间充质干细胞双向调节肿瘤疾病

赵江豪 崔世聪 郭春燕

河北北方学院，张家口，075000，中国

间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）是一类具有多重分化能力的祖细胞，根据来源不同，分为骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC）、胎盘间充质干细胞（placental mesenchymal stem cell，PMSC）、脐带间充质干细胞（umbilical cord mesenchymal stem cell，UC-MSC）和脂肪间充质干细胞（adipose tissue-derived stromal cell，ADSC）四种类型。MSCs 首次发现来源于骨髓，之后的研究发现，MSCs 因含有自身特有的表面标志物，使其便于在多种组织中分离，如胎盘、脐带和脂肪组织等。MSCs 有自我更新和分化成其它组织细胞的能力［1］。MSCs 的这种特性使其在治愈多种疾病方面发挥了极为重要的作用。MSCs 表面包含许多趋化因子和细胞因子受体，肿瘤细胞利用自分泌或旁分泌等方式产生一些可溶性因子，进而使MSCs 更方便、更快速地靶向肿瘤的细胞，加强了MSCs 归巢进入肿瘤细胞的能力［2］。然而，MSCs 在某些情况下对肿瘤细胞的促进作用也不能忽视。因此，本文综述MSCs 对于肿瘤疾病促进或者抑制作用，为科学合理地开展MSCs 的临床试验提供参考。

1 ADSC 对肿瘤疾病的双向调节

1.1 ADSC 促进肿瘤细胞生长

ADSC 可以促进多种癌症的发展，腹部肥胖，脂肪增多，会导致瘦素中几个基因改变，进而影响MSCs 在肿瘤微环境里面的生物学特性，使ADSC 演变为加快肿瘤发育的成纤维细胞，促进雌激素/孕激素受体阳性的乳腺癌发生［3］。ADSC 和肿瘤的微环境也有很大关联，癌症或炎性细胞产生分泌因子，单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）以及基质细胞衍生因子-1（stromal cel1 derived factor-1，SDF-1），加强ADSC 归巢能力从而迁移到肿瘤微环境中，促进癌症细胞的生长与转移。进入肿瘤微环境的ADSC 进而产生血小板衍生因子（platelet-derived growth factor，PDGF）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），两个因子表达的促血管生成因子和趋化因子加快了内皮细胞的增殖与肿瘤新血管的生成，促进肿瘤生长与发展。同时肿瘤对ADSC 会发动旁分泌作用，促使ADSC 转变为支持肿瘤生长的成纤维细胞［4］。

ADSC 还可以通过和某种癌症细胞的相互作用，进而促进癌细胞的发展，例如肾上腺皮质癌（adrenocortical carcinoma，ACC）促使ADSC 中与成熟脂肪细胞特异表达有关的三个基因—脂联素（adiponectin，ADP），脂肪酸结合蛋白-4（fatty acid binding protein-4，FABP-4）和激素敏感脂肪酶（hormone-sensitive lipase，HSL）的表达降低，使ADSC 很难转化为成熟的脂质细胞，引诱ADSC 转化为与肿瘤生长有关的肌纤维细胞。ADSC也使肾上腺皮质癌细胞的MEK 表达和细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）磷酸化显著增加，增加ACC 细胞对葡萄糖的摄取和代谢能力，促进ACC 细胞的增殖，ADSC 还使ACC 细胞中局部黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）和Fascin-1 的蛋白质表达增加，这些蛋白质在ACC 细胞迁移和侵袭所必需的片状脂蛋白，丝状伪足与黏着斑的形成中起很大作用，进而加强了ACC 细胞的迁移与侵袭能力［5］。ADSC 可沿SDF1α-CXCR4 趋向轴向化学残留的三阴性乳腺癌细胞迁移，之后ADSC 会以一种旁分泌的方式分泌成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF2），FGF2 通过与它的四种受体其中之一结合驱动细胞外调节激酶ERK 的酪氨酸磷酸化，促进了三阴性乳腺癌细胞的增殖与抗凋亡蛋白的转录［6］。ADSC 大量表达三阴性乳腺癌肿瘤内溶血磷脂受体-1（lysophospholipid receptor-1，LPA-1）和自分泌蛋白，二者的大量表达降低了三阴性乳腺癌细胞的凋亡能力［7］。

