骨髓间充质干细胞对肿瘤细胞的生物学行为的影响

宋关斌，李晓娜

（重庆大学生物工程学院，重庆 400044）

干细胞的研究和应用是21世纪生命科学中最令人瞩目的领域之一，在组织器官移植、细胞治疗和基因治疗中具有重要的意义。骨髓来源的间充质干细胞（Bone marrow-derived mesenchymal stem cells,MSCs）具有高度自我更新和多向分化潜能，易于体外分离、培养、扩增，容易导入外源基因，具有极好的迁移能力、肿瘤趋向性、较弱的免疫源性和免疫调节功能，这些特性使之成为肿瘤生物治疗的首选载体，已经被广泛用于多种肿瘤治疗的研究。

但是，MSCs和肿瘤之间的关系存在双向性。肿瘤吸引骨髓或其他部位来源的MSCs，到达肿瘤部位的MSCs作为肿瘤微环境组分，通过向间质成分分化和分泌一系列可溶性因子与肿瘤细胞相互作用，参与肿瘤组织的构建和新血管形成，影响肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭行为[1]。同时，MSCs的免疫特性可能有助于肿瘤的免疫逃逸。虽然MSCs在癌症以及其他疾病治疗方面显示出诱人的应用前景，但其潜在的恶性转化能力和致瘤性使其在临床应用中也存在很大的风险。本文主要介绍骨髓来源的MSCs对肿瘤增殖、迁移等生物学行为的影响以及MSCs在肿瘤治疗方面的应用。

1 MSCs的生物学特性

MSCs是来源于中胚层的一类具有高度自我更新能力的多能干细胞，主要存在于全身结缔组织器官和骨髓组织中，胎儿脐血中亦可分离得到。MSCs作为多能干细胞在特定条件诱导下可以分化为中胚层的成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、心肌细胞、肌腱细胞等，同时还可以向外胚层的神经细胞以及内胚层的卵圆形卫星细胞分化[2]。MSCs表达多种表面标记白细胞分化抗原，如CD29、CD44、CD73、CD90、CD105、CD106和 STRO-1呈阳性，也表达多种黏附分子如血管内皮细胞黏附分子（VCAM）、细胞间黏附分子（ICAM）和淋巴细胞功能相关抗原-3（LFA-3）等，但不表达CD11、CD31、CD45等造血谱系的标记以及MHC II类抗原和T细胞共刺激分子B7[3]。MSCs能够分泌IL-6、IL-8、CCL5（RANTES）、 VEGF 、 TIMP-1、 TIMP-2、MCP-1等多种细胞因子和生长因子以及细胞外基质蛋白，并可通过这些细胞因子作用引起肿瘤生长、转移行为变化[4]。

2 MSCs的肿瘤趋向性

正常情况下，MSCs在体内向多种组织器官定向移动，主要迁移至骨髓。在一些病理条件下，MSCs被“损伤信号”优先招募到炎症、组织损伤和肿瘤形成部位[5]。肿瘤被认为是一种不可修复的损伤，已有许多研究表明MSCs具有肿瘤趋向性。静脉注射的MSCs可以归巢到肿瘤组织并可整合到肿瘤组织中，有助于肿瘤基质的形成。当把标记的MSCs注射到老鼠的骨髓中，可发现它们在远端的肿瘤基质部位转变成肿瘤关联的纤维母细胞[6]。肿瘤细胞产生的趋化因子TGF-ss1、IL-8、NF-3和生长因子EGF、HGF、bFGF、PDGF以及它们的受体均对MSCs有募集作用[7-9]。研究发现MSCs体外迁移主要受SDF-1和CXCR4的调控并与肝细胞生长因子（HGF）-c-met轴以及基质金属蛋白酶MMP2和TIMP3的表达有关，此外肿瘤和创伤组织中均有较高的CXCR4/SDF-1基因表达，可能在体内MSCs归巢中发挥着重要作用[8]。肿瘤局部微环境可能成为了MSCs定向迁移的必要信号，提高了MSCs向肿瘤组织归巢的能力。目前MSCs向肿瘤定向迁移的机制所知甚少，但已有研究证明MSCs向肿瘤的定向迁移依赖于细胞因子/受体，SDF-1/CXCR[10]、SCF-c-Kit[11]、 HGF/c-Met[12]、 VEGF/VEGFR[13]、PDGF/PDGFr[10]、MCP-1/CCR2[14]、HM－GB1/RAGE[15]以及相关细胞粘附分子[10]。因此，阐明MSCs向肿瘤归巢的详细机制是肿瘤细胞与干细胞相互作用研究领域的重要研究内容之一。

