腫瘤干細(xì)胞的來源及主要調(diào)節(jié)機(jī)制

雷艷敏 黃常新?

·綜述·

腫瘤干細(xì)胞的來源及主要調(diào)節(jié)機(jī)制

雷艷敏 黃常新?

據(jù)最新統(tǒng)計(jì)顯示，全世界每年有1270萬人被確診為癌癥，而死亡人數(shù)高達(dá)760萬人［1］。隨著研究深入，除傳統(tǒng)治療方法外，近些年出現(xiàn)在細(xì)胞分子水平上的抗腫瘤治療，如免疫治療、靶向治療、基因治療等。然而，效果并不理想，腫瘤的復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移仍時(shí)有發(fā)生。腫瘤干細(xì)胞理論的提出及腫瘤干細(xì)胞的首次發(fā)現(xiàn)［2］為患者帶來希望。該理論認(rèn)為腫瘤產(chǎn)生耐藥、轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)的根本原因是腫瘤干細(xì)胞的存在［3-6］。本文重點(diǎn)闡述腫瘤干細(xì)胞的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)機(jī)制和相應(yīng)治療藥物的研究進(jìn)展。

1 腫瘤干細(xì)胞

以往認(rèn)為在細(xì)胞生長(zhǎng)過程中其核酸受體內(nèi)外因素的影響，導(dǎo)致抑癌基因沉默、原癌基因激活、凋亡程序破壞、細(xì)胞周期調(diào)控異常等，進(jìn)一步惡化最終引起腫瘤的發(fā)生。隨著對(duì)腫瘤研究的深入，人們?cè)谀[瘤中發(fā)現(xiàn)了干細(xì)胞［7］，如人急性粒細(xì)胞白血病干細(xì)胞［2］、乳腺癌干細(xì)胞、腦瘤干細(xì)胞等。學(xué)者們逐漸認(rèn)為腫瘤組織中僅有一小部分細(xì)胞可以產(chǎn)生腫瘤且維持腫瘤生長(zhǎng)，這類細(xì)胞即為腫瘤干細(xì)胞。而腫瘤干細(xì)胞的定義于2006年被美國(guó)癌癥研究學(xué)會(huì)提出，即腫瘤中擁有自我更新和產(chǎn)異質(zhì)性腫瘤細(xì)胞能力的細(xì)胞。

2 腫瘤干細(xì)胞起源

對(duì)于腫瘤干細(xì)胞的來源，目前認(rèn)為：（1）腫瘤干細(xì)胞來源于正常成體干細(xì)胞。一方面，正常細(xì)胞需要經(jīng)過多次基因突變和突變基因的積累才能變成腫瘤細(xì)胞，而成體干細(xì)胞的不斷自我更新為其提供可能。另一方面，腫瘤干細(xì)胞和成體細(xì)胞具有較多相似的表面抗原分子，且均具有自我更新和分化等能力。Shackleton等［8］研究中發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞在乳腺癌小鼠模型的腫瘤進(jìn)展過程前有擴(kuò)增現(xiàn)象，這進(jìn)一步提示該說法的可能性。（2）腫瘤干細(xì)胞來源于定向祖細(xì)胞，所謂定向祖細(xì)胞是具有限制性的特點(diǎn)的成體細(xì)胞。一方面，其分裂增殖能力具有有限性；另一方面，分化也具有限制性，即只能向特定某一方向細(xì)胞系列分化。該觀點(diǎn)認(rèn)為定向祖細(xì)胞發(fā)生突變后重新獲得無限增殖和分化能力形成腫瘤干細(xì)胞。Lapidot 等［2］在嚴(yán)重免疫缺陷小鼠上接種人急性粒細(xì)胞白血病細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)引起小鼠發(fā)生白血病的起始細(xì)胞是CD34+CD38-細(xì)胞。該細(xì)胞比集落形成細(xì)胞幼稚。白血病干細(xì)胞可以在MLL-AF9融合蛋白的作用下由粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞祖細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來［9］。（3）腫瘤干細(xì)胞來源于成熟細(xì)胞［10］，成熟細(xì)胞在內(nèi)外因素作用下去分化后成為幼稚細(xì)胞，具有分裂增殖能力。（4）腫瘤干細(xì)胞來源于干細(xì)胞同其他突變細(xì)胞的融合體。該新的細(xì)胞重新獲得自我更新復(fù)制的能力，可以積累更多的突變，最終發(fā)生癌變。Taylor［11］發(fā)現(xiàn)來源于不同中樞神經(jīng)系統(tǒng)區(qū)域的室管膜瘤是各自分子表現(xiàn)完全不同的疾病，更深入的分析具有區(qū)域特異性的RGCs在室管膜瘤中的表達(dá)剖面，發(fā)現(xiàn)RGCs陽性細(xì)胞能在裸鼠中形成腫瘤，認(rèn)為是該細(xì)胞是形成腫瘤的干細(xì)胞。這表明腫瘤干細(xì)胞的來源還與其所在組織器官的位置有關(guān)。腫瘤干細(xì)胞來源于正常細(xì)胞在內(nèi)外因素影響下經(jīng)過各種非常途徑最終獲得無限增殖和分化能力的產(chǎn)物。

