腫瘤干細(xì)胞與腫瘤轉(zhuǎn)移

唐俊 吳偉忠

（復(fù)旦大學(xué)肝癌研究所，上海 200032）

腫瘤干細(xì)胞具有不斷自我更新、抗凋亡和耐藥等特性，隨著腫瘤干細(xì)胞（或干細(xì)胞樣腫瘤細(xì)胞）研究的不斷深入，它在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用及其臨床治療價值日益顯現(xiàn)。本文就腫瘤干細(xì)胞發(fā)現(xiàn)的歷史、調(diào)節(jié)機(jī)制及其在腫瘤轉(zhuǎn)移中的作用作一綜述。

1 腫瘤干細(xì)胞存在的證據(jù)

1997年，Bonnet等［1］發(fā)現(xiàn)，將從急性髓性白血病（acute myeloid leukemia，AML）患者體內(nèi)分離獲得的特定亞群腫瘤細(xì)胞種植到非肥胖糖尿?。匕Y聯(lián)合免疫缺陷（non－obses diabetic／severe combined immunodeficient，NOD／SCID）小鼠體內(nèi)后可以導(dǎo)致其發(fā)生人類樣白血病。他們將該亞群細(xì)胞統(tǒng)稱為重度聯(lián)合免疫缺陷性白血病起始細(xì)胞（SCID leukemia－initiating cells，SL－ICs），其分子表型為 CD34＋CD38；而將同一患者體內(nèi)其他亞群白血病細(xì)胞注入到免疫缺陷小鼠體內(nèi)并不能導(dǎo)致人類樣白血病的發(fā)生。該研究首次證明了AML患者中存在具有腫瘤干細(xì)胞特征的特殊腫瘤細(xì)胞亞群。

2003年，Al－Hajj等［2］在乳腺癌組織中分離得到CD44＋CD24－腫瘤細(xì)胞，并證實其在異種移植模型中的致瘤性明顯高于其他亞群腫瘤細(xì)胞，故將CD44＋CD24－細(xì)胞稱為乳腺癌腫瘤干細(xì)胞。之后，研究者在多種實體腫瘤，如腦腫瘤、肺癌、前列腺癌、黑色素瘤、卵巢癌、結(jié)腸癌、頭頸部腫瘤、胰腺癌、肝癌、膀胱癌和皮膚癌中陸續(xù)分離得到各自的腫瘤干細(xì)胞。Ricci－Vitiani等［3］研究發(fā)現(xiàn)，將106個未分選的結(jié)腸癌細(xì)胞接種于SCID小鼠，5周后形成肉眼可見的腫瘤，如接種105個分選后的CD133－結(jié)腸癌則不能成瘤，但接種僅3000個CD133＋結(jié)腸癌細(xì)胞在4周后就可以形成肉眼可見的腫瘤。O＇Brien等［4］也發(fā)現(xiàn)相同的現(xiàn)象，上述結(jié)果表明，CD133＋結(jié)腸癌細(xì)胞為腫瘤干細(xì)胞。

值得指出的是，目前腫瘤干細(xì)胞的特征主要依賴異種移植模型來鑒定。然而，關(guān)于這種模型的真實性尚有爭議，有研究顯示異種移植模型可能低估了人體腫瘤干細(xì)胞的數(shù)量。此外，由于免疫缺陷小鼠缺乏淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，可能影響人類移植瘤的生長、血管生成和轉(zhuǎn)移。我們認(rèn)為腫瘤干細(xì)胞具有以下特點(diǎn)：僅占腫瘤細(xì)胞的一小部分；細(xì)胞表面表達(dá)特定的標(biāo)志物；具有潛在的自我更新和分化能力；少量接種此類腫瘤細(xì)胞可在免疫缺陷小鼠體內(nèi)形成腫瘤，且可以連續(xù)傳代。

