第二章　肺癌发病机制及早期肺癌病理学

在当今时代，随着科学和医疗技术的发展，一系列由外在因素引起的人类肺部疾病发病数量大幅减少，如大叶性肺炎等；或很难引起大规模的人群发病和死亡，如传染性出血热等。而过去令人恐惧的疾病，现在成为能够被控制和治愈的平常肺部病变，如结核病等。当这些外在因素引起的疾病能够被控制和治疗从而大量减少后，另一类疾病就凸显了出来：与分化发育和老化有关的疾病，如儿童在免疫功能没有完全成熟时发生的感染性肺部疾病和过敏性肺部疾病等，这些疾病是人类个体发育过程中出现的问题。在这一类疾病中，多数随着年龄的增加，免疫组织器官成熟，发病数量会减少；在个体成熟后，这一类疾病的症状将减轻或消失。在成年后，与个体组织器官修复和组织细胞分化发育有关的疾病表现得更明显，并成为临床工作中面对的主要疾病。这类疾病包括了肺部各组织成分的病变，如慢性阻塞性肺疾病、特发性肺间质纤维化等，而其中最为突出的就是肺部肿瘤。肺部肿瘤可以发生在各个年龄段的人体的所有肺组织内，是目前临床医师最为关注的肺部疾病。

有关肿瘤的定义依据不同的学科有不同的描述，可以参见相关的教科书和文献，在此将不再复述。肿瘤具有两个特征：无序的生长和浸润转移。肿瘤无序生长的结果是形成大的肿块或大量的无功能细胞，对相邻的组织器官进行挤压与压迫，占据功能细胞的位置，使正常组织细胞的功能不能发挥，而导致组织器官功能衰竭；大量的肿瘤细胞生长，可将机体内的营养物质消耗殆尽，其代谢产物对机体细胞产生毒性作用，导致机体衰竭；肺部肿瘤在无序生长时产生的细胞成分，与其来源肺组织细胞成分相似或相同，可在肿瘤内发现肺细胞分化过程中出现的细胞成分。虽然肺部肿瘤组织具有正常肺组织细胞分化时的细胞成分，但肺部肿瘤组织与正常的肺组织器官有明显的区别，表现为组织结构的紊乱，既不具有正常肺组织结构的有序性，也不能构筑形成有功能的肺组织结构，这一特性是肺部肿瘤的根本特性，是诊断肺部肿瘤的根本点。而肺部肿瘤的浸润转移，可以破坏其周围组织器官的结构，并在远离肿瘤部位的组织器官内生长，引起受累组织的功能破坏。根据组成肺部肿瘤团块的细胞的分化程度和浸润转移能力的不同，可以将肺部肿瘤分为良性肺部肿瘤和恶性肺部肿瘤。良性肺部肿瘤由高度分化的细胞和成熟的细胞构成，与正常的肺组织器官相比，仅发生结构紊乱而不具有浸润转移能力。恶性肺部肿瘤可以认为是由不同的分化阶段细胞构成的组织结构紊乱的具有浸润转移能力的细胞团块。上皮性恶性肿瘤即为癌，而肺部组织中最主要的恶性肿瘤是肺癌。

为更好地了解肺癌的起源细胞，需要了解肺部组织结构的相关知识。详细内容请参考相关文献。肺由气管、支气管、小支气管、细支气管、终末细支气管、呼吸性细支气管、肺泡管、肺泡囊和肺泡构成。气管、支气管、小支气管、细支气管在肺内分支至终末细支气管，是气体出入肺的管道，称为肺的传导部；这些结构由上皮细胞覆盖，随着气道的变小，上皮层由假复层纤毛柱状上皮细胞层逐渐变为单层纤毛柱状上皮细胞层。呼吸性细支气管、肺泡管、肺泡囊和肺泡是气体交换的部位，称为肺的呼吸部；呼吸性细支气管管壁上皮细胞由单层纤毛柱状上皮逐渐变成无纤毛的单层柱状上皮或立方上皮细胞。接近肺泡管的管壁上皮细胞逐渐的变为单层扁平上皮；肺泡内表面衬以一层连续性扁平的Ⅰ型上皮细胞，以及常单个或几个成群地嵌在扁平细胞之间略向肺泡腔突出的立方形Ⅱ型上皮细胞。在肺部慢性炎症以及其他致病因子的长期作用下，肺部的上皮细胞特别是气管和支气管的上皮细胞可以转分化为鳞状上皮细胞。这些上皮细胞（包括转分化的鳞状上皮细胞）可形成肺癌，是肺癌的起源细胞。

在肺部组织结构成熟后，其气道内上皮细胞是由成体干细胞来维持的。肺内不同部位的组织来源于不同的干细胞。软骨性气管与支气管的上皮细胞来源于基底层干细胞。在细支气管和肺泡交界处的Clara细胞，以及肺泡上皮的Ⅱ型细胞，之前均被认为可能是肺组织的干细胞。而肺神经内分泌细胞也可能成为肺组织的干细胞。另外细支气管与肺泡交界处存在一种向Clara细胞和肺泡细胞分化的细胞，该群细胞表达Clara细胞和Ⅱ型肺泡上皮细胞的表面标志，具有自我复制的能力，能分化形成细支气管和肺泡。有研究证明以前观察的Clara细胞和肺泡Ⅱ型上皮细胞是这群细胞的子代定向分化的细胞，因此这群细胞也被认为是肺组织的干细胞。目前一些研究者猜测肺部的干细胞就是肺癌的起源细胞，然而到目前为止，没有证据显示肺癌的起源细胞仅限于肺部干细胞。

任何肺癌的发生学说，需要能完全解释肺癌的特性。肺癌与其他肿瘤的本质特性一样，表现为不均一性，即肿瘤的异质性。肿瘤的异质性包括了三个方面的意思。一个方面是从人群角度出发，肺癌在不同的个体中的表现具有差异性。同一种肺癌，在不同的个体中呈现出不同的特性。第二个方面是指同一种肿瘤在个体内不同阶段的差异性，即早期的肿瘤与晚期的肿瘤在细胞构成、对治疗的反应等都有差异性。这两方面的差异性，体现出个体本身的差异性。肺癌在个体中的差异性，是临床上寻找肺癌预后的判断指标和进行个体化治疗的动力。

