間充質(zhì)干細胞與腫瘤關(guān)系的研究進展

邵俊峰 綜述，陳余清 審校

充質(zhì)干細胞是中胚層發(fā)育的早期細胞，是一種未分化細胞,廣泛存在于已分化組織中。間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一種無造血功能的干細胞,廣泛存在于胎兒和成人的各種組織和臟器中,其中骨髓中的含量最多。MSCs具有較強的增殖能力及多項分化潛能，可分化為成纖維細胞、成骨細胞、成軟骨細胞、脂肪細胞和肺泡上皮細胞等，在心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和創(chuàng)傷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。MSCs不僅能轉(zhuǎn)化成惡性腫瘤細胞，并且對腫瘤的發(fā)生發(fā)展的過程也有影響。MSCs在腫瘤局部的作用可表現(xiàn)為促進腫瘤生長，發(fā)揮免疫抑制作用，抑制腫瘤凋亡，刺激血管生成、增殖，促進腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移。而MSCs具有向腫瘤組織趨化遷移的特性，可以將MSCs作為腫瘤治療的載體，通過病毒載體將各種對腫瘤有抑制作用的基因轉(zhuǎn)染到MSCs來達到抑制甚至殺死腫瘤的作用，因此MSCs與腫瘤的關(guān)系成為近期研究熱點。本文就MSCs生物學(xué)特性、腫瘤趨向性及與腫瘤的關(guān)系等作一綜述。

1 MSCs的生物學(xué)特性

人類MSCs是基質(zhì)干細胞的成纖維細胞樣子集，可以從許多間充質(zhì)來源的組織中分離，可以分化成不同類型的間充質(zhì)組織細胞[1]。2006 年國際細胞治療學(xué)會將MSCs 定義為：

(1)成纖維細胞樣細胞,且呈漩渦狀貼壁生長；(2)細胞表型符合CD11b-或CD14-、CD19-或CD79a-、CD34-、CD45-、人類白細胞抗原-DR-、CD73+、CD90+和CD105+；(3)可向軟骨細胞、成骨細胞、脂肪細胞三系分化[2]。MSCs最多見于骨髓，骨髓衍生的MSC可以在體外分化為主要的中胚層譜系，包括骨細胞和成骨細胞、軟骨細胞、肌細胞和脂肪細胞[3]，并且在一定的培養(yǎng)條件下，能夠分化成神經(jīng)細胞、胰腺細胞和肺泡細胞[4-5]。MSCs不表達白細胞譜系的生物學(xué)標志，卻和單核/巨噬細胞及上皮細胞(表皮生長因子家族中的幾個成員)擁有相似的生物學(xué)標志[6-7]。MSCs具有低免疫原性的特點，BARTHOLOMEW等[8]研究發(fā)現(xiàn),通過靜脈注射骨髓源性的MSCs，一般不發(fā)生移植排斥反應(yīng),即使個別發(fā)生排斥反應(yīng),其排斥程度也比較輕，MSCs可以抑制外周血白細胞的生長且和其劑量呈正相關(guān)[9]。MSCs不表達或低表達MHC-Ⅱ分子和T 細胞共同刺激分子可能是導(dǎo)致其低免疫原性的主要原因。

2 MSCs的腫瘤趨向性

上皮源性實體瘤的微環(huán)境是由癌細胞、內(nèi)皮細胞、免疫細胞、骨髓細胞、細胞外基質(zhì)成分和不同類型的MSCs構(gòu)成，和癌癥所處分期息息相關(guān)。這些組成部分對于腫瘤的生長、宿主的抗腫瘤反應(yīng)、抗腫瘤治療的效果評價等方面均扮演重要的作用[10-11]。NAKAMIZO等[12]研究發(fā)現(xiàn)，用熒光標記的MSCs分別經(jīng)兩側(cè)頸動脈注入神經(jīng)膠質(zhì)瘤小鼠模型,發(fā)現(xiàn)不論注入腫瘤同側(cè)或者腫瘤對側(cè)均可檢測到MSCs聚集到腦腫

