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骨髓間充質(zhì)干細胞對腫瘤細胞的生物學(xué)行為的影響

2010-04-03 09:01:35宋關(guān)斌李曉娜
關(guān)鍵詞:骨髓干細胞分化

宋關(guān)斌,李曉娜

(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院,重慶 400044)

干細胞的研究和應(yīng)用是21世紀生命科學(xué)中最令人矚目的領(lǐng)域之一,在組織器官移植、細胞治療和基因治療中具有重要的意義。骨髓來源的間充質(zhì)干細胞(Bone marrow-derived mesenchymal stem cells,MSCs)具有高度自我更新和多向分化潛能,易于體外分離、培養(yǎng)、擴增,容易導(dǎo)入外源基因,具有極好的遷移能力、腫瘤趨向性、較弱的免疫源性和免疫調(diào)節(jié)功能,這些特性使之成為腫瘤生物治療的首選載體,已經(jīng)被廣泛用于多種腫瘤治療的研究。

但是,MSCs和腫瘤之間的關(guān)系存在雙向性。腫瘤吸引骨髓或其他部位來源的MSCs,到達腫瘤部位的MSCs作為腫瘤微環(huán)境組分,通過向間質(zhì)成分分化和分泌一系列可溶性因子與腫瘤細胞相互作用,參與腫瘤組織的構(gòu)建和新血管形成,影響腫瘤細胞的增殖、遷移和侵襲行為[1]。同時,MSCs的免疫特性可能有助于腫瘤的免疫逃逸。雖然MSCs在癌癥以及其他疾病治療方面顯示出誘人的應(yīng)用前景,但其潛在的惡性轉(zhuǎn)化能力和致瘤性使其在臨床應(yīng)用中也存在很大的風(fēng)險。本文主要介紹骨髓來源的MSCs對腫瘤增殖、遷移等生物學(xué)行為的影響以及MSCs在腫瘤治療方面的應(yīng)用。

1 MSCs的生物學(xué)特性

MSCs是來源于中胚層的一類具有高度自我更新能力的多能干細胞,主要存在于全身結(jié)締組織器官和骨髓組織中,胎兒臍血中亦可分離得到。MSCs作為多能干細胞在特定條件誘導(dǎo)下可以分化為中胚層的成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞、心肌細胞、肌腱細胞等,同時還可以向外胚層的神經(jīng)細胞以及內(nèi)胚層的卵圓形衛(wèi)星細胞分化[2]。MSCs表達多種表面標記白細胞分化抗原,如CD29、CD44、CD73、CD90、CD105、CD106和 STRO-1呈陽性,也表達多種黏附分子如血管內(nèi)皮細胞黏附分子(VCAM)、細胞間黏附分子(ICAM)和淋巴細胞功能相關(guān)抗原-3(LFA-3)等,但不表達CD11、CD31、CD45等造血譜系的標記以及MHC II類抗原和T細胞共刺激分子B7[3]。MSCs能夠分泌IL-6、IL-8、CCL5(RANTES)、 VEGF 、 TIMP-1、 TIMP-2、MCP-1等多種細胞因子和生長因子以及細胞外基質(zhì)蛋白,并可通過這些細胞因子作用引起腫瘤生長、轉(zhuǎn)移行為變化[4]。

