乳腺癌干细胞耐放射性与细胞周期的关系

沈皓月，李连宏

(大连医科大学中日临床病理中心，辽宁大连 116044)

乳腺癌干细胞耐放射性与细胞周期的关系

沈皓月，李连宏

(大连医科大学中日临床病理中心，辽宁大连 116044)

肿瘤的放射疗法是一种建立在细胞周期基础上的治疗方法，乳腺癌干细胞在放疗过程中出现的G2/M期阻滞、衰老途径下调、APE1水平升高及细胞周期调控相关基因p21和p53活性等改变直接或间接导致细胞周期紊乱，均与乳腺癌干细胞的耐放射性密切相关，是分子遗传学和肿瘤生物学研究的热点。

乳腺癌;干细胞;耐放射性;细胞周期

肿瘤干细胞是癌组织中具有自我更新能力与级别分化潜能的细胞。近年来这方面的研究成果显示，对肿瘤干细胞特性及其调控机制的研究将使癌症临床治疗发生重大变化。目前临床处理乳腺癌和其他恶性肿瘤所应用的放射性治疗，一般都是以细胞周期中的瘤细胞为靶点。2006年，Phillips等［1］利用悬浮培养富集人乳腺癌细胞系MCF－7细胞，首次证实了乳腺癌干细胞的耐放射性(radiation resistance)，这个发现表明临床上对放疗敏感性低的乳腺癌类型可能与癌干细胞的耐放射性有关。故而乳腺癌干细胞的耐放射性机制及其控制，成为乳腺癌靶向治疗未来的研究方向。

1 乳腺癌干细胞

乳腺癌干细胞作为第一个在实体瘤中被鉴定出来的肿瘤干细胞一直受到广泛关注。2003年，A1－Hajj等［2］首次从人类乳腺癌组织中成功分离出表型为CD44+CD24(－/low)ESA+lin－的一群细胞，通过移植实验证明，此种表型的细胞与其他表型细胞相比，致瘤性增加了50倍，而且具有多向分化和自我更新的潜能，具有癌干细胞的特征，这一成果促进了实体瘤干细胞的研究。目前认为，乳腺癌干细胞为MCF－7细胞系CD44+/CD24－表型细胞群。

2 乳腺癌干细胞耐放射性与细胞周期的关系

Lagadec等［3］发现，人乳腺癌MCF－7细胞系经分次放疗后不仅能够继续存活下去，而且在增殖几代之后仍然保留了其自我更新的能力。并且与那些未经离子照射的没有发生增殖且主要处于G0期的乳腺癌干细胞相比，接受分次放疗后的乳腺癌干细胞反而由静止期进入了增殖期，且更加具有侵袭力，这些癌干细胞不仅能够再次成瘤，而且复发后的乳腺恶性肿瘤更容易发生转移和扩散。众所周知的是，处于分裂期的细胞比处于静止期的细胞对化疗药物要更加敏感，但是由于乳腺癌干细胞具有细胞周期长、代谢慢的特点，针对分裂细胞进行的化疗很难对其产生影响，因此临床上乳腺癌的治疗多采用放疗法。因此乳腺癌干细胞耐放射性的发现为靶向放疗提供了转机，若明确其在细胞周期中的调控机制并针对这一靶点进行治疗，可大大提高乳腺癌临床放疗的治疗效果。然而在放疗过程中，乳腺癌干细胞是如何通过调控细胞周期来逃脱凋亡，调控过程中乳腺癌干细胞细胞周期发生了怎样的改变仍在探索中。

