竇曉鑫,孔憲斌,王方園,彭瑩瑩,孟靜巖
天津中醫(yī)藥大學(xué)1研究生院,2中醫(yī)學(xué)院,天津301617
結(jié)直腸癌(colorectal cancer,CRC),包括結(jié)腸癌、直腸癌及大腸癌,是世界上最致命的癌癥之一,預(yù)計至2030年其發(fā)病人數(shù)將近220萬,死亡人數(shù)也將近110萬[1-3]。CRC也是下消化道最常見的惡性腫瘤,其腫瘤細胞群在遺傳、表觀遺傳和表型上具有明顯的異質(zhì)性[4]。盡管在疾病診斷和手術(shù)、化療等治療方面取得了快速發(fā)展,但其預(yù)后仍然很差[5]。癌癥的復(fù)發(fā)和化療耐藥是其預(yù)后差的主要原因之一[6]。抑制細胞凋亡、藥物靶向改變、腫瘤細胞異質(zhì)性和腫瘤干細胞(cancer stem cell,CSC)等因素都會導(dǎo)致化療耐藥,而化療耐藥的關(guān)鍵因素是CSC的存在[7]。CSC也被稱為腫瘤起始細胞(tumor initiation cell,TIC),是一類能夠自我更新、多系分化、克隆、腫瘤起始、維持腫瘤特性和轉(zhuǎn)移增殖的特殊細胞群體,約占腫瘤細胞總數(shù)的5%,并與許多非CSC特征相同[8-10]。人們已經(jīng)在乳腺癌、CRC、胰腺癌、肺癌、前列腺癌和腦癌中識別出來CSC[11]。結(jié)直腸癌干細胞(colorectal cancer stem cell,CRCSC)導(dǎo)致化療耐藥發(fā)生的機制多種多樣[12],包括調(diào)控相關(guān)蛋白、相關(guān)因子、信號通路、表觀遺傳調(diào)控、上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化等。而因其天然藥物提取物有較好的抗癌作用和相關(guān)抑制劑能有效清除CSC,均已被廣泛研究[13],但其作用機制仍不完全清楚。因此,綜述CRCSC化療耐藥的作用機制和相關(guān)藥物的逆轉(zhuǎn)化療耐藥,將有利于更系統(tǒng)地了解現(xiàn)在的研究狀況,也有利于尋找更有價值的臨床治療靶點[14]。
雙聚糖(biglycan,BGN)是一種經(jīng)典的細胞外基質(zhì)蛋白,在調(diào)節(jié)上皮細胞的形態(tài)、生長、遷移和分化方面發(fā)揮重要作用,是CRCSC的表面抗原之一,具有高表達的特征。用5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)處理不同BGN表達狀態(tài)的HT29和SW480細胞發(fā)現(xiàn),敲除BGN基因增強了5-FU對HT29細胞的抑制作用,而BGN過表達則減少了5-FU對HT29細胞的抑制作用;5-FU的干預(yù)降低了HT29和SW480細胞系的集落形成率;敲除BGN基因后,HT29細胞的集落形成率進一步下降,而BGN過表達則提高了SW480細胞的集落形成率。進一步研究表明BGN導(dǎo)致CRC多藥耐藥是通過激活核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)通路,而在轉(zhuǎn)染NC載體的HT29和SW480細胞中進一步證實了抑制NF-κB通路后能誘導(dǎo)細胞凋亡[15]。
RNA結(jié)合蛋白Musashi-1是結(jié)腸干細胞標志物之一,位于細胞質(zhì)中,參與胞內(nèi)核糖核蛋白(ribonucleoprotein,RNP)復(fù)合體的形成,其中包含兩個RNA識別基序(RNA recognition motif,RRM),即RRM1和RRM2。應(yīng)激顆粒(stress granule,SG)是一種RNP,能促進細胞抗應(yīng)激活動。Musashi-1過表達的HT29和HCT116細胞較對照組的半數(shù)抑制濃度(50% inhibitory concentration,IC50)增加了 2倍,其耐藥性顯著增強。進一步檢測到5-FU干預(yù)的Musashi-1過表達的HCT116細胞凋亡率明顯低于正常HCT116細胞,因此5-FU可導(dǎo)致CRCSC中Musashi-1陽性SG的形成,這表明Musashi-1通過形成SG導(dǎo)致CRC耐藥[16]。
