的69.7%（《癌症统计回顾1975-2018》）。尽管取得了这些进展，癌症仍然是全球主要的死亡原因之一。

我们正处于一个知识大爆炸的复兴时期，癌症生物学和遗传学的知识迅速扩展，已经鉴定出1000多个在肿瘤中发生变异的基因，这些变异或是通过反复的遗传突变，或是通过表观遗传学改变了它们的调控和表达。这一里程碑事件促进了对分子环路、细胞构成以及突变癌细胞的异质群体动态的更精确划分，以及肿瘤进展和转移扩散的机制研究，这些机制往往与表面上正常但实际上功能受损的特定来源细胞相关。这些知识，主要集中在癌细胞本身及其局部微环境上，促使新一代的机制引导型治疗药物和治疗方案的诞生，这些治疗方案已经使一些特定类型癌症的患者受益。然而，令人沮丧的是，这些创新的治疗策略对广泛的人类癌症谱系中的疗效有限，且随着肿瘤进化出多种抗药性途径，极少数策略能显著延长总生存期。

癌症的多维考古学结合先进的技术，创造了一个令人眼花缭乱的广阔领域，这个领域的“大数据”分析可以精确到单细胞水平。这些技术旨在更细致地描绘癌症的特性，阐明癌症从不同起源细胞发展和进展的新达尔文主义机制，这些细胞面临特定组织的屏障，需要在多步肿瘤生成中进行独特的适应。几十年来，对这种令人警醒的多样性和复杂性的认识日益增长，被视为对“抗癌战争”潜在的巨大挑战。24年前，《细胞》杂志的千禧年特刊中，发表了一篇试图调和这种令人生畏的多样性与关于癌症机制日益增长的知识的文章。癌症的标志性特征表明，几乎所有肿瘤都获得了一组质量上明显不同的功能能力，这些能力共同使癌细胞能够大量增殖，同时协调形成并常常扩散的肿瘤。相应的概念是，一对共同的表型特征——基因组不稳定和突变，以及炎症——促进了这些能力的获取。因此，人们认为，癌症发病的巨大复杂性可以简化为面对同一挑战的不同解决方案，即在肿瘤生成和恶性进展过程中获取相同的一组标志性能力。这一简单概念在随后几年得到了改进，一直影响着至今的癌症医学，表明它作为一个概念性组织原则具有一定的实用性。

然而，这种现代癌症生物学的综合并未充分考虑进化中的肿瘤与宿主远端器官的广泛互动，也未考虑宿主病理生理、种系遗传多样性以及环境暴露对癌症发起和演变的影响。标志性特征的令人安心的简单性显然不足以全面理解疾病机制的多样表现。因此，迫切需要开发新的治疗策略，这些策略不仅能提高癌症患者的生活质量和寿命，还能应对一些最危险的病状，如癌症恶病质、血栓形成和副肿瘤综合症，并且重要的是，在癌症发起的最早阶段介入，形成新的预防策略。现在，不断扩大的（多组学）研究工具和精细的模型系统正准备好从系统疾病的角度来解决癌症，这是宿主基因组多样性、偶发事件和人类行为遗留下的复杂环境暴露相互作用的结果。

衰老是大多数肿瘤的首要预后因素，鉴于超过90%的癌症患者年龄超过50岁。除了这一癌症复杂性的主要因素外，我们生活的环境也是可行的预防策略的途径，流行病学研究估计环境因素影响了高达80%的人类癌症的发展。这里所说的“环境”包括了一系列外源性因素，包括空气中的工业污染物或我们饮食中的污染物，以及职业或医疗暴露于有毒物质或某些类型的辐射，还有病原性病毒和细菌感染。此外，还包括所谓的“生活方式因素”：饮食、饮酒、吸烟、日晒以及久坐行为，这些都会影响癌症风险。值得注意的是，这些不同的环境因素通过影响上述的癌症标志性特征——基因突变、代谢改变、染色体不稳定和炎症——增加癌症风险，这一点变得越来越明显。

图1 影响癌症生物学和癌症医学前沿的“复杂性云层”。尽管癌症的标志性特征为包含癌症这一疾病的众多表现提供了一个总体的概念性基础，但在这种简单性之下，无论是在肿瘤内部还是在受影响个体的整个系统中，都存在着令人眼花缭乱的机制效应和表型多样性。因此，我们在这篇文章中论述，高于地平线的是那些重要且尚未完全理解的复杂性云层。地平线以下是机制效应器——癌症的构建块——它们控制着癌症的发生和进展，这些效应器也未被完全理解。阐明癌症作为一种系统性疾病的这两个维度，将对人类癌症的预防和持久治疗的开创性创新起到关键作用。

在这个视角中，作为四次由Cancer-ResearchUK赞助的Marshall研讨会的高潮，我们在图1中展示了新的前沿领域，它通过采纳人类癌症发病机制的复杂性并使用技术进步来解开在衰老环境中不断进化的肿瘤与遗传多样性人群中远端器官系统的复杂相互作用，这些人群具有不同的行为并暴露于多样化的环境中。重要的是，我们认为，在未来50年里，我们需要认识到在高度控制环境中使用近交动物模型来完全重现这种复杂性的局限性。应对这一挑战将需要在人类受试者中进行精心设计的研究，作为推动发现的载体，与日益复杂的体外和动物癌症模型相结合，以便推动治疗干预和早期截断，从而更有效地预防、诊断和治疗癌症及其系统性表现。

任何带有前瞻性目标的评论，旨在为未来50年的癌症研究规划未来方向，都应该考虑图1中未强调的其他重要主题。其中尤为突出的是生物性别在癌症易感性、发展和治疗反应中的作用。除了性激素在乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌发展中的重要性外，生物性别还与其他多种癌症类型的发病率有关，包括膀胱癌、肾癌和食管癌，这些癌症在男性中的发病率更高。越来越多的证据支持性染色体基因效应及性激素与参与炎症和免疫系统之间的相互作用，这些效应对癌症治疗和治疗反应有明显的影响。例如，理解为何从未吸烟的女性更易患肺癌，将需要解开环境、遗传和人类行为的作用。这一领域在未来几十年内有望进行更深入的分析。

在讨论癌症的复杂性时，不得不提人工智能（AI）算法发展速度的不断加快，这可能会影响我们处理正在生成的大量数据的能力，并帮助我们理解基因网络的相互连接属性如何促进从初始细胞到单细胞层面的癌症转移。最终，我们期待这些新方法将被应用于癌症预防和治疗的多个维度，从分析正常组织的克隆结构，到揭示增加风险的迹象，再到预测导致药物耐药和患者生存率低下的干细胞可塑性状态。即使这些复杂性的“云层”被理解，并且AI准备好改善患者的预后，癌症启动突变中的“坏运气”作用也可能永远无法完全消除。最后，关注癌症的复杂性不应该影响我们采用还原主义方法理解癌症的标志性特征，尤其是考虑到该病的动态性和随时间空间演变的特点。通过与尸检计划结合的深度纵向抽样研究，以解析疾病过程中肿瘤及其微环境的共同演化以及在远端转移部位的情况，如肾癌、肺癌和乳腺癌的TRACERx研究、肺癌TRACERx EVO研究和英国国家PEACE尸检计划等案例，都旨在帮助创建跨癌症亚型的“动态肿瘤图谱”。然而，空间考虑不允许我们深入探讨这些重要领域。

在此，我们提出了一份路线图，勾勒出一系列重大主题——复杂性的“云层”——这些主题正出现在癌症生物学和医学的视野中，如果从机制上加以解决，有望改善患者的预后和生活质量。

3.多步骤肿瘤发生：理解肿瘤促进与进展

长期以来，人们已经认识到癌症是通过逐步的肿瘤发生和恶性进展的途径发展的，而近年来，还包括对治疗的适应性抵抗。这些逐步的转变和阶段在一定程度上反映了癌症标志性能力的获得和精炼，尤其是通过基因组不稳定和基因突变的显著表型特征，以及组织炎症来实现的。

癌症遗传学告诉我们，特定调控基因的突变——称为致癌基因，其中RAS基因是原型——是这种疾病的关键驱动因素。与肿瘤抑制基因的功能丧失突变相结合，这些互补的遗传事件可以导致获得在大多数人类癌症中发现的多种癌症标志性能力。实际上，这一范式已经得到了精巧的癌症小鼠模型的有力支持，在这些模型中，种系或体细胞遗传修饰可以结合起来释放与人类癌症相关的一整套表型，而无需任何明显的环境致癌因素。

图2 癌症驱动突变与环境或内源性肿瘤促进因子在癌症风险中的相互作用。突变是癌症发展的必要条件，可能是由于正常DNA复制中的自发错误、静息细胞的衰老，或者暴露于环境中的诱变剂而产生的。肥胖、饮食因素和炎症也可能间接地增加突变负担，例如通过产生活性氧（ROS），但这不太可能对总体突变数量产生重大贡献。突变可能在正常组织中长期处于休眠状态，除非该组织反复暴露于炎症或组织创伤的诱导因子，导致携带特定突变的细胞被选择，从而引发克隆性扩增。选择的特定突变取决于许多因素，包括起源的组织或细胞、宿主的遗传背景，或特定促进因子的性质。已知或疑似的外源性促进因子以及潜在的内源性或生活方式相关的促进因子被举例显示。

