「目录」
一、概述与持续不断的增殖信号、躲避生长抑制、抵抗细胞死亡
二、永不停止的复制能力；引发血管新生的能力；侵袭与转移的能力
三、肿瘤细胞获得性的的生物学特性与新兴的肿瘤的生物学特征
3月4号，Douglas Hanahan和Robert A. Weinberg在《Cell》上发表综述：Hallmarks of Cancer：The Next Generation。论述了过去肿瘤学中的热点和进展，阐述了肿瘤细胞的10大基本特征：
自给自足的生长信号；抗生长信号的不敏感；抵抗细胞死亡；潜力无限的复制能力；持续的血管生成；组织浸润和转移；避免免疫摧毁；促进肿瘤的炎症；细胞能量异常；基因组不稳定和突变。
这篇文章发布后迅速成为许多人入门肿瘤细胞生物学和分子生物学的学习方法，西安万隆制药市场部林博分享了他对此文的译文，并特意将原文压缩了一半的篇幅以方便同写意读者学习。
01 概述与持续不断的增殖信号、躲避生长抑制、抵抗细胞死亡
肿瘤的六大生物学特征是人体肿瘤在一步步发展的过程中获得的。这些基础特征构成了我们系统性理解肿瘤—这种复杂的新生冗余物的基础逻辑框架。
这些基础特征包括：持续不断的增殖信号；躲避生长抑制；抵抗细胞死亡；永不停止的复制能力；引发血管新生的能力；侵袭与转移的能力。跟这些特征密切相关的还有基因组的不稳定，基因组的不稳定导致了基因的多样性从而加速了这六大特征的获得。炎症也对其中的多个特征的产生有促进作用。
上个十年新的概念性进展包含很有潜力的新兴两大特征：异常途径的能量代谢（或者更准确的说法是能量代谢程序异常排列）和避免免疫摧毁。
另外，对肿瘤细胞来说，肿瘤还从另外一个维度展现了它的复杂性：通过招募表面上看起来正常的细胞，参与构建肿瘤微环境，来帮助形成肿瘤的这些基础特征。增强对这些特征的认知将更好的使我们在抗击肿瘤的斗争中发展出新的抗肿瘤手段。
简介
我们假设肿瘤的六大细胞生物学特征，为我们通过逻辑思考更好地认识肿瘤的多样性提供了一个组织原则框架（Hanahan and Weinberg，2000）。
我们的讨论含蓄地指出，正常的细胞逐步转入恶变的状态，它们成功的获得了这些肿瘤基础特征，肿瘤发病的多步骤进程可以被这样合理的解释：初期的肿瘤细胞获得了这些肿瘤的六大生物学特征，使它们最终演变成肿瘤并且实现了恶变。
我们注意到肿瘤绝不仅仅是一座增殖的癌细胞构成的孤岛。相反，它们是由多种清晰而明确的细胞类型相互协作统一构建的整体。我们认为，肿瘤招募了构建肿瘤基质的正常细胞，在肿瘤产生的过程中这些细胞是积极的参与者而不是消极的旁观者。
这些基质细胞对于我们总结、发展肿瘤细胞生理学特征具有相当的贡献。在过去的十年中，这一理解被加强和拓展了，并且揭示了肿瘤生物学不能被简单地理解为仅仅枚举肿瘤细胞的特点，而是应该包含肿瘤微环境对肿瘤产生的贡献。
在本文上一版付梓之后，对于肿瘤研究的巨大进展的过程中，新的结论澄清和修改了原有的对肿瘤细胞生物学特征的陈述。
另外还有一些实验提出了问题，细化了一些机制的概念，这在我们上一版本中是没有整体性阐述的。受这些学术进展的推动，我们现在修订了旧有的对肿瘤生物学特征的描述。
我们认为，新的描述可以涵盖肿瘤招募的基质细胞对肿瘤生物学的功能性影响和贡献。
肿瘤生物学特征的概念性进展
肿瘤的六大特征（正是这些独特的、辅助性的能力使肿瘤细胞实现了生长、转移、传播）提供了一个理解肿瘤细胞生物学坚实基础。在这个述评的第一部分，我们概括了每种基本特征的本质，就像我们在2000年那一版本中所做的一样；紧接着，出于理解它们机制的目的，我们选了一些过去的十年中概念性的进展插图（小标题用斜体字来注明）。
接下来的部分，我们强调了过去十年中在概念方面的新进展，暨对取得这六种肿瘤特征至关重要的两种新的特性，这是两种新出现的肿瘤生物学特征。
肿瘤与肿瘤微环境之间的运行规则和信号交互交流对肿瘤的表型尤其重要。我们最后讨论医学前沿应用这些概念所取得的治疗进展。
可以说肿瘤细胞最基础的特征一定包含它们能够持久的提供肿瘤增殖信号的能力。
正常的组织小心翼翼的控制着产生以及削减促进生长的那些信号，因为这些信号下达进入生长-分化的细胞周期的指令，从而保证了细胞数量的动态平衡从而维持正常的组织结构及功能。肿瘤细胞生长因子信号紊乱不受控制，从而变成了它们自己命运的主宰。
这种以生长因子为主的启动信号的传递通常是依靠与细胞表面的受体相结合的方式进行，这种受体最典型的就是细胞内的酪氨酸激酶区域。
后者继续通过细胞内的信号通道调整细胞在细胞生长周期中的进程，通常是决定了细胞的生长（这里只尺寸的变大），通常这些信号还可以影响细胞的其他细胞生物学特征，如细胞的生存和能量代谢。
值得强调的是，之前我们对正常的组织内正在运行的增殖信号究竟有哪些，其源头在何处知之甚少，直到今天依然如此。
进一步的，我们对细胞是如何让控制释放有丝分裂信号的机制仍然知之甚少。我们知道这一机制非常复杂，人体组织通过传输旁分泌的生长因子信号，调节细胞的生长时间进程及排列的位置，从而决定了细胞的数量及空间排列方式；这种旁分泌的信号机制很难通过实验来追踪监测。
另外生长因子的生物利用度被周边细胞的空间位置及细胞基质所阻隔影响，而且一个由蛋白酶、硫酸酯酶、其他酶构成的网络系统决定了这些信号的释放和激活，很明显这是一种高度特异化、有针对性的方式。
相对而言，肿瘤细胞的有丝分裂信号比较好理解。肿瘤细胞可以通过多种途径获得持续发射增殖信号的能力：它们自己产生生长因子配体，与自己表达的生长因子受体相结合，自分泌增殖信号促进持续增殖的进行；也可以发送信号给肿瘤相关基质的正常细胞，作为应答，这些细胞为肿瘤的生长供应各种各样的生长因子。
受体信号水平可以通过肿瘤细胞表面提升受体蛋白的表达水平得到放大，因为这样，即使配体的量是限定的，因为受体对这种信号有高度敏感性，受体信号水平仍然可以放大。受体发生分子结构的改变，从而不依赖配体可以独立产生生长因子信号，也可以达到同样的结果。
不依赖生长因子激活增殖信号也可能通过受体下游信号通道的激活达成，这种方式就不需要配体激活受体来介导。
鉴于有一些受体被配体激活后，激活了下游的信号途径，这种信号通路是通过级联反应激活的，举个例子，RAS信号通路的转导就是这样，当然这仅仅是被一个激活的受体发送出信号指令的亚类。
体细胞突变激活了附属的下游信号通道
高通量的癌细胞基因组测序分析表明，体细胞突变在特定的肿瘤类型里可以预测：生长因子受体激活后引发的信号通路的激活。
我们现在已经知道40%左右的黑色素瘤包含着某些激活的变异，这些变异影响了B-RAF蛋白的结构，导致了通过RAF蛋白中介的有丝分裂激活性蛋白激酶（MAP）信号通道被激活。
负反馈信号的中断会削弱对增殖信号的控制
近来的研究发现负反馈信号回路可以摧毁各类信号，这样的话，它对维持细胞内的各种信号通路的稳态具有重大作用。缺乏这些负反馈机制，增殖信号就会放大。举个典型例子：
RAS癌蛋白无法激活RAS信号通路；相反，癌基因变异影响了RAS基因从而削弱了RAS GTP酶的活性，而这种酶原本作为一种负反馈机制保证了活化的信号迅速地被灭活。
类似的负反馈机制在增殖信号的回路内多个节点存在。在人体肿瘤中，我们经常可以发现因启动子甲基化所导致的PTEN功能丧失。
似乎可以说，负反馈机制的缺失在肿瘤细胞的这个信号通道和其他的信号通道都是广泛存在的，并且是这些肿瘤细胞取得独立增殖的重要手段。
更进一步，这种信号自衰减的反馈机制缺失，是导致肿瘤细胞对以有丝分裂为靶点的药物耐药性的重要原因。
过度的增殖信号可以引发细胞衰老
早先的研究表明，癌基因及其蛋白产物增殖信号的表达日益增加会导致相应的肿瘤细胞复制和肿瘤生长。但是近来的研究却推翻了这一点，癌蛋白过度的信号表达，例如：RAS、MYC 和RAF 将会刺激细胞发生促进平衡的应答反应，特别是细胞衰退和/或细胞凋亡。举个例子：