趨化因子CXC配體2(C-X-C motif chemokine ligand 2,CXCL2)與白細胞介素-8受體β(interleukin-8 receptor β,IL-8RB)的趨化因子受體2(chemokine receptor 2,CXCR2)結(jié)合,偶聯(lián)到 GαI并促進中性粒細胞和內(nèi)皮細胞的趨化,從而促進血管生成、化療耐藥、腫瘤的生長和轉(zhuǎn)化。通過shRNA敲除伊立替康(CPT-11)耐藥(CPT-11-R)LoVo細胞的CXCL2,顯著下調(diào)了CRCSC表面抗原ALDH1、CD24、CD44和EpCAM的表達,對CPT-11的抗性則導(dǎo)致CXCL2、CXCR2的表達增加,因此LoVo細胞對CPT-11的耐藥性增強了CXCL2/CXCR2軸的表達。進一步研究結(jié)果表明了CXCL2-CXCR2軸信號是通過GαI-2和GαQ/11傳遞。這種特殊的配體-受體結(jié)合是通過GαI-2和GαQ/11信號促進CSC特性和化療耐藥細胞株的致癌作用[17]。
腫瘤抑制因子p53能夠維持細胞基因組的完整性,是腫瘤細胞中突變最頻繁的基因。p53發(fā)生突變時,腫瘤抑制功能喪失,激活了致癌功能如化療耐藥,這一現(xiàn)象被稱為突變型p53功能獲得(gain of function,GOF)。GOF能促進細胞獲得CSC特征,而CSC通過激活其標志物乙醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase,ALDH)導(dǎo)致耐藥發(fā)生。用順鉑處理已具有不同p53狀態(tài)的SW480細胞系,發(fā)現(xiàn)突變型p53表達細胞中的乙醛脫氫酶1A1(aldehyde dehydrogenase 1A1,ALDH1A1)和乙醛脫氫酶 1A3(aldehyde dehydrogenase 1A3,ALDH1A3)表達水平均高于突變型p53缺陷細胞,ALDH1A1過表達顯著抑制SW480細胞的凋亡,表明ALDH1A1參與了突變型p53介導(dǎo)的SW480細胞的化療耐藥[18]。
磷脂酰肌醇3-激酶催化亞基α(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit alpha,PIK3CA)是CRC中最常見的突變基因之一,也是磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB,也稱AKT)信號通路的關(guān)鍵激酶之一。從臨床收集的CRC病例中,PIK3CA基因的突變率為9.55%(42/440)。將CC-1細胞移植到裸鼠體內(nèi),同時用FOLFOX培養(yǎng)基[25μmol/L 5-FU和0.625μmol/L奧沙利鉑(OXA)]加或不加PI3K/AKT抑制劑進行干預(yù),單用FOLFOX表現(xiàn)出顯著的化療耐藥性,而FOLFOX與PI3K/AKT抑制劑聯(lián)合使用時,觀察到明顯的腫瘤生長抑制,提示PIK3CA突變與CRC一線化療耐藥有關(guān)。進一步實驗發(fā)現(xiàn)與野生型腫瘤相比,PIK3CA突變腫瘤組織中pAKT水平升高。同時,PIK3CA突變型腫瘤組織中G蛋白偶聯(lián)受體5(leucine-richrepeat G protein-coupled receptor 5,LGR5)和c-myc的表達水平也比野生型腫瘤高。PIK3CA突變誘導(dǎo)的PI3K/AKT信號通路的激活有利于CRCSC的存活和增殖,并參與了化療耐藥的發(fā)生[19]。
