間充質(zhì)干細胞來源外泌體與腫瘤關系的研究進展

厲鵬飛， 宋陸軍

復旦大學附屬中山醫(yī)院普通外科，上海 200032

間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)是一種多能干細胞，有以下3種生物學特性：(1)在標準的培養(yǎng)條件下具有貼壁性；(2)高表達特殊的表面標志物，如CD73、CD90和CD105，同時低表達CD45、CD34、CD14、HLA-DR等其他類型細胞或干細胞標志物；(3)具有向三系細胞(包括軟骨細胞、脂肪細胞及成骨細胞)分化的能力，還可以進一步發(fā)揮分化潛能，成為肌細胞和神經(jīng)元等其他特殊類型的組織[1-4]。MSCs來源很廣，可在骨髓、脂肪組織和牙髓中廣泛出現(xiàn)，并且存在于循環(huán)系統(tǒng)中，在炎癥發(fā)生時遷移到炎癥部位發(fā)揮生物學效應[1,5]。并且，由于MSCs能向受傷組織遷移，已被證實在多種組織包括肺、肝、腦和心臟履行修復職責[3]。

外泌體是由細胞膜內(nèi)陷與細胞膜融合后釋放到胞外環(huán)境中的囊泡，直徑一般為20～200 nm，由多種類型細胞分泌，具有豐富的來源和分布，CD9、CD63、CD81、CD82及TSG101為鑒定外泌體的常見標志分子[4,6-8]。外泌體表面的雙層脂質(zhì)膜結構也可保護內(nèi)容物不被細胞內(nèi)的酶所分解，是細胞間進行物質(zhì)交換和信息交互的重要途徑[7]。其內(nèi)容物豐富，包括多種蛋白及各種類型核酸分子等，參與細胞間信號轉(zhuǎn)導和物質(zhì)轉(zhuǎn)運等生理過程[7,9]。

有研究[10]將重點從MSCs的自我更新和分化能力轉(zhuǎn)移到其通過旁分泌途徑發(fā)揮的生物學效應，特別是通過外泌體傳遞有免疫活性生物因子。這些因子也能減少細胞凋亡，促進血管生成。隨著腫瘤研究的進一步開展，許多研究[3,11]發(fā)現(xiàn)，MSCs也可遷移到原發(fā)性腫瘤并參與腫瘤微環(huán)境，直接影響腫瘤的活性或間接影響腫瘤基質(zhì)，進而影響腫瘤細胞活性。MSCs外泌體包含的豐富核酸和蛋白質(zhì)還可被轉(zhuǎn)移到腫瘤原發(fā)部位的癌細胞中，被直接翻譯后發(fā)揮生物學效應或靶向腫瘤細胞內(nèi)的某個特定分子而發(fā)揮激活或沉默其表達的作用[7,12-13]；通過旁分泌途徑分泌多種細胞因子或與鄰近的腫瘤細胞直接接觸，進而通過細胞間信號轉(zhuǎn)導產(chǎn)生作用，并最終決定腫瘤的進展和命運[11,14-17]。MSCs外泌體的獨特性使其在腫瘤發(fā)生發(fā)展及腫瘤治療領域得到越來越多的關注。本文將對近年來MSCs來源外泌體在腫瘤發(fā)生發(fā)展和腫瘤治療過程中的作用進行綜述[13-14,18-19]。

1 MSCs外泌體與腫瘤發(fā)生發(fā)展

已有研究[20]證實，癌癥患者循環(huán)中的外泌體含量變化可能在一定程度上與其預后轉(zhuǎn)歸聯(lián)系密切。MSCs作為人產(chǎn)生外泌體的重要來源，在越來越多的研究[11,13-15,20]中被證實可運載某些分子進入腫瘤細胞，調(diào)節(jié)腫瘤細胞增殖凋亡、血管新生、干細胞活性、腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移及腫瘤免疫。因此，研究MSCs外泌體對腫瘤的作用可加深對腫瘤發(fā)生發(fā)展的認識。

1.1 參與腫瘤細胞的增殖或凋亡的調(diào)節(jié) 大多數(shù)情況下，MSCs外泌體可被腫瘤原發(fā)部位的癌細胞捕獲，其內(nèi)的信號分子便與癌細胞中的增殖或凋亡相關信號結合，通過上調(diào)促凋亡信號分子(如Bax、Casp9和Casp3)，下調(diào)抗凋亡蛋白(如Bcl-2)或促進癌基因的表達等，進而促進或抑制腫瘤進展[12-13,18,21-22]。

