乳腺干细胞和乳腺癌

    作者：柯玉华　胡胜　付小玉    作者单位：湖北省肿瘤医院，湖北 武汉 430079

    【摘要】乳腺干细胞是一种未分化的细胞，具有永远增殖和自我更新能力。乳腺癌中的癌症干细胞可能起源于正常干细胞，以细胞表面标志CD44+/CD24-/low识别。癌症干细胞可能为肿瘤转移和复发的原因。识别乳腺癌干细胞和普通癌症细胞之间的差异，可以发展更有效的诊断和治疗方法。

    【关键词】 乳腺干细胞　乳腺肿瘤

　    干细胞具有强大的增殖潜能和漫长的生存时间（可积累多个突变），这使其成为癌症起源细胞的最好候选者。尽管成人乳腺尚未发现明确的乳腺上皮干细胞（mammary epithelial stem cell ，MESC），但存在几个候选的干细胞群。而且，目前认为存在固定MESC的观点过于简单，乳腺干细胞可能是与其微环境或小环境（stem-cell niche）相互作用的结果[1]，本文使用干细胞作为在体内或体外具有干细胞样功能的细胞总称。同样，在肿瘤的发展过程中，干细胞样生物行为可以获得或丢失。

    1 乳腺上皮干细胞的来源

    啮齿动物的乳腺上皮首先出现于乳腺带，一种可以形成未来腺管系统的上皮性芽胚。3周后，受性激素的刺激，腺管系统进入脂肪垫并形成分支，称为终末芽胚，为乳腺导管生长的起始点，是一层由杯状细胞包绕的体细胞团。随着导管伸展和终末芽胚的发育，体细胞形成导管内部腔上皮层，而杯状细胞形成外部的肌上皮层。形成导管腔的过程中，体细胞通常会发生凋亡，而杯状细胞也会进入体细胞层，因此出现杯状细胞是干细胞的来源[2]。

    成熟乳腺也可能存在具有干细胞功能的细胞。在啮齿动物，妊娠中会出现细胞迅速增殖，导致大量像葡萄串一样的分支和分泌泡形成。在分泌泡中，腔上皮产生乳汁，而肌上皮通过收缩将乳汁从分泌泡挤入导管。一旦断乳，这些结构通过凋亡而消失，像未妊娠一样，脂肪垫中的导管结构也变得相当稀疏。此循环在动物一生中经历多次。仅仅干细胞的增殖潜能可以维持上述过程；因此提示存在暂时性干细胞[3]，受到性刺激之前，这些细胞处于静止状态。而且不完整的过程也见于动情周期中。相同的循环也见于人类的妊娠和月经周期中，但在增殖程度上存在一定差异。

    此外，乳腺日常的细胞更新过程中，成熟的MESC也可能发挥一定作用。因为在哺乳过程中，乳汁中存在脱落的上皮细胞。脱落进入导管系统的细胞必须以一些方式进行补充，否则上皮细胞的数目不能维持整体性；具有这种功能的细胞可能为具有持续活性干细胞。所以对成熟的乳腺上皮，干细胞至少具有明显不同的两种功能，即暂时性或持续性干细胞[4]。是否具有两种或多种不同的干细胞类型，或一种干细胞具有几种功能，目前尚不清楚。

    2 乳腺干细胞的实验依据

    将乳腺上皮移植进清除脂肪垫的乳腺，并对几个移植后代分析发现，整个乳腺组织能由单个原始细胞克隆。提示在成年乳腺中，存在能分化为整个乳腺上皮细胞的干细胞或始祖细胞。逆转录病毒标记和移植实验能够评估小鼠乳腺上皮中干细胞的数目[5]，2 500细胞中约含1个。在成熟未妊娠小鼠的乳腺，上皮细胞的数目为2×106~2.5×106，所以推测每个腺体含有1 000个干细胞。使用限制性稀释移植后，单个始祖细胞要经历25~27次分裂来填满脂肪垫，而对于有1 000个干细胞的腺体，仅仅需要15~16次倍增分裂即已经足够。

