腦腫瘤干細胞的研究進展

韓　昆　萬德紅　丁　弘

[摘要]人腦膠質(zhì)瘤是一種常見的顱內(nèi)惡性腫瘤,約占顱內(nèi)腫瘤的35%-60%(平均約44%)。雖然人類手術(shù)水平和手術(shù)技巧有了很大提高,但仍然很難攻克這一頑癥。病人經(jīng)過手術(shù)切除、放療、化療后,身體創(chuàng)傷很大,膠質(zhì)瘤卻幾乎無一例外的復(fù)發(fā)。這與膠質(zhì)瘤浸潤性生長和遠處轉(zhuǎn)移的特性密切相關(guān)。最近研究發(fā)現(xiàn)腦腫瘤中存在著具有干細胞自我更新特性的細胞亞群即腦腫瘤干細胞(brain tumor stem cell,BTSC) 是引發(fā)腫瘤并維持腦腫瘤生長的細胞來源,在腫瘤的復(fù)發(fā)過程中起著決定性的作用。培養(yǎng)鑒定腦膠質(zhì)瘤干細胞,對研究膠質(zhì)瘤的發(fā)病機理、轉(zhuǎn)移機制和復(fù)發(fā)原因有著不可替代的作用。

[關(guān)鍵詞]腫瘤干細胞;膠質(zhì)瘤

[中圖分類號]R739.41 [文獻標識碼] A [文章編號]1004-8650(2009)10-142-04

據(jù)我國城市居民中調(diào)查,顱內(nèi)腫瘤患病率為32/10萬,一項世界性的統(tǒng)計為40/10萬,腦膠質(zhì)細胞瘤(簡稱膠質(zhì)瘤)是顱內(nèi)腫瘤中最多的一類,接近顱內(nèi)腫瘤的半數(shù)。其中惡性程度較高的膠質(zhì)瘤和髓母細胞瘤以其浸潤性生長的特性,手術(shù)切除效果不佳,復(fù)發(fā)率較高,預(yù)后較差。最近研究人員從腦腫瘤標本中成功分離出一種在無血清培養(yǎng)基中呈懸浮生長的細胞,體外培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)這種細胞具有自我更新和繁殖能力,具有多向分化潛能,并且表達神經(jīng)干細胞特異性的標記物。將其與干細胞比較后,提出了腫瘤干細胞的概念。本文將對腦腫瘤干細胞的研究現(xiàn)狀做一綜述[1,2]。

1 腦腫瘤干細胞的提出

1.1 腫瘤干細胞的提出

Reya等比較干細胞和腫瘤細胞時發(fā)現(xiàn)二者具有相似性的生物學(xué)特征,于2001年提出腫瘤干細胞(cancers stem cell,CSCs)學(xué)說。并推測CSCs具有正常干細胞一樣的自我更新和增殖、分化能力,其來源可能是具有長期存活能力、通過基因突變和后生性變化積累逐漸向惡性化進展的正常干細胞。

1.2 腫瘤干細胞的發(fā)現(xiàn)

Wulf GG等人研究表明,白血病中存在有為數(shù)不多的細胞具有無限增殖、自我更新、多向分化等類似干細胞的特征。而其他細胞只有有限的增殖或無增殖能力,因而失去產(chǎn)生新腫瘤的能力。腫瘤研究者稱上述類似于干細胞的腫瘤細胞稱腫瘤干細胞。隨后陸續(xù)有文獻報道從人類急性粒細胞白血病、乳腺腫瘤、前列腺腫瘤以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中分離得到具有干細胞特性的一類細胞,并且使其在實驗動物身上實現(xiàn)腫瘤再現(xiàn)。

1.3 腦腫瘤干細胞

Hemmati等對小兒髓母細胞瘤和膠質(zhì)瘤進行研究,發(fā)現(xiàn)存在與NSC性質(zhì)相似的細胞,它們可能參與了腦腫瘤形成[3]。這些細胞在體外可形成神經(jīng)球,能夠自我更新,且具有多向分化潛能,在一定環(huán)境中可分化成神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞,細胞比例與原腫瘤相似。不同的是,這些細胞表現(xiàn)出異常的增殖能力。Singh等和Yuan等發(fā)現(xiàn)腦腫瘤中幾乎所有的細胞增殖均由一小部分表達人類干細胞標志物CD133+的細胞產(chǎn)生,即腦腫瘤干細胞(brain tumor stem cell,BTSC)[4,5]。在隨后腦腫瘤研究中,多位學(xué)者從惡性膠質(zhì)瘤中分離、培養(yǎng)并純化出一些有干細胞特性的細胞,并據(jù)此提出腦腫瘤干細胞(brain tumor stem cell,BTSC)學(xué)說。

