肿瘤形成的基本理论

肿瘤形成的基本理论陈莉南通大学基础医学院肿瘤(tumor，neoplasm)是一类常见病、多发病，其中恶性肿瘤是目前危害人类健康最严重的一类疾病。在欧美一些国家，癌症的死亡率仅次于心血管系统疾病而居第二位。在我国，随着人口的老龄化，肿瘤的发病率和死亡率都有增加。继心血管疾病之后，肿瘤是另一威胁人类健康和生命的主要疾病。在世界范围内，至少有l／3的人在其一生中患上肿瘤；肿瘤是1／4的男性和l／5的女性的死亡原因。据我国1998年全国卫生事业发展情况统计公报的资料，城市地区居民恶性肿瘤死亡率居死因第一位，为139.28／10万，男性为166．92／10万，女性为109．99／10万。农村地区居民恶性肿瘤死亡率居死因第三位，为105．57/10万，男性为133．02/10万，女性为77．76／10万。我国最为常见和危害性严重的肿瘤按照死亡率排列为胃癌、肝癌、肺癌、食管癌、大肠癌、白血病及淋巴瘤、子宫颈癌、鼻咽癌、乳腺癌等。目前提出的有关肿瘤形成的基本理论：1、肿瘤是一种基因病；2、肿瘤是瘤细胞单克隆性扩增的结果；3、原癌基因的激活和(或)肿瘤抑制基因的失活；4、肿瘤是一个长期的、分阶段的、多种基因突变积累的过程；5、肿瘤的发生是免疫监视功能丧失的结果。肿瘤的基本特征一、肿瘤细胞的基本特征----异型性肿瘤实质（parenchyma）——肿瘤细胞决定肿瘤的生物学特征，确定其良恶性识别肿瘤组织起源（histogenesis），肿瘤分类、命名与诊断。癌细胞表型的改变通常与其基因型的改变相一致，含有异常畸变或数量不等的染色体；在显微镜下，癌细胞表现出快速异常失控性生长的特征，表现异型性。二、肿瘤肉眼形态大小、色泽、部位、速度、外形、硬度三、肿瘤间质（mesenchyma，stroma）循环血液成分（水、血浆蛋白和各类不同数量的炎细胞）结缔组织和血管、淋巴管、骨、软骨等。细胞间质中大分子物质（如胶原蛋白等）。肿瘤细胞生存的微环境。营养支持肿瘤实质；调节瘤细胞与宿主细胞之间液体、气体及细胞等物质交换；肿瘤浸润的屏障。上皮性肿瘤基底膜在肿瘤发生浸润时常有基底膜断裂、不完整和缺失。尽管肿瘤间质成分基本相同，但不同肿瘤间质在数量上表现有很大的差别，如硬癌、胰腺癌、胃癌，其间质成分可以占肿瘤的90%以上，相反如乳腺髓样癌，除有大量淋巴细胞外，其它间质成分很少。四、肿瘤的生物学行为----异质性恶性肿瘤异质性（heterogeneity）：肿瘤含细胞表型不尽相同的细胞亚群，后者在细胞增殖率、形态、核型、细胞表面标记物、生化代谢、浸润转移能力以及对化疗、放疗等方面的反应均不一致。由于肿瘤异质性使瘤细胞亚群虽然是同一转化细胞克隆的后代，但在细胞繁殖过程中形成了具有不同生物学特点的亚克隆，例如2/3的肺癌中常有2种或2种以上癌细胞表型，甚至同一细胞中有鳞和腺二种分化现象。肿瘤分化越低，异质性越明显。第一节肿瘤是多步骤发生、多基因突变的演进性疾病参与细胞生长调控的蛋白质大致分为5类：生长因子(growthfactors，GFs)、生长因子受体(growthfactorreceptorGFR)、细胞内信号转导子(intracellularsignaltransducers)、细胞核转录因子(nucleartranscriptionfactor)细胞周期蛋白质(cellcycleprotein)。在细胞生长、复制的过程中，可能随机地存在着破坏细胞生长、分裂调控机制的基因突变。如果这种突变发生，所产生的是“基因受损(genedamage)”的子细胞，当“基因受损”不断累积，细胞将失控性增长与分裂，显示其异质性的生物学行为。这些不是简单地源于失控性的细胞生长，而是来自细胞演化过程中参与细胞生长调控的蛋白质的紊乱。肿瘤病因和多步骤发生、多基因突变的演进性机制单个的基因改变尚不足以造成细胞的完全恶性转化。要使得细胞完全恶性转化，需要多个基因的改变，包括几个癌基因的激活，两个或更多肿瘤抑制基因的失活，以及凋亡调节和DNA修复基因的改变。