肿瘤干细胞与胶质瘤细胞起源

[文章编号 ] 1000- 4718( 2009) 08- 1652- 04 [收稿日期 ] 2008- 02- 13 [修回日期 ] 2008- 06- 21 * [基金项目 ] 国家自然科学基金资助项目 (No. 30670795) Te :l 020- 85220268; E- ma i:l pinger l353@ yahoo. com. cn #综 述 # 肿瘤干细胞与胶质瘤细胞起源* 李 平, 钟雪云 (暨南大学医学院病理教研室,广东 广州 510632) Tumor stem cells and gliom a in itia ting cells L I P ing, ZHONG Xue- yun (Department of P a thology, M edica l College of J inan University, Guangzhou 510632, China. E - mail: pingerl353@yahoo. com. cn ) =ABSTRACT> The tumor stem cell theory supposed that tumor stem cells a re the origin of tumor abnormal prolifer2 a tion, invasion, metastasis, drug resistance and recurrence. As the theory is put forward, it rede fines the functions of clas2 s ic stem ce lls in tumor igenes is. It is a great even t for recent stud ies on glioma in itia ting ce lls as bra in tumor stem ce lls were identified and isolated successfully. A lot of evidence from exper iments in vivo and in vitro demonstrates that bra in tumor stem cells m ight p lay an important role in glioma tumorigenesis. In th is review, we discuss the re la tionsh ip be tween tumor stem cells and tumor igenesis, and the research on the corre lation between bra in tumor stem ce lls and glioma genesis. [关键词 ] 肿瘤干细胞; 神经胶质瘤; 脑肿瘤干细胞; 细胞分化 [ KEYS] Tumor stem ce lls; G lioma; Bra in tumor stem ce lls; Ce ll differentia tion [中图分类号 ] R730. 2 [文献标识码 ] A 经过过去 20年的努力, 癌基因和抑癌基因在神 经胶质瘤形成及发展中的核心地位已达共识。然 而,在生命科学研究突飞猛进、肿瘤诊断与治疗手段 日新月异的今天,我们尚未确立这些核心分子在胶 质瘤中作用的靶标,因此, 胶质瘤的细胞起源 - 这一 决定着人类最终克服胶质瘤的根本问题再度引起人 类的关注。 干细胞在组织工程领域取得的卓越成就, 使其 成为继基因组完成之后新世纪的热点。人类很早就 注意到干细胞与肿瘤细胞的相似性, 并将其作为肿 瘤的细胞起源 [ 1]。 2001年肿瘤干细胞 ( tumor stem cells, TSC)学说的提出 [ 2] , 让传统意义的干细胞在 肿瘤发生中的作用重新被定位, 人类的肿瘤研究开 始迈入一个崭新的历史进程。脑肿瘤干细胞 ( bra in tumor stem cells, BTSC)的发现和成功分离是近来肿 瘤干细胞和胶质瘤起源研究的重大事件 [ 3 ] , 我们密 切地关注着相关的研究进展, 试图探寻这一具有革 新意义理论带给我们胶质瘤研究领域的些许启示。 