腫瘤干細胞的研究進展

馬福軍 王占東 王占紅

腫瘤干細胞(cancer stem cells，CSCs)是腫瘤組織中具有無限增殖潛能的極少量干細胞樣癌細胞亞群，腫瘤的復發、抗輻射、轉移以及耐藥等特征都可能與腫瘤干細胞有關，腫瘤治療的關鍵應是針對CSCs，以其為治療靶點，即針對干細胞的治療既要殺滅腫瘤干細胞又要保護正常干細胞。因此，針對CSCs進行靶向治療可能是未來腫瘤綜合治療最有希望的有效策略之一，將成為治療癌癥的新靶點。現在關于CSCs的研究已成為腫瘤研究的最前沿［1-4］。相信不久的將來，針對實體瘤干細胞的有效的藥物也會產生。為了提高對CSCs的認識，文本綜述如下。

1 CSCs的研究現狀

CSCs是一群具有自我更新、多潛能分化、具有啟動和重建腫瘤組織表型能力的腫瘤細胞。CSCs起源學說最早可以追溯到150年前，英國外科醫生Paget［5］早在1889年就提出了著名的“土壤與種子”學說，觀察到乳腺癌細胞因血液供應和轉移部位不同而出現差異，他推斷癌細胞(種子)只有在適合的環境中(土壤)才能生長。但直到近年由于干細胞分離技術的進步，該領域研究才得以快速進展，并使得腫瘤學研究跨入CSCs研究熱點。CSCs學說認為CSCs可能是惡性腫瘤的種子和源泉，間質、血管生成遷徙和粘附分子之間的相互作用是CSCs生長的土壤。CSCs在腫瘤形成、生長以及浸潤和轉移中起著決定性作用，只有殺死所有的CSCs才能最終治愈腫瘤，對其特性進行深入研究有助于闡明腫瘤發生、發展的機制，進而尋找徹底殺死CSCs的方法以達到最終治愈腫瘤的目的。隨著對CSCs生物學特性的進一步研究，人們逐漸認識到，消滅所有的腫瘤細胞不是目的，最主要的是消滅CSCs，因為腫瘤組織失去干細胞后，其余腫瘤組織細胞會逐步凋亡［1，2］。CSCs假說最先是由Mackillop等［6］于1983年提出，他認為在所有的腫瘤中都可能存在著一小部分細胞具有類似干細胞的特殊功能。1997年Bonnet等［7］發現表型為的急性混合細胞白血病(AML)細胞在非肥胖性糖尿病型/重度聯合免疫缺陷小鼠(nonobese diabetic/severe combined immunodeficient immunocomp romised mice，NOD/SCID)骨髓中可以形成AML，這些細胞擁有分化和增殖能力，這是第一次鑒別出人AML干細胞。借鑒AML的研究，學者們提出實體CSCs理論:惡性腫瘤組織中并非所有腫瘤細胞都具有惡性特征，僅少量腫瘤細胞在惡性腫瘤的發展過程中起著干細胞(可能為腫瘤干細胞)的作用，它們具有不斷自我更新和分化的能力，可以維持惡性腫瘤組織的生長和轉移，還可以分化成各種腫瘤細胞和非腫瘤細胞;它們在惡性腫瘤的發生、發展和轉移過程中起著決定性的作用;而腫瘤組織中大部分細胞經過短暫的分化后，即使沒有化療藥物和放射線的作用也會最終走向死亡［8］。

