李 明

中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗系臨床生物化學(xué)教研室，長沙410013

腫瘤干細(xì)胞由 Bonnet等［1］于 1997年首次從CD34+CD38-急性髓性白血病 (acute myeloid leukemia，AML)細(xì)胞中分離，其細(xì)胞具有自我更新、多能分化和產(chǎn)生腫瘤細(xì)胞異質(zhì)譜系的能力，是一組具有增殖和形成新腫瘤能力的細(xì)胞亞群，所以腫瘤干細(xì)胞被定義為一種具有自我更新能力的癌細(xì)胞，其能再生出具有各種分化異質(zhì)性的原始腫瘤。通常認(rèn)為腫瘤干細(xì)胞處于一種相對靜息的狀態(tài)和具有正常干細(xì)胞的許多特征。例如，表現(xiàn)出較低的增殖速率、DNA損傷修復(fù)活性、抗凋亡基因表達(dá)上調(diào)［2-3］，以及通過表達(dá)幾種ATP結(jié)合盒 (ATPbinding cassette，ABC)轉(zhuǎn)運體而耐受藥物和毒素，因此可避免化療藥物的攻擊，從而“保護(hù)”腫瘤的連續(xù)性和逃避傳統(tǒng)治療方法，從而獲得增殖能力并維持腫瘤發(fā)生，形成腫瘤［4-5］。

近來多項臨床研究證明，腫瘤干細(xì)胞在腫瘤發(fā)生、存在和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮作用，如腫瘤干細(xì)胞能在非肥胖型糖尿病/重癥聯(lián)合免疫缺陷小鼠中形成白血病異種移植物。AI-Hajj等［6］首次證實實體腫瘤中存在腫瘤干細(xì)胞，只需從乳腺癌中分離獲得200個上皮細(xì)胞黏附分子 (epithelial cell adhesion molecule，EpCAM)+CD44+/CD24-腫瘤干細(xì)胞就能在體內(nèi)形成腫瘤。研究顯示，腫瘤干細(xì)胞與腫瘤轉(zhuǎn)移有關(guān)，并已證實存在腫瘤干細(xì)胞標(biāo)志物，如乳腺腫瘤干細(xì)胞標(biāo)志物，包括醛脫氫酶 (aldehyde dehydrogenase-1，ALDH-1)、EpCAM和 CD133［7］，CD133、CD44、ALDH-1、EpCAM、CD29及 CD166可在結(jié)腸癌發(fā)生中起作用［8］，CD44+、CD24+、EpCAM+細(xì)胞則與胰腺癌腫瘤干細(xì)胞相關(guān)。

靶向腫瘤干細(xì)胞的周圍微環(huán)境

微環(huán)境龕腫瘤干細(xì)胞有2個微環(huán)境:(1)圍血管龕，與神經(jīng)干細(xì)胞中的龕相似［9］。由于內(nèi)皮細(xì)胞NO合成酶 (endothelial nitric oxide synthase，eNOS)表達(dá)上調(diào)和血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌NO，腫瘤干細(xì)胞的圍血管龕來源于腫瘤干細(xì)胞強(qiáng)效調(diào)節(jié)因子，如整合素αβ和NO，它們能調(diào)節(jié)Nestin和Notch相關(guān)的關(guān)鍵干性通路［10］。膠質(zhì)瘤CD133陽性腫瘤干細(xì)胞能表達(dá)低氧誘導(dǎo)因子HIF-1a［11］，而抑制低氧誘導(dǎo)因子可導(dǎo)致體內(nèi)腫瘤干細(xì)胞的自我更新、增殖和存活受抑。(2)腫瘤干細(xì)胞定位的腫瘤低氧區(qū)域。研究證明，這些低氧區(qū)域與治療耐受、局部侵襲和不良臨床結(jié)局相關(guān)，尤以神經(jīng)母細(xì)胞瘤、宮頸癌和乳腺癌中常見的未分化實體瘤表型與腫瘤低氧顯著相關(guān)［12］。因此，這類低氧龕已成為某些新治療手段的主要靶點。通常認(rèn)為，阻斷腫瘤血管生成后，由于缺乏營養(yǎng)和氧氣，腫瘤會萎縮死亡。但是抗血管內(nèi)皮生長因子 (vascular endothelial growth factor，VEGF)療法可導(dǎo)致膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、小鼠模型乳腺癌和胰腺癌的轉(zhuǎn)移增強(qiáng)［13］。研究證明，盡管抗血管生成藥物在轉(zhuǎn)移性結(jié)腸癌、晚期非小細(xì)胞肺癌、腎細(xì)胞癌、肝細(xì)胞癌、轉(zhuǎn)移性乳腺癌和胃腸道基質(zhì)腫瘤中取得一些臨床治愈，但尚未觀察到總的生存治愈 (完全治愈)。其他促血管生成因子的上調(diào)、血管變化和遺傳突變可能是其缺乏療效的原因［14］。處于缺氧條件時，癌癥微環(huán)境中的細(xì)胞，如成纖維細(xì)胞、炎性細(xì)胞外基質(zhì)等可能通過分泌各種因子來促進(jìn)腫瘤侵襲。通過激活Oct和Notch信號通路，低氧環(huán)境能增加腫瘤內(nèi)CD133陽性腫瘤干細(xì)胞的數(shù)量。說明盡管腫瘤干細(xì)胞似乎需要低氧環(huán)境，但制造缺氧也可促轉(zhuǎn)移，提示創(chuàng)新性血管正?；芯靠赡苁墙鉀Q該問題的一個方向。