瘤組織內(nèi)，說明MSCs可特異性地聚集于腫瘤局部，而腫瘤組織對MSCs的招募機制可能與腫瘤微環(huán)境中存在的一系列細胞因子有關(guān)。有研究[12]發(fā)現(xiàn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞可分泌血小板衍生生長因子、表皮生長因子和基質(zhì)細胞衍生因子等相關(guān)細胞因子，而這些因子可明顯增強MSCs的遷移能力，加入這些因子的抗體，則可明顯減弱MSCs在基質(zhì)膠上的遷移能力，提示這些細胞因子可能介導(dǎo)MSCs向神經(jīng)膠質(zhì)瘤的趨化作用。通過用增強型綠色熒光蛋白EGFR陽性的骨髓細胞更換荷瘤小鼠的骨髓細胞或通過皮下移植EGFP陽性脂肪組織至荷瘤小鼠，證實小鼠腫瘤組織中的MSCs來源于骨髓，腫瘤附近的脂肪組織也存在MSCs，而這兩個來源的MSCs在腫瘤組織中的作用有一些差異[13]。MSCs被發(fā)現(xiàn)存在于細胞微環(huán)境中，具有成纖維細胞的特性，可以分泌細胞因子。在特定的條件下，MSCs可以分化為特異性更高的基質(zhì)細胞，并且只分泌幾種特定的細胞因子[14]。腫瘤及其微環(huán)境主要依靠各種炎性細胞因子、趨化因子、生長因子以及其他因素誘導(dǎo)MSCs歸巢。

在腫瘤外周的MSCs向腫瘤組織的趨向過程的第一步是MSCs附著于血管內(nèi)皮，然后橫穿過內(nèi)皮細胞層。腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)可以特異性上調(diào)MSCs中血管細胞黏附分子-Ⅰ的表達，促使MSCs黏附于血管內(nèi)皮之上，白細胞介素(IL)-1β和γ-干擾素(inflammatory factorsinterferon-γ，IFN-γ)也被證實具有類似的作用[15-16]。由于MSC表達IL-6受體，故而腫瘤組織中較高的IL-6水平可直接誘導(dǎo)MSCs在這些組織中的積累。LIU等[17]研究發(fā)現(xiàn)IL-6可以誘導(dǎo)MSCs中CXC基序配體的趨化因子 CXCL7、CXCL6和 CXCL5高表達。腫瘤細胞可以分泌大量的基質(zhì)細胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor 1，SDF-1)，而MSCs則表達SDF-1的受體趨化因子受體4(CXC chemokine receptor 4，CXCR4)[18-19]。SDF-1的化學(xué)濃度梯度可以影響MSCs的遷移[20]。血小板衍生生長因子、肝細胞生長因子以及其它生長因子同樣可以誘導(dǎo)MSC向腫瘤組織遷移[21]。

3 MSCs和腫瘤免疫逃逸

當癌細胞從腫瘤的原發(fā)灶脫離之前，其必須將自身從免疫系統(tǒng)中隱藏起來，使宿主的免疫系統(tǒng)無法識別，這個過程稱之為免疫逃逸。機體的免疫系統(tǒng)迅速通過自然殺傷細胞、MHC-1限制的細胞毒T淋巴細胞(restricted cytotoxic T lymphocytes，CTLs)迅速殺死體內(nèi)異常細胞，如惡性細胞等。這些細胞所釋放的穿孔素、端粒酶及死亡受體都受到調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cells，Tregs)的調(diào)控。但是腫瘤自身可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生若干個公認的免疫逃逸機制[22]。MSCs被認為是一種動態(tài)細胞，可以通過阻止免疫細胞攻擊以及召集修復(fù)細胞促進傷口愈合[23]。MSCs可促進Tregs增殖和通過細胞周期蛋白D2的抑制劑抑制促分裂原活化的T細胞增殖，導(dǎo)致細胞周期停滯在G0/G1期。腫瘤現(xiàn)在被認為是一種非愈合性的創(chuàng)傷，可以通過類似機制使得MSCs募集，MSCs的免疫抑制行為是由炎性細胞因子引起，尤其是在腫瘤微環(huán)境中。CHANG等[24]通過將MSCs及鼠前列腺癌細胞系RM-1共注射至小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，RM-1細胞分泌炎性細胞因子IL-1α可以上調(diào)MSCs中轉(zhuǎn)錄生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)，從而促進腫瘤的發(fā)生。MSC分泌的TGF-β1和Tregs特別是FoxP3表達陽性Tregs的增殖息息相關(guān)，而后者已被證明具有免疫抑制作用。PATEL等[25]發(fā)現(xiàn)在乳腺癌中，MSCs使CTLs所釋放的顆粒酶B顯著減少。MSC的存在使得TGF-β1表達增加和Tregs數(shù)目增多，導(dǎo)致自然殺傷細胞和CTLs的應(yīng)答能力顯著下降，引起腫瘤的進展和增殖[26]。