ADSC 还能增强癌症细胞的耐药性，ADSC 通过释放趋化因子CXCL-1，降低微小RNA-106a（miR-106a）的表达，并且增加三阴性乳腺癌细胞里面腺苷酸三磷酸结合转运蛋白G 超家族成员-2（adenosine triphosphate binding transporter G-2，ABCG-2）的表达，加快三阴性乳腺癌细胞中阿霉素的外排，减少阿霉素在细胞积累，进而增强对阿霉素的敏感性，达到增强其对阿霉素的耐药性目的［8］。

1.2 ADSC 抑制肿瘤细胞生长

ADSC 对不同癌症细胞通过不同的机制产生抑制能力。ADSC 能够调控膀胱肿瘤细胞中的周期蛋白依赖性蛋白激酶-1（cyclin-dependent protein kinase-1，CDK-1）失调和细胞周期蛋白A 表达，使膀胱肿瘤细胞的S 期阻滞，并且抑制膀胱肿瘤细胞中Wnt/β-catenin信号传导，抑制膀胱肿瘤细胞的增殖，侵袭和迁移。另外还可激活caspase-3/7 信号通路，促进乳腺肿瘤的细胞凋亡。ADSC 通过以上方式达到抗膀胱肿瘤的能力［9］。

ADSC 作为载体具有易获得、寿命长、增殖快和体外衰老慢等特点。因此ADSC 还可作为载体与抗癌药物融合，对肿瘤细胞产生抑制作用。例如将吡柔比星嵌入聚乳酸/乙醇酸中，制成纳米颗粒，以ADSC 做载体治疗胰腺癌，可以将吡柔比星药物靶向胰腺癌细胞的中心部位，更好地抑制胰腺癌细胞的增殖和促进其细胞凋亡。同时这种载体复合物通过缓慢释药，增加用药安全性，减少炎症细胞的产生［10］。紫杉醇和ADSC载体结合可以直接抑制上皮性卵巢癌（ovarian cancer，OVCA）的活性，该结合物可以与OVCA 细胞聚集成异性红细胞，抑制OVCA 细胞对紫杉醇药物的耐药性和细胞的生存与迁移能力［11］。将E7’抗原（E7’）修饰为非致癌蛋白和蛋白疫苗，与ADSC 结合成结合物，增加结肠癌与路易斯肺癌的细胞凋亡速率，降低癌症细胞中血管内皮细胞CD-31 和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表达，对肿瘤血管的生成与生长产生抑制作用，还通过激活自身CD4+T和CD8+T 细胞以及自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）的活性，增强自身对癌症细胞的免疫力，从而达到抗路易斯肺癌和结肠癌肿瘤的作用［12］。

