郝芳芳， 趙同軍， 封 賀， 王建莉， 展 永

(河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 生物物理研究所， 天津 300401)

腫瘤的發(fā)生是涉及多種因素非常復(fù)雜的過程，近年來這方面研究取得了長足的進展。研究認為在致癌因素刺激下或自發(fā)條件下細胞發(fā)生基因突變，而這種在基因水平上失去正常自我調(diào)控的細胞轉(zhuǎn)化為腫瘤干細胞(CSCs)，CSCs在機體組織內(nèi)經(jīng)過一系列克隆性增殖以及分化形成腫瘤[1]。1997年John Dick等人首先確認在急性骨髓性白血病患者體內(nèi)存在CSCs，隨后在其他原發(fā)性腫瘤組織和細胞系也檢測到CSCs[2]。CSCs在腫瘤發(fā)生、發(fā)展及復(fù)發(fā)等過程中起關(guān)鍵作用。而實驗研究表明CSCs生長依賴于其所在的微環(huán)境。CSCs微環(huán)境能夠維持其干性并調(diào)控其分裂模式，而且與癌細胞侵襲和腫瘤復(fù)發(fā)密不可分[3]。因此CSCs及其微環(huán)境相關(guān)的問題受到了廣泛的關(guān)注，也成為腫瘤靶向治療等臨床研究的重要研究領(lǐng)域。針對CSCs生長的微環(huán)境調(diào)控策略，有望成為腫瘤靶向治療的有效手段[4-6]。本文就腫瘤和正常組織干細胞及其微環(huán)境以及微環(huán)境可能的調(diào)控策略加以綜述。

1 CSCs的起源及特性

CSCs是存在于腫瘤細胞群體中能夠自我更新和分化進而補充各個種系癌細胞的細胞小子集，與普通干細胞共享相似的基因表達譜系，并且與腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及復(fù)發(fā)等過程緊密相關(guān)[5-7]。然而CSCs的起源至今仍存在爭議。一種觀點認為CSCs可能來源于發(fā)生基因突變并喪失了增殖控制的正常干細胞，另一種觀點則推斷CSCs可能來源于發(fā)生基因突變并獲得類似干細胞自我更新能力的分化細胞[1,8]。但多數(shù)人傾向于腫瘤干細胞CSCs來源于正常干細胞突變這一理論[6,9]，并認為腫瘤的發(fā)生是干細胞突變增殖的結(jié)果，其后代共享突變特性。

雖然CSCs具有類似于正常干細胞的無限增殖和轉(zhuǎn)移能力，但是在自我更新、分化、信號通路、微環(huán)境依賴性、特定的致癌/抑癌基因表達等方面與正常干細胞存在明顯差異[1]。CSCs的行為總是依賴于特定的微環(huán)境，受微環(huán)境的調(diào)控，其分化增殖產(chǎn)生的癌細胞能夠轉(zhuǎn)移到多種組織并形成異質(zhì)性腫瘤，使正常組織和器官受到破壞，功能發(fā)生異常[1,10]?；贑SCs與正常干細胞的共有特征及獨特差異，研究CSCs生長機制，可以加深對CSCs的認識并為研究針對CSCs的腫瘤高效靶向療法提供參考。

2 正常器官和異常腫瘤組織中的干細胞微環(huán)境

2.1 骨髓中的正常干細胞微環(huán)境

對哺乳動物骨髓中造血干細胞(HSCs)的廣泛研究使人們認識到影響HSCs增殖的微環(huán)境是非常復(fù)雜的，存在多方面的因素。首先，胚胎中動脈腔內(nèi)HSCs 的增殖受到血管微環(huán)境維護與支持，如背側(cè)主動脈和臍腸系膜動脈腔內(nèi)的HSCs增殖就依賴于特定的血管微環(huán)境[3]。其次，骨內(nèi)膜區(qū)域的成骨蛋白(BMP)信號抑制和甲狀旁腺激素受體激活能夠誘導(dǎo)成骨細胞增殖，并最終導(dǎo)致HSCs增殖。因而認為成骨細胞可能是HSCs微環(huán)境的重要組成部分，參與調(diào)節(jié)HSCs數(shù)量[11]。另外，受體酪氨酸激酶(Tie2)在HSCs上表達，由整合蛋白激活，其功能是參與動脈中HSCs對內(nèi)皮細胞(ECs)的黏附，因而也被看作CSCs微環(huán)境的組成部分[12]。這里，成骨細胞產(chǎn)生的血管生成素-1活化Tie2，活化的Tie2誘導(dǎo)HSCs休眠[11-12]，這種休眠被認為是通過由N-鈣黏蛋白介導(dǎo)的HSCs和成骨細胞之間的強烈黏附而實現(xiàn)的，但N-鈣黏蛋白是否參與目前還存在爭議。

