骨髓间充质干细胞在肿瘤发生及治疗作用中的研究进展

胡星遥,孙慧娟,朱 静,张 洁,尚广彬

(江西中医药大学江西省中医病因生物学重点实验室,中国江西南昌330004)

骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)是从骨髓基质干细胞中提取的,源于中胚层的,具有分化潜能的细胞亚群[1]。正常情况下,BMSCs在造血微环境中为各种血细胞及前体细胞的增殖分化提供支持作用,并参与造血所需的正弦网络模型的发展、稳定和维护[2]。BMSCs的多向分化潜能及趋向性,使之在肿瘤发生发展不同阶段发挥不同的作用,既可以成为肿瘤微环境中的重要细胞组分,促进肿瘤恶化、转移,又可以改善肿瘤微环境,抑制肿瘤发生发展。随着肿瘤精准治疗和肿瘤免疫疗法的日渐发展,BMSCs被看作是基因治疗和免疫治疗细胞载体所衍生的药物导弹,在肿瘤治疗中的地位日渐提高,这将是抗癌领域极具希望的治疗策略,值得持续关注和进一步研究。

1 BMSCs的生物学特性

BMSCs的生物学特性主要可以归纳为以下四点。首先,BMSCs是具有多向分化潜能的干细胞。目前,国内外已经建立了小鼠、大鼠、兔和人的骨髓间充质干细胞系,在合适条件的刺激下其可诱导分化为软骨细胞、成骨细胞、肝样细胞、髓核样细胞、心肌细胞、脂肪细胞和神经细胞等多种组织细胞[3]。其次,BMSCs容易获取不易丢失,且具有体外增殖的潜能[4]。第三,BMSCs通过不表达或者低表达某些T淋巴细胞的因子来减少免疫反应[5]。其免疫表型的阳性表达主要有CD13、CD29、CD44、CD73、CD90、CD105 和 CD133,阴性表达主要有 CD14、CD19、CD34、CD45、CD11b 和 CD79a[6～7]。第四,在特定的病理条件下,BMSCs可向病灶部位定向趋化迁移。研究表明,移植后的BMSCs也可以向损伤部位主动趋化迁移[8]。在肿瘤疾病中,BMSCs的这种特性亦然存在,Sonabend等[9]首次证实了BMSCs的肿瘤趋向性：把外源性的人骨髓间充质干细胞注入神经胶质瘤大鼠体内后,可观察到BMSCs向肿瘤组织的迁移。

2 BMSCs对肿瘤发生发展的影响

BMSCs对肿瘤的趋向性指的是：分布在骨髓内或经移植进入肿瘤外的组织及血管中的BMSCs对肿瘤具有广泛的定向迁移能力[10],目前这种肿瘤趋向性的具体机制尚未完全阐明。BMSCs到达肿瘤部位后的影响可分为3种：1)抑制肿瘤生长、转移；2)促进肿瘤生长、转移；3)对肿瘤生长、转移的作用还没有定论,可能存在促进作用,也可能是抑制作用。

2.1 BMSCs对肺癌发展的影响

相关研究表明BMSCs能增强肺癌细胞的迁移和侵袭能力。一方面,在肺鳞癌中BMSCs能分化为肌成纤维细胞参与肺癌间质的形成；另一方面,BMSCs可以通过改变细胞形态和降低细胞连接来促进肺癌细胞转移[11]。刘仁旺等[12]报道,在BMSCs和肿瘤细胞的体外混合培养或体内注射实验中,当BMSCs细胞所占比例较大时,实验现象更多的是对肺癌生长的促进作用。与之相反,Tian等[13]研究表明人骨髓间充质干细胞可以抑制肺癌细胞株A549的增殖和侵袭,使肺癌细胞停滞于G1期,并可在体外诱导肿瘤细胞凋亡。由此看来,BMSCs对肺癌细胞的作用尚未定论,这种不确定性与实验的不同材料和方法有一定关系。

2.2 BMSCs抑制肝癌发展

BMSCs对高转移潜能肝癌的抑制作用具有时效性。相关研究表明,BMSCs对高转移潜能肝癌动物模型的干预效能在其移植后的第3周达到最佳,但是随着时间的延长,这种抑制效能会有所减弱[14]。