所谓肿瘤是一类“多基因疾病”，包括三层含义，①肿瘤的发生源于遗传物质或基因的改变(geneticchanges)；②这种改变是多步骤(multistep)完成的；③所有的基因变化最终导致细胞的失控性生长。第二节肿瘤的遗传易感性目前发现不少常见肿瘤有家族史，如乳腺癌、胃肠癌、食管癌、肝癌、鼻咽癌、白血病、子宫内膜癌、前列腺癌、黑色素瘤等。根据遗传学原理，当某一特定的疾病以可预测的方式在家系内传递时，一定存在着遗传缺陷。然而这一观察结果却引出了一些复杂的问题：亲代的某一遗传学缺陷是通过生殖细胞传给子代的，理应存在于子代的每一个细胞中，为何子代体内仅一处或几处发生肿瘤，而不是全身?家族集聚性肿瘤的存在是否提示更为常见的散发性肿瘤也具有遗传学基础?抑或散发性肿瘤与家族集聚性肿瘤各具完全不同的发生机制?“二次打击学说”1971年，Knudson提出了“二次打击学说”(Knudson’stwo—hittheory)以回答上述问题。他以一种多发生于6岁以下儿童的视网膜恶性肿瘤为研究对象。Knudson注意到，肿瘤有时发生于双眼，但大多发生于单眼；于双眼发生肿瘤的儿童，往往其近亲也患有此病。统计学分析发现，双眼发病年龄早于单眼发病者。视网膜母细胞瘤的发生是不同时间发生的两种细胞缺陷所致，双眼患者的第一种细胞缺陷来自亲代遗传并存在于患者体内所有细胞中；而单眼患者的第一种细胞缺陷源自发育过程，且仅存于视网膜细胞中。无论在单眼或双眼患者，在第一种细胞缺陷的基础上，须加上“独立的”第二种细胞缺陷，视网膜母细胞瘤才会发生。所谓“打击”，即是对基因或DNA的损伤。反复的多次打击(multihit)。不同的肿瘤可能有不同遗传传递方式。真正直接遗传的肿瘤只是少数不常见的肿瘤，遗传因素在大多数肿瘤发生中的作用是对致癌因子的易感性或倾向性。一些癌前病变，如结肠多发性腺瘤性息肉病、神经纤维瘤病等，它们本身不是恶性肿瘤，但恶变率极高，100％的结肠家族性多发性腺瘤性息肉病的病例在50岁以前发生恶变，成为多发性结肠腺癌。这些肿瘤和癌前病变都属单基因遗传，以常染色体显性遗传的规律出现。发生遗传性基因突变或缺失的都是肿瘤抑制基因，例如Rb、P53、APC等。这类肿瘤的发生需要二次突变(常染色体遗传肿瘤的隐性发病)。其特点为早年(儿童期)发病，肿瘤呈多发性，常累及双侧器官。累及DNA修复基因：Bloom综合征(先天性毛细血管扩张性红斑及生长发育障碍)时易发生白血病及其他恶性肿瘤；毛细血管扩张性共济失调症患者多发生急性白血病和淋巴瘤；着色性干皮病患者经紫外光照射后易患皮肤基底细胞癌、鳞状细胞癌或黑色素瘤。以上三种遗传综合征均。累及p53基因Li—Fraumeni综合征患者易发生肉瘤、白血病和乳腺癌。结肠腺瘤易发生结肠癌等抑癌基因在遗传学上属隐性基因(癌基因是显性基因)，生物学特征是抑制细胞增殖。抑癌基因的隐性遗传学特征使一对等位基因中的任何一个基因的丢失或破坏，都不足以使其抑制细胞增殖的功能失活，因另一个等位基因的完好仍能产生抑癌基因产物，并发挥其功能；只有一对等位基因全遭丢失或破坏，才能使其抑制细胞增殖的功能丧失。这一发现强有力地支持了Knudson的“二次打击学说”，也说明肿瘤的发生是由于一个等位基因的结构破坏或功能丧失和接踵而至的另一个等位基因功能减弱或结构受损的结果。事实上遗传因素与环境因素在肿瘤发生中起协同作用，而环境因素更为重要。决定这类肿瘤的遗传因素是属于多基因的。第三节肿瘤的克隆演化理论和干细胞学说一、肿瘤细胞的单克隆增生20世纪80年代末，科学家们推测，原癌基因和抑癌基因在同一细胞内的先后突变是肿瘤发生的原因。肿瘤的发生、发展果然是一个细胞克隆演化的过程。首先，一个细胞有了一个基因突变，使其能在一般正常细胞不足以分裂的条件下进行分裂，继而子代细胞也有了同样的不正常分裂能力，使分裂继续下去；随后，细胞群中又有某一个再次发生基因突变，使其生长、分裂的能力进一步加强；如此，最终发展成为恶性肿瘤细胞。