肿瘤干细胞与耐药

肿瘤干细胞与耐药

本综述由解螺旋学员Dr.Feng负责整理（2017年12月）

肿瘤的耐药与肿瘤干细胞（Cancer Stem Cells, CSCs）密切相关，CSCs主要通过以下几个手段实现抵抗肿瘤药物治疗。

1.肿瘤干细胞亚群的休眠

CSCs休眠指的是细胞保持重新进入活跃的增殖状态的能力，但处于非分裂状态。化疗药物主要通过靶向活跃分裂的细胞来起作用。因此，CSCs的休眠是避免癌症治疗并赋予肿瘤细胞治疗抗性的有效手段。休眠状态下CSCs的激活驱动了抗癌治疗后肿瘤的复发。Touil 等人在结肠直肠癌的研究中发现了肿瘤耐药的特性可从休眠的CSCs获得。在这项研究中，抗5-氟尿嘧啶的癌细胞显示了和休眠CSCs的类似的表型，这样的表型是基于标记物，自我更新和肿瘤传播潜能来鉴定的，明确观察到了部分肿瘤干细胞在肿瘤细胞暴露于化疗药物时进入休眠状态。这一过程先涉及到c-Yes酪氨酸激酶的活化及其与c-Yes / YAP复合物的分离，进而导致相关蛋白（YAP）的核表达水平降低。这项研究指出作为转录协同激活因子的核YAP参与干细胞自我更新，阻止细胞处于非分裂休眠状态。1因此，YAP核水平的下降可能是CSCs休眠的表现，CSCs通过转录共激活、侵袭细胞周期和凋亡途径等诱导休眠。最近在胶质母细胞瘤中的一项研究进一步支持了这一假说，Campos等人将化学疗法中含有休眠细胞和非休眠细胞的肿瘤细胞暴露于化学治疗后，发现休眠细胞的活化频率更高2。

2.药物外排转运

导致癌症患者抗药性的重要因素归因于药物外排转运蛋白在耐药性CSCs中的表达增加。这些药物外排转运蛋白主要位于细胞质膜中，正常情况下它们的作用是保护细胞免受有害细胞毒性剂的侵害。药物外排转运蛋白可有效防止细胞毒素和代谢废物产物堆积，特别是在血脑屏障，肝，肾和肠组织中3。

在癌症中，CSC对治疗的抵抗力部分地来自转运蛋白的上调表达，因为跨越质膜的药物流出增加，相应地就降低了细胞内药物浓度4。由于其对于形态学和功能上不同的化合物具有广泛的底物特异性，药物流出转运蛋白的表达增加可能赋予多种抗癌药物的抗性。多种药物流出物转运蛋白与CSCs中的抗药性有关。已经将包括多药耐药蛋白1（MDR1，P糖蛋白或ABCB1），MDR相关蛋白1（MRP1或ABCC1）和乳腺癌抗性蛋白（BCRP或ABCG2）的转运蛋白的ATP结合盒（ABC）家族与抗药性相关3。这些药物外排转运蛋白显示广泛的底物特异性与

能力，可促进包括化学治疗剂在内的几种不同化合物的流出。底物与药物流出转运蛋白的活性位点的结合导致ATP依赖性构象变化，从而导致释放，从而将底物排出到细胞外空间。针对CSC依赖于在接触药物后的存活的特定途径可能是值得探讨的治疗方法5。用于保护细胞免受外部毒性剂或药物的一种途径是ABC转运蛋白的过表达。因此，靶向ABC转运蛋白可能是克服耐药性的替代策略。结合药物如拓扑替康，发现阿片碱（酪氨酸激酶抑制剂）通过抑制ATP酶活性和调节转运蛋白的表达来抑制ABC亚家族（ABCG2）中一个成员的外排活性6。这最终导致药物在乳腺癌细胞中的积累和化疗药物抗性表型的逆转。

3.激活DNA修复

有些化疗药物的作用机制是损伤肿瘤细胞的DNA的。正常情况下，细胞通过在维持基因组完整性和细胞功能中起重要作用的细胞DNA损伤应答（DDR）来识别和修复DNA损伤。CSC 可利用DDR来防止以防止化疗药物对DNA损伤作用，通过DDR识别DNA中的异常结构时，激活细胞周期检查点并诱导细胞周期停滞以确保在细胞分裂之前校正DNA损伤。DNA损伤的主要传感器和检查点控制的调节器是ATM突变（ataxia telangiectasia mutated）和ATR（ATM 和RAD3相关）蛋白激酶。而ATM主要识别DNA链中的双链断裂和中断7，ATR对停滞的复制叉的单链DNA的存在作出反应。鉴于这些结构，ATM和ATR在信号级联中磷酸化下游底物，最终导致细胞周期停滞和募集DNA修复效应物，或者在不可逆DNA损伤时诱导细胞凋亡。 ATM 和ATR的主要底物之一是CHK1和CHK2。 CHK1和CHK2的磷酸化导致许多关键蛋白如p53和CDC25A的活化，p53在细胞周期停滞，DNA修复和凋亡起始中起关键作用。CDC25A通过G1 / S转换激活因子降解导致细胞周期阻滞。有趣的是，有几项研究观察到，CSC人群的DDR应对率有所增加。Gallmeier等人证实，通过增加CHK1的磷酸化，CD133 +结肠CSCs 对顺铂的抗性比CD133-CSCs更强8, 9。当用CHK1抑制剂SB218078处理细胞时，这种保护作用被逆转。

