腫瘤干細(xì)胞的放射抗拒相關(guān)機制研究進(jìn)展▲

陳凱華 陳 莉 朱小東

(廣西醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療科，南寧市 530021)

【提要】 放射抗拒是導(dǎo)致腫瘤放射治療預(yù)后不良的原因之一，而放射抗拒可能與腫瘤干細(xì)胞(CSC)的存在有關(guān)。CSC是一組極少數(shù)的增殖特性失控、能夠自我更新、多向分化、具有干細(xì)胞特性的腫瘤細(xì)胞，它們對放射治療和其他腫瘤治療存在抗拒性。CSC逃避輻射殺傷的機制主要包括DNA損傷修復(fù)、活性氧清除、抗凋亡途徑激活、腫瘤微環(huán)境調(diào)節(jié)及細(xì)胞處于靜止期等幾個方面。本文就CSC導(dǎo)致惡性腫瘤放射抗拒的潛在機制進(jìn)行綜述，為探討靶向殺傷CSC的放射增敏療法提供一些思路。

隨著調(diào)強放射治療、立體定向放射治療等精確放射治療技術(shù)的普及，放射治療成為治療惡性腫瘤的主要手段之一。雖然放射治療在腫瘤治療中的療效和地位突出，但是仍存在對放射治療不敏感或表現(xiàn)出放射抗拒的情況，而放射抗拒是導(dǎo)致腫瘤放射治療預(yù)后較差的原因之一[1-2]。近年來有學(xué)者認(rèn)為，腫瘤放射抗拒、復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移可能與腫瘤干細(xì)胞(cancer stem cell，CSC)有關(guān)[3-4]。CSC是一組極少數(shù)的增殖特性失控、能夠自我更新、多向分化及具有干細(xì)胞特性的腫瘤細(xì)胞[5-6]，它們可在放射治療和其他腫瘤治療手段下存活[7-8]。本文就CSC導(dǎo)致惡性腫瘤放射抗拒的潛在機制進(jìn)行綜述，為尋找靶向殺傷CSC的腫瘤放射增敏療法提供一些思路。

1 CSC的定義

美國癌癥研究協(xié)會(American Association for Cancer Research，AACR)將CSC定義為腫瘤內(nèi)的一組細(xì)胞亞群，其具有自我更新能力并且能夠產(chǎn)生異質(zhì)性腫瘤細(xì)胞[6]。CSC具有與正常干細(xì)胞相似的特征，可以產(chǎn)生特定腫瘤中所有類型細(xì)胞[9]。早在1937年，F(xiàn)urth研究團(tuán)隊[10]將單個小鼠白血病細(xì)胞種植到同系正常小鼠內(nèi)，發(fā)現(xiàn)僅有5%的細(xì)胞種植成功，提示腫瘤組織中存在CSC。直到1997年，Bonnet等[11]首次在急性髓性白血病中發(fā)現(xiàn)CSC。迄今為止，除了在血液腫瘤動物模型中可以鑒定出CSC，在多種人類實體腫瘤中也可以分離鑒定出CSC[12-13]。

2 CSC放射抗拒的機制

鑒于CSC具有細(xì)胞無限分裂的潛能[6]，意味著腫瘤在過程中需要滅活CSC才能永久根除腫瘤。越來越多證據(jù)表明，CSC與腫瘤出現(xiàn)放射抗拒有關(guān)[14-16]。Krause等[14]認(rèn)為，CSC通過多種機制介導(dǎo)腫瘤產(chǎn)生放射抗拒。由于CSC具有放射抗拒性，目前的放射治療不能徹底殺滅腫瘤細(xì)胞，最終導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。因此，探索CSC潛在的放射抗拒相關(guān)機制，可為靶向殺滅CSC、減少放射抗拒、提高腫瘤的放射治療療效提供參考。目前，相關(guān)研究主要從DNA損傷修復(fù)、活性氧清除、抗凋亡途徑的激活、腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment，TME)調(diào)節(jié)及細(xì)胞靜止期等方面闡述CSC放射抗拒的發(fā)生機制。