细胞经培养后表达高水平的RAS蛋白，它会进入非增殖却仍然可生存的状态，也就是衰老阶段；相反，细胞表达低水平的这种蛋白却可以避免衰老并且实现增殖。
细胞衰老的形态学外观，包括了细胞质增大、缺乏增殖标记物，并且表达了衰老—引发了在小鼠过表达某种癌基因组织中的b-半乳糖苷酶钝化。这种情况在人黑色素瘤中也很常见。
这种表面上看起来自相矛盾的表象似乎反映出细胞一种固有的防御机制，那就是一旦某种信号过表达就把整个细胞终结。因此，肿瘤细胞中致癌信号的强度，是能最大限度的引发有丝分裂，而又不至于诱发这种细胞抗增殖防御机制。
也有可能是另一种情况，那就是癌细胞可能适应了高水平的有丝分裂信号，它的办法就是不让引发衰老或者凋亡的细胞信号通道被激活。
避免生长抑制
癌细胞除了积极地寻求触发和维持增殖信号外，还必须规避强大的增殖信号抑制机制。许多这种抑制机制依靠的是肿瘤抑制基因。
现已发现有成打的肿瘤抑制因子分布在肿瘤不同的信号通道内，负责抑制细胞的异常生长和增殖，这些因子是通过它们对人或动物肿瘤细胞灭活的特点发现的；在小鼠试验中通过使小鼠得到或失去某种功能可以验证许多这种友善的肿瘤抑制因子的基因。两种典型的肿瘤抑制基因编码了RB（视网膜母细胞瘤相关）和TP53蛋白。
它们在两种关键的互补性细胞调控信号回路中处于核心编码控制者的位置上。它们决定细胞到底是增殖还是走向衰老和凋亡。
RB蛋白整合来自胞内和胞外的信号，作为回应，决定细胞是否进入生长分裂细胞周期。肿瘤细胞缺少了RB信号的控制作用就意味着缺少了细胞周期进程中的关键“守门员”，也就是说可以持续增殖。
RB蛋白转导那些主要起始于细胞外部的生长抑制信号，而TP53主要接受细胞内部的压力与异常感受器导入的信号。
如果基因组的破坏太强烈或者核苷酸池、促生长信号、葡萄糖、氧供的情况达不到标准，那么TP53可以停止细胞周期运行直到这些条件恢复正常。
可选择的另一条途径就是，如果警示信号显示细胞的某一子系统有压倒性的或无可挽回的毁坏，那么TP53可以引发凋亡。
要知道，活化的TP53蛋白具有非常复杂的多种功能，并且这些功能是由不同情况所决定的，这些情况包括细胞类型、基因组毁坏程度、细胞所感受到压力的严重程度与持久程度。
尽管这两种典型的增殖抑制因子—TP53和RB—在限制细胞增殖方面具有卓越的重要性，但是不同方面的证据显示它们也仅仅控制着一个具有功能冗余性的的巨大信号网络的一小部分。
接触抑制与侵袭的机制
四十年的研究显示，有赖于细胞与细胞之间在二维空间上的扩展分布和密集排列并紧密接触的形式，细胞的进一步增殖受到抑制，因此产生了有弹性的融合的细胞单层。
重要的是，自然界中的肿瘤细胞摒弃了这种接触抑制机制，这显示了接触抑制是一种运行于体内的维持正常组织稳态的体外替代机制，在肿瘤生成过程中这种机制被废除了。直到最近，这种模式的生长控制机制的基础仍然不甚明朗。现在，这种接触抑制机制总算有点眉目了。
第一种机制是一种NF2基因的产物，长久以来被证明是一种肿瘤抑制因子，因为它的缺乏会引发一种人纤维瘤。Merlin蛋白，胞质NF2基因的产物，通过将细胞表面连接分子（e.g., E-cadherin）与跨膜蛋白激酶受体（e.g., the EGF receptor）相连接的方式，控制着接触抑制。这样做以后，梅林蛋白强化了钙粘蛋白介导的细胞与细胞之间的连接。另外，通过螯合生长因子受体，梅林蛋白有效地限制了它们释放有丝分裂信号的能力（Curto et al., ; Okada et al., ）。
第二种接触抑制机制与LKB1上皮细胞极性蛋白有关，它组织了上皮细胞的结构并且帮助维持组织紧密性。LKB1功能极其强大，举个例子，它甚至可以消除MYC致癌基因在静态上皮细胞将有丝分裂信号上调的强有力影响。相反，当LKB1被压制，上皮结构的紧密型就会变的不稳定，上皮细胞就会容易发生受到MYC基因所诱导的形变。
TGF-b信号通道被破坏会促成恶变
TGF-b因其抗增殖功能而被广泛认知，它不仅仅是关闭了癌细胞的信号通路，现在已经发现了它对癌细胞侵袭功能有更多、更复杂的影响。
在许多肿瘤的晚期阶段，TGF-b的功能现在已经被重新认知，并非表现为对细胞增殖的抑制，而是激活了一种叫做EMT（上皮间质转化）的程序，这直接引发了癌细胞高度恶变，我们后面会详细讨论这一问题。
抵抗细胞死亡
在过去中所进行的引人瞩目的研究表明，凋亡所引发的细胞程序性死亡被认为是肿瘤细胞必需逾越的屏障。信号通道控制下的凋亡程序揭示了，触发凋亡环节是癌细胞在癌症形成过程中或者在生理压力下的一种自然反应。
我们注意到，当癌细胞过度提高其信号水平，会导致凋亡诱导信号的不平衡，就像早先提到的那样，DNA因增殖信号水平过高而被破坏。但是另一方面，凋亡程序也可以对高度恶变和对治疗处于抵抗状态的癌细胞产生保护作用。
凋亡机制由上游调控因子和下游效应因子共同构成。调控因子也分为了两个主要的信号回路，一个主要是接受和执行细胞外的死亡诱导信号（外在凋亡程序，举个例子FAS配体和受体），另一个负责感受和整合发源于细胞内的信号（内程序）。
它们都最终导致激活了一种正常的蛋白酶前体（特别是半胱氨酸蛋白酶8和9），这些蛋白酶，包括负责执行凋亡程序的半胱氨酸效应因子，加速了蛋白质水解。这些细胞随后就被相邻细胞和专门的巨噬细胞所拆分、消耗掉。现在一般认为，内在细胞凋亡程序是防止肿瘤细胞形成的。
Bcl-2调控蛋白（Bcl-2调控蛋白是抗凋亡蛋白）家族中，起制衡作用的亲Bcl-2调控蛋白和抗凋亡蛋白负责控制在调控因子和效应因子之间传递信号的“凋亡扳机”。
作为原型，Bcl-2和它的同系物（Bcl-xL, Bcl-w, Mcl-1, A1）是凋亡抑制剂，绑定并且压制了两种类凋亡蛋白（Bax and Bak）；这两者是嵌入线粒体外膜上的。
当解除了抗凋亡同系物对它们的抑制作用，它们会破坏线粒体外膜的完整性，释放出类凋亡信号蛋白，其中最重要的要算是细胞色素C了。
释放出细胞色素C就会引发半胱氨酸酯酶的级联反应，这种蛋白水解最后造成了与细胞凋亡相关的多重细胞改变。Bax和Bak分担了蛋白对蛋白的互动区域，也叫BH3决定域，具有抗凋亡功能的Bcl-2类似蛋白介导了它们的各种生理作用。
激活相关蛋白的亚家族，它们中的每一个都包含了一个单独的BH3区域，被耦合到各类感受细胞非正常状态的感受器上。这些BH3特异性蛋白采取行动，干扰抗凋亡蛋白Bcl-2的作用，或者是直接激活前凋亡因子。
尽管引发凋亡的细胞状况仍然没有被完全列举出来，但是一些异常的信号感受器在肿瘤发展进程中所盼演的角色已经被证实了。最值得注意的，就是经由TP53发挥作用的DNA损坏感受器。TP53通过下调Noxa 和 Puma BH3特异蛋白的表达来引发凋亡，以此来回应大量的DNA断裂和染色体不正常。
另外一种可能，就是不充分的生存因子信号可以通过一种叫做Bim的BH3特异蛋白引发凋亡。然而，另一种引发细胞死亡的条件是某些癌蛋白所激活的高水平的信号表达。例如MYC能引发细胞凋亡（部分经由Bim和其他的BH3特异蛋白），除非有抗凋亡因子抵消这一结果。
肿瘤细胞有多种多样的限制、规避凋亡的策略。最常见的就是让TP53丧失功能，这样就可以把凋亡诱导通路中最重要的毁坏感受器清除了。
肿瘤细胞也可以通过提高抗凋亡因子的表达（Bcl-2, Bcl-xL），或者提高生存信号的表达（例如IGF1/2）来获得同样的结果。这些生存信号可以下调前凋亡因子或破坏外部配体诱发的死亡信号通路。抗凋亡机制的多样性可以充分反映出肿瘤细胞在恶变过程中，所遇到的凋亡诱导信号的多样性。
凋亡的机制与程序，以及肿瘤细胞抗凋亡的策略，在上一个十年刚开始的时候被大量的揭示出来。
从那时起，最值得我们注意的概念性进展包含了其他形式的程序性细胞死亡，这就拓宽了我们对“程序性死亡是肿瘤形成的障碍”这一重要概念的理解。
自噬即帮助肿瘤细胞生存又引发肿瘤细胞死亡
