骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在腫瘤發(fā)生及治療作用中的研究進(jìn)展

胡星遙,孫慧娟,朱 靜,張 潔,尚廣彬

(江西中醫(yī)藥大學(xué)江西省中醫(yī)病因生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)江西南昌330004)

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)是從骨髓基質(zhì)干細(xì)胞中提取的,源于中胚層的,具有分化潛能的細(xì)胞亞群[1]。正常情況下,BMSCs在造血微環(huán)境中為各種血細(xì)胞及前體細(xì)胞的增殖分化提供支持作用,并參與造血所需的正弦網(wǎng)絡(luò)模型的發(fā)展、穩(wěn)定和維護(hù)[2]。BMSCs的多向分化潛能及趨向性,使之在腫瘤發(fā)生發(fā)展不同階段發(fā)揮不同的作用,既可以成為腫瘤微環(huán)境中的重要細(xì)胞組分,促進(jìn)腫瘤惡化、轉(zhuǎn)移,又可以改善腫瘤微環(huán)境,抑制腫瘤發(fā)生發(fā)展。隨著腫瘤精準(zhǔn)治療和腫瘤免疫療法的日漸發(fā)展,BMSCs被看作是基因治療和免疫治療細(xì)胞載體所衍生的藥物導(dǎo)彈,在腫瘤治療中的地位日漸提高,這將是抗癌領(lǐng)域極具希望的治療策略,值得持續(xù)關(guān)注和進(jìn)一步研究。

1 BMSCs的生物學(xué)特性

BMSCs的生物學(xué)特性主要可以歸納為以下四點(diǎn)。首先,BMSCs是具有多向分化潛能的干細(xì)胞。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了小鼠、大鼠、兔和人的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞系,在合適條件的刺激下其可誘導(dǎo)分化為軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、肝樣細(xì)胞、髓核樣細(xì)胞、心肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等多種組織細(xì)胞[3]。其次,BMSCs容易獲取不易丟失,且具有體外增殖的潛能[4]。第三,BMSCs通過不表達(dá)或者低表達(dá)某些T淋巴細(xì)胞的因子來減少免疫反應(yīng)[5]。其免疫表型的陽(yáng)性表達(dá)主要有CD13、CD29、CD44、CD73、CD90、CD105 和 CD133,陰性表達(dá)主要有 CD14、CD19、CD34、CD45、CD11b 和 CD79a[6～7]。第四,在特定的病理?xiàng)l件下,BMSCs可向病灶部位定向趨化遷移。研究表明,移植后的BMSCs也可以向損傷部位主動(dòng)趨化遷移[8]。在腫瘤疾病中,BMSCs的這種特性亦然存在,Sonabend等[9]首次證實(shí)了BMSCs的腫瘤趨向性：把外源性的人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞注入神經(jīng)膠質(zhì)瘤大鼠體內(nèi)后,可觀察到BMSCs向腫瘤組織的遷移。

2 BMSCs對(duì)腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響

BMSCs對(duì)腫瘤的趨向性指的是：分布在骨髓內(nèi)或經(jīng)移植進(jìn)入腫瘤外的組織及血管中的BMSCs對(duì)腫瘤具有廣泛的定向遷移能力[10],目前這種腫瘤趨向性的具體機(jī)制尚未完全闡明。BMSCs到達(dá)腫瘤部位后的影響可分為3種：1)抑制腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移；2)促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移；3)對(duì)腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移的作用還沒有定論,可能存在促進(jìn)作用,也可能是抑制作用。

2.1 BMSCs對(duì)肺癌發(fā)展的影響

相關(guān)研究表明BMSCs能增強(qiáng)肺癌細(xì)胞的遷移和侵襲能力。一方面,在肺鱗癌中BMSCs能分化為肌成纖維細(xì)胞參與肺癌間質(zhì)的形成；另一方面,BMSCs可以通過改變細(xì)胞形態(tài)和降低細(xì)胞連接來促進(jìn)肺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移[11]。劉仁旺等[12]報(bào)道,在BMSCs和腫瘤細(xì)胞的體外混合培養(yǎng)或體內(nèi)注射實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)BMSCs細(xì)胞所占比例較大時(shí),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更多的是對(duì)肺癌生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。與之相反,Tian等[13]研究表明人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以抑制肺癌細(xì)胞株A549的增殖和侵襲,使肺癌細(xì)胞停滯于G1期,并可在體外誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。由此看來,BMSCs對(duì)肺癌細(xì)胞的作用尚未定論,這種不確定性與實(shí)驗(yàn)的不同材料和方法有一定關(guān)系。