肺癌异质性的第三个方面是指在肺癌组织内，肿瘤细胞结构构成与成分的差异性，包括了肿瘤组织结构的不均一性和细胞成分的不均一性两个方面。肺癌组织结构异质性包括了构筑肺癌组织细胞的不均一性和间质构筑的不均一性。在一个肺癌组织内，不同部位的肺癌细胞的结构是有区别的。分化较高的部位，可形成与来源组织类似的结构：如在肺鳞癌内，肿瘤细胞可形成类似表皮样的结构，并可形成角化珠；在肺腺癌组织内，分化较为成熟的肿瘤细胞，可排列形成腺体样结构。而在分化低的部位，肿瘤细胞可成团排列，形成肿瘤细胞团块，有时可呈弥散状分布，没有来源组织的结构，在这些区域，很难判断其肺组织来源。总之，在肺癌组织内，肿瘤细胞的排列不均一，不同部位的肿瘤细胞的排列是不同的。这种肿瘤细胞的构筑的不均一性，在低分化的肺癌中，是判断肺癌来源的难点之一。

肺癌组织中的间质包括血管、结缔组织等，同时也可能包含来源组织的特异性间质，如骨肿瘤可包含骨基质，软骨的肿瘤组织内包含有软骨基质等。在肺癌组织内，肿瘤的间质分布是不均匀的。肺癌组织内结缔组织和组织特异性的基质的分布是不均匀的。有些部位结缔组织多，有些部位结缔组织少。同样，肺癌内，有些区域内的血管含量高，而在另一些部位，血管较少或很难检测到血管。由于血管分布的不均匀，使肺癌细胞的营养与氧气供应不同，使肿瘤细胞的生长表现不同，可影响肺癌细胞对治疗的反应，导致治疗效果的差异。肺癌组织构筑的不均一性，同时也可以提供肺癌来源组织的信息，在低分化的肿瘤中，在大量的不能确定的结构中，有可能找到一些与来源肺组织结构相似的组织构筑，可以帮助确定肺癌的组织来源。另一方面，在高分化肺癌中，其组织构筑与来源的组织结构非常一致，很难获得信息来确定其是否是肺癌，在这些肺癌中，往往可在肿瘤组织中发现较幼稚的组织结构而被确定其具有恶性肿瘤特征。

肺癌细胞异质性包含了两个层次的意思：在整个肺癌组织中，其结构由细胞组成成分不同的多种细胞团块构成；而每一个细胞团块也是由不同细胞构成的，即一个肺癌细胞团块内，其构成的癌细胞是不均一的。在肺癌中，不同的区域内，肺癌细胞形成的细胞群是不一样的。如在肺鳞癌中，一些癌细胞可形成比较成熟的细胞结节，其结构与皮肤的结构相似。而在另一些区域内，癌细胞构成的细胞结节，由分化低的细胞构成，不能区分出其细胞成分。

在肺癌细胞层面上，肺癌细胞的组成是非常不均一的。在同一个肺癌细胞的团块或结节内，其癌细胞的成分是不一样的。如前面提到的肺鳞癌的高分化的细胞结节，是由不同分化阶段的细胞组成。而在低分化的肿瘤细胞结节内，在表面上，这些癌细胞是比较均一的，但是，仔细分析就会发现，其实这些细胞团块内的癌细胞是不均一的。癌细胞的不均一性表现在肺癌细胞增殖的不均一性、肺癌细胞表面的标志不相一致性、肺癌细胞对宿主免疫攻击的强弱不等、肺癌细胞内的代谢不同、对治疗反应的不同，以及具有不同的浸润转移能力等方面。

从胚胎分化发育角度出发，可以将肺癌细胞的异质性理解为肺癌细胞在无序的条件下，模拟肺胚胎发育和肺组织干细胞的分化过程。肺癌组织内出现的细胞异质性，是肺癌细胞不能按肺胚胎发育和肺组织干细胞分化的正常途径进行分化，在分化过程中出现了障碍，不能构筑成正常的肺组织时形成的。这种分化发育失败的肺组织结构中，可以出现不同分化发育阶段的肺组织结构和不同分化阶段的肺上皮细胞成分，这样就形成了肺癌细胞和肺癌组织构筑的不均一性。不同分化阶段的肺细胞可表现出不同的肺细胞与肺组织结构特性，如肺癌细胞与早期的未分化细胞相似，其组织结构可能与胚胎原肠期结构相似，细胞具有高度的运动能力并具有高度的侵袭能力；如肺癌细胞与正常的组织细胞差异大，则能引起强烈的免疫反应；如与祖细胞和前体细胞相似，则细胞的生长能力就高，对化疗和放射治疗的反应就强；而与肺组织干细胞相似，则细胞非常原始，生长能力低下，而对化疗和放射治疗的反应低下等。总之，肺癌异质性，表现出来的性质是肺癌细胞的分化发育紊乱的结果，是肺癌细胞起源的线索，也是肺癌精准个体化诊断、治疗与预后判断的基础。

任何探讨肺癌细胞起源与形成的理论和学说都需要明确地解释肺癌细胞的异质性。克隆增殖进化学说是解释癌细胞异质性并被广泛接受的一个模型。该模型是在1976年由Nowell描述的。该模型的核心内容是：体内细胞可以发生突变，突变后的细胞具有不同的生长能力；当突变的细胞具有生长优势时，该突变细胞就被优选出来，并扩增，形成癌；该类具有生长优势的细胞，具有相似的再次生长并形成癌的潜在能力。在癌的生长过程中，这一类细胞可以获得再次突变，改变细胞的性质，使癌细胞表现出不同的性质，形成有差异的癌细胞亚群。这些细胞经过进化选择，形成的细胞具有很强的增殖和生存能力，并具有浸润、转移和抵抗治疗的能力。肺癌的发生与形成被认为遵循克隆增殖进化模型，最终形成显性临床病变。

肺癌细胞经过选择和进化后，表现出大量具有不同基因型和表型的肺癌细胞；这些肺癌细胞均具有以下的癌细胞特征：具有自我生长能力、不受生长抑制信号限制的能力、不受细胞死亡程序控制的能力、具有侵袭和转移的能力、诱导形成血管和间质的能力。这些特质使肺癌细胞具有了逃脱机体免疫并形成肺癌组织的能力。

