干细胞与肿瘤发生.docx

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1、干细胞与肿瘤发生葛少华 刘宝瑞南京大学医学院附属鼓楼医院肿瘤科，南京 210008【摘要】干细胞具有自我更新及多向分化能力，可以分化成机体组织器官的各种成熟细胞。人们发现肿瘤细胞与干细胞之间有着惊人的相似性，因此提出了肿瘤干细胞的概念。研究发现许多肿瘤的发生都与干细胞及肿瘤干细胞有密切的关系，这在肿瘤的诊断、治疗及预后方面都有重要的意义。【关键词】干细胞；肿瘤干细胞；肿瘤发生Stem Cells and Carcinogenesis GE Shao-hua, LIU Bao-rui. Nanjing Drum Tower Hospital, Nanjing 210009,ChinaAbstra

2、ct: Stem cells have the hallmark property of self-renewal and multipotency of transforming to mature cells of specific tissues and organs. The concept of tumor stem cells was proposed because of the similarities between tumor cells and stem cells. It was reported that many tumors had close relations

3、hips with stem cells and tumor stem cells. These findings may be of great significance to the diagnosis, treatment and prognosis of cancerous diseases. Key word: stem cells; tumor stem cells; carcinogenesis近年来成体干细胞成为医学界倍受关注的课题之一，不仅因为其多能性在器官移植方面有重要价值，还因为它与肿瘤的发生及治疗有重要关系。人们对干细胞的认识是由造血干细胞的研究开始，后扩展到对组织成体

4、干细胞的研究，最近有文献提出干细胞与肿瘤的发生有一定的关系，认为肿瘤中也存在着少数干细胞样的细胞可启始肿瘤，也可促进肿瘤的转移，由此提出了肿瘤干细胞（cancer/tumor stem cells）的概念，有的文献也称其为肿瘤启始细胞(tumor-initiating cell，T-IC)，这使人们对干细胞的认识更加深入。肿瘤干细胞的研究自1997年Bonnet等1研究人类急性粒细胞白血病发现白血病干细胞开始的，随后又相继有文献报道发现了实体瘤的肿瘤干细胞。本文就成体干细胞及肿瘤干细胞与肿瘤发生方面的研究进行了综述。1 成体干细胞与肿瘤发生1.1 肿瘤细胞的来源肿瘤的发生与干细胞有着密切的联系

5、。许多肿瘤常起源于干细胞的突变或分化成熟停止，即使有的肿瘤细胞也具有分化细胞的表型。通常认为是干细胞先发生突变，然后传给其子代细胞，子代细胞在获得自我更新能力的基础上又发生其他突变，形成恶性转化细胞，也有的文献报道祖细胞也可以发生恶性转化。1.1.1 肿瘤细胞来源于干细胞的突变 Bonnet等1报道人类急性髓系白血病（human myeloid leukemia）起源于原始造血细胞的一个异质群体，即积累突变的造血干细胞。能在糖尿病免疫缺陷鼠（SOD/SCID鼠）中发生人类白血病的细胞群大部分具有与造血干细胞相同的表型，即CD34+CD38-，而CD34+CD38+表型的白血病细胞绝大多数不能形

6、成人类白血病；淋巴系白血病和慢性髓系白血病的发生也证实了干细胞是白血病恶性转化靶细胞的观点。另外，在CD34+CD38-表型的白血病细胞群中还发现了白血病相关的染色体重排2，3。Bonnet认为有两点支持干细胞是恶性转化的靶细胞:肿瘤细胞最重要的特性是无限增殖能力。分化细胞已失去无限增殖能力，若要发生恶性转化必须先经过突变获得这种无限增殖能力；而干细胞本身已具有激活的自我更新机制，与分化细胞相比，干细胞更容易发生恶性转化。突变的积累。一个正常细胞成为转化细胞至少需要4-7次突变，这可能需要几年甚至几十年的时间。机体内分化细胞通过周期性更新而不断被替代，而干细胞可通过自我更新长期存在，这意味着突

