肿瘤干细胞研究进展及临床价值

　　作者：张君 严广旸 陈松

　　ADVANCES ON CANCER STEM CELLS AND PROSPECTS OF THEIR CLINICAL SIGNIFICANCE

　　ZHANG Junyan, GUANG Yang, CHEN Song

      关键词：肿瘤，基因，免疫

　　随着对肿瘤从基因水平、 转录水平到肿瘤免疫学方面研究的进展， 肿瘤的发病机制逐渐明朗化，许多研究证实肿瘤细胞在增殖和分化等方面与干细胞具有极为相似的地方，肿瘤是一种干细胞疾病的理论随着人们对肿瘤的研究不断被认识，并且发现肿瘤存在干细胞是导致肿瘤复发和转移的根源，而肿瘤干细胞很可能是解开这些问题的核心，研究证实干细胞对肿瘤的诊断和治疗以及预后判断将产生深远影响。本文对近年来肿瘤干细胞的研究进展作一综述。

　　随着对肿瘤从基因水平、 转录水平到肿瘤免疫学方面研究的进展， 肿瘤的发病机制逐渐明朗化，许多研究证实肿瘤细胞在增殖和分化等方面与干细胞具有极为相似的地方，肿瘤是一种干细胞疾病的理论随着人们对肿瘤的研究不断被认识，并且发现肿瘤存在干细胞是导致肿瘤复发和转移的根源，而肿瘤干细胞很可能是解开这些问题的核心，研究证实干细胞对肿瘤的诊断和治疗以及预后判断将产生深远影响。本文对近年来肿瘤干细胞的研究进展作一综述。

　　胞在增殖和分化等方面与干细胞具有极为相似的地方。1958年，有研究者把小鼠白血病细胞移植到同品系的小鼠体内，发现移植细胞仅有1%~4%能够在脾脏内克隆，因此得出结论：只有部分肿瘤细胞，而不是全部肿瘤细胞具有致瘤性。近年的研究显示某些白血病仅有百万分之一的细胞具有这种无限增殖的潜能，它们数量虽少，但具有干细胞特征，可能是惟一保持增殖的肿瘤细胞，这就是肿瘤干细胞(cancer stem cell，CSC)。

　　肿瘤干细胞是一类具有自我更新能力和无限增殖分化潜能的原始细胞，并通过种植到生物体内(如NOD/SCID小鼠)形成与原发灶有相似异质性肿瘤的细胞。这种细胞可分化为特定组织中一个或多个具有特定功能的细胞，并且这些细胞具有干细胞样特性，是肿瘤复发和转移的根源[1]。肿瘤干细胞的理论涉及两个独立但又相关的方面:①肿瘤的细胞来源：肿瘤是否来源于正常的组织干细胞;②肿瘤是否由这些具有干细胞样特性的细胞发展而来[2]。

　　1.2肿瘤干细胞的来源

　　对于CSC的细胞来源迄今还没有明确的结论，目前认为可能的来源有两种:①具有自我更新能力的正常干细胞发生突变，使得它们控制自我更新能力的系统发生紊乱，不能正常工作;②祖细胞发生原癌基因突变，去分化并重新获得自我更新能力[3-5]。两种观点都有各自的实验证据,但目前肿瘤干细胞起源得到越来越多的研究结果支持。

　　前一种观点的主要依据来源于对白血病干细胞和造血干细胞的比较研究。比较发现白血病干细胞和造血干细胞具有多种相同的细胞表面标志性分子(如CD44、CD133、整联蛋白α6以及β1)和多条相同的自我更新调节通路。另外，在细胞端粒酶的活跃表达、抗凋亡调控通路的活化、膜转运体活性的升高，以及迁徙与转移的能力上[2-6]，两者都有着明显的相似性。发生在造血干细胞上的致白血病突变，将会导致造血干细胞或祖细胞的增殖明显上升而分化阻滞。白血病干细胞和造血干细胞也存在许多差异。人造血干细胞的表型CD34+CD38-Thy-1+，而在大多数AML中，白血病干细胞表型是CD34+CD38-THy-1-[7-8]，两者差别只是在于Thy-1的表达与否，因此可以推测白血病干细胞是由造血干细胞直接衍生而来的。而Thy-1的丢失是恶性转化的结果。另外，乳腺癌中CD44+CD24-/lowlineage、神经系统中的CD133+细胞,AML中8号染色体易位形成的AML-1-ETO融合蛋白、肺损伤模型中表现出自我更新及分化的Sca-1+CD45-Pecam-CD34+(细支气管肺泡干细胞)[9]等现象的揭示，以及RUBIO等[10]研究中表明人间充质干细胞在体外较长时间(4~5个月)比较短时间(6~8周)更易发生自身转化，都说明细胞恶转中干细胞有更长的生存时间来产生和积累突变。以上都支持了肿瘤干细胞的干细胞源性。