自噬代表了一种重要的细胞生理反应，与凋亡一样，通常在细胞营养缺乏处于严重压力状态的时候就会诱发。自噬的程序使细胞能破坏自己的细胞器，例如核糖体和线粒体。
这样，这些降解产物就会被作为能量代谢和合成的原料重新利用。细胞内的囊泡也叫做自噬体，会把细胞器包裹起来，与溶酶体相混合，这样降解就发生了。这样一来，低分子的代谢产物就会被处于压力、营养缺乏状态下的肿瘤细胞所利用。
与凋亡一样，自噬的机制中也包含了调节器和效应器。效应器包含了那些形成自噬体以及溶酶体的蛋白。就像我们所知的那样，最近的研究发现细胞的凋亡、自噬、稳态之间的信号通路相互交联。
自噬是肿瘤生成的一个屏障，这种机制并不依赖于凋亡，当然，有可能根凋亡有协作关系。
相应的，自噬似乎就是肿瘤在生成过程中需要克服的另一个障碍。然而，在某种程度上又存在矛盾。营养缺乏、放射治疗以及特定的细胞毒药物可以引发自噬水平的上升，这样从对肿瘤细胞保护的角度来讲，这种损害比严厉的死亡压力要好。
另外，严重压力状态下的肿瘤细胞 经自噬收缩，进入一个可逆的休眠状态。这种对生存压力的响应最终可以使肿瘤在随后的肿瘤治疗进程中重新生长出来，度过强效抗肿瘤药带给它们的生存压力。
随后，通过对TGF-b 信号的分析（TGF-b信号在肿瘤初期具有抑制作用而在肿瘤晚期具有协助其生长的作用），我们觉得与之相似，自噬在肿瘤的发展进程中同时具备两种相互冲突的作用。
重要的是，将来研究进程中我们应该设法搞清楚，基因条件和细胞生理条件是怎样指导自噬在什么时候、如何使肿瘤细胞躲过压力生存和引发细胞死亡的。
坏死具有诱发炎症和促肿瘤形成的能力
与凋亡相反，凋亡时细胞的尸体很快被它的周边细胞消耗掉，而坏死的细胞膨胀破裂，将它们的内容物释放到周边组织环境中。
然而，坏死历史上被认为是一种与机体死亡类似的无序死亡，它似乎是一种系统资源耗尽并且崩溃的死亡方式，但是现在这一观点有所变化：细胞坏死在某种条件下是受基因控制的，并非是随机和被动发生的。
可能更重要的是，坏死的细胞向周边的组织释放的促炎症信号，凋亡、自噬可没有这么做。
作为结果，坏死的细胞可以从免疫系统中招募炎症细胞，这些炎症细胞是专门用于运送和清除坏死细胞的残片的。在肿瘤生成的进程中，多种研究表明，免疫炎症细胞可以刺激肿瘤生成，具体包括促进新生血管的形成，促成增殖，促进侵袭和转移。
另外，坏死的细胞可以释放出生物激活活化因子，例如IL-1a，它可以直接刺激相邻的细胞增殖，那些有潜力转变的细胞，一次又一次的被刺激，早晚会发生癌变。坏死细胞的死亡，看起来对制衡处于复制状态的癌细胞有益，但是也许破坏最终大于益处。
相应的，初期的癌细胞和有侵袭转移潜力的癌细胞可以通过忍受一定程度的细胞坏死来获得一种能力，这将会招募促炎细胞，这些促炎细胞会给残存的细胞带去急需的生长刺激因子。
02 永不停止的复制能力、引发血管新生的能力、侵袭与转移的能力
1、赋予无限复制不死的能力
到2000年我们认为，癌细胞是为了长成可见的大肿瘤才获得无限复制的能力的。这种能力与体内大多数正常谱系的细胞形成了鲜明的反差。通过细胞生长-分化周期后，正常的细胞都应该是数量有限的。
这种限制是与两种肿瘤发展屏障密切关联的：一种是衰老，典型的非复制但是可以生存的状态，还有一种是危机状态，它包含了细胞的死亡。
相应的，当细胞复制传播时，这一进程会被重复：过度的复制引发了衰老，如果能规避衰老这一屏障，前面还有危机状态在等着它，决大多数的细胞都挺不过危机状态这一关。
极小的几率下，细胞挺过来了，并且呈现出无限复制的潜力。这种转变我们把它叫做永生化，这种特征建立在复制细胞呈现出增值能力而没有出现衰老和危机的迹象。
多重证据表明，端粒保护着染色体的末端，在无限复制的过程中处于核心位置。端粒是由六位碱基串联而成的多重复制体。
在正常非永生细胞的复制过程中，端粒长度随着复制是不断缩短的，最终失去了保护染色体末端从DNA端-端融合过程中逃离出来的能力。这最终会导致染色体双着丝核型的紊乱，这样就威胁到细胞的生存。相应的，端粒DNA的长度就预示了在某一细胞中可以复制多少代，而不至于端粒受到大规模的破坏失去其功能（引发危机状态的功能）。
端粒酶是一种可以增加DNA端粒末端复制片段长度的特殊的DNA聚合酶，在正常非永生化细胞中几乎不表达，在超过90%的永生化的细胞（包括人类的肿瘤细胞）中都有显著地表达。依靠扩增端粒DNA，端粒酶使它避免了多次复制过程中这种程序性的破坏，当然端粒酶缺乏时这种破坏就会出现。
这展现了端粒酶的激活作用，既可以使细胞多代复制而不死，又可以使其抵抗衰老和危机状态/凋亡；相反，压制端粒酶的活性就会引发端粒缩短，从而诱发这些肿瘤形成过程中的障碍。
增殖的两大障碍——衰老和危机状态/凋亡—被认为是我们细胞内关键的抗肿瘤防御手段。它们被利用来阻断癌前及癌变细胞的生长。出于这种障碍，大部分肿瘤竭尽全力拼命复制，以逃脱衰老和危机状态/凋亡的阻碍作用。
最终，极少数变异的细胞发生了永生化，这写细胞构建了肿瘤。这主要归功于它们能够维持端粒DNA具有足够的长度，从而不去触发危机状态/凋亡的阻碍作用。这主要是上调端粒酶表达实现的，另外在极少的情况下是通过端粒重组实现的。
因而端粒缩短被认为是一种正常细胞经有限次数的复制就停止复制的“闹钟提醒”机制，这是肿瘤细胞在形成过程中必须克服的障碍。
2、重新评估增值衰老
鉴于端粒维持目前被认为是肿瘤化过程中必不可少的一个关键条件，复制诱发的衰老是肿瘤生成的障碍要被改进和改写了。
近些年的研究揭示，端粒酶承担着一些跟复制相关而与端粒维持无关的功能。这些端粒酶的额外功能对肿瘤形成的影响还需要进一步的研究。
3、诱导新生血管形成
与正常组织一样，肿瘤需要氧气和养分，并且需要排出二氧化碳和代谢废物。
与肿瘤相关的新生血管的构成，是由血管新生的程序启动的，这样就强调了这些需求（这与厌氧环境造成的诱导信号密切相关）。
在胚胎形成阶段，血管结构的形成与上皮细胞的形成及组装（血管制造）成管密切相关，还与已有血管新生萌芽（血管新生）有关。在这些形态上的变化发生后，正常的血管就大体成型了。
在成人中，作为正常生理进程的一部分，在伤口愈合和女性生育循环中，血管新生的功能也会短暂地出现。相反，在肿瘤的生成过程中，新生血管开关几乎总是激活并开启的，这样就引发了静息状态下的正常血管结构产生并延伸出新的血管网线，从而支撑肿瘤不停的生长扩张。
新生血管开关被补贴-抵消因子通过诱导或对抗新生血管的生成的手段控制。一些新生血管调控因子是信号蛋白，他们通过与血管上皮细胞表面表达的受体相结合来刺激或者拮抗新生血管。最著名的新生血管诱导因子和拮抗因子就是VEGF-A和TSP-1。
肿瘤内血管的生成有赖于长期激活血管新生及不平衡的混合类血管新生因子刺激，肿瘤内血管出现了典型的异常：这些异常包括毛细血管萌芽早熟，复杂且过度生长的血管分支，扭曲且扩大的血管，血流量不稳定，少量出血，泄漏，异常水平的内皮细胞增殖和凋亡。
血管新生，无论是在浸润性肿瘤动物模型还是在人类肿瘤中，发生之早令人吃惊。对癌前病变组织分析表明，非浸润性病变，包括各种器官发育不良和原位癌的发生，都揭示了早期血管新生开关就已经产生了问题。
历史上，我们曾认为只有在肉眼可见的肿瘤处于快速生长期时，肿瘤新生血管才是非常重要的。但是最近的数据表明，血管新生对于出于癌前病变阶段的微小肿瘤的生长就已经起到了作用，这样就巩固了其作为肿瘤生物学标志性特征的地位。
过去的十年，我们在肿瘤新生血管方面的探索取得了惊人的成绩。在这些进展中，特别值得我们注意的是肿瘤生理学方面的一些进展。
4、新生血管调控的层次
一旦新生血管被激活，肿瘤就会展现出多种新生血管的模式。一些肿瘤，包括高侵袭性的肿瘤例如胰腺导管腺癌，它们是非血管依赖性的，他们有大片的基质构成的“沙漠”，它们是缺血性肿瘤甚至有可能会抵抗血管的生成。
但是绝大多数人类的其他肿瘤，包括肾和胰腺的神经内分泌性癌症都是血管依赖性的，因此其癌组织内血管排列非常密集。
5、内源性的血管新生抑制剂是肿瘤血管新生的自然屏障
