干细胞在实体肿瘤转移中的作用与地位

高小妹　张凯莉 (综述)　郁新新　钦伦秀1,2,△ (审校)

(1复旦大学附属华山医院普外科　上海　200040; 2复旦大学肿瘤转移研究所　上海　200040; 3复旦大学生物医学研究院　上海　200032)



干细胞在实体肿瘤转移中的作用与地位

高小妹3张凯莉3(综述)郁新新3钦伦秀1,2,3△(审校)

(1复旦大学附属华山医院普外科上海200040;2复旦大学肿瘤转移研究所上海200040;3复旦大学生物医学研究院上海200032)

【摘要】肿瘤干细胞 (cancer stem cell,CSC)被认为是治疗失败、药物耐受和转移复发的原因所在。CSC具有自我更新 (self-renewal)和高侵袭潜能的特性,并最终组成肿瘤的异质性 (heterogeneity)。无论是在原发瘤、循环肿瘤细胞 (circulating tumor cell),还是在转移灶的形成中,CSC都发挥着重要作用,且与患者预后密切相关。因此,更好地认识CSC在转移过程中的重要作用,研发有效的靶向CSC及其微环境 (microenvironment)的治疗药物,将有望使之成为抗转移的理想途径。

【关键词】肿瘤干细胞;肿瘤转移;肿瘤治疗

癌症作为众病之王,每年占全球15%的死因,因而学者对它的研究从未停止过。对于实体肿瘤,绝大部分的肿瘤患者都是死于转移。肿瘤转移过程主要分为两个部分,第一步是肿瘤细胞从原发瘤脱离后侵入血管,进入到远处器官的微环境中;第二步是幸存的肿瘤细胞在新的环境中定居,增殖生长形成转移灶[1]。现有的常用肿瘤治疗手段包括手术切除、放疗和药物治疗 (包括化疗和靶向药物治疗等),手术切除可斩断肿瘤转移的来源,但并不适合所有肿瘤和所有患者;放疗和药物治疗多为晚期患者的无奈之选,患者很快就会复发且病程进展加快。肿瘤干细胞(cancer stem cell,CSC)学说可部分解释这些现象背后的机制。

外界的刺激会打破原发瘤中的CSC的休眠,使其从G0期进入细胞分裂周期[2],或是激活相关信号通路PI3K/AKT[3],IL6/STAT3[4],Wnt/β-catenin[5]等产生抗药性。CSC或非CSC进行上皮细胞间质化 (epithelial-mesenchymal transition,EMT)[6]后进入血液循环成为循环肿瘤细胞 (circulating tumor cell,CTC) 的组分后,激活胞内抗凋亡途径[7]。到达远端器官后,又可能表现出与原发瘤不一样的生物学特性,如蛋白质修饰的改变,LRP6的磷酸化,会激活下游Wnt信号通路。

现在被认为是肿瘤发生根源的肿瘤干细胞,人们研究它的历史最早可以追溯到十八世纪的畸胎瘤实验,然而目前在实体肿瘤的治疗中,靶向CSC来攻克肿瘤似乎也差强人意,警示着CSC是个复杂的群体,它的来源、在肿瘤转移中的作用以及最终的分化都亟待更多的揭示。现在对于CSC的研究已经由最初的生物标记物的寻找与筛选过渡到分子调控机制以及临床转化的探索。本综述将讨论CSC的概念,其在实体肿瘤转移中扮演的角色以及可能的临床治疗策略。

CSC学说的提出与发展CSC学说由Bergsagel[8]于1967年首次提出,是对经典的达尔文进化演变学说,即“克隆选择学说”的挑战[9]。“克隆选择学说”认为肿瘤是起源于群体中单个具有优势细胞,且这个细胞由于累积的基因突变而发生恶性转化。但有研究报道,当某一亚克隆群体细胞濒临清除时,总有小于5%的细胞会幸存,且获得更加恶性的生物学表型——成瘤与转移能力、自我更新能力和抗药能力。这一很小比例的细胞被命名为CSC。1997年,Bonnet等[10]首次在急性髓系白血病 (acute myeloid leukemia,AML)中运用标志物CD34+/CD38-筛选到了CSC。在实体肿瘤中,2003年Al-Hajj等[11]利用CD44+/CD24-这两个标志物也成功分选到了乳腺癌干细胞。随后,在脑癌、肝癌等多数肿瘤中都相继找到了CSC。更令人振奋的是到2012年,临床上已经有针对AML中CSC的药物[12]。而在其他肿瘤中,相关CSC的药物研发也在进行中。