1 肿瘤细胞起源与肿瘤发生 解释肿瘤发生机制的学说很多, 最为广泛接受 的学说认为肿瘤是正常细胞在内外环境因子的作用 下基因突变或表达异常逐渐形成的。这种理论建立 在肿瘤发生的原因是细胞遗传物质改变的基础之 上,基因、染色体和表观遗传修饰异常均是导致肿瘤 发生以及参与致癌性分子事件的最直接因素。然 而,在长达 20余年的肿瘤相关基因的研究过程中, 人类至今尚未发现所有细胞癌变共有的分子事件。 胶质瘤中众多基于基因突变基础上的研究始终无法 解决肿瘤侵袭性、异质性和耐药性以及受累基因多 样性等诸多难题,曾被寄予厚望的基因靶向治疗也 逐步陷入了举步维艰的局面。 关于肿瘤的细胞起源, 传统认为是成熟细胞的 /去分化 0或 /逆分化 0, 或者是干细胞的分化障碍。 早在上世纪 70年代, P ierce等根据肿瘤细胞与干细 #1652# 中国病理生理杂志 Ch inese Journa l of Pathophys iology 2009, 25( 8): 1652- 1655 胞的增殖和分化特性具有相似性, 提出肿瘤发生源 于干细胞成熟受阻, 而不是体细胞的去分化。长期 以来, /二次打击0学说被认为是细胞恶性转化的最 基本条件, Se ll等 [ 4]认为恶性肿瘤的激发和促进阶段 引起了干细胞的分化受阻,干细胞才是被 /打击 0对 象。干细胞起源学说在 20世纪的研究中获得广泛 支持, 1967年,研究者将早期小鼠胚胎细胞植入成年 小鼠的睾丸后,发展为畸胎瘤的研究为肿瘤起源于 干细胞提供了最直接的证据 [ 4]。 肿瘤干细胞概念的提出和最早被证实起源于对 白血病的研究。随后的多项体外培养和动物接种实 验结果也证实:参与肿瘤生长增殖以及恶性转化的 并不是传统概念上的所有肿瘤细胞, 而是小部分的 肿瘤干细胞 [ 2]。肿瘤干细胞学说将肿瘤组织中数量 稀少的干细胞和形成肿块的普通肿瘤细胞区分开 来,认为肿瘤干细胞才是肿瘤异常增殖、侵袭、转移、 耐药及复发的根源 [ 2, 5] ,揭示了消灭非肿瘤干细胞可 达到肿块缩小的目的, 但干细胞不清除, 肿瘤仍复 发。这一学说一旦成立, 对明确肿瘤发生靶标以及 改进研究及治疗策略将具有深远的意义。 传统观念认为肿瘤异质性可能与基因组的不稳 定性有关,肿瘤干细胞学说认为是分化异常的结果, 肿瘤干细胞在异常的调节机制下, 经历了类似在正 常组织中干细胞的分化过程,逐级形成干细胞、祖细 胞、幼稚细胞和终末成熟细胞的肿瘤构成成分 [ 2]。 因此, 肿瘤干细胞是形成不同类型肿瘤细胞和肿瘤 不断扩大的源泉,是介导肿瘤发生和各类分子事件 的靶标。在与肿瘤分化有关的研究中, 肿瘤异质性 往往成为实体肿瘤难以进展的最大障碍, 但是, 肿瘤 分化障碍的根本特征以及分化逆转的潜能使得诱导 分化一直是实体肿瘤治疗重要的研究方向。新兴的 肿瘤干细胞理论一旦为我们确立了特异性靶标, 相 信诱导分化个体化治疗会有着更为广阔的前景。 2 胶质瘤的细胞起源 上世纪 20年代, 著名的神经病理学家 Bailey等 推测及继后的研究认为, 神经胶质瘤瘤细胞起源于 与其同名的成熟的胶质细胞,二者形态相似,仅仅分 化程度不同。数十年后, 随着 1992年神经干细胞 ( neurona l stem ce lls, NSC)的成功分离, 人类开始推 测胶质瘤是否来源于恶变的 NSC。自 Singh等 [ 3]从 不同表型的脑肿瘤及其细胞系中分离并鉴定出 BTSC后,传统意义上的胶质瘤起源受到质疑, 而随 后的诸多实验证实了 BTSC和 NSC在分子遗传学方 面存在密切的渊源关系。 2. 1 脑肿瘤干细胞的证据 肿瘤干细胞的研究最 初是在白血病中获得证实,随后扩展到乳腺癌、脑肿 瘤、前列腺肿瘤、非小细胞肺癌、黑色素瘤及膀胱癌 等实体肿瘤中,在人胃癌干细胞、肺癌干细胞等实验 动物模型以及多种肿瘤细胞系中也发现了具备干细 胞特性的肿瘤细胞 [ 6]。这些只占肿瘤极少部分的细 胞却是肿瘤发生、发展的关键。 Singh等 [ 3]在星形细胞瘤标本中, 发现仅有 013% - 115%的肿瘤细胞与干细胞相似, 表达正常 NSC的表面抗原 CD133和神经表皮巢蛋白 ( nestin), 具有无限增殖、自我更新、多向分化的特性, 称之为 BTSC。