肿瘤干细胞与肿瘤转移

唐俊 吴伟忠

（复旦大学肝癌研究所，上海 200032）

肿瘤干细胞具有不断自我更新、抗凋亡和耐药等特性，随着肿瘤干细胞（或干细胞样肿瘤细胞）研究的不断深入，它在肿瘤发生发展中的作用及其临床治疗价值日益显现。本文就肿瘤干细胞发现的历史、调节机制及其在肿瘤转移中的作用作一综述。

1 肿瘤干细胞存在的证据

1997年，Bonnet等［1］发现，将从急性髓性白血病（acute myeloid leukemia，AML）患者体内分离获得的特定亚群肿瘤细胞种植到非肥胖糖尿病／重症联合免疫缺陷（non－obses diabetic／severe combined immunodeficient，NOD／SCID）小鼠体内后可以导致其发生人类样白血病。他们将该亚群细胞统称为重度联合免疫缺陷性白血病起始细胞（SCID leukemia－initiating cells，SL－ICs），其分子表型为 CD34＋CD38；而将同一患者体内其他亚群白血病细胞注入到免疫缺陷小鼠体内并不能导致人类样白血病的发生。该研究首次证明了AML患者中存在具有肿瘤干细胞特征的特殊肿瘤细胞亚群。

2003年，Al－Hajj等［2］在乳腺癌组织中分离得到CD44＋CD24－肿瘤细胞，并证实其在异种移植模型中的致瘤性明显高于其他亚群肿瘤细胞，故将CD44＋CD24－细胞称为乳腺癌肿瘤干细胞。之后，研究者在多种实体肿瘤，如脑肿瘤、肺癌、前列腺癌、黑色素瘤、卵巢癌、结肠癌、头颈部肿瘤、胰腺癌、肝癌、膀胱癌和皮肤癌中陆续分离得到各自的肿瘤干细胞。Ricci－Vitiani等［3］研究发现，将106个未分选的结肠癌细胞接种于SCID小鼠，5周后形成肉眼可见的肿瘤，如接种105个分选后的CD133－结肠癌则不能成瘤，但接种仅3000个CD133＋结肠癌细胞在4周后就可以形成肉眼可见的肿瘤。O＇Brien等［4］也发现相同的现象，上述结果表明，CD133＋结肠癌细胞为肿瘤干细胞。

值得指出的是，目前肿瘤干细胞的特征主要依赖异种移植模型来鉴定。然而，关于这种模型的真实性尚有争议，有研究显示异种移植模型可能低估了人体肿瘤干细胞的数量。此外，由于免疫缺陷小鼠缺乏淋巴细胞和巨噬细胞，可能影响人类移植瘤的生长、血管生成和转移。我们认为肿瘤干细胞具有以下特点：仅占肿瘤细胞的一小部分；细胞表面表达特定的标志物；具有潜在的自我更新和分化能力；少量接种此类肿瘤细胞可在免疫缺陷小鼠体内形成肿瘤，且可以连续传代。

2 肿瘤干细胞的起源

有关肿瘤干细胞的起源目前尚有争议。多数实验证据显示，肿瘤干细胞起源于细胞增殖能力调节失衡的正常干细胞以及重新获得自我更新能力的祖细胞。也有证据表明，成熟体细胞以及分化较好的肿瘤细胞通过基因重组而重新获得自我更新、多向分化的能力而具有肝细胞特征。