2 MSCs的腫瘤趨向性

正常情況下,MSCs在體內(nèi)向多種組織器官定向移動,主要遷移至骨髓。在一些病理條件下,MSCs被“損傷信號”優(yōu)先招募到炎癥、組織損傷和腫瘤形成部位[5]。腫瘤被認為是一種不可修復(fù)的損傷,已有許多研究表明MSCs具有腫瘤趨向性。靜脈注射的MSCs可以歸巢到腫瘤組織并可整合到腫瘤組織中,有助于腫瘤基質(zhì)的形成。當把標記的MSCs注射到老鼠的骨髓中,可發(fā)現(xiàn)它們在遠端的腫瘤基質(zhì)部位轉(zhuǎn)變成腫瘤關(guān)聯(lián)的纖維母細胞[6]。腫瘤細胞產(chǎn)生的趨化因子TGF-ss1、IL-8、NF-3和生長因子EGF、HGF、bFGF、PDGF以及它們的受體均對MSCs有募集作用[7-9]。研究發(fā)現(xiàn)MSCs體外遷移主要受SDF-1和CXCR4的調(diào)控并與肝細胞生長因子(HGF)-c-met軸以及基質(zhì)金屬蛋白酶MMP2和TIMP3的表達有關(guān),此外腫瘤和創(chuàng)傷組織中均有較高的CXCR4/SDF-1基因表達,可能在體內(nèi)MSCs歸巢中發(fā)揮著重要作用[8]。腫瘤局部微環(huán)境可能成為了MSCs定向遷移的必要信號,提高了MSCs向腫瘤組織歸巢的能力。目前MSCs向腫瘤定向遷移的機制所知甚少,但已有研究證明MSCs向腫瘤的定向遷移依賴于細胞因子/受體,SDF-1/CXCR[10]、SCF-c-Kit[11]、 HGF/c-Met[12]、 VEGF/VEGFR[13]、PDGF/PDGFr[10]、MCP-1/CCR2[14]、HM-GB1/RAGE[15]以及相關(guān)細胞粘附分子[10]。因此,闡明MSCs向腫瘤歸巢的詳細機制是腫瘤細胞與干細胞相互作用研究領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。

3 MSCs與腫瘤

MSCs通過向腫瘤組織的歸巢和向間質(zhì)成分分化,從而改變腫瘤微環(huán)境,在很多方面調(diào)節(jié)腫瘤細胞的生長轉(zhuǎn)移侵襲行為。

3.1 MSCs參與腫瘤基質(zhì)構(gòu)建

MSCs歸巢到腫瘤組織后,能分化為肌纖維母細胞、內(nèi)皮細胞、外膜細胞、炎癥性細胞等,形成一個有助于腫瘤生長的微環(huán)境。在體內(nèi)跟蹤標記的MSCs,發(fā)現(xiàn)MSCs能分化為纖維母細胞、外膜細胞和肌纖維瘤。同時,在腫瘤聚集部位,MSCs能轉(zhuǎn)變成TAF或癌關(guān)聯(lián)纖維母細胞[16-17],這些細胞顯示肌纖維瘤特征,表達纖維母細胞激活蛋白(FAP),同時表達與侵襲有關(guān)的細胞外基質(zhì)蛋白、細胞外基質(zhì)重構(gòu)酶和生長因子。把MSCs暴露于腫瘤條件培養(yǎng)基或把MSCs皮下注射患有腫瘤的老鼠體內(nèi),均顯示腫瘤關(guān)聯(lián)纖維細胞標記分子[16]。

3.2 MSCs與血管新生

血管新生是腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié)。MSCs分泌多種促血管生成因子,如VEGF、IL-6、IL-8、TGF-β、PDGF、bFGF、FGF-7 等[8]。MSCs通過旁分泌途徑對內(nèi)皮細胞產(chǎn)生作用,通過分泌生長因子和細胞因子促進血管的形成。當組織損傷時,TGF-α的表達上調(diào),通過激活MEK激酶和磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3-K),在上皮惡性腫瘤的轉(zhuǎn)化過程中起關(guān)鍵作用[18]。由MSCs產(chǎn)生的VEGF在體外誘導(dǎo)臍帶血管內(nèi)皮細胞的生成,在人胰腺癌中增加腫瘤血管密度[19]。越來越多的研究證明,MSCs可以分化為內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞等,直接參與腫瘤新生血管的形成。

3.3 MSCs對腫瘤生長的影響

MSCs對腫瘤生長的作用受多方面因素影響,包括注射方式、注射時機、細胞濃度、腫瘤品系和生長狀態(tài)等。在一些動物腫瘤模型中,如黑色素瘤[18]、結(jié)腸癌[19]、多發(fā)性骨髓瘤[20]、肺癌和膠質(zhì)母細胞瘤[21],外源性的MSCs促進腫瘤的形成。MSCs的免疫抑制作用可能有助于腫瘤的生長,MSCs通過分泌IL-6誘導(dǎo)STAT-3的表達來抑制中性粒細胞凋亡,并且影響吞噬作用或中性粒細胞粘附分子的表達[22]。