异种移植的实验结果表明: CD133+细胞仅需 102数量级就能致瘤, 而 CD133- 细胞即使高达 105 数量级也不致瘤 [ 7]。由此得出结论:只有 CD133+细 胞具有无限增殖能力和致瘤性。随后的一系列实验 结果表明:大部分脑肿瘤细胞失去自我更新和增殖 能力, 仅构成肿瘤的表型特征;而小部分脑肿瘤细胞 具备了正常 NSC的自我更新、多向分化能力,经系列 传代及原位接种仍保持其生物学特性,说明脑肿瘤 中确实存在干细胞 [ 5, 8- 13 ]。Kondo等 [ 8]应用细胞对 DNA染料 Hoechst33342的排斥特性, 从鼠胶质瘤细 胞系 C6中分离出占 014%的 SP细胞 ( side popu lation cell),在体内外均可分化为神经元细胞和胶质细胞, 提示 SP细胞具有干细胞样的特性,被认为等同于肿 瘤干细胞。同时,相关的研究表明了 SP细胞的生物 学特性与 ABC转运蛋白 ( ATP - binding cassette transporters)家族成员 BCRP1 / ABCG2的表达密切相 关,一定程度上造成肿瘤细胞的耐药性 [ 8]。 与体外实验相比,体内实验为 BTSC的存在提供 了更有力的证据。Ba jenaru等 [ 14]通过基因工程鼠脑 瘤模型,发现多种类型脑瘤均起始于两个区域:侧脑 室及海马回 2个部位, 正是脑组织干细胞的定位所 在。Galli等 [ 9 ]从多形胶质母细胞瘤标本中分别收集 CD133+细胞, 将肿瘤球细胞植入裸鼠脑内能形成与 亲本同样的胶质瘤,而从该鼠胶质瘤分离的 CD133+ 细胞, 再次移植入第 2只裸鼠脑内, 能形成与第 1代 裸鼠及亲本同样的胶质瘤。 Singh等 [ 7 ]和 Kondo 等 [ 8]分别以胶质瘤细胞株及不同病理类型、级别的 胶质瘤组织进行实验得到了类似结果。H emmati 等 [ 15]将分离得到的 BTSC移植到新生大鼠脑内, 可 分化为与来源肿瘤表型相同的肿瘤细胞, 从神经元 和星形细胞肿瘤中分离的 BTSC在分化后仍具有神 经元和星形细胞的性状,认为 BTSC可能是胶质瘤的 起源细胞。 #1653# 2. 2 脑肿瘤干细胞的鉴定 从肿瘤免疫学的角度, 肿瘤细胞不断表达 /正常抗原 0和 /异常抗原 0。作 为以突变为特征的 BTSC, 只有与正常 NSC差异性的 免疫蛋白表面标记才具有特异性, 因此, BTSC的确 凿鉴定才是 BTSC存在的最有力证据。然而,目前的 BTSC分离鉴定仍然借助于 NSC的技术方法,在特异 性标志蛋白找到之前, CD133和 BCRP1 / ABCG2是 最常用的 BTSC标记物。 Patrawa lal等 [ 16]认为 SP肿瘤细胞群非肿瘤干细 胞, 只能作为初次筛选。有研究认为, 由于 Ho2 echst33342存在一定的细胞毒性, 分选出来的 SP细 胞也不能完全体现干细胞的特性 [ 17]。CD133作为 脑肿瘤干细胞的标记物在被逐渐认可的同时, 也受 到一些质疑。 Zheng等 [ 10]的研究证明:鼠胶质瘤细 胞系 C6的 CD133- 细胞在体内外均能成瘤, 并不是 所有 BTSC增殖形成的肿瘤球中均有 CD133+细胞, CD133-同样具有肿瘤干细胞特征和功能。Wang 等 [ 11]收集人脑多形性胶质母细胞瘤活检组织中 CD133-细胞,植入裸鼠脑内后均成瘤, 移植瘤产生 CD133 +细胞,且移植瘤中 CD133+细胞率高于原发 瘤;在原发瘤和移植瘤两种组织中, 其 CD133+ 和 CD133- 细胞群的 nest in蛋白均呈阳性表达。Wang 等因此认为 CD133的表达与脑肿瘤的恶性进展程度 有关, 而 CD133并不能成为脑肿瘤干细胞特异性的 标记物。 2. 3 脑肿瘤干细胞与胶质瘤发生 大量体内外实 验的证据证实了 BTSC在胶质瘤起源中的重要作用, 然而, 尚未见一篇报道对 BTSC的产生过程、诱发机 制进行阐述。脑肿瘤和正常脑组织的相似性提示: 它们可能有共同的细胞起源。早期的 Ba iley推测胶 质瘤源于正常的胶质细胞, 得到了后来的研究者利 用化学致癌剂诱导产生胶质瘤模型的验证。近年来 发现室管膜下区 ( subventricular zone, SVZ )富集以 nestin阳性为标记的 NSC[ 12] , Recht等 [ 18]利用同样的 致瘤模型,证实了 NSC的致瘤性。