脂肪間充質(zhì)干細胞(adipose tissue-derived mesenchymal stem cells, AD-MSCs)外泌體中的miR-124-3p進入卵巢癌細胞后導致周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependent kinases, CDK)，如CDK2、CDK4和CDK6下調(diào)，導致細胞周期S期停滯，最終抑制卵巢癌細胞增殖[12]。在前列腺癌中，AD-MSCs外泌體中的外源性TGF-β1和miR-145通過提高內(nèi)源性TGF-β1和miR-145的表達量，從而通過激活Caspase-3/7途徑，誘導前列腺癌細胞的凋亡，抑制腫瘤細胞的增殖。

Che等[13]研究發(fā)現(xiàn)，miR-143通過下調(diào)三葉因子3(trefoil factor 3, TFF3)的表達抑制前列腺癌進展。通過在骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BM-MSCs)中提高miR-143的表達量，將其轉(zhuǎn)移到前列腺癌細胞中，降低TFF3的表達，能抑制前列腺癌細胞的增殖及侵襲。而在多發(fā)性骨髓瘤、胃癌和鼻咽癌中，MSCs外泌體在一定程度上促進癌癥的進展[19,23-24]。正常骨髓MSCs外泌體可抑制腫瘤細胞的生長，而在多發(fā)性骨髓瘤患者中，MSCs外泌體卻促進腫瘤組織的生長[19]。

總之，MSCs外泌體可通過介導與細胞周期相關分子的失調(diào)引起癌細胞周期的變化，影響癌細胞增殖，促進癌細胞內(nèi)凋亡信號的表達，也可提高癌組織中致癌基因的表達，促進腫瘤進展[19]。而這種MSCs外泌體對癌細胞的調(diào)節(jié)作用可能由癌癥類型和周圍組織微環(huán)境及癌細胞的突變等多重因素決定，使其在不同腫瘤中發(fā)揮不同甚至相反的作用[12,15,19-20,22,25-28]。

1.2 參與腫瘤血管新生的調(diào)節(jié) 與人體其他器官一樣，在腫瘤發(fā)生過程中，MSCs外泌體自身也需有一個完善的血液供給系統(tǒng)來滿足分裂增殖所需要的氧氣和營養(yǎng)[29]。這主要通過血管新生來完成，是從已經(jīng)存在的血管網(wǎng)絡中進一步產(chǎn)生全新血管的過程。所以血管新生被認為是腫瘤進展不可或缺的一環(huán)。而低氧環(huán)境可促進癌細胞內(nèi)低氧誘導因子1(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)表達量提高，促進癌細胞分泌大量血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)，并作用于其 2個受體(VEGFR-1和VEGFR-2)，促進腫瘤細胞周圍血管的新生[14,29-31]。mTOR信號通路在內(nèi)皮細胞的增殖和血管生成中起關鍵作用，可與VEGF相互作用，調(diào)節(jié)VEGF表達能力。在乳腺癌中，MSCs衍生的外泌體將miR-100運送至乳腺癌細胞中，通過抑制乳腺癌細胞中的mTOR/HIF-1α/VEGF信號軸，使乳腺癌細胞向其周圍微環(huán)境釋放的VEGF含量顯著降低，進而抑制內(nèi)皮細胞的增殖和遷移速率[14]。MSCs衍生的外泌體通過上述機制調(diào)節(jié)腫瘤細胞中血管VEGF的表達，進而調(diào)節(jié)腫瘤周圍的血管新生[14,29]。

1.3 參與腫瘤干細胞活性的調(diào)節(jié) 癌癥干細胞(cancer stem cells, CSCs)是腫瘤組織中比例較小的一種具有干細胞活性的細胞。與其他干細胞一樣，CSCs表達相似表面標志物并有自我更新的能力。但是與正常干細胞不同的是，CSCs有致癌活性，在體內(nèi)可惡性增殖，導致腫瘤的發(fā)生[11,17,23,32]。研究[6,11,16,33]發(fā)現(xiàn)，MSCs衍生外泌體會影響腫瘤原發(fā)部位CSCs的干細胞活性，在不同腫瘤中增強或抑制其惡性增殖的能力，進一步調(diào)節(jié)腫瘤狀態(tài)。在胃癌中，MSCs外泌體通過激活蛋白激酶B信號通路，提高胃癌干細胞的惡性增殖能力，進而增強離體胃癌細胞的致瘤性[23]。在結腸癌中，BM-MSCs衍生外泌體中的miR-142-3p通過下調(diào)Numb來促進與細胞增殖密切相關的Notch信號通路表達，進而增加結腸癌干細胞的數(shù)量，加速結腸癌的進展[11]。