1.4 腫瘤干細胞學(xué)說

腫瘤干細胞學(xué)說認為所有的腫瘤組織并不是由均一的腫瘤細胞所組成的,在眾多的腫瘤組織中,不同的細胞具有不同的增殖、浸潤和轉(zhuǎn)移能力,亦即腫瘤的異質(zhì)性。在一些腫瘤組織中存在為數(shù)不多的但擔(dān)當(dāng)著干細胞角色的腫瘤細胞,這些特殊的腫瘤細胞具有干細胞的一切基本特性,包括自我更新能力、無限增殖能力和多向分化潛能,于是定義為腫瘤干細胞(tumor stem cell,TSC)[6]。

2 腦腫瘤干細胞的生物學(xué)特性[7-13]

2.1 懸浮性生長

腦腫瘤干細胞在無血清培養(yǎng)基(加入bFGF、EGF等生長因子)中呈懸浮狀生長,并保持腫瘤細胞的未分化狀態(tài)。Singh等從14例兒童腦腫瘤(包括髓母細胞瘤、星型膠質(zhì)細胞瘤及室管膜瘤等)中培養(yǎng)出呈懸浮狀生長的細胞球;Kondo等報道在包括C6膠質(zhì)瘤細胞系的6個腫瘤細胞系中有4個培養(yǎng)出腫瘤球。

2.2 表達干細胞標記物

CD133是相對分子量為120kD的跨膜蛋白,最初作為造血干細胞標記物被人們認識,現(xiàn)在也是公認的神經(jīng)干細胞標記物。同時,從膠質(zhì)瘤或細胞系中培養(yǎng)出的具有無限增殖、自我更新、多向分化特性的懸浮細胞也呈陽性表達。神經(jīng)巢蛋白(Nestin)是一種在神經(jīng)干細胞和前體細胞中表達的骨架蛋白,研究表明上述細胞也表達Nestin。

2.3 自我增殖和更新能力

Toru Kondo等研究發(fā)現(xiàn)在C6細胞系中培養(yǎng)出的(side population,SP)SP細胞在PDGF 加 bFGF的培養(yǎng)條件下能自我更新和增殖產(chǎn)生新的SP細胞;Singh等將原代培養(yǎng)的腫瘤球稀釋后繼續(xù)培養(yǎng),結(jié)果不同病理類型的腫瘤球都生成了與原來相同表型的腫瘤球,同時發(fā)現(xiàn)腫瘤干細胞的自我更新能力遠高于作為對照的神經(jīng)干細胞,且不同類型的腫瘤干細胞的自我更新能力不同。

2.4 多向分化潛能

還是Toru Kondo等證明SP細胞能分化生成SP細胞和非SP細胞,而非SP細胞卻只能生成非SP細胞;同時有文獻證明,本不表達分化的神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞的標志物的懸浮細胞球在培養(yǎng)基中加入血清后既貼壁生長,并形成單細胞層,同時表達分化的神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞的標志物如微管相關(guān)蛋白2(MAP2)、β-tubilin 3、脫質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)、血小板源性生長因子受體α(PDGFRα)等。

3 腦腫瘤干細胞與神經(jīng)干細胞

3.1 相同點

腦腫瘤干細胞與神經(jīng)干細胞的培養(yǎng)條件相同,目前BTSC采用與神經(jīng)干細胞(neural stem cell, NSC)相同的無血清培養(yǎng)方式,需要相同的生長因子維持;相同的生長方式,BTSC和NSC在無血清培養(yǎng)基中均呈懸浮狀生長;相同的表面標記物,BTSC表達NSC的表面標志,如CD133和Nestin;相同的分裂生長方式,BTSC和NSC均按照對稱和不對稱兩種分裂方式發(fā)育生長,究竟采用哪種分裂方式與干細胞所處環(huán)境相關(guān)[14]。