然而，新的知识揭示了，身体各处表面上“正常”的组织中含有多种致癌驱动事件，构成了一片由突变细胞组成的补丁，这些细胞在衰老过程中持续存在并可能作为无症状克隆体扩展。这一挑战性的结果告诉我们，虽然“驱动”致癌基因中的突变可能是必需的，但并不总是足以引发肿瘤发生（见图2）。据估计，大约40%的人一生中将发展为癌症，鉴于一个典型的人类拥有30万亿个细胞，这些观察结果引发了一个问题：为什么在单细胞层面上癌症如此罕见？

历史上的观念认为，化学诱导的皮肤癌变模仿自然环境的侵害，涉及“启动”和“促进”事件，这一概念通过认识到许多正常组织中充满了含有潜在致癌基因和肿瘤抑制基因突变的细胞而得到了概念上的精细化。的确，一些环境致癌物如烟草烟雾，作为突变原和炎症诱导剂起到协同作用，可以启动和促进癌症的形成。这一观点最初在1940年代提出，对癌症预防及电子烟长期安全性的未经证实的假设具有重要意义。然而，Riva及其同事最近展示了许多已知或疑似的启动性致癌物，并不直接导致突变，而可能通过激发包括但不限于慢性炎症等其他癌症标志来唤醒并触发携带潜在致癌基因突变的细胞的克隆扩展。非突变性因素——例如，伤口愈合、慢性炎症和环境中化学物质的暴露——可以刺激含有激活性突变的致癌基因或失活性突变的肿瘤抑制基因的细胞增长和选择，这一点已在小鼠癌症模型、与空气污染相关的人类肺癌以及通过石棉暴露引发的间皮瘤中得到证实，并且与食管、胰腺和结肠等其他人类癌症有关。

这些重要见解的一个合逻辑且被忽视的含义是，我们缺乏生物学检测来评估现有或新引入环境中化学物质的潜在“肿瘤促进活性”。我们预见到需要绘制整个多阶段肿瘤发生途径，以阐明环境或内源性生理促进剂如何触发含有致癌基因突变的前启动细胞中的干细胞/祖细胞样特性，通过不同组织和细胞类型的多样化炎症/创伤途径作用，改变克隆选择。可能作为环境肿瘤促进剂的嫌疑物包括但不限于微塑料、草甘膦、全氟和多氟烷基物质（PFASs）、热液体和诸如幽门螺旋杆菌（H. pylori）等感染因子（见图2）。此外，关于电子烟长期安全性的严肃问题仍未得到回答，人们吸入蒸汽物质可能以与空气污染相同的方式促进肿瘤启动，而与DNA突变无关的现实可能性也引起了关注。内源或生活方式因素，包括饮食、压力、睡眠剥夺、久坐行为和昼夜节律的干扰，许多因素可能影响微生物群，也可能在癌症形成中起到重要作用。

我们设想，定义环境（和生理）促进因子引发的炎症及其他反应性应答的百科全书，这些应答共同促进肿瘤发生，将有助于开发至关重要的技术能力，用于早期检测即将发生的肿瘤新生物，区分哪些病变可能发展为恶性肿瘤，哪些则不会。

严格检测非突变性肿瘤促进因子将需要改进的技术能力，包括单细胞RNA和DNA测序，以及空间转录组学/蛋白质组学/代谢组学，以揭示异型细胞间的相互作用和适合分子癌症预防工作的可操作路径。虽然癌症的基础可能在于突变的致癌基因和肿瘤抑制基因，但越来越明显的是，肿瘤进展涉及非突变的表观遗传编程，如许多肿瘤中明显的动态异质性所反映的那样，因此，癌细胞及肿瘤微环境（TME）中多样化细胞的表观基因组必然需要在所有阶段进行阐明。有证据表明，“表观遗传记忆”记录了之前对诱发炎症的剂量的暴露，我们设想这可能随后促进肿瘤发生。虽然通过人类细胞和组织的全基因组测序可以识别过去的突变原暴露，这种测序揭示了独特致癌物的突变特征，但目前还没有技术能够识别过去或当前对肿瘤促进因子的暴露。这种工具的技术开发将使针对抑制炎症性肿瘤促进活动的分子癌症预防努力成为可能，通过深入了解宿主更广泛的宏观环境复杂性进一步完善，如后续部分所详述。

4.肿瘤微环境（TME）：解析和针对细胞生态位

前文讨论的由癌症促进因子引发的炎症及其导致的多步骤肿瘤发生与肿瘤微环境（TME）中的复杂多细胞结构及其相关的细胞外环境的阶段性变化交织在一起，这些环境与癌细胞共同进化。新兴证据表明，与年龄、烟草暴露或环境污染物等因素相关的组织完整性的改变（参见老化与癌症：细胞适应性、微环境动态及随时间的进化部分）可能允许携带致癌基因突变的正常体细胞克隆扩展。显然，TME在调控疾病进展和调节对广泛癌症治疗的响应中发挥作用。在TME中，细胞生态位提供了独特的栖息地，影响肿瘤行为、治疗反应和免疫监视。理解这些空间生态位内的复杂互动对于开发更有效的癌症治疗方法至关重要。此外，通过识别和针对特定生态位内的关键细胞类型、过程或信号通路，可以放大这类治疗干预的效果。下面我们简要总结了关于TME内细胞生态位的知识，并强调了未来几十年需要研究的问题。

图3 肿瘤微观环境和宏观环境。展示了复杂的肿瘤生态系统。图中描述了肿瘤微观环境和宏观环境中各种组成部分之间的相互作用，涉及宿主的影响以及外部因素对肿瘤生长和转移扩散的影响。

TME中的细胞生态位由多样的细胞群体组成，包括癌细胞、免疫细胞、成纤维细胞、血管、脂肪、神经细胞和细胞外基质（ECM）组分。每个生态位通过支持居住其中的癌细胞的特定特征，可能以不同的方式促进肿瘤生长、侵袭和转移（见图3）。例如，具有高干细胞潜能的癌细胞栖息在类干细胞生态位中，这支持它们的自我更新和对传统治疗的抵抗，导致疾病复发。免疫细胞生态位可以促进或抑制抗肿瘤免疫反应，从而深刻影响治疗结果。肿瘤基质中成纤维细胞的空间异质性可促进肿瘤纤维化、血管生成和免疫调节。

癌症微环境中的细胞生态位的重要性在转移性殖民化的背景下尤为显著，转移细胞在种植新器官时必须重新创建一个支持性环境。值得注意的是，转移可能在原发肿瘤切除多年后爆发，这表明转移能力强的细胞可以在远处器官中以非增殖、休眠状态存在。已有报道提出，存在支持转移细胞静息但可存活状态的休眠生态位组件，这些组件具有促使转移细胞生长的倾向。然而，这些休眠生态位的属性以及它们如何随时间变化以重新唤醒癌细胞仍然大体上未知。当然，组织老化对休眠逆转有一定的影响。正如我们在接下来的章节中讨论的，老化以及与癌症衍生因子引起的代谢和炎症扰动直接相关的渐进性系统变化可能促使生态位的演变（见图3）。

在表征肿瘤微环境（TME）中的细胞生态位方面，已取得了显著的技术进展，揭示了它们的动态和复杂本质。先进的成像技术、单细胞测序、空间转录组学、多重高分辨率成像技术和生态位标记策略正使研究人员能够识别不同的细胞群体并绘制它们在肿瘤内的空间组织。例如，这使得人们能够识别在转移性生态位启动早期激活的组织内再生程序、与特定肿瘤生态位相关的表型状态、链接到特定遗传异常或原发性与转移性癌症患者之间的、与癌症进展相关的肿瘤-间质组成变化，以及能够与临床结果相关或预测治疗反应的TME特征。基于这种多组学配置文件，新的肿瘤分类正在出现。尽管我们预计将来许多肿瘤最终将适应于TME调节，但可以想见，某些癌症将特别具有挑战性，例如携带微卫星稳定性大肠癌患者的肝转移或胶质母细胞瘤（GBM）。值得注意的是，这些也是在稳态条件下受免疫抑制的器官，这可能进一步增加了发起有效免疫反应的障碍。

展望未来，确定肿瘤微环境（TME）空间多样性的生物学基础将非常重要；例如，缺氧、营养物的可用性、代谢物和细胞外基质（ECM）的组成如何影响细胞生态位的行为。理解肿瘤内不同细胞生态位之间复杂的相互作用至关重要，例如，用以区分促癌生态位和限癌生态位。研究这些细胞生态位的时间演化将提供洞见，了解TME在癌症进展期间以及在治疗干预后是如何演变的。例如，通过序列患者活检结合临床前模型中的多模态成像策略，捕捉生态位中细胞群体随时间的动态变化将是揭示肿瘤时空异质性的关键。