2 腫瘤干細(xì)胞的起源

有關(guān)腫瘤干細(xì)胞的起源目前尚有爭議。多數(shù)實驗證據(jù)顯示，腫瘤干細(xì)胞起源于細(xì)胞增殖能力調(diào)節(jié)失衡的正常干細(xì)胞以及重新獲得自我更新能力的祖細(xì)胞。也有證據(jù)表明，成熟體細(xì)胞以及分化較好的腫瘤細(xì)胞通過基因重組而重新獲得自我更新、多向分化的能力而具有肝細(xì)胞特征。

從亞臨床性微小腫瘤灶發(fā)展為具有臨床意義的腫瘤，常需經(jīng)歷一個漫長的腫瘤發(fā)生和發(fā)展過程。只有那些具備抗凋亡和無限自我復(fù)制和更新能力的腫瘤細(xì)胞才能成為腫瘤干細(xì)胞。由于干細(xì)胞本身已具備自我更新和無限復(fù)制的能力，且較同一組織中的其它細(xì)胞具有更長的生存時間，因此它們有可能成為腫瘤干細(xì)胞。事實上，Bonnet等［1］證明，白血病起始和進(jìn)展的關(guān)鍵基因的突變發(fā)生在原始細(xì)胞而不是定向祖細(xì)胞，表明腫瘤干細(xì)胞來源于正常干細(xì)胞。當(dāng)然，這并不排除已失去自我更新能力的祖細(xì)胞重新轉(zhuǎn)化成腫瘤干細(xì)胞的可能性，如β－catenin蛋白活化的慢性髓性白血病祖細(xì)胞在保持整體基因表達(dá)譜穩(wěn)定性的同時，其自我更新的能力大大增強(qiáng)了，提示定向祖細(xì)胞無需廣泛的基因表達(dá)改變就可以轉(zhuǎn)化為白血病干細(xì)胞，這類腫瘤細(xì)胞既保留定向祖細(xì)胞的特征同時又獲得了腫瘤干細(xì)胞的部分特性［5］。與正常干細(xì)胞一樣，腫瘤干細(xì)胞的生長也依賴于周圍腫瘤微生態(tài)基質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞和炎癥細(xì)胞，腫瘤微環(huán)境的變化可以誘導(dǎo)腫瘤干細(xì)胞的形成［6］?？傊?，腫瘤干細(xì)胞來源多樣、表型不一，廣泛存在于各種血液和實體惡性腫瘤中。

3 腫瘤干細(xì)胞與腫瘤的轉(zhuǎn)移

腫瘤轉(zhuǎn)移是一個多步驟、多環(huán)節(jié)的復(fù)雜過程。目前認(rèn)為，腫瘤轉(zhuǎn)移前腫瘤細(xì)胞需發(fā)生上皮細(xì)胞向間 質(zhì) 細(xì) 胞 的 轉(zhuǎn) 化 （epithelial－mesenchymal transition，EMT），以助于其離開原發(fā)灶，突破血管壁，進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)腫瘤細(xì)胞需逃避機(jī)體的免疫監(jiān)視、失巢凋亡和血流應(yīng)力，才能到達(dá)特定的轉(zhuǎn)移靶器官；隨后，腫瘤細(xì)胞適應(yīng)靶器官微環(huán)境并逐漸生長成臨床可見的轉(zhuǎn)移灶。有研究［7］表明，在腫瘤轉(zhuǎn)移早期階段，腫瘤細(xì)胞侵入血管、存活和溢出血管是一件高效事件。然而，在腫瘤轉(zhuǎn)移晚期階段只有少數(shù)腫瘤細(xì)胞（約2%）得以在靶器官中生長并形成微小轉(zhuǎn)移灶，約0.02%的腫瘤細(xì)胞最終發(fā)展具有臨床意義的腫瘤轉(zhuǎn)移灶。