癌克隆增殖与进化模型的基础是源于癌细胞起源的单克隆或寡克隆性。越来越多的证据表明肿瘤细胞来源于单个细胞，是由单个细胞突变后形成的肿瘤细胞及其子代细胞构成的，即为单克隆增殖的细胞学说基本内容。在上皮性癌组织内，癌细胞的起源也被证明为单克隆起源。在许多较大癌组织和混合癌组织构成中，癌细胞的构成可能是多克隆的。经过检测相应肺癌的早期病灶，其细胞起源主要为单克隆性，而后肺癌的多克隆性可能是多个肺癌灶的融合形成的，也可能是由于肺癌细胞的进化形成的。在实体癌中，由病毒引起的癌症，也可表现为多克隆或单克隆性。在形成肺癌组织过程中，肺癌细胞均可获得新的突变而进化，获得更显性的生长能力，更具侵袭性和转移性，形成恶性程度更高的恶性肺癌。如在临床上经常见到化疗后复发的肺癌，其恶性程度明显高于原发肺癌，即说明肺癌为逃逸化疗作用，发生了突变而进化，形成恶性程度更高的肺癌组织。

在肺癌细胞形成过程中，细胞的突变源自于基因的突变。现在的证据表明，细胞内单个基因位点的突变是不能诱导形成癌细胞的。机体细胞变成癌症过程中，需要多个基因的突变或一个基因的多位点的突变。在机体中，这种突变过程是一个长期过程。当细胞内一个基因单突变后，细胞的生存会发生改变，可能诱导凋亡或受到机体保护性排除反应，使突变的细胞消失。只有逃脱了机体和细胞本体的死亡控制机制的细胞才能活下来，当其在获得了新的多次突变后，其具有了显性生长能力，这种细胞可以产生子代细胞，形成细胞团块，进而进化形成具有与机体组织生长不协调的癌组织。

在肺细胞的基因突变过程中，肺细胞内有三类基因的突变可导致癌。在正常的肺细胞变成癌细胞的过程中，这三类基因的突变和合作，使正常的肺细胞变成转化的肺癌细胞，继而形成肺癌。第一类细胞内的基因是癌基因。在大多数的肺癌细胞中，癌基因的突变，是指肺细胞内原癌基因的突变，如 Ras、 Myc、 Src基因等。癌基因突变后，并不意味着肺细胞就会转化形成肺癌细胞，通常需要多个位点的突变或多个基因的突变才能转化肺的细胞。而细胞内原癌基因在正常的条件下，在细胞分化发育过程中起关键的作用。因此，原癌基因并不是有害的，只有在其突变后，并能逃脱了机体和细胞本身的保护反应后，方能使肺细胞转化为肺癌细胞。

第二类基因是抑癌基因或称为抗癌基因。该基因缺失突变或工作不正常时，可导致肺细胞转化为肺癌细胞。最常见的肺细胞内的抑癌基因是 p53和 RB基因。 RB基因突变体是在视网膜母细胞瘤病人中发现而鉴定出来的。RB蛋白是细胞周期的抑制蛋白，控制细胞的生长。 RB突变后导致 RB基因产物的功能失活，不能使细胞的生长受到抑制，而导致细胞的不受控制的生长。而p53蛋白是诱导细胞凋亡的蛋白，当其突变后，不能诱导细胞凋亡，而使突变细胞存活下去，进而形成转化细胞，形成癌症。

第三类影响肺癌细胞形成的基因是调节因子。该类基因在正常肺细胞向肺癌细胞转化过程中，并不能起作用。但其在肺癌的发展过程中起重要的作用，包括能逃脱免疫反应的基因突变，能诱导出新生血管形成的基因突变等。在肺癌细胞的形成过程中，这三类基因的突变是肺癌细胞形成与进化的基础。

肺癌细胞的进化，不仅仅指单个肺癌细胞内获得突变后，优选出具有显性生长的特点，进而转化的肺癌细胞；在这一过程中，癌性细胞群体中的不同转化程度的癌细胞之间，癌性转化细胞与周围正常细胞之间的相互作用，也是癌细胞进化的关键因素。在肺癌形成中，没有完全转化细胞之间，获得了不同突变基因的细胞之间，可形成互补产物，使没有完全转化的细胞，形成肺癌细胞。癌性转化后的细胞，要与间质细胞相互作用，促使血管的形成和支持间质的形成，方能进化形成癌症组织。不同癌性进化程度的细胞之间相互作用，形成癌症组织，而这些不同进化程度的细胞就构成了肺癌细胞的不同的亚群，并形成不同的结构，构成了肺癌异质性。

癌细胞克隆增殖进化模型的核心是机体单个细胞或几个细胞，经过不断的基因突变，最终使正常的细胞癌性转化。转化细胞间，转化细胞与正常细胞间的相互作用，形成癌组织。在癌组织内，由于细胞的突变进化的不同，可形成不同癌细胞亚群与结构，从而使癌组织表现出异质性。

参与肺癌细胞发生与形成的三类基因突变产物均参与了对细胞内基因表达过程的调控。基因表达过程包括了细胞表面的受体、胞膜下与胞质内的信息通道、胞核内的基因转录过程、RNA的修饰与成熟过程、胞质内的蛋白翻译以及蛋白修饰过程。真核细胞的基因表达过程的核心是位于染色质内DNA转录合成RNA，RNA再编码形成蛋白质，最后行使功能的过程。在基因表达过程中，基因转录是核心并受多种调控机制调控，包括了信号通路的调控、表观遗传调控、DNA甲基化调控、小RNA调控、特异转录因子调控等。这些转录调控的机制发生障碍与紊乱时，会改变细胞的生长状态，导致正常细胞转变为癌细胞，引起癌症的发生。

