肿瘤干细胞学说及相关性中药作用机理的研究

随着对肿瘤研究的不断深人,人们发现肿瘤组织中只有少量细胞具有自我更新和多向分化潜能,可分化为特定组织中一个或者多个具有特定功能的终末细胞[1],即表现出干细胞特性,因此提出了肿瘤干细胞(canccr哎emcells,CSCs)的概念。肿瘤的形成、进展、转移都是肿瘤干细胞增殖分化的结果,肿瘤难以根治的原因也是因为肿瘤干细胞的存在。肿瘤干细胞学说为肿瘤的研究提供了新的思路,对探讨肿瘤的生物学特性、发生、转归及诊治等具有重大的意义。现将肿瘤干细胞的相关研究综述如下。

一、肿瘤干细胞理论概述

1.肿瘤干细胞概念的提出:肿瘤干细胞是一类能够导致肿瘤生成的具有自我更新(self—reneWal)能力的细胞。对肿瘤干细胞的起源存在许多观点和假设,最早可追溯到150年前,Rud。lphⅤirchow发现肿瘤与胚胎组织在组织学有相似之处,由此认为肿瘤可能由残存的胚胎细胞形成。直到1977年HamburgerAW和⒌lm。nSE等[2]对来自肺癌、卵巢癌、神经母细胞瘤的肿瘤细胞进行体外培养,发现仅1/1000~1/5000的实体瘤细胞能形成集落,首次提出“CS己假说”,该假说认为肿瘤细胞申只有小部分肿瘤干细胞具有无限增殖和形成肿瘤的能力。肿瘤干细胞的存在最早是在急性髓细胞白血病(a~mtemyelocyticleukemia,AML)中得到证实的,1997年,BonnetD和DickⅢ[3]在研究中发现一种带有CD~s4+CD38免疫标记的细胞群体,尽管这类细胞只占AML细胞`总数的较小部分(大约为0.2%),但却能在其他小鼠体内重建AML。随后在乳腺癌[4]、脑肿瘤[5]、结直肠癌[6]、卵巢癌[7]中分别分离鉴定出具有干细胞类似生物学特性的细胞群体,从而证明了在实体瘤中干细胞的存在。这些早期试验表明,只有少数肿瘤细胞具有致瘤性,这些形成克隆的少数肿瘤细胞即被认为是肿瘤干细胞或肿瘤起始细胞。那么肿瘤干细胞的定义是什么呢,Reya等[1]概括为肿瘤组织中一小群具有广泛繁殖能力并可形成肿瘤的细胞,α盯ke等[:]又总结为CSCs是指在肿瘤组织中能构成自我维持的集合细胞群,并具有自我更新及产生异质细胞群体的能力。现在较为一致的认识是肿瘤干细胞是存在于肿瘤细胞群体中的一小部分具有干细胞性质的癌细胞亚群,具有自我更新能力和多向分化潜能,是肿瘤形成及进展、转移的根源。

