肿瘤干细胞及其耐药性的研究进展

肿瘤干细胞及其耐药性的研究进展

余　宏,张昌明,吴永寿

HongYu,Chang2MingZhang,Yong2ShouWu

・肿瘤干细胞专栏・

Researchprogressincancerstemcellsandtheirdrugresistance

[Abstract]　Traditionaltheoriessuggestthattumorgrowthoccurswhenalltumorcellsworktogetherandresultinproliferation,sotreatmenthasbeenmainlydirectedagainstthemajorityofthecellsintumortissue,whichoftenrelapse,metastasize,andleadtotreatmentfailure.Ascancerstemcellshavebeensuccessfullyisolatedfromdifferenttumortissues,in2depthstudyoftheirfunctioninrelationtotraditionalcancertreatmentfacesenormouschallenges.Atthesametime,anewtheoreticalbasishasbeenprovidedforthein2depthstudyoftumorigenesisandtheevaluationofprognosisofcancertherapy.

Also,newideashavebeen

introducedforcancertherapy.

Therefore,radicaltreatmentofcancercanbeachievedthroughkillingcancerstemcells.Thisarticlereviewstheresearchprogressoncancerstemcellsandtheirdrugresistance.

Keywords:Stemcells,cancerstemcells,drugresistance

【摘　要】　传统理论认为肿瘤生长是所有肿瘤细胞一起增殖的结果,因而治疗方法主要是针对肿瘤组织内的大多数细胞,其结果是常有复发和转移,使治疗失败。随着肿瘤干细胞(cancerstemcells,CSCs)在不同肿瘤组织中被成功分离及其功能研究的深入,传统的肿瘤治疗方式面临着巨大的挑战。同时为深入探讨

云南省第二人民医院耳鼻咽喉头颈外科,云南昆明650021

DepartmentofOtolaryngologyHeadandNeckSurgery,SecondPeopleπsHospitalofYunnanProvince,Kunming,Yunnan650031,P.R.China

肿瘤的发生、发展及评价预后等提供了新的理论依据,也为肿瘤的治疗带来了新的思路。因此,只有杀灭CSCs,才能达到根治肿瘤的目的。本文就CSCs与其耐药性作一综述。

关键词:干细胞;肿瘤干细胞;耐药性中图分类号:R76　　　文献标识码:A文章编号:1000-467X(2010)03-0279-05

通讯作者:余　宏

Correspondenceto:HongYu

近年来肿瘤干细胞(cancerstemcells,CSCs;或tumorstemcells,

TSCs)在肿瘤组织中被成功分离,并提出了CSCs学说,也为肿瘤研究提供了新的思路。CSCs是存在于肿瘤组织中的一小部分具有干细胞性质的细胞群体,均具有自我更新能力和不定向分化潜能,并可导致肿瘤发生。现认为CSCs是肿瘤形成及其不断生长的根源。1　干细胞理论在肿瘤治疗中的意义

CSCs是从干细胞研究中脱颖而出的一个新领域,虽其历史不长,

　Tel.:861015974826580

　Email:yh2002523@yahoo.com.cn基金项目:云南省第二人民医院资助项目(2008yk005)

Grant:SecondPeopleπsHospitalofYunnanProvinceGrant(2008yk005)

但发展势头迅猛,呈现出良好前景。CSCs的存在及其作为肿瘤形成、生长和转移基础的观点已得到广泛认同。

当前肿瘤治疗的目的是尽可能杀死所有肿瘤细胞,认为每个肿瘤细胞都有无限增殖能力,如果肿瘤体积缩小则认为治疗方案有效。但实际上大部分肿瘤经过一段时间缓解期后又复发。根据干细胞理论,这种传统的治疗方法并没有将CSCs完全杀死,CSCs仍具有无限增殖能力。越来越多的学者提出肿瘤治疗应该针对CSCs,即使肿瘤

