骨髓間充質干細胞在腫瘤發生及治療作用中的研究進展

胡星遙,孫慧娟,朱 靜,張 潔,尚廣彬

(江西中醫藥大學江西省中醫病因生物學重點實驗室,中國江西南昌330004)

骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)是從骨髓基質干細胞中提取的,源于中胚層的,具有分化潛能的細胞亞群[1]。正常情況下,BMSCs在造血微環境中為各種血細胞及前體細胞的增殖分化提供支持作用,并參與造血所需的正弦網絡模型的發展、穩定和維護[2]。BMSCs的多向分化潛能及趨向性,使之在腫瘤發生發展不同階段發揮不同的作用,既可以成為腫瘤微環境中的重要細胞組分,促進腫瘤惡化、轉移,又可以改善腫瘤微環境,抑制腫瘤發生發展。隨著腫瘤精準治療和腫瘤免疫療法的日漸發展,BMSCs被看作是基因治療和免疫治療細胞載體所衍生的藥物導彈,在腫瘤治療中的地位日漸提高,這將是抗癌領域極具希望的治療策略,值得持續關注和進一步研究。

1 BMSCs的生物學特性

BMSCs的生物學特性主要可以歸納為以下四點。首先,BMSCs是具有多向分化潛能的干細胞。目前,國內外已經建立了小鼠、大鼠、兔和人的骨髓間充質干細胞系,在合適條件的刺激下其可誘導分化為軟骨細胞、成骨細胞、肝樣細胞、髓核樣細胞、心肌細胞、脂肪細胞和神經細胞等多種組織細胞[3]。其次,BMSCs容易獲取不易丟失,且具有體外增殖的潛能[4]。第三,BMSCs通過不表達或者低表達某些T淋巴細胞的因子來減少免疫反應[5]。其免疫表型的陽性表達主要有CD13、CD29、CD44、CD73、CD90、CD105 和 CD133,陰性表達主要有 CD14、CD19、CD34、CD45、CD11b 和 CD79a[6～7]。第四,在特定的病理條件下,BMSCs可向病灶部位定向趨化遷移。研究表明,移植后的BMSCs也可以向損傷部位主動趨化遷移[8]。在腫瘤疾病中,BMSCs的這種特性亦然存在,Sonabend等[9]首次證實了BMSCs的腫瘤趨向性：把外源性的人骨髓間充質干細胞注入神經膠質瘤大鼠體內后,可觀察到BMSCs向腫瘤組織的遷移。

2 BMSCs對腫瘤發生發展的影響

BMSCs對腫瘤的趨向性指的是：分布在骨髓內或經移植進入腫瘤外的組織及血管中的BMSCs對腫瘤具有廣泛的定向遷移能力[10],目前這種腫瘤趨向性的具體機制尚未完全闡明。BMSCs到達腫瘤部位后的影響可分為3種：1)抑制腫瘤生長、轉移；2)促進腫瘤生長、轉移；3)對腫瘤生長、轉移的作用還沒有定論,可能存在促進作用,也可能是抑制作用。

2.1 BMSCs對肺癌發展的影響

相關研究表明BMSCs能增強肺癌細胞的遷移和侵襲能力。一方面,在肺鱗癌中BMSCs能分化為肌成纖維細胞參與肺癌間質的形成；另一方面,BMSCs可以通過改變細胞形態和降低細胞連接來促進肺癌細胞轉移[11]。劉仁旺等[12]報道,在BMSCs和腫瘤細胞的體外混合培養或體內注射實驗中,當BMSCs細胞所占比例較大時,實驗現象更多的是對肺癌生長的促進作用。與之相反,Tian等[13]研究表明人骨髓間充質干細胞可以抑制肺癌細胞株A549的增殖和侵襲,使肺癌細胞停滯于G1期,并可在體外誘導腫瘤細胞凋亡。由此看來,BMSCs對肺癌細胞的作用尚未定論,這種不確定性與實驗的不同材料和方法有一定關系。

2.2 BMSCs抑制肝癌發展

BMSCs對高轉移潛能肝癌的抑制作用具有時效性。相關研究表明,BMSCs對高轉移潛能肝癌動物模型的干預效能在其移植后的第3周達到最佳,但是隨著時間的延長,這種抑制效能會有所減弱[14]。

