腫瘤微環(huán)境中外泌體對腫瘤干細(xì)胞作用的研究進(jìn)展

時秀茹，王文銳，楊清玲，陳昌杰

(蚌埠醫(yī)學(xué)院 1.癌癥轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)安徽省重點實驗室；2.生物技術(shù)教研室；3.生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，安徽 蚌埠 233000)

腫瘤已成為危害人類生命健康的重要因素，腫瘤的耐藥、化療抵抗和治療后復(fù)發(fā)已成為攻克腫瘤的重要阻礙。而腫瘤干細(xì)胞(cancer stem cells，CSCs)被認(rèn)為是這一難題產(chǎn)生的重要原因。CSCs是一群所占比例很小、具有高度自我更新能力的異質(zhì)性細(xì)胞群。CSCs的存在及其干性維持離不開腫瘤微環(huán)境(Tumor microenvironment，TME)。其中在TME中發(fā)揮信息交流功能的外泌體對CSCs表型的產(chǎn)生、干性維持，化療耐藥等方面具有重要作用。外泌體是一種可由多種細(xì)胞分泌的細(xì)胞外囊泡，其大小在30～100 nm之間，內(nèi)容物為多種非編碼RNA，蛋白和核酸等，通過與受體細(xì)胞結(jié)合釋放內(nèi)容物完成細(xì)胞間信息交流。探討外泌體對CSCs的作用有利于更充分的認(rèn)識腫瘤發(fā)生的分子機制，為腫瘤治療提供新方向。

1 CSCs與TME

TME包括腫瘤細(xì)胞、CSCs和腫瘤基質(zhì)細(xì)胞等多種成分。相關(guān)研究表明，TME中的多種細(xì)胞成分對CSCs相關(guān)特性的維持發(fā)揮重要作用。一方面，腫瘤基質(zhì)細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞相互作用改變腫瘤表型，構(gòu)建適宜腫瘤生長的微環(huán)境。例如，腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer-associated fibroblasts，CAFs)通過增強胰腺癌干細(xì)胞的分泌磷蛋白1基因的表達(dá)[1]，進(jìn)一步增強胰腺癌干細(xì)胞的干性，具體表現(xiàn)為CD44、ALDH陽性細(xì)胞群表達(dá)增加，腫瘤球比例上升。此外，TME中的細(xì)胞因子也促進(jìn)CSCs的干性、耐藥性等。肌成纖維細(xì)胞釋放的細(xì)胞因子IL-6/IL-8可增加結(jié)直腸癌干細(xì)胞的數(shù)量[2]；癌相關(guān)的間充質(zhì)干細(xì)胞通過細(xì)胞因子的相互作用促進(jìn)卵巢癌干細(xì)胞的化學(xué)耐藥性[3]；腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞通過配體結(jié)合影響頭頸部鱗狀細(xì)胞癌干細(xì)胞重要表面分子標(biāo)志物CD44的動能[4]，進(jìn)一步影響干性。此外，相關(guān)報道表明缺氧環(huán)境也會影響干細(xì)胞表型及存活。可見，TME各細(xì)胞組分以及環(huán)境條件影響著CSCs的干性。另一方面，CSCs分泌產(chǎn)生的相關(guān)細(xì)胞因子也同步影響著TME中成員細(xì)胞的表型和特定屬性。肺癌干細(xì)胞中，干性基因OCT-4的表達(dá)可增加巨噬細(xì)胞集落刺激因子的含量以促進(jìn)TME中單核細(xì)胞極化成為M2型巨噬細(xì)胞[5]，發(fā)揮促腫瘤作用；腫瘤干樣細(xì)胞來源的外泌體RNA引發(fā)嗜中性粒細(xì)胞[6]，以促進(jìn)結(jié)腸癌的腫瘤發(fā)生。TME是腫瘤賴以生存的基地，為CSCs表型形成、干性和耐藥性增強提供支持。二者的相互作用對維持CSCs動態(tài)平衡以及形成腫瘤轉(zhuǎn)移前壁龕具有重要作用。