收稿日期:2009209201接受日期:2009211217

280余　宏,等.肿瘤干细胞及其耐药性的研究进展

实验证明,肿瘤组织具有表型异质性,即是由表

型或功能不同的细胞组成,这种异质性是由于在肿瘤形成过程中经历了不同的环境或积累了不同的突变所导致的。(7)CSCs有与正常干细胞类似的耐药机制,包括通常处于G0期、有APC转运蛋白等等。212　干细胞和CSCs的不同点

CSCs无限增殖能力与干细胞的自我更新相似。然而,两者也有区别。(1)干细胞的自我更新有反馈机制调节。该机制对一定数量的成熟细胞有反应,并调控着细胞分裂;而在肿瘤细胞中,这一机制并不敏感。(2)晚期肿瘤细胞没有分化为成熟细胞的能力,说明其分化程序异常;与有着正常分化程序的干细胞不同。(3)肿瘤细胞倾向于积累复制错[11]误,而正常干细胞的发育机制要防止这种现象的出现。CSCs理论认为肿瘤是CSCs增殖而成的异常组织,在增殖过程中存在异常的分化现象,从而形成了异质性的肿瘤细胞群。CSCs起源于正常干细胞

[12]

和祖细胞的突变,干细胞是突变的靶。(4)从生物学角度来看,肿瘤的发生是一个多基因多步骤的基因变化效应,是多阶段或多次打击后产生的。正常细胞转化为恶性肿瘤细胞需经历一个复杂而漫长的过程,至少需要4～7次突变,这需要很长的时间。而与已纯化细胞相比,干细胞在体内分布广泛且更新能力强,更易发生恶性转化,这意味着突变可能更容易在干细胞中得以积累。在皮肤及肠黏膜上皮这样的部位,老的细胞在不断地死去并脱离机体。而这些更新快的组织,包括血液系统,恰是肿瘤的高发部位。因此,干细胞可能是惟一可以长期存在的细胞,并积累多次突变而生成肿瘤。(5)肿瘤可能起源于干细胞增殖过程的任何阶段的阻断,肿瘤分化程度与肿瘤起源的干细胞增殖分化阶段有关。如果肿瘤起源于早期干细胞分化阶段,则表现为低分化。如起源于干细胞分化的后期阶段,肿瘤就表现为高分化。如肿瘤起源于干细胞分化的晚期阶段,则表现为良性肿瘤。干细胞在分化成熟过程的任何一阶段都可能被阻断,从而造成肿瘤分化程度上的差异。最早的CSCs的鉴定与分离是在急性髓性白血病(acutemyeloidleukemia,AML)[5],随后在乳腺[13][14]癌、恶性胶质瘤等多种肿瘤中已得到证实。(6)干细胞不断分裂的特征,也增加了获得增殖错误的机会

[15]

[10]

体积没有缩小,但由于其他细胞增殖能力有限,肿瘤

[1]

将逐渐退化萎缩,也许人类能够真正治愈肿瘤。2　CSCs与干细胞的关系

CSCs虽然只占肿瘤细胞的少部分,却具有无限

的自我更新能力,其增殖形成与亲代完全相同的肿瘤。根据CSCs理论,如果不能消除CSCs,便可能导致治疗失败,虽然杀死大多数肿瘤细胞后肿瘤体积明显缩小,但不能阻止肿瘤的复发和远处转[2]

移。目前,对CSCs的来源有两种假设:一为正常干细胞经过突变的积累或分化障碍形成CSCs;另一为已经开始分化的原始细胞或分化

[3]

细胞去分化形成CSCs。研究显示,CSCs和正常干细胞一样可通过多种机制产生多药耐药(multidrugresistance,MDR)[4]。CSCs可能是放化疗后肿瘤复发的根源,逆转肿瘤耐药是今后肿瘤治疗的重要方向。211　干细胞和CSCs的相同点随着研究的不断深入,人们发现干细胞和CSCs具有许多共同特性:(1)干细胞与肿瘤细胞都具有自我更新能力和不定向分化潜能。不同的是,干细胞的增殖具有自稳定性,当组织处于稳定状态时,平均一个干细胞产生一个子代干细胞和一个特定分化细胞,其干细胞总数保持恒定。而CSCs无自稳定性的特点;还可能有类似的细胞表面标志,如Bonnet等在血液系统肿瘤中发现只有表面标记为

