免疫细胞靶向治疗结肠癌肿瘤干细胞①
2017-02-15郑媛媛李富荣
黄 雪 郑媛媛 李富荣
(暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)转化医学协同创新中心,深圳518000)
免疫细胞靶向治疗结肠癌肿瘤干细胞①
黄 雪 郑媛媛 李富荣
(暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)转化医学协同创新中心,深圳518000)
结直肠癌(Colorectal cancer,CRC)发病率列我国第三位。随着我国人民生活水平的不断提高和饮食习惯的改变,发病率也呈现出逐年上升的趋势,结直肠癌5年生存率只有50%[1,2]。研究发现结直肠癌肿瘤干细胞在结直肠癌的发生、复发和转移中发挥着重要作用。结直肠癌肿瘤干细胞(Colorectal cancer stem cells,CCSCs)是结直肠癌肿瘤组织中数量很少的一部分细胞,但是这类细胞具有很强的致瘤性和化疗抵抗性,是结直肠癌复发和转移的源头。研究发现这类细胞能进行自我更新和分化成新的肿瘤,在放化疗后能进入休眠状态,当微环境发生改变时,开始增殖并转移到其他地方形成转移灶[3]。免疫细胞治疗作为新的治疗技术,通过免疫细胞靶向治疗结直肠癌肿瘤干细胞可能是从根本上根治结直肠癌的手段。本文就近年来结直肠癌肿瘤干细胞分离、纯化、表面标记,以及各种针对肿瘤干细胞免疫细胞治疗的研究进展作一综述。
1 结直肠癌肿瘤干细胞生物学特性
结直肠癌的干细胞具有自我更新能力,具有类似的分化能力和类似的信号通路,多处于静息期,具有自分泌能力以及耐药性等[4]。肿瘤干细胞具有与正常干细胞相似的自我更新的特征,不同的是正常干细胞的自我更新是在基因调控下进行的有序的增殖与分化,而肿瘤干细胞的增殖是无限和无序的,且不能分化为成熟细胞[5]。肿瘤干细胞分化出的细胞具有异质性,不同类型的亚克隆伴随着不同属性的产生,只有部分克隆细胞可以转移形成转移性肿瘤。这些转移的克隆细胞可以进一步地累积突变基因,形成与原始病灶不同的转移性肿瘤[4,6]。根据种子土壤学说,肿瘤起始细胞作为种子,能生产自己的土壤,增加了起始细胞在肿瘤微环境中悬浮单细胞的生存能力[7]。由于肿瘤干细胞的强大的致瘤能力,猜想这可能和上皮细胞向间质细胞的转变(EMT)密切相关。Radisky等[8]人发现CCSCs可以通过侵犯血管,经过上皮间叶组织转分化作用到达远处的组织,形成新的肿瘤,由于结肠癌肿瘤干细胞的这些特性,可以选择以结肠癌肿瘤干细胞作为治疗靶标,除了传统的方法来治疗结直肠癌以外,通过免疫细胞清除肿瘤干细胞具有预防结直肠癌的复发和转移作用。
2 结直肠癌肿瘤干细胞表面标记物
免疫染色技术发现结直肠癌肿瘤干细胞的表面抗原标记物,主要有CD44、CD24、CD166、CD133、CD29和ALDH1。可以通过流式细胞仪等方法成功分离出结直肠癌肿瘤干细胞,发现结直肠癌中每100 个细胞中至少就会有一个 CD44+CSC具有致瘤性[2,3],取结直肠癌组织中一个 CD44 阳性细胞,在体外可以培养成类似原发癌的肿瘤组织。曾有研究者用流式细胞仪观察到组织外周血中 CD3+细胞 CD24 荧光强度,发现其表达量与结直肠癌有关。在结直肠癌动物模型体内注入隐匿 HT29 或 Colo357 细胞的 siRNA,7~10 d内可形成肉眼可见的肿瘤;在标准的化疗方案中加入抗 CD24 抗体,则发现肿瘤生长得到抑制[7]。