    新鲜分离的乳腺上皮细胞以悬浮的方式培养，大多数细胞都出现了离巢凋亡，而少数细胞形成了非黏附的球形结构。这些细胞具有强大增殖能力，能产生成熟乳腺的所有细胞成分，提示在球体中存在干细胞起源细胞。

    3 乳腺干细胞的细胞识别

    首先是细胞水平上进行识别。在小鼠和大鼠乳腺上皮中，存在一个多能干细胞和原始转化细胞群——小亮细胞（small light cell，SLC），SLC进行分裂，形成为未分化大亮细胞（undifferentiated large light cells，ULLC）和分化大亮细胞（differentiated large light cells，DLLC），并且最终分化为大量腔细胞层——大暗细胞（large dark cells，LDC），因此，SLC可能为干细胞[6]。类似的亮细胞也见于人类乳腺中。同样，使用溴脱氧尿苷（bromodeoxyuridine，BrdU）标记的体内研究发现，存在标记很长时间的乳腺上皮细胞——持续标记细胞（label-retaining cells，LRC），长期的持续BrdU标记是细胞的增殖率很低——干细胞的一个潜在特征[7]。

    在分子水平上，大量研究致力于发现乳腺上皮中的干细胞，或那些具有干细胞样功能的细胞。一般使用2个标志[8]：侧群（side population，SP，为干细胞的标志）和SCA-1，但SP仅为标志，与干细胞功能无关。近来研究发现，分子标志为Lin-CD29highCD24+的细胞可能为MESC[9]。

    4 乳腺干细胞和乳腺癌干细胞

    乳腺癌和乳腺干细胞之间的关系目前是研究的热点。肿瘤中可能存在干细胞样细胞的观点存在已经近半个世纪，但Al-Hajj等的研究提供了乳腺癌干细胞的证据。此研究发现了表达2个细胞表面标志（CD44+/CD24-/low）的乳腺肿瘤干细胞亚群，在异体移植中，CD44+/CD24-/low细胞群与乳腺肿瘤细胞团相比，这些细胞的肿瘤形成能力增加10~50倍[10]。

    最重要的问题之一是肿瘤干细胞是否起源于正常成熟的MESC，或正常乳腺中的转化/始祖细胞群。Boulanger等[11]发现，在成熟乳腺中，正常干细胞确实是致癌作用的靶点，并形成肿瘤干细胞群。携带Tgf β转基因（受Wap蛋白调控）的乳腺上皮细胞是未成熟的干细胞，容易衰老，在脂肪垫中增殖能力下降。但未成熟的干细胞比成熟干细胞，对致癌因素具有更好的抵抗性，说明干细胞的增殖活性与乳腺癌危险性存在一定联系。

    有几种机制解释乳腺干细胞与肿瘤危险性之间的关系。干细胞可以长期生存且增殖能力巨大，这不仅意味着其在体内生存时间很长，可以积累很多突变（为正常细胞向肿瘤潜能细胞——肿瘤干细胞所必需），而且具有分化产生大量肿瘤细胞的能力。但乳腺干细胞存在多向分化的能力，而乳腺干细胞却仅仅能产生恶性细胞维持肿瘤的生长，提示两者之间的联系也是有限的，或者是变化的[12]。

    在实验小鼠模型中，妊娠会导致乳腺上皮最终分化，而在哺乳后期，细胞发生大量的凋亡，最终部分完全分化细胞会生存下来。随着连续的妊娠，腺体逐渐会由这些终末分化细胞所组成。相似的现象也发生于人类中，随着妊娠，腺体和小叶的增殖能力会下降。有作者认为[13]，一个早期的、第一次的足月妊娠是惟一重要乳腺癌的保护因素（虽然在妊娠中或妊娠后的近期乳腺癌的危险性会轻度增加）。因为干细胞或始祖细胞的消耗，终末分化细胞的增加是一个保护因素。