90年代的研发揭示，TSP-1与纤溶酶片段（血管抑素）、胶原蛋白-18（血管内皮抑素），可以作为内源性的血管新生抑制剂起到抑制作用。
在过去的十年里，我们发现了其他的成打的这种组分。大部分是蛋白质，它们中的许多都是受结构蛋白的蛋白水解所驱动，其本身并不能调控血管新生。它们之中的相当一部分可以在正常的人类和小鼠的循环系统中被发现。
某些特定的基因编码了这些内源性的血管新生抑制剂，如果在没有不良生理影响的前提下，将含有这些基因的特定品系细胞删除，那么在这一部位和植入肿瘤的部位，肿瘤就会迅速的生长起来。
相反，如果在循环系统中这些物质的表达水平提高了（例如在转基因小鼠或种植肿瘤的小鼠中，这种水平高表达），肿瘤的生长就会受到损害。有趣的是，当这些基因被提升或者消除时，伤口愈合和脂肪沉积就相应的被损害和加速。
有数据显示，这种内源性的血管新生抑制剂在正常情况下作为生理调节因子，在组织再生和伤口愈合期间暂时性的允许血管生成，它们也可以作为早期肿瘤诱导或持续产生血管新生的内源性的屏障而存在。
6、血管周细胞是肿瘤血管构建的重要基础元件
血管周细胞作为一种支撑细胞我们很早就认知了，在正常的血管组织中周细胞紧紧粘附在内皮细胞管的外表面，它们对内皮细胞起到机械性和生理性的支撑作用。
相反，与肿瘤相关的血管结构中，却缺乏这种辅助细胞明显的覆盖层。然而，近年来对周细胞仔细的研究发现，虽然松散，周细胞即使不是与所有的肿瘤也与绝大部分肿瘤的血管结构相关。
更重要的是，下面我们对有关机制的探讨中会揭示，周细胞覆盖层对于维持肿瘤血管结构的功能具有非常重要的作用。
7、多种髓源性细胞对肿瘤新生血管有重要的作用
现已清楚，在病理性的血管新生中，骨髓源性的细胞扮演了一个重要的角色。
这包括了先天免疫系统——这主要包括了巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞、髓系祖细胞，它们渗透了癌前病变部位和进展期肿瘤并且在这些病变部位的边缘聚集。
肿瘤周边炎症细胞帮助触发原本在组织中处于静息状态的新生血管开关，维持了与肿瘤相关的持续的血管新生，另外还促进了局部侵袭，下面会谈到这一点。我们现在可以利用药物以内皮细胞信号为靶向的来保护血管结构不受侵害。
另外，在特定的病例里我们发现几种骨髓源性的“血管内皮祖细胞”迁移到了癌变部位，并且作为周细胞和内皮细胞插到了肿瘤新生血管里面去。
8、激活侵袭转移
现在我们已经清楚，从最初的上皮组织产生癌变到病理学上的高度恶变，这反映出与局部侵袭和明显的转移相关的癌细胞会变化它们的形状，并且改变它们与其他细胞及胞外基质（ECM）的联系。
最大的个性化改变就是丢失了癌细胞的E-钙粘蛋白，这是细胞与细胞之间的关键粘连分子。通过与相邻的上皮细胞形成交叉粘着，E-钙粘蛋白帮助上皮细胞层紧密聚集并且帮助其维持静息状态。
E-钙粘蛋白表达升高将很好的建立起对肿瘤侵袭和转移的抵抗机制，而降低了它的表达可以使侵袭和转移实现。我们经常可以在人类肿瘤中观察到E-钙粘蛋白的下调和少数的突变失活，这对于“E-钙粘蛋白是侵袭转移——这一肿瘤生物学特征的关键抑制因子”的观点，是一种很好的证明。
此外，在生长抑制下调的情况下，基因编码的细胞对细胞以及细胞对胞外基质的粘附分子在高侵袭性肿瘤中明显的改变了（下调）。
相反，与细胞迁移相关的粘附分子在胚胎形成及炎症期间会显著的上调。除了得到或失去这些细胞对细胞或细胞对间质的联系蛋白之外，对侵袭和转移的主要调控因子我们还基本不知道，有时候我们有所怀疑，但是还不能做出功能性的验证。
侵袭与转移的多步进程，目前认为是系统化的一些列连续的步骤，通常被称作侵袭-转移级联反应。
我们可以认为，这是细胞生物学上的一种成功改变，刚开始是局部侵袭，紧接着就是肿瘤细胞进入相邻的血管和淋巴管，癌细胞通过淋巴和血液系统中转，接下来这些肿瘤细胞会从管腔中逃脱进入离原发部位较远的组织实质中（外渗），肿瘤细胞的小结节构造（微小转移），最终会从一个小的转移病变部位成长为一个肉眼可见的肿瘤，最后一步被称为“定植”。
9、上皮间质转化程序（EMT）拓宽了我们对侵袭和转移的调控方面的认知
一个正在发展的调控程序，叫做上皮间质转化程序，已经成为一种形成侵袭能力的主要手段，被转化的上皮细胞正是依靠这一手段获得了侵袭、抵抗凋亡、扩散的能力。
通过与胚胎形成和伤口愈合的各种步骤共用的一个程序，肿瘤细胞可以获得多种特性从而赋予其侵袭和转移的能力。
EMT这种多功能的程序可以在不同程度上被癌细胞在侵袭和转移的时候短暂或稳定的激活。
一套多种活性的转录因子大部分都是发育基因完成启动的。这些转录调控因子在恶性肿瘤或能引发重要程序性入侵的动物肿瘤实验模型中，被以各种各样的组合形式表达；我们发现，其中一些因子当异位过度表达时就会发生转移。
这些转录因子引发了一系列的细胞生物学特性，这其中包含失去了与其他细胞的交叉粘连并且发生了多边形/上皮细胞向细长/成纤维细胞的转化，表达了基质降解酶，增强了运动能力，提高了对凋亡的抵抗力——所有这些特点都与侵袭和转移密切相关。其中一些转化因子可以直接的压制E-钙粘蛋白的基因表达，从而剥夺了抑制癌化上皮细胞活力和侵袭能力的关键抑制因子。
越来越多的证据表明，癌细胞与相邻的肿瘤基质细胞的相互影响可以诱导出恶性肿瘤细胞表型的表达，我们知道这是由这些转录因子中的一个或多个所决定的。
更进一步，在特定的肿瘤侵袭边缘的肿瘤细胞，已经经历过EMT了，这表明这些肿瘤细胞容易受到微环境的刺激，明显与居于肿瘤核心区域的肿瘤细胞受到的刺激不同。
尽管现在证据依然不充分，但是很明显，EMT诱导的转录因子可以决定侵袭-转移过程中的绝大多数步骤，除了最后一步定植以外。我们对由EMT产生的间质的表现、作用和长久稳定性仍然知之甚少。
尽管我们观察到由EMT诱导的转录因子在非上皮细胞癌症中也有表达，例如肉瘤和神经外胚层肿瘤，但是它们在这些肿瘤恶化进程中所起到的作用我们现在还不知道。
另外，我们现在还不知道，侵袭性肿瘤的细胞是否必需通过激活部分EMT程序来获得其侵袭能力，亦或是其他调控程序也可以达到这一目的。
10、基质细胞对侵袭和转移的贡献
越来越明显的证据表明，肿瘤细胞与肿瘤基质细胞的相互作用参与了侵袭-转移能力的获得。像上面说的一样，这些信号侵袭了肿瘤细胞并且促使它们获得了肿瘤的生物学特征。
肿瘤周边的巨噬细胞可以通过提供基质降解酶例如金属蛋白酶、半胱氨酸组织蛋白酶。高度恶变并不出现在严格细胞自动运行方式里，而且它们的表现并不能仅仅通过对肿瘤细胞的基因组分析认知。
一个未经检验的重要的观点认为，一部分特定的肿瘤细胞可以获得诱发大部分侵袭-转移级联反应步骤的能力，而并不需要这些肿瘤细胞除了肿瘤形成的初始期必需的突变外，额外产生其他突变。
11、浸润性生长的弹性进程
上下游信号诱导浸润的能力（通常经由EMT）关乎转换的可能性，只有这样，当肿瘤细胞从原发灶散播到较远的组织中的时候，不可能再像处于原发灶那样从激活的间质细胞和侵袭/EMT诱导的信号中受益了；不能继续暴露在这些信号下，那么肿瘤细胞在它的新家就会退回到原来的非浸润状态。
然而肿瘤细胞已经在启动浸润和侵袭转移的时候已经经历过EMT了，所以会经历一个倒过来的程序我们叫做MET。这种弹性原因在于构建肿瘤定植地，这些细胞在组织病理学上与原发癌部位没有经历过EMT的细胞是一致的。
更进一步，有的时候我们说肿瘤细胞规矩的经历整个EMT程序未免简单了；相反，在很多案例里，我们都发现肿瘤细胞进入了EMT程序但是仅仅经历其中一部分，随后当他们能继续表达残余的上皮细胞特点时，就已经具备了间质的特征。
12、侵袭的不同形式可能跟肿瘤的不同表型相关
肿瘤调控着一种特殊的侵袭类型叫做“间质化”，同时目前也已经区分了另外两种截然不同的侵袭类型。
集体入侵具备的特点涉及肿瘤细胞结节集体进入相邻组织，例如鳞状细胞癌；有趣的是这类肿瘤很少转移，这表明这种侵袭缺少某种促进转移的功能属性。我们对这种类似阿米巴原虫（变形虫）的入侵形式知之甚少。
