肿瘤治疗新目标——肿瘤干细胞

作者单位：中山大学附属第一医院，广东 广州 510080          【摘要】  肿瘤干细胞是肿瘤细胞的祖细胞，是肿瘤的真正种子，它们虽然仅占肿瘤细胞中极少的一部分，但具有自我更新能力和不定分化潜能，是形成不同分化程度肿瘤和肿瘤不断生长的根源，是肿瘤发生、扩散、复发等过程中的“起始细胞”或“动力细胞”。传统的化疗药物不能有效靶向作用肿瘤干细胞，开发针对肿瘤干细胞的靶向治疗，能给肿瘤治疗模式带来全新的改变，有望彻底改善患者的预后。

    【关键词】  肿瘤干细胞

    干细胞（stem cell）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，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。随着对干细胞研究的深入，人们对肿瘤的发生、发展有了新的认识。有研究者提出恶性肿瘤是一种干细胞疾病，肿瘤来源于干细胞。这种干细胞，即肿瘤干细胞（cancer stem cell, CSC）在肿瘤组织中存在，虽为数不多，仅占肿瘤细胞的万分之一至百分之一左右，但具有自我更新能力和不定分化潜能，是形成不同分化程度肿瘤和肿瘤不断生长的根源，是肿瘤发生、扩散、复发等过程中的“起始细胞”或“动力细胞”。直接针对CSC的靶向治疗，可望带来肿瘤治疗模式的全新改变，彻底改善患者的预后。

    1   肿瘤干细胞的发现

    传统观念认为，所有肿瘤细胞均存在无限增殖的可能，每个发生转移的肿瘤细胞都具有再次形成肿瘤的能力。然而，1958 年Hewitt[1]把小鼠白血病细胞移植到同品系的小鼠体内,发现仅有1%～4%的移植细胞能够形成脾脏内克隆。随后陆续有实验报道在白血病[2~5]、乳腺癌[6,7]、脑肿瘤[8,9]、胃肠肿瘤[10,11]等多种实体瘤中发现具有干细胞特性的一小部分肿瘤细胞，而且只有这些肿瘤细胞（而不是全部肿瘤细胞）具有致瘤性。于是，学者们提出了肿瘤来源于肿瘤干细胞（CSC）的学说。CSC学说认为肿瘤组织中都存在有CSC，这些CSC是肿瘤细胞的祖细胞，是肿瘤的真正种子，它们虽然仅占肿瘤细胞中极少的一部分，但在肿瘤的发生、发展、侵袭过程中发挥着重要的作用。

    1.1   血液肿瘤干细胞

    早在20 世纪 60年代，Bruce等[2]就发现鼠白血病细胞的一小部分亚群和正常造血干细胞及祖细胞一样，在体内外均能形成克隆。随后Park等[3]发现从大鼠腹水中获取的白血病细胞中仅有1‰～1%能在体外形成克隆细胞株；而且白血病细胞被输注入体内，也仅有1%～4%的细胞能形成脾克隆，这说明只有少数白血病细胞能在体内、外增生。Park据此推测可以形成克隆的白血病细胞是白血病干细胞，并由此提出了白血病干细胞（leukemic stem cell，LSC）的概念。Lapidot等[4]将一个与正常造血干细胞具有相同CD34+CD38-表型的白血病细胞亚群移植给NOD/SCID小鼠，发现此亚群细胞表现出干细胞样的自我更新和增殖能力，于是将此亚群细胞定义为SL-IC（SCID leukemia-initiating cell）。1997年，Bonnet等[5]用实验证实了大多数白血病细胞不能持续增殖，只有少数LSC能形成白血病细胞集落；人类急性髓细胞性白血病（acute myelocytic leukemia, AML）干细胞约占全部AML细胞的0.2%~1%，表达CD34+CD38-；这一细胞亚群具有连续增殖和的能力，而且也只有这个细胞亚群细胞才能在NOD/SCID小鼠中移植成功。至此，LSC的存在被人们所公认。

    1.2   实体瘤干细胞

    早在20世纪70年代，就有许多研究发现实体肿瘤细胞具有异质性，大部分肿瘤细胞不能形成克隆，而只有一小部分细胞具有克隆形成能力。Hamburger等[12]发现，在人肺癌、卵巢癌、神经母细胞瘤等肿瘤细胞的体外培养实验中，仅有0.1%的细胞可形成克隆，这与LSC特性相似。但由于当时实验技术有限，未能对其进行分离纯化。