7、变更容易在干细胞中得以积累。1.1.2 肿瘤细胞也可来源于祖细胞的突变 在白血病的研究中还发现，定向祖细胞也可发生恶性转化。使用以特异性髓系定向祖细胞为目标的hMRP-8启动子观察转基因的表达，可在鼠模型上产生起源于定向祖细胞的白血病，与人类白血病在很多方面都很相似，尽管靶基因的改变发生于定向祖细胞而不是干细胞4。这种定向祖细胞的恶性转化，可能是干细胞积累了恶性增殖的突变，在定向祖细胞中表达，从而可导致原始祖细胞的恶性增殖。1.2 不同组织器官成体干细胞与肿瘤发生的关系1.2.1 肝脏干细胞与肝癌 在肝脏发育及再生的过程中，由肝脏干细胞增殖分化形成肝脏的各种成熟细胞。目前认为肝脏干细胞分为肝源

8、性干细胞和非肝源性干细胞两类，其中肝源性干细胞有卵圆细胞、小肝细胞和肝上皮细胞；非肝源性干细胞有胚胎干细胞、骨髓/血液干细胞, 胰岛前体细胞。许多文献报道肝脏干细胞与肝脏肿瘤的发生有一定关系。Baumann等5结合动物模型及体外细胞转化实验，认为原发性肝癌的发生与肝脏干细胞的发育分化受阻有关：若在早期阶段受阻则表现为低分化肝癌，其表型介于肝细胞肝癌与胆管细胞癌之间；若在后期阶段受阻则表现为肝细胞肝癌或胆管细胞癌。Lowes等6发现肝脏干细胞参与肝癌动物模型中的病理过程，这在人类慢性肝脏疾病发展成肝癌的过程中很重要。以免疫组织化学方法检测不同病人肝脏活检组织的卵圆细胞，发现正常组织对照组未见卵圆

9、细胞，遗传性血色素沉着病、酒精性肝病及慢性丙型肝炎组均见卵圆细胞增多，且与疾病严重程度相平行，据此推测卵圆细胞的增殖可能是肝脏疾病时肝细胞出现癌变危险的一个标志。Sell 等7也报道肝脏干细胞在化学致癌剂及癌基因的诱导下，可转化成癌前细胞并最终发展成肝细胞肝癌、胆管上皮癌或未分化癌。王宇明等8也报道，卵圆细胞同时也是肝细胞、肝癌及胆管细胞癌的祖细胞，肝脏肿瘤既可发生于分化的卵圆细胞后代，也可发生于成熟的肝细胞或胆管上皮细胞，这两种来源均有证据支持，可见肿瘤的发生是正常干细胞或者其下游细胞恶性转化的结果。这些都提示肝脏干细胞与肝癌的发生有一定的关系，迄今为止，大量文献报道了正常肝脏干细胞的表面分

10、子标志，但肝癌干细胞的表面分子标志仍未被鉴定出来。1.2.2 胰腺干细胞与胰腺癌 2000年初美国研究人员发现胰腺中存在干细胞9，系在胚胎发生中未进行终末分化的胰腺细胞，具有自我更新和分裂能力，在一定条件下可分化为各种胰腺细胞，一般认为胰腺导管细胞具有胰腺干细胞的功能。Pour等10用人和大鼠胰岛细胞共同培养体系研究发现，胰岛干细胞有转化成恶性细胞的潜能，且转化率较高，这可能与其较高的酶活力和增殖速率有关。Regitnig等11研究胰岛瘤肝转移时胰岛和胰管的分化情况发现，原发肿瘤具有一致的内分泌性，而转移灶中含有两类不同的呈器官样排列的细胞系：一类是胰岛素(+)呈胰岛样排列的结构，另一类是胰岛

11、素(-)，pan-CK(+)，CK7(+)呈管状排列的结构。分析肿瘤形成及转移的可能机制是：肿瘤细胞可能起源于一类可分化成两种不同表型细胞的干细胞，一类细胞通过化生来源于另一类细胞。因此推测在一定条件下，内分泌细胞和导管细胞同时发生分化，两者可能都起源于胰岛，具有内/外分泌功能的胰腺肿瘤不一定必须起源于全能导管细胞，也可以起源于有原始内分泌功能的细胞。1.2.3 肠道干细胞与肠道肿瘤 肠道干细胞位于肠道陷窝中，一般认为一个陷窝有多个干细胞，其中占优势的干细胞迅速分裂增殖，使陷窝表现为单克隆性。肠道细胞的凋亡主要发生在两个部位：一是靠近肠腔的吸收细胞，另外是陷窝底部的干细胞，因此这两个部位细胞凋