關(guān)于HSCs微環(huán)境的研究最近不斷取得新進展。在胚胎中觀察到HSCs位于骨髓血竇區(qū)域并黏附在網(wǎng)狀組織細胞上，網(wǎng)狀組織細胞通過趨化因子受體 (CXCR)4表達趨化因子配體(CXCL)12/ 基質(zhì)衍生因子1[13]。而CXCR4的缺乏會導(dǎo)致HSCs數(shù)量減少，所以該受體-配體系統(tǒng)可能參與HSCs數(shù)量調(diào)控，是HSCs微環(huán)境的重要因素。細胞外因子(Wnt)作為微環(huán)境因素以特定方式調(diào)控HSCs休眠和自我更新的干細胞特性[14]。比如flamingo-和跨膜受體8介導(dǎo)的非經(jīng)典Wnt信號傳導(dǎo)通路誘導(dǎo)HSCs休眠，β-連環(huán)蛋白介導(dǎo)的典型Wnt通路在血管生態(tài)位中誘導(dǎo)HSCs自我更新[14]。有報道雪旺細胞也可能是骨髓中HSCs微環(huán)境的組成成分。該細胞能夠?qū)撛诘霓D(zhuǎn)化生長因子(TGF)β轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S狀態(tài)，并誘導(dǎo)HSCs休眠。雪旺細胞定位在血管區(qū)域，可能誘導(dǎo)HSCs的自我更新以及休眠[15]。

2.2 腫瘤組織中的CSCs微環(huán)境

類似于正常組織的干細胞，CSCs自我更新和分化增殖也依賴于特定的微環(huán)境。近期研究顯示CSCs微環(huán)境包含的因素很多，如Wnt、間質(zhì)細胞、再生血管以及炎癥細胞。這些微環(huán)境因素相互影響共同調(diào)控CSCs的分裂分化休眠等過程，維持CSCs的干性，在腫瘤發(fā)生發(fā)展等過程中發(fā)揮著獨特作用。這啟發(fā)人們通過各腫瘤組織中CSCs微環(huán)境的研究來設(shè)計高效抑制CSCs存活的腫瘤治療方案。借鑒骨髓中的正常干細胞微環(huán)境的研究方法與思想，探究結(jié)腸癌、乳腺癌、白血病以及癌細胞接種模型中CSCs微環(huán)境機制，尋找不同腫瘤組織中CSCs共同性和差異性以及可能的調(diào)控策略已成為當前研究的熱點。

2.2.1 結(jié)腸癌組織中的CSCs微環(huán)境

腸道干細胞位于腸隱窩底部，通常在上皮細胞和肌成纖維細胞附近自我復(fù)制更新，而這種復(fù)制是通過Wnt信號通路機制介導(dǎo)實現(xiàn)的[1,3,16]。

結(jié)腸癌中，CSCs的定位目前尚不完全清楚。已有的證據(jù)表明，具有核β-連環(huán)蛋白的癌細胞通過核β-連環(huán)蛋白介導(dǎo)的正常Wnt信號通路，在癌細胞侵襲前期與肌成纖維細胞形成局部集中的細胞群體，因而有理由推斷這種癌細胞可能就是結(jié)腸癌中的CSCs，而肌成纖維細胞則構(gòu)成了CSCs實現(xiàn)功能所依賴的微環(huán)境。需要指出的是，在癌細胞接種模型中，I型膠原將癌細胞轉(zhuǎn)化為CSCs，而膠原蛋白主要在肌成纖維細胞中被觀察到，這也進一步印證了這一推斷。而當肌成纖維細胞被CD8+T淋巴細胞誘導(dǎo)凋亡時，腫瘤生長和轉(zhuǎn)移會受到抑制，因此肌成纖維細胞的確有可能是結(jié)腸癌CSCs微環(huán)境的重要組成部分[3]。

細胞間Wnt信號活性的可視化已成為識別CSCs的新技術(shù)。借助于這項技術(shù)，最新的研究發(fā)現(xiàn)來源于肌成纖維細胞的肝細胞生長因子(HGF)能夠增強孤立的CSCs的Wnt信號，這有力地說明作為微環(huán)境肌成纖維細胞對于CSCs各項活動有明顯支持維護作用。進一步研究表明，骨髓中由纖維細胞分化產(chǎn)生的肌纖維細胞，作為CSCs生長微環(huán)境能夠表達基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)2和蛋白酶(MMPs)9，并誘導(dǎo)CSCs向惡性腫瘤細胞分化[16]。