2 CSCs的特性

隨著干細胞研究的深入，發現CSCs和正常組織干細胞具有許多共同的特性:它們均具有自我更新能力和多向分化潛能，有類似的細胞表面標志，細胞表型兩者均表現出相對幼稚化的特性，均具有Notch、Wnt、Sonic hedgehog(Shh)等3條細胞信號傳導途徑，提示CSCs可能起源于正常的干細胞，后者通過積累突變獲得不確定的增殖能力而轉化為CSCs，再由這些CSCs的不斷增殖形成大量的腫瘤細胞并最終決定腫瘤的發生、發展與轉歸進程。CSCs具有以下幾個突出特點:(1)無限的自我更新能力。現在認為腫瘤不斷生長的另一個重要原因是干細胞自我更新調節機制中的某些基因發生紊亂，使得腫瘤組織中具有自我更新能力的腫瘤細胞的數量不斷增加，腫瘤組織能夠不斷增大。(2)高致瘤性。CSCs在體內外只要極少的數量即可成瘤，而一般的腫瘤細胞很難形成集落或體內成瘤。(3)強耐藥性。導致腫瘤治療失敗的原因很多，多藥耐藥是主要原因之一。CSCs膜上多數表達ABC轉運體家族膜蛋白，可運輸并外排包括代謝產物、藥物、毒性物質、多肽、核苷酸等物質，使許多對腫瘤非干細胞具有抑制或殺傷作用的化療藥物對CSCs殺傷作用明顯減弱。(4)特殊的生長微環境。改變CSCs的干細胞穴(tumourstem cell niche)，破壞CSCs的自我更新能力，取得了較好的療效。通過靶向抑制CSCs微環境血管生成，也可誘導腫瘤干細胞分化，從而抑制腫瘤細胞增殖。(5)異質性。腫瘤細胞是高度異質性的群甚至同一腫瘤群體的CSCs間也存在不同的特性。(6)特殊的細胞因子，如血管內皮生長因子(VEGF)、神經生長因子(NGF)、轉化生長因子(TGF-β)和血管生成素樣蛋白，其中VEGF是最有潛力的治療靶點。(7)具有廣闊的分化潛能，既在體內外具有分化成不同表型的成熟細胞能力，其子代細胞應呈現分化特征的表型及其相應的標志［9-11］。

3 CSC在腫瘤防治中的潛在價值

由于CSC的耐藥性及大多處于休眠狀態，傳統的腫瘤化療藥物只靶向正在分裂的腫瘤細胞，不能有效殺滅CSC，最終導致腫瘤復發、轉移和治療失敗。為獲得對腫瘤的有效治療，必須針對CSC進行靶向治療才有可能控制腫瘤的復發、轉移和治療失敗。因此針對CSC進行靶向治療可能是未來腫瘤綜合治療最有希望的有效策略之一［12-14］。

3.1 針對CSC表面標志的靶向治療 對于白血病而言，靶向抗原可選擇CD123分子，其表達于白血病干細胞(LSC)而非正常造血干細胞的特性很適合作為靶向治療的目標。現已應用于臨床的吉姆單抗(gemtuzumab)/奧佐米星(ozogamicin)是人源化的抗CD33單抗和細胞毒抗腫瘤抗生素刺孢霉素(calicheamicin)的偶聯物，用于治療復發的AML。利用CSC特異的表面標志及其抗體與細胞毒藥物偶聯進而殺傷腫瘤干細胞，將給腫瘤治療帶來曙光。

3.2 誘導針對CSCs的特殊免疫反應 從患者體內分離純化CSC，并進行致死性輻射后，回輸給患者以激活其抗宿主CSC的特異性免疫反應，是針對CSC的靶向治療方法之一。誘導CSCs自噬是細胞自我穩定的重要機制之二，也是一些治療過程介導的重要環節。GSCs具有不健全自噬系統成為對治療不敏感的原因之一。

3.3 信號轉導通路阻滯劑對腫瘤的抑制 正常組織和腫瘤均由相同的信號通路調節，腫瘤組織中信號轉導呈現明顯異常。Cyclopamine是shh信號通路的特異性阻滯劑，可以抑制由shh信號引起的細胞反應，其可以用于治療各種動物移植腫瘤，可引起腫瘤明顯消退，并且停藥后無復發。Hedgehog信號途徑抑制劑HhAntag具有比Cyclopamine更強的活性，在轉基因小鼠模型中能阻止成神經管細胞瘤形成。Notch信號途徑由一分泌酶控制，研究表明該酶的抑制劑具有抗過表達Notchl乳腺癌的活性。為探索腫瘤的靶向性治療提高了新的線索。

3.4 利用正常干細胞靶向CSC 神經干細胞(neural stem cell NSC)具有驚人的遷移和趨向腫瘤的能力。Brown等［15］將NSC經尾靜脈注入裸鼠神經或非神經源性腫瘤模型中發現NSC可通過周圍脈管系統遷移定位至顱內和顱外非神經腫瘤區域，包括前列腺癌和惡性黑色素瘤。因此我們是否可設想將NSC作為一種攜帶治療基因的載體，利用其趨向腫瘤的能力從而發揮抗腫瘤藥物有效的靶向治療作用。