12、亡的异常可能导致肠道肿瘤的发生。Lamprecht 等12报道迁移的陷窝上皮细胞是恶性转化的靶细胞，在从陷窝基底向上迁移的过程中，获得APC基因突变的增殖子代细胞能够保留异常，在结肠上皮中成为一个转化克隆。Boman等13使用计算机模型显示在结肠癌起始时干细胞产生过多, 在对家族性多发性腺瘤样息肉病(FAP)病人恶性前的陷窝表型进行研究的基础上，提出一个假设：结肠肿瘤的起始是由于陷窝干细胞产生过多引起。使用新的结肠陷窝动力学模型研究还发现，这些有APC基因突变的病人，早期的组织学异常只是陷窝干细胞数量增多，而不是非干细胞群的增殖分化或凋亡周期率的改变，这表明APC基因调节结肠陷窝中干细胞的数量

13、，该基因的突变导致了干细胞群的扩增，从而参与了肠道肿瘤的形成。因肠道干细胞与其子代细胞形态相似,目前仍缺乏有效的标记物或标记基因，故尚未见关于肠道干细胞及肠道肿瘤干细胞表面分子标志的报道。2 肿瘤干细胞与肿瘤发生2.1 肿瘤干细胞的提出人们发现肿瘤细胞与干细胞之间存在着惊人的相似性：干细胞最重要的特性之一是具有自我更新能力，而肿瘤细胞也具有无限增殖维持肿瘤克隆生长的能力。近来有文献提出，肿瘤细胞常起源于干细胞突变或分化成熟的停止。Couzin14在探讨肿瘤转移一文中引用了Iowa 大学Mary Hendrix的观点，认为转移的肿瘤细胞在很多方面都与干细胞相似，除了其表面分子标志与干细胞相似之外

14、，还具有干细胞的多能性，这也解释了乳腺癌细胞如何在肝脏的不同环境中形成新的肿瘤，并可以很好地生长。Tannishtha等4在2001年证实了肿瘤中存在着肿瘤干细胞的证据如下： 2.1.1 肿瘤细胞与干细胞具有相似的生长调控机制 Wnt、 SHH、 Notch 途径是目前研究较为深入且与细胞生长分化密切相关的信号传导途径。最早证明在胚胎发育中起重要作用，后来又发现与肿瘤发生发展有密切关系，近来还发现与干细胞的增殖分化有关。这说明正常干细胞和肿瘤细胞都具有自我更新能力，且由相似的生长调节机制进行调控，那么可以认为肿瘤细胞具有与正常干细胞相似的自我更新途径。2.1.2 肿瘤细胞中存在等级现象 并非所

15、有肿瘤细胞的生物学行为都相同，只有少部分肿瘤细胞具有广泛增殖形成肿瘤或引起转移的能力。白血病细胞体内种植只有1%4%的细胞可以形成脾集落15，这部分白血病细胞被认为是白血病干细胞，在急性髓性白血病中只占白血病细胞总数的0.2%，小鼠腹水分离的骨髓瘤细胞，体外培养只有1/10，0001/100的瘤细胞可形成集落16。实体瘤细胞体外培养和体内移植时也只有极少部分肿瘤细胞可形成克隆，人肺癌、卵巢癌、神经母细胞瘤等肿瘤体外培养仅有1/5，0001/1，000肿瘤细胞可形成集落17。Couzin14在探讨肿瘤转移一文中引用M. D. Anderson 肿瘤中心Isaiah Fidler的观点，估计肿瘤中

16、能够转移的肿瘤细胞约占1/10，0001/1000，000，可见能够转移的肿瘤细胞数目更少。也就是说，不管环境及细胞突变情况如何，只有极少数表型不同的肿瘤细胞具有广泛增殖形成和维持肿瘤克隆的能力，而更少的细胞具有转移并形成转移灶的能力，大多数肿瘤细胞并不具有这种能力。为什么并非每个肿瘤细胞都具有再生肿瘤的能力？Dick18于2003年对实体瘤干细胞乳腺癌干细胞的发现所做的评论中归纳了两种理论解释。其一，随机理论(stochastic theory): 肿瘤中每个细胞都具有起始肿瘤的能力，但进入细胞周期却受低概率事件控制。肿瘤是相对同质的，潜在的恶性致瘤机制由所有细胞操纵，因此研究瘤体中的大量细