肺癌细胞的三方面基因的改变，促使癌细胞持久且长期增殖。正常的肺组织细胞能够精确地控制促细胞生长信号的生成和释放，调控细胞的增殖与分化，从而维持肺组织细胞数量的平衡，保证正常组织的结构和功能。癌细胞内基因的改变干扰了这些信号的调控作用，改变了细胞对生长信息的控制，使细胞自我无限制的生长，进而成为癌细胞。细胞生长信息的启动主要源于细胞表面受体与生长因子结合而被激活，通过细胞膜内酪氨酸激酶域的活化，将信息传递入细胞内。细胞膜内酪氨酸激酶域通过激活下游多条信号路径，持续地传递信号，激活细胞增殖周期和细胞生长（细胞体积增大）；这些细胞生长信号的传递过程，通常调控细胞的其他生物功能，包括细胞的生存和能量代谢。

肺癌细胞获得持续增殖信号可以通过细胞表面受体的表达或突变启动，进而引起细胞的增殖。肺癌细胞表面表达水平增高和突变的受体蛋白包括了上皮生长因子受体（EGFR）、HER2/neu、c-Kit、和c-MET等。这些受体的成分可以独立在非小细胞肺癌和小细胞肺癌的不同类型中表达，导致受体信号的失调，从而使肺癌细胞对于数量有限的配体生长信号产生高反应性。

EGFR调控上皮细胞的生长与分化。EGFR与其配体上皮生长因子（EGF）和转化生长因子-alpha（TGF-α）在许多非小细胞肺癌，特别是在肺鳞癌中高表达。在高比例的非小细胞肺癌中，检测出EGFR的突变体，这些突变体，不依赖于与配体结合而被激活，使肺癌细胞长期处于生长激活状态，细胞呈现无限制的生长，这些EGFR与配体的高表达和激活型EGFR突变体是肺癌EGFR抑制剂的治疗靶向基础。除EGFR的外，在肺癌细胞中也检测到HER2/neu、c-Kit和c-MET等受体的高表达与激活型的突变，这些受体可以作为新的肺癌治疗靶点。

细胞膜表面受体激活后，通过信号通路组成蛋白的激活，开启胞内的下游信号通路，激活基因表达与蛋白合成与修饰。这些下游通路组成蛋白高表达，可以放大来自上游受体的信息，促使细胞高水平增殖和生长；这些下游蛋白也可以突变，形成不依赖上游信号而处于激活状态的蛋白，并激活自己的下游蛋白。这种激活方式，规避了配体刺激介导的受体通路，使细胞不受调控地生长和增殖。在肺癌细胞中，胞膜下的信号通路组分Ras蛋白家族介导了肺癌细胞的生长与增殖。Ras蛋白家族包括了 H-、 N-和 K- ras基因。在肺癌中，约有10%～30%的肺腺癌病人携带有 K- ras基因突变，特别是第12编码子的突变。野生型的 K- ras2基因在 K- ras基因突变致癌的过程中，可能有抑制作用。这些结果需要更多的临床数据，明确 ras基因家族在肺癌发生中的作用。Ras蛋白激活后，活化下游一系列的信号通路，在肺癌中目前证实主要是两个Ras调控的信号通路。一个是RAS-RAF-MEK-MAPK通路，这一通路是许多肺癌细胞生长的中心通路之一；另一通路是PI3K-AKT-mTOR。我们的研究结果证实，这一通路在肺癌形成中，主要的核心蛋白是AKT；进一步的研究中，我们证实AKT1在肺癌中不起关键作用，何种AKT蛋白家族成员在肺癌中起关键作用，正在探索中；同时我们证实，mTOR蛋白在肺癌中的作用不明显，AKT蛋白可能直接活化其下游的蛋白包括P70S6K等，P70S6K在肺癌中具有重要的作用，可能成为新的肺癌治疗靶点。

信号通路传导的信息的一个重要的和永久性改变细胞特性的作用是激活基因转录。信号通道信息激活转录因子，转录因子进入到细胞核内，调控基因转录。转录因子包括了活化子蛋白（activator）和抑制子蛋白（repressor）及协同共活化蛋白（coactivators）等。在肺癌细胞中，研究最多的转录因子是 MYC基因家族，包括了 MYCC、 MYCN 与 MYCL。在肺癌中 MYC基因具有高水平表达和突变的现象，参与小细胞肺癌和非小细胞肺癌的发生与形成。其他的转录因子包括c-Jun，catenin、NF-κ B、ZEB1、WSTF等也参与肺癌的发生与形成。

基因表达调控的一个重要的领域是表观遗传调控。表观遗传（epigenetics）的定义一直随着研究者针对基因表达调控相关分子机制的研究深入而演变，目前较通用的定义是“在有丝分裂及减数分离过程中不依赖于DNA序列信息的基因功能可继承性的改变”。表观遗传调控模式包括：染色质结构调整，DNA甲基化，基因组印记。这三种机制相互作用，调节关键基因的活化或沉默，协调生物发育过程中所需的基因组时空特异表达谱，参与细胞分化、凋亡、周期调控和DNA损伤修复等重要生命事件。尽管关于肺癌细胞形成的传统观点认为基因突变后连续的细胞演进性改变和复杂的异质性特征导致了肺癌形成，但是仍有许多肺癌细胞的侵袭能力、迁移和药物抵抗等特征不能归因于某个基因突变事件，而近年来对表观遗传现象的研究表明，当表观遗传调控机制出现异常改变时，极易导致肿瘤细胞形成，这些改变甚至先于基因突变。

染色质以核小体为基础结构，被修饰或未修饰的核小体结构在空间上能以更复杂的调控模式，组成动态变化且规模更大的不同染色质结构。染色质一般根据早期研究者对DNA染色时观察到的两种现象分为常染色质和异染色质两种类型。常染色质是结构松散的染色质，既可以是转录活化的区域，也可以是非转录活化的区域，但在结构上处于易接近状态。异染色质通常被认为是高度致密和长期沉默的染色质区域，分为两种形式：组成性异染色质，即永久沉默的染色质，在细胞生命周期中几乎不表达有意义产物；兼性异染色质，在某些细胞或某些特殊时间阶段中表达其产物，这些有差异的染色质结构的形成和维持是染色质结构调整的核心内容。目前有许多文献表明染色质实质上是具有高度动态变化的结构模式，其中，组蛋白尾部的修饰发挥了关键作用。目前，研究最多和结果最明确的组蛋白尾部修饰模式主要是乙酰化和甲基化。组蛋白H4-K16和H4-K20的乙酰化现象被视为早期肺癌发生和演进事件的重要标志。