在这种侵袭形式中，个体的肿瘤细胞呈现出形态可变性，这就使它们可以通过滑行穿过细胞外基质的空隙，而不必费事的清理道路，这在间质侵袭和集体侵袭中都发现了。
现在仍然不明了的是，当肿瘤细胞参与集结并以阿米巴变形虫的形式发生侵袭时，是否启动了部分的EMT程序，或者在编排另一种侵袭方式（集结并以阿米巴变形虫的形式发生侵袭），是否整个细胞生物学机制都有所不同。
另一个新出现的概念，上文我们提到了，炎症细胞对癌细胞的促进作用，这些细胞集结在肿瘤的边缘，产生了胞外基质降解酶和其他促侵袭的因)；这就不需要肿瘤细胞通过EMT程序来制造这些因子。
这样肿瘤细胞就通过分泌趋化因子来招募促侵袭炎症细胞，而不是亲自制造基质降解酶。
13、转移性定植过程艰巨复杂
转移可以被分为两个阶段：肿瘤细胞从原发部位向远处组织散播，肿瘤细胞适应了新的外部微环境并且成功定植，也就是从微转移灶成长为肉眼可见的肿瘤。多步骤的散播看起来是在EMT范围内进行的并且参加了转移的程序。
定植，并不一定总是转移的必然结果，现有证据显示：许多病人发生了多处微转移，成功的完成了散播但是却不能成长为肉眼可见的肿瘤。
在某些类型的肿瘤中，原发癌释放出系统性的抑制因子，使这些微转移灶处于休眠状态，在对原发肿瘤实施切除之后，这些微转移灶会发生爆炸性的增长。
然而，在其他的情况下，例如乳腺癌和黑色素瘤，在原发肿瘤被切除或化疗清除后数十年，微转移灶才会爆发性成长。这些转移瘤的生长反映出：休眠的微转移灶经过许多次试验和失败，终于解决了复杂的组织定植问题。
我们从这些实验历史数据中能得出的推论是，这些微转移灶缺乏某种对于爆发性增长必不可少的肿瘤生物学特征能力，例如激活新生血管的能力；的确，特定的实验产生的微转移灶无法发展成肉眼可见的肿瘤这被认为恰恰是无法激活血管新生所导致的。
此外，近来实验表明，营养缺乏会引发强烈的自噬，癌细胞会收缩并且转入一个可逆的休眠状态；当组织微环境发生改变的时候，例如营养充足，已经休眠的癌细胞就会退出休眠状态，重新生长并增殖。其他的微转移休眠机制包含嵌入正常组织细胞外基质的抗生长信号和免疫系统的肿瘤抑制作用。
大部分散播出去的肿瘤细胞对它们到达的肿瘤微环境的适应性看起来都不太好，至少在最初阶段是这样的。相应的，每一种肿瘤细胞都需要发展出一套自己在新环境想要快速增值起来的解决方案。
这种适应性的产生需要上百种不同的定植方案，每一种定植办法都受定植的肿瘤细胞的类型和定植发生地的组织微环境的影响。就像我们下面要讨论的一样，然而，有些特定的组织微环境对扩散过来的肿瘤细胞来说，注定是比较友好的。
很长时间以来，转移扩散一直以来被认为是原发瘤肿瘤进程中的最后一步，实际上对许多肿瘤来讲确实是这样的。
另一方面，最近出现的证据显示肿瘤细胞扩散发生的非常早，无论是在鼠模型还是在人类细胞里，从非侵袭的恶变前表皮就已经开始扩散了。此外，微转移也可以从已经具备新生血管管腔结构却没有管腔的完整性的原发癌处扩散。
尽管现在知道肿瘤细胞很明确的可以从癌前病变处扩散，播种到骨髓和其他组织中，但是它们是否有能力定植到那里并且可以发展成很明显的肉眼可见的较大转移瘤仍未得到证实。
除了扩散发生的时间以外，现在仍不清楚肿瘤细胞是在什么时候、什么地方发展出来定植到新组织、发展成较大肿瘤的能力的。
这种能力在肿瘤形成初期，就作为肿瘤的特殊发展途径形成了，甚至比散播还要早；这样原发瘤的细胞偶然进入血液循坏，并被赋予了定植到远处特定组织的能力。
另一种可能是，这种定植于特定组织的能力，仅仅用来回应那些作用于扩散的癌细胞的选择性压力，这些压力是针对肿瘤细胞对新组织微环境的成长适应性的。
发展了这些特殊组织的定植能力，这些转移克隆体内的肿瘤细胞就可以散播得更远，不仅到达体内的新组织，而且还可以回到原发瘤上。相应的，原发瘤内细胞的特异组织定植程序并非起源于原发瘤本身，而是起源于这些归巢的细胞。这些“再定植”与对人类胰腺癌的研究结果是一致的。
换句话说，在原发瘤里，癌细胞群体的表型和基因表达程序（包括下面要讨论到的肿瘤干细胞）明显的被从远处转移灶归巢的癌细胞修饰过。隐藏在癌细胞自我再播种进程中的是另外一种概念：支持性基质在原发癌部位生长起来，并且为了原发瘤能得到恶变的特性，给转移灶生长起来的归巢癌细胞提供了一个友好的再生长和定植的环境。
澄清了赋予转移灶定植能力调控程序为未来的研究指明了方向。现在正在进行相关基础研究，例如，现在正在确定：出现并在特定组织内协助建立起大到可视程度的转移灶的基因集（转移特征基因集）。
现在我们面临的挑战还是很艰巨的，上文我们提出了许多种明显不同的定植方案。更进一步，定植不像是一种细胞自动、自发的进程。相反，它几乎肯定需要建立起由关键基质细胞构成的、允许肿瘤顺利生长的肿瘤支持微环境。
因为上述原因，定植过程包含了大量的细胞生物学程序，总的来讲，比转移中的散播步骤更加复杂化和多样化。
14、胞内信号通道对肿瘤生物学特征能力的程序化调控
在2000年，我们提出了一个比喻，在这个比喻中，无数的信号分子影响着肿瘤细胞的运行，就像节点和分支都被精心整合过的信号回路，这是一种重新编程过的正常细胞中信号回路的衍生物。
随后的十年中的科学发现，不但巩固了我们最初描述的这些信号回路，而且还拓展了这些回路中所包含的信号及信号通道之间的交互影响。如果不是不可能，那么也很难用图画的形式全面而连贯的表现出这些信号通路，就像我们2000年所做的那样。
现在我们根据癌症的各个独立的生物学特征绘制了一幅信号回路的草图。
因此我们将细胞内的信号回路分割成不同的子回路，每个子回路都用于支持一种在正常细胞中独立的细胞生物学特征并且为了支持描述肿瘤相应的生物学特征而被重新编排、归纳了。
在这个图形中仅仅表述了对应每种标志性特征的信号回路子集，这是因为我们对相关控制回路知之甚少，另一方面也是因为它们之间广泛重叠。
从另一方面来看，这种复杂性还包含信号独立子回路之间的广泛交联和相互作用。
举个例子：
某一种特定癌基因活动可以影响多种肿瘤细胞生物学特征能力，就像突出的癌基因多种不同功能所展现的那样，例如突变的Ras基因和上调的MYC基因，都具备多重肿瘤细胞生物学特征能力我们预计，未来这个整合回路的样式将会包含我们现在还不知道的子回路和相关肿瘤生物学特征能力。
03 肿瘤的获得性特性及新兴的肿瘤细胞生物学特征
我们现已确定肿瘤获得的这些生物学特征能力允许肿瘤细胞的生存、增殖和扩散；这些功能是在肿瘤产生的多步过程中在不同的时间，不同的肿瘤类型经过不同的机制获得的。
这种获得有赖于两种特性。最主要的是在癌细胞里发展了基因不稳定性，这就产生了染色体重组过程中的随机突变，这其中一些罕见的基因变化可以赋予其某些生物学特征能力。
另一个特性包含恶变前的炎性状态，这种恶性病变是被免疫系统驱动的，免疫系统的某些成员通过不同的手段促进了肿瘤的发展。
还有一些肿瘤细胞提供的其他特征对肿瘤的发展具有重要的功能性的影响，或许这些将来会被加入肿瘤细胞生物学特征名单中来。
两种特征特别具有竞争力：
第一种包含了主要能量代谢的程序性重排，这是为了支持肿瘤细胞持续性的生长复制，因此重新调整了正常组织中的能量代谢程序以及为相关细胞执行生理功能添加燃料。
第二种是肿瘤细胞为了从免疫系统的攻击和杀灭作用中逃脱，激活的相关规避功能；这种能力表明了免疫系统的双重作用，即有拮抗作用也会促进肿瘤细胞的发生和发展。
以上的这两种能力都有利于多种肿瘤的发生和发展，因此可以被认为是新兴的肿瘤细胞生物学特征。这些特性和特征在图3中得到描绘，下文我们将一个一个的讨论。
1、第一种特性：基因组不稳定和变异
上面列举的多个肿瘤肿瘤生物学特征很大程度上取决于肿瘤细胞成功的基因改变。某些突变的基因型将选择性优势赋予细胞的亚克隆群体，使其最终生长起来并在组织局部微环境处于统治性地位。