有人证实肿瘤细胞表面 CD166 表达与病理分级及侵袭深度有关,与结直肠癌患者的性别、年龄、直径、淋巴结转移及 Dukes 分期无关[8]。把培养的原发和肝转移结直肠细胞“癌球”植入 NOD/SCID 小鼠可见其导致肿瘤发生,约每 16 个 CD133+细胞中有一个可以成癌球,显示CD133+可能是CCSCs表面标志物[9]。研究者把500 个 ALDH1+ESA+细胞置入 NOD/SCID小鼠,30 d 内就能形成肿瘤,而10 000 个 ALDH1-ESA+细胞在 50 d 内仍无法致瘤[10],研究统计 ALDH1 表达与结肠癌患者年龄、性别、分化程度、侵袭深度、淋巴结转移以及 Duke′s 分期无关,但与预后有关,表达越低预后越好。另外,EpCAM、CD44、CD166和 DAB2IP 表面标记物也是结直肠癌肿瘤干细胞表面标志特征,如 DAB2IP与肿瘤的分化程度、转移呈负相关,DAB2IP会抑制NF-κB介导的上皮间质间的转分化作用,在结肠癌中DAB2IP低表达的患者往往预后较差且生存时间更短。目标研究发现的结直肠癌肿瘤干细胞表面标志物,见表1。
3 免疫细胞靶向治疗结直肠癌肿瘤干细胞
由于肿瘤干细胞大多处于休眠状态,具有较强的耐药性及放疗不敏感性,传统的肿瘤化疗药物和放疗不能对其有效杀灭,最终导致肿瘤转移和复发。细胞免疫干预作为一种有效的治疗手段,它可以靶向肿瘤特异性抗原(TSAs)和/或肿瘤相关抗原(TAAs),可特异性清除肿瘤细胞或肿瘤干细胞。CSCs由于具有对常规治疗抵抗性,这些肿瘤起始细胞除表达干细胞抗原外,可能还包含许多编码肿瘤特异性抗原的突变。因此,制备抗结直肠癌肿瘤干细胞的疫苗,以及针对结直肠癌肿瘤干细胞表面抗原的特异性靶向免疫细胞,可清除手术后或化疗后残存结肠癌肿瘤干细胞,将解决肿瘤干细胞药物抵抗和复发问题,以大大提高结直肠癌治愈率[20,21]。
3.1 DC疫苗 目前为止,DCs被认为是功能最强大的抗原提呈细胞,能激活T细胞,产生强大的免疫应答[22], Zarnani等[23]在结肠癌小鼠模型中,给在结肠癌肿瘤细胞上面负载了一个肿瘤细胞特异性的抗原肽gp70-derived peptide(AH1)和一个辅助蛋白分子卵清蛋白(OVA),得到DC-Pep-OVA 这样的DC疫苗,再注射到结肠癌小鼠体内,表现出更长的存活时间。2010年FDA批准上市的Provenge(sipuleucel-T),用于治疗转移性激素抵抗性前列腺癌(CRPC),Provenge诱导作用是通过抗原提呈细胞(APCs)负载前列腺癌酸性磷酸酶(PAP)抗原,与GM-CSF的因子进行了融合,而GM-CSF的作用就是促进树突状细胞的扩增与分化成熟,可使肿瘤抗原在树突状细胞表面有效地表达,继而激活肿瘤特异的CD8+T细胞,诱导抗前列腺癌免疫应答,目前sipuleucel-T已经通过了临床实验[24]。研究比较热的还有全细胞抗原负载的 DCs 疫苗,将肿瘤细胞的裂解物来致敏DCs,Alteber等[25]通过冷冻消融术后再来负载DCs,并观察冷冻消融术负载DCs和对照组的生存时间,观察到72 d时,负载疫苗的小鼠能够存活而且通过体内的光化学检测没有发现新的转移。