2 UC-MSC 对肿瘤疾病的双向调节

2.1 UC-MSC 促进肿瘤细胞生长

UC-MSC 通过分泌一些趋化因子和生长因子，以及调控一些信号通路促进多种癌症的发展。例如UC-MSC 通过瞬时激活ERK1/2 和Akt 信号途径并且释放可溶性因子，促进胶质母细胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM）细胞的增 殖，同时UC-MSC 分泌的GRO 和白细胞介素-8（interleukin-8，IL-8）以及其他趋化因子（NAP-2，ENA-78 和GCP-2）与其共享的受体CXCR-1 和CXCR-2 结合，促进GBM 细胞的增殖、迁移与侵袭，同时还促进肿瘤血管生成［13］。肝癌细胞可诱导UC-MSC 中波形蛋白，成纤维细胞活化蛋白（fibroblast activation protein，FAP）和miR-211 的表达增多，使脐带干细胞向与癌生长相关的成纤维细胞转化，之后促进肝癌细胞的增殖，迁移与侵袭能力，促进肝癌肿瘤的生长［14］。UC-MSC 与胃癌细胞相互融合，融合细胞里面的PCNA 以及细胞周期调节蛋白（cyclin D1）的表达能力得到显著提高，进而增强胃癌细胞的生长能力，同时融合细胞表现出上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）的转变，例如融合细胞里面的E-钙黏蛋白的表达能力出现下坡趋势，波形蛋白，N-钙黏蛋白，α-平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）和FAP 的表达提高。进一步提高胃癌细胞的增殖，迁移以及侵袭能力，促进胃癌肿瘤在小鼠体内的生长能力［15］。尼古丁处理过的UC-MSC，通过诱导EMT 过程，增强其向肺癌细胞的迁移能力，同时使UC-MSC 中白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）的表达水平提高，IL-6 在Janus 激酶/转录激活因子3（janus kinase/transcriptional activator 3，JAK/STAT3）过程中参与肺癌细胞转化，提高致瘤以及癌细胞转移，使肺癌细胞变得更具有侵袭性［16］。

2.2 UC-MSC 载体以及融合物对肿瘤疾病的抑制作用

肺腺癌细胞的恶性增殖活性，迁移能力都受到UC-MSC 的抑制影响。因此UC-MSC 对于肺腺癌的抑制能力，可以更好的应用于抗肿瘤药物的载体，使其也起相同的作用效果［17］。UC-MSC 以及修饰过的工程化UC-MSC 可以作为抗肿瘤基因载体，延长药物的半衰期和减弱基因在体内可能产生的细胞毒性，进一步使融合物更好发挥抑制肿瘤生长的作用。例如UC-MSC 作为干扰素-β（interferon-β，INF-β）的载体，用于治疗三阴性乳腺癌，通过触发caspase-8，caspase-9和caspase-3 的激活，降低抗凋亡蛋白Bcl-2 的表达和诱导JAK/STAT 信号传导这三个方式加快三阴性乳腺癌细胞的凋亡，抑制三阴性乳腺癌肿瘤的生长［18］。Ad-hTERTp-IL24 修饰的UC-MSC 载体，可与腺病毒，5-氟嘧啶融合，用于抑制肝癌肿瘤细胞的繁衍，该结合物分泌大量的IL-24，进而激活P38MAPK 途径，杀伤肝癌细胞。同时增加Bax 蛋白的表达，减弱Bcl-2 蛋白的表达和其他凋亡蛋白（如PARP，caspase-3 和caspase-9）被切割并激活，促进肝癌细胞的凋亡，抑制肝癌肿瘤的生长［19］。

UC-MSC 分泌的细胞外囊泡或外泌体，也可作为基因载体，抑制肿瘤生长。例如UC-MSC 分泌的细胞外囊泡，作为SiRNA 的载体，用于治疗结肠腺癌（colonic adenocarcinoma，COAD），SiRNA 可 抑 制COAD 中 长的非编码RNA（ELFN1-AS1）的表达，使ERK 的无法激活，进一步使波形蛋白的表达水平降低和使E-钙黏蛋白的表达水平提高，使COAD 细胞的EMT 过程受到抑制，从而抑制COAD 细胞增殖和迁移，抑制COAD肿瘤的发展［20］。UC-MSC 分泌的细胞外囊泡，作为miRNA-302a的载体，用于治疗子宫内膜癌（endometrial cancer，EC），富含miRNA-302a 的细胞外囊泡下调EC细胞中细胞周期蛋白D1 和Akt 的蛋白表达水平以及Akt 的磷酸化程度，使EC 细胞的增殖与迁移能力减弱［21］。UC-MSC 分泌的外泌体，可作为miRNA-148b-3q 的载体，用于治疗乳腺癌细胞。该结合物促进miRNA-148b-3p 的表达，使乳腺癌细胞中E-钙黏蛋白，Bax 的蛋白表达增多，使波形蛋白，Bcl-2 和Bcl-xl 的蛋白表达减弱，促进乳腺癌细胞的凋亡，同时还能抑制乳腺癌细胞的迁移、增殖和侵袭［22］。