有研究者由此倾 向于 BTSC起源于 NSC的学说, 即在特定的条件下, NSC发生基因突变, 积累到一定程度, 向其前体细胞 转化, 再分化为各种肿瘤组成细胞, 最终形成肿瘤。 Singh等 [ 3 ]分离并鉴定了多种脑肿瘤的肿瘤干细胞, 包括星形细胞瘤、恶性成神经管细胞瘤及胶质母细 胞瘤, 发现各种 BTSC不具有成熟细胞的特征, 均不 表达分化标记物 GFAP、B- tubulin 3和 PDGFR - A。 这提示, 不同类型的脑肿瘤可源自 1个共同的 BTSC, BTSC在特定的生长因子引导下发生的分化, 而 NSC的不同突变可以导致不同类型的脑肿瘤。 Rech t等 [ 18 ]认为 SVZ区突变的 NSC不断向脑实质迁 移,其迁移局部的微环境和在发生转化时的分化程 度决定了其进一步分化而成胶质瘤类型。 BTSC源于正常的 NSC另一个理论基础是二者 具有共同的分化增殖调控通路, Wnt、Shh、Notch、 PTEN等信号转导通路在保持正常 NSC的自我更新 能力中起重要作用 [ 5, 12, 13] , 而脑肿瘤的发生常常与 NSC信号通路蛋白的异常表达有关。现已证明 Wnt、shh通路异常与脑肿瘤的发生密切相关, Wnt通 路的下游激活物 B- caten in突变, 可引起一系列脑 肿瘤的产生;而 Bm i- 1的过度表达与 Shh途径激活 相关, 是导致胶质母细胞瘤与髓母细胞瘤发病的机 制之一,应用其信号通路的抑制剂, 可以导致小鼠体 内的移植瘤衰退,并能诱导手术切除的髓母细胞瘤 细胞迅速凋亡 [ 13 ] ; PTEN编码 1个调节 NSC增殖的 磷酸酶, 其突变常发生于较高级别的恶性胶质瘤 中 [ 5, 12]。从脑肿瘤起源的部位, 部分类型肿瘤成分 的多样性、复杂性以及 BTSC与 NSC功能上、遗传学 上、信号转导通路的相似性等方面看来, BTSC和 NSC在发生学上的确存在密切的渊源关系。 较令人信服的证据来自于制作基因工程鼠胶质 瘤发生模型,将携带表皮生长因子 ( EGFR )的病毒载 体转入 Ink4a - Arf基因敲除鼠的神经干细胞, 持续 表达后产生了胶质瘤。相反, GFAP表达阳性的鼠 成熟的星形细胞对转化不太敏感, 进一步通过转染 PDGF基因后才转变为去分化状态形成肿瘤 [ 19]。这 些实验表明,细胞分化不良是胶质瘤起源细胞的重 要特征,中枢神经系统的干细胞和祖细胞更容易发 生恶性转化;成熟细胞则可以通过癌基因的激活发 生去分化后同样形成肿瘤;在特定致癌因子作用下, 成熟的胶质细胞和 NSC均可以发生神经胶质瘤。最 近的研究认为,干细胞 niche即干细胞的外环境发生 异常,是导致正常干细胞或分化细胞转化为 TSC重 要促进因素 [ 12]。 Baylin等 [ 20]指出, 基因沉默是肿瘤中基因功能 丧失的重要机制,可使关键性发育信号和细胞信号 特性过度地激活或重新分布, 干细胞表遗传学的基 因沉默与启动子异常甲基化及转录抑制有关。W id2 schwendter等 [ 21]认为肿瘤发生源自干细胞阶段的表 遗传学变化, 表遗传学改变先于基因改变;基因的 /永久沉默0会阻止胚胎干细胞分化, 这些胚胎干细 胞因此成为肿瘤的 /种子0,脑肿瘤干细胞就是颅内 恶性肿瘤的 /种子 0细胞, 随着生命进程逐渐导致肿 #1654# 瘤的形成。 近年来,由干细胞和携带突变基因细胞发生融 合而成为肿瘤起源细胞的学说正在形成。研究者认 为融合细胞的去分化很可能是肿瘤干细胞的来源之 一,导致了肿瘤形成早期的染色体紊乱现象。细胞 融合后的去分化或转分化在肿瘤发生的起动、形成 和进展期均可发生 [ 5 ]。B jerkvig等 [ 22]推测, 在人的 成神经管瘤和多形性胶质母细胞瘤的肿瘤干细胞中 观察到染色体的紊乱可能是由细胞融合引起的。 对于刚刚开展的 BTSC研究, BTSC的 /去分化 0 起源又受到一如当年的质疑。除了基因突变途径, 表遗传学改变以及细胞融合行为是否都有可能导致 BTSC的形成? 当然, 如果能够阻止 BTSC的形成, 就 有可能找到治疗胶质瘤的有效手段。 [参 考 文 献 ] [ 1] 郭运杰, 崔秀英,姚和瑞. 乳腺癌细胞株 MCF- 7 /ADM 中肿瘤干细胞的研究 [ J]. 