耐药性CD24+/CD44+/ ESA+胰腺CSCs对CHK1抑制剂的治疗导致对吉西他滨的复苏10。细胞有多种修复机制：核苷酸切除修复（NER），碱基切除修复（BER），错配修复（MMR）和双链断裂（DSB）修复，包括同源末端连接（HE）和非同源末端连接NHEJ。CSCs利用多种策略来修复DNA损伤，让肿瘤细胞在化疗引起了毒性损伤时仍能存活。 Venere及其同事证实通过PARP1途径GIC中单链断裂（SSB）修复增加11。阻断PARP1可逆转这种保护作用，PARP1抑制剂可与其他药物联合使用，使CSCs对治疗效果敏感。进一步的证据来自于胶质母细胞瘤的研究，人类的胶质母细胞瘤中DNA修复基因如PARP，ATM和BRCA1的表达增加明显12，

类似地，在肺癌中CD133+CSCs中DSB修复基因上调13。总之，增加CSCs的DNA损伤反应和修复能力，CSCs可有效逃避抗癌治疗的有害作用。必须强调，肿瘤群体的异质性可能导致CSCs采用不同的策略来逃避治疗，增强DNA损伤反应的细胞毒性作用只是诸多武器中的一种。

4.减少凋亡途径，增加生存信号通路

促生存信号途径的激活和凋亡信号传导的失活是CSC可能赋予耐药性并逃避由DNA损伤的细胞应激反应诱导的细胞凋亡的关键手段。两个主要的凋亡信号通路是内在途径，其作用是通过细胞内的死亡信号响应于细胞应激，以及通过细胞外刺激促凋亡细胞表面受体起作用的外在途径。内在和外在信号通路最终会收敛并导致相同的细胞凋亡过程的细胞降解，内在凋亡通路是响应细胞内应激信号引发细胞色素c和Smac / DIABLO表达，通过阻止细胞凋亡蛋白（IAP）抑制剂的功能来促进细胞凋亡，细胞色素C结合并激活凋亡蛋白酶激活因子1（Apaf-1）和凋亡蛋白酶前体9，形成凋亡蛋白。诱发细胞凋亡过程的半胱氨酸蛋白酶的激活起作用，其功能是通过Bax，Bak，Bad，Bid，Bim，Bik，Noxa和Puma等相关细胞凋亡蛋白的表达平衡来调控内源性途径包括Bcl-2，Bcl-XL和Mcl1在内的生存前蛋白的表达14。抗癌治疗诱导的DNA损伤例如化疗导致肿瘤抑制蛋白p53的积累，高细胞水平的p53通过上调促凋亡Bax和Bak蛋白水平间接引起细胞凋亡诱导。

CSCs通过增强DNA损伤反应（DDR）和修复机制来避免抗癌治疗的破坏作用，并通过增加促存活信号和促凋亡蛋白的失活来赋予抗癌治疗抗性15。既往究中，与CD133-神经胶质瘤细胞相比，前生存蛋白Bcl-2和Bcl-XL以及几种IAP的细胞水平被发现在化学抗性CD133+胶质瘤干细胞中显著上调，而凋亡Bax的表达显著降低。Bcl-2抗凋亡活性的抑制导致促凋亡Bax的活化和胶质母细胞瘤细胞的凋亡诱导。此外，细胞表面生长受体如HER2，FGF和EGF的上调表达可下调促凋亡性坏蛋白的细胞水平，从而抑制化学抗性CSCs的凋亡，进一步抑制内在信号途径和凋亡16。

增加生存信号和降低凋亡基因表达都将导致CSCs获得抗性，因为它们可以克服或抵消由治疗诱导的损伤引起的死亡信号。原始存活和凋亡途径的失调表达可能由基因组不稳定性和累积与肿瘤进展相关的突变或由于标准抗癌治疗的DNA损伤作用的结果引起。导致抗凋亡蛋白如Bcl-2和Bcl-xl失调表达，促凋亡因子如p53，Bax和Bak的失活或生存信号如存活素和cFLIP的增加可单独或共同引起细胞凋亡调节并赋予CSCs生存优势17。例如，发现抗细胞凋亡的cFLIP蛋白在结肠癌、甲状腺癌和黑素瘤中过度表达。