3.1 腫瘤干細(xì)胞與腫瘤的侵襲 由于腫瘤干細(xì)胞具有自我更新和無限增殖的能力，是腫瘤細(xì)胞中一群高度活躍的細(xì)胞亞群。Hermann等［8］發(fā)現(xiàn)，在新鮮的人原發(fā)胰腺癌組織中，存在CD133＋和CD133－兩群胰腺癌細(xì)胞，其中CD133＋細(xì)胞可以在異種移植模型中成瘤，被認(rèn)為是胰腺癌干細(xì)胞；根據(jù)是否表達(dá)CXC趨化因子受體4（CXC chemokine receptor type 4，CXCR4）分子，將CD133＋胰腺癌細(xì)胞分成CD133＋CXCR4－和CD133＋CXCR4＋兩個亞型；兩個亞型的胰腺癌細(xì)胞裸鼠皮下成瘤的能力差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但CD133＋CXCR4－胰腺癌形成的皮下瘤不發(fā)生轉(zhuǎn)移，采用CXCR4化學(xué)抑制劑處理CD133＋胰腺癌皮下瘤獲得相似的結(jié)果；進(jìn)而采用免疫組織化學(xué)染色，發(fā)現(xiàn)在腫瘤侵襲的前緣（腫瘤周邊）聚集著大量的CD133＋CXCR4＋胰腺癌細(xì)胞，提示胰腺癌轉(zhuǎn)移主要是由CD133＋CXCR4＋胰腺癌干細(xì)胞引發(fā)的。因此，腫瘤干細(xì)胞在腫瘤轉(zhuǎn)移中起著至關(guān)重要的作用。

3.2 腫瘤干細(xì)胞與EMT 研究［9］表明，腫瘤細(xì)胞的EMT對腫瘤干細(xì)胞特征的調(diào)控非常重要，兩者在信號通路上存在著串話現(xiàn)象。Morel等［10］證實，激活RAS／MAPK信號通路可以上調(diào)乳腺癌細(xì)胞的E－鈣粘蛋白并下調(diào)波形蛋白的表達(dá)，從而出現(xiàn)EMT的細(xì)胞表型，同時可誘導(dǎo)非致瘤性CD44－CD24＋乳腺癌細(xì)胞向致瘤性CD44＋CD24－乳腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)化。Mani等［11］通過過表達(dá)Twist或Snail蛋白成功誘導(dǎo)非致瘤性乳腺癌細(xì)胞的EMT，并產(chǎn)生CD44＋CD24－細(xì)胞亞群，其腫瘤細(xì)胞球和移植瘤形成能力都得到顯著地增強(qiáng)。此外，從人正常乳腺及乳腺癌組織分離獲得的CD44＋CD24－細(xì)胞也呈現(xiàn)間質(zhì)細(xì)胞形態(tài)，并且高表達(dá)波形蛋白和纖連蛋白等間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志。Santisteban等［12］通過誘導(dǎo)機(jī)體的免疫反應(yīng)，促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的EMT轉(zhuǎn)化和腫瘤生長；同時產(chǎn)生了具有間質(zhì)細(xì)胞表型的CD44＋CD24－腫瘤細(xì)胞，其表現(xiàn)出乳腺癌干細(xì)胞的部分特性。Gupta等［13］用短發(fā)夾 RNA（short hairpin RNA，shRNA）技術(shù)降低E－鈣粘蛋白的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)可以明顯促進(jìn)HMLER乳腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，并誘導(dǎo)CD44＋CD24－細(xì)胞亞群的產(chǎn)生，極大增加了腫瘤細(xì)胞球的形成能力和抗藥性，且發(fā)現(xiàn)EMT信號通路與腫瘤干細(xì)胞產(chǎn)生信號通路存在著一定的串話現(xiàn)象。此外，目前發(fā)現(xiàn)多數(shù)循環(huán)腫瘤細(xì)胞同時具有EMT的特征和腫瘤干細(xì)胞的特征，表明兩者關(guān)系緊密［14］。