3 腫瘤干細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)節(jié)機(jī)制

腫瘤干細(xì)胞和干細(xì)胞具有很多相同的信號(hào)通路，如Wnt，Notch，Hedgehog，PTEN等，調(diào)節(jié)著細(xì)胞的自我更新、增殖、分化及凋亡。而正常細(xì)胞信號(hào)通路調(diào)控的失常可導(dǎo)致癌變的發(fā)生，干細(xì)胞突變?yōu)槟[瘤干細(xì)胞，具有自我更新和無限增殖的能力［12］。而針對(duì)信號(hào)通路的靶向治療對(duì)腫瘤治療具有重大意義。

3.1 Wnt信號(hào)通路 Wnt通路存在于正常人體干細(xì)胞中，主要包括Wnt，ABC，β-catenin，T細(xì)胞因子（TCF），淋巴樣增強(qiáng)因子轉(zhuǎn)錄因子（LEF）等。當(dāng)該通路被激活時(shí)，癌基因即β-catenin被激活，抑癌基因即ABC失活，合成的β-聯(lián)蛋白與復(fù)合體分離，易位于細(xì)胞核與TCF/LEF結(jié)合，激活原癌基因c-myc［13］，從而維持細(xì)胞的自我更新能力，抑制其分化、增殖和凋亡等。腫瘤干細(xì)胞高表達(dá)如β-catenin、wnt-1等Wnt通路信號(hào)分子，而腫瘤干細(xì)胞中該信號(hào)通路激活是由下調(diào)β-catenine的APC基因突變或β-cateninN-末端的絲氨酸殘基位點(diǎn)突變促發(fā)，如在Cui等［14］研究中發(fā)現(xiàn)乳腺癌干細(xì)胞中高表達(dá)β-catenin mRNA。還有研究發(fā)現(xiàn)β-catenin表達(dá)與肺癌干細(xì)胞的化療敏感性、腫瘤轉(zhuǎn)移及細(xì)胞凋亡有關(guān)［15］。

3.2 Notch通路 組織特異性是Notch通路有別于其他通路對(duì)細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用的一大特點(diǎn)。當(dāng)該通路被激活時(shí)相應(yīng)的Notch受體與配體結(jié)合，通過一系列連鎖反應(yīng)，使細(xì)胞核內(nèi)相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄抑制因子失活，促進(jìn)靶基因如hey、hes活化，進(jìn)一步轉(zhuǎn)錄、翻譯，最終調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。劉天舒等［16］研究發(fā)現(xiàn)在阻斷Notch通路后肺癌干細(xì)胞生長(zhǎng)抑制效應(yīng)比普通肺癌細(xì)胞明顯。但也有研究發(fā)現(xiàn)該通路具有抑癌基因的作用，抑制細(xì)胞增殖，防止惡性變的發(fā)生［17］。

