肿瘤干细胞

肿瘤干细胞

干细胞是一类具有自我更新和增殖分化潜能的原始细胞, 这种细胞能分化为特定组织中一个或者多个具有特定功能的终末细胞[1]。成体干细胞的主要生物学特征是自我更新和增殖分化形成新生成熟组织, 与恶性肿瘤细胞的生长繁殖、转移扩散以及放化疗后的再生复发十分相似。根据干细胞的这种生物学特性和恶性肿瘤在临床上的生物学表现, 近年来提出在肿瘤的瘤体内也存在与干细胞具有相似生物学活性的一类细胞群体,科学家命名这种存在于肿瘤细胞群体中的特殊细胞为肿瘤干细胞(cancer stem cell), 或称之为肿瘤启始细胞(tumor initiating cell, T- Ic)。在某些类型的肿瘤中, 干细胞是正常细胞转化为肿瘤细胞的关键环节。Bonnet 等[2] 根据对干细胞和肿瘤细胞研究结果认为, 有两点证据支持肿瘤干细胞来源于正常组织干细胞。(1) 肿瘤细胞最重要的生物学特性是具有无限增殖潜能。按照细胞理论, 分化的细胞已失去无限增殖能力,若要发生个性转化必须先经过突变才能获得这种无限增殖的能力, 而干细胞的生物学特性就是具有自我更新的潜能。(2) 突变的积累。一个正常组织细胞成为转化细胞至少需要4~7 次突变, 这可能需要数年甚至几十年。而机体内的分化细胞通过细胞周期会被不断替代, 干细胞则通过自我更新可长期存活, 提示突变较容易在干细胞中得以积累。

干细胞与肿瘤细胞的许多相似之处, 使人们推测肿瘤细胞可能起源于正常干细胞的转化。科学家推测, 干细胞可能是恶性转化的靶细胞, 肿瘤可能是在具有无限自我更新潜能的很少一部分细胞群体驱动下发生的。近年来, 各种肿瘤干细胞的相继发现为这一假设提供了证据。

1. 肿瘤干细胞概念的提出和证实肿瘤干细胞的概念由Lapidot 等[3] 在1994 年首次提出, 认为在瘤体内存在类似于干细胞功能的一类细胞群体, 将这类具有形成肿瘤能力的细胞群体称为“肿瘤干细胞”。1997 年, Bonnet 等[4] 从人类急性粒细胞白血病(AML)中分离出一种带有CD34+CD38- 免疫标记的细胞群体, 尽管这类细胞只占AML 细胞总数的较小部分(大约为0.2%), 却能在非肥胖型糖尿病重度联合免疫缺损(NOD/SCID)小鼠体内存活并大量分裂繁殖使该品系小鼠患有人类AML 白血病。Bonnet 等首先提取、纯化带有CD34+、CD38- 表面标记的AML 细胞, 有该免疫标记的AML 细胞仅限于CD34+、CD38- 表型细胞, 而CD34+、CD38+白血病细胞却在NOD/SCID 小鼠体内不能成瘤, 由此推测CD34+CD38- 白血病细胞可能是AML 的肿瘤干细胞。这一实验首次证明白血病中存在类似于有干细胞功能的一类细胞群体。随后, Al- Hajj等[5] 首先利用NOD/SCID 小鼠模型, 从乳腺癌细胞中分离鉴定出具有干细胞类似生物学特性的细胞群体, 从而证明了在实体瘤中也存在类似的细胞群体。

Singh 等[6] 证实, 从人类原发性星型细胞瘤、胶质母细胞瘤和髓母细胞瘤中分离出细胞生物学特征和神经干细胞相似的一群细胞群体, 在体外能形成神经球并可进行反复传代, 根据生长因子的不同, 这些肿瘤源性神经球能分化为神经元和神经胶质细胞, 并与各自来源的肿瘤中各种细胞类型相一致。Guo 等研究发现, 应答性增生淋巴结中也存在淋巴结干细胞。Kondo 等[7] 研究认为,在体外已经建株的肿瘤细胞系中也存在具有干细胞功能相类似的细胞群体, 命名该类细胞群体为边缘细胞群(side population, SP)。研究对象共选择了6 种细胞株, 分别为C6、MCF- 7、U- 20S、SAOS2、B104 和HeLa, 除U- 20S 外, 都可发现有SP 细胞的存在。现已证明C6 细胞株中的SP细胞能形成神经细胞或者胶质细胞, 进一步证实这些细胞具有干细胞的特征[8]。到目前为止科学家们已经在血液、乳腺、前列腺、卵巢和脑组织等[9] 肿瘤中发现并分离鉴定了肿瘤干细胞, 而且对这些细胞的生物学活性及功能进行了一些相关研究。最近又有研究表明,肝癌细胞中的CK7(- )、Thy- 1(+)和AFP(+)亚克隆群有较强的在裸鼠中的成瘤能力, 并且体外试验证明这些细胞的生长速度较慢, 这些细胞很有可能是肝癌干细胞[10 ]。类似的研究工作为肿瘤干细胞理论不断提供新的证据。科学家根据干