4 MSCs和腫瘤血管生成

MSCs可以刺激血管生長，這一特性已經(jīng)用來治療一些諸如嚴重肢體缺血性疾病[27]，但腫瘤細胞同時也在利用MSCs的這一特性促進腫瘤組織內(nèi)血管生成。COMA等[28]發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌中MSCs表現(xiàn)出具有在組織中集群和形成毛細管樣結(jié)構(gòu)的傾向。進一步研究[29]表明MSCs分泌各種細胞因子，如血管內(nèi)皮細胞等不僅吸引血管細胞聚集，也增加了血管內(nèi)皮細胞的生存和抗凋亡能力，這些細胞因子包括IL-6、血管內(nèi)皮生長因子(vascularendothelial growth factor，VEGF)、單核細胞趨化蛋白(monocytechemoattractant protein，MCP-1)。MSCs促進血管生成的能力在高度缺氧和炎癥的腫瘤微環(huán)境中增強，可能與炎癥因子IFN-γ和TNF-α有關(guān)。LIU等[30]研究發(fā)現(xiàn)將經(jīng)過TNF-α和IFN-γ預(yù)先刺激過的MSCs與結(jié)腸癌細胞共注射于小鼠皮下，腫瘤的生長速度和血管生成較對照組顯著增強。體外雞胚絨毛尿囊膜實驗(hen egg test-chorioallantoic membrane，HETCAM)發(fā)現(xiàn)，與經(jīng)IFN-γ/TNF-α刺激MSCs處理過的條件培養(yǎng)基相似，MSCs處理過的條件培養(yǎng)基也有增強血管的效應(yīng)。體外研究[31-32]已經(jīng)表明，血管內(nèi)皮生長因子可誘導(dǎo)MSCs分化成血管內(nèi)皮細胞，甚至形成三維的血管結(jié)構(gòu)。但MSCs在瘤體中是否能分化為血管內(nèi)皮細胞仍然存在爭議，在老鼠結(jié)腸癌和乳腺癌模型中，MSCs可以促進腫瘤血管生成，但其本身并沒有分化成CD31陽性或者vWF陽性表型的內(nèi)皮細胞集群。但KIDD等[13]在體內(nèi)研究中發(fā)現(xiàn)，成纖維細胞特異性蛋白陽性和成纖維細胞活化蛋白陽性的腫瘤相關(guān)成肌纖維細胞來源于骨髓源性的MSCs，而腫瘤組織中血管內(nèi)皮細胞主要來自于腫瘤臨近的脂肪組織，因此在循環(huán)中的骨髓源性MSCs和癌周的脂肪源性MSCs可能在腫瘤組織中分化為不同的細胞。LIU等[30]發(fā)現(xiàn)，IFN-γ和TNF-α預(yù)處理的MSCs通過HIF-α信號通路促進VEGF過表達，從而增強MSC促進腫瘤血管生成能力，基因沉默HIF-1α表達后MSC失去促進結(jié)腸癌生長的能力。