17、胞可以鉴别出肿瘤的关键性能。在这个模型中，预测哪一类细胞恶性转化成肿瘤起始细胞（T-IC）是不可能的，随机事件导致两类细胞具有等概率的机会成为T-IC。其二，等级理论(hierarchy theory)：肿瘤中的细胞在功能上不同，只有有限数量的肿瘤细胞具有起始肿瘤的能力，而这类细胞高频地引发肿瘤。所有肿瘤细胞并非同质的，较少的T-IC与其他大多数细胞不同，在不同肿瘤亚群中致瘤途径也不同。该模型还预测，根除非T-IC细胞可以导致肿瘤缩小，但未根除的T-IC仍可导致肿瘤复发。现在，许多文献都倾向于等级理论，认为肿瘤中所有细胞并非同质的，只有极少一部分肿瘤细胞，在体外集落形成试验中能够形成集落，在异

18、体移植试验中能在免疫缺陷鼠体内形成肿瘤，而更少部分的肿瘤细胞可以转移并形成转移灶。白血病干细胞及一些实体瘤肿瘤干细胞的发现更支持这个观点。2.2 实体瘤干细胞的分离鉴定2.2.1 乳腺癌干细胞 Muhammad等19从乳腺癌中分离鉴定出一类表型特异的细胞群，即ESA+CD44+CD24-/lowLin-，将这类细胞称为成瘤细胞(tumorigenic cancer cells)，也称乳腺癌起始细胞(breast cancer initiating cells，BrCa-IC)，发现这类细胞在NOD/SCID鼠中可持续地形成肿瘤。这是最早报道的从实体瘤中分离鉴定出了肿瘤干细胞，这对实体瘤肿瘤干细

19、胞的鉴定是一个极大的鼓舞。文献还称，成瘤细胞和非成瘤细胞的细胞周期分布相似，且两类细胞从形态学上无法鉴别开来，故肿瘤干细胞表面的分子标志对于其鉴别具有更重要的意义。目前许多实体瘤肿瘤干细胞的分离鉴定还相当困难，主要是因为缺乏特异的肿瘤干细胞分子标志和更多正常干细胞分子标志。2.2.2 脑肿瘤干细胞（BTSC） Singh等20报道，从不同脑肿瘤中分离出脑肿瘤干细胞，这类细胞具有明显的增殖、自我更新和分化能力，且在临床恶性程度最高的成神经管细胞瘤中自我更新能力最高。这些BTSC具有神经干细胞的分子标志CD133和nestin，缺乏分化细胞的表面标志，在体外培养时可分化形成肿瘤细胞，与从肿瘤病人中

20、分离的肿瘤细胞表型相似。在此之后，Hemmati等21提出儿童脑肿瘤也是由肿瘤干细胞引起，因为儿童脑肿瘤的起源位置正是神经干细胞所在的位置，且这些细胞也表达神经干细胞的表面标志nestin和musashi-1，同时也表达正常神经干细胞调节增殖和自我更新的的基因，如CD133、Sox2、melk、PSP和bmi-1基因，将这些细胞称为“肿瘤起始祖细胞”。这些细胞在体外分化条件下可形成表达-III-tubulin的神经元细胞和/或表达GFAP的星形细胞，鼠脑内接种时可与脑细胞融合，具有迁移神经元的特性，可分化成神经元细胞和胶质细胞，并可分裂成表达Ki-67的循环细胞（cycling cells）。

21、2.2.3 肿瘤细胞系中的肿瘤干细胞 Kondo等22认为体外可长期培养的肿瘤细胞系中也存在着类似的肿瘤干细胞，称为“边缘细胞群”（side population，SP）。共研究了六个肿瘤细胞系，胶质瘤细胞系C6、人类乳腺癌细胞系MCF-7、人类骨肉瘤细胞系U-20S和SaOS-2、鼠的成神经细胞瘤系B104和人类腺癌细胞系HeLa，发现除骨肉瘤的两细胞系未找到SP细胞外，其他的肿瘤细胞系都找到了SP细胞，且不同的肿瘤细胞系中SP细胞的含量不同：C6为0.4%，MCF7为2.0%，B104为0.4%，HeLa为1.2%。不同肿瘤细胞系中SP细胞比例不同，是否反应肿瘤的恶性程度不同？与抗肿瘤治疗