　　后一种观点的依据主要来自对白血病不同发展阶段细胞特征的研究。这些证据表明，早期突变可能发生在造血干细胞上，最终的转化事件改变了造血干细胞或下游祖细胞表型[4]。另外，已经有研究认为急性白血病来源于粒巨祖细胞(granulocyte-macrophage progenitors)，其和造血干细胞一样的自我更新能力是获得性的[11]。

　　2针对肿瘤干细胞的靶向治疗

　　由于CSC的耐药性及大多处于休眠状态，传统的肿瘤化疗药物只靶向作用正在分裂的肿瘤细胞，不能有效杀灭CSC，最终导致肿瘤复发、转移和治疗失败。为获得对肿瘤的有效治疗，必须针对CSC进行靶向治疗才有可能控制肿瘤的复发、转移和治疗失败。

　　2.1针对肿瘤干细胞表面分子的靶向治疗

　　对于白血病而言，靶向抗原可选择CD123分子，其表达于CSC而非正常造血干细胞的特性很适合作为靶向治疗的目标。大多数AML母细胞表面表达IL-3R。FEURING-BUSKE等[12]分别用体外培养和移植至NOD/SCID小鼠体内形式证明了白喉毒素-IL-3融合蛋白(DT388IL3)对白血病母细胞和CSC群有毒性作用，而对正常前体细胞无毒性。在化疗前或化疗中同时应用ABCG2抑制剂或抗ABCG2抗体，可增加CSC对化疗药物的敏感性，能有效帮助清除CSC。其中CF120918和tariquidar的复合物(同时抑制ABCG2和ABCB1)已用于临床研究。

　　2.2利用正常干细胞靶向肿瘤干细胞

　　神经干细胞(neural stem cell，NSC)具有惊人的迁移和趋向肿瘤的能力。BROWN等[13]将NSC经尾静脉注入裸鼠神经或非神经源性肿瘤模型，发现NSC可通过周围脉管系统迁移定位至颅内和颅外非神经肿瘤区域，包括前列腺癌和恶性黑色素瘤。因此，我们设想可将NSC作为一种携带治疗基因的载体，利用其趋向肿瘤的能力而靶向多种类型的CSC，从而发挥抗肿瘤药物有效的靶向治疗作用。

　　2.3采用药物靶向制剂治疗

　　这种方案是将药物用纳米材料包裹或与具有靶向性的材料以共价键结合，其优势在于能够有效提高治疗靶点的药物浓度，减少非特异性和副作用，同时又可避免药物间的相互作用。阿霉素和聚羟丙酯甲基丙胺(HPMA)的聚合物能在一些药物外排泵周围聚集，就是这种高分子药物结合物潜在优势的证明。另外，CSC的特异性表面标记物也是该方案的研究热点。一个典型的例证是乳腺癌干细胞上的CD44受体。该受体在大部分的CSC都有存在，而透明质酸是其天然配体，研究表明结合透明质酸的化疗药物对表达CD44受体的肿瘤细胞具有明显的靶向性。但是以靶向制剂治疗CSC目前还面临许多困难：暂时还缺乏合适有效的实验模型来证明其对CSC同样有效;并不是所有表达ABC转运蛋白的细胞都是CSC，也不是所有的CSC 表达相同的ABC 转运蛋白;CSC也并不是高度特异性表达相关受体，机体本身的复杂性，如对透明质酸的降解，也限制了药物靶向制剂的应用[14]。

　　临床上应用维甲酸治疗急性早幼粒细胞白血病取得显著疗效，因此采用维甲酸先诱导CSC分化再进行后续治疗也是一个可行的治疗尝试。除此之外，通过比较CSC和正常干细胞基因表达的差异，鉴定出CSC关键的生长基因，将是肿瘤靶向基因治疗的革命性转折。

　　3肿瘤干细胞与肿瘤耐药性的研究

　　3.1肿瘤细胞耐药性的提出

　　当前肿瘤化疗主要针对绝大多数肿瘤细胞,药物有效性一般以瘤体缩小来衡量。临床上多次化疗后未被杀灭的肿瘤细胞，我们通常称之为“耐药”细胞。耐药机制目前最普遍的解释是：细胞中的某些物质，可以将进入细胞内的化疗药物选择性地向细胞外转运，从而使细胞得以存活。如乳腺癌多药耐药蛋白(the breast cancer multidrug resistance protein 1,Bcrp 1/ABCG2)，它可将胞内化疗药物(如拓扑替康和盐酸米托蒽醌等)向细胞外转运,引起细胞对上述化疗药物的耐受[15]，将这种现象与干细胞特征进行比较时,发现耐药肿瘤细胞和干细胞之间存在惊人相似性: 首先,干细胞处于静止状态,且绝大多数停留于细胞周期的G0期,从而能有效避免细胞毒化疗药物的打击;其次，干细胞特征之一就是多药耐药基因的高水平表达[16];另外，边缘群细胞SP(side-population, SP)也有学者称之为干细胞,天生具有排出DNA染料烟酸己可碱(Hoechst 33342)的能力[17]，因此,许多学者认为干细胞参与了临床上肿瘤耐药现象。