我们设想，绘制TME及其异质生态位的动态演化将揭示新的途径，通过干预TME状态来干扰肿瘤生长和进展、转移性生长以及对治疗的适应性抵抗。理解可以使转移细胞在几十年间保持静止状态的休眠生态位的关键决定因素，以及随后导致转向转移性生长的改变，将是开发检测和消除休眠细胞策略的基本要求。生成精细的模型系统来调查这些问题对于获得围绕转移性休眠和其他生态位表型的机制性知识至关重要。利用细胞生态位内的脆弱点，通过识别维持生态位和肿瘤进展所必需的特定标记或途径，有巨大潜力开发有效的精准治疗策略。在TME之外还有宿主的肿瘤“宏环境”，也如图3所示，它包含了以下章节中讨论的许多复杂性。

5.免疫宏观环境：稳态控制与系统生理调控

图4 促肿瘤性骨髓异常的局部和系统驱动因素。

(1) 肿瘤发起期间产生的分子，这些分子有助于招募和激活在启动炎症级联反应和在血液循环中释放炎症分子中发挥关键作用的巨噬细胞。

(2) 在血液循环中释放炎症分子，这些分子推动骨髓生成的增强和失调。

(3) 骨髓中骨髓祖细胞的表观遗传重塑，有助于沿着骨髓系诱导分子抑制程序的节点。

(4) 在局部肿瘤微环境中产生的额外驱动因素，有助于进一步增强骨髓抑制，进一步抑制抗肿瘤免疫，促进肿瘤增殖和生长。每个类别中提供的分子列表并非详尽无遗，仅作为示例提供。

肿瘤诱导的免疫系统扰动的影响超出了局部肿瘤-免疫环境，涉及肿瘤发生期间系统性免疫景观的显著变化。癌细胞、免疫细胞和非免疫基质细胞在肿瘤进展过程中产生的旁分泌分子被释放到心血管系统中，其作用超越了局部TME（图4）。已经确定了导致癌症进展期间免疫调节分子释放的几种机制。首先，肿瘤本身可以自分泌地作用于邻近的肿瘤细胞和非肿瘤细胞，激活免疫和非免疫细胞并释放额外的分子，这些分子增加了TME的分泌组。其次，常在恶性和非恶性细胞中活跃的细胞衰老程序可以被化疗药物加剧，导致一种以高产生炎症性细胞因子如白细胞介素（IL）-6和IL-8为特征的分泌表型。第三，遗传不稳定的肿瘤细胞激活DNA损伤感应器，产生I型干扰素或激活炎症体和IL-1b的产生，这可以在周边作用于基质细胞和骨髓祖细胞。第四，受患者饮食和环境影响的微生物元素可导致表达模式识别受体的细胞激活，并释放炎症分子如IL-6、IL-1b和肿瘤坏死因子（TNF）。最后，由遗传不稳定的肿瘤细胞或周围的基质和免疫细胞产生的应激代谢物也可以被主动释放到循环系统中。这些系统性信号被造血祖细胞在肿瘤发展过程中感知，导致骨髓生成失调和异常骨髓细胞的扩张，这些细胞有助于减弱局部和系统性的抗肿瘤免疫，并塑造促肿瘤的TME（图4）。

肿瘤细胞对发育和再生程序的共同选择进一步导致系统性免疫环境的变化，如MYC和KRAS的合作驱动免疫抑制微环境，特征是在高度增殖、侵袭性癌症中排除系统性T细胞和B细胞浸润的现象。MYC的去激活触发肿瘤退化，伴随着这些免疫学变化的快速逆转，涉及一个与伤口愈合反应的解决阶段相平行的程序。

此外，肿瘤负担宿主的系统性免疫反应特征受到生理稳态控制变化的重大影响，如昼夜节律控制、应激时的内分泌反应、代谢以及由体力活动引起的循环系统变化。理解癌症进展期间系统性免疫反应如何变化，随着肿瘤的抗原和表型多样性增加系统性免疫功能如何改变，以及肿瘤演化引起的适应性免疫抑制是否导致癌症相关死亡，都是未来研究的重要课题。

这些复杂性表明，设计有效的基于免疫的治疗将需要全面了解局部和系统性免疫之间相互作用的分子基础。广义上，这些分析将包括通过对癌症患者分泌物的深入动态剖析来识别病原性骨髓生成的系统性驱动因素，以及从骨髓中的早期造血祖细胞到与肿瘤相关的骨髓细胞，沿着骨髓系绘制染色质和转录组计划，以识别骨髓失调的启动节点。这些结果可能指导开发针对系统性免疫功能障碍介质的新策略。同时评估系统性癌症患者的分泌组和其临床特征，结合对肿瘤体细胞演化的理解，可以为制定治疗框架提供基础，以指导患者免疫分层和免疫治疗决策。

重要的是，多步骤肿瘤发生、恶性进展以及促癌微环境和系统性宏观环境的演变表型也受到如下所述的其他复杂性的调控。

6.衰老与癌症：细胞健康、微环境动态与随时间的演变

大多数癌症发生在60岁以上的人群中，据预测，到2050年，全球将有超过20亿人口年龄超过60岁。癌症与年龄相关的增加可以归因于多种因素，包括慢性遗传损伤的累积、表观遗传漂移、组织微环境的改变（包括衰老细胞的增多）以及适应性和先天性免疫的变化。这些因素可以改变组织稳态，从而影响细胞健康，使突变细胞在这些改变的环境中选择性增殖。然而，考虑到这些现象在正常组织中的观察频率，可以推测，在衰老的组织微环境中，由突变驱动的克隆扩展很少演变成危及生命的恶性肿瘤。通过进化生物学的视角来看待癌症与老年的关联至关重要——动物已经进化出了维持组织功能和避免疾病的策略，以最大化繁殖成功。这些机制在生殖后期减弱。因此，我们需要了解年轻/健康的组织微环境如何最大化干细胞和祖细胞的体细胞健康，防止潜在恶性突变细胞的持续存在或扩展——青春具有抑制肿瘤的作用。不幸的是，老化组织逐渐失去了限制癌症演变的能力。值得注意的是，遗传性早老综合征患者常常（但不总是）显示出加速和增加的癌症发病率，我们认为这是由于早老相关的组织功能障碍，在突变频率增加的背景下发生的。

近期研究表明，衰老的特征之一是体细胞克隆扩展的增加，这些体细胞在组织学上正常的组织中携带致癌基因突变，其致病潜力差异很大，其中最明显的例子是克隆性造血，它与白血病和实体瘤的风险增加有关。一个挑战是更好地理解健康组织如何阻碍损伤组织的克隆扩展和体细胞的表型演化，这可能导致癌症的发病机制，以及环境致癌物和生活方式因素与自然衰老如何共同影响这些保护机制。这些扩展与改变组织环境的条件有关，包括炎症性肠病、皮肤的日晒、食道的酒精和吸烟、肺的空气污染和吸烟暴露，以及克隆性造血的肥胖和吸烟。尽管越来越多的人接受健康生活方式促进组织修复/维护和癌症防护的观点，不健康的生活方式会导致慢性炎症、组织修复差和癌症及其他疾病风险增加，我们仍然不了解健康的生活方式如何影响癌变最初阶段，包括这样的突变驱动的克隆扩展。即将到来的知识可能支持开发干预措施，以阻止衰老组织中异常的克隆扩展，旨在减少癌症发生率以及生理衰老。理解非突变性致癌物（类似于污染颗粒物的肿瘤促进潜力）如何影响这一过程并推动携带致癌基因突变的干细胞样潜能细胞的扩展将是关键。我们还需要描述怀疑的反馈循环，即衰老促进特定的突变驱动的克隆扩展，这反过来进一步促进组织衰老（本身就促进肿瘤生成）。分析来自候选抗衰老剂临床试验以及不同年龄、生活方式（例如，锻炼）、饮食的个体的组织样本（例如，血液和可获取的上皮组织）中的克隆突变模式可能揭示限制可能导致与衰老相关的组织衰退和癌症的克隆演化的策略。

衰老还会影响细胞外基质（ECM），这是肿瘤微环境（TME）的核心组成部分，由肿瘤相关成纤维细胞和其他非肿瘤细胞分泌。ECM通过机械转导调节肿瘤细胞的行为。老化的成纤维细胞释放的分子会引起肿瘤细胞的显著变化，影响信号通路、活性氧（ROS）反应、代谢，以及从增殖休眠状态的觉醒。实际上，可能存在这样的情况，即在衰老过程中促进携带癌症相关突变的体细胞克隆选择的调控过程与唤醒细胞从休眠状态进入以指导转移性殖民的过程重叠。尽管成纤维细胞的衰老可能涉及到增殖扩张，但区分衰老和衰老是重要的，因为衰老可能在整个生命周期中发生，具有促癌和抗癌的双重效应。针对衰老组织微环境中的可行元素，超越细胞衰老，有潜力抑制转移并克服老年癌症患者的治疗抗性。这一追求将需要精密的生物工程技术、基于AI的病理学以及探索生物性别和与年龄相关的压力等交叉因素。具体而言，结合测序的空间转录组学和使用基于AI的病理学技术（如CODA）进行TME的三维重建和注释，使用如AstroPath技术的多重免疫组化定量分析，以及用于预测细胞间通信的基因行为分析的生物信息学工具，将是理解衰老TME如何影响具有干细胞潜能的细胞扩展，导致肿瘤启动或唤醒休眠的转移性细胞的关键。最终目标是识别诱导组织环境假定限制癌症演化所有阶段的表型状态的药物，从早期克隆扩展到转移性生长。应用范围可以从早期预防（例如，维持更年轻的环境的干预措施）到治疗（例如，减少转移性生长的辅助/新辅助治疗），这些都可以用来减少迅速老化的人口中的癌症负担和死亡率。在这些中，利用关于（部分与年龄相关的）细胞衰老与癌症联系的复杂性不断扩大的知识基础和洞见可能为此奠定基础，如下文所述。