中国病理生理杂志, 2008, 24 (12): 2374- 2377. [ 2] Reya T, Morrison SJ, C larkeMF, et a.l Stem cells, canc2 er, and cance r stem cells [ J ]. Nature, 2001, 414 (6859) : 105- 111. [ 3] S ingh SK, C larke ID, TerasakiM, et a .l Identification of a cancer stem cell in human brain tumors [ J] . Cance r Res, 2003, 63( 18): 5821- 5828. [ 4] Se ll S, P ierce GB. Matura tion a rrest of stem ce ll d ifferen2 tia tion is a common pathway for the ce llu la r or igin of ter2 atocarc inomas and epithelial cancers [ J ]. Lab Invest, 1994, 70( 1): 6- 22. [ 5] DamelinM, BestorTH. The decatenation checkpoint[ J] . Br J Cancer, 2007, 96( 2): 201- 205. [ 6] A tlas iY, Mow la SJ, Ziaee SA, et a.l OCT- 4, anembry2 on ic stem ce llmarker, is h igh ly expressed in bladde r canc2 er[ J] . Int J Cancer, 2007, 120(7): 1598- 1602. [ 7] S ingh SK, H awk ins C, C la rke ID, e t a.l Identifica tion of human bra in tumor in itia ting ce lls[ J]. N ature, 2004, 432 (7015) : 396- 401. [ 8] Kondo T, Setoguch iT, Taga T. Persistence of small sub2 population of cance r stem - like ce lls in the C6 glioma ce ll line[ J]. P roc Natl Acad Sci USA, 2004, 101( 3) : 781- 786. [ 9] G alli R, B inda E, OrfanelliU. Isolation and characte riza2 tion of tumor igen ic, stem - like neura l precursors from human glioblastoma [ J] . Cancer Res, 2004, 64 ( 19) : 7011- 7021. [ 10] Zheng X, Shen G, Yang X, e t a.l Most C6 ce lls are cancer stem ce lls: evidence from c lonal and popu la tion ana lyses[ J]. CancerRes, 2007, 67( 8): 3691- 3697. [ 11] W ang J, Sakar iassen PO, Ts inkalovsky O, et a.l CD133 negative glioma ce lls form tumors in nude rats and give r ise to CD133 positive cells[ J]. Int J Cancer, 2008, 122 ( 4): 761- 768. [ 12] Sulman E, A ldape K, Colman H. Brain tumor stem ce ll [ J]. Curr P robl Cancer, 2008, 32(3) : 