相反，在肝癌中，BM-MSCs來源的外泌體能逆轉(zhuǎn)肝癌干細胞外泌體對肝癌增殖的促進作用，通過提高肝癌細胞中miR-21、lncRNATuc339、lncHEIH及l(fā)ncHOTAIR等非編碼RNA的表達，進而明顯抑制體內(nèi)腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[16]。在乳腺癌中，BM-MSCs通過外泌體途徑將miR-23b轉(zhuǎn)移至乳腺腫瘤干細胞，通過調(diào)節(jié)細胞周期進一步維持乳腺癌細胞的休眠狀態(tài)，從而抑制其活性[17]。MSCs外泌體對腫瘤干細胞活性的調(diào)節(jié)作用在不同腫瘤細胞中表現(xiàn)出矛盾性，這種差別一定程度上可能與腫瘤類型和所處微環(huán)境有關，很大程度上可能取決于MSCs來源的組織類型，但是具體原因有待于進一步研究[11,16]。

1.4 參與調(diào)節(jié)腫瘤細胞上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化過程 腫瘤細胞遷移能力是癌細胞轉(zhuǎn)移和侵襲周圍正常組織的基礎。研究[20,23-24]發(fā)現(xiàn)，MSCs外泌體可提高癌細胞間充質(zhì)標志物的表達并降低上皮標志物的表達，增加上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)的發(fā)生。而EMT的發(fā)生是腫瘤發(fā)生侵襲轉(zhuǎn)移的基礎，MSCs外泌體可促進EMT進行，進而導致腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移。對MSCs進行缺氧預處理，更好地還原MSCs處于癌癥原發(fā)部位缺氧的狀態(tài)，此時MSCs外泌體表現(xiàn)出對肺癌EMT過程更強的影響，促進肺癌的遠距離轉(zhuǎn)移。Zhang等[20]進一步對外泌體的miRNA表達譜進行分析，得到miR-193a-3p、miR-210-3p和miR-5100這3個與STAT3關聯(lián)的關鍵miRNA，通過調(diào)節(jié)STAT3信號分子，進一步增強EMT相關的E-cadherin、N-cadherin、vimentin基因表達，發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體中高表達的這些miRNA也可作為判斷腫瘤預后的關鍵指標，將MSCs外泌體與腫瘤臨床預后建立聯(lián)系。

1.5 參與腫瘤免疫的調(diào)節(jié) 腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophages, TAM)根據(jù)功能分為M1和M2兩型，存在于腫瘤組織中。M1型主要產(chǎn)生抗腫瘤作用，M2型促進腫瘤生長、侵襲和轉(zhuǎn)移[34]。在乳腺癌腫瘤微環(huán)境誘導下，MSCs分泌的外泌體包含TGF-β、C1q等信號分子，通過驅(qū)動未成熟的骨髓單核細胞前體和已定型的CD206陽性巨噬細胞中的PD-L1過表達，提高腫瘤部位的精氨酸酶活性和IL-10分泌，誘導單核細胞分化為M2型巨噬細胞，從而促進乳腺癌的進展[15]。

2 MSCs外泌體在腫瘤治療中的作用

由于外泌體的輸注不會引起人體急性免疫排斥反應或直接導致腫瘤發(fā)生，越來越多的研究[26-27]把焦點集中在將外泌體用作目的分子轉(zhuǎn)移的生物傳遞載體。通過將治療性目的分子等摻入產(chǎn)生外泌體的細胞中，從其培養(yǎng)基中獲得外泌體進而實現(xiàn)個性化治療，而在已經(jīng)了解到的可產(chǎn)生外泌體的各種細胞類型中，MSCs相對較容易獲得且數(shù)量較多，成為外泌體腫瘤治療的良好來源[26,35]。在許多其他非腫瘤疾病模型中，將MSCs衍生的外泌體相應輸注到患病部位后都產(chǎn)生了不錯的治療效果，且很少出現(xiàn)并發(fā)癥[26,36-37]。通過特異性高表達MSCs中存在的某一特定分子，或?qū)⑿枰耐庠捶肿油ㄟ^外泌體將其傳遞給腫瘤細胞，便可達到更好的治療效果[26-27,38-39]。通過外泌體可促進腫瘤細胞活力和降低侵襲性，也可解除腫瘤細胞的耐藥性，提高其對化療藥物治療的敏感程度[27,40]。

2.1 促進腫瘤細胞活力和降低其侵襲性 MSCs外泌體作為運載體，可傳遞各種miRNA、miRNA抑制劑及特定分子，進而促進腫瘤細胞活力并降低侵襲性[40-41]。用含miR-124a及miRNA-584的MSCs外泌體體外處理膠質(zhì)瘤細胞，顯著降低其活力和克隆性，進一步利用MSCs外泌體作為載體，依據(jù)其向損傷部位趨化的特點，應用于腦膠質(zhì)瘤小鼠模型能延長其生存時間[40]。在乳腺癌中，miR-17-5p、miR-125a、miR-125b、miR-200、miR-205、miR-206、let-7、miR-34和miR-31被確定為抑癌基因，Vallabhaneni等[25]通過實驗將miR-31和miR-205這2個非編碼RNA通過外泌體轉(zhuǎn)運的形式傳遞至乳腺癌細胞中，證明其可降低乳腺癌高風險及預后不良相關基因的表達，進而抑制體外乳腺癌細胞的增殖、遷移和侵襲。在包括胰腺癌、肝癌、肺癌、多發(fā)性骨髓瘤和黑素瘤在內(nèi)的其他腫瘤中，MSCs外泌體作為運載體傳遞多種miRNA也在抑制腫瘤增殖和侵襲方面表現(xiàn)出了不錯的治療效果[38,41-45]。