BMSCs對低轉移潛能肝癌的抑制作用與腫瘤細胞的凋亡水平相關。通過研究BMSCs對人低轉移潛能肝癌細胞(MHCC97-L)生長的影響,人們發現BMSCs干預后轉移相關因子骨唾液蛋白(bone salivary protein,BSP)、骨橋蛋白(osteopontin,OPN)和整合素(integrinαⅤ)的表達都低于干預之前,而促凋亡相關因子caspase 3和Bax的表達則呈現出增高趨勢,同時抗凋亡因子Bcl-2的表達呈下降趨勢。這表明BMSCs能夠通過調控轉移相關因子、促凋亡相關因子和抗凋亡相關因子的表達,最終實現對腫瘤生長的抑制作用[15]。

肝癌是我國常見的高發惡性腫瘤,目前,肝癌治療中最有效的途徑是手術切除,但是對于不能進行手術切除以及術后恢復不佳的病人,則需要更好的治療方法[16]。BMSCs應用于肝癌的治療十分有前景,近年來有關BMSCs治療肝癌的研究報道較多。相關研究表明BMSCs通過肝癌大鼠尾靜脈注射后,可以從mRNA水平到蛋白質水平逆轉肝癌細胞的狀態[17]。雖然,這種逆轉可能不會使肝細胞完全恢復到正常狀態,但是,這種方法卻為不能進行肝癌切除術的患者提供了另一種治療手段。由此看來,明確BMSCs與肝癌之間的作用機制,對肝癌臨床治療方案的優化很有意義。

2.3 BMSCs促進胃癌發展

有學者認為,骨髓間充質干細胞是胃癌細胞的起源之一[18～21]。Houghton 等[22]研究發現 BMSCs在前期階段能夠靶向遷移至胃黏膜的受損位置,參與損傷修復,但后期BMSCs的失控性增生會改變其生存環境,使胃黏膜產生腸化或癌腫,從而形成胃上皮癌。

BMSCs能促進胃癌細胞的生長。研究報道,BMSCs可以通過 SDF-1α/CXCR4(stromal cell-derived factor-1α/C-X-C chemokine receptor type 4)-PI3K(phosphatidylinositol 3-kinase)/Akt信號通路,促進 KATO-Ⅲ胃癌細胞CD133 mRNA的表達,提高其增殖能力、侵襲轉移能力,并降低其對抗腫瘤藥物的敏感性,同時調控細胞上皮-間充質轉化(epithelial mesenchymal transition,EMT)相關因子的表達[22]；BMSCs能夠促進SGC7901胃癌細胞的生長,具體作用機制可能涉及參與改造腫瘤微環境和增強腫瘤細胞活性,表現為BMSCs能通過接觸腫瘤細胞以及分泌細胞因子提高腫瘤細胞的轉移能力[22]。此外,有研究指出,BMSCs促進胃癌發展可能與其分泌的外泌體中含有的miR-15b、miR-16有關[23]。以上信息提示,以 BMSCs分泌的外泌體為切入點,深入研究BMSCs促進胃癌發展的機制是一個有前景的方向。

BMSCs可以與胃癌微環境相互影響。位于胃癌腫瘤微環境中的BMSCs,為了適應胃癌的腫瘤微環境,其生物學特性也隨之發生了改變[24]。研究發現,胃癌腫瘤微環境改變后,身處其中的BMSCs不僅能發生惡化,而且具有體內致瘤的能力[25]。研究表明BMSCs與胃癌組織的發展有顯著的相關性,BMSCs在胃癌微環境的誘導下能向胃癌細胞分化,并能影響其表面重要標志物CD34和CD44的表達[26]。由此看來,BMSCs與胃癌細胞可以通過腫瘤微環境互相影響,但腫瘤微環境中的物質極其復雜,目前尚不知道兩者間確切的作用機制。

2.4 BMSCs對其他腫瘤發展的影響

相關數據分析表明2015年中國居民死亡率最高的5種癌癥依次為肺癌、肝癌、胃癌、食道癌和結直腸癌[27]。BMSCs對肺癌、肝癌、胃癌以外其他腫瘤的影響也各不相同[28～36],具體如表1所述。