2.1 乳腺癌干细胞耐放射性与G2/M期阻滞的关系

细胞周期(cell cycle)是细胞生命活动的基本过程，指从细胞分裂结束开始，到下一次细胞分裂结束为止的过程，DNA合成和细胞分裂是细胞周期的两个主要事件。越来越多的人意识到肿瘤细胞，即肿瘤干细胞，对放化疗等治疗方法的不敏感性是由细胞异质性造成的［4］。当增殖中的细胞进入到分化途径中时，一些肿瘤细胞即获得了无限的自我更新能力，这一特性符合正常成人的躯体干细胞特性［5］。2004 年，Kastan等［6］发现 DNA 受到损伤时，可通过几个检查点启动细胞周期延迟或阻滞机制，以便在细胞增殖过程中对发生突变的DNA进行修复。这种周期阻滞机制在正常细胞中是一种有利的保护机制，但对于肿瘤干细胞周期阻滞可能会增强细胞的耐放射性。Harper等［7］通过各项试验，证实了细胞周期调控在癌干细胞的耐放射性机制中扮演了重要角色，这些肿瘤干细胞趋于比正常细胞增殖时拥有更长的G2期，肿瘤干细胞的DNA修复能力增强。有研究对上皮癌、乳腺癌和前列腺癌等CD44高表达的亚细胞群进行观察，发现放疗后处于G2期的细胞比例相对增高。实验用流式细胞仪法对S期干细胞进行分析，发现细胞周期进程由M期退回到了G2期，以此推断出放疗后乳腺癌干细胞发生了G2期阻滞，证明了CD44高表达细胞在G2期停留的时间更久。国内最新研究也发现，放疗后乳腺癌悬浮球囊中的G2/M期细胞含量明显增加，且伴有G2期相关蛋白pCDC25C(ser216)含量的上升，说明发生了G2期阻滞［8］。G2/M期的阻滞延长了乳腺癌干细胞DNA修复的时间，使放疗辐射的促凋亡作用不能充分发挥，故而引起耐放射性。

2.2 乳腺癌干细胞耐放射性与细胞衰老的关系

近几年，有研究提出了癌干细胞是由于组织器官中正常干细胞发生基因突变、基因转换所产生的［9－12］。正常细胞具有长周期的特点，并有转变为异常细胞的可能性，故而其对DNA的修复及突变代偿能力显得十分重要。在癌干细胞中，细胞存活时间相对突变修复能力更为关键，并且是癌肿耐放射性的可能原因之一［13］。Clarke、Han 等［9，14］发现，对放疗高耐受性的乳腺癌悬浮球囊MCF－7细胞的活性氧化粒子(ROS)水平比贴壁生长的MCF－7细胞低。Diehn等［15］发现，正常乳腺上皮干细胞中的活性氧粒子(ROS)水平低于乳腺成熟细胞，同时，在一些乳腺癌的癌干细胞亚群中，其活性氧粒子水平要低于其相应的非肿瘤祖细胞内水平。Phillips等［1］排除了这两种细胞在放疗后表现出来的差异是因培养基中生长因子含量不同的可能。这些发现反映了乳腺癌干细胞的耐放射性源于其固有的能力，而非在培养过程中由于培养条件的差异后天形成的。Karimi等［16］对贴壁生长及悬浮球囊人乳腺癌细胞系MCF－7的 CD24(－/low)/CD44(+)细胞放疗后反应进行比较，发现悬浮球囊人乳腺癌细胞系MCF－7细胞有更高的耐放射性，并认为悬浮球囊人乳腺癌细胞系MCF－7细胞对放疗的低反应性极有可能是其固有的衰老途径下调、细胞的衰老明显减低所致，该类细胞对于内源性或外源性诱导DNA破坏的损伤可能有其独特的保护机制，最直接的分子基础可能包括端粒酶活性相对增高，还有Chk2磷酸化/活性的降低等。

2.3 乳腺癌干细胞耐放射性与细胞内APE1水平的关系

乳腺癌悬浮球囊细胞具有很高的碱基切除修复/染色体单链(G1期染色体)修复能力，这种能力可能是由细胞中的APE1(Apurinc/apyrimidinic endonuclease 1脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1)水平升高所导致的。细胞的这种碱基切除修复及染色体单链修复能力主要是保护细胞免受内源性的氧化损伤，但其在耐放射性与抗坏死物质的过程中也起着关键作用。例如，在接受放疗的乳腺癌患者中，体内APE1表达水平低者具有更好的疗效［17］。故而APE1水平的升高也是乳腺癌干细胞耐放射性的机制之一。