7.衰老与癌症：细胞状态转变与治疗方法

衰老是一种应激反应，其特征是细胞增殖的稳定停止，伴随着细胞形态、基因表达、染色质状态的改变以及细胞因子分泌的增加。明确识别衰老细胞受到挑战，因为缺乏标准化的衰老状态标记物。此外，存在几种与衰老细胞有共同特征的密切相关的细胞状态，如静息、休眠、暂停和耐药持久（DTP）细胞。例如，衰老标志物与衰老相关的β-半乳糖酶也在一些DTP细胞中表达。此外，尽管衰老领域的常规观点是衰老细胞的增殖停止是不可逆的（与上述相关状态不同），但越来越多的证据表明衰老也是可逆的。多重基因表达签名可以识别衰老细胞，但来自不同组织的衰老癌细胞在基因表达上存在显著变异。

在癌细胞中，衰老可由遗传毒性应激（源于化疗或放疗，称为“治疗诱导的衰老”）、氧化应激或高活化的促生长信号触发。从短期来看，增殖停止对癌症治疗可能是有益的。然而，从长期来看，衰老癌细胞的持续存在可能是不利的，因为它们会创建一个炎症性微环境，从而起到促进肿瘤的作用（见肿瘤促进部分）。越来越可行且可能有益的是，通过所谓的清除衰老疗法杀死衰老的癌细胞、成纤维细胞和受影响的正常细胞，以避免衰老在癌症中的不良表型效应。实际上，来自小鼠模型的证据表明，化疗药物的几种副作用是由正常细胞的衰老诱导造成的，例如在接受化疗的小鼠中清除衰老细胞减少了骨髓抑制并改善了肾功能。衰老研究也显示，随着时间的推移衰老细胞——主要是成纤维细胞——的数量增加，而在动物模型中清除这些衰老细胞延缓了包括癌症在内的与衰老相关的疾病（见衰老部分）。

基于这些考虑，已提出了一种“一二连击”的癌症治疗方法，该方法包括先进行诱导衰老的治疗，然后进行清除衰老的治疗。从概念上讲，序贯治疗应该具有很高的协同作用，同时减少联合治疗的毒性。在应用这种方法时，一个实际的复杂性是癌细胞衰老途径的异质性，这使得找到广泛作用的清除衰老药物变得具有挑战性。例如，广泛用于衰老研究中的清除衰老药物纳维托克拉克（ABT-263，BH3模拟药）只在部分衰老癌细胞中具有清除衰老效果。最新数据表明，通过激动抗体激活死亡受体信号传导具有更广泛的清除衰老活性。清除衰老的另一种方法是利用被衰老肿瘤分泌的细胞因子（衰老相关分泌程序的组成部分，SASP）吸引的免疫细胞。在胰腺癌的临床前模型中，衰老的诱导导致CD8+ T细胞被招募至肿瘤中，从而对免疫检查点治疗产生敏感性。

尽管取得了这些初步进展，仍有许多问题有待解答。成功利用“一二连击”促衰老治疗方法将需要理解哪些促衰老药物加清除衰老药物的组合最为活跃，以及这种药物对的情境依赖性。此外，我们需要更好地理解衰老肿瘤中浸润免疫细胞的复杂性以及如何治疗性地利用它们的存在。然而，还有另一层复杂性，即在某些肿瘤中维持衰老细胞在表现上可能有益，这可能反映了它们SASP的变异性；这种功能的二分性需要进一步研究，以便微调针对衰老的治疗靶向。最后，在人类衰老大脑中，神经细胞大量表达衰老标记。因此，对于接受清除衰老治疗的年老癌症患者，定义一个治疗窗口将至关重要。使用促衰老和清除衰老治疗的成功概念验证临床研究将为这种癌症治疗方法的推广起到催化剂作用。与衰老和衰老相交织的是癌细胞、肿瘤及宿主中代谢变异的复杂影响，如下文所述。

8.代谢、饮食与癌症：系统性效应与治疗机会

图5 作为系统性疾病的癌症。癌细胞代谢、肿瘤微环境中异质细胞的代谢以及系统性代谢之间的相互关系。这些代谢间的相互作用调节癌症进展，并可能导致癌症相关的恶病质。检测这些代谢改变为早期检测和疾病监测提供了临床机会。

癌症中普遍存在的代谢和细胞能量学紊乱表明，改变的代谢不仅仅是肿瘤发生的附带后果，而是肿瘤启动和进展所选择的需求。虽然癌细胞内在的代谢变化支持肿瘤发生，但肿瘤与宿主之间的复杂代谢交流——无论是在直接的肿瘤微环境内还是在远处器官之间——都突显了我们对癌症作为一种系统性疾病的新兴认识（见图5）。

在癌变过程的早期，癌细胞被选择进行代谢重编程，最大化从微环境中产生和供应营养物，以满足异常生长所需的代谢需求。然而，肿瘤代谢与系统代谢之间的相互关系仍然很大程度上未被探索。本节我们将重点介绍这些交织的复杂性及其提供预防、检测和治疗癌症的新方法的潜力。

癌细胞利用肿瘤微环境（TME）中的非癌细胞（例如成纤维细胞、脂肪细胞、免疫细胞和神经元）提供代谢支持，并补充营养贫乏的肿瘤环境，其中贪婪的营养摄取和大量代谢废物的产生可以抑制抗癌免疫反应。在宏观环境中，肿瘤通过分泌特定的信号分子或改变营养物的可用性直接影响宿主的系统性代谢，或通过免疫系统对肿瘤的反应间接影响宿主的系统性代谢。远端器官如肝脏和大脑的代谢重编程改变了全身代谢，促进与癌症相关的系统性表现，包括转移、抗癌治疗的抗性、癌症相关消瘦症（CAC）和死亡。由于这些系统性代谢的改变很早就开始了，理解这些变化可能指导并促使设计旨在保持宿主代谢和限制晚期癌症系统性表现的策略。

癌症对身体代谢影响的一个明显例子是引发CAC的活跃分解状态，这是一种复杂的、使人衰弱的消耗综合症，限制了疗效和治疗的有效性，导致病人预后不良。CAC可能代表了正常且短暂的伤口愈合过程的破坏，这在癌症的背景下无法解决。肿瘤进展和转移导致的系统性变化如何促使肌肉和/或脂肪的丧失尚大部分未知，但可能反映了癌症与宿主之间的相互作用，导致系统性代谢失衡，偏向于肿瘤而损害宿主。因此，防止或逆转CAC的干预措施也可能限制肿瘤生长。更深入地理解CAC的不同代谢、炎症、分子和神经内分泌驱动因素及其来源于宿主或不断演变的肿瘤可能开辟新的治疗途径，不仅治疗CAC的原因和后果，还能阻碍原发性和转移性肿瘤的生长。

代谢紊乱以及健康生理状态的变化（受运动等因素影响）可以影响癌症的发展和进程，这种影响可能涉及宿主的基因组、饮食、身体状态、生理状况和微生物群之间的相互作用。大约4%至8%的所有癌症直接归因于肥胖，但随着肥胖率的迅速增长，尤其是在中低收入国家，这一统计数字预计将快速增加。虽然减少肥胖和增加规律体育活动的策略是明显的干预措施，具有预防或治疗癌症的潜力，但肥胖与癌症之间的机制联系仍然不清楚。一些重要的问题包括：是肥胖本身还是伴随的代谢扰动导致癌症发病率增加？脂肪细胞扩张是否无差别地释放促癌因素？某些个体是否对肥胖有特定的病理生理反应，使他们更易患癌症？肠道微生物群（下文将更详细讨论）的作用是什么？

规律的体育活动被认为可以预防和/或改善几种癌症类型的特定癌症生存率，显然不仅通过减少体重指数，还通过降低激素水平、抑制炎症、改善免疫功能和调节中间代谢发挥作用。新技术的出现，用于在个体水平识别体育活动的分子效应因子，将提供前所未有的机会来定义对体育活动的生理响应，这些响应可以被用于癌症的预防和控制。

通过限制癌症的营养支持或增强抗肿瘤宿主反应，影响癌细胞、肿瘤微环境（TME）或系统性宿主代谢的代谢干预措施，都可能提供新的治疗机会。然而，针对癌症中的代谢改变的治疗已被证实充满挑战，因为包括许多因素，例如针对正常细胞中必需途径可能的毒性，制造针对高丰度酶的选择性药物的难度，以及癌细胞的代谢灵活性和可塑性。将需要新的方法来克服这些限制，包括影响代谢酶的病理活动的策略，同时保持它们在正常器官中的功能。