    2002年，Clarker等[6]将人乳腺癌组织制成单细胞悬液，用流式细胞仪筛选出表达CD44、乳腺/卵巢癌特异性标志（B38.1）和上皮细胞特异性抗原（ESA）细胞，然后将其接种至NOD/SCID小鼠，结果成功长出肿瘤。继而Al-Hajj等[7]将表型为ESA+CD44+CD24-/low Lin-的人乳腺癌组织的细胞接种到NOD/SCID小鼠的乳腺脂肪组织中，仅接种100个细胞即可成瘤。而且经小鼠体内传代，其自我更新和成瘤能力不变，每代均可重新形成含干细胞和非干细胞表型的异质性细胞群体。此研究表明乳腺癌细胞是功能上不均一的成分，仅有乳腺癌干细胞（breast cancer initating cells, BrCa-IC）能在移植后重建乳腺癌细胞模型。2003年Singh等[8]从多种脑肿瘤中分离出肿瘤源性细胞（包括星型细胞瘤、恶性成神经管细胞瘤、胶质母细胞瘤等）。这些细胞具有神经干细胞分子标志CD133和巢蛋白（nestin），在体外培养可分化形成细胞表型与原位肿瘤类型相同的肿瘤细胞。2004年Galli等[9]将这类细胞注射入小鼠颅内，在活体内产生了与原肿瘤类似的肿瘤，进一步从体内研究证实了脑肿瘤干细胞（brain tumor stem cells, BTSC）的存在。2004年Houghton等[10]在小鼠胃的炎症组织中发现有骨髓干细胞的迁移，这些骨髓干细胞经突变形成胃肿瘤。2006年O’brien等[11]分离出表达CD133+的人结肠癌干细胞（colon cancer-initiating cell,CC-IC），通过NOD/SCID小鼠肾被囊接种证实了CC-IC具有自我更新和分化重建成结肠癌异质性细胞群体的能力。

    Kim等[13]从支气管肺泡导管连接处分离出一群细胞表面标志为Sca-1+CD45-Pecam-CD34+的细胞，并将其命名为支气管肺泡干细胞( bronchoalveolar stem cells, BASCs)。BASCs 在正常情况下处于静止状态，当体内支气管和肺泡损伤时发生增殖，并且有明显的自我更新特性和能够分化成其它类型的肺上皮细胞。在K-ras基因突变活化的终末支气管和肺泡上皮的不典型增生或腺瘤中, 可以观察到BASCs数量明显增加，提示BASCs可能是肺腺癌的起源细胞。

    Collins等[14]从人前列腺癌组织中分离出表型为CD44+/α2β1hi/CD133+的前列腺癌干细胞, 这些细胞在前列腺肿瘤组织中约占0.1%。能够分化成多种细胞类型，表达雄激素受体和前列腺酸性磷酸酶，有高度的增殖潜能。

 最近国内南方医科大学肿瘤研究所姚开泰教授研究组用免疫磁珠法分选出鼻咽癌细胞株中的ABCG2+细胞亚群和ABCG2-细胞亚群，ABCG2+细胞亚群能在裸鼠体内成瘤，而ABCG2-细胞亚群则未见成瘤。说明鼻咽癌ABCG2+细胞亚群可能是鼻咽癌干细胞。

    迄今为止已报道发现有CSC（包括干细胞样细胞、肿瘤起始细胞等）存在的肿瘤有：各种类型的慢性和急性髓系白血病、一些急性淋巴细胞白血病、乳腺癌、脑肿瘤、室管膜瘤、皮肤癌、前列腺癌、视网膜母细胞瘤[15]、胰腺癌、肝母细胞瘤[16]、胃癌、结肠癌、肺癌、鼻咽癌等。

    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LSC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[17]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LSC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GF120918和tariquidar的复合物（同时抑制ABCG2和ABCB1）已用于临床研究。

    2.2   诱导针对肿瘤干细胞的特殊免疫反应

    从患者体内分离纯化CSC，并进行致死性辐射后，回输给患者以激活其抗宿主CSC的特异性免疫反应，是针对CSC的靶向治疗方法之一。以白血病治疗为例，虽然用化疗治疗白血病能诱导缓解,但目前获得长期无病生存率的最有效方法是异基因造血干细胞移植。移植后是否有效取决于移植前超大强度的放/化疗和移植后由供体T细胞介导的移植物抗白血病作用(graft versus leukemia，GVL)。异基因造血干细胞移植和移植后的GVL均被认为是针对LSC的靶向治疗。Bonnet等[18]报道了用CD8+细胞毒性T淋巴细胞(cytotoxic T lymphocyte，CTL)克隆特异性针对次要组织相容性抗原，抑制人AML细胞在NOD/SCID小鼠体内的植入，并证实了该抑制作用由CTL直接针对LSC进行介导。该研究表明适当的移植物调控以及正确鉴定和选择T细胞克隆，能有效引发抗LSC免疫反应，防止异基因干细胞移植后的白血病再复发。

    2.3   诱导肿瘤干细胞的分化

    CSC起源于干细胞的异常突变，而肿瘤又起源于CSC的自我更新和分化。由于干细胞的异常突变可能和细胞所处的微环境有关，那么也许可以设法通过改变微环境来诱导肿瘤干细胞向正常细胞分化。Jin等[19]报道针对黏附分子CD44+的单克隆抗体可显著减少人AML小鼠模型体内白血病细胞的增殖，其可能机制是通过改变维持干细胞特性的微环境从而诱导LSC的分化。

