间充质干细胞在肿瘤治疗应用的研究进展

黄仲凯 许业炽 徐寿雨 朱汝森

广东医科大学附属医院神经外科，广东湛江 524001

间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）是一种多能干细胞，通常来源于骨髓、脐带静脉、脂肪组织，甚至包括脑、肺、肾、肝和脾等实体器官。MSCs具有许多特性，包括具有分化潜能、集落形成和自我更新等能力，并具有向肿瘤细胞趋向迁移的能力。MSCs 的细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）具有与MSCs 相似的抗炎、抗凋亡、促血管生成和免疫调节作用。

胶质瘤（glioblastoma，GBM）起源于胶质细胞或胶质前体。它们约占所有原发性脑肿瘤的26.5%和所有脑恶性肿瘤的80.7%[1]。胶质瘤的高度侵袭性使得通过神经外科手术切除治疗是不可能的。同时，胶质瘤具有大量的遗传特异性，因此使得该疾病的定性和治疗变得更具有挑战性。

新的细胞疗法包括MSCs、MSCs 的EVs、树突状细胞、自然杀伤细胞、肿瘤浸润淋巴细胞、嵌合抗原受体T 细胞等，是肿瘤治疗的潜在替代途径。利用这些细胞疗法，可以在减少不良反应的同时，在肿瘤部位获得更多的抗肿瘤药物蓄积。MSCs 治疗有可能改变临床的治疗策略，改善患者的预后。其生物学特性使其在肿瘤治疗的应用中前景广阔。

1 MSCs 与肿瘤细胞相互作用

有的研究认为MSCs 是不同的相互依赖的细胞亚群的混合物，它们都显示出相似的基本表型[2]。一些MSCs 改变了它们的细胞类型并获得梭形形态，转化为肿瘤相关的成纤维细胞（cancer associated fibroblasts，CAFs）[3-4]。

肿瘤细胞的侵袭性生长和增殖引起病变和局部组织损伤。这些组织损伤形成了一种促炎环境，这种环境吸引了多种不同的免疫细胞[5]。某些免疫细胞可以适应致瘤环境，如单核细胞、巨噬细胞转化为肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages，TAMs）。由于其再生潜能，MSC 也被招募到肿瘤细胞诱导的病变中促进组织修复。随着MSC 旁分泌活性的激活，肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）内分泌多种趋化因子、生长因子和代谢产物。这些生物活性分子可以调节免疫细胞的反应。除了这一间接途径外，MSC 还可以直接与免疫细胞、肿瘤细胞以及TME 内的成分如内皮细胞相互作用，以促进肿瘤血管生成[6]。因此，通过间接和直接途径，MSC 在肿瘤间质内建立了一个包括非致瘤间质细胞和肿瘤细胞的信号转导网络。

但是，MSCs 在不同肿瘤类型中的作用尚不明确。对小鼠黑色素瘤和小鼠肾腺癌的动物实验研究表明，MSCs 共植入使肿瘤增大，可能是MSC 介导的免疫抑制起作用[7]。MSCs 产生的血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、趋化因子CCL5和白介素-6 与Burkitt 淋巴瘤、乳腺癌、结肠癌和慢性粒细胞白血病的生长和转移有关[8]。Rowan 等[9]研究了人脂肪干细胞（adipose derived stem cells，ADSC）在乳腺肿瘤手术切除后用于重建的脂肪移植物中的安全性。人ADSCs 在乳腺癌附近的应用引起了人们的关注，因为它与肿瘤细胞迁移和转移的增加有关。因此，一旦MSCs 被肿瘤细胞招募，它们会促进转化生长因子（transforming growth factor，TGF）、VEGF、趋化因子SDF-1 和趋化因子CCL5 等因子或类似外泌体（exosomes）的微粒的生成，从而诱导或抑制肿瘤的生长；由于这种双峰相互作用，MSCs 被描述为一把“双刃剑”[10]。

2 MSCs 对TME的影响

TME 是细胞基质的动态组成，其中肿瘤细胞与多种其他类型的细胞包埋在一起，形成或多或少独立的器官样结构。TME 中细胞间的相互作用促进了肿瘤细胞不断的重组和生长。MSC 募集到肿瘤部位后，可改变功能，以适应肿瘤的代谢、分化。因此，新获得的肿瘤细胞功能或新的杂交瘤群体扩大了肿瘤的多样性，阻碍了成功的干预策略。