2.2 BMSCs抑制肝癌發(fā)展

BMSCs對(duì)高轉(zhuǎn)移潛能肝癌的抑制作用具有時(shí)效性。相關(guān)研究表明,BMSCs對(duì)高轉(zhuǎn)移潛能肝癌動(dòng)物模型的干預(yù)效能在其移植后的第3周達(dá)到最佳,但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng),這種抑制效能會(huì)有所減弱[14]。

BMSCs對(duì)低轉(zhuǎn)移潛能肝癌的抑制作用與腫瘤細(xì)胞的凋亡水平相關(guān)。通過研究BMSCs對(duì)人低轉(zhuǎn)移潛能肝癌細(xì)胞(MHCC97-L)生長(zhǎng)的影響,人們發(fā)現(xiàn)BMSCs干預(yù)后轉(zhuǎn)移相關(guān)因子骨唾液蛋白(bone salivary protein,BSP)、骨橋蛋白(osteopontin,OPN)和整合素(integrinαⅤ)的表達(dá)都低于干預(yù)之前,而促凋亡相關(guān)因子caspase 3和Bax的表達(dá)則呈現(xiàn)出增高趨勢(shì),同時(shí)抗凋亡因子Bcl-2的表達(dá)呈下降趨勢(shì)。這表明BMSCs能夠通過調(diào)控轉(zhuǎn)移相關(guān)因子、促凋亡相關(guān)因子和抗凋亡相關(guān)因子的表達(dá),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的抑制作用[15]。

肝癌是我國(guó)常見的高發(fā)惡性腫瘤,目前,肝癌治療中最有效的途徑是手術(shù)切除,但是對(duì)于不能進(jìn)行手術(shù)切除以及術(shù)后恢復(fù)不佳的病人,則需要更好的治療方法[16]。BMSCs應(yīng)用于肝癌的治療十分有前景,近年來有關(guān)BMSCs治療肝癌的研究報(bào)道較多。相關(guān)研究表明BMSCs通過肝癌大鼠尾靜脈注射后,可以從mRNA水平到蛋白質(zhì)水平逆轉(zhuǎn)肝癌細(xì)胞的狀態(tài)[17]。雖然,這種逆轉(zhuǎn)可能不會(huì)使肝細(xì)胞完全恢復(fù)到正常狀態(tài),但是,這種方法卻為不能進(jìn)行肝癌切除術(shù)的患者提供了另一種治療手段。由此看來,明確BMSCs與肝癌之間的作用機(jī)制,對(duì)肝癌臨床治療方案的優(yōu)化很有意義。

2.3 BMSCs促進(jìn)胃癌發(fā)展

有學(xué)者認(rèn)為,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是胃癌細(xì)胞的起源之一[18～21]。Houghton 等[22]研究發(fā)現(xiàn) BMSCs在前期階段能夠靶向遷移至胃黏膜的受損位置,參與損傷修復(fù),但后期BMSCs的失控性增生會(huì)改變其生存環(huán)境,使胃黏膜產(chǎn)生腸化或癌腫,從而形成胃上皮癌。