CSC的三大特性CSC似乎是干细胞的一种,它可以通过非对称分裂的方式产生子代的CSC和非CSC,并且具有自我更新能力[13],此外它也共用着在成体干细胞 (adult stem cell)中经典的三大信号通路——Wnt、Shh和Notch。但是CSC无法像干细胞那样产生类器官,这也是它迄今为止仍被质疑的根本原因,导致了有学者将这群细胞称之为干细胞样肿瘤细胞 (cancer stem-like cell)或是肿瘤起始细胞 (tumor initiating cell)。然而除此之外,CSC的生物学特性基本同干细胞一致,所以现今研究CSC的主要方法基本是沿袭于干细胞。归纳现有针对CSC的研究成果,可以总结出它的三大特点: (1)CSC具有特定的生物学标志物。如,在脑胶质瘤中,CD133是个较为明确的标记分子[14];Lgr5+在结肠癌中也较权威地代表了这群细胞。但是在某些肿瘤中,标志物并不唯一,如在肝癌中,有报道称CD133[15]、CD24[16]、CD90[17]或CD47[18]等都是肝癌干细胞的标记分子。这就意味着没有一种分子可以代表所有肿瘤中的这群细胞,即使是在同一种肿瘤中,标志物也有几种,所以我们不能仅仅依靠表面分子来识别CSC。 (2)CSC具有自我更新和分化的能力。 (3)CSC具有较强的致瘤能力、转移能力和抗药能力。

CSC的来源肿瘤的产生源于正常细胞的恶性转化,但CSC的产生却不仅限于正常细胞。迄今为止,有三种学说[19]。一是来自于正常组织成体干细胞[20]或是前体细胞 (progenitor cell)由于基因或是表观水平的改变,又或是已经分化的肿瘤细胞可以通过EMT途径恶化成CSC[21]。二是分化的细胞与组织干细胞发生融合,形成异倍体细胞 (aneuploidy)。这个融合细胞的基因组不稳定,较容易产生突变导致CSC的出现。三是吸收外源DNA片段的细胞。肿瘤中有很多凋亡的细胞会释放出游离的DNA片段,如果这些DNA被邻近的细胞捕捉,随机整合到基因组,很可能导致某些基因的异位表达或是抑制,从而使得该细胞发生恶性转化,成为一个CSC的候选者。现在多数的研究集中在第一种假说上。肝癌中,有报道将肝祖细胞中异柠檬酸脱氢酶2(IDH2)突变阻止了该细胞向肝细胞分化的可能,若再有二次打击,如K-Ras突变可导致肿瘤的产生,这提示了胆管癌的CSC可能来自于肝祖细胞[22]。基质样乳腺癌中,K14阳性的细胞高表达ΔNp63可导致该细胞的恶性转化[23],这样的研究在肠癌、前列腺癌和肺癌[24]等都有进行,即在某种特定标志物的祖细胞中,将其原癌基因激活表达或是抑癌基因失活,利用转基因老鼠中种系追踪 (lineage-tracing)的实验方法,准确确定最后发生转变的细胞种类。

CSC与转移CSC因有很强的转移潜能,也有人将其命名为转移型的肿瘤干细胞 (metastatic stem cell)。究其与转移的关系现在的热点集中在:原发瘤中的CSC通过与微环境的相互作用[25],影响干性因子或通路的变化,从而促进侵袭和转移特性的获得;同时转移前灶形成后,某些因子的升高会指导CSC“归巢”到特异的远端组织;而在转移灶形成的过程中,CSC自身的代谢变化与微环境的共同作用,又调节了干细胞的自我更新和定居。最后找到这些过程中的驱动因素,进行CSC的靶向性治疗。肝癌中,有研究称CD44+的肝癌干细胞与CD14+的肿瘤相关巨噬细胞 (tumor associated macrophage,TAM)共培养后,TAM产生的白介素6 (IL6)会促进这群肝癌干细胞的扩张和成瘤能力[26]。而TAM与CD90high的乳腺癌细胞相互作用后,肿瘤细胞表面分子EphA4上调,激活下游信号分子Src和NF-κB来调节CD90high的乳腺癌细胞活性[27]。此外,还发现CD110+的肠癌干细胞有非常强的靶向肝转移的潜能[28],而且肝脏产生血小板生成素(thrombopoietin,TPO)是CD110的受体吸引了肠癌细胞迁移到肝,同时TPO可以激活这群细胞胞内赖氨酸 (lysine)的降解,所产生的乙酰辅酶A (acetyl CoA)可以激活Wnt信号通路,促进CSC的自我更新,产生的谷氨酸可以促进CSC的克隆定植和抗药能力等,从而使得肠癌成功发生肝转移[29]。此外,在胰腺癌中,原发瘤中间质细胞分泌的外泌体(exosome)会提前到达靶器官,改造靶器官中的微环境,使得转移型的胰腺癌细胞到达靶器官时更容易适应新环境,从而提高转移细胞的存活率[30]。

