腫瘤干細(xì)胞及其耐藥性機(jī)制研究

韓宜男 錢江

造血系統(tǒng)惡性腫瘤起源于干細(xì)胞樣細(xì)胞，這一理論的建立改變了人們對(duì)于腫瘤發(fā)生學(xué)及化學(xué)治療的傳統(tǒng)看法［1］。隨后在乳腺癌、神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤及其他非造血系統(tǒng)的實(shí)體腫瘤中，也陸續(xù)證實(shí)，存在著具有自我更新能力、能特異性分化成器官各種組成成分的多能干細(xì)胞，促使人們更深入地進(jìn)行腫瘤干細(xì)胞的生物學(xué)研究［2-3］。這些具有與正常干細(xì)胞相似特性的干細(xì)胞樣細(xì)胞，或稱為“腫瘤干細(xì)胞”群體的存在，暗示了腫瘤的真正來(lái)源［4］?，F(xiàn)今腫瘤的化學(xué)治療雖然能成功地縮小許多實(shí)體腫瘤的負(fù)荷，消滅快速增殖的細(xì)胞，卻難以達(dá)到根治。其失敗的根源可能就是忽略了針對(duì)腫瘤增殖池的清除，為日后的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移埋下隱患?；谡８杉?xì)胞具備天然抗藥性特點(diǎn)的推測(cè)，腫瘤對(duì)于化療藥物的耐藥性可能也與腫瘤干細(xì)胞的耐藥特性相關(guān)。本綜述嘗試找出腫瘤干細(xì)胞與腫瘤耐藥性之間的相關(guān)聯(lián)系，從而指導(dǎo)臨床上腫瘤化學(xué)治療方案的選擇，并為開(kāi)發(fā)新型抗癌藥物提供方向。

1 腫瘤的耐藥機(jī)制

目前認(rèn)為，腫瘤的耐藥機(jī)制主要分為兩大類。第1類表現(xiàn)為抗癌藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程受損。這可能源于機(jī)體對(duì)口服藥物吸收不良或代謝清除增強(qiáng)，導(dǎo)致血藥濃度降低，從而減少了抗癌藥從血液向腫瘤組織的彌散作用［5-6］。也有研究［7］強(qiáng)調(diào)腫瘤血管化程度及合適的壓力梯度對(duì)于充足藥物轉(zhuǎn)運(yùn)的重要性。此外微環(huán)境因素，如細(xì)胞外基質(zhì)及腫瘤生長(zhǎng)的幾何形狀等，都可能對(duì)腫瘤細(xì)胞的耐藥性產(chǎn)生影響［5］。由于這一類耐藥機(jī)制與機(jī)體對(duì)藥物的影響有關(guān)，又稱為藥理耐藥(pharmacological resistance)［8］。第2 類稱為生化耐藥(biochemical resistance)，是指腫瘤細(xì)胞的遺傳性及生化特性發(fā)生復(fù)雜的變化，從而影響自身對(duì)藥物的敏感度。體外培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞很容易通過(guò)改變藥物作用靶點(diǎn)或增強(qiáng)對(duì)藥物誘導(dǎo)損傷(多為DNA損傷)的修復(fù)而達(dá)到對(duì)一種或一類藥物耐藥［9］。令人驚奇的是，經(jīng)過(guò)單種藥物耐藥篩選之后的腫瘤細(xì)胞系，往往表現(xiàn)出對(duì)其他結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制毫不相干藥物的交叉耐藥。這種現(xiàn)象稱為“多重耐藥性(multidrug resistance，MDR)”，進(jìn)而解釋了那些結(jié)合不同作用靶點(diǎn)藥物的治療方案并不比單藥治療更有效的原因。

