肿瘤干细胞在化疗耐药机制中的研究进展

郭海啸 栾婷 王海峰 王剑松

昆明医科大学第二附属医院泌尿外科，云南省泌尿外科研究所（昆明650101）

肿瘤长期以来被认为是异质性的实体［1］，近年来解决肿瘤内部异质性的起源问题已经成为肿瘤化疗耐受研究的核心挑战之一。克隆进化模型认为肿瘤是随机进化的结果，而肿瘤干细胞模型认为肿瘤的异质性是由于肿瘤干细胞的存在［2⁃3］。肿瘤干细胞被定义为“具有自我更新能力，可以起始肿瘤的细胞”［4］。正是这种能够分化各种具有高增殖潜能子代细胞的干样特性细胞导致了肿瘤的异质性。目前，完全地清除肿瘤仍然是肿瘤学家面临的一大问题，这是由于90%转移性肿瘤的化疗失败都归因于化疗耐受［5］。而肿瘤干细胞具有高致瘤性、强耐药性以及自我更新与维持的特性，与肿瘤复发、转移和高死亡率密切相关［6⁃8］。因此肿瘤干细胞被认为是化疗耐受的主要原因，那么了解肿瘤干细胞的化疗耐受机制对于肿瘤的治疗就尤为重要。本文主要从以下几种分子机制探讨肿瘤干细胞在化疗耐药机制中的研究进展。

1 ABC转运蛋白

ABC 转运蛋白（ATP⁃bindingcassette transporter，ABC transporters）即ATP结合盒式转运蛋白，是一种能利用ATP水解产生的能量对不同底物进行跨膜运输的蛋白质［9］。这种蛋白质一般位于细胞质膜上，保护细胞免受有害毒素和异物的伤害［5］。ABC 转运体包括 ABCG2、ABCB1、ABCC1等，其中ABCG2有能力转运阿霉素、甲氨蝶呤等化疗药物，而ABCB1即P⁃糖蛋白在一半以上的化疗耐药肿瘤中都可见其表达［10］。QU等［11］证明了在乳腺癌化疗后的残基中ABCG2和P⁃糖蛋白的表达量与肿瘤干细胞的表面标记CD44成正相关。同样地，SUN等［12］将阻碍ABC转运体表达的siRNA连同化疗药物一起加入乳腺癌肿瘤干细胞培养液时，发现肿瘤干细胞表现出增强的化疗敏感性。通过对前列腺癌肿瘤干细胞的研究发现Notch1信号通路可以作为反式作用因子反式激活ABCC1的表达，使得前列腺癌肿瘤干细胞获得更强的化疗耐受能力［13］。因此，ABC蛋白作为肿瘤干细胞的表面标记可以用来识别肿瘤干细胞，并且其本身转运药物的能力使得肿瘤干细胞能够对抗化疗药物的侵袭。

2 Toll样受体

Toll样受体 4（Toll⁃like receptors 4，TLR4）是一种跨膜蛋白，其激活会导致细胞内信号通路NF⁃κB的启动以及与先天性免疫系统相关的炎性细胞因子产生［14］。而NF⁃κB在感染免疫反应调节中占据重要的地位，它的调节失控被认为与肿瘤发生有关。在神经胶质瘤中，脂多糖（LPS）与TLR4的相互作用能够诱导肿瘤干细胞的增殖和化疗耐受，并且细胞毒T细胞对肿瘤干细胞的杀伤能力能被LPS所缓解，但是这种效应在TLR4基因敲低后并不是那么明显［15⁃16］。LIU等［17］认为人肝癌中TLR4的表达和肿瘤干细胞特性存在相关性，即TLR4可能作为肿瘤干细胞的表面标记，促进肿瘤的侵袭和转移。同样的，人类乳腺肿瘤干细胞中会同时表达TLR2及其相应的配体高迁移率族蛋白1（HMGB1），这种自分泌循环对肿瘤干细胞的自我更新和化疗耐受极为重要［18］。因而Toll样受体及其后信号通路（NF⁃κB等）的激活能够增强肿瘤干细胞的干样特性，同时还会增加与肿瘤干细胞化疗耐受有关细胞因子（TNF⁃α、IL⁃6等）的表达。