2.肿瘤干细胞的生物学特性:正常成体干细胞具有三个特征:自我更新能力,能够终身维持干细胞池;干细胞数量受到严格调节;具有多向分化潜能,能够重建相应组织所有的细胞成分。与正常成体干细胞相似,肿瘤干细胞具有长期自我更新能力和多向分化潜能,表型特征与正常干细胞部分相同,但肿瘤干细胞也有其自身特点。(1)缺乏自我稳定调控和分化成熟的能力,可以无限制生长,产生不同表型的肿瘤细胞,在体内形成新的肿瘤。正常干细胞的增殖具有自稳定性,可通过对称分裂或不对称分裂生成特征和潜能与原干细胞完全一致的一个或两个子代干细胞,干细胞数目保持恒定。肿瘤干细胞不能分化为表型正常的细胞,但能形成不同程度的分化,从而形成组织病理学程度各异的肿瘤。其分化能力越高,形成的肿瘤分化程度越高,与相应正常组织的程度越接近。(2)缺乏自我更新信号转导途径的负反馈调节机制:正常干细胞的自我更新有其反馈机制调节,调控细胞分裂率,而肿瘤细胞中干细胞的负反馈机制已被破坏,其增殖分化是无序和失控的。(3)具有累积复制错误的倾向:肿瘤的生成是个长期的过程,有学者认为一个正常细胞获得4~7次突变将发生恶性转化[9],这需要几年到几十年的时间。干细胞可以累积多次突变,而其不断分裂的特征也增加了获得错误增值的机会[10]。临床治疗亦发现,血运丰富、组织更新快的系统是恶性肿瘤高发部位,可能与其转录、复制过程中发生突变的概率高有关。(4)具有特定的表面标记:要达到根治肿瘤的目的,必须先识别肿瘤干细胞并对其进行针对性治疗,因此,确定其表面特异性标记物成为肿瘤干细胞研究的第一步,也是关键一步。肿瘤干细胞的分离最初来自血液系统恶性肿瘤,CD34+CD38^表型细胞被认为是白血病干细胞(leLlk碰a哎emcell,"C)[3],它们与正常造血干细胞(hem。poictic虻emcell,HSC)有相似而不同的表型,正常HSC为CD34+CD38ˉTHY-r,LSC为CD34+CD38THY-r。通过对ⅡC特点的深入研究可为我们了解白血病的发病机制及针对性治疗提供了方向。其他恶性肿瘤也有其相对特异的表面标记,如脑肿瘤干细胞表面标记CD133+,头颈部癌干细胞表面标记CD44+,胰腺癌干细胞表面标记CD44+D24+ESA+。(5)对化疗药物耐药性:肿瘤干细胞除具有自我更新和分化潜能外,还对常规化疗具有一定的耐受性,目前认为肿瘤干细胞的耐药机制有以下几种:①肿瘤干细胞表达多种ABC转运蛋白,可抵抗药物、毒素、射线等的作用。ABC转运蛋白利用ATP水解提供的能量把药物由细胞内泵到细胞外,避免药物的细胞毒作用,从而导致肿瘤细胞对化疗不敏感。②肿瘤干细胞处于相对静息期:由肿瘤干细胞的遗传特性可知,多数情况下表现为相对静止的细胞,处于Go期,而细胞毒药物治疗癌症的靶点都是处于M、S或G1、G2期的细胞。如果肿瘤干细胞处于G0期,不是进入增殖期,则目前大多数针对分裂期细胞的抗肿瘤药物对它没有太大作用[11]。③肿瘤干细胞抗凋亡基因高表达:细胞凋亡是在一定的生理或病理条件下,有一系列酶参与、多基因控制的一个有序的过程。细胞凋亡的失调,如不恰当的抑制,可致机体发生病理改变。如Bd-2基因及其表达蛋白可抑制多种组织的细胞凋亡和延长细胞寿命。④DNA损伤修复能力活跃:肿瘤干细胞在自我更新的过程中有能力修复损伤的DNA,进而维持相对稳定的生物学性状。⑤微环境与耐药:微环境所致耐药的原因为:距离血管较远,化疗药物难以到达;此微环境中的大部分肿瘤细胞处于非增殖状态,对常规化疗药物不敏感[12]。