BMSCs对低转移潜能肝癌的抑制作用与肿瘤细胞的凋亡水平相关。通过研究BMSCs对人低转移潜能肝癌细胞(MHCC97-L)生长的影响,人们发现BMSCs干预后转移相关因子骨唾液蛋白(bone salivary protein,BSP)、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)和整合素(integrinαⅤ)的表达都低于干预之前,而促凋亡相关因子caspase 3和Bax的表达则呈现出增高趋势,同时抗凋亡因子Bcl-2的表达呈下降趋势。这表明BMSCs能够通过调控转移相关因子、促凋亡相关因子和抗凋亡相关因子的表达,最终实现对肿瘤生长的抑制作用[15]。

肝癌是我国常见的高发恶性肿瘤,目前,肝癌治疗中最有效的途径是手术切除,但是对于不能进行手术切除以及术后恢复不佳的病人,则需要更好的治疗方法[16]。BMSCs应用于肝癌的治疗十分有前景,近年来有关BMSCs治疗肝癌的研究报道较多。相关研究表明BMSCs通过肝癌大鼠尾静脉注射后,可以从mRNA水平到蛋白质水平逆转肝癌细胞的状态[17]。虽然,这种逆转可能不会使肝细胞完全恢复到正常状态,但是,这种方法却为不能进行肝癌切除术的患者提供了另一种治疗手段。由此看来,明确BMSCs与肝癌之间的作用机制,对肝癌临床治疗方案的优化很有意义。

2.3 BMSCs促进胃癌发展

有学者认为,骨髓间充质干细胞是胃癌细胞的起源之一[18～21]。Houghton 等[22]研究发现 BMSCs在前期阶段能够靶向迁移至胃黏膜的受损位置,参与损伤修复,但后期BMSCs的失控性增生会改变其生存环境,使胃黏膜产生肠化或癌肿,从而形成胃上皮癌。

BMSCs能促进胃癌细胞的生长。研究报道,BMSCs可以通过 SDF-1α/CXCR4(stromal cell-derived factor-1α/C-X-C chemokine receptor type 4)-PI3K(phosphatidylinositol 3-kinase)/Akt信号通路,促进 KATO-Ⅲ胃癌细胞CD133 mRNA的表达,提高其增殖能力、侵袭转移能力,并降低其对抗肿瘤药物的敏感性,同时调控细胞上皮-间充质转化(epithelial mesenchymal transition,EMT)相关因子的表达[22]；BMSCs能够促进SGC7901胃癌细胞的生长,具体作用机制可能涉及参与改造肿瘤微环境和增强肿瘤细胞活性,表现为BMSCs能通过接触肿瘤细胞以及分泌细胞因子提高肿瘤细胞的转移能力[22]。此外,有研究指出,BMSCs促进胃癌发展可能与其分泌的外泌体中含有的miR-15b、miR-16有关[23]。以上信息提示,以 BMSCs分泌的外泌体为切入点,深入研究BMSCs促进胃癌发展的机制是一个有前景的方向。

BMSCs可以与胃癌微环境相互影响。位于胃癌肿瘤微环境中的BMSCs,为了适应胃癌的肿瘤微环境,其生物学特性也随之发生了改变[24]。研究发现,胃癌肿瘤微环境改变后,身处其中的BMSCs不仅能发生恶化,而且具有体内致瘤的能力[25]。研究表明BMSCs与胃癌组织的发展有显著的相关性,BMSCs在胃癌微环境的诱导下能向胃癌细胞分化,并能影响其表面重要标志物CD34和CD44的表达[26]。由此看来,BMSCs与胃癌细胞可以通过肿瘤微环境互相影响,但肿瘤微环境中的物质极其复杂,目前尚不知道两者间确切的作用机制。

2.4 BMSCs对其他肿瘤发展的影响

相关数据分析表明2015年中国居民死亡率最高的5种癌症依次为肺癌、肝癌、胃癌、食道癌和结直肠癌[27]。BMSCs对肺癌、肝癌、胃癌以外其他肿瘤的影响也各不相同[28～36],具体如表1所述。