癌症改变系统性和组织特异性代谢的能力也表明了通过监测循环或排泄代谢物的水平或类型变化来早期检测疾病的新机会。氧化还原代谢、尿素循环代谢、硫代谢（包括胆汁酸产生）、单碳和核苷酸代谢的某些方面，甚至可能是三羧酸循环（TCA循环）功能或糖酵解，都可以使用日益精细的技术系统地监测，以了解宿主、肿瘤及其相互作用的代谢情况。

饮食干预是另一条有前景的途径，最有可能在增强癌症治疗中发挥效果。禁食或模拟禁食饮食（FMDs）已被证明可以改善多种器官特异性肿瘤在啮齿类动物和人类中的治疗结果，显然是通过调节多种调控途径发挥作用，包括降低胰岛素和瘦素信号以及减轻炎症（这些也通过运动被降低）。

精准营养——选择性改变特定的膳食碳水化合物、氨基酸和脂质——提供了另一种针对癌症脆弱性的方法。减少非必需氨基酸如丝氨酸、甘氨酸和蛋氨酸的摄入可以减缓肿瘤生长并使耐治疗的癌细胞更易敏感化。此外，操纵饱和与不饱和脂肪的平衡可以直接影响膜的组成，从而损害癌细胞的存活。此外，限制胰岛素产生的低碳水化合物饮食可以增加某些癌症中针对 PIK3CA 的治疗的有效性。虽然这些饮食方法目前正在临床环境中探索，但对饮食如何影响正常生理和抗癌反应的进一步理解仍在逐步显现，并有望指导这一策略的进一步应用。

这类代谢干预的成功依赖于对癌细胞由其起源、遗传和环境所施加的需求的更深入的机制性理解，以及治疗的影响。我们还需要理解代谢及其生理和药理调节与许多控制癌症进展的系统性宿主因素的相互作用和影响，如本综述中其他地方所讨论的，包括以下讨论的昼夜节律。

9.昼夜节律与癌症：时钟作为生理和疾病的关键调节器

肿瘤-宿主动态中一个鲜为人知的方面涉及对癌细胞行为和对治疗的响应的潜在时间效应。昼夜节律描述了地球环境中光、温度和其他方面的24小时振荡，以及由几乎所有哺乳动物细胞中存在的遗传编码的分子振荡器（“昼夜时钟”）驱动的基因表达和生理的日常波动。由夜班工作、跨越多个时区旅行和居住在时区的西部边缘引起的昼夜节律的破坏，都与癌症发病率增加有关。近期的研究揭示了可能导致这些关联的机制。

哺乳动物的昼夜时钟基于一个转录-翻译反馈环，其中转录因子CLOCK和BMAL1的异二聚体推动其抑制因子PERIODs（PER1-3）和CRYPTOCHROMEs（CRY1和2）的表达。PERs和CRYs积累并失活CLOCK-BMAL1，之后PERs和CRYs被标记进行蛋白酶体降解，从而更新周期。每个已检查的器官中数千个基因表达呈现日常振荡，使得超过一半的基因组在体内某处节律性表达。几种机制促进了转录振荡，包括CLOCK-BMAL1的转录激活，以及通过PERs和CRYs对多种转录因子的抑制。有趣的是，已经显示PER2和CRY2能够影响P53，这是癌症中最常失活的肿瘤抑制因子。CRY2还促进快速增殖细胞中癌蛋白c-MYC的周转，尽管其删除似乎不影响体内健康脾脏中的MYC表达。

分子层面上，时钟与众所周知影响癌症的蛋白质（如P53和c-MYC）之间的联系，促使人们猜测这些途径的破坏可能解释了与昼夜节律异常相关的癌症发病率增加。然而，近期的研究表明可能存在其他机制，包括抗肿瘤免疫的破坏和细胞应激反应的破坏。在小鼠模型中，单个时钟组件的基因删除对肿瘤生长的影响各不相同，因此似乎不太可能通过破坏核心时钟组件的特定机制来普遍解释由昼夜节律破坏引起的癌症发病率增加。使用转化的小鼠细胞启动肿瘤，在不同时间段植入细胞导致肿瘤生长的显著差异，这表明昼夜节律调节抗肿瘤免疫反应。宿主小鼠暴露于持续的昼夜节律破坏加剧了肿瘤生长，并消除了植入时间的影响，这表明受损的免疫反应可能促进了昼夜节律破坏时的肿瘤生长。持续的昼夜节律破坏还增加了基因工程小鼠模型中KRAS驱动的肺腺癌的肿瘤负担。无偏见地分析肺肿瘤的基因表达揭示，昼夜节律破坏增加了热休克因子1（HSF1）的表达，HSF1已在多种情境下与增强的肿瘤发生相关联。需要进一步研究以确定是否降低的免疫监视和/或升高的HSF1对由慢性昼夜节律破坏引起的增强肿瘤发生是必需的。

多种机制可能导致暴露于昼夜节律破坏的人观察到的肿瘤发生增强。昼夜节律破坏还影响癌症相关的表型，包括转移和恶病质。昼夜节律破坏作为一种肿瘤促进的生活方式因素通过未知机制发挥作用，可能包括睡眠剥夺和代谢紊乱。需要继续研究，以明确这里讨论的机制的贡献以及昼夜节律破坏对多种肿瘤类型病因的额外影响。虽然很少有临床试验在其设计中包括多个给药时间和“昼夜逻辑”，但有迹象表明这样的方案可以影响化疗结果，并且在黑色素瘤的检查点阻断反应中，MEMOIR研究的新兴证据表明，晚上的适应性免疫反应不够强烈。在临床试验中记录活检收集的时间和治疗给予的时间，也将显著提高在这一领域的理解潜力。另一个系统性调节宿主和肿瘤表型之间相互作用的调节器，可能与昼夜节律相交织，涉及神经系统，如下所述。

10.神经系统的影响：神经-癌症交互的重要作用

近年来，中枢神经系统和周围神经系统已成为肿瘤-宿主互动的关键组成部分。令人兴奋的发现已将神经支配和信号颠覆确定为可能的新型肿瘤宏观和微观环境因素，无论是在脑肿瘤还是大多数其他癌症中，这使得神经-癌细胞互动最终可能成为癌症的另一个标志。正如神经系统在生命中管理生理伤口愈合、组织发育、器官形成以及稳态和可塑性一样，它似乎在癌症的调控中扮演了工具性角色。具体来说，突触和旁分泌的神经活动，以及癌症内在的神经特征，可以控制癌症的启动、生长、传播和治疗抗性；相反，肿瘤也可以负面影响神经系统甚至重新编程它，导致有害的反馈循环。此外，神经系统通过免疫系统的失调、血管生成的改变以及更广泛的系统性影响，影响癌症生物学和癌症治疗反应。

一个突出的例子是GBM（胶质瘤），其中正常神经发育的途径被劫持，将癌细胞连接成一个网络，一个涉及细胞间通信的合胞体，促进肿瘤表型。这个癌症网络接收来自真正谷氨酸能（兴奋性）神经元-胶质瘤突触的直接输入，激活网络，推动肿瘤生长。网络内的细胞群体不断受到由起搏器样癌细胞产生的自主节律活动的刺激，重现神经发育过程。GBM在大脑中的扩散——神经周围侵袭——由这个癌症网络通过其神经元-胶质瘤关联以及其他被合并的神经机制控制。值得注意的是，在人类大脑中，GBM还重塑了神经回路，如语言表征区域，发展出癌症和正常大脑之间的功能性互连，这与患者生存率降低有关。

在大脑以外，肿瘤分泌生长因子（例如，神经生长因子，NGF），吸引周围神经的支配，甚至可以重新编程它们。已证明交感神经、副交感神经和感觉神经的支配可以通过神经因子的旁分泌推动全身大多数癌症部位的肿瘤生长、侵袭、转移和治疗抗性。目前正在探索基于这些神经-癌症互动的新治疗途径。

肿瘤和癌症治疗如何负面影响患者神经系统的一个重要例子是疼痛感觉。与前列腺癌、乳腺癌和肺癌的转移相关的严重骨痛可严重影响生活质量。阿片类药物仍是癌症疼痛管理的主要手段，但耐药性、依赖性和痛觉过敏的长期后果是问题所在。强效镇痛药利多卡因具有止痛和抗肿瘤活性以及对免疫反应的影响，这与神经-免疫癌症轴在治疗方法中的重要作用相一致。针对疼痛治疗的新方法的临床试验，如使用中和免疫源性介质（如NGF或TNF）的抗体来阻断对中枢神经系统的输入，显示出前景（NCT02609828）。同样，正在第三阶段试验中评估的小分子通道阻断剂也旨在减轻与癌症相关的疼痛。疼痛控制正成为管理和治疗癌症的一个日益重要的方面，带来了令人鼓舞的希望。