3.肿瘤干细胞的调控机制:肿瘤干细胞的调控机制主要包括异常信号通路、原癌基因激活与抑癌基因失活、非整倍核型发生及端粒酶耗损理论等几个方面。(1)异常信号通路:从细胞增殖方面来看,肿瘤可认为是自我更新失控的细胞疾病,即变异的自我更新信号取代了正常干细胞的信号通路,成为恶性增值的动力。研究发现,Notch、Wnt、Heclgel△og(Hh)、B而-1、Shh等通路的失调对肿瘤的生长、分化有重要作用。如N⒍ch通路可调控造血干细胞的自我更新,通过抑制造血干细胞的特定分化阶段,控制造血干细胞向粒系或淋巴系转化,若该通路过度表达可诱导恶性淋巴瘤的产生[13]。wnt途径在肠上皮、中枢神经系统、造血系统的干细胞自我更新中发挥重要的调节作用,该通路经细胞表面的受体结合,引起细胞内的一系列变化,最终激活控制细胞分化基因的表达。其基因突变可引发结肠癌、淋巴细胞白血病等多种肿瘤。因此,通过对干细胞信号转导的研究,有助于我们发现以肿瘤干细胞为靶点治疗恶性肿瘤的新方法。(2)月中瘤相关基因:原癌基因的激活与抑癌基因的失活是肿瘤干细胞不断增殖的主要原因。在与肿瘤相关的众多基因中,Ras基因诱发或促进肿瘤细胞的转移潜能最强,其活化可使多种细胞在生成肿瘤的同时伴有诱导转移的活性。Ras基因家族包括H-啷、Κ-ras、N-ras三个成员,其中Κ-ras基因突变可能是胰腺癌发生的原因。CD44基因是研究前列腺肿瘤转移时发现的转移抑制基因,是一个跨膜蛋白,通过与特异性的细胞外基质分子结合而介导细胞的黏附。研究表明,外源CD44的导人显著降低了动物实验总转移灶的形成。再如抑癌基因P~s3,其功能的失活是胰腺癌中的常见事件。(3)端粒酶:端粒酶是人体内唯一携带自身RNA模板的反转录酶,在正常情况下,端粒酶经过有限的分裂次数后,端粒缩短到一定程度,停止增殖而走向死亡。相反,呈恶性生长的癌细胞以某种方式激活了端粒酶的活性,摆脱了正常衰老过程的束缚,在机体中显现很高的端粒酶活性及扩增的端粒重复序列。这都说明,端粒酶的激活在肿瘤的发病过程中起着重要作用。因此,可通过抑制肿瘤端粒酶的活性,达到抑制肿瘤细胞增殖的目的。(4)微环境的影响:干细胞所处的微环境称为壁龛(niclle),成体干细胞的自我更新和分化始终受所处微环境的影响。在向肿瘤干细胞转化的过程中,除了发生多次基因突变外,微环境对成体干细胞的影响尤其重要,因为对其调节的信息大部分来自微环境。肿瘤微环境是肿瘤在发生发展过程中所处的内环境,由肿瘤本身、间质细胞、微血管、组织液及少量浸润细胞(如巨噬细胞、树突状细胞)等共同组成。微环境与肿瘤的增殖转移密切相关。肿瘤细胞最终生长状态取决于微环境自分泌、旁分泌和内分泌的正性和负性生长信号间的综合平衡,各个器官的激素、生长因子和其他相关因子水平的差异都会影响肿瘤细胞的生长状态。如TGF-β对人结肠肿瘤和肾肿瘤细胞的刺激作用与抑制作用取决于细胞表面该受体的差异。有研究表明,在骨髓中表达ⅤEGFR1的造血前体细胞能形成特定的转移微生境为肿瘤转移创造条件,若阻断这种转移微生境则可以大大减少转移灶的形成[14].

二、中药对肿瘤干细胞的相关性研究肿瘤的发生及复发、转移与肿瘤干细胞有密切关系,但目前针对肿瘤干细胞的干预治疗尚处于研究阶段,暂时也没有靶向调控肿瘤干细胞功能的成熟的方法。中医药对恶性肿瘤的治疗在临床有确切疗效,在此基础上应利用现代分子生物学进一步探讨其作用机制,对中医药调控肿瘤干细胞功能深入研究,以期找出中医药作用的最终靶点,为寻求中医学治疗肿瘤的突破进行理论基础的探索。