而MSCs 也影响TME 的特性。有研究认为骨髓基质是肿瘤细胞生长的有利环境[11]。MSCs 释放多种生长因子和细胞因子来加速肿瘤的进展、血管生成和肿瘤细胞的转移[12]。存在于肿瘤中的MSCs 通过在肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）处理过的环境中招募巨噬细胞来促进肿瘤的进展[13]。它们激活了Wnt 和TGF 信号通路，为肿瘤细胞的再获得和维持提供了有利的TME[14]。Martin 等[15]通过共培养系统揭示了MSCs 在乳腺TME 中潜在的上皮细胞转分化（epithelial to mesenchymal transition，EMT）的刺激。乳腺癌细胞刺激MSCs 分泌趋化因子CCL5，从而以旁分泌的方式增强乳腺癌细胞的侵袭和转移[16]。TME 中MSCs 向CAFs 的转变通过微血管化的上调和肿瘤刺激旁分泌因子的产生促进肿瘤生长[4]。共注射MSC 产生的趋化因子CXCL16 可以加速注射MKN45 细胞在裸鼠体内的肿瘤形成[17]。

根据肿瘤的类型和MSC 的状态，MSCs 及其产物可以调节肿瘤细胞的凋亡[18]。MSC 诱导因子引起血管形成和生长因子的分泌，促进肿瘤细胞的侵袭和肿瘤的早期转移[19]。而近来被热议的肠道菌群的研究中发现，在TME 中，微生物代谢产物还能够调节MSC的状态和抗肿瘤免疫应答[20]。虽然微生物群失调在胃肠道恶性肿瘤中尤其明显，但它有抗肿瘤免疫、肿瘤生长动力学的深远影响和免疫治疗对恶性肿瘤的反应[21-22]。

3 MSCs 在肿瘤治疗上的应用

3.1 MSCs 作为药物载体在肿瘤治疗上的应用

在目前的情况下，胶质瘤的治疗已经可悲地变成了为患者争取更多时间而不是真正治愈患者。脑的天然生理屏障，即血脑屏障的存在，阻碍了药物向脑内肿瘤的扩散，为了提高药物的治疗效率，药物必须特定地在病变区域以受控的方式累积。而血脑屏障的存在阻碍了药物从血液到手术切除后残留的肿瘤区域的通过和积累，很难达到有效治疗。

MSCs 作为靶向病毒治疗药物的载体已被探索用于颅内病变的治疗。治疗脑肿瘤的主要挑战之一是血脑屏障，而神经干细胞和MSCs 认为是绕过血脑屏障的一种方法。利用裸鼠移植人脑胶质瘤的临床研究表明，BM-hMSC-Delta-24 可与多种神经血管内治疗常用的微导管和药物兼容。干细胞活力和病毒活性似乎不受导管和注射速度的影响。负载Delta-24-RGD（一种肿瘤选择性溶瘤腺病毒）的BM-hMSC（BM-hMSCDelta-24）在动脉内（颈动脉内）注射后可绕过血脑屏障，有效地定位于胶质瘤，并将Delta-24-RGD 释放到肿瘤中。MSCs 在不丧失任何抗胶质瘤功能的情况下，仍能提供经测试的治疗剂Delta-24-RGD。证明了MSCs 是正确的血管内干细胞递送神经治疗的载体[23]。

3.2 基因修饰MSCs 在肿瘤治疗上的应用

使用细胞因子基因修饰的MSCs 能够迁移到肿瘤局部释放细胞因子，从而提高细胞因子的浓度，触发肿瘤细胞凋亡或激活免疫消除肿瘤。并且由于基因修饰MSCs 的靶向性，治疗药物的分布具有针对性的，是局部的，能够显著地降低对正常细胞的毒副作用。

可使用包括慢病毒、逆转录病毒或DNA 质粒，以及腺病毒载体等，对MSCs 进行基因修饰，主要有促凋亡或抑制细胞周期基因、自杀基因、抗血管生成基因和免疫刺激基因等，而治疗疾病的目的或机制可有目的的选择所需要的基因修饰[24]。

催化肿瘤前体药物的酶可催化无毒的药物前体转变为细胞毒物质，诱导邻近肿瘤细胞凋亡，导致携带该基因的受体细胞被杀死。通过基因工程方式将催化肿瘤前体药物的酶类基因导入MSCs，经过静脉输注，MSCs 携带催化肿瘤前体药物的酶类基因归巢至肿瘤组织，在肿瘤部位表达、转化为细胞毒性衍生物，将非靶标毒性降至最低。基因修饰的MSCs 凋亡间接释放大量的抗肿瘤药物导致邻近靶细胞的凋亡。同时激活的前药所产生的细胞毒作用还会促进有毒物质的释放，激活免疫细胞，包括巨噬细胞、细胞毒性T 细胞，进而达到更强的抗肿瘤效果[25]。