3 乙醛脱氢酶

乙醛脱氢酶（acetaldehyde dehydrogenase，ALDH）属于19种同工酶超家族的一员，能够参与体内重要的生物合成过程，包括对特异性内源性和外源性醛基的解毒作用［19］。最近的研究表明ALDH同样涉及到肿瘤的化疗耐受过程，因其能够保护肿瘤干细胞免受胞体内持续增加的活性氧簇（ROS）所带来的潜在毒性伤害［20］。MENG等［21］的研究表明在卵巢癌中ALDH的表达水平与化疗耐受呈正相关，即ALDH1能够通过调节细胞周期关卡和DNA修复网络来维持卵巢癌肿瘤干细胞的化疗耐受特性。因此，食管癌细胞ALDH1的表达水平可以预测化疗反应疗效也就无可厚非［22］。同样在胸膜间皮瘤中，CD44阳性肿瘤细胞表达高水平的ALDH并表现出对顺铂等化疗药物的耐受［23］。而通过对ALDH的靶向抑制则可以阻止由ALDH阳性肺癌肿瘤干细胞导致的肿瘤复发［24］。所以ALDH作为一种解毒酶在肿瘤干细胞中高表达能够缓解活性氧的毒性作用同时能够控制细胞周期使得细胞有足够的时间进行DNA的修复，这使得肿瘤干细胞能够对抗化疗药物的细胞毒作用。

4 Rho蛋白

Rho蛋白（Ras homolog gene family，Rho）是小G蛋白超家族的成员，因其能够调控细胞骨架重组过程，所以Rho蛋白对细胞迁移和肿瘤细胞侵袭性方面起至关重要的作用［25］。Rho相关蛋白激酶（rho⁃associated protein kinase，ROCK）是Rho蛋白的效应器，ZHENG等［26］研究发现Sox2基因能够通过Rho⁃ROCK信号通路来调控结直肠癌肿瘤的运动性并促进肿瘤的进展。在对来自黑色素瘤和乳腺癌肿瘤干细胞进行Rho⁃ROCK通路靶向药物治疗过程中，可以发现肿瘤干细胞运动性和侵袭性均下降［27］。同样地，靶标为ROCK的小分子抑制剂能够通过阻断Rho通路作用来抑制Survivin蛋白表达，并且能够增加胰腺癌肿瘤干细胞对化疗药物的敏感性［28］。总而言之，Rho⁃ROCK通路的激活可以促进Survivin蛋白表达，而Survivin蛋白作为一种抗凋亡蛋白能够保护肿瘤干细胞免受化疗药物诱导的细胞凋亡，因此这种通路使得肿瘤干细胞能够对抗化疗以及表达更强的干样特性。

5 Numb蛋白

Numb蛋白（Numb protein）涉及到细胞发育、粘附和迁移、细胞不对成分裂以及目标蛋白內吞和泛素化过程［29］。干细胞对称性分裂和非对成性分裂之间的平衡控制着组织稳定性，这种平衡失调则会导致肿瘤发生。在结直肠癌肿瘤干细胞中，Numb蛋白表达被miR⁃146a⁃5p抑制，并导致Wnt信号通路激活来维持肿瘤细胞干样特性［30］。而BU P等［31-32］在早期结肠癌肿瘤干细胞中发现？miR⁃34a能够通过直接抑制Numb蛋白，建立一种靶向目标是Notch信号通路的前馈回路，这种回路能够提供一种保护机制来对抗由致瘤基因突变引起的干细胞增殖。同样肝癌中Nanog蛋白能够使Numb磷酸化进而导致p53的不稳定性，最终使得肿瘤干细胞自我更新和致瘤能力增强［33］。Numb蛋白既能够通过影响Notch通路和破坏p53蛋白稳定性从而促进肿瘤干细胞增殖以及干样的维持，又能够通过影响Wnt通路抑制肿瘤干细胞的干样特性，这主要取决于其分布在组织中的不同亚型。

6 Musashi蛋白

Musashi蛋白（MSI）是RNA结合蛋白家族中的一员，这种MSI蛋白家族能够通过转录调控机制或激活相关蛋白表达从而维持干细胞无限增殖的能力［34⁃35］。哺乳动物MSI蛋白家族作为癌基因蛋白在一系列肿瘤中占据重要地位，包括白血病、神经胶质瘤、胰腺癌、乳腺癌、结直肠癌等［36］。在胶质母细胞瘤中MSI⁃1过表达能够通过下调促凋亡基因保护肿瘤细胞免受由化疗药物所诱导的细胞凋亡［37］。研究发现结直肠癌细胞中MSI⁃1作为干性基因是CD44阳性肿瘤干细胞发育过程的关键调节因子，并且能够通过引发抗凋亡应激颗粒（SGs）的形成而增强肿瘤干细胞化疗耐受能力［38］。FANG 等［39］研究表明MSI⁃2 在肝癌肿瘤干细胞中通过上调调节自我更新基因Lin28A的表达进而实现肿瘤干细胞化疗耐受，并且敲低MSI⁃2基因会导致肿瘤干细胞自我更新和化疗耐受的改变。因此MSI蛋白作为肿瘤干细胞抗凋亡过程中的重要蛋白是肿瘤干细胞能够对抗化疗药物细胞毒作用不可或缺的分子基础。