綜上所述,BMSCs對不同種類腫瘤的影響不同,其原因可能有以下幾點：1)受各種因素影響的骨髓間充質干細胞和腫瘤微環境之間存在相互作用,在這種相互作用下BMSCs在體內、體外實驗中對腫瘤的影響可能會出現截然不同的結果；2)與腫瘤發生發展的時間有一定相關性,BMSCs對腫瘤影響可能存在前期抑制、后期促進的作用；3)和腫瘤類型有關,不同腫瘤細胞有各自的特異性,BMSCs作用于不同的腫瘤細胞會發揮出不同的效應,影響腫瘤發展；4)受BMSCs和腫瘤分泌的各種因子的影響,BMSCs對腫瘤的影響呈現出不同的效果。

3 BMSCs影響腫瘤形成的機制探討

腫瘤形成過程中,腫瘤細胞的生長離不開腫瘤微環境中BMSCs的持續作用,它能夠影響腫瘤細胞生長的狀態、腫瘤血管生成的情況、腫瘤轉移能力的強弱[37]等多個方面。

3.1 BMSCs在腫瘤細胞生長中的作用

研究表明,BMSCs能夠參與腫瘤微環境的改造,其向腫瘤組織趨化后能和腫瘤間質進行融合,然后分化成有內皮細胞特征的細胞,最終轉變成為肌纖維母細胞,但腫瘤細胞表面的抗原并不改變[37]。相關的體內外實驗表明,BMSCs與腫瘤細胞共培養或在體內暴露于腫瘤微環境時能夠表達腫瘤相關成纖維細胞(tumor-associated fibroblasts,TAFs)抗原,例如平滑肌蛋白、成纖維細胞特異性蛋白、波形蛋白(vimentin)以及基質細胞衍生因子1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)[38]。研究顯示BMSCs能增加乳腺癌、神經膠質瘤、胰腺癌的腫瘤細胞活力以及減少細胞凋亡,將BMSCs重復暴露于新鮮的腫瘤條件培養基中,BMSCs能夠分泌出活化因子,使得SDF-1持續高表達,同時TAFs相關基因上調,從而促進腫瘤生長[39]。

BMSCs在某些腫瘤細胞中存在抑制其生長的作用。研究表明,BMSCs能使小細胞肺癌細胞、慢性粒細胞白血病細胞等腫瘤細胞停留在細胞周期的G1期,抑制其生長[40]；另外,BMSCs作用于肝癌后,可減弱腫瘤細胞的增殖能力,使其集落形成減少,同時增加凋亡,這可能和Wnt通路相關[41]。

表1 BMSCs對食道癌、結直腸癌等腫瘤的影響Table 1 Effects of BMSCs on tumors such as esophageal cancer and colorectal cancer

3.2 BMSCs在腫瘤血管生成中的作用

目前BMSCs影響腫瘤血管生成的機制還不完全清楚。相關研究報道,趨化到腫瘤組織的BMSCs可以分化成血管內皮細胞、腫瘤相關成纖維細胞、周細胞,進而促進腫瘤血管的生成；同時,腫瘤細胞能夠分泌細胞因子,通過旁分泌作用于遷移的BMSCs,從而使其促進腫瘤血管的生成[42]。已有研究顯示,BMSCs分泌的血小板源性生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)、半胱氨酸蛋白 61(cysteine-rich protein 61,Cyr61)、SDF-1等在腫瘤血管的生成中發揮了促進作用[43]。

BMSCs對腫瘤血管生成的調節,可能涉及多種信號分子和通路。Menge等[44]報道BMSCs通過調節人血管內皮鈣粘蛋白/β-連環蛋白(VE-cadherin/β-catenin)信號通路來影響血管內皮的通透性和連接,從而抑制內皮細胞的增殖和腫瘤血管的生成。另有研究發現通過抑制AKT信號通路,BMSCs可以抑制卡波氏肉瘤血管的生成[45]。

3.3 BMSCs與腫瘤侵襲轉移

研究報道,細胞衍生因子、外界和腫瘤的微環境、外源轉染基因以及某些藥物等是促進BMSCs遷移的因素,能促進腫瘤細胞的遷移；而與BMSCs相關的細胞功能改變、趨化因子則是抑制BMSCs遷移的因素,能抑制腫瘤細胞的遷移[46]。

