肿瘤干细胞的起源_蒋东海
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Journal of Practical Oncology Vol . 22 No . 62007
肿瘤干细胞的起源
蒋东海 综述, 隋梅花, 范伟民 审校
(1. 浙江大学医学院附属邵逸夫医院, 浙江杭州310016;
2. 南卡来罗纳医科大学病理和医学实验室, 美国, 南卡来罗纳州, 查尔斯敦, SC29423)
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1, 2
关键词:肿瘤干细胞; 自我更新; 细胞分裂; 细胞微环境
中图分类号:R 730. 21; Q 254 文献标识码:A 文章编号:1001-1692(2007) 06-0542-04
长期以来, 肿瘤的发生和发展被认为是渐进的、多步骤、多环节的过程。例如基因突变的发生及其累积导致正常体细胞的信号转导及生长调控发生紊乱, 促使细胞转化并进一步发展成为肿瘤细胞。肿瘤细胞曾被认为都具有无限增殖和再次形成肿瘤的能力。然而近年来, 越来越多的研究结果表明肿瘤组织中绝大多数肿瘤细胞没有或仅具有有限的增殖能力, 而另外一小部分有致瘤性的肿瘤细胞则具备某些与干细胞相似的特性, 如可增殖分化、自我更新、不对称分裂等, 因此这种具有致瘤性及类干细胞特性的肿瘤细胞被称为肿瘤干细胞(cancer stem
[2]
随着干细胞和肿瘤研究的深入, 研究人员提cell ) 。
出了肿瘤起源于肿瘤干细胞的理论[3～6], 认为肿瘤干细胞是决定肿瘤形成及转移的肿瘤细胞群体, 也
是肿瘤临床治疗中是最重要的靶细胞。本综述将侧重于肿瘤干细胞的基础理论及肿瘤干细胞起源的研究现状。
1 肿瘤干细胞的概念及其假说
事实上, 肿瘤干细胞的概念最早可以追溯到一个半世纪之前。早在19世纪中叶, 病理学家们在显微镜下观察肿瘤组织时发现有些肿瘤组织在形态上与胚胎组织具备很多相似性, 提示肿瘤细胞可能起源于胚胎样细胞, 或胚胎样残留细胞或组织(do rmant embryonic-tissue remnants) 能被激活并发展成为肿瘤组织。这一理论进一步详细阐述为肿瘤的“胚胎性剩余假说”(embryo nal -rest hypothesis ) [7]。从大约半个世纪以前, 研究人员先后发现在血液肿瘤和实体瘤组织中只有很少量的肿瘤细胞具有在体内外成瘤能力
[8, 9]
[1]
胞理论。
肿瘤干细胞是一个功能性的概念, 指具有自我更新能力, 能分裂生成新的致瘤性肿瘤细胞及异质性肿瘤群的肿瘤细胞, 即肿瘤干细胞将移植后, 能发展成为由新的肿瘤干细胞和非致瘤性肿瘤细胞组成
的肿瘤组织。因此, 单个肿瘤干细胞即具备转移肿瘤或移植后形成新肿瘤的功能。从肿瘤干细胞概念延伸而出的肿瘤干细胞假说, 认为肿瘤是一种干细胞疾病, 是具有成瘤能力的肿瘤干细胞增殖而成的异常组织。肿瘤组织中大部分肿瘤细胞没有或仅有有限的增殖能力, 经短暂的分化后即死亡, 而少部分肿瘤干细胞可无限增殖, 自我更新并具有多种分化潜能。肿瘤干细胞可能在肿瘤的的形成、生长、浸润、转移及复发中起着关键性作用[2, 3]。肿瘤干细胞概念及其理论的提出对肿瘤学的诸多方面, 如肿瘤生物学和治疗学等都产生了深远的影响。2 肿瘤干细胞分离和鉴定
肿瘤干细胞最早从急性髓性白血病(acute m yelog enous leukem ia, AM L) 患者的血液中分离。1997年Bonnet 等利用细胞表面标记物的不同, 将AM L 中的肿瘤干细胞与其它只具备有限增殖能力的肿瘤细胞进行区分。其研究结果显示, AM L 患者血液中分离出的占全部白血病细胞不足0. 2%的
++-CD 34CD 38表型肿瘤细胞, 具有与正常血液干细胞相似的表型, 并能不断增殖分化和自我更新。在进
[4]
一步的动物实验研究中, 他们发现只需5×103个CD34
++
CD38表型细胞就能在NOD/SCID 小鼠体
-
, 尤其是近年来研究人员从多种肿瘤中将肿瘤
[4]
内形成白血病, 而CD34++CD38+表型的肿瘤细胞数量高达5×105时也未能诱导肿瘤。随后, 肿瘤干细胞
[5]也在一些实体瘤中得到分离。Al -Hajj 等分离得到