信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)信號通路的異常激活促使了癌癥的發(fā)生和發(fā)展。在5-FU干預(yù)的HCT116和SW480細胞中miRNA-196b-5p的過表達增加,而miRNA-196b-5p的過表達則降低了腫瘤球體的形成能力和抗細胞凋亡作用;在未用5-FU干預(yù)的細胞中,miRNA-196b-5p過表達減少,其沉默則提高了細胞凋亡率,同時還下調(diào)了抗凋亡蛋白B細胞淋巴瘤/白血病-2(B cell lymphoma/leukemia-2,Bcl-2)和Bcl-xl的表達。此外,單獨沉默或同時敲除負調(diào)控因子細胞因子信號抑制物1(suppressor of cytokine signaling 1,SOCS1)和細胞因子信號抑制物3(suppressor of cytokine signaling 3,SOCS3)可以挽救miRNA-196b-5p對5-FU耐藥的抑制作用。這些結(jié)果表明,沉默miRNA-196b-5p能通過靶向STAT3信號通路的負調(diào)控因子SOCS1和SOCS3抑制CRCSC的特性和化療耐藥[20]。
長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)是一類超過200個核苷酸的非編碼RNA,具有廣泛的生物學(xué)作用。lncRNA-cCSC1(基因符號為MAPKAPK5-AS1)在CRCSC中表達明顯上調(diào),提示預(yù)后不良。與HT29和HCT116貼壁細胞相比,lncRNA-cCSC1在HT29和HCT116球形細胞中的表達明顯上調(diào);與CD133-CD44-細胞相比,CD133+CD44+細胞中l(wèi)ncRNA-cCSC1的表達增加。用慢病毒載體將lncRNA-cCSC1 shRNA導(dǎo)入HT29和HCT116細胞,從表達shcCSC1和shCont的細胞中分離出CD133+CD44+細胞,并用5-FU檢測其耐藥性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與陰性對照組相比,shcCSC1表達組細胞凋亡率顯著提高。同時,經(jīng)5-FU處理后,細胞增殖能力下降,其中shcCSC1表達組細胞的增殖能力明顯降低,這些結(jié)果表明敲除lncRNA-cCSC1基因降低了細胞對5-FU的耐藥性[21]。
miRNA是一種短的(20~24個核苷酸)非編碼RNA,通過與靶向mRNA的3'非翻譯區(qū)(3'UTR)結(jié)合,能在轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)基因表達。miRNA-195-5p是CRC細胞干性和耐藥性的調(diào)節(jié)因子,在5-FU耐藥的SW620和HT29細胞中,miRNA-195-5p過表達顯著降低了P糖蛋白(P-glycolprotein,P-gp)和ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運蛋白G2(ATP-binding cassette protein G2,ABCG2)的表達;當(dāng)細胞用2 μg/ml 5-FU處理時,miRNA-195-5p降低了腫瘤球體形成率,而抗miRNA-195-5p則提高了腫瘤球體形成率。這些結(jié)果證明了miRNA-195-5p能提高5-FU耐藥CRC細胞的化療敏感性。Notch信號蛋白NOTCH2和免疫球蛋白Kappa J區(qū)重組信號結(jié)合蛋白(recombination signal binding protein for immunoglobulin Kappa J region,RBPJ)在3'UTR具有miRNA-195-5p的雙結(jié)合位點。為了進一步研究耐藥機制,有研究建立了3組SW620細胞(miRNA-Control+pcDNA3.1、miRNA-195-5p+pcDNA3.1、miRNA-195-5p+NOTCH2和RBPJ),研究發(fā)現(xiàn)NOTCH2和RBPJ能夠部分或全部下調(diào)miRNA-195-5p對干細胞標志物表達和消除球體形成的抑制作用;同時在5-FU耐藥CRC細胞中,5-FU上調(diào)了NOTCH2和RBPJ的表達,這些結(jié)果表明miRNA-195-5p能通過抑制NOTCH2和RBPJ調(diào)節(jié)CRC的干性和耐藥性[22]。