未来转化癌症神经科学的研究将需要解决三个主要问题：（1）绘制神经-癌症互动的世界（例如，突触、旁分泌和系统性互动），包括对不同肿瘤实体和疾病阶段相关的神经递质、神经营养因子、神经肽和激素的分类，结合分子成像、循环生物标记物以及新切除的肿瘤组织的形态学、神经生理学和分子分析，需要开发专门的方法；（2）开发信息丰富的生物标记物，以监测特定患者中的神经-癌症互动；（3）确定最佳的组合治疗伙伴，例如免疫疗法，作为新兴的神经-免疫-肿瘤学领域的一部分。由于有超过100种药物在神经学、精神病学和内科被批准用于靶向神经信号传导途径，药物再利用可能被证明是富有成效的，如通过抗癫痫药物帕拉潘奈尔针对AMPA受体亚型的刺激性神经-癌细胞突触的临床试验，或针对类神经癌细胞网络的美克洛芬酸治疗（EudraCT 2021-000708-39）。此外，针对癌细胞窃取的早期神经发育调控因子以及癌症特异性神经互动的药物开发展现出了充满希望的途径。虽然干扰正常的神经传递可能导致需要监控的副作用，但理解在推动肿瘤生成中特别涉及的介质和受体应当产生基于更精确的机制洞见的治疗靶点。

总之，最近发现的密切的神经-癌症接口为我们对癌症的更广泛理解开辟了新的视野，包括调节认知或其他神经状态可能损害关键癌症表型的可能性。未来的研究将确定这些新兴知识是否可以用于开发新的治疗策略。

11.平衡：肿瘤防护的经验

前述关于宿主如何调节肿瘤发展和恶性进展的例子主要关注了促进肿瘤的交叉点。相反的考虑是人类行为和环境暴露保护免于肿瘤启动的潜力。最近的研究揭示了雄激素和内分泌系统等性激素在这些互动中的作用，并揭示了它们如何调控抗肿瘤免疫和T细胞检查点反应的机制。这种交流与关于自身免疫和传染病的知识一致，例如，生物性别与疫苗介导的免疫反应的发生率和强度的明显差异相关。一个明确的例子是生育和哺乳的持续时间，这两者都被证明对母亲和孩子都有积极的健康益处。怀孕和哺乳与乳腺癌和卵巢癌的防护有关，尽管短期内风险会上升，而且晚年全因死亡的风险较低。哺乳每增加12个月，乳腺癌的风险减少4%，此外每生育一次，风险减少7%。哺乳特别降低了三阴性乳腺癌（TNBC）的风险。认为与怀孕相关的乳腺癌保护机制与乳腺上皮细胞的成熟有关，使其不易转化，并通过闭经减少循环雌激素。

先前的研究已确定乳腺癌早期T细胞浸润的高水平具有积极的预后效应，特别是在TNBC中。例如，一小部分具有组织驻留表型的T细胞显示出高度的增殖和细胞毒性，这对持久的抗肿瘤反应至关重要。最近使用小鼠模型的研究报告了驻留记忆（TRM）表型T细胞在免疫保护中防止乳腺肿瘤再次挑战的关键作用，表明TRM可能对防止乳腺癌有帮助。健康、未受癌症影响的乳腺组织包含多种免疫细胞，包括髓系、自然杀伤（NK）细胞、B细胞和T细胞，这些细胞不表达高水平的T细胞抑制性检查点分子。鉴于这些流行病学数据，未来的工作应寻找免疫机制的证据，这可能解释哺乳、怀孕与乳腺癌长期防护之间的关系。怀孕后数年，人类乳腺的基因表达模式显著改变，特别是免疫相关基因的上调。怀孕本身通过三个孕期引起母亲肠道和阴道微生物群的巨大变化。众所周知，母乳中含有丰富的微生物群，整个哺乳阶段都在变化。在初乳样本中，魏斯氏菌、乳酸乐斯菌、葡萄球菌、链球菌和乳酸球菌是主要种类。相比之下，1个月和6个月时，母乳中通常在口腔中发现的微生物（例如，威尔氏菌、利普托里希亚和普雷沃氏菌）显著增加。总的来说，母乳中可以包含多达600种不同的细菌物种，这可能最终影响母亲和孩子的免疫谱。

研究怀孕期间和产后的炎症与微生物变化，以及母乳的成分，主要集中在对婴儿的益处上，但尚未深入探讨这些效应如何长期造福于母亲，以及如何有助于对乳房局部微环境的免疫监控。进一步研究性激素在各种生殖阶段的变化，无论是在女性还是男性身上，以及它们如何改变抗肿瘤免疫，可能有助于阐明控制癌症保护及进展的基本分子机制，不仅限于对激素敏感的器官。

12.血栓炎症与癌症

血栓栓塞是血管由于病理性凝血形成阻塞的状况。这是癌症患者主要死因之一，与预后不良有关，这种预后无法仅通过癌症分期来解释。与普通人群相比，癌症患者的血栓形成风险高出9倍，且癌症相关的血栓栓塞发生率正在增加。

图6 血栓炎症与癌症。凝血系统和先天免疫系统之间的相互作用在肿瘤的发展和生长过程中起着重要作用。中性粒细胞和肿瘤细胞之间的早期相互作用，包括中性粒细胞产生的中性粒细胞胞外陷阱（NETs），促进休眠肿瘤细胞的唤醒、肿瘤生存和免疫逃逸。后期血小板和肿瘤细胞之间的聚集促进了肿瘤在血管内的生存和肿瘤扩散。通过肿瘤特异性机制（如组织因子的释放）激活凝血，增加了癌症相关血栓形成的风险。

血栓形成的潜在倾向与一个失调的血栓炎症反应有关，该反应涉及凝血和炎症介质之间的相互作用（见图6）。中性粒细胞作为最丰富的髓系白细胞，通过释放中性粒细胞胞外陷阱（NETs）促进血栓炎症，这是一种由组蛋白、蛋白酶和DNA组成的带负电的复合物，能激活血栓形成。多种癌症类型还会分泌组织因子，这是体内凝血的主要激活剂。较高的组织因子血浆水平与较差的癌症分期、较差的预后和血栓形成风险相关。

血栓炎症可能促进肿瘤生长和扩散。假设肿瘤细胞-血小板聚集体能促进肿瘤迁移。升高的血小板计数是预后不良以及血栓栓塞风险的标志。GBM的小鼠模型表明，血小板通过Podoplanin与肿瘤细胞结合，升高的Podoplanin血浆水平与更高的血栓栓塞风险和患者更低的生存率相关。

在小鼠和人类的研究已经确定了肿瘤内中性粒细胞的数量和类型与疾病进展之间的关联。中性粒细胞的表型受环境影响，许多类型的癌症诱导中性粒细胞发挥强大的免疫抑制和促血管生成功能，促进肿瘤生长和/或扩散。从这一观点出发，新的证据也揭示了中性粒细胞的抗肿瘤活性以及通过促进细胞毒性T细胞的教育和激活作用的肿瘤衍生因子。

除了这些功能外，NETs的释放已被显示可促进肿瘤细胞在血管内的困住，通过物理屏障肿瘤免受细胞毒性T细胞的作用或通过重塑其局部微环境唤醒休眠癌细胞，从而促进转移（见图6）。相反，NETs也可以是细胞毒性的，并已显示可以通过相关的蛋白酶和组蛋白的作用杀死肿瘤细胞。

在治疗癌症患者过程中，许多因素可能改变血栓风险，包括手术、化疗、感染和静脉注射治疗药物。需要进行一项大规模的队列研究，对接受治疗的癌症患者定期测量多个生物标志物，以帮助识别可能用于定义个体风险随时间变化的风险生物标志物。未来的检测开发应寻找可靠的全球性血栓风险标志物，以允许更灵活和个性化的方法。这引出了一个问题：一旦我们能识别风险，我们能做些什么来减轻它吗？

使用低剂量抗凝药（血栓预防）来预防静脉血栓栓塞在高风险癌症人群中是有效的。然而，由于这种治疗可能导致出血的风险，目前尚无足够证据支持在所有癌症患者中使用血栓预防。临床评分，最经验证的是Khorana评分，可以识别一些但不是所有高风险患者。目前正在试验用于治疗癌症血栓的新型抗凝剂，如因子XI抑制剂，这些药物旨在“解耦”止血与血栓形成（NCT05171075）。未来的随机对照试验应研究它们在预防血栓方面的有效性。

为了改善癌症患者的预后，我们需要理解血栓炎症的作用，并开发方法在整个癌症管理过程中监测血栓风险，以改善预防和治疗策略。

体细胞突变在造血干细胞中的存在与增加的中性粒细胞胞外陷阱（NET）形成和血栓形成的促进相关联，无论是在血液恶性肿瘤的背景下还是在克隆性造血中（例如，在骨髓增生性肿瘤或克隆性造血中的JAK2V617F突变）。

意义未明的克隆性造血（CHIP）是一种随年龄增长而出现的现象，其特征是没有明显血液克隆疾病的个体的造血干细胞中存在与白血病相关的体细胞突变。这些突变的造血干细胞产生了改变的免疫后代，影响宿主免疫。CHIP中最常见的突变被认为是通过增加炎症细胞因子的产生促进髓源性炎症。