相应的，肿瘤多步骤的发展可以被描述为一次成功的克隆体扩张，这种扩张是由赋予其变异能力基因型的机会所触发的。
举个例子，灭活肿瘤的压制因子也可以通过表观遗传学机制来实现，例如DNA甲基化或组蛋白修饰,一些克隆体的扩张也可以被非突变的基因表达调控改变所触发。基因组维持系统超乎寻常的侦察和清除缺陷基因能力保证了整个生命过程中自发细胞突变率非常低。
在获取编码肿瘤生成的那些必需基因过程中，肿瘤细胞经常提高突变率。这种变异性是依靠提高对诱变成分的灵敏性来获得，也可能通过破坏一个或几个基因组维持机制的元件，当然也有可能通过两种办法并用的方式来实现。
如果能跟监管正常的基因完整性并使基因组受到损害的细胞进入衰老和凋亡的监管机制变弱，那么变异的积累就会加速。TP53在此处于核心位置，被称作“守门员基因”。
各种各样的缺陷影响了DNA维护机制上的多个元件，我们通常把这一DNA维持机制叫做“基因组管理员”，现已被记录在案。
“基因组管理员”的缺陷基因目录包括那些其产物涉及：
侦测DNA缺陷并激活修复机制
直接修复损伤的DNA
在损伤DNA前，灭活或拦截突变分子
从基因组学角度来看，这些管理员基因很像肿瘤抑制因子，在肿瘤发展的过程中它们的功能会丢失，这种功能丢失是通过失活突变或表观遗传学抑制产生的。
从我们上一次阐述肿瘤分子生物学六大特征以来的时间，另一个肿瘤相关的基因组不稳定的主要源头已经被揭示出来：就像我们早先描述的那样，在许多肿瘤里端粒DNA的缺失将会导致核型不稳定和与此相关的扩增，以及某些染色体片段的缺失。
当我们审视这一观点时我们发现，端粒酶不仅是赋予肿瘤无限复制能力这一关键特征，而且同时承担着维持基因组完整性的“基因组管理员”的责任。
肿瘤细胞基因组分子遗传学基因分析的进展，提供了最有力的关于功能改变的变异和肿瘤进展期持续的基因组变异的展示。
一种类型的分析——比较基因组杂交（CGH）——记录整个细胞基因组基因样本得失的数量；
在许多肿瘤中，CGH技术对基因组完整性失控提供了充分的证据，这就揭示了许多肿瘤中普遍存在的基因组畸变。重要的是，在基因组关键位置特殊畸变的出现（既扩增又缺失）表明这些位置有些基因对肿瘤的发展有益。
尽管在不同种类的肿瘤之间基因组变异具有很大的差别，但是在人类肿瘤中大量的基因维持机制和基因缺陷修复机制（的变异）都已被记录在案，且有大量的证据表明基因样本数量和核苷酸序列的不稳定性在人类肿瘤细胞中是广泛存在的，这使我们确信，基因组的不稳定性在绝大多数的肿瘤细胞中是与生俱来的。
这将引导我们反过来可以做出这样的结论，在肿瘤发展的进程中基因组维持与修复机制的缺陷具有选择性的优势因此它们是协助肿瘤发展的工具，即使仅因为它们能够加速癌前细胞积累促恶变的基因表型的速度。
因此，基因组的不稳定性是癌症的一个获得性特性，它与获得癌症的生物学特征能力具有明确的因果关系。
2、另一种特性：炎症对肿瘤的促进作用
病理学家很早就认识到，肿瘤里密集渗透着来自先天免疫系统和获得性免疫系统里的许多免疫细胞，这反映出早在癌症出现前这些组织就已经具备了炎症条件。
随着能够精确标记在远处组织中的免疫细胞标识物的出现，现已清楚，几乎每个肿瘤病灶都含有免疫细胞，我们用标准组织化学染色法来检验，这些免疫细胞的分布密度从相关免疫细胞的抗体水平刚刚能够检测出来的水平，直到大面积非常明显的炎症，高低不等。
历史上，这种免疫系统的反应通常被认为是一种免疫系统试图根除肿瘤的尝试，事实上，越来越多的证据显示，对许多肿瘤类型来说免疫系统抗肿瘤反应之后紧随而来的就是对肿瘤逃避免疫摧毁的压力，我们下文会详细讨论。
2000年的时候就已经有线索表明，肿瘤相关炎性反应对于促进肿瘤的产生和发展有着非预期的、自相矛盾的作用，实际起到的作用是帮助初始阶段的肿瘤获得肿瘤生物学特征能力。
在过去的十年，肿瘤发病机制与炎症的关系是研究的一大热点，这样，对肿瘤的发展进程来说，就充分的、有力的展示了免疫细胞促癌作用的功能重要性——大部分来自先天免疫系统。
炎症通过对肿瘤微环境提供生物激活因子，对肿瘤细胞获得多种生物学特征能力做出了贡献。这其中包括维持增值信号、防止细胞死亡的存活因子、类血管新生因子、胞外基质降解酶，这些因子促进了血管新生、侵袭和转移，还有一些激活EMT程序和其他有利于获得肿瘤生物学特征的程序。
重要的是，在某些情况下，有证据表明炎症在肿瘤处于最早阶段时就展现出了促使早期肿瘤转化成完全成熟肿瘤的潜力。
此外，炎症细胞还可以释放出一些化学成分，特别是活性氧，它们对附近的肿瘤细胞都是活跃的诱变剂，加速了它们的基因向高度恶变方向的进化。
这样一来，由于其对获取核心肿瘤生物学特征能力有所贡献，因此炎症可以被认为是一个赋予特性的能力。负责赋予这些特性的肿瘤微环境细胞在下一节会有详细描述。
3、一个新兴的特征：能量代谢的程序性重排列
长期、经常性的细胞增殖失控通常反映的是肿瘤疾病的本质，不仅包括细胞增殖失控本身，还包括为了给细胞的增殖分裂提供能量、对能量代谢进行的相应调整。
在有氧条件下，正常细胞处理葡萄糖在细胞质里经由糖酵解变成丙酮酸，随后在线粒体中将其变成二氧化碳。在无氧条件下，一般都是变成丙酮酸，很少送到线粒体中进一步变成二氧化碳。
Otto Warburg第一个观察到肿瘤细胞能量代谢方面的异常，甚至在有氧的条件下，肿瘤细胞也会重排它们的代谢程序。它们的能量制造程序主要是通过糖酵解（绝大部分没有进入线粒体继续代谢的步骤），这样就极大限制其对能量的充分利用，这就产生了一种状态我们称其为“有氧糖酵解”。
肿瘤中这种重要的能量代谢改变在随后的十年中被进一步证实了。这种能量代谢的程序重排看起来有悖常理，因为这样相对于送到线粒体内充分进行氧化、磷酸化所得到的能量，糖酵解途径肿瘤仅能得到十八分之一的能量。
它们这样做部分有赖于上调葡萄糖转运因子，特别是GLUT1,这能大幅增加葡萄糖进入细胞质的数量。实际上，在许多肿瘤类型中葡萄糖的摄取和利用都显著增加了。
糖酵解为激活的癌基因（e.g., RAS, MYC）和变异的肿瘤抑制因子添加了能量（e.g., TP53），肿瘤细胞里的这些改变对肿瘤获得核心肿瘤生物学特征能力是最关键的，这可以使肿瘤细胞增殖，避免生长抑制，逃避凋亡带来的衰减。
这种乏氧条件下的糖酵解可以进一步加剧肿瘤里的这些运作：缺氧反应系统对于上调葡萄糖转运因子和糖酵解的多种酶起到了多重作用。这样，反过来，RAS癌蛋白和HIF1a 和 HIF2a 转录因子分别独立的进一步上调了糖酵解。
我们对于肿瘤细胞通过糖酵解这种低效率方式利用能量总是感到匪夷所思，尤其是考虑到糖酵解产生ATP相对于线粒体氧化、磷酸化的利用能量方式来比相差太远。
根据一个长期遗忘的、最近恢复起来并且重新细化的假说，提升糖酵解水平将会使糖酵解中间产物进入不同的生物合成途径，包括制造核苷酸和氨基酸，这有利合成于对于组装细胞来说必需的大分子和细胞器。
此外，这种能量代谢途径（有氧糖酵解，Warburg-like）在很多快速增殖分化的胚胎组织里都出现了，这再一次证明了这种能量代谢方式对于处于快速增殖期的细胞合成大分子物质具有很强的支持作用。
有趣的是，有些肿瘤细胞中发现了两种细胞亚类，它们利用能量的途径是不同的。一种依靠有氧糖酵解（Warburg-like）途径分泌出乳酸，而另一种优先导入并利用相邻细胞制造的乳酸作为其能量来源，它们通过部分的三羧酸循环来达到这一点。
这两个群体显然是共生关系，乏氧代谢途径的肿瘤细胞通过糖酵解得到能量将乳酸作为废料排出，另一个群体在有氧途径下继续利用乳酸制造能量。
虽然这肿瘤内共生模式不能被认为具有普遍性，但是乳酸分泌和乳酸利用两种细胞相互配合给肿瘤的生长提供能量实际上不是肿瘤的发明，这只是在一次反映出了自然界的共生生理机制，这种机制在肌肉里也是存在的。
另一方面这也说明，肿瘤的氧合条件不是一成不变，从正常氧条件到几乎无氧，总是有时间和部位的波动，这似乎是不稳定的、混乱的肿瘤新生血管带来的结果。