ST6β-半乳糖苷α-2,6-唾液酸轉(zhuǎn)移酶 1(ST6 beta-galactoside alpha-2,6-sialyltransferase 1,ST6GAL1)是糖基轉(zhuǎn)移酶家族的成員,形成細胞表面糖決定簇和分化抗原,其在CSC中的高表達與化療耐藥相關(guān)。從切除的CRC標本中分離出CD133+與CD133-細胞群,通過蛋白質(zhì)印跡法(Western blot)觀察到CD133+群 體表 達的ST6GAL1水平是CD133-群體的12倍。之后用Caco2和SW480細胞株建立了ST6GAL1-和ST6GAL1+細胞模型,在腫瘤球體形成實驗和克隆形成實驗中發(fā)現(xiàn),與ST6GAL1-細胞相比,ST6GAL1+細胞產(chǎn)生了更多的腫瘤球體和克隆;在用5-FU干預(yù)時,ST6GAL1+細胞在CCK-8試驗中比ST6GAL1-細胞有更好的活性;同時將細胞皮下移植到NOD/SCID小鼠體內(nèi),在體內(nèi)熒光素酶檢測時發(fā)現(xiàn),與ST6GAL1-細胞組相比,ST6GAL1+細胞組中小鼠的腫瘤更大。這些證明了ST6GAL1在CRCSC中高表達,并增強了腫瘤細胞對化療的耐受性[23]。
泛素特異性肽酶22(ubiquitin-specific protease 22,USP22)是一種脫泛素酶,與CRC的進展和化療耐藥相關(guān)。WNT/β-catenin信號通路是CSC化療耐藥發(fā)生的主要信號通路之一。在CD133+Caco2和HCT15干細胞中發(fā)現(xiàn)USP22的表達上調(diào),而USP22的表達下調(diào)顯著抑制了CRCSC的增殖。在5-FU耐藥的Caco2細胞中敲除USP22,并用5-FU干預(yù),發(fā)現(xiàn)WNT熒光素酶活性和β-catenin的表達沒有上調(diào);之后上調(diào)β-catenin,發(fā)現(xiàn)敲除USP22基因的5-FU耐藥的Caco2細胞活力完全恢復(fù)。這些證實了USP22通過WNT/β-catenin信號通路維持CRC細胞的干性并導(dǎo)致化療耐藥[24]。
缺氧是腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment,TME)的一個重要特征,能夠通過缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor,HIF)促進腫瘤細胞干化和化療耐藥發(fā)生,而腫瘤相關(guān)成纖維細胞(cancerassociated fibroblast,CAF)也參與了CRCSC的維持和化療耐藥。將CRC患者的原發(fā)腫瘤分離成單細胞群體,并建立具有干性的腫瘤球體細胞TS和TS來源的貼壁細胞TSA,把TS和TSA細胞移植到免疫缺陷小鼠體內(nèi),發(fā)現(xiàn)TS比TSA細胞具有更強的啟動腫瘤形成的能力,這證實了TS細胞是含有高度富集的CRCSC。CAF和TS細胞共培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)CAF能促進TS細胞的球形增殖能力。進一步實驗發(fā)現(xiàn),在缺氧環(huán)境中TS細胞與CAF共培養(yǎng)時對化療的抵抗力顯著增強,這可能與轉(zhuǎn)化生長因子-GLI2的異位過表達有關(guān)[25]。