此外，CHIP与非血液癌症有几种联系。CHIP与发展实体瘤的风险增加有关，如肺癌、肾癌、淋巴瘤和肉瘤。大约20%至30%的癌症患者中观察到CHIP，它受到抗癌治疗的影响，并与通过原发性非血液肿瘤的进展增加死亡风险相关。然而，关于CHIP中免疫功能障碍与抗肿瘤免疫在肿瘤启动、进展和对治疗的反应之间的关系知之甚少。未来针对CHIP背景下的肿瘤-免疫的研究有望揭示预后生物标记物，并可能通过抗炎干预来减缓疾病的启动和进展。

13.微生物组与癌症：疾病发病机制、治疗反应和治疗靶向

除了上述讨论的因素外，另一个超越宿主本身的环境复杂性涉及人类微生物组，它由微生物及其基因组构成。越来越多的证据表明，微生物组在人类恶性肿瘤的疾病发病机制和治疗结果上有着深远的影响，近期的研究将多态性微生物组突出为癌症的一个标志性表型特征。肠道及其他组织的微生物组对癌症的发病机制及治疗反应有影响，同时也引出了肿瘤内微生物组的有趣含义。

肠道内的微生物通过多种机制对免疫和癌症产生多样化的影响。它们可以直接调节促进癌变的细胞成分，例如在结直肠癌中，还能影响系统性和抗肿瘤免疫。肠道菌群在塑造对免疫检查点阻断的反应方面的重要性首先在临床前模型中得到证明，并迅速通过人类队列的标志性研究得到验证，现在通过多项研究表明肠道菌群与人类癌症的预后关联。重要的是，我们正逐渐清晰了解肠道菌群的分类和功能特征与免疫治疗的反应和抗性之间的关联，数据表明肠道中不利的菌群与系统性炎症和抗肿瘤免疫功能受损有关，且不良事件的风险增加。最近的研究还表明，饮食摄入可以影响肠道菌群及免疫治疗的反应和毒性，从而为治疗干预提供了一个可操作的角度。

核酸测序和成像分析揭示了各种人类癌症中肿瘤内微生物的存在。肿瘤类型的微生物组成和负载与某些肿瘤类型的治疗反应和患者生存率相关联。多组学方法的进步为口腔和结直肠肿瘤微环境中肿瘤内微生物的作用提供了机制性见解。最初，肿瘤内微生物组研究集中在胃肠癌和微生物可接触的粘膜部位。然而，在2020年，两项标志性研究报告了许多实体癌类型中特定于肿瘤类型的细菌群落，暗示了涉及癌症患者血液中细菌核酸的诊断潜力。一项研究报告称，非胃肠道癌症中的肿瘤内细菌主要是细胞内的。同样，也报告了特定于癌症类型的肿瘤内真菌群落。然而，最近的数据重新分析提出了关于肿瘤类型特异性微生物组普遍性的重要疑问，尤其是在癌细胞内部，突出了数据集中的微生物污染、微生物参考资料中的人类DNA污染和机器学习问题。对细菌成像的重新分析质疑了细菌在乳腺癌上皮细胞内的定位，而是暗示它们存在于巨噬细胞和间质基质中。在胰腺癌中重现关于肿瘤内真菌的发现也面临挑战。因此，尽管有令人信服的证据表明特定癌症类型中存在感染肿瘤的微生物，如结直肠癌，现在关于真正肿瘤类型特异性微生物组在人类癌症类型中的普遍性存在争议。需要进一步的研究来确定肿瘤内细菌和真菌群落的存在是特定案例独有的还是更广泛的现象，以及它们在哪些癌症类型中最为普遍和功能上有影响。

越来越多的证据支持调节微生物群作为增强癌症治疗效果的策略，包括粪便微生物移植或接种以明确机制为指导的微生物种类。其他策略包括通过靶向抗生素方法消除肿瘤微环境中促进肿瘤的物种。随着我们前进，制定评估病原（和有益）微生物的标准化方法将变得至关重要，这些微生物作用于远离它们自然栖息的肠道和粘膜组织的地方，以及肿瘤内部。我们必须加深对肠道和肿瘤内微生物如何直接和间接塑造癌症发病机制的机制性理解，从而影响患者结果。一个相关的机会是利用这些信息来识别基于微生物的癌症预防或预后生物标记物，以帮助设计和测试旨在调节微生物从而更好地治疗癌症的治疗策略，最终甚至预防或拦截恶性转化。

14.未来策略旨在利用癌症的复杂性

基因工程（及传统的癌症细胞移植）小鼠模型已经用于研究人类癌症40年，阐明了多步骤肿瘤形成和恶性进展的机制，并越来越多地用于研究对疗法的响应和适应性抗药性，后者得益于组建年龄和疾病相匹配的队列进行临床前试验的可能性。然而，本文讨论的癌症复杂性的广泛范围无法完全在这些模型中得到解决，包括评估基因-环境（GxE）相互作用的影响。对大型人类队列的研究，如英国生物库和“我们所有人”，使我们意识到包括人口结构、种族背景和环境暴露在内的混杂因素对遗传分析和治疗靶向结果的重大影响。这个简单的教训本质上是观察性的，生物医学实验者还没有有效地接受它。因此，不足为奇的是，在近交动物中进行的实验，旨在支持人类遗传学所暗示的基因型与表型之间的因果和机制联系，可能无法转化到人类上。这些遗传受限的实验模型引发了关于动物模型用于癌症研究的局限性的讨论，并助长了一种观点，即人类是研究人类疾病的最佳模型，尽管现实是在人类中进行实验来全面解决基本机制是非常困难甚至不可能的。展望未来，为了应对癌症复杂性的挑战以及将其研究成果转化为更好的人类癌症治疗，我们设想将不断完善和利用其他模型系统，包括在遗传多样性的小鼠模型和包含人类细胞和组织的体外模型中。

在一种用于模拟癌症中GxE效应的方法中，可以利用小鼠的遗传多样性。通过在遗传参考群体（GRP）中进行研究，如BXD和协作交叉GRP，或在杂交小鼠中，如多样性杂交小鼠，可以实现这种多样性，这些小鼠总体上捕获了90%的实验室小鼠中的遗传变异，超过了人类中存在的遗传多样性。这种遗传多样性的小鼠不仅可以用来研究保护性或易感性的遗传扰动对癌症发展的影响（例如，生成与携带致癌基因的菌株交叉的F1动物），还可以用来研究环境修饰因素，从饮食挑战、压力到药理干预。这种小鼠的纵向人群研究有望（1）模拟人类群体中存在的遗传多样性，（2）研究GxE相互作用，（3）允许获取内部肿瘤和组织进行分子表征，以及（4）通过数量性状位点（QTL）分析确定负责特定表型的基因。未来的一个未解决的技术挑战将是开发有效的方法，用于遗传工程杂交癌症模型，以产生与相应人类癌症携带相同致癌突变的器官特异性肿瘤，这些模型适合进行临床前试验。当然，癌症领域通过拥抱遗传多样性来模拟肿瘤的启动和进展，并利用这些模型进行新的癌症药物和机制引导的组合的临床前试验，有很多收获，推动知识及其在癌症医学中的应用。

除了各种人类癌症的小鼠模型之外，我们设想涉及人类细胞和组织的体外系统将日益精细化，并被创造性地应用于阐明癌症复杂性的机制，并开发用于测试治疗假设和指导个别癌症患者治疗决策的“精确/个性化”检测。一旦明显地认识到组织干细胞，单独或与基质细胞一起，可以在三维基质中体外繁殖成类似组织的结构，器官样培养体的使用便开始增多，作为简化的二维培养和体内人类生物学复杂性之间的桥梁。器官样培养体提供了一种方法，可以在三维中体外繁殖肿瘤，代表母体肿瘤的病理特征，因此扩展了适用于实验的患者衍生模型系统的数量，以补充来自小鼠模型的观察。器官样培养体可以从成体组织或癌细胞特异性干细胞以及多能干细胞（诱导性或胚胎性）建立，尽管后者在忠实地重现生化信号和组织/肿瘤发展的空间组织方面有额外的挑战。

除了各种人类癌症的小鼠模型之外，我们设想涉及人类细胞和组织的体外系统将日益精细化，并被创造性地应用于阐明癌症复杂性的机制，并开发用于测试治疗假设和指导个别癌症患者治疗决策的“精确/个性化”检测。一旦明显地认识到组织干细胞，单独或与基质细胞一起，可以在三维基质中体外繁殖成类似组织的结构，器官样培养体的使用便开始增多，作为简化的二维培养和体内人类生物学复杂性之间的桥梁。器官样培养体提供了一种方法，可以在三维中体外繁殖肿瘤，代表母体肿瘤的病理特征，因此扩展了适用于实验的患者衍生模型系统的数量，以补充来自小鼠模型的观察。器官样培养体可以从成体组织或癌细胞特异性干细胞以及多能干细胞（诱导性或胚胎性）建立，尽管后者在忠实地重现生化信号和组织/肿瘤发展的空间组织方面有额外的挑战。