细胞的生物学活性和功能, 以及肿瘤干细胞的生物学活性和功能做出了大胆假设: 肿瘤细胞起源于恶变的正常组织中的干细胞, 即肿瘤干细胞。虽然在理论上承认这一假设的正确性, 但一直未有实验依据给予支持。直到最近, 科学家才对肿瘤细胞来源于正常组织干细胞这一假说, 用实验支持了该假说成立。

2. 干细胞的恶性转化是肿瘤起源的原因的直接证据

2.1 JunB 调节造血干细胞的作用近来的研究表明, AP- 1 转录因子JunB 也是干细胞数目的调控者之一[11], JunB 缺陷导致特异地增加长期增殖造血干细胞(long- term hemopoietic stem cell)和粒细胞/巨噬细胞祖细胞的数量, 从而导致骨髓增生性疾病(MPD), 类似于早期人慢性白血病(CML); 而JunB 的过度表达将导致干细胞源性的骨髓增殖失调, 而后者恰是白血病的早期事件。作者进一步证明, 只有当junB 的缺陷发生于LT- HSC, 而不是其后阶段的细胞时, 才能引起MPD; 而且只有junB 缺陷的LT- HSC 才能将MPD 转移至小鼠中。这些结果证明了JunB 在正常及白血病情况下, 对血细胞形成中的干细胞起特定的作用。该研究同时还表明, JunB 能调节造血干细胞(HSC) 的数量。

2.2 肺干细胞转化为肺癌细胞2005 年6 月,

Kim 等[12] 在《Cell》杂志上发表了一篇论文, 充分证实了在小鼠体内肺组织干细胞可诱导转化成细支气管肺泡细胞癌。该研究小组通过对K- ras 转化的小鼠模型进行分析, 认为一种同时表达AT2细胞特异性标记(A T2 cell- specific marker)和Clara细胞特异性表面抗原(Clara cell specific marker)的双阳性细胞具有干细胞特征, 并在正常的肺组织中找到相应的双阳性细胞。该研究小组首先证明,这些正常的双阳性细胞在体外具有自我更新和分化能力———在Matrigel 上培养后可分化为Clara 细胞和肺泡上皮细胞, 并且研究发现在正常的肺组织中的这种双阳性细胞能分化为Clara 细胞、肺泡型Ⅰ和肺泡型Ⅱ肺泡上皮细胞。用Sca- 1pos/CD34pos单抗, 经流式细胞仪筛选后可获得大部分这种双阳性标记细胞。研究证明, 这种双阳性细胞为肺干细胞; 因此, Kim 等将这些细胞称之为细支气管干细胞(bronchioalveolar stem cells, BASC)。Kim 等同时构建了一种小鼠模型, LSL- K- ras G12D(“Lox- Stop- Lox”K- ras introduction conditionalmouse strain), 用所谓的“STOP”元素来控制K- ras 基因在小鼠体内的表达。这些小鼠通过鼻腔吸入能分泌Cre 酶的腺病毒载体AdCre 重组腺病毒以去除肺部的“STOP”元素, 从而使K- ras在小鼠体内能诱导肺组织细胞转化为细支气管肺癌。激光共聚焦(IF) 实验表明, 在肿瘤形成早期,BASC 细胞数量明显增加。而体外实验同时证实,LSL- K- ras BASC 体外培养加入AdCre 后, BASC细胞的增殖速度为对照组的2.5 倍, 而感染Adcre后, A T2 等祖细胞和成熟细胞增殖速度变化不大。这些数据初步表明, K- rasG12D 转化的肺癌和这种双阳性细胞的增殖有关。体内萘损伤模型进一步证实, 小鼠在用萘处理后24 小时再吸入AdCre,肿瘤形成的概率和肿瘤细胞数量都大大增加。以往的研究已充分证实, 萘只能刺激BASC 细胞的增殖; 因此, Kim 等首次成功地证明: 肺癌细胞中存在类似于干细胞的双阳性细胞, 这些正常的双阳性细胞经转化后和肺癌的形成直接相关。