7 ID蛋白

ID蛋白（inhibitor of differentiation，ID）即分化抑制因子，主要是螺旋⁃环⁃螺旋转录因子亚家族的成员，其作为DNA结合抑制剂能够调控与细胞分化相关的基因转录，因此这种蛋白主要在祖细胞和干细胞中表达［40］。许多人类恶性肿瘤中都可以检测到ID基因表达的失控，ID蛋白是肿瘤干细胞自我更新、增殖以及维持的必需蛋白，此外ID蛋白还能促进肿瘤远处转移［41⁃42］。SHIN 等［43］研究表明ID1能够通过Wnt/c⁃Myc信号通路增加乳腺癌肿瘤干细胞数量和活动能力进而使乳腺癌致瘤能力增强。ID1在胶质母细胞瘤的表达水平与肿瘤细胞侵袭性成正相关，并且敲低ID1基因会导致明显的肿瘤细胞侵袭性、自我更新能力抑制以及肿瘤干细胞表面标记下调［44］。同样的，在胃癌中敲低ID1基因可以发现肿瘤干细胞自我更新能力下降以及随后出现的细胞增殖和化疗耐药能力的抑制，其机制有可能是破坏了 Nanog和 Oct⁃4 通路［45］。ID 蛋白与 Wnt/c⁃Myc、Nanog和Oct⁃4等信号通路密切相关，而这些通路与肿瘤干细胞的自我更新和干样特性的维持密不可分，因此ID蛋白对肿瘤干细胞的调控是其对抗化疗药物的又一重要机制。

8 非编码RNA

近年来研究表明，不同类型的非编码RNA（non⁃coding RNA，ncRNA）例如微小RNA（miRNA）和长链非编码RNA（IncRNA）能够通过调节转录因子和下游信号通路控制肿瘤干细胞的生长和分裂［46］。因此这些非编码RNA对涉及到细胞内信号通路、细胞分化、细胞凋亡及细胞干性维持基因的影响是包括肿瘤在内许多疾病发生发展的基础。大量证据证实miRNA对肿瘤干细胞干性的维持、自我更新及分化的调节至关重要［47］。例如LIU等的研究证明由Snail基因通过Wnt通路上调的miR⁃125b能够促进肿瘤干细胞的生成和化疗耐药［48］。在胰腺癌的研究中发现同时抑制miR⁃21和miR⁃221能够降低肿瘤干细胞的种群数并减少其分化，从而导致胰腺癌整体增殖能力，侵袭能力以及耐药能力的下降［49］。而IncRNA是一组长度超过200个核苷酸的非编码RNA，研究表明IncRNA与肿瘤干细胞密切相关。例如在对肺腺癌的研究表明IncRNA ROR能够调节与肿瘤侵袭，转移以及化疗耐药获取相关的EMT的表达［50］。WANG等［51］对前列腺癌的研究发现，IncRNA HO⁃TAIR可以被化疗药物吉西他滨所诱导，并且能够通过抑制肿瘤化疗敏感性进而促进肿瘤干细胞自我更新和迁移能力。综上，ncRNA主要是通过控制细胞内蛋白质的表达以及相关信号通路的激活来实现对肿瘤干细胞的调控，这使得肿瘤干细胞能够维持其干样特性并对抗化疗药物的毒性作用。

9 总结与展望

综上所述，可以发现这几种分子机制的一个共同点就是对肿瘤干细胞干样特性维持的作用，这种作用是肿瘤干细胞能够对抗化疗药物毒性作用的基础。肿瘤干细胞之所以能够逃避化疗药物的细胞毒作用，无外乎其自身的药物排泄机制，抗凋亡机制以及DNA损伤修复机制等。通过对肿瘤干细胞耐药机制的研究可以探索新的靶向目标，改善传统的抗肿瘤方案。例如，在传统化疗方案的基础上增加肿瘤干细胞的靶向治疗，通过这种联合治疗方案能够同时清除肿瘤细胞和肿瘤干细胞，提高肿瘤患者化疗的整体效果，具有很好的前景。目前靶向肿瘤干细胞的治疗策略主要包括针对肿瘤干细胞的特异表面标记和胞内信号转导通路，诱导肿瘤干细胞分化以及改变肿瘤干细胞微环境。但是有研究表明肿瘤细胞在一定条件下受其周围环境的影响可以去分化成肿瘤干细胞以补充消耗的肿瘤干细胞，而这种新生肿瘤干细胞的化疗耐受能力就不得而知了。肿瘤内部异质性和其周围微环境的复杂性使得肿瘤治疗变得异常困难，那么了解肿瘤内部异质性和其外部环境，以及肿瘤细胞与肿瘤干细胞之间的关系就变得尤为迫切了。