3.3 腫瘤干細(xì)胞的休眠（tumor dormancy）與腫瘤轉(zhuǎn)移 腫瘤轉(zhuǎn)移后期似乎是腫瘤轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵限速階段。臨床中我們也發(fā)現(xiàn)，腫瘤患者在化療和放療之后不久，腫瘤又出現(xiàn)復(fù)發(fā)，這可能與腫瘤干細(xì)胞的休眠現(xiàn)象有關(guān)。腫瘤干細(xì)胞具有許多類似于正常干細(xì)胞的生物學(xué)特性，如高表達(dá)化療藥物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、降低細(xì)胞內(nèi)的藥物濃度。它也具有強(qiáng)大的DNA修復(fù)和抗凋亡能力［15－16］。腫瘤細(xì)胞播散至靶器官將受到局部微環(huán)境穩(wěn)定機(jī)制的抵抗，只有少數(shù)具有較強(qiáng)抗凋亡能力和DNA修復(fù)能力的腫瘤干細(xì)胞才能適應(yīng)靶器官的缺氧微環(huán)境而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞休眠。用IL－4拮抗劑可以明顯增強(qiáng)結(jié)腸癌患者對常規(guī)化療藥物的敏感性，減少CD133＋腫瘤干細(xì)胞的數(shù)量［17］。此外，在小鼠和人乳腺癌干細(xì)胞內(nèi)，放療前后的活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平均明顯低于非干性乳腺癌細(xì)胞，故其DNA損傷程度也顯著輕于非干性乳腺癌細(xì)胞，表明腫瘤干細(xì)胞具有天然的放療抵抗能力［18］。總之，腫瘤干細(xì)胞通過耐藥、抵抗放療和休眠等機(jī)制，提高了其抗凋亡能力和生存幾率，成為腫瘤復(fù)發(fā)與轉(zhuǎn)移的根源。

4 microRNA（miRNA）與腫瘤干細(xì)胞

近來發(fā)現(xiàn)腫瘤干細(xì)胞的形成在多層面受到基因的調(diào)節(jié)。microRNA表達(dá)異常與腫瘤細(xì)胞EMT及腫瘤干細(xì)胞的形成密切相關(guān)。例如，miR－200家族成員可以通過調(diào)節(jié)鋅指E盒結(jié)合同源盒蛋白（zinc finger E－box binding homeobox，ZEB）1和ZEB2的表達(dá)水平影響腫瘤細(xì)胞的EMT；另外，miR－200還可以通過調(diào)節(jié)Bmi1、Notch1及LIN28B的表達(dá)水平影響腫瘤干細(xì)胞的信號通路和生物學(xué)功能［19－21］。Shimono等［22］進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，miR－200家族成員在CD44＋CD24－乳腺癌干細(xì)胞和正常乳腺干細(xì)胞中的表達(dá)水平明顯降低，恢復(fù)miR－200c的表達(dá)能明顯抑制正常乳腺干細(xì)胞形成乳腺導(dǎo)管以及乳腺癌干細(xì)胞形成腫瘤球的能力。近來，Yang等［22］在研究TWIST1誘導(dǎo)頭頸鱗狀細(xì)胞癌EMT中發(fā)現(xiàn)，Twist1不僅能上調(diào)Bmi1分子的表達(dá)水平，而且能誘導(dǎo)腫瘤干細(xì)胞標(biāo)志分子Sox2的表達(dá)，提示microRNA與腫瘤細(xì)胞EMT及其干樣特征的維持密切相關(guān)。

5 展 望

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，盡管人類對腫瘤干細(xì)胞的生物學(xué)特性及其在腫瘤復(fù)發(fā)與轉(zhuǎn)移中的作用有了初步的認(rèn)識，但仍有許多問題尚待解決。不同種類的腫瘤往往存在各自不同的腫瘤干細(xì)胞標(biāo)志物，如CD133、CD90和CD44等，這為腫瘤干細(xì)胞的分子靶向治療帶來不少的困惑。為了制定更加合理的個體化治療方案以及發(fā)現(xiàn)新的分子治療靶點(diǎn)，仍需進(jìn)一步探討腫瘤干細(xì)胞的化療和放療耐受機(jī)制及其關(guān)鍵信號通路。

［1］ Bonnet D，Dick JE.Human acute myeloid leukemia is organized as a hierarchy that originates from a primitive hematopoietic cell［J］.Nat Med，1997，3（7）：730－737.

［2］ Al－Hajj M，Wicha MS，Benito－Hernandez A，et al.Prospective identification of tumorigenic breast cancer cells［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2003，100（7）：3983－3988.