肿瘤来源的切片和芯片上器官技术提供了解决这些挑战的额外方案，它们可能通过允许适当的和多样化的人类癌症模型及其代表性的肿瘤微环境来增强癌症药物的发现和开发。芯片上器官技术提供了更为复杂的疾病模型，利用微流控技术模拟组织界面，并开始重现复杂的肿瘤微环境，允许研究肿瘤/基质相互作用和抗癌药物测试。患者来源的肿瘤切片通过培养新鲜肿瘤组织的碎片或厚切片（振动切片机切片）启动，允许短期内维持母体肿瘤的组织病理特征。由于可以维持肿瘤的空间形态，这些方法可能提供结合体外药物测试与生物标记物分析的能力，以识别药物反应的预测因子，并解析肿瘤微环境对药物反应和抗性的影响。

患者来源的异种移植模型（PDX）小鼠也便于在人类肿瘤的免疫缺陷背景下进行体内药物测试；部分“人源化”的PDX小鼠具有人类免疫系统的某些特征，进一步扩展了它们评估免疫疗法的用途，尽管需要进一步改进才能完全模拟人类对人类肿瘤的免疫反应在小鼠宿主中的复杂性和多态性。此外，PDX模型操作繁琐、成本高昂，在许多情况下无法复制人类肿瘤及其微环境的复杂性和异质性。患者来源的肿瘤碎片（PDTF）通过允许体外测试新药对从患者获得的多个肿瘤碎片的影响来解决其中一些问题。PDTF平台允许对新鲜或冷冻的肿瘤碎片进行干扰，保留原始肿瘤的微环境，尽管只是短暂地。关键的是，一项研究显示，PDTF体外对检查点抑制剂的反应与同一患者对抗程序性细胞死亡蛋白1（anti-PD1）药物的临床反应高度一致，说明了这个平台的潜在价值。虽然在某些方面仍有局限性（如碎片的短期存活性和先天免疫细胞及功能性血管的丧失），我们设想该平台的进一步改进将显著促进我们对癌症治疗在人类肿瘤的复杂性和异质性中的反应（和抗性）的理解。

过去二十年来研究针对靶向治疗的耐药性揭示了一个主要的抗药机制：通过二级突变重新激活被药物抑制的信号通路。通过抑制癌细胞依赖的信号，我们可以引导癌细胞朝着更高信号的方向演变。这引发了一个问题：我们是否也能引导癌细胞朝相反的方向演变，即通过减少致癌信号通路发展成为较不恶性的表型。在考虑这一概念时，重要的是要认识到癌细胞努力优化而非最大化有丝分裂信号。与此一致的是，新兴证据表明，在癌细胞中进一步刺激有丝分裂信号可以像抑制这些信号一样具有毒性，通过进一步激活细胞应激反应通路。事实上，动物模型中结肠癌的致癌信号过度激活与抑制相关应激反应的组合治疗非常有效。值得注意的是，对这种组合的抗性与致癌信号的下调和致癌能力的丧失相关。在这种治疗方法中一个明显的问题是，衰老体内许多看似正常的细胞携带致癌突变（见肿瘤促进部分）。这些细胞可能会被进一步激活致癌信号的药物刺激扩展。然而，在癌前状态的小肠腺瘤动物模型中，用氯化锂处理增加Wnt信号与腺瘤形成的减少而不是增加相关，表明在癌前状态中也存在一个“刚刚好”的情境，更多的致癌信号并非更好。一致地，流行病学研究显示，用氯化锂长期治疗双相情感障碍患者与较低的结直肠癌风险相关。尽管这种矛盾方法的风险和障碍必须得到解决，但通过故意超激活致癌信号引导癌细胞朝着较不恶性的表型发展，为未来的癌症治疗提供了希望。

15.将研究成果转化为患者治疗：下一代临床试验

许多基础科学的发现为我们提供了关于肿瘤形成早期步骤的信息。因此，有机会发展针对早期癌症和预防平台测试药物的临床试验。两种不同类型的术前试验代表了药物开发和临床转化的有吸引力的设计。首先，新辅助临床试验评估在手术前几个月治疗性给药的药物效果。这些试验还允许调查抗药性的机制。其次，窗口期机会试验并不旨在评估药物效果，而是特别适合探索新药的作用机制和在癌症治疗开始前短期内（通常是几天）给药的药效动力学。此外，在预防设置中，将研究分为初级、次级和三级是一个吸引人的框架，如果得到科学社团的认可，可能对未来的药物开发有用。初级化学预防研究描述了在高风险个体中使用药物预防癌症的用途。精确定义临床、基因组、人口统计和环境因素，能够突出高风险患者群体，将是开展此类研究所需的。这种能力可能通过结合流行病学和临床前研究实现，得益于临床数据收集能力的提高，包括数字化人工智能辅助的肿瘤病理学。作为治疗效益早期指标，需要新的生物学终点来捕捉与癌症发展受损相关的治疗效果。次级化学预防研究指的是在已确诊前癌症患者中评估潜在干预措施。在此治疗背景下，需要对临床前空间的有前景的药物进行多种癌症适应症的前瞻性随机评估。三级化学预防研究涉及减少癌症复发风险的方法，无论是局部还是在其他器官部位。在这一类别中，循环肿瘤DNA将作为一种工具在非侵入性检测最小残留疾病（MRD）中发挥越来越大的作用，作为生物标记和治疗效果的早期终点，因为这项技术能够检测并确定临床影像学无法识别的微转移疾病的治疗反应。

由于癌症是由生物机制驱动的疾病，除了基于发病器官的当前分类系统外，还需要建立基于疾病生物学的新分类系统。多组学分类可以通过器官不依赖的临床试验显著加速针对生物途径的药物开发。本文前面的部分已经表明，癌症是由多种相互关联的生物机制驱动的复杂疾病。因此，应将这些复杂性整合到重现每个癌症患者完整生物学的肖像中。尽管目前在扩大患者数量上验证多重分析中各个组成部分的效用仍是一项挑战，但正在开发测试这些多重、全面的癌症分子肖像的临床效用的试验。此外，癌症治疗的未来几乎肯定是一种结合多种癌症药物类别的组合治疗，这些药物能够破坏肿瘤驱动机制以及系统表现。因此，随着对驱动癌症复杂性及其致病效应的分子和细胞机制的知识进展，这些和其他创新的临床（和临床前）治疗试验设计将有助于将结果转化为癌症患者的利益。

16.结束语

提高癌症患者的生命质量仍是癌症研究的首要目标。展望未来，提高生命质量和寿命（“无病癌症”）、减轻症状负担、提高医疗保健的可持续性、可负担性和可及性，面临着巨大但最终可解的挑战，这需要通过更好地理解疾病的复杂生物学来实现，无论是局部还是全身，正如本文所详细说明的。

尽管我们对这种疾病的理解有所进步，但预计在未来20年内癌症发病率将增加20%至50%，部分原因是人口老龄化、肥胖率上升以及多方面的环境因素对癌症的发生和恶性进展的影响。这一现实要求持续投资并加倍努力应对其复杂性。此外，早发性癌症的发病率正在上升，其原因尚不清楚。在新时代解决癌症复杂性问题时，一个总体问题涉及疾病的系统表现以及环境暴露和影响——从公认的和隐秘的污染到不健康的饮食、微生物群等——对多步肿瘤形成、恶性进展和治疗抗性的影响。成功地阐明和应对这些复杂性将受益于吸纳具有非肿瘤学领域专长的科学家和临床学者进入癌症研究领域，如数据科学、数学建模、神经科学、炎症和自身免疫、衰老、代谢学、内分泌学和肌肉生理学。这种专业和能力的扩展将需要跨学科和国际边界的新资金和研究机会，超越传统的（主要是政府的）资金机制。类似于慈善基金会支持的CRUK/NCI癌症大挑战计划的努力，特别旨在鼓励多学科合作，以解决本文概述的诸多问题。此外，在全球临床学术培训和职业道路受到威胁的时刻，迫切需要重振临床学术MD/PhD培训计划，以及代替正式PhD的MD后研究奖学金，并开发创新的计划和资金机制，为医生科学家“购买”保护时间，以实质性地参与转化研究。

可以理解的是，很多努力都集中在治愈这种疾病上；虽然这是一个适当的战略目标，但由基因组不稳定性、突变演化和表观遗传可塑性使能的癌细胞的新达尔文适应性表明，所有形式的癌症可能永远无法完全治愈。然而，乐观地看，阐明和针对使癌细胞表型可塑性和灵活性的机制，通过肿瘤形成、恶性进展和对治疗的适应性抵抗，可能提供将癌症转变为慢性、大多数无症状的疾病的机会，从而提高癌症患者的生存率和生活质量。衰老与癌症之间的联系超出了突变的积累。了解器官/组织和肿瘤景观如何随年龄和不同环境暴露发生变化，以及这些变化如何影响癌症进化的所有阶段——从选择启动克隆到转移——将是在癌症战争中赢得更多战役甚至战争的关键。

在未来二十年中，随着世界面临人口老龄化，癌症将影响至少三分之一的人口，全球发病率将上升，本文可能为旨在解决其中描述的复杂性的倡议提供一个合理的框架。这些倡议旨在防止癌症的发生，减少有症状癌症的发生率，更早诊断癌症，并在减轻痛苦的同时延长受这种令人畏惧的疾病影响的人的生命质量和数量。