3 PMSC 对肿瘤疾病的双向调节

3.1 PMSC 促进肿瘤细胞生长

人胎盘来源的MSCs 使癌症细胞里面的细胞因子与趋化因子的表达能力减弱，进而抑制癌症细胞的增殖、转移、侵袭和癌症肿瘤血管的生成，达到抗肿瘤效果。例如人胎盘来源的MSCs 可通过人白介素1 受体拮 抗 剂（Interleukin-1 receptor antagonist，IL-1ra）或 者利用其它介质（IL-12，IL-18，INF-γ受体及其相应的细胞因子）增强人体免疫系统中NK 细胞的抗肿瘤活性。同时，与TLR-3 的机制不同，人胎盘来源的MSCs 也可通过诱导TLR-3 来增强NK 细胞的抗肿瘤活性［23］。人胎盘绒毛来源的间充质干细胞抑制三阴性乳腺癌（triple negative breast cancer，TNBC）细胞的增殖、迁移，抑制TNBC 细胞中细胞因子和趋化因子（IL-10，IL-12，CXCL-9 和CXCL-10）的表达。IL-10 表达的降低，会引起VEGF，肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和MMP-9 的合成，阻止TNBC 肿瘤血管的生成。CXC 趋化因子也是血管生成的启动子，CXCL-9 和CXCL-10 的表达降低也可抑制TNBC 肿瘤血管的生成［24］。人羊膜来源的MSCs 通过下调参与癌症细胞G0/G1 期的基因表达和S 期与DNA 复制时相关的基因的表达能力，例如细胞周期蛋白（CCND-2、CCNE-1、CCNH），细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK-4、CDK-6、CDK-2），微染色体维持复合物的成分（MCM-2、MCM-4、MCM-5）和增殖细胞核抗原，降低造血与非造血癌细胞的增殖能力［25］。

3.2 PMSC 载体及融合物对肿瘤疾病的抑制作用

PMSC 可用于抗肿瘤药物和分子的载体，抑制肿瘤的发生发展。例如人足月胎盘的羊膜MSCs 可作为紫杉醇的载体，羊膜MSCs 对紫杉醇的细胞毒性有抗性，并且可以随时间释放药物，抑制了对紫杉醇有敏感的胰腺肿瘤细胞的增殖［26］。PMSC 作为miRNA-124的载体时，该结合物使神经胶质瘤细胞中SCP-1 基因的表达下降，使神经胶质瘤细胞的细胞分化减少。同时作为miRNA-145 的载体时，PMSC 抑制神经胶质瘤细胞中Sox-2 和Oct-4 的mRNA 与蛋白质的表达，抑制神经胶质瘤细胞的自我更新［27］。通过Lipofectamine 2000 介导的腺病毒将内皮抑制素转染到PMSC 中，该结合物可以靶向卵巢癌的细胞内部释放腺病毒，腺病毒通过复制破坏卵巢癌肿瘤细胞。同时，经过溶瘤，新产生的病毒扩散到周围的肿瘤组织中，结合物还通过释放内皮抑制素抑制肿瘤的新血管生成，剥夺恶性肿瘤的营养，达到抗卵巢癌肿瘤的作用［28］。经过修饰的PMSC 可以更好进行肿瘤治疗。例如腺病毒转导的PMSC，该复合物使大肠膜腹癌的肿瘤结节大小减小和无肿瘤率的增加，抑制CRPC 肿瘤血管的生成和肿瘤细胞增殖，促进细胞凋亡。同时该复合物保护腺病毒不受免疫系统的降解，延长其基因表达。使腺病毒更好的发挥抗大肠膜腹癌肿瘤的功能［29］。160/240 Gy 辐射强度的X 射线修饰PMSC 的可再生多表位整合球体，制成疫苗。该疫苗使肺癌肿瘤控制的SDF-1/CXCR-4和Akt-2/P-Akt 的信号分子丢失或者下降，促进肺癌肿瘤细胞凋亡，抑制肿瘤细胞生长。同时激活宿主细胞中免疫调节因子（INF-γ诱导蛋白、IL-4、IL-7、LIF、IL-12）的表达，减弱免疫抑制因子的表达，加强宿主细胞免疫系统，使其防御微环境复苏，延长宿主细胞在肿瘤微环境的生存周期［30］。在IL-6 启动子的控制下，用双顺反子转染PMSC 载体与肿瘤坏死因子凋亡配体（tumor necrosis factor apoptosis ligand，TRAIL）结 合，促进TRAIL 在多发性骨髓瘤细胞中的表达水平增加，同时该结合物激活caspase-3 增加多发性骨髓瘤细胞的凋亡，抑制多发性骨髓瘤细胞对骨骼的破坏［31］。修饰的PMSC 也可作为药物载体，DF 基因转染的PMSC可作为药物更昔洛韦的载体，用于治疗结肠癌，通过加强结肠癌细胞中凋亡蛋白caspase-3 的表达能力，降低增殖蛋白增殖细胞核抗原（proliferating cell nuclear antigen，PCNA）的表达能力，进而可以使结肠癌细胞的增殖能力加强和使结肠癌细胞的凋亡能力减弱，使结肠癌肿瘤的发展与生长能力减弱［32］。

