腫瘤干細胞的放射抗拒相關機制研究進展▲

陳凱華 陳 莉 朱小東

(廣西醫科大學附屬腫瘤醫院放療科，南寧市 530021)

【提要】 放射抗拒是導致腫瘤放射治療預后不良的原因之一，而放射抗拒可能與腫瘤干細胞(CSC)的存在有關。CSC是一組極少數的增殖特性失控、能夠自我更新、多向分化、具有干細胞特性的腫瘤細胞，它們對放射治療和其他腫瘤治療存在抗拒性。CSC逃避輻射殺傷的機制主要包括DNA損傷修復、活性氧清除、抗凋亡途徑激活、腫瘤微環境調節及細胞處于靜止期等幾個方面。本文就CSC導致惡性腫瘤放射抗拒的潛在機制進行綜述，為探討靶向殺傷CSC的放射增敏療法提供一些思路。

隨著調強放射治療、立體定向放射治療等精確放射治療技術的普及，放射治療成為治療惡性腫瘤的主要手段之一。雖然放射治療在腫瘤治療中的療效和地位突出，但是仍存在對放射治療不敏感或表現出放射抗拒的情況，而放射抗拒是導致腫瘤放射治療預后較差的原因之一[1-2]。近年來有學者認為，腫瘤放射抗拒、復發及轉移可能與腫瘤干細胞(cancer stem cell，CSC)有關[3-4]。CSC是一組極少數的增殖特性失控、能夠自我更新、多向分化及具有干細胞特性的腫瘤細胞[5-6]，它們可在放射治療和其他腫瘤治療手段下存活[7-8]。本文就CSC導致惡性腫瘤放射抗拒的潛在機制進行綜述，為尋找靶向殺傷CSC的腫瘤放射增敏療法提供一些思路。

1 CSC的定義

美國癌癥研究協會(American Association for Cancer Research，AACR)將CSC定義為腫瘤內的一組細胞亞群，其具有自我更新能力并且能夠產生異質性腫瘤細胞[6]。CSC具有與正常干細胞相似的特征，可以產生特定腫瘤中所有類型細胞[9]。早在1937年，Furth研究團隊[10]將單個小鼠白血病細胞種植到同系正常小鼠內，發現僅有5%的細胞種植成功，提示腫瘤組織中存在CSC。直到1997年，Bonnet等[11]首次在急性髓性白血病中發現CSC。迄今為止，除了在血液腫瘤動物模型中可以鑒定出CSC，在多種人類實體腫瘤中也可以分離鑒定出CSC[12-13]。

2 CSC放射抗拒的機制

鑒于CSC具有細胞無限分裂的潛能[6]，意味著腫瘤在過程中需要滅活CSC才能永久根除腫瘤。越來越多證據表明，CSC與腫瘤出現放射抗拒有關[14-16]。Krause等[14]認為，CSC通過多種機制介導腫瘤產生放射抗拒。由于CSC具有放射抗拒性，目前的放射治療不能徹底殺滅腫瘤細胞，最終導致腫瘤復發和轉移。因此，探索CSC潛在的放射抗拒相關機制，可為靶向殺滅CSC、減少放射抗拒、提高腫瘤的放射治療療效提供參考。目前，相關研究主要從DNA損傷修復、活性氧清除、抗凋亡途徑的激活、腫瘤微環境(tumor microenvironment，TME)調節及細胞靜止期等方面闡述CSC放射抗拒的發生機制。

2.1 DNA損傷修復 DNA損傷修復是生物細胞內的DNA分子受到損傷后，在多種酶的作用下恢復結構的過程。腫瘤的發生與DNA損傷和修復密切相關，人類的大多數致癌過程是由受損DNA的低效修復介導的[17]。在放射治療過程中，射線通過攻擊細胞核中的DNA使其堿基損傷、單鏈或雙鏈斷裂，從而對腫瘤細胞產生直接的殺傷作用，DNA雙鏈斷裂被廣泛認為是腫瘤細胞被靶向殺傷的主要原因[18]。既往研究證實，實體腫瘤中的CSC亞群具有較高的DNA修復能力[19-22]。Desai等[19]研究發現，從肺癌細胞株A593中分離出的CD133+細胞顯示出放射抗拒性，其DNA雙鏈斷裂修復能力強，且DNA修復基因表達上調；而沉默DNA修復基因Exo1和Rad51可使CD133+細胞的放射敏感性增強，說明抑制DNA修復可使放射敏感性增強。乳腺癌相關研究表明，上皮-間質轉化誘導轉錄因子ZEB1可以誘導Chk1基因去泛素化，從而促進同源重組依賴性DNA修復和腫瘤細胞放射抗拒的產生，且干擾乳腺癌細胞株SUM159中ZEB1和Chk1的表達均能增強其放射敏感性，因此，上皮-間質轉化與乳腺癌CSC的特征密切相關[20]。Wang等[21]研究發現，鼻咽癌干細胞樣亞群PKH26+細胞具有放射抗拒性，該細胞亞群的原癌基因c-MYC過表達可導致Chk1和Chk2的表達增加，隨后激活DNA損傷-檢查點反應機制從而引起放射抗拒性；干擾Chk1和Chk2表達可在體外和體內增加PKH26+細胞的放射敏感性。Bao等[22]研究發現，從原發性膠質母細胞瘤樣本中分離出的CSC可優先激活DNA損傷檢查點以抵抗輻射，從而更有效地修復輻射誘導的DNA損傷；使用Chk1和Chk2檢查點激酶的特異性抑制劑可逆轉膠質母細胞瘤CSC的放射抗拒性。因此，DNA 損傷相關修復機制可能是CSC修復輻射損傷的重要機制，一些關鍵的信號節點(如Chk1和Chk2等)或可作為增加腫瘤放射治療敏感性的靶點。