在最初探討腫瘤交叉耐藥機(jī)制的研究中，Ling等［10］發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，即耐藥細(xì)胞的細(xì)胞膜表現(xiàn)出對(duì)細(xì)胞毒化合物的通透性降低。隨著分子技術(shù)的進(jìn)步，第1個(gè)MDR后選基因被分離出來(lái)。Roninson等［11］假設(shè)，經(jīng)過(guò)藥物篩選的細(xì)胞產(chǎn)生耐藥性是因?yàn)閿U(kuò)增了某些決定細(xì)胞膜功能的基因產(chǎn)物。由于注意到耐藥的倉(cāng)鼠細(xì)胞系中常常出現(xiàn)遺傳異常，他們克隆了這些被擴(kuò)增的片段，發(fā)現(xiàn)只有在耐藥細(xì)胞中存在這些片段的基因或基因編碼擴(kuò)增，而在易感細(xì)胞中則無(wú)此現(xiàn)象。去除選擇壓力后，耐藥細(xì)胞也恢復(fù)對(duì)藥物敏感的表型，伴隨著DNA擴(kuò)增的消失。之后，實(shí)驗(yàn)的不斷深入使越來(lái)越多的MDR基因被公之于世，其中最為熟悉的就是ATP結(jié)合盒基因(ATP-binding cassette genes，ABC基因)。到2001年為止，被證實(shí)的人ABC基因已達(dá)到48個(gè)。人們基于序列同源性和域結(jié)構(gòu)的差異，又進(jìn)一步將這個(gè)龐大的家族劃分成7個(gè)不同的亞家族(ABCA-ABCG)。這一大類基因編碼的正是ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子(ATP-binding cassette transporters)，它們利用ATP水解所得的能量，主動(dòng)將藥物泵出細(xì)胞，降低胞內(nèi)藥物濃度，從而保護(hù)其不受細(xì)胞毒物質(zhì)的損害，使細(xì)胞產(chǎn)生耐藥性。由于這類轉(zhuǎn)運(yùn)子具有泛宿主性及對(duì)藥物的低特異性，因此成為腫瘤細(xì)胞多重耐藥最常見(jiàn)的分子基礎(chǔ)。受ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子影響的抗癌藥物包括長(zhǎng)春花生物堿類(長(zhǎng)春堿及長(zhǎng)春新堿)、蒽環(huán)類(多柔比星及柔紅霉素)、RNA轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素-D及微管穩(wěn)定藥物紫杉醇。

減少藥物攝取也可介導(dǎo)耐藥性的產(chǎn)生。搭載著平時(shí)用于運(yùn)載營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)子進(jìn)入細(xì)胞的水溶性藥物，以及通過(guò)胞吞作用入胞的物質(zhì)，即使在沒(méi)有證據(jù)證明存在外流增加的情況下，在細(xì)胞內(nèi)也可能無(wú)法積蓄。此類藥物包括葉酸拮抗劑甲胺蝶呤，核苷酸類似物如5-氟胞嘧啶、順鉑等。

MDR還可源于協(xié)同調(diào)節(jié)解毒系統(tǒng)(如DNA修復(fù)及細(xì)胞色素P450多功能氧化酶類)的活化。事實(shí)上，多藥轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白P-糖蛋白(P-glycoprotein，PGP)與細(xì)胞色素P450 3A的協(xié)同誘導(dǎo)現(xiàn)象已經(jīng)在研究中觀測(cè)到［12］。這種的MDR性可在暴露于任何藥物后被誘導(dǎo)產(chǎn)生。近年來(lái)有證據(jù)提示特定的孤核受體，如SXR，可能涉及介導(dǎo)這種對(duì)環(huán)境壓力的總體反應(yīng)［13］。

最后，耐藥性的產(chǎn)生還可能是凋亡途徑缺失的結(jié)果。這在惡性轉(zhuǎn)化中較為多見(jiàn)。促凋亡基因(如p53)的突變或功能缺失，或抗凋亡基因(如bcl-2)的過(guò)度表達(dá)，都將相應(yīng)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物產(chǎn)生耐藥。細(xì)胞在化學(xué)藥物的選擇壓力之下還可能通過(guò)改變神經(jīng)酰胺水平［14］、改變細(xì)胞周期的調(diào)控機(jī)制而阻止凋亡的產(chǎn)生。

綜上所述，第2類耐藥機(jī)制的一個(gè)重要原理就是:腫瘤細(xì)胞具備遺傳異質(zhì)性。雖然腫瘤的克隆擴(kuò)增過(guò)程導(dǎo)致了細(xì)胞的失控生長(zhǎng)，但暴露于化療藥物的腫瘤細(xì)胞，將憑借自身的生存能力被選擇性保留下來(lái)并與細(xì)胞毒性藥物共存。這些殘留的腫瘤細(xì)胞很可能因?yàn)榫哂型蛔兾锏娘@型而表現(xiàn)出遺傳異質(zhì)性。因此，任何經(jīng)過(guò)化療的腫瘤細(xì)胞都可能產(chǎn)生不只一種耐藥機(jī)制。這種現(xiàn)象稱為“多因素的多重耐藥性(multifactorial multidrug resistance)”［9］。