2.1 DNA損傷修復(fù) DNA損傷修復(fù)是生物細(xì)胞內(nèi)的DNA分子受到損傷后，在多種酶的作用下恢復(fù)結(jié)構(gòu)的過程。腫瘤的發(fā)生與DNA損傷和修復(fù)密切相關(guān)，人類的大多數(shù)致癌過程是由受損DNA的低效修復(fù)介導(dǎo)的[17]。在放射治療過程中，射線通過攻擊細(xì)胞核中的DNA使其堿基損傷、單鏈或雙鏈斷裂，從而對腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生直接的殺傷作用，DNA雙鏈斷裂被廣泛認(rèn)為是腫瘤細(xì)胞被靶向殺傷的主要原因[18]。既往研究證實，實體腫瘤中的CSC亞群具有較高的DNA修復(fù)能力[19-22]。Desai等[19]研究發(fā)現(xiàn)，從肺癌細(xì)胞株A593中分離出的CD133+細(xì)胞顯示出放射抗拒性，其DNA雙鏈斷裂修復(fù)能力強，且DNA修復(fù)基因表達(dá)上調(diào)；而沉默DNA修復(fù)基因Exo1和Rad51可使CD133+細(xì)胞的放射敏感性增強，說明抑制DNA修復(fù)可使放射敏感性增強。乳腺癌相關(guān)研究表明，上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子ZEB1可以誘導(dǎo)Chk1基因去泛素化，從而促進(jìn)同源重組依賴性DNA修復(fù)和腫瘤細(xì)胞放射抗拒的產(chǎn)生，且干擾乳腺癌細(xì)胞株SUM159中ZEB1和Chk1的表達(dá)均能增強其放射敏感性，因此，上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化與乳腺癌CSC的特征密切相關(guān)[20]。Wang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，鼻咽癌干細(xì)胞樣亞群PKH26+細(xì)胞具有放射抗拒性，該細(xì)胞亞群的原癌基因c-MYC過表達(dá)可導(dǎo)致Chk1和Chk2的表達(dá)增加，隨后激活DNA損傷-檢查點反應(yīng)機制從而引起放射抗拒性；干擾Chk1和Chk2表達(dá)可在體外和體內(nèi)增加PKH26+細(xì)胞的放射敏感性。Bao等[22]研究發(fā)現(xiàn)，從原發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤樣本中分離出的CSC可優(yōu)先激活DNA損傷檢查點以抵抗輻射，從而更有效地修復(fù)輻射誘導(dǎo)的DNA損傷；使用Chk1和Chk2檢查點激酶的特異性抑制劑可逆轉(zhuǎn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤CSC的放射抗拒性。因此，DNA 損傷相關(guān)修復(fù)機制可能是CSC修復(fù)輻射損傷的重要機制，一些關(guān)鍵的信號節(jié)點(如Chk1和Chk2等)或可作為增加腫瘤放射治療敏感性的靶點。

2.2 活性氧清除 活性氧是細(xì)胞代謝過程中形成的一類單電子還原產(chǎn)物,具有壽命短且極不穩(wěn)定等特點，主要包括超氧陰離子、過氧化氫、羥基自由基和一氧化氮等。細(xì)胞接受射線照射時，輻射能量可直接損傷DNA，自由基(如活性氧等)也可間接損傷DNA從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[23]。細(xì)胞內(nèi)活性氧是導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞輻射后凋亡的關(guān)鍵因素，而低水平活性氧是腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生放射抗拒的主要原因之一[24]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，通常正常干細(xì)胞和CSC的活性氧水平均較低[25-26]。因此，清除或降低活性氧水平也被認(rèn)為是CSC減少凋亡以逃避輻射殺傷的一種機制[27-30]。Kim等[27]的研究表明，利用無血清培養(yǎng)基培養(yǎng)獲得的前列腺癌細(xì)胞球(CSC)比貼壁細(xì)胞(普通腫瘤細(xì)胞)含有更多的低至中等活性氧水平的細(xì)胞。該研究還證實前列腺癌CSC的放射抗拒機制除與DNA損傷修復(fù)能力強有關(guān)外，還與活性氧呈低水平的細(xì)胞對輻射損傷的低易感性有關(guān)。在部分人和小鼠乳腺癌中，CSC的活性氧水平比對應(yīng)的非致癌性腫瘤細(xì)胞更低，下調(diào)細(xì)胞內(nèi)的抗氧化劑谷胱甘肽后，可增加CSC的放射敏感性[28]。Lagadec等[29]也發(fā)現(xiàn)，乳腺癌CSC可通過表達(dá)高水平的自由基清除因子(如Foxo轉(zhuǎn)錄因子家族、谷胱甘肽系統(tǒng)的關(guān)鍵酶及過氧化氫酶等)來逃避輻射。Li等[30]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸處理過的頭頸癌細(xì)胞表現(xiàn)出放射抗拒，且CD44+亞群細(xì)胞比例增加，表明較低的活性氧水平可以增強放射抗拒性及干細(xì)胞特性。綜上所述，由于活性氧在輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡中具有重要作用，因此有理由認(rèn)為上調(diào)CSC中的活性氧水平可改善CSC的放射敏感性，從而提高腫瘤放射治療的療效，這也為通過提高活性氧水平或使用活性氧清除劑來降低腫瘤放射抗拒提供理論依據(jù)。