也有通过基因修饰的方法来致敏DCs的,将肿瘤细胞的特异性抗原直接加载到DCs上,使DCs更能有效地与MHC分子进行结合,产生更加强大且持久的免疫应答,Benteyn等[26]人将m-RNA修饰在DCs上,获得比对照组更有效的免疫应答,抗结直肠癌干细胞的DC疫苗激活自体T细胞后会引起结直肠CSC抗原特异性的T细胞应答。有学者利用自体DC负载后的肿瘤裂解物对结直肠癌患者进行皮下注射,发现其活化T细胞对肿瘤细胞有强大的杀伤作用,而且并未发生明显不良反应,说明了DC用作疫苗的高效安全性[22],2015年杜克大学开发了一种新的方法,用破伤风毒素来刺激免疫系统增强了DCs疫苗对恶性脑胶质瘤的效力,研究表明巨细胞病毒(CMV)存在于胶质瘤细胞中,但目前还不清楚这种病毒是否导致肿瘤的持续发展,这种DC疫苗主要针对巨细胞病毒的,在接受破伤风加强剂治疗的患者生存值超过了36.6个月,而仅接受树突状细胞注射治疗的患者平均生存时间仅为18.5个月[27]。这个结果是非常令人振奋的。
表1 结直肠癌肿瘤干细胞表面标记物
Tab.1 Specific molecular biomarkers of CCSC
标记物别名功能参考文献ALDH1ALDH1A1,RALDH1在细胞内催化乙醛氧化成乙酸[11]CD133Prominin⁃1,AC133连接两个胆固醇酯,包含了两个血浆质膜微小结构域的跨膜糖蛋白[12]CD44PGP⁃1,HUTCH⁃1,GP90,EPICAN,CDW44,MIC4一种细胞黏附分子,参与淋巴细胞的激活和淋巴循环[13]EpCAM,TACSTD1,CD326,17⁃A,ESA,EGP40上皮细胞黏附分子[14]CD24HSA黏蛋白样的细胞黏附分子[15]CD29B1Integrin受体细胞外基质蛋白,参与调控细胞迁移、增殖、生存、分化和死亡[16]Lgr5GPR49R⁃spondin受体蛋白,成体干细胞的表面标记物[17]CD166ALCAM白细胞活化黏附因子[18]BMI⁃1干细胞自我更新的调节器,核心蛋白复合体(PRC1)的组成部分[19]
3.2 CTL细胞 细胞毒性T淋巴细胞(CTL)能识别肿瘤相关抗原(Tumor-associated antigen,TAA),抗原肽由HLA-Ⅰ类分子提呈,提呈给CD8+T 细胞,CD8+T 细胞具有很强大的抗肿瘤细胞效应,而激活CTLs的重要的分子就是HLA-Ⅰ,有报道称恶性肿瘤就是由于失去了表达HLA-Ⅰ类分子使得不能有效地将肿瘤的表面抗原提呈给CTLs,无法引起有效的免疫应答,使机体无法及时的清除肿瘤细胞[28],Sokol等[29]实验发现在结直肠癌中由于MHCⅠ分子表面TPA结合蛋白(Tapasin)的缺失,以致CD8+CTL不能有效地对肿瘤细胞进行攻击,并且与结肠癌的转移和恶性发展有极大关系。Morita等[30]科学家通过使用siRNA来对嗅觉受体7C1(OR7C1)过表达和基因敲除,发现OR7C1可以作为新的筛选结肠癌肿瘤干细胞的标志,而CTL能特异性的识别结肠癌肿瘤干细胞。Visus 等[31],已经证明ALDH高表达的细胞能诱导CD8+T 细胞免疫应答,通过流式细胞仪分选出ALDH高表达的细胞来致敏CD8+T 细胞,将致敏后的CD8+T 细胞和从健康人中分离出的HLA-A2-restricted树突状细胞一起共培养,过继给肿瘤小鼠进行细胞免疫治疗,结果小鼠体内的肿瘤生长受到了抑制,而且表现出更长的存活时间,这个实验说明ALDH高表达的细胞可能是CTL潜在的作用靶点。