BMSCs能促進(jìn)胃癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。研究報(bào)道,BMSCs可以通過 SDF-1α/CXCR4(stromal cell-derived factor-1α/C-X-C chemokine receptor type 4)-PI3K(phosphatidylinositol 3-kinase)/Akt信號(hào)通路,促進(jìn) KATO-Ⅲ胃癌細(xì)胞CD133 mRNA的表達(dá),提高其增殖能力、侵襲轉(zhuǎn)移能力,并降低其對(duì)抗腫瘤藥物的敏感性,同時(shí)調(diào)控細(xì)胞上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial mesenchymal transition,EMT)相關(guān)因子的表達(dá)[22]；BMSCs能夠促進(jìn)SGC7901胃癌細(xì)胞的生長(zhǎng),具體作用機(jī)制可能涉及參與改造腫瘤微環(huán)境和增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞活性,表現(xiàn)為BMSCs能通過接觸腫瘤細(xì)胞以及分泌細(xì)胞因子提高腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移能力[22]。此外,有研究指出,BMSCs促進(jìn)胃癌發(fā)展可能與其分泌的外泌體中含有的miR-15b、miR-16有關(guān)[23]。以上信息提示,以 BMSCs分泌的外泌體為切入點(diǎn),深入研究BMSCs促進(jìn)胃癌發(fā)展的機(jī)制是一個(gè)有前景的方向。

BMSCs可以與胃癌微環(huán)境相互影響。位于胃癌腫瘤微環(huán)境中的BMSCs,為了適應(yīng)胃癌的腫瘤微環(huán)境,其生物學(xué)特性也隨之發(fā)生了改變[24]。研究發(fā)現(xiàn),胃癌腫瘤微環(huán)境改變后,身處其中的BMSCs不僅能發(fā)生惡化,而且具有體內(nèi)致瘤的能力[25]。研究表明BMSCs與胃癌組織的發(fā)展有顯著的相關(guān)性,BMSCs在胃癌微環(huán)境的誘導(dǎo)下能向胃癌細(xì)胞分化,并能影響其表面重要標(biāo)志物CD34和CD44的表達(dá)[26]。由此看來,BMSCs與胃癌細(xì)胞可以通過腫瘤微環(huán)境互相影響,但腫瘤微環(huán)境中的物質(zhì)極其復(fù)雜,目前尚不知道兩者間確切的作用機(jī)制。

2.4 BMSCs對(duì)其他腫瘤發(fā)展的影響

相關(guān)數(shù)據(jù)分析表明2015年中國(guó)居民死亡率最高的5種癌癥依次為肺癌、肝癌、胃癌、食道癌和結(jié)直腸癌[27]。BMSCs對(duì)肺癌、肝癌、胃癌以外其他腫瘤的影響也各不相同[28～36],具體如表1所述。

綜上所述,BMSCs對(duì)不同種類腫瘤的影響不同,其原因可能有以下幾點(diǎn)：1)受各種因素影響的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和腫瘤微環(huán)境之間存在相互作用,在這種相互作用下BMSCs在體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)中對(duì)腫瘤的影響可能會(huì)出現(xiàn)截然不同的結(jié)果；2)與腫瘤發(fā)生發(fā)展的時(shí)間有一定相關(guān)性,BMSCs對(duì)腫瘤影響可能存在前期抑制、后期促進(jìn)的作用；3)和腫瘤類型有關(guān),不同腫瘤細(xì)胞有各自的特異性,BMSCs作用于不同的腫瘤細(xì)胞會(huì)發(fā)揮出不同的效應(yīng),影響腫瘤發(fā)展；4)受BMSCs和腫瘤分泌的各種因子的影響,BMSCs對(duì)腫瘤的影響呈現(xiàn)出不同的效果。

3 BMSCs影響腫瘤形成的機(jī)制探討

腫瘤形成過程中,腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)離不開腫瘤微環(huán)境中BMSCs的持續(xù)作用,它能夠影響腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的狀態(tài)、腫瘤血管生成的情況、腫瘤轉(zhuǎn)移能力的強(qiáng)弱[37]等多個(gè)方面。

3.1 BMSCs在腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)中的作用

研究表明,BMSCs能夠參與腫瘤微環(huán)境的改造,其向腫瘤組織趨化后能和腫瘤間質(zhì)進(jìn)行融合,然后分化成有內(nèi)皮細(xì)胞特征的細(xì)胞,最終轉(zhuǎn)變成為肌纖維母細(xì)胞,但腫瘤細(xì)胞表面的抗原并不改變[37]。相關(guān)的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明,BMSCs與腫瘤細(xì)胞共培養(yǎng)或在體內(nèi)暴露于腫瘤微環(huán)境時(shí)能夠表達(dá)腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(tumor-associated fibroblasts,TAFs)抗原,例如平滑肌蛋白、成纖維細(xì)胞特異性蛋白、波形蛋白(vimentin)以及基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)[38]。研究顯示BMSCs能增加乳腺癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、胰腺癌的腫瘤細(xì)胞活力以及減少細(xì)胞凋亡,將BMSCs重復(fù)暴露于新鮮的腫瘤條件培養(yǎng)基中,BMSCs能夠分泌出活化因子,使得SDF-1持續(xù)高表達(dá),同時(shí)TAFs相關(guān)基因上調(diào),從而促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)[39]。