+-CD34CD38的是CSCs。(2)CSCs与干细胞有相似的生长调控机制。实验证明,许多与癌细胞相关的经典信号调节通路可能也调控正常干细胞的发育,如Wnt、SHH(sonichedgehog)、Notch和Bmi21等

[6]

信号通路。(3)干细胞具有迁移到特定的组织器官的特性,而癌细胞有转移的能力。Tu等认为干细胞的迁移和癌细胞的转移皆受特异化学因子及其受体的调节。(4)肿瘤起源于干细胞。有人认为单

[8]

一细胞获得4～7次突变将发生恶性转化。组织更新快的上皮组织、造血系统是肿瘤高发部位,组织自我更新越快,复制、转录过程中基因发生突变的概率越高。尽管大多数肿瘤转化突变的靶细胞并不清楚,但是已有相当多的证据表明某些结肠癌和白血

[9]

病产生于积累多次突变的干细胞。(5)干细胞与CSCs都具有端粒酶活性以及扩增的端粒重复序列,而人类终末分化体细胞不具有端粒酶活性。(6)组

[7]

[5]

。

织特异分化能力。CSCs能够产生不同表型的肿瘤细胞,并在体内形成新的肿瘤。这些CSCs的自我更新过程类似于正常干细胞,又不同于正常干细胞。

3　CSCs耐药的机制

311　CSCs通常处于相对静止或休眠状态

细胞周期(时相)特异性药物(cellcyclespecific

余　宏,等.肿瘤干细胞及其耐药性的研究进展

agents,CCSA)是仅对增殖周期的某些时相敏感,而

281

(MRP/ABCC1)、乳腺癌耐药蛋白(BCRP/ABCG2),

对G0期细胞不敏感的药物,如抗代谢类药物氟尿嘧啶,作用于S期的阿糖胞苷、羟基脲,作用于M期的长春新碱。CSCs如经常处于静止期,很少进行分裂增殖,则对很多抗肿瘤药物及射线不敏感。

VanStijn等

[16]

分别由ABCB1、ABCC1和ABCG2基因编码。313　凋亡抑制

诱导细胞凋亡是众多化疗药物杀伤肿瘤细胞的共同机制

[22]

,如果凋亡受到抑制可能导致肿瘤细胞

用[H]TdR掺入实验研究细胞

3

时发现,CSCs均为静止的G0期细胞,所以CSCs对放疗不敏感。

312　CSCs的多药耐药机制

3.211　CSCs的多药耐药性　CSCs对作用于其本

耐药。研究表明,参与细胞凋亡的,如Bcl22基因、

κ核转录因子κB(NF2B)、突变p53基因及c2myc基因等都参与了肿瘤细胞耐药。

哺乳动物细胞中Bcl22基因家族至少有15个成员,按其对凋亡的调节功能可分为抑凋亡基因(如Bcl22、Bcl2x、Bcl2w、Mcl2l、AL/Bfl2l等)和促凋亡基因(Bax、Bcl2xS、Bad、Bak、Bid等)。Bcl22基因家族既能抑制又能促进细胞凋亡,其生物学效应取决于该成员间的相互作用。Eisele等

[23]

身的药物产生耐药性为原药耐药(primary

resistance,PDR),并且对其他多种结构和作用机制迥异的抗癌药物产生交叉耐药称为MDR。根据肿瘤细胞形成MDR的机制,亦可将MDR分为天然耐药(naturalresistance)和获得性耐药(acquiedresistance)两种。天然耐药指处于静止期的CSCs具有DNA自我修复能力和APC转运蛋白而获得的与生俱来的耐药性;获得性耐药指长期暴露于辐射和(或)致癌物后,CSCs和相近的子代细胞可通过与正常干细胞积累突变的同样机制(点突变、基因激活、