［3］ Ricci－Vitiani L，Lombardi DG，Pilozzi E，et al.Identification and expansion of human colon－cancer－initiating cells［J］.Nature，2007，445（7123）：111－115.

［4］ O＇Brien CA，Pollett A，Gallinger S，et al.A human colon cancer cell capable of initiating tumour growth in immunedeficient mice［J］.Nature，2007，445（7123）：106－110.

［5］ Wu XZ.Origin of cancer stem cells：the role of self－renewal and differentiation［J］.Ann Surg Oncol，2008，15（2）：407－414.

［6］ Singh SK，Hawkins C，Clarke ID，et al.Identification of human brain tumour initiating cells［J］.Nature，2004，432（7015）：396－401.

［7］ Cameron MD，Schmidt EE，Kerkvliet N，et al.Temporal progression of metastasis in lung：cell survival，dormancy，and lo－cation dependence of metastatic inefficiency［J］.Cancer Res，2000，60（9）：2541－2546.

［8］ Hermann PC，Huber SL，Herrler T，et al.Distinct populations of cancer stem cells determine tumor growth and metastatic activity in human pancreatic cancer［J］.Cell Stem Cell，2007，1（3）：313－323.

［9］ Creighton CJ，Li X，Landis M，et al.Residual breast cancers after conventional therapy display mesenchymal as well as tumor－initiating features［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2009，106（33）：13820－13825.

［10］ Morel AP，Lièvre M，Thomas C，et al.Generation of breast cancer stem cells through epithelial－mesenchymal transition［J］.PLoS One，2008，3（8）：e2888.

［11］ Mani SA，Guo W，Liao MJ，et al.The epithelial－mesenchymal transition generates cells with properties of stem cells［J］.Cell，2008，133（4）：704－715.

［12］ Santisteban M，Reiman JM，Asiedu MK，et al.Immune－induced epithelial to mesenchymal transition in vivo generates breast cancer stem cells［J］.Cancer Res，2009，69（7）：2887－2895.

［13］ Gupta PB，Onder TT，Jiang G，et al.Identification of selective inhibitors of cancer stem cells by high－throughput screening［J］.Cell，2009，138（4）：645－659.

［14］ Aktas B，Tewes M，F(xiàn)ehm T，et al.Stem cell and epithelialmesenchymal transition markers are frequently overexpressed in circulating tumor cells of metastatic breast cancer patients［J］.Breast Cancer Res，2009，11（4）：R46.

［15］ Pardal R，Clarke MF，Morrison SJ.Applying the principles of stem－cell biology to cancer［J］.Nat Rev Cancer，2003，3（12）：895－902.

［16］ Cairns J.Somatic stem cells and the kinetics of mutagenesis and carcinogenesis［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2002，99（16）：10567－10570.

［17］ Todaro M，Alea MP，Di Stefano AB，et al.Colon cancer stem cells dictate tumor growth and resist cell death by production of interleukin－4［J］.Cell Stem Cell，2007，1（4）：389－402.

［18］ Diehn M，Cho RW，Lobo NA，et al.Association of reactive oxygen species levels and radioresistance in cancer stem cells［J］.Nature，2009，458（7239）：780－783.

［19］ Kong D，Banerjee S，Ahmad A，et al.Epithelial to mesenchymal transition is mechanistically linked with stem cell signatures in prostate cancer cells［J］.PLoS One，2010，5（8）：e12445.

［20］ Shimono Y，Zabala M，Cho RW，et al.Downregulation of miRNA－200c links breast cancer stem cells with normal stem cells［J］.Cell，2009，138（3）：592－603.

［21］ Wellner U，Schubert J，Burk UC，et al.The EMT－activator ZEB1 promotes tumorigenicity by repressing stemness－inhibiting microRNAs［J］.Nat Cell Biol，2009，11（12）：1487－1495.

［22］ Yang MH，Hsu DS，Wang HW，et al.Bmi1 is essential in Twist1－induced epithelial－mesenchymal transition［J］.Nat Cell Biol，2010，12（10）：982－992.