22、的反应及预后有多大联系？这些问题都有待于进一步的研究。3 干细胞与肿瘤干细胞研究的意义3.1 在肿瘤治疗方面肿瘤干细胞具有无限增殖能力，且具有正常干细胞的一些耐药机制，如bcl-2家族蛋白表达增多及多药耐药等，因此肿瘤干细胞对化疗相对耐药，对放疗不敏感，这就使遗留足够数量的肿瘤干细胞导致肿瘤复发和转移成为可能。目前许多治疗方法虽然可使肿瘤体积明显缩小，有的甚至可达到完全缓解，但实际上大部分肿瘤经过一段时间的缓解期之后又会复发或转移，可能是由于传统的治疗方法并没有将肿瘤干细胞完全清除，从而导致肿瘤的复发或转移。那么在未来的肿瘤治疗中，应该强调针对肿瘤干细胞的治疗，力求将肿瘤干细胞全部清除。这样，

23、在根除肿瘤干细胞之后，肿瘤整体的增殖能力急剧下降，即使其他的非肿瘤干细胞未被杀灭，由于其增殖能力有限，也可能在增殖若干代之后使肿瘤逐渐退化萎缩，这样人类肿瘤才有可能真正治愈。在白血病和肝癌的研究中已有针对干细胞进行抗肿瘤治疗的报道。Monica等23报道，在急性髓系白血病中，使用正常人血液与白血病病人血液样本作对比，体外培养及体内异体移植试验表明，蛋白酶体抑制剂MG132和anthracycline indarubicin联合使用可快速而广泛地诱导白血病干细胞群的凋亡，而正常干细胞群仍可生存。Park等24报道TGF能够诱导肝脏干细胞凋亡，从而抑制肝脏干细胞的过度增殖，这在肝脏损伤修复、防止干

24、细胞突变及肝脏肿瘤的发生方面可能有重要意义。姚鹏等25研究也发现，TGF在体外可以导致大鼠肝脏干细胞系WB-F344的生长抑制，且呈剂量效应关系，这种抑制与诱导肝脏干细胞的凋亡有关。这些细胞因子对干细胞有明显抑制作用，但在肝脏肿瘤治疗中的作用有待进一步评估。3.2 在肿瘤的检测及预后评估方面鉴定组织或外周血中肿瘤干细胞特异性的标志物或异常表达的标志物，可以检测体内是否有残余的肿瘤干细胞，可综合评价各种治疗方法对肿瘤的作用。因此如果能够早期检测出肿瘤干细胞，尤其是容易转移的肿瘤干细胞，就可以更好地指导治疗、评估肿瘤转移和预后情况。在实体瘤的研究中，前列腺干细胞受到了重视。前列腺干细胞抗原(PSC

25、N) 是前列腺特有的抗原，从正常前列腺、前列腺上皮内瘤直至发展到激素依赖及非依赖的前列腺癌，其表达呈逐渐增强的趋势26。PSCN在80%的前列腺癌中表达，在100%肺转移癌中表达，而且表达程度与肿瘤进展有关，也是肿瘤治疗的一个很好的靶点。Dubey等27在动物模型研究中发现PSCN阳性细胞增加可能与前列腺癌的发生相平行，因此，PSCN有望用以预测前列腺癌的发生或作为前列腺癌早期诊断指标。Gao等28认为应用骨髓检测PSCN高表达细胞可以作为预测和早期诊断前列腺癌骨转移的方法，可能优于目前的检测手段。Plasschaert等29报道，成人急性淋巴细胞白血病（ALL）与儿童ALL在生物学特性方面有

26、所不同，是由于ALL细胞的起源不同，前者首次基因突变常发生于多能干细胞，而后者首次基因突变常发生于定向祖细胞，这就导致了儿童ALL较成人ALL更容易从治疗中获益。因此，肿瘤起始细胞的发育分化阶段的检测对肿瘤的治疗和预后评估是否更有价值？参考文献：1 Bonnet D, Dick JE. Human acute myeloid leukemia is organized as a hierarchy that originates from a primitive hematopoietic cellJ. Nature Med, 1997(3): 730-37.2 George AA, Fran

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