此外，ECs在腫瘤中產(chǎn)生的可溶性凹口配體誘導(dǎo)結(jié)腸癌CSCs的干性，因而被認為是結(jié)腸癌干細胞微環(huán)境不可或缺的組成部分[17]。

2.2.2 乳腺癌組織中的CSCs微環(huán)境

乳腺癌實體瘤中的CSCs于2003年被首次報道。研究結(jié)果表明10%的癌細胞是CD44+、CD24-和EpCAM+細胞，CSCs就存在于這些細胞當中。CSCs具有致腫瘤能力并能增殖形成腫瘤球[3,6]。在之后的研究中CSCs與炎癥之間的聯(lián)系也受到關(guān)注。

在乳腺癌發(fā)生過程中，各種Wnt參與腫瘤的發(fā)生并發(fā)揮重要作用。核因子kB(NF-κB)是一種重要的Wnt。在NF-κB參與的調(diào)控過程中，Src誘導(dǎo)白介素-6(IL-6)下游NF-κB活化，進而激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白(STAT)3，最終導(dǎo)致NF-κB活化從而形成正反饋。這些Wnt作為微環(huán)境通過相互作用共同促進乳腺癌中CSCs的發(fā)展。

在乳腺癌治療過程中，抗癌藥物造成癌細胞損傷，所產(chǎn)生的IL-8會刺激CSCs上的CXCR1，誘導(dǎo)CSCs的抗性，反而有利于CSCs的存活[18]。此外，腫瘤和基質(zhì)外來體通過維甲酸誘導(dǎo)基因-1(RNA傳感器)促使CSCs產(chǎn)生(STAT)1[18]。而且如在其他癌癥中觀察到的那樣，由基質(zhì)細胞產(chǎn)生的鋸齒狀蛋白1(JAG1)會誘導(dǎo)CSCs相關(guān)特性的活化。這些蛋白能夠維持CSCs干性。然而，在幾種類型的乳腺癌中, 相關(guān)的CSCs擴增只發(fā)生在基礎(chǔ)亞型。

2.2.3 白血病組織中CSCs微環(huán)境

研究發(fā)現(xiàn)在急性骨髓性白血病中存在白血病干細胞(LSCs)[1,3]。LSCs表達T細胞免疫球蛋白、黏蛋白和(或)巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)受體等膜蛋白[3]。如在正常骨髓HSCs中觀察到的那樣，LSCs定位于能大量觀察到成骨細胞的區(qū)域，在骨內(nèi)膜這樣的微環(huán)境中，LSCs被誘導(dǎo)休眠。最近報道巨核細胞可以通過提供TGFβ、FGF1和促血小板生成素作為微環(huán)境因素來維持HSCs干性[3]。而研究表明除末端分化細胞外，慢性LSCs衍生的柱狀細胞樣的細胞也是LSCs微環(huán)境的組成部分。

多發(fā)性骨髓瘤中的B淋巴細胞系細胞集聚在骨髓處而不是淋巴結(jié)處。在此腫瘤微環(huán)境中，成骨細胞、間充質(zhì)祖細胞和活化的破骨細胞數(shù)量較少，但能觀察到大量血管，這些血管微環(huán)境促進CSCs增殖。因此表明血管微環(huán)境是促進CSCs生長增殖主要微環(huán)境因素。

2.2.4 癌細胞接種模型

研究表明休眠狀態(tài)的CSCs通常與腫瘤復(fù)發(fā)相關(guān)，因此休眠狀態(tài)CSCs的調(diào)控方案對于預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)至關(guān)重要[3]。而活化狀態(tài)的CSCs通常與癌細胞擴散聯(lián)系緊密，針對這一問題，如何設(shè)計高效的CSCs靶向療法并將其應(yīng)用于腫瘤治療及預(yù)防惡化是目前癌癥治療的研究熱點之一。

研究人員在比較有較高自我更新活性的胚胎HSCs和成熟休眠HSCs的基因表達時，發(fā)現(xiàn)與合成致死突變體(SLD)共同起作用的配偶體(PSF1)在活性HSCs上表達[19]。雖然PSF1的功能尚未得到精確的闡明，但可以確定的是PSF1在未成熟干細胞的增殖中起重要作用，因為PSF1缺陷小鼠由于缺乏外胚層細胞增殖而顯示出胚胎致死性[19]。HSCs快速增殖對骨髓重建的失敗，會導(dǎo)致7天內(nèi)小鼠100%致死[19]。人類胚胎干細胞(ESC)能表達SLD5，且PSF1表達與人類前列腺癌的組織學(xué)惡性程度相關(guān)?？傊琍SF1和SLD5參與未成熟干細胞的增殖，可作為檢測活性CSCs的標志物。

