肿瘤转移干细胞及其在肿瘤转移中的作用机制

尹明丽，宋红丽，沈中阳（天津市第一中心医院器官移植中心，天津300192）

干细胞是一群具有自我复制和向多种细胞分化能力的细胞。在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。肿瘤干细胞（cancer stem cells，CSC）存在于多种实体的肿瘤组织中，肿瘤的转移是影响恶性肿瘤患者预后的主要因素之一，也是恶性肿瘤患者死亡的主要原因［1］。随着干细胞的研究，CSC的概念已经形成，其中具有转移能力的CSC命名为肿瘤转移干细胞（migrating cancer stem cells，MCSC）［2-3］。

1 CSC的概述

CSC是存在于肿瘤实体中的一小部分具有干细胞功能的细胞群体，它是肿瘤形成、进展和转移的根源［4］。CSC 的来源仍不能完全定论，Amaral等［5］通过对尤文肉瘤患者和正常人的间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）与尤文肉瘤细胞的基因和细胞标志物进行比较得出：MSC是目前公认的最有可能的尤文肉瘤肿瘤细胞的来源。Shlush等［6］通过研究急性粒细胞白血病（acute myeloid leukemia，AML）细胞后认为，AML的初始细胞可能来源于造血干细胞。Mertins［7］证实了CSC确实存在。2003年，AI-Hajj等［8］从乳腺癌肿瘤标本中分离出CD44+/CD24-/Lin-/ESA+细胞，并将其移植到非肥胖糖尿病/重症联合免疫缺陷（nonobese diabetic/severe combined immunodeficient，NOD/SCID）小鼠乳腺的脂肪垫中形成肿瘤，该研究首次证实了实体CSC的存在。

2 MCSC

2.1 MCSC的概述：MCSC是指具有转移能力的CSC。Bernards等［9］认为，某些肿瘤细胞在肿瘤形成的时候就通过内在和外在因素的影响造成遗传性改变，获得了转移能力。Li等［4］认为，肿瘤的转移是CSC的内在特性。Visvader等［10］也认为，肿瘤转移是具有转移能力的CSC内在特性的表现。从理论上推测MCSC是CSC的一个亚群［11］，利用观察CD133标志物的方法，Hermann等［12］从胰腺癌肿瘤组织中分离出了CD133+的肿瘤细胞，做了体外增殖，得出CD133+的胰腺癌细胞是胰腺的CSC；又对CD133+胰腺癌CSC的不同亚群做了处理，说明CD133+CXCR4+细胞是胰腺癌的MCSC。Ma等［13］还发现，CD133+/ALDH+细胞较CD133-/ALDH-或CD133-/ALDH+具有更强的体内外成瘤能力，这也证实了MCSC是CSC的一个亚群。

2.2 MCSC的来源：一般认为，CSC来源于正常干细胞或祖细胞的累积突变后转化，那么MCSC的来源有3种可能：① 与CSC同时起源；② CSC在原发癌中逐渐演变产生MCSC；③ CSC进入循环后演变为MCSC。Díez-Torre等［14］认为，原始胚芽细胞（primordial germ cells，PGCs）与转移PGCs均表达基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）和组织抑制剂（tissue inhibitors of metalloproteinase，TIMPs），他们通过对mRNA的不断研究发现，PGCs的mRNA表达式中表达MMPs和TIMPs，所有 的 PGCs高 表 达 MMP-2、MMP-9、MMP-11、MT1-MMP、TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3。而转移PGCs的表达与PGCs有一定差异；在MMPs水平转移 PGC 高表达 MMP-2（4.8 倍）、MMP-11（3.2 倍）、MMP-9（2.1倍），在TIMPs水平高表达TIMP-3（3.4倍）、TIMP-1（2.4倍）、TIMP-2（1.8倍）。由此可得出MCSC来源于CSC的逐渐演变。上皮细胞-间质细胞转变（epithelial-mesenchymal transition，EMT）和间质细胞-上皮细胞转变（mesenchymal-epithelial transition，MET）在肿瘤的转移过程中交替发生，完成转移过程［15］。如果肿瘤细胞仅具有EMT功能而缺乏MET属性，则能使肿瘤细胞局部扩展、蔓延，甚至进入循环中形成肿瘤细胞，但不能完成转移过程［14］；阻断肿瘤细胞的MET过程，能有效抑制乳腺癌的浸润与转移［16］。只有肿瘤细胞有效进入循环内，并具有MET特性，才可使肿瘤细胞完成转移过程，因而MET可能是原发癌中一部分CSC具有的特性，或者是进入循环中才产生的特性［17］。故此推测，MCSC既可能是原发癌CSC演变的结果，也可能是CSC进入循环后演变的结果。