4 BMSC 对肿瘤疾病的双向调节

4.1 BMSC 促进肿瘤细胞生长

BMSC 可加快癌症细胞的生长，通过抑制自身免疫系统，分泌一些因子和增加促癌基因的表达。BMSC通过抑制CD4+T 细胞，降低Th1 和Th17 细胞的百分比，增加Th2 和Treg 细胞的百分比，因为Th1 细胞产生INF-γ并调节细胞有关的免疫反应，Th2 分泌IL-4并抑制Th1 细胞有关的反应，Treg 细胞分泌TGF-β和IL-10 发挥免疫调节作用，抑制效应T 细胞。以上机制共同发挥抑制自身免疫系统的作用，促进多发性骨髓瘤的增殖［33］。BMSC 通过分泌IL-6，提高肝癌细胞中IL-6R 和gp130 蛋白表达，促进肝癌细胞的迁移和侵袭能力，同时激活肝癌细胞里面的IL-6/STAT-3 信号传导途径，提高肝癌细胞中Bcl-2、CCND-1、MCL-1 和MMP-2四个基因的转录水平，促进肝癌细胞的侵袭能力［34］。BMSC 可增加胃癌细胞中c-Myc 癌基因的表达，显著提高c-Myc 蛋白的表达，提高胃癌细胞的迁移能力，促进胃癌肿瘤血管的生成，进而加强胃癌肿瘤的生长能力［35］。

4.2 BMSC 抑制肿瘤细胞生长

BMSC 可使神经胶质瘤细胞的增殖和迁移能力减弱以及加快神经胶质瘤细胞凋亡能力，利用激活神经胶质瘤细胞里面的caspase-3 和caspase-9 的蛋白表达，减弱Bcl-2 的蛋白表达能力，加快神经胶质瘤细胞的凋亡，降低神经胶质瘤细胞里面的周期蛋白D1 的表达，令神经胶质瘤细胞停止在G1 细胞周期，同时BMSC通过抑制PI3K/Akt 信号通路抑制神经胶质瘤细胞的生长，BMSC 还在神经胶质瘤细胞EMT 过程中降低波形蛋白，N-钙黏蛋白的表达，提高E-钙黏蛋白的表达，抑制神经胶质瘤细胞的迁移，通过以上方面抑制神经胶质瘤肿瘤的生长［36］。