2 腫瘤干細(xì)胞理論與腫瘤耐藥機(jī)制

正常干細(xì)胞除了具備自我更新及分化潛能之外，還保留著其他區(qū)別于成熟分化細(xì)胞的特質(zhì)，使其能獲得相當(dāng)長(zhǎng)的壽命。這些特質(zhì)包括:大部分時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)、表達(dá)多種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子從而抵抗藥物和毒物的損害;同時(shí)具有DNA修復(fù)能力和抗凋亡能力。干細(xì)胞的生存也離不開(kāi)其他細(xì)胞、基質(zhì)及生長(zhǎng)因子組成的特定微環(huán)境，即干細(xì)胞的小生態(tài)環(huán)境(niche)［15］。

在干細(xì)胞的這些特質(zhì)中，一個(gè)引人入勝而被廣泛關(guān)注的是它們高水平表達(dá)某些特異性ABC藥物轉(zhuǎn)運(yùn)子。例如造血干細(xì)胞表達(dá)高水平的ABCG2，但在大部分定向前體細(xì)胞和成熟血細(xì)胞中該基因卻被關(guān)閉［16］。其中ABCB1、ABCC1及ABCG2被認(rèn)定為3個(gè)最基本代表腫瘤MDR性的基因。這些泛宿主存在的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子超家族中的成員，能同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)親水和疏水化合物，在許多生理屏障間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中也起重要作用［17］。干細(xì)胞通過(guò)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子獲得的藥物轉(zhuǎn)運(yùn)特性是分離和分析干細(xì)胞的重要標(biāo)志。已知大部分細(xì)胞能積蓄熒光染料，如Hoechst 33342和若丹明123(rhodamine 123，R123)，而它們又分別是ABCG2和ABCB1的底物;因此干細(xì)胞能通過(guò)這2種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子的外泵作用，將兩者排出細(xì)胞而不著色，進(jìn)而與普通細(xì)胞分離。這些不被染色的細(xì)胞又稱為邊群細(xì)胞［18］。大部分干細(xì)胞都是在邊群細(xì)胞群內(nèi)被發(fā)現(xiàn)的。

在許多腫瘤中已證實(shí)存在邊群細(xì)胞［19］。這部分腫瘤細(xì)胞和正常干細(xì)胞之間的相似性，使人們提出腫瘤干細(xì)胞的理論［20-21］。認(rèn)識(shí)到MDR轉(zhuǎn)運(yùn)子在保護(hù)正常干細(xì)胞中扮演的重要角色，可幫助人們進(jìn)一步完善此理論，并加入了可能解釋腫瘤治療失敗、晚期復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移和組織特異性區(qū)別的新見(jiàn)解。這一認(rèn)識(shí)還可進(jìn)一步指導(dǎo)人們利用腫瘤和正常干細(xì)胞之間的相似及差異，設(shè)計(jì)合理治療方案?；诖死碚摚F(xiàn)今對(duì)于腫瘤細(xì)胞耐藥性的獲取模式存在以下幾種假設(shè)。

1)腫瘤起始細(xì)胞是一種組織干細(xì)胞，具有許多與正常干細(xì)胞相似的特性，如自我更新、自我保護(hù)、耐受損傷等。復(fù)雜的向腫瘤轉(zhuǎn)變過(guò)程始于循環(huán)中的組織干細(xì)胞突變。正常情況下，組織干細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上具有MDR活性;但一旦進(jìn)入細(xì)胞周期，MDR就被暫時(shí)下調(diào)，導(dǎo)致DNA易受損傷的窗口期。在不對(duì)稱分裂的過(guò)程中，循環(huán)干細(xì)胞自我復(fù)制，生成一個(gè)有MDR保護(hù)的靜止期干細(xì)胞和一個(gè)對(duì)藥物敏感、具有高度增殖能力的擴(kuò)增前體細(xì)胞。當(dāng)子代干細(xì)胞受損后，它將退出細(xì)胞周期并同時(shí)回歸MDR保護(hù)狀態(tài);而當(dāng)前體細(xì)胞受損后，便擴(kuò)增形成大量對(duì)藥物敏感的異常發(fā)育細(xì)胞。隨著更多突變和遺傳不穩(wěn)定性在受損干細(xì)胞中累積，導(dǎo)致進(jìn)一步生長(zhǎng)失調(diào)，最終形成腫瘤?？梢钥闯觯谶@一過(guò)程中腫瘤干細(xì)胞始終處于被保護(hù)的狀態(tài)并極少進(jìn)入細(xì)胞周期。大量的腫瘤實(shí)體是源于分裂活躍、對(duì)藥物敏感的擴(kuò)增前體細(xì)胞。當(dāng)暴露于各種為MDR底物的抗腫瘤物質(zhì)時(shí)，這些對(duì)藥物敏感的腫瘤細(xì)胞被清除，但處于靜止期的腫瘤干細(xì)胞卻極少受影響［22］。這一假設(shè)模式同樣令腫瘤干細(xì)胞得以將長(zhǎng)期突變累積的各種耐藥性傳給它們異常發(fā)育的后代。例如，人白血病及淋巴瘤細(xì)胞中ABCB1表達(dá)上調(diào)的遺傳改變就可能起源于干細(xì)胞。