上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transformation,EMT)在CRC細胞的表觀遺傳改變中起重要作用。在癌癥中,EMT與CSC的自我更新能力、腫瘤異質(zhì)性和化療耐藥有關(guān)。鋅指E盒結(jié)合同源框2(zinc finger E-box binding homeobox 2,ZEB2)與EMT、細胞周期、細胞凋亡和衰老有關(guān),在CRC細胞侵襲時高表達。用敲除ZEB2基因的HCT116細胞進一步研究發(fā)現(xiàn),通過消除SCFFBXW7-E3-連接酶活性誘導(dǎo)ZEB2/EMT導(dǎo)致CRC細胞對5-FU和奧沙利鉑化療藥物產(chǎn)生耐藥;用5-FU干預(yù)2~3個月發(fā)現(xiàn),與親本細胞相比,敲除ZEB2基因的5-FU耐藥細胞的集落形成率降低。這些結(jié)果表明ZEB2誘導(dǎo)的EMT參與了化療耐藥的發(fā)生和CSC特性的維持[26]。
活性氧(reactive oxygen species,ROS)是細胞膜、線粒體、過氧化物酶體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的NADPH氧化酶(NADPH oxidase,NOX)復(fù)合體通過多種機制產(chǎn)生的高活性、含氧的化學(xué)分子。慢性增加的內(nèi)源性ROS促使細胞轉(zhuǎn)化和腫瘤形成,而化療的細胞毒作用與誘導(dǎo)細胞內(nèi)ROS的生成有關(guān)。在用流式細胞儀檢測細胞內(nèi)ROS含量的實驗中發(fā)現(xiàn)耐阿霉素的CRC細胞LOVO/DX的內(nèi)源性ROS水平顯著低于對照組LOVO細胞,這表明了耐藥細胞和CSC的ROS含量低于藥物敏感的細胞,證實了CSC的化療耐藥與ROS的水平有關(guān)[27]。
丹酚酸B(salvianolic acid B,SALB)是從丹參中提取的水溶性酚類化合物,能夠提高CRC的臨床治療效果。在裸鼠結(jié)腸CSC異種移植模型中,LOVOCSC+OXA+SALB-低劑量(L)組比LOVOCSC+OXA組腫瘤體積小,且SALB以劑量依賴的方式抑制LOVOCSC移植瘤的腫瘤體積;在HCT116CSC+5-FU+SALB-L組和HCT116CSC+5-FU組中,HCT116CSC+5-FU+SALB-L組的腫瘤體積明顯減小,且SALB以劑量依賴的方式抑制HCT116CSC移植瘤的腫瘤體積。這些實驗結(jié)果證明了SALB能逆轉(zhuǎn)裸鼠結(jié)腸CSC異種移植模型的耐藥性,從而增加腫瘤對5-FU、OXA化療藥物的敏感性,并且SALB以劑量依賴的方式抑制腫瘤生長。在進一步實驗中發(fā)現(xiàn)HCT116CSC+SALB-L組的CD44、性別決定區(qū)Y框蛋白2(sex-determining region Y-box 2,SOX2)和 ABCG2表達水平較HCT116CSC組顯著下降,表明小劑量的SALB可以顯著抑制CRC移植瘤的CD44、SOX2和ABCG2表達,從而逆轉(zhuǎn)其耐藥性[28]。
虎杖提取物(aloysiapolystachya,AP)是一種藥用植物的提取物,已被廣泛用于治療各種疾病。腫瘤的侵襲性、化療耐藥性及細胞死亡與CSC高度相關(guān)。在實驗中發(fā)現(xiàn)與對照組相比,AP降低了HCT116和CT26細胞系的侵襲性,也減少了這兩種細胞系腫瘤球體的數(shù)量;在用5-FU和AP處理HCT116和CT26細胞時發(fā)現(xiàn),AP顯著增加了兩種細胞對低濃度5-FU的敏感性。這表明AP對CSC的抑制能力可能是逆轉(zhuǎn)5-FU耐藥的機制之一[29]。