4.3 BMSC 的外泌体及融合物对肿瘤疾病的双向调节

来源于BMSC 的外泌体是一种直径40～100 nm的小囊泡，BMSC 外泌体对胃癌与骨肉瘤肿瘤的发展达到促进效果。外泌体可以使胃癌和骨肉瘤细胞中Hedgehog 信号通路达到激活状态，从而提高信号分子Gli-1、Patched-1、Shh 和Smoothened 的 表 达，促 进 骨肉瘤与胃癌细胞的增殖与迁移，加快骨肉瘤或胃癌肿瘤的生长［37］。BMSC 来源的外泌体EXOS 可以使骨肉瘤细胞中ATG5，Beclin1 和LC3-II 的水平升高，促进骨肉瘤细胞的自噬，增强骨肉瘤细胞的增殖，迁移和侵袭能力，促进骨肉瘤肿瘤的生长［38］。外泌体可包装蛋白质，脂质还有核酸，例如miRNA、长非编码RNA（lncRNA）、基因组DNA、cDNA 等，靶向癌肿瘤细胞，促进或者抑制肿瘤细胞的发展。MiRNA-221 寡核苷酸转染的BMSC 外排的外泌体，减弱胃癌细胞中PTEN 和P27 的表达能力，增强胃癌细胞的增殖能力，另外结合外泌体还提高胃癌细胞的迁移与侵袭能力，同时加强胃癌细胞的致癌能力，增强胃癌肿瘤的生长。可通过研究在外泌体中对miRNA-221 具有抑制作用的抑制剂来达到抗肿瘤目的［39］。

外泌体结合某些miRNA 也有抑制肿瘤生长的作用。例如BMSC 分泌的外泌体可当成载体与miRNA-126-3P 融合，靶向胰腺癌细胞，该载体复合物提高miRNA-126-3P 的表达水平并且下调胰腺癌细胞中MMP-9 的表达，同时降低胰腺癌细胞中增殖相关因子血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和侵袭相关因子（COX-2、MMP-14）的表达，利用以上方式对胰腺癌细胞的增殖、迁移和侵袭产生负调节，加快胰腺癌细胞凋亡的进度，对胰腺癌肿瘤的生长产生抑制的效果［40］。当外泌体与miRNA-1231 形成载体结合物，进一步靶向胰腺癌细胞，使胰腺癌细胞的G0/G1 期发生停滞，从而降低胰腺癌细胞的增殖能力，另外使胰腺癌细胞的迁移，侵袭能力得到抑制，因此抑制胰腺癌肿瘤的生长［41］。BMSC 的外泌体作为miRNA-205 的载体，靶向前列腺癌细胞，载体复合物分泌的miRNA-205 与其靶基因RHPN-2，下调RNPN-2的表达，抑制前列腺癌细胞里面的Ki67，PCNA，MMP-2和Bcl-2 的蛋白表达，进而使前列腺癌细胞的增殖、迁移和侵袭的能力降低，因此可以抑制前列腺癌细胞的生长和转移［42］。IL-12 通过慢病毒载体转染到BMSC并成为融合物，把恶性腹水荷瘤小鼠的膜腹通透性降低，增加腹水中INF-γ的含量，减少VEGF 的含量，对小鼠的恶性腹水荷瘤达到抑制的效果，增加小鼠的存活时间［43］。

5 总结与展望

MSCs 是参与多种生理活动的多能干细胞，在不同的生理和病理环境中表现出多向性功能。MSCs 参与调控肿瘤的发展，MSCs 可以通过分泌介质和细胞-细胞相互作用直接影响肿瘤细胞，并通过调节固有的适应性免疫反应，从而促进和抑制肿瘤发展［44］。MSCs对于肿瘤具有双向调节作用，MSCs 与肿瘤微环境相互作用，肿瘤相关间充质干细胞直接存在于肿瘤微环境中，对肿瘤的发生和发展起着至关重要的作用［45］。不同的肿瘤源性MSCs 有其独特的特点。我们应该深入探讨MSCs 与肿瘤微环境免疫细胞之间的双向影响规律，探索不同肿瘤源性MSCs 的潜在生物标志物和治疗作用。从而在对MSCs 功能及其机制的深入了解的基础上促进肿瘤治疗策略的发展。