干细胞成功分离, 最终演变发展成目前的肿瘤干细
收稿日期:2007-01-30
作者简介:蒋东海(1984-) , 男, 湖南永州人, 浙江大学医的表型为CD44CD24
+-/low
Lineage-的致瘤性乳腺肿
瘤细胞仅占全部乳腺肿瘤细胞的2%, 只需200个该
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及增殖分化。对称分裂产生相同的子代细胞, 可以是子代干细胞或子代已分化细胞, 而不对称分裂同时产生子代干细胞和子代已分化细胞, 在分化的同时维持稳定的干细胞数量。有研究结果表明正常干细胞不对称分裂受阻时将促进肿瘤生成[21, 22]。3. 2 肿瘤干细胞起源于分化祖细胞和成熟体细胞假说 目前也有研究结果提示肿瘤干细胞可能起源于已分化的祖细胞或成熟体细胞, 或上述细胞在某些情况下能获得类干细胞的特性, 从而诱发肿瘤生成。例如, 大鼠成熟肝细胞经标记后用致癌剂处理, 数周后发现这些被标记细胞表达了癌前期细胞表面标记物[23]。在INK 4A 、ARF 功能缺失及EGFR 通路活化同时存在的情况下, 体外培养的已分化的星形胶质细胞和神经干细胞都能发展成恶性神经胶质瘤。这些研究事实提示在特定条件下, 已分化祖细胞以及发生逆向分化的成熟体细胞可能演变为肿瘤干细胞[24, 25]。同样的, 上述促使正常干细胞恶性转化的诸多因素, 如基因突变和染色体变异、微环境影响和致癌物的存在, 以及正常细胞生长调控通路的失控等等, 也可能是导致分化祖细胞和成熟体细胞转化为肿瘤干细胞的因素。
3. 3 肿瘤干细胞起源于异常的融合细胞假说 在发育学和生理学范畴, 细胞与细胞的融合在很多情况下是维持正常发育和生理功能的基础。例如, 受精过程是卵子和精子的融合。然而, 研究证明多种肿瘤细胞具有可融合性, 且肿瘤细胞之间, 或致瘤细胞与正常细胞(包括正常干细胞) 之间发生的细胞融合, 将导致遗传物质重组和发生变化, 并可能赋予所生成的杂合细胞一些新的生物学特性, 如肿瘤恶性程度增加、易转移及对抗肿瘤治疗产生耐受性等等[26, 27]。如移植的肾源性干细胞能游走至皮肤, 与皮肤角质层细胞融合并发生转化。细胞融合的形式多样, 所生成的杂合细胞可具有单个或多个细胞核。目前已知的能够促进细胞间融合的因素包括CD 44、
[28]
CD 47, 以及巨噬细胞融合受体。此外, 一些化学因子和细胞因子, 如IL-4, 也被证实能够促进细胞融合过程的发生。许多肿瘤组织中存在IL -4受体高表[18]
比之下, 20000个其它表型的乳腺肿瘤细胞也未能在NOD /SCID 小鼠模型中形成移植瘤。Singh 等[6]从不同类型脑肿瘤中分离出表型为CD133+的脑肿瘤干细胞, 具有与正常神经干细胞相似的细胞表面标志, 增殖分化和自我更新能力很强, 并已证实少于100个脑肿瘤干细胞即能在增殖分化以形成新的脑肿瘤。
目前, 借助细胞表面某些功能和免疫相关的特异性标记物及相关技术, 研究者们已相继在乳腺癌、肺癌、视网膜母细胞瘤、胰腺癌、肝癌, 恶性黑素瘤、前列腺癌、大肠癌, 脑肿瘤及头颈部鳞癌等癌组织中分离鉴定出肿瘤干细胞[10～14]。3 肿瘤干细胞的起源
尽管已有越来越多的研究工作为肿瘤干细胞的存在及其重要性提供依据, 人们对肿瘤干细胞的起源尚未有定论[15]。目前认为肿瘤干细胞可能有多种细胞起源。
3. 1 肿瘤干细胞起源于干细胞假说 肿瘤干细胞与正常干细胞存在的诸多相似性[2, 16], 如都具有多分化潜能及自我更新能力, 并共享多种重要信号通路的调控等等, 使人们提出肿瘤干细胞起源于正常干细胞的假说并逐渐积累相关的证据。白血病干细胞具有和造血干细胞相似的细胞表面标记物, 为这一假说提供了支持。在另一项研究中, Houghton 等[17]发现螺旋菌(H eliobacter py lori ) 引起的胃肠道感染引发了骨髓干细胞大量流入感染部位, 这可能是一种机体试图修补受损胃肠上皮层的生理性反应。然而有趣的是, 实验结果发现这些外来的骨髓干细胞, 而不是原有的胃肠道上皮细胞, 最终发展成胃肿瘤。