2.2 活性氧清除 活性氧是細胞代謝過程中形成的一類單電子還原產物,具有壽命短且極不穩定等特點，主要包括超氧陰離子、過氧化氫、羥基自由基和一氧化氮等。細胞接受射線照射時，輻射能量可直接損傷DNA，自由基(如活性氧等)也可間接損傷DNA從而導致細胞死亡[23]。細胞內活性氧是導致腫瘤細胞輻射后凋亡的關鍵因素，而低水平活性氧是腫瘤細胞產生放射抗拒的主要原因之一[24]。有學者發現，通常正常干細胞和CSC的活性氧水平均較低[25-26]。因此，清除或降低活性氧水平也被認為是CSC減少凋亡以逃避輻射殺傷的一種機制[27-30]。Kim等[27]的研究表明，利用無血清培養基培養獲得的前列腺癌細胞球(CSC)比貼壁細胞(普通腫瘤細胞)含有更多的低至中等活性氧水平的細胞。該研究還證實前列腺癌CSC的放射抗拒機制除與DNA損傷修復能力強有關外，還與活性氧呈低水平的細胞對輻射損傷的低易感性有關。在部分人和小鼠乳腺癌中，CSC的活性氧水平比對應的非致癌性腫瘤細胞更低，下調細胞內的抗氧化劑谷胱甘肽后，可增加CSC的放射敏感性[28]。Lagadec等[29]也發現，乳腺癌CSC可通過表達高水平的自由基清除因子(如Foxo轉錄因子家族、谷胱甘肽系統的關鍵酶及過氧化氫酶等)來逃避輻射。Li等[30]研究發現，經抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸處理過的頭頸癌細胞表現出放射抗拒，且CD44+亞群細胞比例增加，表明較低的活性氧水平可以增強放射抗拒性及干細胞特性。綜上所述，由于活性氧在輻射誘導的細胞死亡中具有重要作用，因此有理由認為上調CSC中的活性氧水平可改善CSC的放射敏感性，從而提高腫瘤放射治療的療效，這也為通過提高活性氧水平或使用活性氧清除劑來降低腫瘤放射抗拒提供理論依據。

2.3 抗凋亡途徑的激活 目前，抗凋亡途徑的激活也被認為是CSC產生放射抗拒的機制之一[31-35]。Kyjacova等[31]通過分割照射的方法獲得一群具有干細胞樣特性的非黏附抗失巢凋亡前列腺癌細胞，該細胞亞群的Notch信號通路被激活并表現出放射抗拒性，而聯合抑制Erk1/2和PI3K-AKT信號通路可下調抗凋亡因子Bcl-XL，從而增強該細胞亞群的放射敏感性。Chang等[32]使用組織學特征與人基底細胞樣乳腺癌相似的抗凋亡基因p53無效的腫瘤模型，然后通過輻射照射，證實了CSC更加具有細胞凋亡抗性，并且表現出更高的DNA損傷修復活性，這些特點可能有助于它們抵抗輻射殺傷。Yang等[33]通過質粒將EB病毒編碼的潛伏膜蛋白1導入鼻咽癌細胞中，發現潛伏膜蛋白1可以增加CD44的表達，分選得到的CD44+細胞亞群具有顯著的CSC特征及放射抗拒性；探索其原因發現，CD44+細胞亞群中p53磷酸化失活伴隨著p53基因下調，表明在CD44+細胞中p53介導的凋亡途徑失活與放射抗拒性有關。同樣，卵巢癌相關研究顯示，轉錄抑制因子Snail和Slug通過拮抗p53介導的細胞凋亡途徑，可使卵巢癌細胞獲得與CSC相關的表型特征，從而產生放射抗拒[34]。Wang等[35]利用γ-分泌酶抑制劑抑制了膠質瘤CSC的Notch信號通路，使PI3K/AKT信號失活及髓樣細胞白血病1基因表達增多，進而促進了輻射誘導的細胞凋亡，從而使膠質瘤CSC的放射敏感性增強。因此，抗凋亡特性可能是CSC產生放射抗拒的原因之一，激活相關凋亡途徑可能是提高CSC放射敏感性的可選手段。