然而,也有研究發(fā)現(xiàn)與上述促腫瘤作用相反的結(jié)果,MSCs可能通過多種機制抑制腫瘤的生長。實驗發(fā)現(xiàn)高濃度的MSCs能誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞凋亡,抑制腫瘤細胞增殖,這一結(jié)果揭示MSCs功能的多面性和復(fù)雜性[23]。MSCs對肝癌細胞的生長有抑制作用,能夠延長肝癌大鼠模型的生存期[24]。MSCs靜脈注射到卡波西肉瘤裸鼠后,抑制卡波西肉瘤的生長。進一步研究發(fā)現(xiàn)體外共培養(yǎng)MSCs和卡波西肉瘤,通過抑制PI3K-Akt信號途徑中Akt蛋白激酶活性,抑制卡波西肉瘤細胞的增殖[25]。有研究發(fā)現(xiàn)小鼠MSCs上清液可抑制小鼠肉瘤細胞S180的生長并誘導(dǎo)細胞凋亡,其機制可能與上調(diào)p53、下調(diào)bcl-2基因的表達有關(guān)[26]。人們對于MSCs在腫瘤生長方面呈現(xiàn)出不同作用的原因,目前還不清楚。

3.4 MSCs對腫瘤遷移的影響

轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤的重要生物學(xué)特征。MSCs對不同腫瘤細胞遷移行為的影響機制也不盡相同。Karnoub等通過試驗發(fā)現(xiàn)[27],低轉(zhuǎn)移性乳腺癌細胞和MSCs一起注射到動物模型內(nèi),增加了乳腺癌細胞在動物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移能力,進一步研究發(fā)現(xiàn),乳腺癌細胞可直接誘導(dǎo)MSCs過表達CCl5,再通過與腫瘤細胞表面相應(yīng)受體CCR5作用,增強腫瘤細胞運動、侵襲和轉(zhuǎn)移能力。Molloy等發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)MSCs向成骨細胞分化過程中CCl2的表達顯著增加[4],而將MSCs和乳腺癌細胞直接共培養(yǎng)后,癌細胞的遷移能力顯著增加。有研究發(fā)現(xiàn)MSCs和腫瘤之間的作用機制可能取決于一些早期信號途徑如IL-6/STAT3信號通路的作用。

腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體(TRAIL)是一種能選擇性誘導(dǎo)腫瘤凋亡的跨膜蛋白,但對大多數(shù)的正常細胞無殺傷作用。Loebinger等在肺轉(zhuǎn)移性癌模型中發(fā)現(xiàn)[30],MSCs產(chǎn)生的TRAIL能殺死癌細胞或抑制癌細胞的轉(zhuǎn)移。此外,MSCs的分化狀態(tài)也可以影響腫瘤細胞的存活,在體外,分化狀態(tài)的MSCs產(chǎn)生的Leptin(瘦蛋白)通過激活STAT3信號通路和MAPK通路來促進腫瘤存活[31]。臍帶或脂肪來源的MSCs靜脈注入患乳腺癌的大鼠后抑制癌細胞凋亡[32]。

MSCs影響腫瘤遷移的分子基礎(chǔ)目前還知之不多。有研究表明MSCs可以改變細胞的粘附。Murai等研究發(fā)現(xiàn)ADAM10通過切割胞外粘附蛋白如CD44、E-鈣粘素 1(E-cadherin)、趨化因子配體(CX31)調(diào)節(jié)細胞粘附和遷移[33],過表達ADAM-10已經(jīng)在許多腫瘤中有報道,表明這種蛋白可能與癌癥的發(fā)生和轉(zhuǎn)移有關(guān)。Dittmer等將綠色熒光蛋白標記的hMSCs與乳腺癌混合在一起[33],發(fā)現(xiàn)hMSCs改變?nèi)橄侔┑男螒B(tài),同時乳腺癌細胞的粘附能力減弱,運動能力增強。進一步研究該機制發(fā)現(xiàn)E-鈣粘素脫落和hMSCs引起的遷移可以由ADAM10的抑制劑G1254023X和ADAM10特定的小分子干擾RNA阻斷,表明E-cadherin/ADAM10確實是hMSCs操縱乳腺癌細胞遷移的一個主要途徑。

