肿瘤干细胞的发育调控研究进展

肿瘤干细胞的发育调控研究进展摘要：肿瘤中存在肿瘤干细胞。肿瘤干细胞数目极少，却对肿瘤发生、转移起决定性的作用。肿瘤干细胞是一种特殊类型的干细胞，具备高度增殖能力与自我更新能力，可以多向分化为包括肿瘤细胞在内的各种细胞的子细胞，其结果是维持肿瘤干细胞数目稳定并产生肿瘤。本文介绍了肿瘤干细胞的历史、特征以及与成体干细胞的关系，最后对肿瘤干细胞理论在肿瘤临床的意义进行了初步的阐述。关键词：肿瘤干细胞、发育、调控前言:干细胞是存在于动物和人的一种特殊功能细胞，具有多种分化能力和自我更新能力。干细胞生物学特性包括：(1)全能性或多功能性，干细胞具有分为多种类型细胞的潜能；(2)自我更新能力，干细胞一旦形成，在机体终生都具有自我更新能力，通过不均一分裂进行自我更新和产生分化祖细胞，维持机体组织器官的稳定性。(3)高度增殖能力，对于维持机体正常功能有着重要的作用。肿瘤干细胞(tumorstemcells,TSC)表现为一种特殊类型的干细胞，具备高度增殖能力与自我更新能力，也具备多向分化的潜能。TSC增殖过程中，通过不均一分裂，一个TSC分裂形成一个新的TSC和另一个可最终分化为包括肿瘤细胞在内的各种细胞的子细胞，其结果是维持TSC数目稳定并产生肿瘤。[1]肿瘤干细胞简介定义肿瘤如同人体其他组织，也是由具有不同增殖潜能的异质细胞组成，这些细胞的很小一部分能通过移植产生肿瘤，这一小部分细胞被称为TSC。它有着干细胞的属性即自我更新和分化能力。有学者将其定义为：能分化出不同表型的非致瘤性肿瘤细胞，而且也能自我克隆产生子代致瘤性细胞的肿瘤细胞。细胞起源人体各种组织都存在干细胞，人们根据干细胞分化潜能的不同将干细胞分为：(1)全能干细胞，如胚胎干细胞，具有全能性，可分化发育成机体任何一部分组织器官的能力。(2)多能干细胞，为成人组织干细胞，包括神经干细胞、血液干细胞、骨髓间充质干细胞、表皮干细胞等。能产生出几种不同类型的细胞。(3)单能干细胞，如肝干细胞。TSC因为在各种致瘤因素的作用下，在基因水平失去对其生长的正常调控，而表现出无限增殖、转移、异质性等特点。随着对肿瘤发病机制认识的深入，人们发现干细胞与TSC有很多极为相似的特征：(1)都具有无限增殖和分化的特点；(2)存在相似的调节自我更新的信号传导途径；(3)都具有不同表型，异质性；(4)都具有端粒酶活性；都能转移到各种不同的组织且有相似的归巢和转移途径。当然，TSC还具有不同于干细胞的特点：(1)自我更新信号转导途径的负反馈机制已被破坏；(2)缺乏分化成熟能力；(3)倾向于累积复制的错误，而干细胞能够防止复制错误的发展等。从TSC和干细胞的异同点不难看出，TSC可能起源于相应正常干细胞的突变。[1]根据干细胞理论，肿瘤干细胞起源于干细胞，在增殖过程中必然也存在异常的分化现象。肿瘤干细胞在肿瘤的发生发展中起着关键性作用，它与肿瘤的转移、抗药性的产生以及治疗后的复发有密切关系。Skipper曾将一个L1210白血病干细胞注入小鼠体内，即可产生致死量的肿瘤细胞，这说明肿瘤组织中存在一种能自我更新和增殖产生肿瘤群体的细胞——肿瘤干细胞。[2]人的肿瘤也同样存在着肿瘤干细胞。Muhammad等从乳腺癌中分离鉴定出一类表型特异的细胞群，即ESA+CD44+CD24-/LowLin-,将这类细胞称为成瘤细胞，发现这类细胞在NOD/SCID鼠中可持续地形成肿瘤。肿瘤干细胞的成功分离证明了肿瘤干细胞的存在，同时找到肿瘤恶变的源泉，为药物治疗明确了靶细胞。肿瘤干细胞中抑癌基因的研究概况和功能研究临床治疗方面TSC理论可以解释临床上肿瘤对放射治疗与化疗药物治疗不敏感的原因。TSC理论认为，肿瘤一开始就有转移能力，只要TSC到达一个新的区域，转移将不可避免。所以，肿瘤治疗的焦点是杀伤TSC。针对TSC治疗肿瘤已经取得一定的进展：在80%前列腺癌中表达的特有标记前列腺干细胞抗原，是前列腺癌治疗很好的靶点。使用分子芯片技术，可分析TSC与他们相应成体干细胞基因表达特征的不同。利用这种差异，可能会出现既直接针对TSC，又能保护成体干细胞的治疗手段；自体造血干细胞移植中，通过TSC的特征标记，可以去除污染的TSC。[3]TSC理论对肿瘤诊断与预后判断的影响慢性粒细胞白血病中肿瘤细胞的CD38阳性率大于20%的患者，其病情往往处于进展期;而CD38阴性的患者预后较好。恶性程度高的成神经管细胞瘤与胶质母细胞瘤较恶性程度较低的星形细胞瘤含TSC的比例要高一些。Clarke指出，极度恶性的乳腺癌，其TSC的比例可达到肿瘤细胞总数的25%。前列腺早期干细胞突变形成的肿瘤会表达一些神经内分泌标志，象嗜铬粒蛋白A(CgA)，但不表达特异性前列腺抗原(PSA);源于分化晚期的前列腺干细胞产生的肿瘤细胞表达PSA，而不是CgA。以此类推，源于分化中期干细胞的前列腺癌会同时表达CgA和PSA。通过对根据CSC生物学特性以及相关信号通路的深入研究,针对CSC细胞的调控机制,寻找特异性靶向CSC的药物,为治疗癌症提供理论基础和新途径。上述调控肿瘤生长。增殖的信号通路如Wnt。Notch。VEGFR。CDC2。NF-κB以及PTEN等都在肿瘤干细胞的自我更新中发挥重要的作用,因此利用相关抑制药物选择性的靶向这些异常通路,是治疗癌症的可行手段。相关研究报道,axin(β-catenin的抑制因子)抑制异常激活的Wnt信号通路,可以使慢性粒细胞白血病的CSC增殖力降低。Notch通路γ-分泌酶(γ-secretase)抑制剂GSI218能降低CD133+的细胞比率。环王巴明(Hedgehog信号通路受体SMO的天然抑制剂)可使胶质瘤球的形成数目明显下降。虽然目前发现的大部分CSC标记在NSC中也存在,但随着更多CSC特异标记物的发现,CSC标记有望成为治疗靶点。以高表达于急性髓性白血病干细胞中的黏附分子CD44为靶点,Jin等发现,H90(抗CD44的单克隆抗体)能有效靶向白血病干细胞,降低了白血病干细胞的自我更新和转移能力。