BMSCs在某些腫瘤細(xì)胞中存在抑制其生長(zhǎng)的作用。研究表明,BMSCs能使小細(xì)胞肺癌細(xì)胞、慢性粒細(xì)胞白血病細(xì)胞等腫瘤細(xì)胞停留在細(xì)胞周期的G1期,抑制其生長(zhǎng)[40]；另外,BMSCs作用于肝癌后,可減弱腫瘤細(xì)胞的增殖能力,使其集落形成減少,同時(shí)增加凋亡,這可能和Wnt通路相關(guān)[41]。

表1 BMSCs對(duì)食道癌、結(jié)直腸癌等腫瘤的影響Table 1 Effects of BMSCs on tumors such as esophageal cancer and colorectal cancer

3.2 BMSCs在腫瘤血管生成中的作用

目前BMSCs影響腫瘤血管生成的機(jī)制還不完全清楚。相關(guān)研究報(bào)道,趨化到腫瘤組織的BMSCs可以分化成血管內(nèi)皮細(xì)胞、腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞、周細(xì)胞,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤血管的生成；同時(shí),腫瘤細(xì)胞能夠分泌細(xì)胞因子,通過旁分泌作用于遷移的BMSCs,從而使其促進(jìn)腫瘤血管的生成[42]。已有研究顯示,BMSCs分泌的血小板源性生長(zhǎng)因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor,FGF)、半胱氨酸蛋白 61(cysteine-rich protein 61,Cyr61)、SDF-1等在腫瘤血管的生成中發(fā)揮了促進(jìn)作用[43]。

BMSCs對(duì)腫瘤血管生成的調(diào)節(jié),可能涉及多種信號(hào)分子和通路。Menge等[44]報(bào)道BMSCs通過調(diào)節(jié)人血管內(nèi)皮鈣粘蛋白/β-連環(huán)蛋白(VE-cadherin/β-catenin)信號(hào)通路來影響血管內(nèi)皮的通透性和連接,從而抑制內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和腫瘤血管的生成。另有研究發(fā)現(xiàn)通過抑制AKT信號(hào)通路,BMSCs可以抑制卡波氏肉瘤血管的生成[45]。

3.3 BMSCs與腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移

研究報(bào)道,細(xì)胞衍生因子、外界和腫瘤的微環(huán)境、外源轉(zhuǎn)染基因以及某些藥物等是促進(jìn)BMSCs遷移的因素,能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移；而與BMSCs相關(guān)的細(xì)胞功能改變、趨化因子則是抑制BMSCs遷移的因素,能抑制腫瘤細(xì)胞的遷移[46]。

鄭天亮等[47]報(bào)道,BMSCs能和肺癌細(xì)胞相互融合,并在一定條件作用下促進(jìn)肺癌細(xì)胞株的侵襲轉(zhuǎn)移。除此之外,BMSCs可以通過分泌CCL5抑制脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase,PHD)表達(dá),從而促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)因子2α(hypoxia-inducible factor 2α,HIF-2α)表達(dá),導(dǎo)致 AR-HSP90(androgen receptor-heat shock protein 90)相互作用增強(qiáng),抑制AR核轉(zhuǎn)位和反式激活,最終促進(jìn)前列腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移[48]。在乳腺癌細(xì)胞與BMSCs共培養(yǎng)模型中,BMSCs能促進(jìn)癌細(xì)胞的遷移,而這一過程是由BM SCs分泌的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、Rho相關(guān)激酶(Rho-associated kinase,ROCK)、黏附斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)和基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)介導(dǎo)的[49]。另有報(bào)道指出BMSCs在膠質(zhì)瘤遷移中的作用是由基質(zhì)金屬蛋白酶-1/蛋白酶活化受體-1(matrix metalloprotease-1/protease-activated receptor-1,MMP-1/PAR-1)介導(dǎo)的[50]。