3 MSCs与肿瘤

MSCs通过向肿瘤组织的归巢和向间质成分分化，从而改变肿瘤微环境，在很多方面调节肿瘤细胞的生长转移侵袭行为。

3.1 MSCs参与肿瘤基质构建

MSCs归巢到肿瘤组织后，能分化为肌纤维母细胞、内皮细胞、外膜细胞、炎症性细胞等，形成一个有助于肿瘤生长的微环境。在体内跟踪标记的MSCs，发现MSCs能分化为纤维母细胞、外膜细胞和肌纤维瘤。同时，在肿瘤聚集部位，MSCs能转变成TAF或癌关联纤维母细胞[16-17]，这些细胞显示肌纤维瘤特征，表达纤维母细胞激活蛋白（FAP），同时表达与侵袭有关的细胞外基质蛋白、细胞外基质重构酶和生长因子。把MSCs暴露于肿瘤条件培养基或把MSCs皮下注射患有肿瘤的老鼠体内，均显示肿瘤关联纤维细胞标记分子[16]。

3.2 MSCs与血管新生

血管新生是肿瘤发生发展过程中的重要环节。MSCs分泌多种促血管生成因子，如VEGF、IL-6、IL-8、TGF-β、PDGF、bFGF、FGF-7 等[8]。MSCs通过旁分泌途径对内皮细胞产生作用，通过分泌生长因子和细胞因子促进血管的形成。当组织损伤时，TGF-α的表达上调，通过激活MEK激酶和磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3-K），在上皮恶性肿瘤的转化过程中起关键作用[18]。由MSCs产生的VEGF在体外诱导脐带血管内皮细胞的生成，在人胰腺癌中增加肿瘤血管密度[19]。越来越多的研究证明，MSCs可以分化为内皮细胞、平滑肌细胞等，直接参与肿瘤新生血管的形成。

3.3 MSCs对肿瘤生长的影响

MSCs对肿瘤生长的作用受多方面因素影响，包括注射方式、注射时机、细胞浓度、肿瘤品系和生长状态等。在一些动物肿瘤模型中，如黑色素瘤[18]、结肠癌[19]、多发性骨髓瘤[20]、肺癌和胶质母细胞瘤[21]，外源性的MSCs促进肿瘤的形成。MSCs的免疫抑制作用可能有助于肿瘤的生长，MSCs通过分泌IL-6诱导STAT-3的表达来抑制中性粒细胞凋亡，并且影响吞噬作用或中性粒细胞粘附分子的表达[22]。

然而，也有研究发现与上述促肿瘤作用相反的结果，MSCs可能通过多种机制抑制肿瘤的生长。实验发现高浓度的MSCs能诱导血管内皮细胞凋亡，抑制肿瘤细胞增殖，这一结果揭示MSCs功能的多面性和复杂性[23]。MSCs对肝癌细胞的生长有抑制作用，能够延长肝癌大鼠模型的生存期[24]。MSCs静脉注射到卡波西肉瘤裸鼠后，抑制卡波西肉瘤的生长。进一步研究发现体外共培养MSCs和卡波西肉瘤，通过抑制PI3K-Akt信号途径中Akt蛋白激酶活性，抑制卡波西肉瘤细胞的增殖[25]。有研究发现小鼠MSCs上清液可抑制小鼠肉瘤细胞S180的生长并诱导细胞凋亡，其机制可能与上调p53、下调bcl-2基因的表达有关[26]。人们对于MSCs在肿瘤生长方面呈现出不同作用的原因，目前还不清楚。

3.4 MSCs对肿瘤迁移的影响

转移是恶性肿瘤的重要生物学特征。MSCs对不同肿瘤细胞迁移行为的影响机制也不尽相同。Karnoub等通过试验发现[27]，低转移性乳腺癌细胞和MSCs一起注射到动物模型内，增加了乳腺癌细胞在动物体内的转移能力，进一步研究发现，乳腺癌细胞可直接诱导MSCs过表达CCl5，再通过与肿瘤细胞表面相应受体CCR5作用，增强肿瘤细胞运动、侵袭和转移能力。Molloy等发现诱导MSCs向成骨细胞分化过程中CCl2的表达显著增加[4]，而将MSCs和乳腺癌细胞直接共培养后，癌细胞的迁移能力显著增加。有研究发现MSCs和肿瘤之间的作用机制可能取决于一些早期信号途径如IL-6/STAT3信号通路的作用。

肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TRAIL）是一种能选择性诱导肿瘤凋亡的跨膜蛋白，但对大多数的正常细胞无杀伤作用。Loebinger等在肺转移性癌模型中发现[30]，MSCs产生的TRAIL能杀死癌细胞或抑制癌细胞的转移。此外，MSCs的分化状态也可以影响肿瘤细胞的存活，在体外，分化状态的MSCs产生的Leptin（瘦蛋白）通过激活STAT3信号通路和MAPK通路来促进肿瘤存活[31]。脐带或脂肪来源的MSCs静脉注入患乳腺癌的大鼠后抑制癌细胞凋亡[32]。