    干细胞也可解释区域癌化（field cancerization）现象。此概念指癌前病变区域的细胞可以发展为癌细胞，因为其克隆起源于一个原始细胞——具有同一个的突变，如肿瘤抑制基因的丢失[14]。虽然此突变在表现型上是静止的，但导致此区域的所有细胞均具有肿瘤易感性。所以，假使发生突变的为干细胞，则单个突变也会导致一个区域的细胞具有癌症易感性，最终可以在相邻的部位出现独立的肿瘤灶。此现象的重要性是，干细胞的一个突变会产生一个区域的突变后代，一旦发生其他打击，癌前病变区域的细胞比此区域外的细胞有更大的癌变机会。区域癌化最极端的例子是肿瘤抑制基因BRCA2 和p53，若这种发生于胚胎时期的突变遗传下来，其癌化区域则是整个身体。

    5 乳腺癌干细胞与治疗

    乳腺癌的干细胞模型对肿瘤的治疗具有重要的意义。大多数传统的癌症治疗的靶点为正在增殖的细胞，虽然可以消除大量肿瘤细胞，但可能忽略了相对静止的干细胞。如果治疗作用的靶点在干细胞（样细胞）中不存在，目前的治疗策略可能是无效的；在此情况下，无论普通肿瘤细胞怎样被减少，肿瘤将会重新生长[15]。

    由于高表达Bcl-2 家族和转运蛋白 BCRP 和 MDR，干细胞比分化细胞对凋亡更具抵抗性。当正常干细胞向肿瘤干细胞转化时，如果这些特征得以继承，则对传统的化疗方案会产生抵抗，并传输给下一代肿瘤细胞。同样，乳腺干细胞也比分化癌症细胞对普通治疗耐受。这可以解释临床化疗可以使肿瘤减小，甚至消退，但最终仍出现复发和转移是由于干细胞未出现凋亡的原因。最近，Glinsky等[16]使用mRNA标记的方法，发现表达11个干细胞样特征的癌症患者有更差的预后。相反，以癌症干细胞或干细胞样细胞为目标则具有另外的优势，可以依据乳腺癌干细胞的特征进行治疗。然而，即使有药物具有相对的干细胞特异性，显现临床反应的速度也可能较慢。作用于分化较好的肿瘤细胞的药物，其临床反应需要几天到几周；而对于癌症干细胞，其临床效果的出现也许需要几个月甚至几年。另一个考虑是安全性，如导致正常干细胞功能丢失；此外，加强检测其延迟性毒性也是必需的[17]。

    另外，如果乳腺干细胞是癌症转化的靶点，那么存在将抗干细胞治疗进行预防的可能性。对危险人群中的绝经后女性（甚至更年轻的女性），抗乳腺干细胞治疗肯定可以减少或根除乳腺癌易感细胞群，因此减少癌症的发生率。

    即使乳腺肿瘤干细胞不来自于成熟乳腺上皮干细胞而来源于已分化细胞，也不存在问题。因为恶性细胞仍然有正常乳腺上皮干细胞的表现型特征，肿瘤进展时会出现返祖，导致出现干细胞样细胞的生物学行为；在此情况下，正常乳腺干细胞的表现型特征仍然是肿瘤治疗的靶点。

    6 总结与展望

    目前，使用微阵列技术的研究已重新开始定义干细胞的概念。一些研究已经开始考虑分子通路对乳腺干细胞生物学的重要作用。涉及干细胞生物行为调节的重要分子包括Wnt1、Delta-Notch通路的成分、MYC信号分子、p63（近来发现的p53的家族成员）[18]。

    下一步是研究乳腺干细胞中的相关基因在乳腺癌中的作用，如对肿瘤中基因表达模式的检测将提示哪些基因为肿瘤干细胞的治疗靶点。基因过表达或敲除性研究将可以解释基因如何直接调节干细胞的生物学行为，以及对肿瘤易感和肿瘤形成的影响。干扰靶基因的方法（如纳米粒子）进行抗肿瘤干细胞的治疗（导致干细胞死亡或启动最终分化）可能是必需的。也许上述问题在乳腺干细胞研究领域将存在许多年！

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