血管網(wǎng)絡(luò)作用血管網(wǎng)絡(luò)在腫瘤形成中具有重要作用。共移植人髓母細(xì)胞瘤細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞導(dǎo)致腫瘤的生長速度和體積都大于單一癌細(xì)胞移植，且共移植導(dǎo)致腫瘤干細(xì)胞數(shù)量增加達(dá)25倍，表明內(nèi)皮細(xì)胞對腫瘤干細(xì)胞自我更新和未分化狀態(tài)的維持也有作用。腫瘤干細(xì)胞也被認(rèn)為能分泌促進(jìn)腫瘤血管擴(kuò)張和形成的血管生成因子，提示兩者間存在雙向聯(lián)系。研究證明，表達(dá)于腫瘤細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞表面的趨化因子受體CXCR4和腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞分泌的基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(stromal cell derived factor-1，SDF-1)可相互作用，促進(jìn)血管生成［15-16］。細(xì)胞遷移和侵襲呈SDF-1梯度依賴性，表明這種現(xiàn)象可能在腫瘤轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵作用。研究證實，CXCR4陽性癌細(xì)胞能以SDF-1依賴性的方式轉(zhuǎn)移到骨頭和淋巴結(jié)。不僅如此，SDF-1與CXCR4相互作用可激活磷脂酰肌醇-3激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)，繼而激活絲氨酸-蘇氨酸激酶Akt，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的存活和增殖加強(qiáng)。值得注意的是，CXCR4結(jié)合其配體后能被快速內(nèi)化，使其成為靶向腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境癌癥治療藥物的理想靶點。使用CXCR4拮抗劑的聯(lián)合療法能提高白血病細(xì)胞對阿糖胞苷的敏感性［17］。

腫瘤干細(xì)胞靶向臨床研究

圍血管龕治療策略腫瘤周圍形成的新血管供應(yīng)對腫瘤的發(fā)展和轉(zhuǎn)移具有至關(guān)重要的作用，被稱為腫瘤圍血管龕。Calabrese等［18］建立了一個共同培養(yǎng)模型來研究血管內(nèi)皮細(xì)胞對腫瘤干細(xì)胞的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞可提供支持腫瘤干細(xì)胞自我更新的因子，與Nestin+/CD133+的腦腫瘤干細(xì)胞作用密切。然而，該項研究僅顯示了靶向VEGF的抗血管治療可減少腫瘤的血管系統(tǒng)，部分地破壞了腫瘤干細(xì)胞的血管龕。該結(jié)果顯示出VEGF作為靶向腫瘤干細(xì)胞血管龕的治療策略的特異靶點。

低氧龕治療策略小白菊內(nèi)酯 (parthenolide，PTL)是一種倍半萜內(nèi)酯，可以抑制DNA合成，激活癌細(xì)胞增殖和核因子-κB，增加細(xì)胞內(nèi)活性氧簇 (reactive oxygen species，ROS)。研究表明，PTL可在體內(nèi)和體外有效殺傷白血病干細(xì)胞 (leukemia stem cell，LSC)，因此通過外部氧化應(yīng)激操縱腫瘤干細(xì)胞低氧龕來殺傷腫瘤干細(xì)胞是一個新的靶向腫瘤干細(xì)胞的治療途徑。有研究者發(fā)現(xiàn)，生理條件下不同的氧氣水平能影響腫瘤干細(xì)胞中低氧誘導(dǎo)因子2α(hypoxia inducible factor-2α，HIF2α)的水平。HIF2α能誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞增殖，幫助腫瘤細(xì)胞存活。但該因子只是在腫瘤干細(xì)胞中所必須，在正常神經(jīng)始祖細(xì)胞中并不被表達(dá)，提示HIF2α是靶向腫瘤干細(xì)胞低氧龕治療策略的特定靶點［19］。