[3]

基因扩增)等出现新的耐药性。CSCs与相近的子代细胞亦可在许多化疗后复发的患者体内增殖形成MDR细胞群。

ABCB1(MDR1)基因位于人类7号染色体长臂

[17]

2区1带1亚带(7q221.1),全长330kb。P2gp

以阿糖胞苷和

蒽环类抗生素治疗14例AMI患者,发现7例完全

缓解(CR),7例病情持续。通过基因鉴定发现,CR组与病情持续组的凋亡相关指标(Bax、Bcl22Al、

+

BNIP3L等)差异有统计学意义;并发现CD34细胞在CR组2倍于病情持续组。这说明LSC细胞可能通过高表达抑凋亡基因、低表达促凋亡基因而产生耐药,抵抗化疗。

实验证明,许多与癌细胞相关的经典信号调节通路可能也调控正常干细胞的发育。如通过转基因技术使小鼠长期造血干细胞高表达癌基因Bcl22后,使长期造血干细胞的数目显著增加,同时还可以增强造血干细胞对致死放射剂量的耐受能力314　DNA修复能力增强

DNA是很多抗癌药物和放疗的靶点,如烷化剂

[24]

相对分子质量为170000,含有1280个氨基酸,由2个单一多肽链相连接的相似部分组成,每部分包括6个跨膜螺旋区和1个ATP结合域。三维结构分析

。

表明,当转运蛋白的底物如抗肿瘤药与跨膜结构域结合后,药泵的2个ATP结合位点靠近并与ATP结合,P2gp构象发生变化,在其中部形成通道,可使中性或阳离子疏水性药物直接通过并排出细胞外

[18]

和铂类化合物。当肿瘤细胞DNA受损时,直接影响其复制和转录功能,严重时引起细胞死亡。但肿瘤细胞内存在抗DNA损伤修复机制,主要由核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等参与完成。当肿瘤细胞中这些酶蛋白合成增加时,DNA修复机制加强。CSCs高效率的DNA修复是化疗和放疗抵抗的重要机制。目前已发现,与人类DNA修复有关的基因多达l30个。因此,DNA修复有关的酶活性增高,Bao等

[25]

。

MRP亚家族的基本结构与P2gp类似。其特异性的

转运底物是胞内与还原型谷胱甘肽(GSH)共轭结合的化疗药物,如依托泊苷、柔红霉素、顺铂、米托蒽醌等

[19]

;因其可将这些底物泵出细胞外,故又称为

[20]

“GS2x泵”。BCRP是一种磷酸化蛋白,属于半转

运蛋白,仅有6个α螺旋和1个ATP结合位点,多在细胞膜上以同源二聚体的形式发挥作用

[21]

发现DNA损伤修复能力的增强,可能也

是CSCs对化疗药物和放疗射线产生抗性的一个重要原因。

315　CSCs通常定位于低氧龛环境中

。

3.212　ABC转运蛋白的药泵作用　ABC转运蛋白

是一类跨膜蛋白,是MDR家族中重要的一员,在体内分布广泛,可转运肽类、内源性脂质、核苷酸、代谢性药物、酶等。目前与耐药有关的ABC转运蛋白主要有P2糖蛋白(P2gp/ABCB1)、多药耐药相关蛋白

干细胞巢-壁龛(stemcellniche)是一个特殊的微环境,提供干细胞生长、转化及维持自身稳定的所有信号

[26]

。CSCs通常定位于低氧龛环境中,而

周围则是分化的肿瘤细胞、肌成纤维细胞、内皮祖细

282余　宏,等.肿瘤干细胞及其耐药性的研究进展

thepatchedpathwayandABCOncogene,2007,26(9):1357-l360.