从亚临床性微小肿瘤灶发展为具有临床意义的肿瘤，常需经历一个漫长的肿瘤发生和发展过程。只有那些具备抗凋亡和无限自我复制和更新能力的肿瘤细胞才能成为肿瘤干细胞。由于干细胞本身已具备自我更新和无限复制的能力，且较同一组织中的其它细胞具有更长的生存时间，因此它们有可能成为肿瘤干细胞。事实上，Bonnet等［1］证明，白血病起始和进展的关键基因的突变发生在原始细胞而不是定向祖细胞，表明肿瘤干细胞来源于正常干细胞。当然，这并不排除已失去自我更新能力的祖细胞重新转化成肿瘤干细胞的可能性，如β－catenin蛋白活化的慢性髓性白血病祖细胞在保持整体基因表达谱稳定性的同时，其自我更新的能力大大增强了，提示定向祖细胞无需广泛的基因表达改变就可以转化为白血病干细胞，这类肿瘤细胞既保留定向祖细胞的特征同时又获得了肿瘤干细胞的部分特性［5］。与正常干细胞一样，肿瘤干细胞的生长也依赖于周围肿瘤微生态基质细胞、免疫细胞和炎症细胞，肿瘤微环境的变化可以诱导肿瘤干细胞的形成［6］。总之，肿瘤干细胞来源多样、表型不一，广泛存在于各种血液和实体恶性肿瘤中。

3 肿瘤干细胞与肿瘤的转移

肿瘤转移是一个多步骤、多环节的复杂过程。目前认为，肿瘤转移前肿瘤细胞需发生上皮细胞向间 质 细 胞 的 转 化 （epithelial－mesenchymal transition，EMT），以助于其离开原发灶，突破血管壁，进入血液循环系统；循环肿瘤细胞需逃避机体的免疫监视、失巢凋亡和血流应力，才能到达特定的转移靶器官；随后，肿瘤细胞适应靶器官微环境并逐渐生长成临床可见的转移灶。有研究［7］表明，在肿瘤转移早期阶段，肿瘤细胞侵入血管、存活和溢出血管是一件高效事件。然而，在肿瘤转移晚期阶段只有少数肿瘤细胞（约2%）得以在靶器官中生长并形成微小转移灶，约0.02%的肿瘤细胞最终发展具有临床意义的肿瘤转移灶。

3.1 肿瘤干细胞与肿瘤的侵袭 由于肿瘤干细胞具有自我更新和无限增殖的能力，是肿瘤细胞中一群高度活跃的细胞亚群。Hermann等［8］发现，在新鲜的人原发胰腺癌组织中，存在CD133＋和CD133－两群胰腺癌细胞，其中CD133＋细胞可以在异种移植模型中成瘤，被认为是胰腺癌干细胞；根据是否表达CXC趋化因子受体4（CXC chemokine receptor type 4，CXCR4）分子，将CD133＋胰腺癌细胞分成CD133＋CXCR4－和CD133＋CXCR4＋两个亚型；两个亚型的胰腺癌细胞裸鼠皮下成瘤的能力差异无统计学意义，但CD133＋CXCR4－胰腺癌形成的皮下瘤不发生转移，采用CXCR4化学抑制剂处理CD133＋胰腺癌皮下瘤获得相似的结果；进而采用免疫组织化学染色，发现在肿瘤侵袭的前缘（肿瘤周边）聚集着大量的CD133＋CXCR4＋胰腺癌细胞，提示胰腺癌转移主要是由CD133＋CXCR4＋胰腺癌干细胞引发的。因此，肿瘤干细胞在肿瘤转移中起着至关重要的作用。

3.2 肿瘤干细胞与EMT 研究［9］表明，肿瘤细胞的EMT对肿瘤干细胞特征的调控非常重要，两者在信号通路上存在着串话现象。Morel等［10］证实，激活RAS／MAPK信号通路可以上调乳腺癌细胞的E－钙粘蛋白并下调波形蛋白的表达，从而出现EMT的细胞表型，同时可诱导非致瘤性CD44－CD24＋乳腺癌细胞向致瘤性CD44＋CD24－乳腺癌细胞的转化。Mani等［11］通过过表达Twist或Snail蛋白成功诱导非致瘤性乳腺癌细胞的EMT，并产生CD44＋CD24－细胞亚群，其肿瘤细胞球和移植瘤形成能力都得到显著地增强。此外，从人正常乳腺及乳腺癌组织分离获得的CD44＋CD24－细胞也呈现间质细胞形态，并且高表达波形蛋白和纤连蛋白等间质细胞标志。Santisteban等［12］通过诱导机体的免疫反应，促进乳腺癌细胞的EMT转化和肿瘤生长；同时产生了具有间质细胞表型的CD44＋CD24－肿瘤细胞，其表现出乳腺癌干细胞的部分特性。Gupta等［13］用短发夹 RNA（short hairpin RNA，shRNA）技术降低E－钙粘蛋白的表达，发现可以明显促进HMLER乳腺癌细胞的转化，并诱导CD44＋CD24－细胞亚群的产生，极大增加了肿瘤细胞球的形成能力和抗药性，且发现EMT信号通路与肿瘤干细胞产生信号通路存在着一定的串话现象。此外，目前发现多数循环肿瘤细胞同时具有EMT的特征和肿瘤干细胞的特征，表明两者关系紧密［14］。