綜上所述,BMSCs對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)、血管生成、轉(zhuǎn)移能力的影響涉及到了不同炎癥因子、細(xì)胞因子和信號(hào)通路等的作用,從而對(duì)不同腫瘤的發(fā)展起到促進(jìn)或是抑制作用。雖然BMSCs對(duì)腫瘤的作用機(jī)制并未全部揭曉,但初步研究成果顯著,BMSCs在腫瘤方面的應(yīng)用也初見療效。

4 BMSCs在腫瘤治療中的應(yīng)用

4.1 BMSCs在腫瘤基因治療中的應(yīng)用

由于BMSCs具有容易獲取、容易培養(yǎng)、低免疫原性、易被外源基因轉(zhuǎn)染并長(zhǎng)期表達(dá)、腫瘤趨向性等眾多優(yōu)勢(shì)[51],所以BMSCs在腫瘤基因治療中的應(yīng)用有廣闊的發(fā)展前景。近幾年BMSCs在腫瘤基因治療中的應(yīng)用主要是體外階段[52]。張霞等[53]應(yīng)用重組腺病毒把白介素12(IL-12)導(dǎo)入BMSCs中,發(fā)現(xiàn)修飾后的BMSCs能夠抑制卵巢癌細(xì)胞的增殖,并且促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞的凋亡。Zhang等[54]報(bào)道用Apoptin基因修飾的BMSCs及其條件培養(yǎng)基均能顯著抑制肝癌細(xì)胞HepG2的增殖,這為肝癌干細(xì)胞治療提供了新的手段。

4.2 BMSCs在腫瘤免疫治療中的應(yīng)用

BMSCs具有免疫調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)BMSCs可以抑制T細(xì)胞(T lymphocyte)的增殖和活化、B細(xì)胞(bursa dependent lymphocyte)的活化和抗體分泌、NK細(xì)胞(natural killer cell)的活化以及樹突狀細(xì)胞的分化和吞噬[55～57]。相關(guān)研究證實(shí)BMSCs通過抑制PD-1/PD-L1(programmed cell death-1/programmed cell death-ligand 1)途徑的T細(xì)胞免疫應(yīng)答來促進(jìn)多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma,MM)的細(xì)胞增殖；進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí),PD-L1抑制可減弱BMSCs誘導(dǎo)的MM生長(zhǎng)、炎癥浸潤(rùn)以及Th1/Th2和Th17/Treg失衡[58]。另外,其他BMSCs相關(guān)的免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子也被檢測(cè)出具有抗腫瘤活性。例如：BMSCs的趨化因子CX3CL1(chemokine C-X3-C-motif ligand 1)能抑制黑色素瘤的肺轉(zhuǎn)移,延長(zhǎng)荷瘤小鼠存活率[59]。目前,BMSCs的免疫調(diào)節(jié)功能已被用于腫瘤的免疫治療研究。有研究報(bào)道,表達(dá)IL-12的BMSCs可通過激活細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞和NK細(xì)胞改善腫瘤的免疫監(jiān)測(cè),抑制肺癌、肝癌以及黑色素瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡[60]。

5 小結(jié)

綜上所述,BMSCs和腫瘤的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。BMSCs參與并影響腫瘤賴以生存的微環(huán)境,影響腫瘤發(fā)生、發(fā)展；而腫瘤微環(huán)境又能改變BMSCs,使其有利于腫瘤細(xì)胞自身發(fā)展。因?yàn)槟[瘤微環(huán)境與BMSCs之間的關(guān)系具有兩面性和不確定性,所以如何有效利用BMSCs來治療腫瘤疾病值得我們密切關(guān)注?，F(xiàn)如今BMSCs和腫瘤之間的相互作用機(jī)制仍未被完全闡明,亟需不斷深入探索,以找出兩者互相生存依賴之關(guān)鍵,為腫瘤疾病防治提供新思路。