124- 142. [ 13] L igon KL, H uillard E, Mehta S, e t a.l O lig2- regu lated lineage - restricted pathway controls rep lication compe2 tence in neural stem ce lls and ma lignant glioma[ J] . Neu2 ron, 2007, 53( 4): 503- 517. [ 14] Ba jenaru ML, Zhu Y, H edr ick NM, et a.l A strocyte - specific inac tivation of the neurofibromatosis 1 gene (NF1) is insufficien t for astrocytoma formation[ J]. Mol Ce ll B io,l 2002, 22 (14): 5100- 5113. [ 15] H emmati HD, N akano I, Lazareff JA, e t a.l Cancerous stem ce lls can arise from pediatr ic bra in tumors[ J]. P roc NatlA cad Sc iUSA, 2003, 100( 25): 15178- 15183. [ 16] Patrawa la L, Calhoun T, Schne ider- B roussa rd R, et a .l Side popu lation is enriched in tumorigen ic stem - like cancer cells, whereas ABCG2 + and ABCG2 - cance r ce lls are sim ilarly tumor igenic [ J]. Cance r Res, 2005, 65( 14): 6207- 6219. [ 17] Burkert J, O ttoWR, W r ight N. S ide populations of gas2 trointestina l cance rs are not enr iched in stem cells[ J]. J Patho,l 2008, 214( 5): 564- 573. [ 18] Rech t I, JiangT, Savarese T, et a .l Neura l stem ce ll and neurooncology quo vad is? [ J]. Cell B iochem, 2003, 88 ( 1): 11- 19. [ 19] Furna ri FB, Fenton T, Bachoo RM, et a .l Ma lignan t astro2 cytic glioma: gene tics, b iology, and paths to treatment [ J]. Genes Dev, 2007, 21( 21): 2683- 2710. [ 20] Baylin SB, Ohm JE. Ep igenetic gene silencing in cance r - a mechan ism for ear ly oncogen ic add ic tion? [ J] . Nat Rev Cancer, 2006, 6( 2): 107- 116. [ 21] W idschwendter M, F iegl H, Egle D, et a.l Ep igenetic stem ce ll signature in cancer [ J] . Nat Genet, 2007, 39 ( 2): 157- 158. [ 22] B jerkvig R, Tysnes BB, Aboody KS, e t a .l Op in ion: the or igin of the cance r stem ce l:l current controvers ies and new insights[ J]. Na t Rev Cancer, 2005, 5( 11 ): 899- 904. #1655#