Kryczek教授[32]及其团队发现IL-22+CD4+的T细胞能通过激活转录因子STAT3和诱导甲基转移酶DOT1L促进结肠癌细胞的干性,当用结肠腺癌细胞系DLD-1给NSG小鼠种植肿瘤时发现,105个DLD-1细胞不能在NSG小鼠体内形成肿瘤,而用外源性的IL-22作用,小鼠肿瘤的体积明显增大。在结肠癌中,CD8+T细胞是抗肿瘤免疫的重要细胞,Th1型趋化因子CXCL9 和CXCL10能对免疫细胞Th1和CD8+T细胞起调节作用。Nagarsheth等[33]通过用IFN-γ来刺激结肠癌的单细胞悬液,发现CXCL9和 CXCL10的水平有所升高,观察到CD8+T细胞浸润结肠癌肿瘤的程度也更深。Wei[34]报道结直肠癌肿瘤干细胞能表达共刺激抑制信号 CD274 (B7-H1)和可溶性LGALS3 (galectin-3),能削弱CTLs和γδT细胞的作用,抑制肿瘤的免疫应答。Morita等[30]报道OR7C1 作为一个新的结直肠癌肿瘤干细胞表面抗原筛选标志,以OR7C1 来源的抗原肽致敏的CTLs,对结肠癌肿瘤干细胞有很强的杀伤毒性。OR7C1致敏的CTL抗肿瘤效应比CTL细胞毒性T淋巴细胞克隆有更强的抗肿瘤性,有研究者观察到结肠癌肿瘤干细胞能表达一种膜融合蛋白和分泌可溶性的IL-4,而这些信号会抑制T细胞对肿瘤干细胞的免疫反应,且IL-4的水平在体内实验发现与肿瘤的转移、复发有很密切的联系[35]。结直肠癌肿瘤干细胞致敏的CTL细胞免疫治疗有可能成为治疗结直肠癌的一个希望。
3.3 NK细胞 自然杀伤细胞(NK)是机体重要的免疫细胞,能识别病毒感染细胞和肿瘤细胞,主要是由于NK细胞能调节肿瘤细胞上面的MHCⅠ和MHCⅡ类分子,NK细胞能识别非特异性的抗原,不需要特异性的HLA表达。NK细胞在肿瘤免疫中发挥着重要的作用。CD133已经证明存在于肿瘤干细胞表面,也包括结肠癌肿瘤干细胞。有学者已经证明NK细胞能高度识别肿瘤干细胞,表明NK细胞能有效靶向杀伤肿瘤干细胞和非干性的肿瘤细胞的可能。最近研究发现NK细胞对于CD133阳性的细胞具有很强的杀伤作用[36]。Kim[37]通过比较原位结肠癌和转移性结肠癌的肿瘤干细胞发现,在转移性结肠癌细胞系(KM12L4A 和KM12SM)中肿瘤干细胞表面NKG2D 配体和DR4/5水平是明显高于原位结肠癌的,NK92细胞对KM12L4A 和KM12SM的杀伤作用也更加敏感。结肠癌肿瘤干细胞表面低表达CD1d,有实验发现加入胸腺肽α1能上调CD1d的表达,CD1d能有效刺激NK细胞的免疫应答,抑制Erk/MAPK途径,致敏NK细胞,实验中24 h内,血液中NK细胞的数量已经达到一个高水平,体内、体外实验都得到验证[38]。Tallerico等[39]发现在结肠癌干细胞表面的MHCⅠ类分子相对于结肠癌细胞是低表达的,而 MHCⅠ类分子,会减弱NK细胞的免疫应答作用,研究人员用纯化同种异体的NK细胞来识别和杀伤结直肠癌肿瘤肝细胞,这是由于结直肠癌肿瘤干细胞白表面可高表达NKp30和NKp44配体。Ueda等[40]科学家在小鼠结肠癌中对小鼠进行自体干细胞移植,再对脾脏中的NK细胞进行检测,发现在1到3周后NK细胞在结肠癌小鼠自体干细胞移植组比未进行自体干细胞移植组的细胞数量增加,并且是高度激活的。而且在2周时,NK细胞的数量和活性达到一个顶峰状态,但这是在小鼠实验阶段的结果,进入临床还有待研究。