能量代谢的方式发生改变在肿瘤细胞历史广泛存在的，就像其他的已经被接受作为肿瘤生物学特征的特点一样。这就提出了一个问题：能量代谢异常是否像其他六种已经被广泛接受的肿瘤生物学特征能力一样，是肿瘤的生物学核心特征能力。
实际上，决定能量代谢异常蛋白质是包含在构成其他肿瘤生物学特征能力的要素内的，当我们这样来思考的时候，有氧糖酵解似乎只是诱导增值的癌基因的另一种功能罢了。
4、一个新兴的肿瘤特征：逃避免疫摧毁
第二项我们现在仍不能解决的问题是，免疫系统在抵抗或根除初始阶段的肿瘤、末期肿瘤、微转移灶结构和进程时到底扮演了什么角色。
长期以来的一贯理论是，细胞和组织的免疫监督系统一直起到免疫监督的作用，这种免疫监管系统能够消除绝大多数新生肿瘤细胞，也就是新生的肿瘤。
根据这种逻辑，如果实体瘤出现了，那么它一定躲避了免疫系统不同细胞的摧毁作用，或者是限制了免疫杀伤的程度，这样就避免了被根除。
当个体免疫功能低下的时候某些肿瘤细胞会暴增，这似乎证实了对肿瘤免疫监视功能的缺陷会对肿瘤生长有利这一观点。
然而，绝大多数病毒诱导的肿瘤显示，大多数对这类肿瘤的控制有赖于降低病毒对人体的负担，少数是通过将病毒感染的细胞彻底清除来实现的。
这些观察似乎对免疫系统在超过80%的非病毒原因肿瘤中所扮演的角色有了一点眉目。
而近年来的研究表明，越来越多的证据显示，基因工程小鼠实验和临床流行病学调查都表明免疫系统是肿瘤构建和发展过程中的一个重要障碍，至少在一些非病毒诱导肿瘤里是这样的。
在基因工程改造过的小鼠中，缺乏免疫机能的各类元件，这样我们就可以用致癌物诱导的肿瘤在这类小鼠身体里能否发展起来对免疫系统抵抗肿瘤发生发展的重要性进行一个评估。
通过观察我们发现，相对于免疫功能健全的小鼠，肿瘤在这类小鼠中的发生会有更高的频率和（或）更快的速度。
特别是，当以下的细胞功能缺失时，后果会非常严重：CD8+细胞毒性T淋巴细胞（CTLs），CD4+Th1辅助型T细胞，或自然杀伤细胞（NK），缺乏这些细胞都会导致肿瘤发生率的上升；更进一步，小鼠如果属于T细胞和NK杀伤细胞联合缺陷，那么就会更容易发生肿瘤的生长。
结果显示，至少在特定的实验模型里，先天性的和获得性的免疫系统的细胞武器对免疫监督有很大贡献，并可以根除肿瘤。
此外，移植实验显示，在免疫缺乏状态下生长起来的肿瘤，在第二个免疫功能健全的宿主身体中通常无法生长出来，而原本在这两类宿主里，肿瘤细胞都可以同样生长起来。
它是这样受到干扰的：高免疫原性的癌细胞克隆体一般来说在免疫功能健全的系统中会被常规的清除——这一过程被称为免疫编辑——只有免疫原性很弱的才能生长起来并且发育成实体瘤。
这些免疫原性弱的细胞随后可以在免疫健全以及免疫功能不全的两种环境下都顺利的完成定植。
相反，当在免疫力缺乏的宿主里生长时，免疫原性较强的肿瘤细胞并不被选择性的清除，而是相反，可以和免疫原性较弱的细胞共存。当从这种没有“免疫编辑”环境中成长起来的肿瘤，被移植到同基因接受体上的时候，这免疫原性较强的肿瘤细胞在首次对抗第二个宿主的健全免疫系统时，被排斥了。（当然，还有个问题需要回答：这些特别的实验还没有证明，是否我们所使用的这些特别的化学致癌物特别容易产生某种特定免疫原性的肿瘤细胞？）
临床流行病学里越来越多的证据证明，在某些人类肿瘤中确实存在肿瘤免疫反应。一些因器官移植而压制免疫系统的患者身上可以观察到器官捐助者所带来的癌症，这表明：表面上看起来没有癌细胞的器官捐助者癌细胞一直以潜伏的状态藏在其体内，因为那时尚且被功能完善的免疫系统所压制。
然而，流行病学方面尚无证据表明长期免疫抑制的患者其主要的非病毒癌症的发生率会显著的上升，就像上面提到的那样。这也许会引发免疫系统并非那么重要，免疫监督不会构成肿瘤产生、发展必须逾越的屏障这一争论。
然而我们知道，HIV患者和药理学上免疫压制的病人会造成免疫缺陷，以缺乏T细胞和B细胞为主，并非我们进行基因改造的小鼠那样是以确实CTLs和NK细胞为主的多重免疫缺乏；这样就留下了一个开放性的结局，这种病人依靠免疫系统残存的免疫能力（以NK杀伤细胞为主的先天免疫系统细胞）来对抗癌细胞，从而达到这一效果。
实际上，我们上面讨论的肿瘤免疫学问题将肿瘤-宿主反应简化了，高免疫原性的细胞通过使免疫系统派出去清除肿瘤细胞的组分失活，可以很好地规避免疫摧毁。举个例子，肿瘤细胞可以通过分泌TGF-b或其他免疫抑制因子麻痹CTLs和NK细胞。
许多细微的生理学机制机制，通过免疫炎性细胞的招募，积极地运作着免疫抑制这一功能，包括监管型T细胞（Tregs）和骨髓衍生免疫抑制细胞（MDSCs）。这些都可以抑制CTLs的作用。
鉴于目前免疫系统对肿瘤的形成和发展构成关键障碍的证据仍然很粗糙，我们将免疫逃避列为一个新兴的肿瘤生物学特征，但是是否构成核心特征仍然需要进一步明确。
5、肿瘤微环境
在过去的十年，我们对肿瘤的认知进一步加强了，肿瘤的复杂性与普通的组织器官相当，甚至是更复杂。从这个角度来理解，我们不但要研究肿瘤内部的特别种类的细胞类型（Figure 4, upper），而且还要研究肿瘤在形成的多步过程中所建立的“肿瘤微环境”（Figure 4, lower）。
这与我们早期所做的研究工作形成了鲜明的对比。
6、肿瘤细胞和肿瘤干细胞
肿瘤细胞是这一疾病的基础；它们形成肿瘤并且驱使肿瘤向前发展，并携带癌基因和肿瘤抑制因子的变异，因此我们将其定义为一种基因性疾病。
传统上，肿瘤内的癌细胞被描绘成一群同质物的群体，直到最近研究肿瘤发展进程时发现，当增生和不断增长的基因不稳定性相结合，会催生有明显差异的肿瘤细胞克隆亚群体。
这反映出了克隆体的非均质性，许多人类肿瘤从病理学角度来看是呈现异质性分化的，包含了一些不同的分区，这些不同的区域内，细胞的分化、增殖、新生血管、炎性，和/或侵袭等方面分化程度都有所不同。
然而近几年有很多证据都指向一点：存在着肿瘤细胞内部的非均质性和迄今为止仍不受重视的瘤内肿瘤细胞的一个亚类——肿瘤干细胞（CSCs）。
尽管目前的证据仍然残缺不全，但是我们仍可以相信尽管不能说在绝大多数肿瘤中都存在，但是肿瘤干细胞在许多肿瘤中都是常见的，尽管各类肿瘤中肿瘤干细胞的含量不一样。
我们目前目前经常补充这个定义，认为肿瘤干细胞起源于正常组织的干细胞。这类癌细胞相对于绝大多数普通的癌细胞而言有一项能力得到了极大的提升，这种能力就是在免疫缺陷的小鼠中播种新的肿瘤的能力。
这些通常来讲相当稀少的肿瘤起始细胞能够证明，它们有与某些正常的组织干细胞群体一样的转录图谱，这就促使它们并定义为干细胞样的细胞。
肿瘤干细胞如何在实体瘤内生成迄今为止还没有被澄清，实际上在不同肿瘤类型中是完全不一样的。
在某些组织里，正常组织干细胞作为细胞的来源，由于发生了癌基因转化因而产生了肿瘤干细胞。在其他类型中，部分分化的中转放大细胞，也被称为祖细胞，将承受最初的癌基因转化，然后就会具备更多的类似干细胞的特征。
原发肿瘤一旦形成，肿瘤干细胞就会像它们的邻居一样自我更新并且产生分化程度更高的后代；对于癌细胞的肿瘤干细胞而言，它们的后代构成了肿瘤的主体部分。现在仍然有待明确，是否在肿瘤形成的初始阶段及随后的多步发展过程中形成了多个不同的肿瘤干细胞类型，最终产生了肿瘤干细胞，这就被我们描述为肿瘤最终形成了。
尽管存在这些复杂性，但是我们从新的维度来看肿瘤的异质性对于肿瘤最终的成功治愈具有重要的意义。越来越多的证据显示，在不同的肿瘤中，干细胞对于化疗的抵抗力比普通肿瘤细胞要强。这种抵抗性就可以解释为什么经过放化疗后实体瘤几乎被完全清除了，肿瘤仍然会不可避免的复发。
实际上，肿瘤干细胞正是某些肿瘤休眠的基础，因此外科手术或放化疗后肿瘤细胞可以持续抵抗数年甚至是数十年，随后就会突然爆发并且产生威胁生命的疾病。因此肿瘤干细胞就造成了双向威胁，一方面对治疗性的化疗抵抗力更强，同时在治疗停止后，它会赋予产生重生肿瘤的能力。