MSCs影响肿瘤迁移的分子基础目前还知之不多。有研究表明MSCs可以改变细胞的粘附。Murai等研究发现ADAM10通过切割胞外粘附蛋白如CD44、E-钙粘素 1（E-cadherin）、趋化因子配体（CX31）调节细胞粘附和迁移[33]，过表达ADAM-10已经在许多肿瘤中有报道，表明这种蛋白可能与癌症的发生和转移有关。Dittmer等将绿色荧光蛋白标记的hMSCs与乳腺癌混合在一起[33]，发现hMSCs改变乳腺癌的形态，同时乳腺癌细胞的粘附能力减弱，运动能力增强。进一步研究该机制发现E-钙粘素脱落和hMSCs引起的迁移可以由ADAM10的抑制剂G1254023X和ADAM10特定的小分子干扰RNA阻断，表明E-cadherin/ADAM10确实是hMSCs操纵乳腺癌细胞迁移的一个主要途径。

3.5 MSCs可转化形成恶性肿瘤细胞

干细胞巢即干细胞生存的微环境，巢的成分改变可能导致正常干细胞恶性转化。已有研究报道MSCs在体外长期培养能自发发生恶性转化[34]，表明干细胞微环境的改变可能导致干细胞分化受阻并恶意增殖。张亚兰等将MSCs与C6胶质瘤细胞在体外非接触共培养后发现[34]，MSCs既具有胶质瘤细胞的形态及特征，又获得肿瘤细胞的相关生物学特征，说明肿瘤微环境中的某些细胞因子可以使MSCs增殖分化的调控失调，进而引起其肿瘤转化。Rubio等研究发现人脂肪来源的MSCs培养4～5个月后[35]，通过连续上调c-myc和下调p16基因表达发生自发转化。Aguilar等研究发现[36]，将在体外传培养的鼠MSCs静脉注射动物体内，MSCs增殖失调，在肺泡微环境中形成肿瘤。

近来研究认为肿瘤可能起源于肿瘤干细胞。人们已从多发性骨髓瘤、恶性黑色素瘤、肺癌、前列腺癌以及胰腺癌中分选出肿瘤干细胞。肿瘤干细胞与成体干细胞存在相似性，这部分细胞具有干细胞的特性，如自我更新、增殖以及分化能力。细胞自我更新途径中的突变是肿瘤干细胞形成的重要因素，干细胞内外环境均可引起自我更新途径的突变，导致肿瘤干细胞的形成。

4 MSCs与肿瘤治疗

MSCs不仅具有体外增殖及多向分化潜能、低免疫原性等特点，而且其在体内具有趋瘤性，对肿瘤细胞的增殖迁移等方面的影响，使MSCs有可能成为新一代肿瘤基因治疗的细胞载体，介导肿瘤信号转导、促凋亡基因、抗癌基因、TNF等多种目的基因的肿瘤治疗。MSCs可以作为药物载体运输抗肿瘤药物到恶性肿瘤内部，Komarova等把转染人工受体的MSCs与肿瘤标记（erbB2）捆绑到一起[37]，这种转染人工受体的MSCs细胞具有更好的肿瘤趋向性，从而增加肿瘤靶向给药的功效。临床试验肿瘤微环境中的MSCs产生的细胞因子可作为肿瘤治疗的靶向目标，IL-6作为目标基因在骨髓瘤的临床试验中取得了很好开端[38]。

目前在临床应用的大剂量化疗结合自体干细胞移植来治疗肿瘤，对MSCs的安全性提出了质疑。MSC具有的潜在的恶性转化能力，在一定的条件可能会形成肿瘤，同时会促进一些肿瘤系的生长和转移[39]，因此MSCs在临床研究中必须考虑这些潜在的不良反应，也使得MSCs在抗肿瘤的治疗中扮演不确定的角色。

5 结语

MSCs具有形成肿瘤干细胞niche的能力，促进肿瘤细胞增殖的潜能。MSCs有助于吸引肿瘤细胞到骨髓，它们调节肿瘤的凋亡、血管生成、免疫平衡作用，同时促进肿瘤的增殖、存活、抗药性。MSCs与肿瘤的“敌友”关系目前还没有明确的结论，可能与MSCs的来源以及MSCs分化程度、肿瘤的类型等有关。MSCs和不同类型肿瘤细胞之间的作用机制尚需深入的研究，随着研究的深入MSCs在肿瘤治疗中会发挥重要的作用，进一步明确MSCs与肿瘤发生发展的关系，将为MSCs合理的应用提供更好的保障。

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