脑肿瘤干细胞与肿瘤微血管的相关性研究

    作者：倪永丰    作者单位：安徽医科大学附属省立医院神经外科 安徽省立体定向神经外科研究所， 安徽 合肥 230001     【摘要】  脑胶质瘤是人体血管活性最强的肿瘤，其生长浸润依赖于肿瘤内新生血管的形成。最近研究表明：脑肿瘤干细胞与微血管的关系甚为密切，两者相互支持和促进，在脑肿瘤的形成和发展过程中起着重要作用。本文就脑肿瘤干细胞、脑肿瘤微血管及两者之间相关性的研究进展进行综述，并对脑肿瘤治疗的新靶标——脑肿瘤干细胞壁龛作一展望。

    【关键词】  肿瘤干细胞 微血管密度 血管生成 脑肿瘤干细胞壁龛

    2003年，Singh等[1]首先发现脑肿瘤干细胞 （brain tumor stem cell，BTSC）。此后，许多研究集中在BTSC的内在特性上。最近研究发现：BTSC位于异常的有血管的BTSC壁龛 （niche） 内，与微血管之间相互支持和促进，增强脑肿瘤对常规治疗的抵抗性。靶向微血管结合细胞毒药物治疗脑肿瘤通过破坏微环境，能取得较好的疗效。因此，BTSC所处的微环境——BTSC壁龛将成为研究的热点和治疗的新靶标。

    1    BTSC

    已有众多实验从脑肿瘤组织或体外细胞系中分离出BTSC，其具有自我更新、无限增殖和多谱系亲本性分化能力，是普通脑肿瘤细胞的来源，决定了肿瘤增殖、进展和治疗反应等肿瘤生物学行为。BTSC与神经干细胞 （neural stem cell，NSC） 之间有许多相似的生物学特性，如需相似的体外培养条件，表达相同的干细胞标志物和特定基因，拥有相似的细胞信号转导通路，具有极强的增殖和自我更新能力等。这给了我们两点启示：①两者在发生学上存在渊源关系，NSC可能是BTSC的起源细胞。②两者均受壁龛调控，维持自我更新和分化的平衡。

    2    脑肿瘤微血管

    2.1    肿瘤血管生成理念    肿瘤血管生成是指从现存血管床中产生新的异常微血管及肿瘤中血液循环建立的过程。肿瘤生长存在两个阶段：无血管期和血管期。在肿瘤形成的早期 （无血管期），未具备肿瘤血管生成的条件，肿瘤通过弥散作用进行新陈代谢；此后瘤内很快长入新的血管，形成了自身独立的血管系统而进入血管期，肿瘤获得足够的营养和氧，瘤体快速增长。

    2.2    脑肿瘤微血管生成的主要机制    肿瘤的血管生成是一个极其复杂的过程，目前已发现，多种促进或抑制内皮细胞的血管生长因子在肿瘤血管生成中起着重要作用[2]。血管内皮生长因子 （vascular endothelial growth factor，VEGF） 是针对内皮细胞特异性最高、促血管生长作用最强的一种因子，可能在多种血管生长因子中起着中心调控作用[3]。脑胶质瘤生长过程中，细胞的快速生长常导致肿瘤内部处于低氧状态，低氧介导VEGF基因转录激活和VEGF mRNA稳定性增加是促进血管生成和肿瘤周围水肿的主要机制。VEGF-VEGFR （VEGF受体） 系统是目前惟一证实的内皮细胞特异性生长调节因子系统[4]。VEGF与VEGFR结合后，激活后者介导的酪氨酸激酶信号传导通路，使细胞增生，血管通透性增加，血管生成。在胶质瘤中存在VEGF和VEGFR的过表达；VEGF表达水平与微血管密度 （microvessel density，MVD） 显著相关，并反映肿瘤的恶性程度和预后。

    3    BTSC与微血管的相关性

    NSC的一个重要特征是它们聚集在血管周围的壁龛内[5-6]。NSC壁龛保护NSC免受凋亡刺激，并使之在自我更新与分化间维持适当的平衡。内皮细胞沿血管排列，分泌促进干细胞生存与自我更新的因子，是NSC壁龛的关键成分。最近研究证明：BTSC类似NSC，亦位于壁龛中，而破坏壁龛可以消灭BTSC[7]。

    3.1    BTSC与微血管在分布及数量上的相关性    最近，Calabrese等[8]使用免疫荧光共染和多光子激光扫描显微镜法，发现人脑肿瘤组织切片中的BTSC紧贴肿瘤毛细血管，比普通肿瘤细胞距离毛细血管近得多；在三维基质胶培养基中，BTSC向内皮细胞形成的血管迁移，沿血管全长分布并密切接触，而普通肿瘤细胞与血管结构分离呈圆形散在分布。脑肿瘤中BTSC的数量与MVD相关，以少突胶质细胞瘤和胶质母细胞瘤的MVD最高，其BTSC数量也最多。