2.3 抗凋亡途徑的激活 目前，抗凋亡途徑的激活也被認(rèn)為是CSC產(chǎn)生放射抗拒的機制之一[31-35]。Kyjacova等[31]通過分割照射的方法獲得一群具有干細(xì)胞樣特性的非黏附抗失巢凋亡前列腺癌細(xì)胞，該細(xì)胞亞群的Notch信號通路被激活并表現(xiàn)出放射抗拒性，而聯(lián)合抑制Erk1/2和PI3K-AKT信號通路可下調(diào)抗凋亡因子Bcl-XL，從而增強該細(xì)胞亞群的放射敏感性。Chang等[32]使用組織學(xué)特征與人基底細(xì)胞樣乳腺癌相似的抗凋亡基因p53無效的腫瘤模型，然后通過輻射照射，證實了CSC更加具有細(xì)胞凋亡抗性，并且表現(xiàn)出更高的DNA損傷修復(fù)活性，這些特點可能有助于它們抵抗輻射殺傷。Yang等[33]通過質(zhì)粒將EB病毒編碼的潛伏膜蛋白1導(dǎo)入鼻咽癌細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)潛伏膜蛋白1可以增加CD44的表達(dá)，分選得到的CD44+細(xì)胞亞群具有顯著的CSC特征及放射抗拒性；探索其原因發(fā)現(xiàn)，CD44+細(xì)胞亞群中p53磷酸化失活伴隨著p53基因下調(diào)，表明在CD44+細(xì)胞中p53介導(dǎo)的凋亡途徑失活與放射抗拒性有關(guān)。同樣，卵巢癌相關(guān)研究顯示，轉(zhuǎn)錄抑制因子Snail和Slug通過拮抗p53介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑，可使卵巢癌細(xì)胞獲得與CSC相關(guān)的表型特征，從而產(chǎn)生放射抗拒[34]。Wang等[35]利用γ-分泌酶抑制劑抑制了膠質(zhì)瘤CSC的Notch信號通路，使PI3K/AKT信號失活及髓樣細(xì)胞白血病1基因表達(dá)增多，進(jìn)而促進(jìn)了輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，從而使膠質(zhì)瘤CSC的放射敏感性增強。因此，抗凋亡特性可能是CSC產(chǎn)生放射抗拒的原因之一，激活相關(guān)凋亡途徑可能是提高CSC放射敏感性的可選手段。

2.4 TME調(diào)節(jié) 自1889年英國醫(yī)生Stephen Paget提出腫瘤轉(zhuǎn)移的“種子與土壤”假說以來,越來越多證據(jù)表明腫瘤的發(fā)展需要腫瘤細(xì)胞與微環(huán)境的協(xié)調(diào)。TME即腫瘤細(xì)胞的內(nèi)外環(huán)境，包括腫瘤細(xì)胞本身、骨髓源性炎性細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、血管、成纖維細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)等組分[36-37]。TME除了為腫瘤發(fā)展提供結(jié)構(gòu)支持，也調(diào)節(jié)CSC亞群的自我更新、致瘤性(成瘤能力)和轉(zhuǎn)移潛能[38]。目前，有學(xué)者認(rèn)為CSC的放射抗拒除了與內(nèi)在機制有關(guān)外，可能也與外在的TME有關(guān)[39-43]。Wozny等[39]認(rèn)為，CSC處在缺氧微環(huán)境中是頭頸部鱗癌產(chǎn)生放射抗拒的原因之一。在缺氧條件下，頭頸部鱗癌CSC更早表達(dá)缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factors，HIF)-1α，抑制HIF-1α表達(dá)可增加CSC的放射敏感性。Sun等[40]分選出肺癌細(xì)胞A549中CD133+的CSC樣細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)CD133+的CSC樣細(xì)胞的HIF-2α水平顯著高于CD133-的CSC樣細(xì)胞，且具有明顯放射抗拒性，提示HIF-2α在CD133+的CSC樣細(xì)胞中高表達(dá)可能導(dǎo)致放射抗拒。CSC位于特定的血管龕內(nèi)并誘導(dǎo)、重塑和參與TME的形成，以促進(jìn)CSC自身生存、維持干細(xì)胞特性，并抵抗放化療及生物療法[41]。前列腺癌相關(guān)研究表明，主要針對TME中細(xì)胞膜結(jié)合受體(如內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞)的分子靶向藥——舒尼替尼可以改善細(xì)胞缺氧并抑制血管生成，減少了乙醛脫氫酶陽性的CSC樣細(xì)胞的數(shù)量，并增強這些細(xì)胞的放射敏感性[42]。Hambardzumyan等[43]研究發(fā)現(xiàn)，接受輻射照射后的髓母細(xì)胞瘤的分裂細(xì)胞發(fā)生了p53依賴性凋亡，但血管周圍壁龕中巢蛋白陽性的CSC在輻射后6 h內(nèi)細(xì)胞周期暫停，而在輻射后72 h細(xì)胞周期重新啟動，提示這些CSC可能是腫瘤復(fù)發(fā)的責(zé)任細(xì)胞。由此可知，研發(fā)針對TME的抗腫瘤手段，如靶向血管龕治療或提高TME含氧量以破壞CSC的“宜居”環(huán)境，或可消滅CSC，從而提高腫瘤的放射治療敏感性。