靶向信號通路腫瘤是一種公認(rèn)的高度異質(zhì)性疾病，腫瘤干細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)也被認(rèn)為是異質(zhì)性的，這也是對腫瘤單一藥物療法無效的原因［20］。事實上，腫瘤早期階段腫瘤干細(xì)胞的基因型、數(shù)量和表型很可能與晚期階段存在高度差異，鑒于癌癥發(fā)展過程中會出現(xiàn)突變多元化和克隆選擇，這個說法也并非不可能［21］。有研究者推測，由于腫瘤干細(xì)胞和腫瘤干細(xì)胞龕之間存在雙向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，腫瘤進(jìn)展過程中原始腫瘤干細(xì)胞群會出現(xiàn)進(jìn)化［22］。此外，對人轉(zhuǎn)移性結(jié)腸癌的父代和克隆腫瘤細(xì)胞進(jìn)行詳細(xì)核型分析的結(jié)果表明，腫瘤干細(xì)胞中存在遺傳不穩(wěn)定性［23］，提示不能使用單個標(biāo)志物來靶向這些細(xì)胞，因為靶向單個分子的抗體只能改善腫瘤治療的預(yù)后而不能達(dá)到治愈的目的。其可能的原因是靶蛋白的下調(diào)、產(chǎn)生耐藥性或者腫瘤干細(xì)胞群中亞克隆的遺傳多樣性。所以目前認(rèn)為，通過靶向2或3個獨立的腫瘤干細(xì)胞信號通路有效殺死所有腫瘤細(xì)胞和減少耐藥性克隆出現(xiàn)的概率非常關(guān)鍵。

臨床試驗性研究新近研究認(rèn)為，非腫瘤干細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化為腫瘤干細(xì)胞影響和干擾腫瘤患者的臨床預(yù)后，如果要改善這一點，則需要根除大部分非腫瘤干細(xì)胞和腫瘤干細(xì)胞。通常采用“雙擊策略”，即采用傳統(tǒng)療法靶向主體癌細(xì)胞，接著是腫瘤干細(xì)胞靶向療法。減積療法能顯著降低非腫瘤干細(xì)胞的腫瘤負(fù)荷，并使全身給藥藥效到達(dá)腫瘤干細(xì)胞，為阻斷調(diào)節(jié)腫瘤干細(xì)胞功能的內(nèi)源性和外源性信號通路奠定基礎(chǔ)。當(dāng)今腫瘤干細(xì)胞的臨床試驗研究不斷深入開展，將人腫瘤細(xì)胞或細(xì)胞系異種移植到免疫缺陷動物體內(nèi)，通過共同注射腫瘤基質(zhì)、內(nèi)皮細(xì)胞或間質(zhì)細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞對異種移植模型進(jìn)行改良［24］。已有研究證明，原位異種移植物是其原發(fā)腫瘤活檢的代表［25］。同樣地，用于研究化療藥物作用的動物模型也有多種［26］。盡管試驗性研究對于解析腫瘤干細(xì)胞的分子和細(xì)胞生物學(xué)來說是必要的，但腫瘤干細(xì)胞靶向療法的臨床試驗結(jié)果仍至關(guān)重要。目前腫瘤學(xué)和納米醫(yī)學(xué)的分子細(xì)胞生物學(xué)最新研究進(jìn)展揭示了多個腫瘤干細(xì)胞潛在靶點，并提供許多新的治療方法。

腫瘤干細(xì)胞特異性標(biāo)志物

通常細(xì)胞表面標(biāo)志物在正常干細(xì)胞和腫瘤干細(xì)胞上都廣泛表達(dá)，盡管其在正常干細(xì)胞中表達(dá)較低。

CD133與腫瘤干細(xì)胞的相關(guān)性CD133與腫瘤干細(xì)胞廣泛關(guān)聯(lián)，已在乳腺、腦、結(jié)腸、肝臟、肺、骨肉瘤、卵巢、胰腺和前列腺中被證明，是至今被鑒定的多種類型腫瘤干細(xì)胞中固有的一種最重要標(biāo)志物，也是最先被確定的實體腫瘤標(biāo)志物之一［27］，且該標(biāo)志物不局限于腫瘤干細(xì)胞，在分化的腫瘤細(xì)胞中也有表達(dá)。最近研究顯示，差異糖基化可能使與腫瘤干細(xì)胞相關(guān)的AC133表位發(fā)生差異折疊，從而導(dǎo)致在腫瘤干細(xì)胞分化成非腫瘤干細(xì)胞過程中，腫瘤干細(xì)胞表面的CD133發(fā)生構(gòu)象變化［28］。這種構(gòu)象變化提供了潛在的靶向選擇，并可能最大程度上減少了正常干細(xì)胞中其他標(biāo)志物所引發(fā)的某些不良反應(yīng)，提示CD133在關(guān)鍵分子信號通路和藥物或輻射耐受中發(fā)揮作用［29］。