2.4 TME調節 自1889年英國醫生Stephen Paget提出腫瘤轉移的“種子與土壤”假說以來,越來越多證據表明腫瘤的發展需要腫瘤細胞與微環境的協調。TME即腫瘤細胞的內外環境，包括腫瘤細胞本身、骨髓源性炎性細胞、淋巴細胞、血管、成纖維細胞及細胞外基質等組分[36-37]。TME除了為腫瘤發展提供結構支持，也調節CSC亞群的自我更新、致瘤性(成瘤能力)和轉移潛能[38]。目前，有學者認為CSC的放射抗拒除了與內在機制有關外，可能也與外在的TME有關[39-43]。Wozny等[39]認為，CSC處在缺氧微環境中是頭頸部鱗癌產生放射抗拒的原因之一。在缺氧條件下，頭頸部鱗癌CSC更早表達缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factors，HIF)-1α，抑制HIF-1α表達可增加CSC的放射敏感性。Sun等[40]分選出肺癌細胞A549中CD133+的CSC樣細胞，發現CD133+的CSC樣細胞的HIF-2α水平顯著高于CD133-的CSC樣細胞，且具有明顯放射抗拒性，提示HIF-2α在CD133+的CSC樣細胞中高表達可能導致放射抗拒。CSC位于特定的血管龕內并誘導、重塑和參與TME的形成，以促進CSC自身生存、維持干細胞特性，并抵抗放化療及生物療法[41]。前列腺癌相關研究表明，主要針對TME中細胞膜結合受體(如內皮細胞和周細胞)的分子靶向藥——舒尼替尼可以改善細胞缺氧并抑制血管生成，減少了乙醛脫氫酶陽性的CSC樣細胞的數量，并增強這些細胞的放射敏感性[42]。Hambardzumyan等[43]研究發現，接受輻射照射后的髓母細胞瘤的分裂細胞發生了p53依賴性凋亡，但血管周圍壁龕中巢蛋白陽性的CSC在輻射后6 h內細胞周期暫停，而在輻射后72 h細胞周期重新啟動，提示這些CSC可能是腫瘤復發的責任細胞。由此可知，研發針對TME的抗腫瘤手段，如靶向血管龕治療或提高TME含氧量以破壞CSC的“宜居”環境，或可消滅CSC，從而提高腫瘤的放射治療敏感性。

2.5 細胞處于靜止期 細胞周期是指細胞從一次分裂完成到下一次分裂結束所經歷的全過程。細胞周期的調節可通過阻滯G1期實現，細胞處于阻滯狀態即為靜止期(G0期)。電離輻射能更有效地清除快速分裂、增殖的腫瘤細胞，但靜止期細胞對電離輻射不敏感，其能保持自身完好性，導致腫瘤的再生[44]。由于大多數的CSC都處于細胞周期的靜止期，這可能是其對輻射并不敏感的另一原因[45-46]。Pawlik等[47]認為，CSC處于靜止期和CSC可塑性是癌癥治療的主要挑戰。細胞在G2/M期對射線的敏感性最強，在G1期較不敏感，在S期后期最不敏感[48]。在臨床實踐中，劑量分割可以將放射抗拒的S期腫瘤細胞重新調整至對放射更敏感的階段(如G2/M期)[2]。但另一方面，腫瘤細胞暴露于電離輻射等可引起DNA損傷的環境中，G2/M期可出現明顯停滯[49]。在腫瘤放射治療過程中，CSC可發生加速再群體化[46]。Pajonk等[50]認為，CSC通過再群體化和細胞周期再分布機制獲得放射抗拒特性。田允鴻等[51]研究發現，乳腺癌CSC的放射抗拒可能與G2期阻滯有關。因此，尋找激發CSC重新進入正常的細胞周期的方法，也將是消除CSC放射抗拒性的手段之一。

3 小結及展望

CSC的放射抗拒特性是導致腫瘤治療失敗的重要原因之一，滅活CSC有望解決臨床上腫瘤復發及轉移等瓶頸問題。放射治療作為治療惡性腫瘤的重要手段，如何提高其對CSC的殺傷作用以改善腫瘤治療效果顯得尤為重要。目前研究認為，CSC逃避輻射殺傷的機制主要包括DNA損傷修復、活性氧清除、抗凋亡途徑的激活、TME調節、細胞處于靜止期等幾個方面。因此，可以考慮從以下幾個方面針對如何靶向殺傷CSC進行更深入研究：一是靶向作用CSC的DNA修復關鍵信號節點或激活相關凋亡途徑；二是提高腫瘤細胞中的活性氧水平，人為創造不利于CSC生存的足氧TME；三是激發CSC重新進入正常的細胞周期。綜上，CSC導致腫瘤細胞產生放射抵抗的機制錯綜復雜，未來仍需更多研究進一步證實。隨著相關研究的不斷深入，將會為提高腫瘤細胞的放射敏感性、控制腫瘤復發及轉移找出突破點。