5 MSCs和腫瘤的耐藥

MSCs除了可以增加血管內(nèi)皮細胞在缺氧環(huán)境下的生存能力，還可能在抗腫瘤治療過程中對腫瘤細胞起到保護作用。急性淋巴細胞白血病(acute lymphoblastic leukemia，ALL)細胞中天冬酰胺合成酶(asparagine synthetase，ASNS)的表達水平較低，可以通過受輸入門冬酰胺酶使得ALL細胞內(nèi)天冬酰胺耗竭從而達到治療目的。IWAMOTO等[33]發(fā)現(xiàn)，ALL患者骨髓源性MSCs可以增加ALL細胞中ASNS的表達水平而保護ALL細胞，基因沉默ASNS可以阻止這個保護能力。MSCs也可以通過下調(diào)Caspase-3活性及上調(diào)Bcl-XL表達從而增加慢性粒細胞性白血病對伊馬替尼治療的抵抗[34]。BALAKRISHNAN等[35]研究發(fā)現(xiàn)，呋咯地辛可以誘導(dǎo)2′-脫氧鳥苷三磷酸累積以及ATP耗盡，從而導(dǎo)致慢性淋巴細胞白血病(chronic lymphocytic leukemia，CLL)細胞的凋亡，雖然在臨床前試驗中結(jié)果令人滿意，但是在臨床試驗中發(fā)現(xiàn)外周血中CLL細胞的數(shù)目并不減少，進一步研究發(fā)現(xiàn)MSCs可以阻斷呋咯地辛的作用。

6 MSCs和腫瘤的轉(zhuǎn)移

KARNOUB等[36]在小鼠的皮下乳腺癌模型中發(fā)現(xiàn)，腫瘤局部注射MSCs后原發(fā)部位腫瘤的體積及轉(zhuǎn)移發(fā)生率均較對照組顯著增加，且乳腺癌細胞在失去和MSCs共接觸后的這種增強的轉(zhuǎn)移能力減弱，即MSCs增強乳腺癌的轉(zhuǎn)移能力是可逆的，趨化因子CCL5可以增加乳腺癌細胞向肺部轉(zhuǎn)移能力。腫瘤的轉(zhuǎn)移最早主要是涉及到腫瘤微環(huán)境的改變，其主要包括在微環(huán)境中腫瘤細胞基底膜的破壞、細胞-細胞和細胞-基質(zhì)黏附性的下降、細胞外基質(zhì)的降解等[37]。腫瘤持續(xù)增大導(dǎo)致局部微環(huán)境缺氧加重。在缺氧及一些趨化因子如IL-6、CCL2、PDGF、VEGF-A和IGF-1等的共同作用下，MSCs會向腫瘤組織聚集[38]。MSCs和癌細胞對于缺氧產(chǎn)生應(yīng)答的關(guān)鍵信號分子是缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factors，HIFs)，CHATURVEDI等[39]研究發(fā)現(xiàn)，MSCs可以增加HIF在乳腺癌細胞中的表達，從而增加其轉(zhuǎn)移傾向。在缺氧的情況下膜型基質(zhì)金屬蛋白酶-1(membrane type 1 matrix metalloprotease，MT1-MMP)和HIF-1α有協(xié)同作用，從而使人SH3域結(jié)合蛋白2(a pleckstrinhomology and Src homology 2 domain-containing，3BP2)適配器的表達升高，3BP2被認為可以調(diào)節(jié)致癌性MSC的遷移能力[40]。在肝癌的體外實驗中證明，與未經(jīng)過處理的條件培養(yǎng)基相比，使用經(jīng)過IFN-γ和TNF-α預(yù)處理的MSCs的條件培養(yǎng)基可以顯著促進肝癌細胞侵襲能力，且在動物實驗中發(fā)現(xiàn)使用MSCs條件培養(yǎng)基處理的肝癌細胞可顯著提高其在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移能力[41]。TNF-α可以促進在MSCs中CXCR3的配體CXCL9、CXCL10和CXCL11的表達，從而促進乳腺癌細胞系的遷移能力[42]。

7 展望

因為癌細胞可以將MSCs招募向腫瘤微環(huán)境，并且可以使腫瘤按照骨髓MSCs在血管內(nèi)的趨化梯度在血液循環(huán)中逃逸，預(yù)示著經(jīng)過基因修飾MSCs可能在治療腫瘤的轉(zhuǎn)移方面具有良好的前景。由于MSCs對腫瘤具有趨向性，故而MSCs作為載體用于腫瘤治療與其他腫瘤治療方式比起來，能特異地集中在不同的腫瘤組織內(nèi)以及它們的轉(zhuǎn)移灶中。經(jīng)過基因修飾的MSCs可能作為抗腫瘤治療的新策略。鑒于hMSCs具有促進腫瘤生長的作用，探索MSCs的細胞治療和組織再生等用途時仍應(yīng)慎重。