2 外泌體與腫瘤

越來越多研究表明，外泌體在腫瘤發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。外泌體參與細(xì)胞抗凋亡通路、激活細(xì)胞增殖通路以促進(jìn)腫瘤的惡性進(jìn)展。首先，外泌體增加腫瘤耐藥性，促進(jìn)耐藥表型的獲得。研究指出利用耐藥細(xì)胞的外泌體處理敏感細(xì)胞會增加細(xì)胞的化學(xué)抗性，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。CAFs通過將外泌體直接轉(zhuǎn)移到結(jié)直腸癌細(xì)胞中發(fā)揮作用[7]，促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞中miR-92a-3p水平顯著升高，激活Wnt/β-catenin通路并通過直接抑制FBXW7進(jìn)而抑制線粒體凋亡，促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的干性、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial-mesenchymal transition，EMT)和轉(zhuǎn)移。其次，外泌體可通過調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)和EMT進(jìn)程促進(jìn)侵襲、遷移。其中血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)促進(jìn)血管細(xì)胞的增殖、發(fā)芽和血管形成從而促進(jìn)腫瘤生長、侵襲。外泌體中相關(guān)成分通過靶向VEGF通路促進(jìn)體外小鼠模型腫瘤的生長速度[8]。研究還表明，經(jīng)歷EMT的乳腺癌細(xì)胞分泌的VEGF-C通過非典型激活GLI信號傳導(dǎo)促進(jìn)旁分泌介導(dǎo)的上皮乳腺癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲的增加[9]。最后，外泌體參與腫瘤免疫。一方面，外泌體參與抗腫瘤免疫，即可呈遞抗原激活T細(xì)胞、NK細(xì)胞或巨噬細(xì)胞。如，腫瘤外泌體中干擾素調(diào)節(jié)因子1可誘導(dǎo)增加CD4+CD8+T細(xì)胞在腫瘤中的浸潤[10]，啟動抗腫瘤免疫。另一方面，外泌體還發(fā)揮促腫瘤免疫的作用，即腫瘤細(xì)胞來源的外泌體可以抑制免疫細(xì)胞活化并調(diào)節(jié)其功能。例如，來自胰腺導(dǎo)管腺癌小鼠的唾液外泌體調(diào)節(jié)NK細(xì)胞的表型和抗腫瘤細(xì)胞毒性[11]，導(dǎo)致NK細(xì)胞的腫瘤殺傷能力降低?？梢?，外泌體參與腫瘤發(fā)展始末，調(diào)節(jié)腫瘤生長微環(huán)境。

3 外泌體對CSCs的作用

3.1 外泌體參與并維持CSCs干性外泌體屬于細(xì)胞外囊泡，由細(xì)胞調(diào)控其釋放及攝取以完成細(xì)胞生物功能的發(fā)揮。CSCs所分泌的外泌體被受體細(xì)胞攝取參與腫瘤干性相關(guān)通路，進(jìn)一步增強CSCs的干性，形成正向促進(jìn)作用維持腫瘤異質(zhì)性。研究表明，Wnt、Notch信號通路參與腫瘤干性調(diào)控，外泌體包含的非編碼RNA可參與Wnt信號通路，調(diào)節(jié)CSCs的成球能力及腫瘤細(xì)胞的成瘤大小。不僅如此，外泌體可攜帶干性相關(guān)因子如OCT-4、SOX-2、NANOG或者通過LncRNA/microRNA介導(dǎo)干性相關(guān)因子表達(dá)增強以維持干性狀態(tài)和自我更新能力。研究指出有些CSCs標(biāo)志物也影響著腫瘤細(xì)胞的外泌體釋放和遷移侵襲能力。雙皮質(zhì)素樣激酶1被認(rèn)為是癌癥干細(xì)胞標(biāo)記物[12]，研究已表明其以激酶依賴性方式影響外泌體的生物發(fā)生，通過誘導(dǎo)外泌體釋放增加及內(nèi)容物的重編程以促進(jìn)遷移表型的獲得。TME中，CAFs來源的外泌體也參與干性維持，缺氧條件下，CAFs外泌體將circHIF1A轉(zhuǎn)移到乳腺癌細(xì)胞中[13]，其通過調(diào)節(jié)乳腺癌干細(xì)胞表面標(biāo)志分子CD44的表達(dá)來吸收miR-580-5p，從而在癌癥干細(xì)胞特性中發(fā)揮重要作用。總之，TME中各組分分泌的外泌體促進(jìn)CSCs維持干性和致瘤性。