3.3 肿瘤干细胞的休眠（tumor dormancy）与肿瘤转移 肿瘤转移后期似乎是肿瘤转移的关键限速阶段。临床中我们也发现，肿瘤患者在化疗和放疗之后不久，肿瘤又出现复发，这可能与肿瘤干细胞的休眠现象有关。肿瘤干细胞具有许多类似于正常干细胞的生物学特性，如高表达化疗药物转运蛋白、降低细胞内的药物浓度。它也具有强大的DNA修复和抗凋亡能力［15－16］。肿瘤细胞播散至靶器官将受到局部微环境稳定机制的抵抗，只有少数具有较强抗凋亡能力和DNA修复能力的肿瘤干细胞才能适应靶器官的缺氧微环境而诱导肿瘤细胞休眠。用IL－4拮抗剂可以明显增强结肠癌患者对常规化疗药物的敏感性，减少CD133＋肿瘤干细胞的数量［17］。此外，在小鼠和人乳腺癌干细胞内，放疗前后的活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平均明显低于非干性乳腺癌细胞，故其DNA损伤程度也显著轻于非干性乳腺癌细胞，表明肿瘤干细胞具有天然的放疗抵抗能力［18］。总之，肿瘤干细胞通过耐药、抵抗放疗和休眠等机制，提高了其抗凋亡能力和生存几率，成为肿瘤复发与转移的根源。

4 microRNA（miRNA）与肿瘤干细胞

近来发现肿瘤干细胞的形成在多层面受到基因的调节。microRNA表达异常与肿瘤细胞EMT及肿瘤干细胞的形成密切相关。例如，miR－200家族成员可以通过调节锌指E盒结合同源盒蛋白（zinc finger E－box binding homeobox，ZEB）1和ZEB2的表达水平影响肿瘤细胞的EMT；另外，miR－200还可以通过调节Bmi1、Notch1及LIN28B的表达水平影响肿瘤干细胞的信号通路和生物学功能［19－21］。Shimono等［22］进一步发现，miR－200家族成员在CD44＋CD24－乳腺癌干细胞和正常乳腺干细胞中的表达水平明显降低，恢复miR－200c的表达能明显抑制正常乳腺干细胞形成乳腺导管以及乳腺癌干细胞形成肿瘤球的能力。近来，Yang等［22］在研究TWIST1诱导头颈鳞状细胞癌EMT中发现，Twist1不仅能上调Bmi1分子的表达水平，而且能诱导肿瘤干细胞标志分子Sox2的表达，提示microRNA与肿瘤细胞EMT及其干样特征的维持密切相关。

5 展 望

通过上述分析不难发现，尽管人类对肿瘤干细胞的生物学特性及其在肿瘤复发与转移中的作用有了初步的认识，但仍有许多问题尚待解决。不同种类的肿瘤往往存在各自不同的肿瘤干细胞标志物，如CD133、CD90和CD44等，这为肿瘤干细胞的分子靶向治疗带来不少的困惑。为了制定更加合理的个体化治疗方案以及发现新的分子治疗靶点，仍需进一步探讨肿瘤干细胞的化疗和放疗耐受机制及其关键信号通路。

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