2.2 解除腫瘤細胞的耐藥性和提高其對化療藥物的敏感程度 MSCs外泌體也可用作藥物或目的分子遞送載體，解除腫瘤細胞的耐藥性，提高其對化療藥物的敏感性[35,46]。在肝癌中，Lou等[26]將miR-122轉(zhuǎn)染到AMSCs內(nèi)，可將miR-122有效地包裝到外泌體中，從而介導AMSCs與肝癌細胞miR-122傳遞，改變miR-122目的基因表達，在體外進一步增強肝癌細胞對化療藥物敏感性；且腫瘤內(nèi)注射含有miR-122的外泌體，顯著增強了索拉非尼在體內(nèi)對肝癌的抗腫瘤功效。Li等[38]通過在BM-MSCs過表達抑制GRP78的siRNA，并經(jīng)由外泌體分泌，與索拉非尼結合后，能在肝癌細胞中靶向GRP78，提高腫瘤細胞對索拉菲尼的敏感性，在體內(nèi)外都成功抑制腫瘤發(fā)展。在乳腺癌中，乳腺癌細胞會促進其周圍的MSCs釋放包含不同含量miRNA的外泌體，反過來增強部分癌細胞的耐藥性。針對這些特定的miRNA，有研究[27]開發(fā)了載有這幾種miRNA抑制基因的MSCs外泌體，靶向耐藥的乳腺癌細胞，使耐藥的乳腺癌小鼠模型對卡鉑治療的敏感性提高。

但當直接使用未經(jīng)處理的MSCs外泌體探求其對腫瘤細胞耐藥的影響時，外泌體的使用卻提升了腫瘤細胞耐藥性[27-28]。Ji等[28]提出，MSCs外泌體在體內(nèi)和體外均顯著誘導胃癌細胞對5-氟尿嘧啶的抗性，MSCs外泌體拮抗5-氟尿嘧啶誘導細胞凋亡作用，并增強多重耐藥相關蛋白的表達，通過激活CaM-Ks/Raf/MEK/ERK途徑來誘導胃癌細胞的耐藥性。關于乳腺癌的研究[27]發(fā)現(xiàn)，MSCs外泌體會因周圍腫瘤微環(huán)境的影響，釋放特殊miRNA誘導腫瘤耐藥性，便設計相應的siRNA通過外泌體傳遞進行治療，成功逆轉(zhuǎn)了耐藥性的產(chǎn)生。所以，MSCs的外泌體可能只有在作為運載體傳送特定目的基因時，才能穩(wěn)定地解除腫瘤細胞的耐藥性，提高其對化療藥物的敏感性；而當無特定分子高表達時，其自身可能會受腫瘤類型及腫瘤微環(huán)境的影響，表現(xiàn)出相對不穩(wěn)定的作用[26-27]。雖然MSCs不能直接產(chǎn)生攜帶特定分子的外泌體，但可在外泌體中特定表達某一分子。利用外泌體傳遞特定藥物和分子進行腫瘤的治療，仍有非常好的應用前景[35,43-47]。

3 小結與展望

近年來，MSCs外泌體在腫瘤領域的研究[6,11-13,20,29]越來越多。這些研究發(fā)現(xiàn)MSCs外泌體可通過參與腫瘤細胞增殖和凋亡，參與腫瘤血管生成，參與原發(fā)部位腫瘤干細胞活性及腫瘤免疫調(diào)節(jié)，參與腫瘤細胞EMT轉(zhuǎn)變的調(diào)節(jié)等多種途徑，影響腫瘤進展。將MSCs外泌體作為特定治療藥物的運載體，有望解決腫瘤細胞耐藥的難題。本文從MSCs外泌體與腫瘤發(fā)生和MSCs外泌體與腫瘤治療2個角度對MSCs外泌體與腫瘤的關系進行綜述。未來還需要進一步明確：MSCs外泌體究竟是直接經(jīng)循環(huán)進入腫瘤原發(fā)部位發(fā)揮作用，還是遷移至腫瘤原發(fā)部位后，受到腫瘤細胞刺激后發(fā)揮相應的生物學效應；MSCs外泌體為何會在不同腫瘤中表現(xiàn)出不同甚至相反的生物學效應；MSCs外泌體作為治療的藥物運載體進一步進行臨床治療的可能性如何等。

利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。