　　多药耐药相关蛋白(multidrug resistance-associated protein,MDRP)与Bcrp 1/ABCG2及P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)同属ABC转运蛋白超家族。JONKER等[18]通过研究表明Bcrp 1/ABCG2和Mdrla/1b高表达是肿瘤干细胞重要特征。以上分析表明，只有当治疗方法更直接地针对肿瘤干细胞，才可能使肿瘤耐药现象得到较好解决。

　　3.2肿瘤细胞耐药性的逆转

　　利用化疗药物主要转运子抑制剂可以逆转耐药性，其中对ABC转运子抑制剂的研究较为深入。第一代逆转剂包括ABCB1抑制剂，如异博定和环胞霉素A，但是其治疗癌症[19]的结果并不理想。第二代逆转剂，如PSC833和VX - 710，实验结果大部分为阴性，表明化疗和ABCB1抑制剂的药代学中的交互作用。然而，相关的研究表明ABC转运蛋白是可以被抑制的。GF120918是从烟色曲霉素获得的真菌霉素，不仅可有效的抑制P-gp也可抑制ABCG2。而fumitremorgin C(FTC)有效逆转过表达ABCG2细胞的耐药性，并与细胞内药物蓄积量呈正相关，对P-gp和ABCC1同样有抑制作用，但FTC存在神经毒作用。在FTC基础上开发出的衍生物Ko143可以增加某些药物的肠道吸收，提高小鼠肿瘤细胞对药物的敏感性，且以高剂量口服或腹腔注射给予小鼠没有明显的毒性作用。其它一些治疗方法，如用锤头核酶，5D3抗ABCG2单克隆抗体或RNA干扰来调节ABCG2的功能，在临床治疗中也取得较好效果[20]。

　　4肿瘤干细胞理论的临床应用价值及存在问题

　　4.1肿瘤干细胞研究的临床意义

　　首先，肿瘤干细胞的研究使人们认识到认识肿瘤干细胞才是肿瘤转移、复发的根源。其次，肿瘤干细胞的研究为肿瘤的治疗提供了新的方向和策略：依照肿瘤干细胞学说，靶向肿瘤细胞虽然能够使肿瘤消退或缓解，但是治疗如果不能杀死导致肿瘤形成并维持肿瘤生长的肿瘤干细胞，那么肿瘤干细胞仍然可以导致肿瘤的复发。干细胞能够表达多种耐药相关蛋白，如MDRI、ABC和BCL-2家族蛋白,这些蛋白能够使干细胞对放、化疗以及诱导凋亡不敏感。因为肿瘤干细胞与正常干细胞有非常密切的关系，所以肿瘤干细胞可能也表达这些蛋白从而导致对放、 化疗以及诱导凋亡不敏感。从而解释了肿瘤在经过放、化疗或者诱导凋亡后可以消退、缓解，但是经过一段时间又复发的原因。深入的研究肿瘤干细胞和正常干细胞生物学特性、阐明它们之间的区别与联系，能够使我们更深刻的了解肿瘤发生、发展以及复发的机制，有助于研制、开发特异性靶向肿瘤干细胞的药物和治疗方法。最后，随着肿瘤干细胞的生物学特征及其致癌机制的进一步阐明，人们还可研制出肿瘤干细胞疫苗、抗肿瘤干细胞药物、阻断肿瘤信号通路的一些细胞因子及化学物质以及诱导其向正常细胞分化的细胞因子及化学物质等等。因此，肿瘤干细胞的研究对于肿瘤的诊断，治疗及判断预后将产生深远影响。

　　4.2存在的问题

　　虽然越来越多的证据支持肿瘤干细胞学说，但是目前仍然存在许多问题。 由于血液系统肿瘤干细胞研究的最早也最深入， 所以血液系统肿瘤干细胞的存在得到普遍的认同，然而实体瘤内是否存在肿瘤干细胞仍然有较大争议。目前肿瘤干细胞研究主要面临的工作：①CSC来源于何种干细胞，其致肿瘤发病机制是什么;②CSC的细胞表面标记物应该如何特异性标识以更好地分离和鉴定;③CSC与正常干细胞的生长基因和信号转导途径有何差别，怎样才能保证药物能特异性杀死CSC而不影响其它正常干细胞。CSC理论解释了一些肿瘤研究中碰到的问题，但人们现在还远未完全认识CSC,对CSC的认识需要边研究边重新定义。

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