综上所述,BMSCs对不同种类肿瘤的影响不同,其原因可能有以下几点：1)受各种因素影响的骨髓间充质干细胞和肿瘤微环境之间存在相互作用,在这种相互作用下BMSCs在体内、体外实验中对肿瘤的影响可能会出现截然不同的结果；2)与肿瘤发生发展的时间有一定相关性,BMSCs对肿瘤影响可能存在前期抑制、后期促进的作用；3)和肿瘤类型有关,不同肿瘤细胞有各自的特异性,BMSCs作用于不同的肿瘤细胞会发挥出不同的效应,影响肿瘤发展；4)受BMSCs和肿瘤分泌的各种因子的影响,BMSCs对肿瘤的影响呈现出不同的效果。

3 BMSCs影响肿瘤形成的机制探讨

肿瘤形成过程中,肿瘤细胞的生长离不开肿瘤微环境中BMSCs的持续作用,它能够影响肿瘤细胞生长的状态、肿瘤血管生成的情况、肿瘤转移能力的强弱[37]等多个方面。

3.1 BMSCs在肿瘤细胞生长中的作用

研究表明,BMSCs能够参与肿瘤微环境的改造,其向肿瘤组织趋化后能和肿瘤间质进行融合,然后分化成有内皮细胞特征的细胞,最终转变成为肌纤维母细胞,但肿瘤细胞表面的抗原并不改变[37]。相关的体内外实验表明,BMSCs与肿瘤细胞共培养或在体内暴露于肿瘤微环境时能够表达肿瘤相关成纤维细胞(tumor-associated fibroblasts,TAFs)抗原,例如平滑肌蛋白、成纤维细胞特异性蛋白、波形蛋白(vimentin)以及基质细胞衍生因子1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)[38]。研究显示BMSCs能增加乳腺癌、神经胶质瘤、胰腺癌的肿瘤细胞活力以及减少细胞凋亡,将BMSCs重复暴露于新鲜的肿瘤条件培养基中,BMSCs能够分泌出活化因子,使得SDF-1持续高表达,同时TAFs相关基因上调,从而促进肿瘤生长[39]。

BMSCs在某些肿瘤细胞中存在抑制其生长的作用。研究表明,BMSCs能使小细胞肺癌细胞、慢性粒细胞白血病细胞等肿瘤细胞停留在细胞周期的G1期,抑制其生长[40]；另外,BMSCs作用于肝癌后,可减弱肿瘤细胞的增殖能力,使其集落形成减少,同时增加凋亡,这可能和Wnt通路相关[41]。

表1 BMSCs对食道癌、结直肠癌等肿瘤的影响Table 1 Effects of BMSCs on tumors such as esophageal cancer and colorectal cancer

3.2 BMSCs在肿瘤血管生成中的作用

目前BMSCs影响肿瘤血管生成的机制还不完全清楚。相关研究报道,趋化到肿瘤组织的BMSCs可以分化成血管内皮细胞、肿瘤相关成纤维细胞、周细胞,进而促进肿瘤血管的生成；同时,肿瘤细胞能够分泌细胞因子,通过旁分泌作用于迁移的BMSCs,从而使其促进肿瘤血管的生成[42]。已有研究显示,BMSCs分泌的血小板源性生长因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)、半胱氨酸蛋白 61(cysteine-rich protein 61,Cyr61)、SDF-1等在肿瘤血管的生成中发挥了促进作用[43]。

BMSCs对肿瘤血管生成的调节,可能涉及多种信号分子和通路。Menge等[44]报道BMSCs通过调节人血管内皮钙粘蛋白/β-连环蛋白(VE-cadherin/β-catenin)信号通路来影响血管内皮的通透性和连接,从而抑制内皮细胞的增殖和肿瘤血管的生成。另有研究发现通过抑制AKT信号通路,BMSCs可以抑制卡波氏肉瘤血管的生成[45]。

3.3 BMSCs与肿瘤侵袭转移

研究报道,细胞衍生因子、外界和肿瘤的微环境、外源转染基因以及某些药物等是促进BMSCs迁移的因素,能促进肿瘤细胞的迁移；而与BMSCs相关的细胞功能改变、趋化因子则是抑制BMSCs迁移的因素,能抑制肿瘤细胞的迁移[46]。