目前临床应用上最具有前景的促凋亡细胞因子之一，TNF 相关的凋亡诱导配体（TNF-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL），在肿瘤细胞中，可以通过与其受体死亡受体4（death receptor，DR4）和DR5 结合来诱导caspase 介导的细胞凋亡[26]。有研究发现，经TRAIL 修饰的MSCs 对胶质母细胞瘤有抗肿瘤作用[27]，但尚未发现TRAIL 对正常细胞和组织有细胞毒性[28]。此外还发现，抑癌基因PTEN 基因通过细胞周期G1 期阻滞来抑制细胞增殖，将PTEN 基因导入MSCs 可增强MSCs 在体外向脑胶质母细胞瘤迁移[29]。并且PTEN 修饰的MSCs 对U251 胶质瘤细胞展现出良好的抗肿瘤效果[30]。

4 MSCs 分泌的EVs 在肿瘤治疗上的应用

4.1 EVs 作为生物标志物

近年来的研究表明，旁分泌机制在TME 中骨髓MSCs 与免疫细胞的相互作用中发挥重要作用。MSCs可分泌可溶性分子和EVs，介导旁分泌信号转导。EVs含有大量的蛋白质和核酸，如mRNAs 和microRNAs（miRNAs）等，能够在细胞间传递物质。由于EV 双分子膜结构的保护，这些物质不易降解。MSC-EVs 可以模拟MSCs 的分化、成熟和自我更新等生物学特性。

从多个方面对EVs 进行分析，以此来研究囊泡的生物行为，和开发诊断人类疾病的生物标志物[31]。事实上，外周血和其他生物体液（如脑脊液和尿液）中的循环EV 是可动态监测的，并能反映亲代细胞的生理和病理生理特征。此外，它们在生物体液中的浓度似乎是疾病状态所依赖的[32-34]。由于这些特征，EVs，特别是Exosomes 已经被确定为诊断肿瘤的生物标志物。

4.2 EVs 作为治疗工具

EVs 携带信息和传递到靶细胞的能力激发了科学家使用外泌体和EV 作为药物传递的潜在开关。与存在毒性问题的合成载体（如纳米颗粒脂质体或聚合物胶束）相比，EVs 是安全的。此外，EVs 还具有跨越组织和细胞屏障的独特能力[35]。将分子负载到EVs 是将EVs 的生理活性与修饰结合起来的一种策略。例如，从MSCs 中修饰EVs 会产生双重效应：MSCs 衍生的EVs 对免疫反应的抑制作用[36]与药物活性。这种策略成功地应用于胰腺癌小鼠模型。动物实验表明，来源于MSCs 并负载大量的anti-KRASG12D siRNA 的EVs 运用于胰腺癌小鼠模型，小鼠存活率显著增加[37]。

同时EVs 也可以被设计为针对特定器官。Mentkowski 等为了表达与心肌细胞特异性肽（cardiomyocyte specific peptide，CMP）融合的外泌体膜蛋白Lamp2b 而修饰了心肌细胞，增加了心肌细胞对外泌体的保留，并导致更高的心脏保护活性[38]。

MSC 衍生的Ev 在抗肿瘤免疫治疗和再生治疗方面的应用取得了良好的实验结果[39]。外泌体可以激活树突细胞（dendritic cells，DCs），而DCs 又可以激活CD8+T 细胞的抗肿瘤能力[40]。在一项研究中，表明当DCs 在肿瘤肽的存在下孵育时，产生能够激活CD8+T细胞活性并抑制肿瘤活性[41]。因此，外泌体在胶质瘤治疗中的作用不一定只能停留在单纯的药物输送上；外泌体还具有开发为肿瘤疫苗的潜力。

5 总结

MSCs 通过影响肿瘤细胞的活力、介导迁移、促进血管生成、抑制免疫反应等多种途径在肿瘤的发生发展中发挥作用。对这些作用的深入了解可以提供有关肿瘤生物学行为的信息，并为基于MSCs 的肿瘤和免疫疾病治疗方法的设计奠定基础。MSCs 分泌的EVs或MSCs 在肿瘤细胞中激活的通路可能丰富分子治疗的潜在靶点，在肿瘤的治疗上提供更多的可能性。MSCs 及其产物在肿瘤治疗的运用，会在不久的将来起到不可忽视的作用。