甲基化是肺癌研究中更引人注意的组蛋白修饰机制，了解较明确的组蛋白甲基化位点多集中在H3及H4尾部，H3上是K4、K9、K27、K36、K79，H4上是K20。组蛋白甲基化的平衡是正常细胞生长分化所必需的。而当NSD1（一种甲基转移酶）突变时，可诱发小细胞肺癌等肿瘤。异染色质的功能包括保持基因组稳定与抑制染色质转座发生，当 Hsuv391编码基因突变时，会引发基因组不稳定和易位高频率的发生，导致肺癌细胞内原癌基因和抑癌基因表达紊乱或缺失，与肺癌形成密切相关。此外，异染色质结构对于端粒至关重要，异染色质维持受损导致的端粒结构破坏是肺癌发生的重要条件。

哺乳动物DNA的甲基化几乎都发生在CpG二核苷酸中的胞嘧啶上，由DNA甲基转移酶（DNA-methyltransferases，DNMTs）催化。多种DNA结合蛋白通过进入DNA双螺旋的大沟识别结合位点，DNA残基甲基化修饰掺入到这样的大沟结构中，通过排斥或募集结构调节因子或转录调节因子发挥作用。更重要的是，DNA甲基化修饰可以遗传给复制后的子代DNA链，在细胞中传递，这需要从头甲基化和维持甲基化两种模式。从头甲基化发生在早期的受精卵细胞中，父本和母本DNA中的甲基化会很快被清除，然后重新在DNA 双链CpG位点发生对称的新的甲基化，产生区别于父母的甲基化模式；而当体细胞有丝分裂时，DNA复制后的新生链不含甲基化修饰，即一条甲基化的链与一条未甲基化的链相配对，然后通过DNA甲基转移酶以甲基化的链为模板催化新生链甲基化，维持了甲基化模式向下游细胞的遗传，这两种甲基化机制由各自不同的甲基化酶催化。尽管甲基化是相对稳定的修饰，然而个体一生中细胞内的甲基化修饰模式总是处于变化当中，这些变化是由特殊的生理应答机制或环境改变的刺激引发的，其中一些与肺癌相关。过去的研究表明，在肺癌细胞和正常细胞中DNA的CpG甲基化模式有显著区别：肺癌细胞中具有基因组整体水平的低甲基化（尤其是原癌基因），抑癌基因启动子区域高密度甲基化，并且这些机制相互作用，更加促进了肺癌细胞演进性发展。

尽管DNA低甲基化是肺癌细胞的常见特征，但很多位点也会出现高甲基化改变。这种可继承的异常高度甲基化多见于启动子区域CpG序列或CpG岛，导致基因功能丧失，尤其是发生在抑癌基因启动子区域甲基化是目前了解到的和肺癌细胞形成相关的最为清楚并且至关重要的机制之一。

经典的肺癌演化途径从一系列的基因改变引发早期恶变开始，经浸润性癌，最终发展到扩散性肺癌。同样，在肺癌细胞演进中，表观遗传模式的改变也同时发生：在早期即出现了大量DNA甲基的缺失，及许多重要基因启动子位点高度甲基化，而且甲基化的累积也和细胞老化及病理改变相关。因此，有理由相信表观遗传事件的失控与异常细胞形成相互作用并始终贯穿肺癌发生全过程。除了上述的表观遗传改变，肺癌的表观遗传还涉及了基因印记（imprinting）的决定，而基因印记的缺失（lost of imprinting，LOI），对于肺癌早期发生也极为重要。哺乳动物细胞中，来自双亲的有活性的和无活性的等位基因位于同一个核中，其转录环境相同，因此必须有印记这种机制来区分这种差异化表达，而且印记的基因通常与编码发育的基因有关，因此，这种机制的紊乱或错误都将导致严重的后果。因此，将基因印记丧失与肺癌发生的研究结合，将为理解肺癌发生的个体差异，特别是亲属间发生的差异，为个体精准化诊断与治疗提供遗传数据。

在肺癌细胞内基因表达失去正常细胞内的调控方式后，其基因产物功能的主要表征是肺癌细胞的持久且长期的增殖能力。正常的肺部细胞能够精确地控制促生长信号的生成和释放，这些信号能够指导肺部细胞的增殖-分化周期的开始和进程，维持肺部细胞的平衡，保证肺组织结构和功能。在肺癌细胞内，自主控制细胞增殖的能力被改变，细胞无限制地增殖。肺癌细胞通过两类可能的方式获得持续增殖信号，一类是癌细胞自身产生生长因子受体，如EGFR等，可以通过同源受体的表达而得到应答，从而引起自体增殖刺激；另一方面在肺癌组织的间质中，癌细胞刺激正常的细胞产生各种生长因子，从而促使肺癌细胞的增殖。

正常的细胞生长除了受到生长促进信号的调控外，还受到生长抑制信号的负调控，许多肿瘤抑制基因发挥这样的负调控的作用。肺癌细胞的增殖需要避开抑制细胞增殖的负调节作用。目前在肺癌的研究中，有两种典型的肿瘤抑制基因，它们分别编码RB和P53蛋白，在两个关键的互补细胞调节通路中起着中央控制节点的作用，调控细胞的增殖。在肺癌细胞中这两个基因均被发现出现突变或表达减低，失去了它们应有的调控细胞增殖的能力，使细胞出现高增长活性，促使肺癌细胞的增殖。在肺癌细胞中其他细胞增殖的负调控基因如 p16， p21， p57等也被发现出现了突变或表达减低，从而促进了肺癌细胞的增殖。

正常的细胞具有接触抑制效应。在肺癌细胞中，这种接触抑制效应消失，然而其具体分子调控机制还有待探讨。目前已知一个接触抑制效应蛋白为LKB1，在细胞中，当 Myc癌基因上调后，在上皮细胞结构稳定时，LKB1拮抗 Myc癌基因的促有丝分裂效应；相反，当LKB1的表达处于抑制状态时，表皮完整性变得不稳定，对 Myc诱导的转化将会变得敏感。肺癌细胞中接触抑制效应出现改变的频率仍需进一步的探讨，接触抑制效应障碍的机制有待进一步的发现。