3.3 Hedgehog（HH）通路 HH通路是一種最經(jīng)典的干細(xì)胞調(diào)節(jié)通路，在干細(xì)胞自我更新、分化、增殖中發(fā)揮重要作用，調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育的全過程。依據(jù)是否依賴Gli蛋白，分為經(jīng)典的HH/Gli信號(hào)通路和非經(jīng)典的Hh信號(hào)通路。經(jīng)典信號(hào)通路中的Gli蛋白具有鋅指結(jié)構(gòu)，有Gli1、Gli2、Gli3三種，Gli1、Gli2起轉(zhuǎn)錄激活作用，而Gli2是主要的轉(zhuǎn)錄激活子，Gli3是主要的轉(zhuǎn)錄抑制子。當(dāng)有HH信號(hào)時(shí)，HH與跨膜蛋白受體復(fù)合物Patched結(jié)合，使另一跨膜蛋白受體復(fù)合物Smoothened激活，抑制轉(zhuǎn)錄因子Gli被降解，使其以完整形式（主要是Gli2）進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，促進(jìn)靶基因轉(zhuǎn)錄；當(dāng)無HH信號(hào)時(shí)，Smoothened被抑制，Gli降解為具有轉(zhuǎn)錄抑制作用的片段（主要是Gli3）后進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，在靶基因啟動(dòng)子上起抑制作用。非經(jīng)典HH信號(hào)通路進(jìn)一步依據(jù)是否依賴Smo蛋白細(xì)分為I型（不依賴Smo蛋白）和II型（依賴Smo蛋白）通路，前者通過受體Ptc1發(fā)揮著促進(jìn)細(xì)胞增殖、抗凋亡作用，而后者通過激活如Rac1、RhoA等小G蛋白R(shí)ho家族調(diào)控細(xì)胞骨架形態(tài)、運(yùn)動(dòng)及遷移。Belgacem YH［18］等研究中發(fā)現(xiàn)鈣離子依賴的信號(hào)通路可能在HH通路調(diào)節(jié)某些細(xì)胞增殖、分化、凋亡等生理過程中占有一定地位。

同樣HH通路在維持多種腫瘤干細(xì)胞的特性中必不可少，常見有乳腺癌、多發(fā)性骨髓瘤、胰腺癌等。有研究顯示，胰腺癌干細(xì)胞HH通路表達(dá)率是胰腺癌細(xì)胞的11倍，是正常胰腺細(xì)胞的43倍［19］。異常活化的HH通路能促進(jìn)血管新生因子VEGF-A［20］的表達(dá)增加，促進(jìn)腫瘤血管的形成。

3.4 PTEN信號(hào)通路 該通路是通過PTEN蛋白產(chǎn)物對(duì)1，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇去磷酸化來減少其在胞內(nèi)蓄積，從而減少AKT激酶、S6激酶、mTOR等下游產(chǎn)物激活發(fā)揮抑癌作用。該通路對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖、分化、粘附、凋亡過程發(fā)揮作用。而當(dāng)PTEN基因缺失時(shí)，通過上述途徑導(dǎo)致AKT激酶等下游產(chǎn)物激活，刺激蛋白質(zhì)合成，下調(diào)G1期p27表達(dá)，從而對(duì)凋亡前因子產(chǎn)生抑制并促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)行。同時(shí)該通路具有使P53蛋白水平升高、活性增強(qiáng)，并使基因組更加穩(wěn)定的作用。當(dāng)PTEN基因失活，下游事件如mTOR通路促進(jìn)蛋白合成、抑制凋亡等發(fā)生，人體正常干細(xì)胞將失去自我維持能力，最終導(dǎo)致癌前病變及腫瘤的發(fā)生。Huang Q等研究發(fā)現(xiàn)在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中存在PTEN基因的丟失［21］，經(jīng)過對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞和腦膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的PTEN mRNA比較后推測(cè)該通路是膠質(zhì)瘤形成始動(dòng)因素。