对肿瘤干细胞和肿瘤内的可塑性机制的发现表明：在一个肿瘤里一个独立的、基因同质化的细胞群体也可能会发生表型上的异质化，这是因为它们会停留在截然不同的分化阶段上（林博说：我们可以把肿瘤看成是处于尚未成熟的、不同分化阶段的细胞集合体）。然而，这种表型异质性还有一个重要来源那就是肿瘤在发展进程中所积累的基因异质性。
这样，基因不稳定性升高就会造成在肿瘤进程中下面各个阶段的基因多样性泛滥，远远超过达尔文自然选择理论中所提供的可能性，这样一来，生成各种不同基因的细胞亚群的速度就远远超过了清除它们的速度。
肿瘤内部不同部分基因具有惊人的异质性。这种基因多样性反应了我们长期以来对人类某一个人的（同一个）肿瘤（内部的不同细胞具有）病理学异质性。
另一方面，这种基因的多样性能够使这些细胞功能分化更加彻底，这样就产生了肿瘤细胞的不同亚群，它们有截然不同的具有互补性的各种功能。这样就如上所述，可以为肿瘤的整体生长做出贡献。
7、免疫炎症细胞
就像上面讨论的那样，肿瘤中浸透着免疫系统的细胞，作为肿瘤的一项共同特征现在已经越来越被广大研究者所接受。
这些炎症细胞起着矛盾的作用：白细胞既起到抗肿瘤作用又起到促肿瘤形成的作用，如果不是全部肿瘤的话，白细胞在绝大多数的肿瘤里都以不同的比例存在着。尽管CTLs和NK杀伤细胞的抗肿瘤作用并不让人吃惊，但是免疫细胞普遍能提高肿瘤获得生物学标志特征的能力这一点着实让人惊讶。
从上世纪90年代末，肿瘤细胞里浸透着来自免疫系统的细胞的证据不断的积累，也许与我们的直觉相反，这促进了肿瘤的发展。
这些工作追踪了概念性的根基，从而将慢性炎症与肿瘤牢牢联系起来，肿瘤实际上可以被描述为一个永不愈合的（带有慢性炎症的）伤口。在正常伤口愈合和抵抗感染的过程中，免疫炎性细胞短暂的出现并且很快就消失。
这与慢性炎症的持久性形成了鲜明的对比，慢性炎症的存在与组织病变紧密联系到一起，包括纤维化、异常的血管新生，和肿瘤。
8、治疗靶点
我们介绍的这些机制——正是有赖于此，过去三十年中对人类肿瘤的靶向治疗已经成为对肿瘤病理机制探索的最主要成果之一。我们无需枚举那些正要进入临床应用的或正在发展中的各类的治疗手段。
相反，我们要关注肿瘤六大特征是如何指导我们在现在和将来发展这些抗肿瘤的治疗手段的。我们可以根据以针对一种或多种肿瘤生物学特征为治疗靶点，将日益增长的靶向药物（和设备）做一个逻辑归类，就像图形6所展示的那样。
我们观察了这些药物的疗效，在每个例子里，都已经证实：如果这些药物针对的肿瘤生物学特征对肿瘤是非常重要的，那么就会阻碍和伤害肿瘤的生长。
03肿瘤细胞获得性的生物学特性与新兴的肿瘤的生物学特征
我们知道，大部分肿瘤分子生物学特征-靶向性药物是直接朝向赋予肿瘤细胞某些生物学特征的具体分子靶标进行攻击的。
这种特异性被认为是一种优点，因为这种对靶标的拮抗行为原则上来说，很少有脱靶效应，也就是说不容易带来不良反应和毒性。
事实上，临床反馈的结果总是短暂的，随之而来的总是不可避免的复发。其中的一种解释，并且被越来越多的临床实验证据所支持，那就是每一种肿瘤生物学特征都是有冗余的信号通路所控制的。
随之而来的，靶向治疗药物阻碍了一个关键的信号通路却不能彻底消灭获取这种肿瘤的生物学特征的能力，这样就会允许一部分肿瘤细胞和它们的后代通过冗余的功能幸存下来，直到它们适应这种肿瘤药物所带来的适应性压力。
这些适应性可以通过变异来取得，遗传基因重排、基质微环境重塑，都可以建立起这种能力，允许这些更新的肿瘤细胞重新复发。
假设这些同步的肿瘤信号通道支持同一种肿瘤生物学特征能力的获得，我们可以在临床治疗中对它们进行同时阻断，这样我们就可以防止这种对治疗的适应性抵抗的发生。
作为对治疗压力的应答，肿瘤细胞可以减弱对某一种特征能力的依赖性，增加对其他特征能力的依赖；这是一种非同寻常的药物产生抵抗的方式。
这一概念目前已经被我们很不希望发生的对抗血管新生治疗的药物抵抗所证实。我们曾期望有效的抗血管新生会使肿瘤进入休眠状态甚至是最终溶解。但实际上临床上的抗血管治疗效果通常是短暂的。
在某些临床前模型中，抗血管新生药物强有力的压制了血管新生这种生物学特征，这是肿瘤细胞减弱了对这一特征的依赖而加强了对另一特征的活性——侵袭和转移。通过入侵邻近的组织，最开始处于缺氧状态的肿瘤细胞，最终赢得了获取早已存在的血管供给养分的机会。
当我们用抗血管新生疗法治疗胶质母细胞瘤时，最早在临床上证实了在侵袭和局部转移中肿瘤细胞的这种适应性/逃避抵抗明显上升了。现在还不知道这一规律是否适用于其他种类的肿瘤。
类似的，依赖其他肿瘤生物学特征发生的这种适应性转移，也会限制类似的靶向性治疗的功效。类似的，当我们使用诱导凋亡的药物，肿瘤细胞就会上调有丝分裂信号，这样能使它们补偿初始治疗时引发的肿瘤细胞损失。我们的药物和治疗方案的发展，会从整合这些独立的肿瘤细胞生物学特征和支持这些特征的生化途径中受益。
然而，在某些方面，我们可以预见选择性的多个核心（特征、信号通道）共同标靶、新兴的肿瘤生物学特征、机制导向型的有利特点三者的组合将会是人类发明更多有效的、耐久（不产生耐药）的肿瘤治疗手段。
9、结论和未来展望
我们试图在这里重温、细化、拓展肿瘤基础特征的概念，这为我们系统的理解肿瘤的复杂性提供了一个概念框架，已经阐明的这六大特征是绝大多数肿瘤所具备的，并且经受住了时间的考验。
我们在可预见的未来会进一步细化这些概念，续写上一个十年之中这些概念特征的相关学术进展。
向前展望，未来内我们在预见侵袭和转移方面将有显著的进步。
与此类似，恶性肿瘤生长过程中在有氧环境下仍然发生糖酵解也有待澄清，有待澄清的问题还包括包括这种能量代谢的程序性重排是否可以与另一项核心特征：长期持续性增殖——明显的分离开来（也就是说，这到底是不是一个独立的特征）。
我们仍然不能确定，免疫监督是所有肿瘤都必须克服的障碍，还是仅仅是亚类。这个问题也必将以这种或那种方式得到解决。
另外，其他领域也在快速发展。现已发现通过染色质修饰来控制转录的分子生物学机制，另外，也已经有线索表明，在肿瘤细胞获得某些生物学特征的过程中染色质构型也发生了一些特殊的变化，肿瘤细胞和肿瘤相关基质细胞都会发生功能性的遗传方面改变。
现在还不清楚，这种认识到底会彻底颠覆我们对肿瘤细胞如何获得这些生物学特征的认识，还是仅仅在我们已知的控制调控回路的机制方面增加一些细节。与此相类似，我们已经发现的数百个microRNAs让我们对健康与疾病的基因控制机制发生了翻天覆地的变化。
到现在为止，已经证明数十个microRNAs跟不同的肿瘤表型密切相关,然而这些仅仅是复杂事实的一个简单表象，我们细胞中所表达的数百种microRNAs在不同的肿瘤类型中的表达是怎样变化的现在仍然是个谜。这里我们还是要说，我们并不清楚未来对整个肿瘤病理机制都会发生革命性的颠覆，还是仅仅在目前已知的调控回路中增加一些细节。
最后，我们对不同的细胞类型是如何通过信号通道相互作用的，以及如何协作促成了癌症各个阶段的恶变仍然知之甚少。
下一个十年中，我们希望我们绘制的肿瘤不同类别的细胞相互作用的信号通道图谱能够更加清晰、精确，比我们现在的知识更进一步。
就像以前那样，我们将继续预测肿瘤学—这一逻辑性学科的发展，在此多种多样的复杂表型是一套较小的组织原则的表现。
个人简介
林博
西安万隆制药股份有限公司 市场总监
先后在杭州九源基因、北京悦康药业、西安万隆制药股份有限公司就职，历任总经理助理、省区经理、产品经理、市场部经理、市场总监等职务。在各公司任职期间，从事销售工作期间曾从零起步，开拓过山东、陕西市场；在市场部工作期间曾主导超过一百个通用名产品的市场调查工作，先后完成研发项目立项二十余项，目前已取得生产批件、上市销售的项目共六项，其中五项业已盈利；对各公司已有的多个产品实施了再定位，各产品再定位后均取得了突破性增长。
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