CD133和分子通路研究認(rèn)為，CD133與Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)，后者在腸上皮細(xì)胞分化和淋巴細(xì)胞增殖中可發(fā)揮關(guān)鍵作用［30］。由于Notch信號通路相關(guān)基因以及Notch1在CD133陽性膠質(zhì)瘤細(xì)胞中過表達(dá)，這些細(xì)胞通常對化療藥物替莫唑胺 (temozolomide，TMZ)產(chǎn)生耐藥性，原因可能是其能激活Notch和Hedgehog(Hh)信號通路。而TMZ暴露進(jìn)一步強(qiáng)化這些信號通路的激活。Ulasov等［30］同時采用TMZ和Notch與Hh拮抗劑處理膠質(zhì)瘤細(xì)胞，結(jié)果導(dǎo)致CD133陽性細(xì)胞的毒性作用顯著增強(qiáng)。也有研究認(rèn)為CD133不是與Notch通路相關(guān)的唯一腫瘤干細(xì)胞表面標(biāo)志物。如人表皮生長因子受體2(human epidermal growth factor receptor 2，HER2)啟動子區(qū)域含有Notch結(jié)合序列，因此也被認(rèn)為與Notch相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，放射性療法能提高患者膠質(zhì)瘤樣本中CD133陽性細(xì)胞的比例。因為CD133陽性膠質(zhì)瘤細(xì)胞能有效修復(fù)DNA損傷和細(xì)胞凋亡減少，從而導(dǎo)致高水平的耐受性。DNA損傷細(xì)胞周期檢查點蛋白 (DNA damage checkpoint，CHK)的激活對這些腫瘤細(xì)胞的高存活率非常關(guān)鍵，如果這些CHK的激活受到有效抑制，腫瘤干細(xì)胞的抗輻射性將被逆轉(zhuǎn)。因此，克服治療耐受性的一條可能的成功策略是在某些癌癥亞型中聯(lián)合使用CHK1/2抑制劑和現(xiàn)有的細(xì)胞毒療法。

其他分子通路Wnt信號通路對于許多成體組織的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和自我更新及造血均是必需的，它也參與許多器官中的腫瘤形成［31-32］。研究證明，Wnt激活與小鼠上皮細(xì)胞腫瘤相關(guān)。Wnt信號通路分子可與EpCAM的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域相互作用，促進(jìn)細(xì)胞增殖［33］。因此，靶向這條通路將是一種有前景的治療選擇［34］。由于EpCAM的過表達(dá)，其已成為很多免疫療法的一個靶點。然而臨床研究表明，抗EpCAM抗體未能引發(fā)初始預(yù)期的治療應(yīng)答，新一代EpCAM免疫治療藥物卡妥索單抗則具有抗CD3抗體和抗EpCAM抗體的作用。

研究發(fā)現(xiàn)，Hh通路在實體腫瘤的許多腫瘤干細(xì)胞中和LSC中異常激活［35］。通常胰腺癌相關(guān)基質(zhì)細(xì)胞中Hh信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的抑制可阻礙腫瘤生長，但在實際癌細(xì)胞中，Hh信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的抑制則沒有作用，提示旁分泌而非自分泌或內(nèi)源性Hh通路是胰腺和結(jié)腸腺癌中腫瘤生長所必需的，其結(jié)果還證明了腫瘤微環(huán)境對于腫瘤持續(xù)生長的重要性［36］。

綜上，腫瘤干細(xì)胞是癌癥組織內(nèi)部一組能自我更新、存活、增殖和形成新腫瘤的細(xì)胞亞群。盡管處于相對靜息狀態(tài)，腫瘤干細(xì)胞具有DNA損傷修復(fù)活性、凋亡耐受性以及化療和放療耐受性。由于腫瘤復(fù)發(fā)主要是由非腫瘤干細(xì)胞死亡引起的，因此未來腫瘤治療不應(yīng)單把腫瘤減積作為理想的治療終點?？紤]到非腫瘤干細(xì)胞和腫瘤干細(xì)胞之間能互為轉(zhuǎn)換，要達(dá)到顯著改善腫瘤患者臨床預(yù)后的目的，必須同時根除非腫瘤干細(xì)胞和腫瘤干細(xì)胞。腫瘤干細(xì)胞群并不孤立起作用，而是依賴于來自其微環(huán)境的各種信號，即腫瘤干細(xì)胞被認(rèn)為有2個微環(huán)境龕:圍血管龕和腫瘤低氧區(qū)域。而相關(guān)的關(guān)鍵信號通路有Hedgehog、Wnt和Notch通路，它們是抗腫瘤干細(xì)胞治療策略的關(guān)鍵靶點?？傊?，對腫瘤干細(xì)胞病理基礎(chǔ)的分子生物學(xué)機(jī)制的深入了解，將會促進(jìn)徹底根治腫瘤的新治療靶點和新策略的開發(fā)。

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