    2.4   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[20]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，从而发挥其有效的靶向治疗作用。

    3   展   望

    CSC的发现从根本上阐明肿瘤的发生发展机制，解释了目前肿瘤治疗所面临的问题,提供了靶向性或杀伤性肿瘤干细胞的可能性，为肿瘤治疗开辟了一条新的思路。CSC具有正常干细胞的某些特征，又有其特殊的细胞表型、分子生物学特征及独特的分子调控机制。传统的治疗不能有效靶向CSC，开发针对CSC靶向治疗的新方法，将对肿瘤的耐药、复发、转移具有革新意义。将来需要进一步研究正常干细胞向CSC恶性转化机制、不同肿瘤来源的CSC的独特分子表面标志及CSC特有的生存调控机制，以期达到更有效地靶向CSC治疗。

【参考文献】[1] Hewitt HB. Studies of the dissemination and quantitative transplantation of a lymphocytic leukemia of CBA inice[J]. Br J Cancer, 1958, 12(3):378-401.

[2] Bruce WR,van der Gaag H. A quantitative assay for the number of murine lymphoma cells capable of froliferation in vivo[J]. Nature, 1963, 199:79-80.

[3] Park CH, Bergsagel DE, McCulloch EA. Mouse myeloma tumor stem cells: a primary cell culture assay[J]. J Natl Cancer Inst, 1971, 46(2):411-422.

[4] Lapidot T, Sirard C, Vormoor J, et al. A cell initiating human acute myeloid leukemia after transplantation into SCID mice[J]. Nature, 1994, 367(6464):645-648.

[5] Bonnet D, Dick JE. Human acute myeloid leukemia is organized as a hierarchy that originates from a primitive hematopoietic cell[J]. Nat Med, 1997, 3(7):730-737.

[6] Clarker MF,Morrison SJ,Wiclla MS,et al. Isolation and use of solid tumor stem cell[P]. USA: 20020119565.2002.

[7] Al-Hajj M,Wicha MS, Benito-Hernandez A, et al. Prospective identification of tumorigenic breast cancer cells[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2003, 100(7):3983-3988.

[8] Singh SK, Clarke ID, Terasaki M. Identification of a cancer stem cell in human brain tumors[J]. Cancer Res,2003,63(18):5821-5828.

[9] Galli R, Binda E, Orfanelli U. Isolation and characterization of tumorigenic, stem-like neural precursors from human glioblastoma[J]. Cancer Res, 2004,64(19):7011-7021.

[10] Houghton J, Stoicov C, Nomura S, et al. Gastric cancer originating from bone marrow derived cells[J]. Science, 2004, 306(5701):1568-1571.

[11] O’brien CA, Pollett A, Gallinger S, et al. A human colon cancer cell capable of initiating tumor growth in immunodeficient mice[J]. Nature, 2007, 445(7123):106-110.

[12] Hamburger AW,Salmon SE. Primary bioassay of human tumor stem cell[J]. Science, 1977, 197(4302):461-463.

[13] Kim CF, Jackson EL, Woolfenden AE, et al. Identification of bronchioalveola stem cells in normal lung and lung cancer[J]. Cell, 2005, 121(6):823-835.

[14] Collins AT, Berry PA, Hyde C, et al. Prospective identification of tumorigenic prostate cancer stem cells [J].Cancer Res, 2005, 65(23):10946-10951.

[15] Seigel GM, Campbell LM, Narayan M, et al. Cancer stem cell characteristics in retinoblastoma[J]. Mol Vis,2005, 11:729-737.

[16] Alison MR. Liver cancer:a disease of stem cells[J]. Panminerva Med, 2006, 48(3):165-174.

[17] Feuring-Buske M, Frankel AE, Alexander RL, et al. A diphtheria toxin-interleukin 3 fusion protein is cytotoxic to primitive acute myeloid leukemia progenitors but spares normal progenitors[J]. Cancer Res, 2002,62(6):1730-1736.

[18] Bonnet D, Warren EH, Greenberg PD, et al. CD8+ minor histocompatibility antigen-specific cytotoxic Tlymphocyte clones eliminate human acute myeloid leukemia stem cells[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96(15):8639-8644.

[19] Jin L, Hope KJ, Zhai Q, et al. Targeting of CD44 eradicates human acute myeloid leukemic stem cell[J]. Nat Med, 2006, 12(10):1167-1174.

[20] Brown AB, Yang W, Schmidt NO, et al. Intravascular delivery of neural stem cell lines to target intracranial and extracranial tumors of neural and non-neural origin[J]. Hum Gene Ther, 2003, 14(18):1777-1785.