在肺癌形成中，癌细胞可通过抑制细胞的凋亡，使癌细胞数量增加。细胞凋亡是一种细胞主动的程序性细胞死亡，在正常的细胞内，当受到不能调控的刺激和压力，如不能修复的DNA断裂时，细胞会激活凋亡程序，主动发生凋亡而死亡。肺癌细胞在形成肿瘤和面对抗癌治疗过程中承受着各种刺激与压力，但是由于细胞的凋亡途径突变，不能被激活，细胞将不会出现死亡而无限制的增殖。凋亡机制是由上游调节子和下游效应子构成的。肺癌细胞中，凋亡程序中抗凋亡的Bcl-2家族成员调节蛋白表达增加，进而抑制肺癌细胞的凋亡。Bcl-2与家族成员（Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1、A1）等凋亡抑制子在肺癌细胞中被发现高表达，从而抑制肺癌细胞的凋亡。在凋亡途径中，凋亡蛋白直接诱导凋亡的发生，其中最为重要的凋亡蛋白是P53，在肺癌中检测到P53发生无活性或活性减低的突变以及表达减低，该类突变使P53的功能降低，失去诱导肺癌细胞凋亡的功能。除此之外，其他的凋亡介导因子包括Bax、Bim、Puma、Fax、TRAIL等均被检测到在肺癌中发生无活性或活性减低的突变以及表达减低，使细胞凋亡的诱导能力减低或消失，使得肺癌细胞获得限制或回避凋亡的能力。在肺癌细胞中，抗凋亡机制具有多样性，并可能是肺癌细胞逃逸治疗的机制之一。

细胞的自噬与凋亡一样，是细胞自我调控的一种方式，细胞内和细胞外的环境不利于正常细胞生长时，细胞出现自噬，降解细胞的细胞器如核糖体和线粒体，减低细胞的能量需求，保护细胞生存，当不利于细胞生存的细胞内外环境因素继续存在时，自噬会促使细胞发生死亡，从而使细胞消亡。在肺癌细胞中，由于自噬调控发生改变，当癌细胞发生自噬后，不能诱导细胞死亡，而是发生自噬后，细胞器分解，产生的低分子量的代谢产物，支持肺癌细胞在环境的压力和营养缺乏的环境中生存，促使肺癌的生长。AKT/mTOR通路和KRAS蛋白等改变，参与了肺癌细胞中的自噬改变，在这一过程中，自噬调控蛋白ATG5介导KRAS调控信息，抑制自噬导致的细胞死亡，使肺癌细胞在不利条件下，特别是在化疗和放射治疗中，保护肺癌细胞不被自噬诱导死亡，从而促使肺癌细胞逃逸不利的细胞内外环境因素，得以存活生长。

肺癌组织的复杂程度接近或超过正常的肺部组织。肺癌组织与正常的肺组织一样，需要摄取营养物质和氧为其提供能量，同时排泄肺癌细胞的代谢产物如二氧化碳，肺癌组织内的血管是满足这些需求的结构基础。肺癌组织内的血管生成包括了血管的新生和改建、形成血管网络、与肺部组织的血管相通，从而提供肺癌细胞所需的各种营养物质和氧，同时排出肺癌细胞产生的各种代谢产物包括废物和二氧化碳。在肺癌的发展过程中，血管生成处于激活状态，致使邻近肺癌部位的正常肺部组织和肺癌组织内部的血管萌发出新的血管，以支持不断扩大的肺癌组织的生长。在肺癌组织血管形成过程中，血管生成的因子包括血管内皮生长因子A（VEGF-A）和凝血酶敏感蛋白1（TSP-1）。这两类因子在肺癌组织内高表达，持续诱导血管的形成，构建血管网络，促进肺癌细胞生长。

总体来说，在肺癌组织的发展过程中，血管生成之初出现持续新血管生成，然后由一个复杂的血管生成调控机制控制。这些血管生成机制的调控路径是可变的，但是最终诱导一个通用的诱导因子如VEGF，诱导肺癌组织内血管网络的形成。在肺癌细胞中 Ras和 Myc基因的高表达，可上调血管生成因子的表达，直接诱导血管的生成。

现在已经证明，造血发生形成的全部细胞类型在肺癌组织内血管生成中都有着重要作用。这些细胞包括巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞和骨髓祖细胞等可以进入肺癌组织内，促进肺癌组织的形成。这些细胞也在肺癌组织病变的边缘聚集，触发以前静止的组织内血管生成，参与维持肺癌组织内的血管形成。另外，某些肺癌组织中有一些来自骨髓的细胞如血管祖细胞等，形成周细胞或者内皮细胞掺入到新生血管系统中，促进肺癌组织血管的形成。这些血管的形成、维持与改建，参与构成了肺癌的微环境，支持肺癌的形成与发展。

临床观察显示人类具有抗癌的免疫反应。在杀伤性淋巴细胞缺陷的病人中，移植杀伤性T细胞和自然杀伤细胞可以改善某些癌症的预后。在癌症病人中，进行器官移植后，已经观察到供体组织中不产生癌细胞与形成癌组织，显示供体的免疫系统可能抑制癌细胞的生长与癌组织的形成。确实，在肺癌病人体内，如用于清除癌细胞的免疫细胞失活或功能减低，可使肺癌细胞逃避免疫系统的清除。肺癌细胞通过释放TGF-β或者其他免疫抑制因子，可抑制癌组织内杀伤T细胞和自然杀伤细胞的功能，促使肺癌细胞逃逸免疫清除；肺癌细胞可促使具有免疫抑制作用的细胞包括有调控作用的T细胞和骨髓衍生抑制细胞增殖，从而抑制细胞毒淋巴细胞的功能，使肺癌细胞逃逸免疫系统的清除而增殖与演进。因此，目前认为在肺癌组织中和其周围，有识别和攻击癌细胞的免疫细胞，诱导清除早期癌细胞的免疫反应，并限制晚期肺癌的生长和消除肺癌转移的形成。免疫细胞能够持续地监测肺癌细胞的产生，识别和清除大量的初发的肺癌细胞。当肺癌细胞能够以某种方式成功逃逸了免疫系统的识别与清除，或限制免疫系统对肺癌细胞杀伤作用后，肺癌细胞就会生长与扩展形成癌组织。因此免疫逃逸作用也是肺癌发生的关键因素。