基于以上證據(jù)，在PSF1啟動子的轉(zhuǎn)錄控制下，通過增強的綠色熒光蛋白 (EGFP)達到對PSF1陽性癌細胞的可視化。發(fā)現(xiàn)與低PSF1癌細胞相比，EGFP陽性癌細胞具有更高的致瘤性、轉(zhuǎn)移性和侵襲性，并且在基因表達方面顯示出ESC樣信號[19]。在癌細胞接種小鼠模型中PSF1可以標記活化狀態(tài)CSCs。而PSF1標記的高陽性癌細胞定位在人類和小鼠腫瘤模型組織中的血管附近。這表明血管微環(huán)境支持CSCs的干細胞活性。

3 CSCs微環(huán)境調(diào)控

CSCs微環(huán)境方面的研究使人們對于腫瘤發(fā)生發(fā)展機理的認識越來越深入，啟發(fā)人們探索腫瘤治療的新途徑。針對 CSCs開發(fā)的分子靶向藥物作用于機體時會誘導(dǎo)細胞的藥物外排泵功能，降低細胞對藥物的敏感性，使之產(chǎn)生耐藥性，不能殺死所有CSCs[3]。因此CSCs的耐藥性是癌癥治療過程中迫切需要解決的問題，也是有效抑制腫瘤的關(guān)鍵。而利用CSCs特異性表達靶向分子的免疫療法，通過調(diào)動機體的免疫系統(tǒng)，增強機體的抗腫瘤免疫力來達到抑制和治療腫瘤的效果，有可能是治療腫瘤的有效途徑。除此之外，考慮腫瘤微環(huán)境，通過微環(huán)境實現(xiàn)對CSCs的調(diào)控，從而抑制腫瘤發(fā)展或延遲復(fù)發(fā)也可能是實現(xiàn)有效治療腫瘤的方案之一[20]。由于已分化癌細胞對抗癌藥物比CSCs更敏感，還可以通過誘導(dǎo)CSCs分化為癌細胞然后再進行腫瘤治療，而這種誘導(dǎo)分化可能通過改變腫瘤微環(huán)境以及抑制干細胞因子來實現(xiàn)。

藥物在腫瘤治療時被輸送到治療區(qū)域發(fā)揮作用，但在此期間CSCs通過與微環(huán)境相互作用獲得耐藥性，因此，這種互動的中斷對于腫瘤治療至關(guān)重要。在微環(huán)境調(diào)控方面，消除微環(huán)境因素可能會對正常細胞產(chǎn)生嚴重的副作用，如血管破裂導(dǎo)致無效的藥物遞送和缺氧，誘導(dǎo)癌細胞的惡性發(fā)展[3]。因此腫瘤脈管系統(tǒng)的正?；赡苁亲詈玫慕鉀Q方案。此外，由于M2巨噬細胞促進腫瘤發(fā)展，而M1巨噬細胞抑制癌細胞增殖，所以應(yīng)該選擇將M2巨噬細胞轉(zhuǎn)化為M1巨噬細胞的腫瘤治療策略。因為周細胞的損失促進癌細胞(可能是CSCs)的轉(zhuǎn)移，周細胞對ECs的緊密黏附可能阻斷癌細胞轉(zhuǎn)移，所以周細胞是抑制CSCs轉(zhuǎn)移的微環(huán)境調(diào)控對象。因此，可以通過多種途徑來調(diào)控CSCs微環(huán)境，并通過微環(huán)境精密監(jiān)控達到對CSCs靶向治療。

4 結(jié)論與展望

CSCs微環(huán)境中的Wnt、間質(zhì)細胞、再生血管及炎癥細胞維持CSCs干性并調(diào)控其分裂機制，參與腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及復(fù)發(fā)等多種過程，在結(jié)腸癌、乳腺癌、白血病等癌癥病變中均有體現(xiàn)。微環(huán)境方面的研究使人們對于腫瘤發(fā)生發(fā)展機理的認識越來越深入，也啟發(fā)人們探索腫瘤臨床治療的新途徑。癌癥治療傳統(tǒng)方法雖能短時間內(nèi)殺死大量癌細胞，但造成機體組織損傷，并對初次治療后的腫瘤短時間內(nèi)急劇復(fù)發(fā)埋下禍端。而CSCs微環(huán)境相關(guān)療法，有望在大量研究及臨床驗證后，實現(xiàn)與腫瘤傳統(tǒng)療法相結(jié)合，從而在癌癥治療過程中有效殺死癌細胞、限制CSCs數(shù)量并延遲或預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)。