当CSC发生播散进入血液循环时,就有可能成为CTC的组成部分。

Yu等[31]对11例乳腺癌患者进行CTC检测,发现间质型CTC的比例与患者疾病进展期相关,且间质细胞团簇中高表达的TGF-β会促进肿瘤细胞向间质型转变。无独有偶,Baccelli等[32]发现与乳腺癌患者预后更具相关性的是EpCAM+CD44+CD47+MET+CTC,而不是所有的EpCAM+CTC,同时小鼠模型中也证实EpCAM+CD44+CD47+MET+CTC具有更强的肿瘤形成能力和远端转移能力[31]。这意味着循环肿瘤细胞中能成功地产生转移灶的组分,可能是CSC或是已具有CSC特性的细胞。肝癌中也发现EpCAM+CTC 具有干细胞特性,部分EpCAM+CTC有CD133+或者ABCG2+的表达[33]。而这也暗示着CSC可能是CTC的主要功能细胞,或是只有具有或获得CSC特性的细胞才能在转移的过程中存活下来。将CSC与CTC联合起来的研究也就应运而生。在结直肠癌中,报道发现双肾上腺皮质激素样激酶1 (DCLK1)和Lgr5在原位瘤的CSC和循环肿瘤干细胞中都一致高表达[34]。

CSC与临床治疗CSC的存在很好地解释了肿瘤经过化疗[35]、放疗[36]或靶向治疗[37]后,起初肿瘤会有缩小甚至消失,但很快复发、导致患者死亡的原因。就是这一很小比例的肿瘤细胞可以通过休眠逃避药物的杀伤[38],通过高表达ABCG2等分子产生抗药[39],或依靠细胞体内激活的Wnt、Shh和Notch等信号通路来达到耐药的目的。因此,目前认为CSC很可能是肿瘤的“根”,只有“斩草除根”,治愈肿瘤才成为可能[40]。现在靶向CSC的临床治疗策略从之前针对单一信号通路到现在同时靶向三大信号通路[41-42],从仅仅针对CSC到综合考虑CSC和它生存的微环境来研发药物[43],从靶向治疗走向联合治疗。这其中对靶向CSC来治疗肿瘤最有信心的莫过于著名科学家Robert A.Weinberg,他进行了一场与CSC的赌博——成立Verastem公司,此公司有超过2万亿美元的投资,同时进行超过60项与CSC相关的临床研究[44]。

结语CSC的研究愈来愈热,对于攻克肿瘤既是福音也是挑战。但将CSC广泛运用于临床还存在许多的问题。目前对CSC的判定标准还不够准确和清晰,生物学标志物不够特异。有研究显示,CSC的来源很多且富有动态变化,消灭了已有的CSC,不能保证其他非CSC不能转化成CSC[45]。更有甚者,对于CSC仍持消极态度,并不认为清除了这群细胞,肿瘤就会消失。

综上,CSC的真面貌正慢慢清晰化,在肿瘤转移中承担的使命也一步一步地被揭开,但遏制住了CSC是否就终结了肿瘤,下结论还为时尚早。因为也有学者认为,肿瘤是一个系统疾病,是打破了身体内的大平衡所致,所以有人提出荷瘤生存即肿瘤细胞共生存。因此,想要攻克肿瘤依然还是路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。

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Cancer stem cells and their roles in solid cancer metastasis

GAO Xiao-mei3,ZHANG Kai-li3, YU Xin-xin3, QIN Lun-xiu1,2,3△

(1DepartmentofGeneralSurgery,HuashanHospital,FudanUniversity,Shanghai200040,China;2CancerMetastasisInstitute,FudanUniversity,Shanghai200040,China;3InstituteofBiomedicalSciences,FudanUniversity,Shanghai200032,China)

【Abstract】The failure and resistant of treatment,and metastatic recurrence of tumor are mainly due to the existing of a very small number of so-called cancer stem cells (CSCs).This group of cells has the characteristics of self-renewal and high invasive potential and eventually formed the heterogeneity of several tumors.Whether it is in the primary tumor,circulating tumor cells,or in the formation of metastases,CSCs always play important roles,and are closely related to the patients′ prognosis.Therefore,from a therapeutic standpoint,a better understanding of CSCs is helpful for developing effective therapeutic strategies targeting CSCs and their microenvironment,which could be ideal ways to combating cancer metastasis.

【Key words】cancer stem cell;metastasis;cancer therapy

【中图分类号】R 730

【文献标识码】B

doi:10.3969/j.issn.1672-8467.2016.01.015

(收稿日期:2015-11-06;编辑:张秀峰)

△Corresponding authorE-mail:qinlx@fudan.edu.cn