3.4 TCR-T及CAR-T TCR-T是通过转基因技术修饰的T细胞,基因转染TCRs与靶细胞特异性的MHC分子结合,既能识别细胞表面抗原,又能识别细胞内抗原[41]。早在2006年Morgan等[42]就报道采用基因修饰的方法来治疗转移性的黑色素瘤,将特异性的TCR-T细胞与黑色素瘤的MART-1基因特异性的结合,实验的17个患者中有2名患者肿瘤缩小且生存时间延长。后来用高活性的TCR修饰后的T细胞能识别滑膜肉瘤的NY-ESO-1抗原,6个试验患者中,4个患者引起了强烈的免疫应答。Rapoport等[43]于2015年对20例多发性骨髓瘤的患者进行临床试验,用TCR-T治疗后其中14名患者接近完全缓解(near complete response,nCR),2名患者获得较大缓解(Very good partial response,VGPR),一名患者表现为病情稳定,另一名表现出有进展,但是所有患者均超过100 d表现出接近完全缓解或较大缓解,平均存活时间达到了19.1个月。而CAR载体通常来源于抗原蛋白的一部分,表达在T细胞表面时,能与靶细胞结合,激活CAR-T细胞。最近CAR-T已经发展到第三代,包含了双刺激分子,如CD28+CD134 (OX40) 和CD28+CD137 (4-1BB)[44]。虽现在对于结直肠癌肿瘤干细胞的免疫治疗上,CAR-T及TCR的文献报道还比较少,但是运用CAR-T及TCR与结直肠癌肿瘤干细胞特异性抗原结合,也为结直肠癌肿瘤干细胞的免疫治疗提供了一个新的思路。
3.5 其他 最近有研究者用白喉杆菌与胃泌素-17进行共轭,而胃泌素-17作为生长因子本身能促进胃肠道肿瘤的生长,在这项临床研究中,有三分之一的患者获得了部分免疫应答,32%的患者病情更加稳定,其余的患者产生了抗胃泌素-17的抗体,生存时间明显延长[45]。有研究团队将人5型腺病毒作为疫苗,发现能在67%的转移性的结肠癌患者中引起较强的免疫反应,但是这项研究并没有明显提高患者的生存期[46]。
4 展望
研究已经证明肿瘤干细胞比一般的肿瘤细胞的免疫原性更低,而且肿瘤干细胞会下调自身的某些抗原的表达来逃脱免疫细胞的免疫效应作用。因此,识别和增加肿瘤干细胞表面的特异性抗原来增加免疫应答作用是非常有必要的。随着对结肠癌肿瘤干细胞的认识更加深入,以及对结肠癌肿瘤干细胞表面抗原标记物的发现,以及新的免疫细胞制备的技术手段发现和改进,将为人类预防或治愈结肠癌提供了可能。
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[收稿2016-06-02 修回2016-08-02]
(编辑 倪 鹏)
10.3969/j.issn.1000-484X.2017.01.034
黄 雪(1992年-),女,硕士,主要从事肿瘤免疫治疗方面研究,E-mail:654954659@qq.com。
及指导教师:李富荣(1963年-),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事细胞治疗方面的研究,E-mail:frli62@163.com。
R392
A
1000-484X(2017)01-0156-05
①本文为深圳市科技计划项目(No.201402014)。