[4]诱导CSC分化也是治疗癌症的一种方法,在利用全反式维甲酸治疗急性早幼粒白血病患者中,大约90%患者获得完全缓解,超过70%的患者获得治愈,全反式维甲酸可能诱导了白血病干细胞的分化。骨形成蛋白(BMP)能诱导神经前体细胞分化成星形胶质细胞,在恶性胶质瘤中,BMP能促进CD133+脑肿瘤干细胞的分化,并降低其致瘤能力。微环境对肿瘤干细胞的自我更新也起着重要的作用。研究表明,播散于骨髓的细胞角蛋白阳性的乳腺癌细胞,在原发灶去除后并不复发,说明干细胞的激活有可能依赖于微环境,提示可以通过改变干细胞的微环境,达到诱导其凋亡或死亡的目的。在神经系统肿瘤中,CSC存在于微血管丰富的微环境中,扰乱这种微环境可能靶向肿瘤干细胞。用Erlotinib(选择性的EGFR和ERBB2酪氨酸激酶抑制剂)或Bevacizumab(抗VEGF的单克隆抗体)处理后,肿瘤微环境中的微血管的密度下降,肿瘤干细胞的数目也明显降低,但没有影响到肿瘤中大部分细胞的增殖和凋亡,提示其选择性地作用于肿瘤干细胞。[5]Stem-cellrulingrilesresearchersClinicsthatofferunprovenstem-celltreatmentsoftenendupplayingcatandmousewithhealthregulators,nomatterwhichcountrytheyoperatein.InItaly,however,onesuchtreatmentnowhasofficialsanction.Thecountry’shealthminister,RenatoBalduzzi,hasdecreedthatacontroversialstem-celltreatmentcancontinuein32terminallyillpatients,mostlychildren—eventhoughthestemcellsinvolvedarenotmanufacturedaccordingtoItaly’slegalsafetystandards.Theunexpecteddecisionon21Marchhashorrifiedscientists,whoconsiderthetreatmenttobedangerousbecauseithasneverbeenrigorouslytested.Intheopinionofstem-cellresearcherElenaCattaneooftheUniversityofMilan:“Itisalchemy”.[6]DefiningthemodeoftumourgrowthbyclonalanalysisRecentstudiesusingtheisolationofasubpopulationoftumourcellsfollowedbytheirtransplantationintoimmunodeficientmiceprovideevidencethatcertaintumours1,2,includingsquamousskintumours3,4,5,containcellswithhighclonogenicpotentialthathavebeenreferredtoascancerstemcells(CSCs).Untilnow,CSCpropertieshaveonlybeeninvestigatedbytransplantationassays,andtheirexistenceinunperturbedtumourgrowthisunproven.Herewemakeuseofclonalanalysisofsquamousskintumoursusinggeneticlineagetracingtounravelthemodeoftumourgrowthinvivoinitsnativeenvironment.Tothisend,weusedageneticlabellingstrategythatallowsindividualtumourcellstobemarkedandtracedovertimeatdifferentstagesoftumourprogression.Surprisingly,wefoundthatthemajorityoflabelledtumourcellsinbenignpapillomahaveonlylimitedproliferativepotential,whereasafractionhasthecapacitytopersistlongterm,givingrisetoprogenythatoccupyasignificantpartofthetumour.[7]Aswellasconfirmingthepresenceoftwodistinctproliferativecellcompartmentswithinthepapilloma,mirroringthecomposition,hierarchyandfatebehaviourofnormaltissue,quantitativeanalysisofclonalfatedataindicatesthatthemorepersistentpopulationhasstem-cell-likecharacteristicsandcyclestwiceperday,whereasthesecondrepresentsaslowercyclingtransientpopulationthatgivesrisetoterminallydifferentiatedtumourcells.Suchbehaviourisshowntobeconsistentwithdouble-labellingexperimentsanddetailedclonalfatech