肿瘤干细胞来源于干细胞的假说认为, 正常干细胞的自我更新能力使其长期存在并不断分裂分化, 而成熟细胞存活半衰期相对较短, 因此干细胞比成熟细胞更容易积累多次突变, 从而演变为肿瘤干细胞[18]。诱导正常干细胞演变为肿瘤干细胞的因素可能包括细胞内基因突变及染色体变异, 细胞微环境影响如感染、损伤、某些促生长因子或致癌化学物质等, 以及严格调控正常干细胞生长分化的信号通路发生失控[2, 16, 19]。如WNT 、SHH 、Notch 、PTEN 、BM I1、INK4A 、ARF 等信号通路参与调控正常干细胞的自我更新, 而上述信号通路的变异或失控可促进肿瘤生成, 即干细胞的自我更新的调控机制发生紊乱会促进肿瘤生成[16, 20]。另一方面, 正常干细胞[17]
达, 例如神经胶质瘤, 这提示IL -4受体可能促进神经胶质瘤的细胞间融合。因此, 异常的细胞融合产生的杂交细胞被认为是具有类干细胞特性的肿瘤干细胞的可能来源[29]。
3. 4 肿瘤干细胞起源于发生水平基因转移的异常细胞假说 水平基因传递(hor izontal gene transfer,
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其子代的细胞中的过程, 因此HGT 能导致一些“危险基因”在不同种属间传递。相对的, 垂直基因传递(v ertical gene transfer , VGT ) 指遗传物质从祖代转至其后代细胞中的过程。目前已知真核细胞可以通过细胞吞噬和吞饮过程来完成水平基因传递。例如, 肿瘤细胞发生细胞凋亡时, 其产生的凋亡小体会被周围细胞通过胞吞作用等方式清除。有研究发现肿瘤细胞的凋亡小体可使p53缺失的成纤维细胞在体外形成克隆集落, 并在体内诱发肿瘤[30]。此外, 肿瘤细胞本身也被证实具有很强的吞噬和吞饮功能。这些研究结果提示水平基因转移可能与肿瘤及肿瘤干细胞的发生有密切联系。5 小 结
肿瘤干细胞是一个功能性概念, 其历史可以追溯至一个半世纪前, 并伴随着肿瘤学和干细胞学的发展逐渐演变而来。肿瘤干细胞是指具有自我更新能力, 能分裂生成新的致瘤性肿瘤细胞及异质性肿瘤群的肿瘤细胞。目前肿瘤干细胞已经相继在血液病和多种实体肿瘤中得到分离。尽管目前对于肿瘤干细胞的起源尚存在很多争议, 而肿瘤干细胞的生物学特征也无明确和公认的阐述, 但肿瘤干细胞概念及其学说的建立已对肿瘤学基础理论和临床治疗等诸方面产生了深远的影响。如肿瘤干细胞理论为肿瘤异质性提供了新的解释, 即具有自我更新、不断增殖及多分化潜能等特性的肿瘤干细胞是导致肿瘤异质性的潜在机制之一, 而传统肿瘤学认为异质性是肿瘤细胞进行性基因突变的结果。目前有研究结果提示肿瘤干细胞可能起源于正常干细胞, 也可能起源于已分化的祖细胞或成熟体细胞(图1) , 但无论起源于何种细胞, 前肿瘤干细胞须获取诸多类干细胞的特性, 如无限增殖与分化、自我更新等。因此, 探索肿瘤干细胞起源的切入点之一是进一步探讨细胞在转化为肿瘤细胞过程中获得类干细胞特性的
机制。
参考文献:
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传统肿瘤治疗的对象是肿瘤实体, 手术、化疗、放疗等治疗手段可减灭瘤体并不同程度抑制肿瘤生长, 但存在疗效有限及容易复发的问题。区别于传统的肿瘤学, 肿瘤干细胞理论认为肿瘤是一种干细胞疾病, 是具有成瘤能力的肿瘤干细胞增殖而成的异常组织。因此从某种角度上来讲, 只有杀死全部肿瘤干细胞才能最终治愈肿瘤。研究证据显示白血病干细胞是治疗白血病的主要靶点。而正常干细胞与肿瘤干细胞之间的相似性是以肿瘤干细胞为靶向治疗肿瘤的主要障碍之一。因此, 如何准确地鉴别肿瘤干细胞并与正常干细胞区分, 已成为肿瘤干细胞研究领域中的重要问题之一。现有的肿瘤干细胞鉴定主要依靠SP (side population ) 分析法或依据细胞表面特异性标志物[5, 6, 10～14, 31]。SP 法主要根据耐药蛋白表达多少来区分细胞, 误差较大。而依据干细胞多表面特异性标志物, 则很可能无法区分正常干细胞与肿瘤干细胞。寻找可靠准确的肿瘤干细胞鉴定方法将对深入研究其起源及将肿瘤干细胞理论应用于临床治疗具有重要意义。
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