癌细胞起源的克隆增殖进化模型能够解释癌组织内的异质性。克隆增殖进化模型显示，所有的或者说大部分的癌细胞均可以形成癌组织。但是，在肿瘤研究中证明不管是在动物体内或体外培养中，仅有少部分的癌细胞能够生存，而大部分的癌细胞在动物体内不能够形成癌组织或在体外不能够形成细胞系。另外在人体癌组织中，癌细胞有向来源组织分化的趋势，癌组织的结构趋向来源组织的结构特征，克隆增殖进化模型难以解释这两个癌的特征。因此，对癌细胞的起源和进化需要新的模型来解释。

随着发育生物学领域内的研究进展，特别是关于干细胞的研究进展，描述癌细胞起源的模型越来越趋向于癌干细胞。癌干细胞模型在理论上可以理解为：癌细胞起源于一种细胞，该细胞在积累了足够的突变，获得了具有自我更新的能力，能够保存自己，并产生具有高增殖能力的子代细胞，具有高增殖能力的子代细胞进一步增殖，最终形成癌组织。正常组织内的细胞突变后，首先获得自我更新的能力和产生下一代细胞的能力，但这一类细胞保持了原组织中细胞的分化能力，向来源组织细胞分化。由于进一步突变的原因，该类细胞发生分化障碍，构筑组织结构的能力减弱或丧失，不能构筑形成来源组织的结构，同时该类细胞可能获得了向其他组织细胞分化的能力，产生其他组织的细胞和结构特点。因此，当一个细胞突变形成具有干细胞特性的细胞后，由于其分化能力发生障碍和不受控制，其子代细胞表现为各种不同分化阶段的细胞，组成的组织团块结构紊乱，与正常的组织结构不相一致，不受正常组织的调控，而形成癌组织。在理论上，癌干细胞模型能很好地解释癌的特征。由于癌干细胞是由于细胞突变形成的，其子代细胞携带了突变信息，在生长过程中，可以获得新的突变，形成具有自我更新能力和产生具有高增殖的子代细胞能力的细胞，就变成了新的癌干细胞。因此，在癌组织内，如果致瘤因素存在，可以形成新的癌干细胞。

在理论上，癌干细胞模型是一个完美的解释癌细胞起源的模型。癌干细胞与成体干细胞相似，具有自我复制和分化的能力。与成体干细胞的自我复制和分化不同，癌干细胞的自我复制能力不受限制，癌干细胞不能分化形成成熟的功能细胞，不能排列形成具有功能的组织器官。这两种特性，使癌干细胞形成癌组织。但是目前对癌干细胞的认识处于初始阶段，精确定义癌干细胞目前还有困难。目前仅有研究工作上的定义而无理论上的真正的癌干细胞的定义。目前缺少癌干细胞是癌组织起源的证据，仅仅停留在假设阶段。在研究中，具有以下几方面的特性的肿瘤细胞就可被认定为癌干细胞：①在癌组织内有很少量的细胞，该种细胞具有致瘤性。②具有致瘤性的细胞表面标志与不具有致瘤性的癌细胞有显著差异。③致瘤细胞形成的癌组织内的癌细胞的组成成分与结构与原癌组织的成分和结构相同或相似。除这三方面的特性外，癌干细胞还具有自我更新的能力，正是这一特点保证了癌干细胞的近乎无限生长的能力。因此癌干细胞目前仅为一种工作概念，而非理论上的癌起源的干细胞概念。不管怎样，在癌组织内存在一群具有成体干细胞特性的细胞，即癌干细胞。目前也证明在肺癌组织内存在有肺癌干细胞。

癌干细胞的细胞表面标志与相应的成体干细胞没有明显的区别。在肺组织中，位于细支气管与肺泡交界处的干细胞，分化形成细支气管的上皮细胞和肺泡的上皮细胞。而这群细胞标记也是肺腺癌来源的肿瘤干细胞的标记，如CD133、CD44、CD90、CD166、SCA-1细胞表面标记等。

在实际研究工作中，认为在癌组织中分离出的一群在动物模型中能够形成与来源癌组织高度一致的肿瘤的细胞是癌干细胞；癌组织中其他的细胞不能在动物模型中建立肿瘤模型。利用这种动物模型，能够确定肿瘤细胞中，有一群具有干细胞特性的细胞，而其他癌细胞是该群细胞的子代细胞。因为癌干细胞鉴定技术本身的限制，导致了目前对癌干细胞模型有很大的争论。癌是在人体内形成的，除了癌细胞本身的生长特性外，其生长部位的局部环境、新生血管网的建立、机体的免疫活性均对癌的形成产生作用，只有这些条件均适应癌细胞的生长条件时，癌细胞才能增殖，形成癌组织。而在癌干细胞鉴定中，通常是分离出一群细胞，接种到小鼠体内，观察肿瘤的形成。这样不能排除其他也能形成癌组织的细胞。这群能够在动物体内形成癌的细胞，可能仅仅是由于其本身能够适应小鼠的体内环境，能够诱导接种部位新生血管的形成，能够逃逸小鼠的免疫作用等，而不能认为其是形成癌组织的干细胞。而其他不能在小鼠体内形成癌组织的原因，可能仅仅是小鼠体内的环境不适应癌细胞的生长，或不能诱导新生血管的形成，或不能逃逸小鼠免疫反应而不能形成癌组织，并不是癌细胞本身的特性而不能形成癌组织。目前为了获得更可靠的癌干细胞的证据，应用尽可能低免疫反应的小鼠来鉴定癌干细胞，获得了更进一步的结果，证明在癌组织内存在一群细胞，能够形成癌组织。利用转基因小鼠和基因敲除小鼠，在小鼠体内也证明了癌干细胞的存在。不过，人体内癌组织是否是由癌干细胞形成的争论，不仅没有阻碍肿瘤干细胞模型的研究，反而促使该模型的完善和发展。