2.5 細(xì)胞處于靜止期 細(xì)胞周期是指細(xì)胞從一次分裂完成到下一次分裂結(jié)束所經(jīng)歷的全過程。細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)可通過阻滯G1期實現(xiàn)，細(xì)胞處于阻滯狀態(tài)即為靜止期(G0期)。電離輻射能更有效地清除快速分裂、增殖的腫瘤細(xì)胞，但靜止期細(xì)胞對電離輻射不敏感，其能保持自身完好性，導(dǎo)致腫瘤的再生[44]。由于大多數(shù)的CSC都處于細(xì)胞周期的靜止期，這可能是其對輻射并不敏感的另一原因[45-46]。Pawlik等[47]認(rèn)為，CSC處于靜止期和CSC可塑性是癌癥治療的主要挑戰(zhàn)。細(xì)胞在G2/M期對射線的敏感性最強，在G1期較不敏感，在S期后期最不敏感[48]。在臨床實踐中，劑量分割可以將放射抗拒的S期腫瘤細(xì)胞重新調(diào)整至對放射更敏感的階段(如G2/M期)[2]。但另一方面，腫瘤細(xì)胞暴露于電離輻射等可引起DNA損傷的環(huán)境中，G2/M期可出現(xiàn)明顯停滯[49]。在腫瘤放射治療過程中，CSC可發(fā)生加速再群體化[46]。Pajonk等[50]認(rèn)為，CSC通過再群體化和細(xì)胞周期再分布機制獲得放射抗拒特性。田允鴻等[51]研究發(fā)現(xiàn)，乳腺癌CSC的放射抗拒可能與G2期阻滯有關(guān)。因此，尋找激發(fā)CSC重新進(jìn)入正常的細(xì)胞周期的方法，也將是消除CSC放射抗拒性的手段之一。

3 小結(jié)及展望

CSC的放射抗拒特性是導(dǎo)致腫瘤治療失敗的重要原因之一，滅活CSC有望解決臨床上腫瘤復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移等瓶頸問題。放射治療作為治療惡性腫瘤的重要手段，如何提高其對CSC的殺傷作用以改善腫瘤治療效果顯得尤為重要。目前研究認(rèn)為，CSC逃避輻射殺傷的機制主要包括DNA損傷修復(fù)、活性氧清除、抗凋亡途徑的激活、TME調(diào)節(jié)、細(xì)胞處于靜止期等幾個方面。因此，可以考慮從以下幾個方面針對如何靶向殺傷CSC進(jìn)行更深入研究：一是靶向作用CSC的DNA修復(fù)關(guān)鍵信號節(jié)點或激活相關(guān)凋亡途徑；二是提高腫瘤細(xì)胞中的活性氧水平，人為創(chuàng)造不利于CSC生存的足氧TME；三是激發(fā)CSC重新進(jìn)入正常的細(xì)胞周期。綜上，CSC導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生放射抵抗的機制錯綜復(fù)雜，未來仍需更多研究進(jìn)一步證實。隨著相關(guān)研究的不斷深入，將會為提高腫瘤細(xì)胞的放射敏感性、控制腫瘤復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移找出突破點。