3.2 不同點

自我更新和增殖能力不同,Singh等發(fā)現(xiàn)在稀釋為每孔l00個細胞時,髓母細胞瘤平均形成20.27個腫瘤球,纖維型星形細胞瘤為5.85個,作為對照的正常神經(jīng)干細胞僅2.88個,這表明腫瘤干細胞自我更新能力強于神經(jīng)干細胞;Galli等報道從多型膠質(zhì)母細胞瘤中培養(yǎng)出腫瘤球,并且可連續(xù)傳代80次以上(180-280天),在傳代的后期更易出現(xiàn)懸浮球狀生長且增殖速度加快,而在同樣的條件下神經(jīng)干細胞不能維持1個月[15,16]。

4 腦腫瘤生成細胞的來源

關(guān)于腦腫瘤生成細胞的來源,目前主要集中于三個觀點:一是來源于膠質(zhì)細胞,這是早在上世紀20年代由Bailey和Cushing提出的觀點,認為星形膠質(zhì)細胞癌基因的激活和抑癌基因的失活是腫瘤發(fā)生的關(guān)鍵所在。在神經(jīng)干細胞發(fā)現(xiàn)之前,這一學(xué)說在膠質(zhì)瘤的起源問題上占據(jù)著不可動搖的地位;二是來源于神經(jīng)干細胞,膠質(zhì)瘤往往不是由單一的惡變膠質(zhì)細胞組成,而是多種細胞成分并存,如:神經(jīng)節(jié)細胞、少突星形細胞等等。神經(jīng)干細胞具有多種分化潛能和兩種分裂方式,對稱式分裂和不對稱式分裂,當(dāng)進行不對稱分裂時,神經(jīng)干細胞分裂為一個新干細胞和一個神經(jīng)祖細胞,神經(jīng)干細胞發(fā)生致瘤性分子事件時,神經(jīng)祖細胞攜帶癌基因表達產(chǎn)物繼續(xù)增殖并導(dǎo)致腫瘤發(fā)生,新干細胞則繼續(xù)分裂提供源源不斷的前體細胞[17]。Lubensky等以放射誘導(dǎo)方法證實神經(jīng)干細胞或神經(jīng)祖細胞的放射損害將抑制細胞的正常分化并導(dǎo)致腫瘤形成。三是來源于腫瘤干細胞,尚未得到證實,原因在于腫瘤干細胞的來源沒有得到驗證,當(dāng)前研究多支持腫瘤干細胞來源于神經(jīng)干細胞,理由在于上述的多種相似點[18]。

5 存在的問題

5.1 腫瘤干細胞的來源

如上所述,腫瘤干細胞是否來源于神經(jīng)干細胞是當(dāng)前研究的熱點。神經(jīng)干細胞較成熟膠質(zhì)細胞更容易轉(zhuǎn)化形成腫瘤干細胞的可能原因包括:①神經(jīng)干細胞是未分化的幼稚細胞,在轉(zhuǎn)化過程中較成熟細胞可以減少一個脫分化的過程,也就是說,相比較于成熟細胞,神經(jīng)干細胞只需要更少的突變就可以轉(zhuǎn)化為腫瘤干細胞。②神經(jīng)干細胞有更長的生命周期,因而更容易累積各種致癌性突變的變異發(fā)生轉(zhuǎn)化。

5.2 腫瘤干細胞在腫瘤中所占比例與腫瘤惡性程度之間的關(guān)系

Kondo報道了C6膠質(zhì)瘤細胞系中為0.4%,Singh報道毛細胞星形細胞瘤中為0.3%,髓母細胞瘤中為25%,Galli等報道髓母細胞瘤中為1%-6%,多形膠質(zhì)母細胞瘤中為9%-19%[19,20]。以上數(shù)據(jù)似乎表明腫瘤惡性程度越高,腫瘤干細胞的比例也就越大。

5.3 不同特性的腫瘤干細胞與腫瘤惡性程度之間的關(guān)系

腫瘤干細胞自我更新、增殖、分化和遷移能力的大小在臨床的體現(xiàn)就是腫瘤的生長及播散轉(zhuǎn)移速度的快慢和侵襲能力的強弱。即腫瘤的腫瘤干細胞決定了其臨床惡性程度的高低。若腫瘤干細胞的上述特性強,則在臨床表現(xiàn)為腫瘤生長迅速,容易侵犯周圍組織并播散轉(zhuǎn)移,腫瘤的惡性程度高。反之則表現(xiàn)為腫瘤生長緩慢,不易侵犯周圍組織及播散轉(zhuǎn)移,腫瘤的惡性程度低。

5.4 腫瘤干細胞與機體免疫系統(tǒng)

遠處轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤的特點,腫瘤干細胞在血液中轉(zhuǎn)移的過程中是如何躲過機體免疫系統(tǒng)的監(jiān)視和攻擊的?