鄭天亮等[47]報道,BMSCs能和肺癌細胞相互融合,并在一定條件作用下促進肺癌細胞株的侵襲轉移。除此之外,BMSCs可以通過分泌CCL5抑制脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase,PHD)表達,從而促進缺氧誘導因子2α(hypoxia-inducible factor 2α,HIF-2α)表達,導致 AR-HSP90(androgen receptor-heat shock protein 90)相互作用增強,抑制AR核轉位和反式激活,最終促進前列腺癌細胞的轉移[48]。在乳腺癌細胞與BMSCs共培養模型中,BMSCs能促進癌細胞的遷移,而這一過程是由BM SCs分泌的轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、Rho相關激酶(Rho-associated kinase,ROCK)、黏附斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)和基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)介導的[49]。另有報道指出BMSCs在膠質瘤遷移中的作用是由基質金屬蛋白酶-1/蛋白酶活化受體-1(matrix metalloprotease-1/protease-activated receptor-1,MMP-1/PAR-1)介導的[50]。

綜上所述,BMSCs對腫瘤細胞生長、血管生成、轉移能力的影響涉及到了不同炎癥因子、細胞因子和信號通路等的作用,從而對不同腫瘤的發展起到促進或是抑制作用。雖然BMSCs對腫瘤的作用機制并未全部揭曉,但初步研究成果顯著,BMSCs在腫瘤方面的應用也初見療效。

4 BMSCs在腫瘤治療中的應用

4.1 BMSCs在腫瘤基因治療中的應用

由于BMSCs具有容易獲取、容易培養、低免疫原性、易被外源基因轉染并長期表達、腫瘤趨向性等眾多優勢[51],所以BMSCs在腫瘤基因治療中的應用有廣闊的發展前景。近幾年BMSCs在腫瘤基因治療中的應用主要是體外階段[52]。張霞等[53]應用重組腺病毒把白介素12(IL-12)導入BMSCs中,發現修飾后的BMSCs能夠抑制卵巢癌細胞的增殖,并且促進卵巢癌細胞的凋亡。Zhang等[54]報道用Apoptin基因修飾的BMSCs及其條件培養基均能顯著抑制肝癌細胞HepG2的增殖,這為肝癌干細胞治療提供了新的手段。

4.2 BMSCs在腫瘤免疫治療中的應用

BMSCs具有免疫調節作用。研究發現BMSCs可以抑制T細胞(T lymphocyte)的增殖和活化、B細胞(bursa dependent lymphocyte)的活化和抗體分泌、NK細胞(natural killer cell)的活化以及樹突狀細胞的分化和吞噬[55～57]。相關研究證實BMSCs通過抑制PD-1/PD-L1(programmed cell death-1/programmed cell death-ligand 1)途徑的T細胞免疫應答來促進多發性骨髓瘤(multiple myeloma,MM)的細胞增殖；進一步的體內實驗證實,PD-L1抑制可減弱BMSCs誘導的MM生長、炎癥浸潤以及Th1/Th2和Th17/Treg失衡[58]。另外,其他BMSCs相關的免疫調節細胞因子也被檢測出具有抗腫瘤活性。例如：BMSCs的趨化因子CX3CL1(chemokine C-X3-C-motif ligand 1)能抑制黑色素瘤的肺轉移,延長荷瘤小鼠存活率[59]。目前,BMSCs的免疫調節功能已被用于腫瘤的免疫治療研究。有研究報道,表達IL-12的BMSCs可通過激活細胞毒性淋巴細胞和NK細胞改善腫瘤的免疫監測,抑制肺癌、肝癌以及黑色素瘤細胞的轉移,促進腫瘤細胞凋亡[60]。

5 小結

綜上所述,BMSCs和腫瘤的關系錯綜復雜。BMSCs參與并影響腫瘤賴以生存的微環境,影響腫瘤發生、發展；而腫瘤微環境又能改變BMSCs,使其有利于腫瘤細胞自身發展。因為腫瘤微環境與BMSCs之間的關系具有兩面性和不確定性,所以如何有效利用BMSCs來治療腫瘤疾病值得我們密切關注?，F如今BMSCs和腫瘤之間的相互作用機制仍未被完全闡明,亟需不斷深入探索,以找出兩者互相生存依賴之關鍵,為腫瘤疾病防治提供新思路。