3 CSC在肿瘤转移中的机制

3.1 肿瘤转移的过程：早期检测到血液循环肿细胞（blood circulating tumor cells，CTC），说明在肿瘤发生的早期转移就已经出现［18］。肝癌转移的过程是一个多环节、多阶段的复杂过程，其中最重要的是肝癌细胞遗传特性的改变，DNA的异常甲基化是肝癌细胞的重要特征之一［19］。经典的转移过程包括以下几个步骤［20］：① EMT使转移肿瘤细胞突破基底膜；② 转移肿瘤细胞从肿瘤组织分离；③ 转移肿瘤细胞侵犯周围组织；④ 转移肿瘤细胞侵入已存在的或新生的血管和淋巴管；⑤ 转移肿瘤细胞在脉管中行走；⑥ 穿出血管或淋巴管道；⑦ 转移肿瘤细胞植入靶组织；⑧ 形成微转移灶继而形成继发肿瘤细胞。

3.2 肿瘤转移的相关机制

3.2.1 微小RNA（micro-RNA，miRNA）：MCSC的核酸存在变化，如miRNA。miRNA对CSC分化及自我更新能力的调节，已在乳腺癌干细胞（breast cancer stem cell，BCSC）、胰腺癌干细胞、前列腺癌干细胞及白血病干细胞（leukemia stem cell，LSC）中得到证实［21］。目前对miRNA的研究主要有：① miRNA是一类内源性非编码小分子RNA，可经序列特异性翻译抑制或mRNA裂解来调控基因表达，参与细胞发育、增殖、分化、凋亡等，约有1/3以上基因在转录后受其调控；多种miRNA通过调节靶基因参与肝细胞癌的细胞生物程序调控，间接发挥癌基因和抑癌基因的功能［22］。② miRNA-26a广泛降低多种癌症的转移，高表达miRNA-26a显著抑制肿瘤在体内和体外的生长和转移，包括黑色素瘤、前列腺癌和肝癌［23］。③ Dong等［24］通过模型研究表明，miRNA-233的高表达会降低肝癌细胞的转移，高表达的miRNA-233对整合素aV有负面影响。④ 肝星状细胞通过控制miRNA的不同表达来控制肿瘤的发展和转移［25］。⑤ 在MCSC中不仅是RNA有变化，染色体也存在一定变化，比如一些染色体的短臂和长臂基因缺失或增多，如1p35.3，4p14，14q23.1-q32.11和 18p11.32-p11.21的缺失［26］。对miRNA与CSC转移关系的研究能为肿瘤治疗提供新途径。

3.2.2 转移相关的因子和相关蛋白：趋化因子及其受体和相关蛋白在恶性肿瘤的转移中起重要作用，基质细胞衍生因子/化学引诱物趋化因子受 体 4（stromal cell derived factor /chemoattractant chemokine receptor，SDF-1/CXCR4）轴对肿瘤生物学有重要影响，其在介导肿瘤转移中的重要作用也被证实，CXCR4的高表达增加MCSC的转移能力［27］。通过对大鼠化学引诱物细胞因子受体（chemoattractant 3 cytokine receptor 1，CX3CR1）的研究发现，CX3CR1的高表达与人类结肠癌预后不良有关，在缺乏CX3CR1的大鼠体内，结肠癌肝转移的细胞显著受到抑制［28］。缺氧/复氧心肌核转录因子 -κB p65（hypoxia/reoxygenation myocardial nuclear transcription factor p65，NF-κ B p65） 和MMP-6的高表达与肝细胞癌的入侵有关，并且它们的激活与肝癌细胞株（HepG2）核移位有关［29］。

活化蛋白激酶α2（activated protein kinaseα2，AMPKα2）的不足会导致活性氧（reactive oxygen species，ROS）的升高，ROS抑制剂的生成受到抑制；AMPKα2可能代表一个重要的治疗目标，治疗结肠癌肝转移对肝的损伤［30］。

p53凋亡刺激蛋白（apoptosis stimulating protein of p53，ASPP2）表达下调促进肝癌生长和转移，免疫共沉淀实验发现，ASPP2可以与酪氨酸激酶Csk结合，进一步影响了酪氨酸激酶Src的激活状态，最终促进了连环蛋白（β-catenin）从胞膜到胞质、胞核的定位改变，从而影响了肝癌细胞的EMT进程和MCSC的转移能力［31］。

肿瘤细胞中前胶原Ⅷ型（procollagen type Ⅷ，COL8A1）表达升高，可能与肿瘤细胞的增殖能力成正比，同时COL8A1表达升高可能是肝脏来源的肿瘤细胞的标志之一［32］。