1.中药可逆转肿瘤干细胞耐药:肿瘤耐药的逆转是国内外学者研究的焦点,其根源在于肿瘤干细胞耐药,肿瘤治疗效果的提高有赖于中药逆转剂对肿瘤干细胞耐药机制的干预。李伟等[15]研究证实,浙贝母等中药对逆转肿瘤多药耐药有肯定疗效,其机理是中药作用于肿瘤细胞增殖的GO/G1期,此类处于相对静止期的细胞更大程度上是指肿瘤干细胞。

2.中药可诱导肿瘤干细胞凋亡:大量研究已经显示中医药对于肿瘤干细胞的凋亡有诱导作用。如中药金安粉针剂可起PG、PAa细胞凋亡和坏死[16]。凌昌全等[17]研究证实人参皂苷可诱导6T-CEM细胞凋亡,其可能机制为抑制Bd-2基因表达,降低Bcl—″Bax比率,从而诱导细胞凋亡。还有的报道证实,一些从中药中提取的生物碱,如汉防己碱、小檗胺等可有效诱导肿瘤细胞凋亡,这些生物碱能使人白血病细胞株HL—∞发生凋亡[18]。

3.中药可影响肿瘤干细胞的增殖分化:有学者在研究苦参碱对人粒白血病细胞系HL-ω细胞作用时发现,苦参碱能明显抑制HL-ω细胞增殖,并诱导其向成熟粒细胞分化,其诱导分化作用与下调C-myc基因表达、阻滞细胞在Gl期有关。还有报道认为补肾益精中药促进骨髓干细胞增殖分化[19]。梁毅等[20]研究发现,活髓片对免疫介导再障小鼠骨髓造血微环境紊乱状态有明显改善作用,能使骨髓基质细胞凋亡率下降,促进培养细胞的血管细胞黏附分子ⅤCAM-1的表达,增强骨髓基质细胞的增殖分化能力。刘建军等[勿]研究黄芪、丹参、红花3种中药注射液对培养的神经干细胞的影响,观察神经干细胞的分化状态。结果显示,黄芪、红花对NsCs的分化有明显促进作用,且黄芪效果最佳,而丹参有促其凋亡作用,这种作用与其浓度大小呈正相关。

4.中药对肿瘤细胞信号传导通路的影响:有研究证实,化痰散结类中药可通过改变HH细胞信号传导通路以逆转人乳腺癌干细胞的阿霉素耐药。还有报道认为,PI3-ˇAkt信号通路激活可以有效增强肿瘤化疗疗效,部分逆转化疗耐药,其机制可能为PI3-△/Akt通路在该细胞株中介导细胞凋亡以发挥作用。中南大学王光平等[22]研究发现,复方黄连(黄连、黄芪、党参、白花蛇舌草等)可抑制核转录因子N瓜B、STAT等表达和活化,从而调节JAˇSH2B-sTAT3/PI3以及TRAF—NFkB/IkB介导的信号传导通路,以此抑制鼻咽癌细胞生长。

5.调节机体免疫功能:肿瘤干细胞作为肿瘤发生发展的根源,机体免疫系统能否识别肿瘤干细胞表达的特异性抗原在抗瘤免疫应答中显得尤其重要。研究发现中药主要通过细胞因子来表达免疫效应,即影响细胞因子(如IL-1,2,3,6,TNF)的基因表达、基因转录或mRNA动员来实现基因调控。三、展望肿瘤干细胞理论的提出,使肿瘤学研究跨人肿瘤干细胞热点时期,对理解肿瘤的生物学行为及临床诊断治疗、预后评价等有重要意义,是人类认识肿瘤的一大进步。但我们目前对肿瘤干细胞的研究仍然处于探索阶段,还有很多问题亟待解决:弄清肿瘤干细胞的生物学特性;解决分离、纯化和鉴定上的技术瓶颈;开发针对肿瘤干细胞的药物或治疗方法以提高疗效改善预后等。中医药以其辨证的整体观、构成论的研究方法、辨证论的治疗模式和属于天然药物所特有的低毒性、无耐药性等优势,为我们研究肿瘤干细胞提供了新的途径和思路。

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