3.2 外泌體促進(jìn)非CSC向CSC轉(zhuǎn)化CSCs并非是處于干性狀態(tài)而一成不變的，CSC與非CSC處于一種動態(tài)平衡的狀態(tài)。外泌體參與該動態(tài)平衡的維持。Li等表明外泌體FMR1-AS1可激活TLR7-NFκB信號，增加食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞中c-Myc的表達(dá)水平以維持食管鱗狀細(xì)胞癌干細(xì)胞的動態(tài)互變狀態(tài)[14]。首先，CSCs的自我更新能力可以保持CSCs處于一定數(shù)目。其次，腫瘤細(xì)胞可去分化、獲得干性而轉(zhuǎn)化為CSCs，維持CSCs數(shù)目穩(wěn)定。腫瘤細(xì)胞在其微環(huán)境的影響下向未成熟狀態(tài)逆分化代表了EMT和獲得干性特征的第一步[15]。外泌體作為TME的重要組分，其包含的大量活性物質(zhì)通過復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)這一轉(zhuǎn)化過程。EMT促使腫瘤細(xì)胞失去極性，獲得具有更高侵襲能力的間質(zhì)表型。同時，EMT還可促進(jìn)上皮非CSCs轉(zhuǎn)化為能夠產(chǎn)生腫瘤細(xì)胞并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞擴散的間充質(zhì)CSCs[16]，這其中細(xì)胞發(fā)生的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)組學(xué)十分復(fù)雜。研究表明，這一過程可由CSCs外泌體介導(dǎo)。而在CSCs中去除前列腺素E2后分泌的外泌體可導(dǎo)致CSCs失去CSCs標(biāo)志物[17]、間充質(zhì)標(biāo)志物、整合素和藥物外排轉(zhuǎn)運蛋白等，這就解釋了外泌體促進(jìn)CSCs轉(zhuǎn)化的分子機制。相應(yīng)的，CSCs也會失去干細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化為非CSCs細(xì)胞以維持腫瘤細(xì)胞中CSCs的動態(tài)平衡。

3.3 外泌體促進(jìn)CSCs表型形成CSCs存在多種假說，有假說稱，CSCs起源于TME中的正常干細(xì)胞，在致瘤微環(huán)境中逐步獲得CSCs表型，而來自腫瘤細(xì)胞的外泌體啟動或促使這一過程。用外泌體處理的干細(xì)胞獲得了CSCs的特征，即懸浮培養(yǎng)中出現(xiàn)表達(dá)干性標(biāo)記的球體和Balb/c裸鼠的高致瘤性。更確切的說，外泌體攜帶的多種蛋白、非編碼RNA等物質(zhì)促使CSCs表型的獲得，如多能轉(zhuǎn)錄因子NANOG、OCT-4和Wnt族蛋白，它們可以促進(jìn)細(xì)胞自我更新、受體細(xì)胞的干性和細(xì)胞可塑性的改變。研究表明，腫瘤衍生的細(xì)胞外泌體可以通過轉(zhuǎn)移它們所包含的腫瘤特異性分子EZH2和GLI1來維持神經(jīng)母細(xì)胞瘤中CSCs的未分化表型并調(diào)節(jié)周圍細(xì)胞向CSCs轉(zhuǎn)化。在其他致癌物作用下，正常細(xì)胞所分泌的外泌體也會促進(jìn)CSCs樣表型的獲得。例如，砷轉(zhuǎn)化的前列腺上皮細(xì)胞可通過外泌體信號傳導(dǎo)將正常干細(xì)胞募集、形成CSCs樣表型[18]。由此可見，CSCs樣表型可在不同致癌環(huán)境下和腫瘤微環(huán)境下由外泌體介導(dǎo)所獲得。