肿瘤细胞部分因子和蛋白的异常对于提高MCSC的转移能力起到十分重要的作用。

3.2.3 血管生成：研究表明，肿瘤细胞在肿瘤血管生成中发挥了重要的作用，尤其是具有转移能力的MCSC［33］。有实验证明，CD133+神经胶质瘤细胞与CD133-细胞相比，可分泌较高水平的血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）［34］，CD133+细胞较 CD133-细胞具有更强的侵袭性［35］。Wang等［36］在研究中发现，一种分泌糖蛋白（periostin，PN）的高表达与肿瘤的转移和血管的生成密切相关。血管内皮生长因子受体 1（vascular endothelial growth factor receptor 1，VEGFR1）阳性（VEGFR1+）的骨髓源性血管祖细胞和血管内皮生长因子受体2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2）阳性（VEGFR2+）的血管内皮细胞在小鼠肺组织内形成预转移环境，同时阻断VEGFR1+和VEGFR2+，可抑制黑素瘤B16小鼠的肺转移［37］。由此可以看出，肿瘤细胞可能通过促进血管的生成来促进肿瘤的转移。

3.2.4 EMT与MET：EMT是一个形态学及分子水平上的变化，是指细胞失去了上皮细胞的特性，获得了间质细胞的表型，并且具有了迁移能力［38-39］。实验表明，这一转化过程与肿瘤细胞转移、侵袭及血管入侵相关［38］。Brabletz等［2］报道，静止的CSC通过EMT转变为MCSC。一项利用肝癌细胞系Huh7的研究发现，CD133+细胞较CD133-细胞具有较强侵袭性，且CD133+细胞与CD133-细胞相比，E-钙黏蛋白下调，N-钙黏蛋白上调，调节EMT相关基因蛋白transgelin上调，表明CD133+CSC侵袭性、转移能力与EMT相关，MET与EMT交替进行，有利于转移的发生［35］。

3.2.5 CSC壁龛：干细胞壁龛是干细胞生存的一个微环境，现已经在造血系统、表皮系统和消化系统等组织中证实了它的存在，对于细胞自我更新与增殖分化间的平衡起着重要的作用，并能阻碍干细胞的过度增殖，从而防止其癌变；另外，它能锚定干细胞及募集新的干细胞［40］。VEGFR1+的骨髓源性血管祖细胞和VEGFR2+血管内皮细胞在小鼠肺组织内形成预转移环境［37］。Kaplan等［41］的实验研究证实了预转移壁龛的存在，研究者发现循环中的VEGFR1+骨髓源性细胞（bone marrow derived cells，BMDCs）在肿瘤细胞转移前率先到达肿瘤预转移处形成预转移壁龛，为MCSC的到来做好准备；而VEGFR1+的BMDCs改变了肿瘤预转移处的微环境，激活趋化因子如基质细胞衍生因子-1（SDF-1），而SDF-1能够吸附循环中CXCR4+的肿瘤细胞或CSC在预转移处锚定，并促进其存活及生长；使用抗VEGFR1抗体能阻断BMDCs形成预转移壁龛，并降低了肿瘤的转移。阻断VEGFR1+和VEGFR2+可抑制黑素瘤B16的小鼠肺转移［37］，因此推测MCSC也像正常干细胞一样存在类似的壁龛来维持其生长。

4 预防肿瘤转移

有效的预防转移对于肿瘤患者行肝移植术后的恢复非常重要。Wellner等［42］研究发现，通过抑制miRNA200可以诱导EMT促进肿瘤转移，对miRNA与CSC转移关系及相关机制的研究为肿瘤治疗提供了新的途径，也为预测肿瘤预后提供了分子标志。在不影响正常生理功能的前提下，抑制SDF-1与CXCR4的相互作用可能成为今后治疗肿瘤转移的有效方法之一［27，43］。通过对CD133的研究，CD133似乎可以成为多种肿瘤CSC治疗的靶标［44］。但是，CD133同样表达于正常造血干细胞、前列腺干细胞和肠上皮干细胞等。使用CD133进行靶向治疗能否避免对这些正常细胞的损伤，需在动物实验与临床研究中进行核实。对miRNA的抗癌疗法也会成为预防转移的重要方法［25］。阻断药物的研究也会起到相应的作用。肝移植术中的手术方式，术前术后的用药都会影响到转移，术后的全身化疗和对处于G0期的转移肿瘤细胞的杀伤具有非常重要的作用。

5 展 望

MCSC在肿瘤的转移中至关重要，对MCSC的进一步研究将会对预防转移起到十分重要的作用。阐明影响MCSC特殊生物学行为的信号通路及相关机制有助于提高肿瘤的治疗效果，为预测肿瘤预后提供新的标志物。对相关MCSC分子标志物的研究将为肿瘤治疗提供新的靶点，有利于设计针对转移相关信号通路及转移机制的靶向治疗。目前的问题应该是继续对CSC进行研究，找寻更重要的阻止转移的方案。