郑天亮等[47]报道,BMSCs能和肺癌细胞相互融合,并在一定条件作用下促进肺癌细胞株的侵袭转移。除此之外,BMSCs可以通过分泌CCL5抑制脯氨酰羟化酶(prolyl hydroxylase,PHD)表达,从而促进缺氧诱导因子2α(hypoxia-inducible factor 2α,HIF-2α)表达,导致 AR-HSP90(androgen receptor-heat shock protein 90)相互作用增强,抑制AR核转位和反式激活,最终促进前列腺癌细胞的转移[48]。在乳腺癌细胞与BMSCs共培养模型中,BMSCs能促进癌细胞的迁移,而这一过程是由BM SCs分泌的转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、Rho相关激酶(Rho-associated kinase,ROCK)、黏附斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)和基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)介导的[49]。另有报道指出BMSCs在胶质瘤迁移中的作用是由基质金属蛋白酶-1/蛋白酶活化受体-1(matrix metalloprotease-1/protease-activated receptor-1,MMP-1/PAR-1)介导的[50]。

综上所述,BMSCs对肿瘤细胞生长、血管生成、转移能力的影响涉及到了不同炎症因子、细胞因子和信号通路等的作用,从而对不同肿瘤的发展起到促进或是抑制作用。虽然BMSCs对肿瘤的作用机制并未全部揭晓,但初步研究成果显著,BMSCs在肿瘤方面的应用也初见疗效。

4 BMSCs在肿瘤治疗中的应用

4.1 BMSCs在肿瘤基因治疗中的应用

由于BMSCs具有容易获取、容易培养、低免疫原性、易被外源基因转染并长期表达、肿瘤趋向性等众多优势[51],所以BMSCs在肿瘤基因治疗中的应用有广阔的发展前景。近几年BMSCs在肿瘤基因治疗中的应用主要是体外阶段[52]。张霞等[53]应用重组腺病毒把白介素12(IL-12)导入BMSCs中,发现修饰后的BMSCs能够抑制卵巢癌细胞的增殖,并且促进卵巢癌细胞的凋亡。Zhang等[54]报道用Apoptin基因修饰的BMSCs及其条件培养基均能显著抑制肝癌细胞HepG2的增殖,这为肝癌干细胞治疗提供了新的手段。

4.2 BMSCs在肿瘤免疫治疗中的应用

BMSCs具有免疫调节作用。研究发现BMSCs可以抑制T细胞(T lymphocyte)的增殖和活化、B细胞(bursa dependent lymphocyte)的活化和抗体分泌、NK细胞(natural killer cell)的活化以及树突状细胞的分化和吞噬[55～57]。相关研究证实BMSCs通过抑制PD-1/PD-L1(programmed cell death-1/programmed cell death-ligand 1)途径的T细胞免疫应答来促进多发性骨髓瘤(multiple myeloma,MM)的细胞增殖；进一步的体内实验证实,PD-L1抑制可减弱BMSCs诱导的MM生长、炎症浸润以及Th1/Th2和Th17/Treg失衡[58]。另外,其他BMSCs相关的免疫调节细胞因子也被检测出具有抗肿瘤活性。例如：BMSCs的趋化因子CX3CL1(chemokine C-X3-C-motif ligand 1)能抑制黑色素瘤的肺转移,延长荷瘤小鼠存活率[59]。目前,BMSCs的免疫调节功能已被用于肿瘤的免疫治疗研究。有研究报道,表达IL-12的BMSCs可通过激活细胞毒性淋巴细胞和NK细胞改善肿瘤的免疫监测,抑制肺癌、肝癌以及黑色素瘤细胞的转移,促进肿瘤细胞凋亡[60]。

5 小结

综上所述,BMSCs和肿瘤的关系错综复杂。BMSCs参与并影响肿瘤赖以生存的微环境,影响肿瘤发生、发展；而肿瘤微环境又能改变BMSCs,使其有利于肿瘤细胞自身发展。因为肿瘤微环境与BMSCs之间的关系具有两面性和不确定性,所以如何有效利用BMSCs来治疗肿瘤疾病值得我们密切关注。现如今BMSCs和肿瘤之间的相互作用机制仍未被完全阐明,亟需不断深入探索,以找出两者互相生存依赖之关键,为肿瘤疾病防治提供新思路。