3.5 誘導CSCs分化 促進CSCs分化可以使細胞失去自我更新能力。誘導分化是指在體內外誘導分化劑的作用下，向正常細胞或接近正常細胞方向分化逆轉的想象。其目的不是殺滅腫瘤，而是將腫瘤細胞向好的方向進行改造。1988年上海維甲酸協作組首先使用全反式維甲酸(All-Trans Retinoic Acid，ATRA)誘導分化治療人急性早幼粒細胞性白血病，獲得顯著療效，完全緩解率86%。

3.6 磷酸三腺苷結合蛋白(ATP-binding casssette，ABC)抑制劑增敏化療 CSCs和正常干細胞一樣能高效表達特異性ABC藥物轉運子。在腫瘤組織中也存在CSCs并帶有ABC轉運體，有關ABC轉運體在CSCs的功能和作用已成為目前癌癥治療中關注的焦點。惡性腫瘤難以根除的原因之一是CSCs或腫瘤中的側群(SP)細胞表達ABCG2因而形成抗藥性，導致化療治療效果不理想。因此，有可能通過抑制ABCG2在CSCs中的表達以除去CSCs從而達到治愈癌癥的目的。

總之，CSCs學說認為腫瘤中存在CSCs，是腫瘤發生、發展、侵襲、轉移及耐藥的決定因素。隨著人們對CSCs生物學特性的進一步研究，人們逐漸認識到腫瘤組織失去干細胞后，其余腫瘤組織細胞會逐步凋亡。因此，若完善腫瘤干細胞特異性標記物方面的研究，開發出可鑒定相應的診斷性試劑，在臨床上可輔助醫生對疑似病例的診斷及化療提供有力幫助。CSCs的研究盡管給腫瘤治療帶來了新的希望，但目前尚有很多不確定的因素，距離實際的臨床應用還有較大的距離，需要進行更深入的研究。

1 于欣，喬守怡.腫瘤干細胞研究進展.中國生物工程雜志，2010，30: 80-84.

2 Deonarain MP，Kousparou A，Epenetos AA.Antibodies targeting cancer stem cells-A new paradigm in immunotherapy.MAbs，2009，1:12-26.

3 AI Hajj M，Becker MW，Wicha M，et al.Therapeutic implications of cancer stem cells.Curr Opin Genet Dev，2004，14:43-47.

4 Huntly BJ，Gilliland DG.Leukemia stem cells and the evolution of cancer-stem-cell research.Nat Rev Cancer，2005，S:311-321.

5 Paget S.The distribution of secondary growths in cancer of the breast. Lancet，1889，133:571-573.

6 Mackillop WJ，Ciampi A，Till JE，et al.A stem cellmodel of human tumor growth，implications for tumor cell clonogenicassays.Journal of the national cancer institute，1983，70:9-16.

7 Bonnet D，Dick JE.Human acutemyeloid leukemia is organized as a hierarchy that originates from a primitive hematopoietic cell.Nature Medicine，1997，3:730-737.

8 宋爾衛.實體瘤中腫瘤干細胞研究進展.中山大學學報(醫學科學版)，2010，31:172-177.

9 Hermann PC，Huber SL，Herrler T，et al.Distinct populations of cancer stem cells determine tumor growth and metastatic activity in human pancreatic cancer.Cell Stem Cell，2007，1:313-23.

10 柳瑞軍，鐘竑.腫瘤轉移-腫瘤干細胞的歸巢行為.上海交通大學學報(醫學版)，2008，2:209-211.

11 凌斌，陳靜，孫潔.腫瘤干細胞與干細胞:來源、分化及其相關性.中國組織工程研究與臨床康復，2009，13:9743-9746.

12 蘇進，許新華.腫瘤干細胞生物學特性及相關研究進展.腫瘤防治研究，2010，37:474-476.

13 陳運賢，朱小玉.腫瘤治療新目標-腫瘤干細胞.中國腫瘤，2007，16: 518-520.

14 Jin L，Hope KJ，Zhai Q，et al.Targeting of CD44eradicates human acute myeloid leukemic stem cells.Nat Med，2006，12:1167-1174.

15 Brown AB，Yang W，Schmidt NO，et al.Intravascular deliveryof neural stem cell lines to target intracranial and extracranialtumors of neural and non-neural origin.Hum Gene Ther，2003，14:1777-1785.