3.5 MSCs可轉(zhuǎn)化形成惡性腫瘤細胞

干細胞巢即干細胞生存的微環(huán)境,巢的成分改變可能導(dǎo)致正常干細胞惡性轉(zhuǎn)化。已有研究報道MSCs在體外長期培養(yǎng)能自發(fā)發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化[34],表明干細胞微環(huán)境的改變可能導(dǎo)致干細胞分化受阻并惡意增殖。張亞蘭等將MSCs與C6膠質(zhì)瘤細胞在體外非接觸共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)[34],MSCs既具有膠質(zhì)瘤細胞的形態(tài)及特征,又獲得腫瘤細胞的相關(guān)生物學(xué)特征,說明腫瘤微環(huán)境中的某些細胞因子可以使MSCs增殖分化的調(diào)控失調(diào),進而引起其腫瘤轉(zhuǎn)化。Rubio等研究發(fā)現(xiàn)人脂肪來源的MSCs培養(yǎng)4~5個月后[35],通過連續(xù)上調(diào)c-myc和下調(diào)p16基因表達發(fā)生自發(fā)轉(zhuǎn)化。Aguilar等研究發(fā)現(xiàn)[36],將在體外傳培養(yǎng)的鼠MSCs靜脈注射動物體內(nèi),MSCs增殖失調(diào),在肺泡微環(huán)境中形成腫瘤。

近來研究認為腫瘤可能起源于腫瘤干細胞。人們已從多發(fā)性骨髓瘤、惡性黑色素瘤、肺癌、前列腺癌以及胰腺癌中分選出腫瘤干細胞。腫瘤干細胞與成體干細胞存在相似性,這部分細胞具有干細胞的特性,如自我更新、增殖以及分化能力。細胞自我更新途徑中的突變是腫瘤干細胞形成的重要因素,干細胞內(nèi)外環(huán)境均可引起自我更新途徑的突變,導(dǎo)致腫瘤干細胞的形成。

4 MSCs與腫瘤治療

MSCs不僅具有體外增殖及多向分化潛能、低免疫原性等特點,而且其在體內(nèi)具有趨瘤性,對腫瘤細胞的增殖遷移等方面的影響,使MSCs有可能成為新一代腫瘤基因治療的細胞載體,介導(dǎo)腫瘤信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、促凋亡基因、抗癌基因、TNF等多種目的基因的腫瘤治療。MSCs可以作為藥物載體運輸抗腫瘤藥物到惡性腫瘤內(nèi)部,Komarova等把轉(zhuǎn)染人工受體的MSCs與腫瘤標記(erbB2)捆綁到一起[37],這種轉(zhuǎn)染人工受體的MSCs細胞具有更好的腫瘤趨向性,從而增加腫瘤靶向給藥的功效。臨床試驗?zāi)[瘤微環(huán)境中的MSCs產(chǎn)生的細胞因子可作為腫瘤治療的靶向目標,IL-6作為目標基因在骨髓瘤的臨床試驗中取得了很好開端[38]。

目前在臨床應(yīng)用的大劑量化療結(jié)合自體干細胞移植來治療腫瘤,對MSCs的安全性提出了質(zhì)疑。MSC具有的潛在的惡性轉(zhuǎn)化能力,在一定的條件可能會形成腫瘤,同時會促進一些腫瘤系的生長和轉(zhuǎn)移[39],因此MSCs在臨床研究中必須考慮這些潛在的不良反應(yīng),也使得MSCs在抗腫瘤的治療中扮演不確定的角色。

5 結(jié)語

MSCs具有形成腫瘤干細胞niche的能力,促進腫瘤細胞增殖的潛能。MSCs有助于吸引腫瘤細胞到骨髓,它們調(diào)節(jié)腫瘤的凋亡、血管生成、免疫平衡作用,同時促進腫瘤的增殖、存活、抗藥性。MSCs與腫瘤的“敵友”關(guān)系目前還沒有明確的結(jié)論,可能與MSCs的來源以及MSCs分化程度、腫瘤的類型等有關(guān)。MSCs和不同類型腫瘤細胞之間的作用機制尚需深入的研究,隨著研究的深入MSCs在腫瘤治療中會發(fā)揮重要的作用,進一步明確MSCs與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系,將為MSCs合理的應(yīng)用提供更好的保障。

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