3.4 外泌體促進(jìn)CSCs化療耐藥CSCs現(xiàn)已被認(rèn)為是腫瘤化療和耐藥的主要原因?，F(xiàn)有研究已提出多種CSCs耐藥的機制，如通過ABC轉(zhuǎn)運蛋白的藥物外流、DNA損傷反應(yīng)的過度激活、細(xì)胞凋亡逃避、生存通路激活、細(xì)胞周期促進(jìn)和/或細(xì)胞代謝改變等。CSCs產(chǎn)生耐藥與多種固有因素[19]：EMT、信號通路等相關(guān)。TME的作用是CSCs獲得耐藥性的另一重要因素：缺氧以及酸度增加(糖酵解所致)的微環(huán)境下通常存在更多的CSCs并且往往具有更強的異質(zhì)性和干性。而外泌體通過參與藥物外排、EMT、干性特征來介導(dǎo)耐藥性。研究表明，耐藥細(xì)胞中的化學(xué)抗性物質(zhì)通過釋放外泌體中miRNA等內(nèi)容物轉(zhuǎn)移到藥物敏感性細(xì)胞中。在CSCs中[20]，耐藥細(xì)胞株中的CSCs釋放的外泌體可轉(zhuǎn)移、增強非耐藥細(xì)胞CSCs的耐藥性。在腫瘤基質(zhì)細(xì)胞中，來自成纖維細(xì)胞的外泌體可誘導(dǎo)結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞去分化轉(zhuǎn)變成具有干性表型和功能的CSCs[21]，由此增強了結(jié)直腸癌細(xì)胞的化療抗性?；煏偈鼓[瘤細(xì)胞分泌含有與耐藥相關(guān)miRNA的外泌體，這些外泌體通過作用于干性通路，導(dǎo)致CSCs干性和耐藥性增加。目前，獲得性化療耐藥機制對于CSCs化療耐藥的機制研究具有重要意義。

3.5 外泌體促進(jìn)CSCs在微環(huán)境中的信息交流外泌體作為細(xì)胞外囊泡，其最主要、最基本的作用是完成細(xì)胞間、細(xì)胞和微環(huán)境間的信息交流[22]。外泌體包含的大量的DNA、microRNA、LncRNA、脂類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)隨血流或者以旁分泌的形式到達(dá)受體細(xì)胞，實現(xiàn)長距離或者相鄰細(xì)胞間的通訊交流，以完成腫瘤生長、轉(zhuǎn)移、耐藥。研究指出[23]，化學(xué)敏感性非干細(xì)胞(non-stem cancer cells,NSCCs)被認(rèn)為是TME中CSCs生態(tài)位的一部分。NSCCs衍生的外泌體含有富含蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)相關(guān)功能的貨物蛋白，并顯著改變CSCs的發(fā)育，使其具有更強的內(nèi)在化學(xué)抗性、侵襲性和更好的自我更新能力。由此確定了一種新的交流機制：NSCCs的外泌體可以通過這種機制改變CSCs的相對適應(yīng)性以促進(jìn)疾病進(jìn)展和獲得化學(xué)抗性。外泌體參與CSCs和基質(zhì)細(xì)胞之間的通信循環(huán)，從而參與CSCs自我調(diào)節(jié)和生存微環(huán)境的調(diào)節(jié)。上述外泌體對CSCs的作用均有賴于外泌體實質(zhì)上是信息交流的載體。

4 前景與展望

CSCs作為腫瘤中極為復(fù)雜的成分，其表型形成及功能屬性有賴于TME的存在。而CSCs通過分泌外泌體和細(xì)胞因子構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)完成表型的獲得和功能的增強。由于外泌體對腫瘤發(fā)展和CSCs的強大影響[24]，新的抗腫瘤療法側(cè)重于靶向外泌體通信網(wǎng)絡(luò)以根除腫瘤并防止腫瘤轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)和耐藥。而且外泌體有望在液體活檢[25]、免疫治療和抗腫瘤藥物遞送等方面發(fā)揮特異作用?？傊?，外泌體在靶向CSCs治療中具有很大的應(yīng)用潛能，隨著對外泌體成分的不斷深入研究，相信外泌體將會在更多領(lǐng)域及臨床得到應(yīng)用。