从而使“二次打击学说”上升为“克隆演化理论”(clonalevolutiontheory)，或“多步骤理论”(multisteptheory)。1990年Fearon和Vogelstein提出了结直肠癌发生的基本模式：遗传改变的潜在序列为体细胞的生长提供了有利条件，使它们成为了肿瘤中的优势细胞，谓之克隆扩张。绝大多数结直肠癌发生的起始步骤是粘膜细胞内的APC基因突变，起动细胞克隆形成粘膜增生，继之发生DNA甲基化状态(DNAmethylation)改变，使之极易发生另外突变。二、肿瘤干细胞学说1、干细胞的概念干细胞(stemcells)是一类未分化的原始细胞，其两大生物学特性为：多潜能分化能力和自我更新能力。当干细胞分裂时，一个子细胞完全地复制成母细胞，而另一个子细胞则分化成熟，发展成特异组织的体细胞。几乎每种组织都有自己特异的干细胞，持续存在且数量很少，当组织老化或病变损伤时，这些细胞增殖分化，替代修复原有细胞。肿瘤细胞的生长繁殖和干细胞之间有许多惊人的相似之处，从而提出了肿瘤干细胞(Tumorstemcells)学说。2、肿瘤干细胞学说的理论基础为：⑴细胞发生癌变必须累积许多突变，一般体细胞寿命较短，经数个周期的分裂生长就进入正常的程序化死亡，无法累积众多的突变；只有干细胞才可能长时间存活，从而可以接受所有的导致肿瘤的突变。⑵干细胞几乎无限的自我更新为发生基因突变提供了较多的可能。⑶肿瘤与干细胞一样，具有分裂增殖、迁移、再生长的能力。⑷肿瘤组织中仅有极小部分细胞(干细胞)能通过接种、培养或转移等方式形成新的肿瘤。3、干细胞与肿瘤自肿瘤干细胞理论建立以来，从最早的血液系统肿瘤干细胞到最近的实体性肿瘤，如肺癌与其他肿瘤干细胞的确定，这一理论得到了有力的证实。不同类型肿瘤干细胞的发现时间与文献发现时间肿瘤干细胞文献1994白血病干细胞Blood2003脑胶质瘤干细胞CancerResearch2003乳腺癌干细胞PNAS2005肺癌干细胞Cell2005肝癌干细胞国际肝癌会议4、肿瘤干细胞的特征（1）必然具备一定的正常组织干细胞的特征或标志，（2）存在其特有的分化增殖倾向（3）该组织的肿瘤特征如胰腺肿瘤干细胞的标志分子可能为PDX—1，Ptf—1等，同时也可能表达一些干细胞共同的表面分子，如CD34，CD44等。基于肿瘤的突变性质，胰腺肿瘤干细胞也有可能表达胰腺癌高表达的一些产物分子，如k—ras或Ki—67等。因此寻找肿瘤干细胞在一定程度上依赖于的正常组织干细胞的细胞特征。长期慢性炎症与癌发生密切相关，可能的机制为炎症使细胞因子的释放，促炎症的转录因子上调，导致大量氧自由基的堆积，这些介质可引起实质细胞，包括潜在的干细胞中DNA的损伤，抑癌基因功能丢失，癌基因过度表达，和促进细胞周期的基因上调，导致细胞异常增生，进尔肿瘤发生。5、意义肿瘤干细胞理论为肿瘤治疗提供了新的模式：这一模型跳出以往一味从基因水平来研究肿瘤的框架，从单个细胞水平来理解肿瘤形成机制和生物学特性。为正确理解肿瘤复发、转移机制、评价预后提供了理论基础，提供干细胞水平的治疗靶点。第四节癌基因首先要指出的是，原癌基因、癌基因，肿瘤抑制基因等名称，实际上是对细胞生长、分化起正向或者反向调节的基因。在保持机体的正常功能方面起重要的作用。如果发生异常改变，则可能引起细胞的转化和肿瘤的发生。肿瘤的发生发展本质上是细胞原癌基因的激活和抑癌基因的失活和DNA错配修复缺陷造成的一、原癌基因、癌基因及其产物现代分子生物学的重大成就之一。1970年Bishop，Varmus及同事们在研究鸡肉瘤病毒(Roussarcomavirus，RSV)时，发现RSV所携带的src基因能够使正常细胞转化为肿瘤细胞；随后发现src基因亦存在于人类的正常细胞。进一步研究表明，生物界有一类在长期的进化过程中被保留下来的高度保守基因，调控着正常细胞的生命活动，包括细胞增生、生长因子信号传递、细胞周期进展、细胞存活以及DNA转录等。一