3.5 JAK-STAT信號(hào)通路 該通路是由細(xì)胞因子介導(dǎo)，具體過程：細(xì)胞因子與酪氨酸激酶相關(guān)受體結(jié)合引起該受體二聚化；與受體偶聯(lián)的JAK相互靠近，并經(jīng)酪氨酸磷酸化過程而被活化；進(jìn)而活化的JAK催化受體磷酸化，促進(jìn)STAT的結(jié)合和激活；激活的STAT入核后實(shí)現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。正常情況下，STAT，特別是STAT3受多種因素的控制，使其活化快速而短暫；而在惡性腫瘤細(xì)胞中STAT3處于持續(xù)活化狀態(tài)，通過基質(zhì)金屬蛋白酶類基因的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)降解，有利于腫瘤的侵襲與轉(zhuǎn)移；通過誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤血管的生成；通過對(duì)免疫系統(tǒng)的負(fù)性調(diào)控，有利于腫瘤的免疫逃逸。活化的STAT還參與腫瘤干細(xì)胞的增殖與自我更新能力［22］。

4 針對(duì)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)機(jī)制相關(guān)藥物研制

最新研究發(fā)現(xiàn)［23］，在Wnt信號(hào)通路方面，沙利霉素是最具代表性藥物，其選擇性作用于乳腺癌干細(xì)胞，對(duì)正常干細(xì)胞無明顯作用。其通過對(duì)該通路共受體LRP6磷?；铚头纸庹T導(dǎo)發(fā)揮作用，殺傷效果是紫杉醇的100倍左右。

在Notch信號(hào)通路方面，通過體內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)由奧康制藥開發(fā)的選擇性阻斷劑人源性Notch2/3單抗對(duì)Notch2、Notch3信號(hào)通路具有阻斷作用，目前用于轉(zhuǎn)移或復(fù)發(fā)的實(shí)體惡性腫瘤患者化療臨床前用藥；非選擇性阻斷劑，如：注射封閉肽SAHM1后白血病小鼠體內(nèi)hey1 、hes1下降，抑制病情發(fā)展。在HH通路方面，也有研究發(fā)現(xiàn)該通路與腫瘤干細(xì)胞的生長(zhǎng)及凋亡有關(guān)。腫瘤的生長(zhǎng)是腫瘤干細(xì)胞分裂的結(jié)果。在胰腺癌的治療中，HH抑制劑聯(lián)合吉西他濱治療可使腫瘤持續(xù)性縮??；而Genentech公司研制的vismodegib作為Hh小分子和Smo抑制劑成為進(jìn)展性基底細(xì)胞癌的治療藥物，且被美國(guó)FDA批準(zhǔn)［24］。在PTEN信號(hào)通路方面，發(fā)現(xiàn)制備通路下游底物的拮抗劑可對(duì)腫瘤干細(xì)胞的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制，而對(duì)正常細(xì)胞不產(chǎn)生任何影響。JAK-STAT信號(hào)通路方面，STAT3作為惡性腫瘤治療的新靶標(biāo)，由美國(guó)波士頓生物技術(shù)公司合成的抗腫瘤藥物在臨床Ⅱ期實(shí)驗(yàn)中取得明顯療效。

5 展望

腫瘤干細(xì)胞理論的提出為惡性腫瘤的治療提供了新的視角。腫瘤干細(xì)胞是腫瘤耐藥、轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)的元兇，是造成腫瘤患者病情發(fā)展急劇惡化的根本，從生長(zhǎng)調(diào)節(jié)機(jī)制方面控制腫瘤干細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖是腫瘤治療領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的方法之一。隨著研究的深入，現(xiàn)已掌握一些腫瘤干細(xì)胞的鑒定、分離和培養(yǎng)方法。對(duì)腫瘤干細(xì)胞的代謝過程和信號(hào)通路、更多組織類型的腫瘤干細(xì)胞相關(guān)標(biāo)記物、腫瘤干細(xì)胞耐藥性和放射抵抗性等方面還需進(jìn)一步的深入研究。

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杭州市科技局資助項(xiàng)目（20130733Q38）

310053 浙江中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院（雷艷敏）310015 杭州市第二人民醫(yī)院（黃常新）*通信作者