    3.2    微血管维持BTSC的自我更新和增殖    血管内皮细胞分泌的可溶性因子能维持NSC的自我更新和未分化表型[5-6]。为了验证内皮衍生因子能否同样维持BTSC的自我更新，Calabrese等[8]将BTSC与内皮细胞置于transwell盒共同培养2周，结果表明：内皮细胞分泌的可溶性因子促进了肿瘤球 （tumor sphere） 的生长，肿瘤球大小是对照组的5倍，且自我更新能力强于后者；将内皮细胞与BTSC混合植入免疫缺陷小鼠体内，移植瘤的形成和生长速度明显加快，所含BTSC的数量亦显著增加。

    原癌基因ERBB2又称Neu或HER-2，其编码的跨膜糖蛋白是具有酪氨酸激酶活性的受体。ERBB2信号通路常启动肿瘤的血管生成[9]。Calabrese等[8]通过转染ERBB2上调胶质瘤细胞的VEGF表达，由此形成的肿瘤血管密度增高，生长加快，且含有更高比例的BTSC；而应用ERBB2酪氨酸激酶选择性抑制剂或抗ERBB2 siRNA下调VEGF的表达，则可使肿瘤血管大量减少，并引起BTSC数量及肿瘤生长率显著下降。Folkins等[10]发现：内皮细胞分泌的因子也维持着C6胶质瘤细胞移植瘤中的肿瘤干细胞的自我更新。

    上述研究强调了微血管在脑肿瘤中的重要作用，特别是内皮细胞与BTSC共移植加快了肿瘤形成的速度，说明微血管有助于肿瘤的形成；而破坏血管生成可导致已形成的肿瘤生长减慢，提示微血管对肿瘤的维持起着关键作用。Yang等[11]推测：干细胞或祖细胞在壁龛内发生突变时，较在壁龛外突变形成肿瘤的可能性更大。

    3.3    BTSC促进微血管的形成    Bao等[12]通过体内成瘤实验发现：BTSC与普通脑肿瘤细胞种植形成的肿瘤在外观及病理特征上存在显著差异，前者形成的肿瘤血供更丰富，坏死和出血更多。既往认为，在肿瘤血管新生过程中，VEGF主要由基质细胞 （特别是成纤维细胞） 分泌。进一步研究[13]发现：BTSC能持续表达高水平VEGF （低氧条件下为甚），VEGF明显增加内皮细胞的迁移和血管生成；贝伐单抗 （bevacizumab） VEGF抗体结合到人VEGF-A配体后能阻止内皮细胞受体的激活，特异性抑制BTSC对内皮细胞所产生的效应[13]。由此可知，BTSC是以VEGF为枢纽调节肿瘤血管生成的，VEGF抗体主要破坏BTSC的血管生成效应。因此，Yang等[11]认为：BTSC有属于自己的壁龛；BTSC与壁龛之间的作用应是双向的，正如壁龛能维护BTSC的自我更新，BTSC亦有助于壁龛的维持。

    4    BTSC壁龛

    多种生长因子和细胞因子如表皮生长因子 （EGF）、碱性成纤维细胞生长因子 （bFGF）、白血病抑制因子 （LIF）、骨形态发生蛋白 （BMP） 等维持着BTSC的自我更新能力和未分化状态。微血管与BTSC相互支持，提示存在BTSC壁龛[14]。所谓干细胞壁龛，是指存在于器官或组织中的能维持干细胞自我更新及避免其分化的微环境，包括壁龛细胞、细胞外基质和来源于壁龛细胞的可溶性因子等[15]。据此我们认为：BTSC壁龛的成分包括BTSC，普通脑肿瘤细胞，由BTSC向普通脑肿瘤细胞转化的中间细胞，宿主正常细胞和存在于上述细胞之间的基质成分。它们在形态上独立，功能上相互支持或制约，由微血管供应营养，细胞间质传递信号，以BTSC为中心，组成一个有机的统一体。

    壁龛除了调节干细胞的增殖、自我更新和分化外，也有保护干细胞免受环境损伤的作用[7]。具有内在耐药性和抗辐射性的BTSC，也因为受到壁龛的保护，从而对常规治疗产生抵抗，导致肿瘤治疗后复发[16-17]。抗血管生成治疗可破坏BTSC壁龛，使得BTSC失去壁龛的保护，从而提高其对常规放化疗的敏感性。Folkins等[10]建立鼠C6胶质瘤模型后，联合应用抗血管生成剂和细胞毒药物治疗，结果明显降低了肿瘤中BTSC的比例。目前，抗血管生成剂联合细胞毒药物治疗高级别胶质瘤已进入Ⅱ期临床实验阶段，并取得了不错的疗效[18-19]。

    5    小结与展望

    BTSC与微血管之间相互支持和促进，针对任何一方的治疗均能有效抑制肿瘤的生长。抗血管生成治疗不仅切断了脑肿瘤生长所需的营养供应通道，还降低了BTSC的自我更新和增殖能力；而针对BTSC治疗的同时亦能减少肿瘤的血供。

    BTSC与微血管的相关性为我们指明了肿瘤治疗的一个新靶标——BTSC壁龛。我们相信，以BTSC与微血管的关系为切入点，深入探讨BTSC壁龛的结构、功能特点及其维护BTSC特性的机制，必将为脑肿瘤的治疗带来一个全新的局面。

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