[5]　BonnetD,DickLE.Humanacutemyeloidleukemiais

organizedasahierarchythatoriginatesfromaprimitivehematopoieticcell[J].NatureMed,1997,3(7):730-737.[6]　JordanCT.Cancerstemcellbiology:fromleukemiato

solidtumors[J].CurrOpinCellBiol,2004,16(6):708-712.

[7]　TuSM,LinSH,LogothetisCJ.

Oncol,2002,3(8):508-513.[8]　HanahanD,WeinbergRA.Thehallmarksofcancer

[J].Cell,2000,100(1):57-70.[9]　BonnetD.Cancerstemcells:AMLsshowtheway[J].

BiochemSocTrans,2005,33(6):1531-1533.[10]ShackletonM,

Quintana

E,

Fearon

ER,

etal.

Heterogeneityincancer:cancerstemcellsversusclonalevolution[J].Cell,2009,138(5):822-829.

[11]TsaiRY.Amolecularviewofstemcellandcancercell

self2renewal[J].IntJBiochemCellBiol,2004,36(4):684-694.

[12]TaipaleJ,BeaehyPA.TheHedgehogandWntsignalling

pathwaysincancer[J].Nature,2001,411(6835):349-354.

[13]Al2HajjM,WichaMS,Benito2HernandezA,eta1.

Prospectiveidentificationoftumorigenicbreastcancercells[J].ProcNatlAcadSciUSA,2003,100(7):3983-3988.

[14]SinghSK,ClarkeID,TerasakiM,etal.

Res,2003,63(18):5821-5828.

[15]王林,秦鸿雁,韩骅.CSCs的研究现状[J].细胞与

Identificationof

acancerstemcellinhumanbraintumors[J].Cancer

Stem2celloriginof

metastasisandheterogeneityinsolidtumors[J].Lancet

transporters[J].

胞、细胞外基质等构成的微环境。三维的龛结构及发育良好的细胞外基质,可以起到屏障作用保护CSCs,使它们不容易接触到化疗药,从而提高它们

的逃逸能力。此外,射线引起的DNA损伤需要氧气,因此定位于低氧龛的休眠CSCs,在放疗中也不受影响。CSCs理论的一个关键点是细胞微环境

(cellniche)的改变是干细胞分化受阻的主要原因

[26]

。

大量的体外实验均表明,缺氧可通过上调多药

[27][28]

耐药基因1(MDR1)、端粒酶及CXCR4的表达使肿瘤的耐药性、侵袭性增加,凋亡减少,抑制DNA修复

[29]

,促使肿瘤发生及发展。总之,CSCs的耐药

是由多种因素引起的,克服CSCs的耐药也具有多种策略。每种实体肿瘤的干细胞耐药机制不同,因此对它们的耐药治疗策略也应有所区别。在对肿瘤患者进行放化疗时,应具体研究每种CSCs的耐药机制,并发现新的与肿瘤耐药有关的因素,采取有效的治疗措施,以期增加放化疗效果,提高患者生活质量,延长生存时间。4　展　望

根据CSCs理论,只要杀死CSCs就能彻底治愈肿瘤。但是,此理论目前还有许多亟待解决的问题,首先要分离和确认CSCs。CSCs是否在各种肿瘤组织中均存在,其基因表达上的差异如何,是否是肿瘤发生的普遍机制。目前,在缺乏干细胞表面标志物及有效示踪方法的情况下,CSCs的生物学特征还难以描述。更多的观点是基于现象的分析和理论的推测。毫无疑问,用干细胞理论研究肿瘤的发生机制,有助于研究观念的转变及对肿瘤本质的重新理解,为临床有效地诊断恶性生长细胞的存在部位,为寻找肿瘤发生的功能蛋白作为潜在的治疗靶点提供了新的思路。因此,CSCs理论对于研究肿瘤的起源和临床实践,都有十分重要的意义。

[参　考　文　献]

[1]　BachSP,RenehanAG,PottenCS,etal.Stemcells:

the

intestinal

stem

cell

as

a

paradigm

[J].