2)腫瘤干細(xì)胞及其親近子代在選擇壓力下突變導(dǎo)致MDR轉(zhuǎn)運(yùn)子過(guò)表達(dá)，使腫瘤前體細(xì)胞獲得耐藥表型，并繁衍出一批具備MDR的腫瘤細(xì)胞。這些細(xì)胞已在許多化療后復(fù)發(fā)的腫瘤患者體內(nèi)被發(fā)現(xiàn)。

3)腫瘤干細(xì)胞和各種分化細(xì)胞都天生具有耐藥性，因此化療收效甚微或不起作用，導(dǎo)致腫瘤生長(zhǎng)。后者可在固有耐藥的腫瘤，如腎細(xì)胞癌中得到例證。腎細(xì)胞癌的所有細(xì)胞都表達(dá)ABCB1，并因此對(duì)化療藥物耐受。在這個(gè)例證中，腫瘤干細(xì)胞的耐藥表型持續(xù)存在于組成腫瘤細(xì)胞增殖池的、發(fā)育異常的定向祖細(xì)胞中［4］。

上述假設(shè)中強(qiáng)調(diào)了ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子在干細(xì)胞耐藥機(jī)制中的地位，但它卻不是產(chǎn)生耐藥的唯一決定因素。因?yàn)楦杉?xì)胞的DNA修復(fù)能力及抗凋亡機(jī)制具有同等重要地位。在腫瘤干細(xì)胞研究中，CD133通常被視作它的一個(gè)重要標(biāo)志［3］，許多實(shí)驗(yàn)都是通過(guò)CD133+細(xì)胞與CD133－細(xì)胞之間的比較，來(lái)探討腫瘤干細(xì)胞的特性。Todaro等［23］研究認(rèn)為結(jié)腸癌的CD133+細(xì)胞可通過(guò)產(chǎn)生和利用白細(xì)胞介素4來(lái)保護(hù)自身，抵抗凋亡。Ma等［24］則提出肝細(xì)胞肝癌中CD133+細(xì)胞可通過(guò)活化Akt/PKB及bcl-2抗凋亡途徑，增加自身在腫瘤組織中的含量，從而使腫瘤獲得耐藥性。Annabi等［25］還發(fā)現(xiàn)U87神經(jīng)膠質(zhì)瘤的CD133+細(xì)胞中，環(huán)氧化酶2(cyclooxygenase 2，COX-2)的表達(dá)增加。COX-2是前列腺素亞型(PGE2)合成酶，而PGE2被認(rèn)為能抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡［26］。這些研究雖然具有局限性，但從一個(gè)側(cè)面也反映腫瘤干細(xì)胞抗凋亡的機(jī)制對(duì)于其獲得耐藥的重要性。

3 結(jié)語(yǔ)

腫瘤的耐藥性被視為化學(xué)治療中的最大障礙。當(dāng)前腫瘤化療失敗的根源可能是對(duì)治療靶點(diǎn)的錯(cuò)誤選擇。腫瘤干細(xì)胞理論的出現(xiàn)，不僅使人們重新認(rèn)識(shí)了腫瘤的發(fā)生機(jī)制及生物學(xué)行為，更使腫瘤治療進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域。與正常干細(xì)胞相似，腫瘤干細(xì)胞也具有獨(dú)特的抵抗藥物及毒物損害機(jī)制，因而可能成為腫瘤難治性基礎(chǔ)。對(duì)于腫瘤耐藥性的研究，尤其是分析腫瘤干細(xì)胞與其之間的關(guān)系，對(duì)于推動(dòng)腫瘤化學(xué)治療的發(fā)展具有重要意義。本文綜述的各種腫瘤細(xì)胞獲得耐藥性的，都可能成為今后化學(xué)治療的靶點(diǎn)。同時(shí)尋找出正常干細(xì)胞與腫瘤干細(xì)胞之間的差異，設(shè)計(jì)更具針對(duì)性的抗腫瘤藥物，也將成為今后腫瘤化療發(fā)展中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

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