2.4 乳腺癌干细胞耐放射性与细胞周期调控相关基因的关系

近年来，利用小鼠模型探索p53基因在肿瘤干细胞中所发挥的作用发现，在不同剂量水平的放疗实验中，癌干细胞中p53基因的表达水平是决定癌细胞自我更新及生存能力的重要因素之一［18］。实验中确保仅有放疗剂量这一变量，是决定实验可信度的关键，在乳腺癌干细胞中可发现该基因低水平表达。Rodriguez等［19］通过对小鼠间充质干细胞(MSCs)进行的实验，得出p21/p53途径的改变有协同作用，并与肿瘤干细胞密切相关，当二者同时发生缺陷时，体外培养的MSCs可自动绕过衰老途径，并产生与体内实体瘤相似的恶性肿瘤。p53基因通过改变在乳腺球囊及单层贴壁细胞中的表达及磷酸化来调节细胞的衰老快慢与程度，并以此发挥作用。最近一些对p21－/－细胞及野生型HCT116直肠癌细胞的细胞周期相关基因的研究显示出二者的关联性，即对照组p21－/－细胞中p53基因表达及磷酸化水平较高，而由铬进行氧化破坏的p21－/－细胞中p53基因表达及磷酸化水平仍然较低［20］。故p53、p21基因在乳腺癌干细胞中的表达水平均直接或间接决定了放疗疗效。

3 展望

一直以来，乳腺癌的放疗效果并不十分理想，其敏感性低的原因也使临床工作者感到困惑。乳腺癌干细胞理论的提出不仅解释了乳腺癌发生的本质，为寻求恶性肿瘤发生的根源提供了帮助，也对临床实践提出了挑战，乳腺癌干细胞耐放射性的发现更使乳腺癌的临床治疗出现转机。乳腺癌干细胞耐放射性的未来研究方向主要为：(1)把乳腺癌干细胞即不易发生凋亡的MCF－7细胞系的细胞周期调控蛋白作为治疗靶点，如以乳腺癌干细胞G2/M期阻滞有关的pCDC25C(ser216)蛋白含量的变化为靶点;或者也可以将干细胞的衰老途径及其调节机制作为治疗靶点，包括相关蛋白Chk2蛋白、APE1及端粒酶等。(2)乳腺癌干细胞细胞周期调控基因，以p21和p53为代表，也是未来对乳腺癌干细胞的基因水平靶向治疗的重点。若能明确其耐放射性机制并有针对性的进行分子免疫、分子生物水平靶向治疗，乳腺癌的临床放疗效果将会大大提高。

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Relationship between radioresistance of breast cancer stem cell and cell cycle

SHEN Hao－yue，LILian－hong
(Clinico－pathological Center of China and Japan，Dalian Medical University，Dalian116044，China)

Radiative therapy of carcinoma is founded at the basis of cell cycle theory.The changes of breast cancer stem cell during radiation which include G2/M phase arrest，the senescence evasion，an elevated level of APE1 and alternation of cell cycle regulation related genes p21/p53，directly or indirectly cause the abnormal proliferation of cancer stem cells.These fundamental studiesmay result in broad applicationswithinmany different fields and may，in the long term，open a new path for cancer therapy.

breast cancer;stem cell;radiation resistance;cell cycle

R36

A

1671－7295(2012)03－0301－03

教育部博士点基金资助项目(200801610001)

2011－10－27;

2012－02－01

沈皓月(1989－)，女，辽宁辽阳人，七年制学生。E－mail：shenhaoyue@sina.cn

李连宏，博士，教授，博士生导师。E－mail：lilianhong@dlmedu.edu.cn