Carcinogenesis,2000,21(3):469-476.

[2]　DalerbaP,ChoRW,ClarkeMF.Cancerstemcells:

modelsandconcepts[J].AnnuRevMed,2007,58(1):267-284.

[3]　DeanM,FojoT,BatesS.Tumourstemcellsanddrug

resistance[J].NatRevCancer,2005,5(4):275-284.[4]　LouH,DeanM.Targetedtherapyforcancerstemcells:

分子免疫学杂志,2005,21(1):107-109.

[16]vanStijnA,vanderPolMA,KokA,etal.Differences

betweentheCD34

+

andCD34

-

blastcompartmentsin

apoptosisresistanceinacutemyeloidleukemia[J].Haematologica,2003,88(5):497-508.[17]TakaraK,SakaedaT,OkumuraK.

overcomingMDR12mediatedmultidrug(3):273-286.

[18]GottesmanMM,FojoT,BatesSE.Multidrugresistance

incancer:roleofATP2dependenttransporters[J].NatRevCancer,2002,2(1):48-58.

[19]MorrowCS,Peklak2ScottC,BishwokarmaB,eta1.

Multidrugresistanceprotein1(MRPl,ABCC1)mediatesresistancetomitoxantroneviaglulathione2dependentdrugefflux[J].MolPharmacol,2006,69(4):1499-l505.

Anupdateonresistance

in

cancerchemotherapy[J].CurrPharmDes,2006,12

余　宏,等.肿瘤干细胞及其耐药性的研究进展

[20]VanZandenJJ,GeraetsL,WortelboerHM,eta1.

Structural

requirements

for

the

flavonoid2mediated

modulationofglutathioneS2transferaseP121andGS2XpumpactivityinMCF7breastcancercells[J].BiochemPharmacol,2004,67(8):1607-1617.[21]SchinkelAH,

JunkerJW.

Mammaliandrugefflux

transportersoftheATPbindingcassette(ABC)fomily:alloverview[J].AdvDrugDelivRev,2003,55(1):3-29.

[22]KuoPL,HsuYL,KuoYC,etal.Theanti2proliferative

inhibitionofellipticineinhumanbreastmda2mb223lcancercellsisthroughcellcyclearrestandapoptosisinduction[J].AnticancerDrugs,2005,16(7):789-795.

[23]EiseleL,Klein2HitpassL,ChatzimanolisN,eta1.Differentialexpressionofdrug2resistance2relatedgenesbetweensensitiveandresistantblastsinacutemyeloidleukemia[J].ActaHaematol,2007,117(1):8-l5.[24]DomenJ,WeissmanIL.Hematopoieticstemcellsneed

twosignalstopreventapoptosis;Bcl22canprovideoneofthese,Kitl/c2Kitsignalingtheother[J].JExpMed,

2000,192(12):1707-1718.

[25]BaoS,WuQ,SathornsumeteeS,etal.

theDNAdamageresponse[J].(7120):756-760.

283

Gliomastem

cellspromoteradioresistancebyproferentialactivationof

Nature,2006,444

[26]LiL,NeavesWB.Normalstemcellsandcancerstem

cells:thenichematters[J].CancerRes,2006,66(9):4553-4557.

[27]YatabeN,KyoS,MaidaY,etal.

Oncogene,2004,23(20):3708-3715.

[28]StallerP,SulitkovaJ,LisztwanJ,eta1.Chemokine

receptorCXCR4downregulatedby

von

Hippel2

LindautumoursuppressorpVHL[J].Nature,2003,425(6955):307-311.[29]KoshijiM,

ToKK,HammerS,

etal.

HIF21alpha

inducesgeneticinstabilitybytranscriptionallydownregulatingMut2Salpbuexpression[J].MolCell,2005,17(6):793-803.

[编辑:张　菊]HIF212mediated

activationoftelomeraseincervicalcancercells[J].