随着对癌干细胞的不断深入探讨，证明在不同的肺癌组织中，肿瘤干细胞的特性和数量有明显的差异。有的肺癌组织内，能在动物模型中形成肺癌组织的干细胞数量低于1%，而在另一些肺癌中，肿瘤干细胞的数量可能高于10%。由于目前肺癌干细胞缺少明确的特异标志，肺癌干细胞数量是依赖于连续稀释法在动物体内建立肿瘤模型来确定的。在正常的组织干细胞研究中，已经证明一个组织干细胞就能重建相应组织。推测在测定肺癌干细胞时，理论上一个肺癌干细胞也可建立肺癌组织。因此，目前在肺癌组织内存在的肿瘤干细胞的数量应该低于确定的干细胞数量。目前已确定了肺组织内存在多种组织干细胞，这些组织干细胞在正常的情况下，分化形成肺组织细胞，以修复肺部组织内正常的耗损。因此，可以认为在这些肺组织干细胞分化为成熟的肺组织细胞过程中的细胞都有可能突变，获得自我更新能力和产生子代细胞形成组织团块的能力，从而成为肺癌干细胞。由于这些细胞处于不同的分化阶段，形成的肺癌干细胞的特性有明确的区别。在同一的肺癌组织内，如肺癌干细胞的子代细胞再次获得了自我更新的能力后，可形成新的肺癌干细胞，因此在肺癌组织内，有可能含有多种肺癌干细胞成分。这些肺癌干细胞的特性构成了肺癌干细胞的复杂性和多样性。

癌干细胞模型的提出，改变了有关癌细胞浸润和转移的观点。克隆增殖进化模型认为，在癌组织中，癌细胞均具有浸润和转移的能力，其通过组织间隙浸润到癌灶周围的组织中，当癌细胞进入血液后，转移到远离癌灶的组织器官中形成新的癌灶。而肿瘤干细胞模型认为，癌组织的浸润和转移是肿瘤干细胞的行为，当肿瘤干细胞迁移到邻近组织后，产生新的癌细胞而形成浸润，当肿瘤干细胞进入血液后，随血流迁移到远离癌灶的部位，形成新的癌病灶。肿瘤干细胞的提出，将肿瘤的浸润和转移的细胞局限到肿瘤干细胞，为治疗和防治癌症的浸润和转移提供了新的思路。在组织干细胞分化过程中的细胞均可能形成癌干细胞，因此，肿瘤干细胞的来源可能比较原始，也可能比较成熟，比较原始的癌干细胞，其行为接近胚胎的早期未分化的细胞，具有高度的运动能力和迁移的能力，容易浸润和转移，而在组织干细胞分化过程中，接近成熟的细胞突变形成的癌干细胞，分化程度较高，其运动能力较低，浸润和迁移的能力较低，较少浸润和转移。肺上皮细胞形成的癌干细胞，突变后，具有低分化细胞的特性，向上皮间质化方向发展，获得运动的能力，从而拥有浸润和迁移的特性，形成浸润和转移肿瘤病灶。这些理论上的推测，与人体肺癌组织的真实情况相合。在人体肺癌中，低分化或未分化的肺癌的浸润转移能力高，而高分化的肺癌，浸润转移的能力弱。

肺癌干细胞模型的出现，可能改变肺癌治疗的思路。目前，肺癌的治疗基于肺癌细胞不受限制的高增殖特性和肺癌细胞生存的环境来进行。包括4种治疗手段即：手术切除、化学药物治疗、放射线治疗、生物治疗。由于很难区分正常细胞与肺癌细胞的增殖活性和生存环境，在进行放化疗和生物治疗时，都会对正常的细胞和组织产生损伤，造成严重的副作用。而手术治疗会造成大面积的机体创伤。目前，针对突变肺癌细胞的靶向药物、定向放射治疗和微创手术的发展，在肺癌治疗中减轻副作用上进行努力，以改善肺癌病人的生活质量。但现有手段不能从根本上达到控制肺癌的目的。肺癌干细胞模型的提出，为肺癌的治疗带来了新的希望。肺癌细胞具有生活周期，在生存一段时间后，肺癌细胞发生凋亡。肺癌细胞群的扩展和增殖补充是通过肺癌干细胞不断地产生癌细胞进行的。因此，杀死肺癌干细胞或控制肺癌干细胞的增殖后，肺癌组织得不到补充，肺癌组织就会变小和消失，联合控制癌细胞增殖和癌细胞生存环境的治疗手段，就可能完全控制肺癌，达到根治肺癌的目的。发展控制肺癌干细胞的药物，为肺癌的治疗带来希望，其实也是建立癌干细胞是癌症起源细胞的根本证据。只有在人体内通过控制肺癌干细胞的活性，进而达到控制肺癌组织的目的，才能证明肺癌是由癌干细胞发展而来，完全的建立肺癌乃至癌症起源的癌干细胞模型。

形式上，克隆增殖进化模型和癌干细胞模型是互相排斥的，但在深层次上，两者是互为补充的。克隆增殖模型理论认为，癌组织起源于一个或几个突变的细胞，实际上这种起源的突变细胞，可以认为是癌干细胞。而癌干细胞模型理论认为，癌症起源于癌干细胞，但是癌干细胞的子代细胞可能在生长过程中，获得新的突变，而形成新的癌干细胞，这实际上就是癌症的进化过程。癌细胞在生存的压力下，只有选择具有生长优势的癌干细胞及其子代细胞才能更好地生存下去。

癌干细胞与正常的组织干细胞相似。正常的组织干细胞实际上是一群生长不活跃的细胞，通常处于静止状态，对生长控制的反应不敏感等。癌干细胞也具有类似的特征，因此，目前控制细胞生长的手段，就不能控制肺癌干细胞。现阶段的研究已经证明了癌干细胞具有抵抗放化疗的能力，因此，在临床上，许多治疗手段，可以使肺癌消退，但是治疗一段时间后，肺癌很快恢复生长，这种治疗后的肺癌生长，可能是肺癌干细胞逃逸治疗后，形成新子代细胞所引起的。肺癌干细胞模型，结合克隆增殖进化模型，可以解释肺癌的发生发展过程。但是由于癌干细胞的确定是由动物模型完成的，要完全的建立肿瘤发生的癌干细胞模型需要明确的人体证据，最直接的证据即为，利用治疗手段控制肺癌干细胞后，能够使肺癌消退，这样就达到了建立肺癌干细胞模型的目的。

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