雷戈拉非尼(Regorafenib)是一種經(jīng)過批準的特異性受體多激酶抑制劑,臨床上用于治療轉(zhuǎn)移性CRC。建立耐5-FU的CRC細胞株HCT-116R和DLD-1R,通過實驗證實了HCT-116R和DLD-1R具有較強的形成腫瘤球體的能力,其CSC標志物CD44、β-catenin和Axin-2的表達上調(diào)。用雷戈拉非尼干預(yù)HCT-116R和DLD-1R細胞發(fā)現(xiàn),雷戈拉非尼濃度達到5 μmol/L時能明顯地抑制HCT-116R和DLD-1R細胞中腫瘤球體的生成,且WNT1、NOTCH1、活化的雷帕霉素靶蛋白(Ser 2448 mechanistic target of rapamycin kinase,p-MTOR)、STAT3、Vimentin的表達降低,Bcl-2相關(guān)X蛋白(Bcl-2 associated X protein,BAX)的表達升高。而當(dāng)雷戈拉非尼和5-FU聯(lián)合應(yīng)用時,抑制兩種細胞CRC球體生成的作用最為顯著,且ABCG2、β-catenin和WNT1的表達均顯著降低,而BAX的表達顯著升高。這些表明雷戈拉非尼通過調(diào)控CRC中的WNT/β-catenin逆轉(zhuǎn)耐藥和腫瘤細胞表型[30]。
自1994年在白血病中首次發(fā)現(xiàn)CSC以來,這些細胞就被認為是治療癌癥的有前途的靶點[31]。隨后在CRC、乳腺癌、肺癌等實體瘤中也發(fā)現(xiàn)了CSC的存在[32]。而CSC常常在化療過程中不能被完全殺死,對化療藥物產(chǎn)生耐藥性,這是腫瘤復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移和患者預(yù)后不良的主要原因[33]。近年來,對CRCSC化療耐藥和致瘤特性的作用機制研究多種多樣,比如通過調(diào)控BGN、Musashi-1、CXCL2、p53、PI3K/AKT信號通 路、lncRNA、miRNA、ST6GAL1、ROS等,而這些機制的研究為早期發(fā)現(xiàn)腫瘤、開發(fā)有效靶向治療、提高患者生存率等方面提供了有效的臨床治療方向[11]。天然植物的提取物如SALB、AP、姜黃素、厚樸酚、葫蘆素等,因其安全性和靶向腫瘤細胞內(nèi)多靶點的優(yōu)勢而受到了極大關(guān)注[34]。有研究證實了相關(guān)酶的抑制劑有助于清除CSC,防止腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)[35]。
然而,要有效地解決CRCSC,還有以下幾個問題。第一,人們普遍認為CSC與胚胎、正常成人干細胞在分子機制上有相似之處,從而限制了靶向治療的潛力,因此需要尋找能區(qū)別出CSC和正常干細胞的標志物[36]。第二,現(xiàn)在的治療方法無法根除CRCSC,是因為給藥方式影響了藥物的靶點識別。有學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)CXCR4靶向毒素納米粒能夠通過觸發(fā)嗜熱性細胞死亡,有效地殺死來源于CXCR4+結(jié)腸CSC的抗凋亡腫瘤,明顯地提高將有效藥物輸送到靶細胞的效率并減少化療不良反應(yīng),這為靶向治療CRC提供了新的方向[37]。第三,許多研究發(fā)現(xiàn)天然藥物及其提取物能在常規(guī)化療的基礎(chǔ)上輔助治療CRC,通過調(diào)節(jié)蛋白表達、轉(zhuǎn)錄因子、信號通路等多靶點特異性地針對CRCSC,促使CRCSC化療增敏[38]。因此,亟需尋找更多的天然藥物及其提取物,篩選出最佳的天然藥物、藥物劑量和給藥方式,有效地用于CRC患者的現(xiàn)代治療。第四,實驗?zāi)P褪翘岣吲R床前研究質(zhì)量和開發(fā)新的治療藥物的關(guān)鍵,但用來研究CRCSC與化療耐藥機制的研究多數(shù)是在體外使用腫瘤細胞系進行的,因此為了更接近人CRC的活體情況,亟需開展使用來源于CRC患者的CSC的臨床研究[3]。第五,CRC是一種“沉默的”疾病,許多患者直到癌癥轉(zhuǎn)移后才會出現(xiàn)腸道出血、腹痛等臨床表現(xiàn),而多數(shù)CRC患者死于復(fù)發(fā)和化療耐藥,但到目前為止還沒有可用的預(yù)測生物標志物為最有可能復(fù)發(fā)和化療耐藥的CRC病例提供明確的線索,因此尋找有用的預(yù)測指標對于研發(fā)更佳的臨床治療方案更為重要[39]。