5.5 腫瘤干細胞的鑒定缺乏統(tǒng)一的標準,有待進一步完善統(tǒng)一的鑒定標準:當(dāng)前腫瘤干細胞的分離培養(yǎng)都是以神經(jīng)干細胞為參照物的,包括腫瘤干細胞的鑒定也是以神經(jīng)干細胞的標記物為主。CD133是相對分子量為120kD的跨膜蛋白,最初作為造血干細胞標記物被人們認識,現(xiàn)在也是公認的神經(jīng)干細胞標記物。同時,從膠質(zhì)瘤或細胞系中培養(yǎng)出的具有無限增殖、自我更新,多向分化的特性的懸浮細胞也呈陽性表達。神經(jīng)巢蛋白(Nestin)是一種在神經(jīng)干細胞和前體細胞中表達的骨架蛋白,研究表明,上述細胞也表達Nestin。當(dāng)前腫瘤干細胞的鑒定以Nestin和CD133為主,但研究發(fā)現(xiàn),同一群腫瘤細胞中Nestin陽性的比例高于CD133陽性的比例。這說明神經(jīng)干細胞的標記物與腫瘤干細胞并不完全相同。如何證明在神經(jīng)干細胞培養(yǎng)條件下生長的懸浮細胞球就是腫瘤干細胞,體內(nèi)致瘤性實驗是必不可少的一步。只有在動物體內(nèi)生長出與原發(fā)腫瘤同種性質(zhì)的腫瘤才具有更強的說服力。尋找腫瘤干細胞特異性的標記物將是下一步研究的重點。

6 腦膠質(zhì)瘤干細胞學(xué)說的意義

腫瘤干細胞假說為腫瘤的研究提供了新的思路和方向。BTSC的確鑿鑒定是對腦腫瘤干細胞假說的最有力支持。

6.1 從腫瘤發(fā)生角度

腫瘤的發(fā)生是多因素、多環(huán)節(jié)共同作用的復(fù)雜過程,至今尚未在千頭萬緒中找到確切的致瘤因素。如果腫瘤干細胞學(xué)說得到確認,將在腫瘤的發(fā)病原因上邁出堅實的一步,把注意力從尋找腫瘤致病因素轉(zhuǎn)移到腫瘤干細胞的來源上來。

6.2 從腫瘤的發(fā)展角度

惡性腫瘤的特點之一是生長失控,實驗證明,并不是所有的腫瘤細胞都具有自我繁殖的能力,永生性增殖是干細胞所特有的,正是由于干細胞不斷的分裂、轉(zhuǎn)化,腫瘤才不斷的生長。

6.3 從腫瘤的轉(zhuǎn)移角度

腫瘤干細胞從腫瘤發(fā)源地脫落,播散到新的位置后,如局部微環(huán)境適合,即增殖分化形成新的腫瘤。

6.4 從腫瘤的治療角度

當(dāng)前腫瘤的治療以手術(shù)加放療、化療為主,但多數(shù)容易復(fù)發(fā),原因在于沒有徹底消滅腫瘤干細胞。手術(shù)只能切除一定范圍的腫瘤,對浸潤性生長和遠處轉(zhuǎn)移的腫瘤干細胞沒有得到清除,放、化療主要針對于普通腫瘤細胞,對腫瘤干細胞的敏感性較差,另外存在于腫瘤干細胞體內(nèi)的ABC復(fù)合體能將化療藥物泵出體外。

6.5 從腫瘤的復(fù)發(fā)角度

要想從根本上遏制腫瘤的復(fù)發(fā),徹底的消滅腫瘤干細胞或關(guān)閉腫瘤干細胞癌基因的表達是一條根本途徑。

7 展望

腦膠質(zhì)瘤干細胞的研究目前仍處于起步階段,存在許多尚未解決的問題,如:BTSC特異性的標記物;BTSC的鑒定;BTSC的來源;BTSC分化機制;BTSC耐藥性的機制等等。隨著BTSC研究的不斷深入,我們對腦腫瘤的起源、轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)和耐藥性有了新的認識,對腦腫瘤的診斷和治療也有了新的思路,將針對于腫瘤細胞的治療轉(zhuǎn)移到針對于BTSC上來,從而達到根治腦腫瘤的目的。

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(收稿日期2009-07-21)